2.7.2. Сверхизлучение и суперлюминесценция

Если первоначально в верхнем состоянии находилось такое число атомов, что возникла инверсия населенностей, то излучение может принять форму кооперативного процесса, в котором излучение одного атома влияет на излучение других атомов. Данный процесс приводит к явлениям сверхизлучения [8] и суперлюминесценции [9]. Вновь отсылая читателя для подробного рассмотрения этих явлений к оригинальным работам [8, 9], укажем здесь лишь на несколько относящихся к делу особенностей этих явлений: 1) существует вполне определенный порог возникновения кооперативного эффекта; 2) длина активной среды I должна быть меньше некоторой характеристической длины значение которой зависит от начального уровня инверсии; 3) интенсивность излучаемого света не изменяется теперь во времени по экспоненциальному закону; вместо этого она имеет вид колоколообразной кривой, характерная длительность которой при большом уровне начальной инверсии может быть много меньше, чем ; 4) в случае стержневой формы

активной среды свет будет излучаться в телесный угол, соответствующий углу дифракции где — диаметр стержня; 5) пиковая мощность испускаемого излучения изменяется теперь пропорционально критическая инверсия, а критический объем), а не как должно было бы быть в случае нормального процесса спонтанного излучения.

Пять перечисленных выше свойств характерны как для суперлюминесценции, так и для сверхизлучения. Различие между этими двумя явлениями трудноуловимо и зависит от способа, каким была получена исходная инверсия населенностей. Если в момент времени фазы осциллирующих дипольных моментов вектор [см. (2.33)] каждого атома совпадают и если все эти моменты имеют одно и то же направление, то излучение, развивающееся по достижении пороговых условий, называется сверхизлучением. В этом случае в начальный момент времени уже присутствует макроскопический «гигантский» дипольный момент и напряженность поля, создаваемого в направлении излучения, в раз превышает напряженность поля отдельного диполя. Соответствующая пиковая мощность излучения в раз больше мощности отдельного диполя и, следовательно, в раз больше полной излучаемой мощности обычной люминесценции (когда суммируются не напряженности поля испускаемого излучения, а его интенсивности). Поскольку полная энергия излучения должна быть, очевидно, одной и той же в обоих случаях, длительность сверхизлучения будет в раз меньше длительности обычной люминесценции (рис. 2.20). В случае суперлюминесценции фазы осциллирующих дипольных моментов в момент времени распределены случайным образом. Поэтому первоначально отсутствует какой бы то ни было макроскопический дипольный момент, и атомы начинают излучать независимо, как при нормальном процессе люминесценции. Таким образом, исходная интенсивность люминесценции пропорциональна Однако после достижения пороговых условий система начинает стремиться к состоянию, при котором излучение отдельных частиц коррелировано между собой, причем корреляция вызывается спонтанным излучением. При этом система достигает состояния, когда излучаемая мощность вдоль

Рис. 2.20. Сравнение временных зависимостей сверхизлучеиия, суперлюминесцеиции и обычной люминесценции.

направления распространения излучения вновь пропорциональна Тем самым длительность суперлюминесценции опять в раз меньше длительности обычной люминесценции (рис. 2.20).

В заключение этого раздела укажем на то, что описанные явления сверхизлучения и суперлюминесценции редко наблюдаются на практике, поскольку соответствующих пороговых условий достичь трудно.