автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазеры без инверсии населенностей

РГ5 ОД

На правах рукописи

КОЧАРОВСКАЯ Ольга Анатольевна ЛАЗЕРЫ

БЕЗ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ 05.27.03 — квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород — 1996

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

Защита состоится умна 1996 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан " мая 1996 г.

доктор физико-математических наук профессор В. И. Беспалов

доктор физико-математических наук профессор А. Н. Ораевский

доктор физико-математических наук профессор Л. А. Ривлин

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт физики С анкт- Петербургского государ ственного университета

Ученый секретарь диссертационного совета д. ф. - м. н., профессор

Ю. В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Действие традиционных лазерных источников когерентного излучения, как известно, основано на индуцированном испускании и требует создания инверсии на-селенностей на рабочем переходе в активной среде. Однако распространение этого принципа на некоторые активные среды и частотные интервалы наталкивается на серьезные, порой непреодолимые, препятствия. В частности, принципиальные трудности возникают на пути создании инверсии в достаточно высокочастотных диапазонах (далеком ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах) в связи с тем, что с ростом частоты рабочего перехода резко (как куб частоты) возрастает скорость спонтанной релаксации возбужденного состояния. Для достижения инверсной заселенности такого состояния требуется слишком большая мощность накачки, что нарушает требуемый режим функционирования лазерной системы или даже приводит к разрушению активной среды. Отчасти по этой причине в гамма-диапазоне когерентные источники вообще до сих пор отсутствуют. Аналогичные трудности с достижением инверсии населенностей стоят также на пути создания когерентных источников на основе полупроводниковых квантовых ям в инфракрасном диапазоне, где быстрая релаксация возбужденного состояния вызвана эффективным взаимодействием с оптическими фонолами.

В 1988 г. автором в совместной с Я. И. Ханиным работе [6] была предложена и теоретически обоснована возможность создания лазеров без инверсии населенностей. Идея состояла в подавлении резонансного поглощения за счет интерференции разных поглощающих каналов. Такая интерференция появляется при расщеплении одного из рабочих уровней и возбуждении когерентного суперпозиционного состояния соответствующих подуровней. Вскоре, в 1989 г., аналогичные идеи были независимо предложены в работах: Harris S.E. Lasers without Inversion: Interference of Lifetime-Broadened Resonances // Phys. Rev. Lett. 1989. V.62. N 9. P.1033-1036; Scully M.O., Zliu S.-Y., and Gavridiles A.

Degenerate Quantum-Beat Laser: basing without Inversion and Inversion without basing // Phys. Rev. Lett. 1989. V.62. N 24. P.2813-2816. Три указанные пионерские работы стимулировали непрерывный поток теоретических и экспериментальных исследований по лазерам без инверсии населенностей.

Было предложено множество различных конкретных схем безынверсного усиления и генерации. Исследовались физические механизмы безынверсного усиления, линейная и нелинейная стадии усиления, стационарный и нестационарный режимы генерации, особенности динамики, а также статистические свойства таких лазеров.

Последние три года охарактеризовались существенными экспериментальными достижениями: экспериментальной демонстрацией предсказанного нами явления безынверсного усиления (Nottelman A., Peters С. and Lange W. Inversionless Amplification of Picosecond Pulses due to Zeeman Coherence // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. N 12. P.1783-1786; van der Veer W.E., van Diest R.J.J., Donzelmann A. and van Linden van den Heuvell H.B. Experimental Demonstration of Light Amplification without Population Inversion // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. N 21. P.3243-3246; Fry E.S., Li X;, Nikonov D., Padmabandu G.G., Scully M.O., Smith A.V., Tittel F.K., Wang C., Wilkinson S.R., Zhu S.-Y. Atomic Coherence Effects within the Sodium D1 bine: basing without Inversion via Population Trapping // Phys. Rev. bett. 1993. V.70. N 21. P.3235-3238), a также созданием в прошедшем году первых действующих лазеров без инверсии населенностей (Zibrov A.S., bukin M.D., Nikonov D.E., Hollberg b., Scully M.O., Velichansky V.b., and Robinson H.G. Experimental Demonstration of baser Oscillation without Population Inversion via Quantum Interference in Rb // Phys. Rev. bett. 1995. V.75. N 8. P.1499-1502; Padmabandu G.G., Welch G.R., Shubin I.N., Fry E.S., Nikonov D.E., bukin M.D., Scully M.O. baser oscila-tion without population inversion in a sodium atomic beam // Phys. Rev. bett. 1996. V.76. N 12. P.2053-2056).

Актуальность данного направления исследований, прежде всего, связана с многообещающими применениями лазеров без

инверсии населенностей. Наиболее очевидной и привлекательной перспективой несомненно является освоение новых частотных диапазонов (см. [41], а также Coussement R., Van den Bergh M., S'heeren G., Neyencs G., Nouwen R., Boolchand P. Nonreciproc-ity of gamma emission and absorption due to quantum coherence at nuclear-level crossings // Phys. Rev. Lett. 1993. V.71. N 12. P.1824-1827; Imamoglu A., Ram R.J. Semiconductor lasers without population inversion // Optics Letters. 1994. V.19. N21. P.1744-1746). Наряду с этим, как показали результаты недавних исследований, лазеры без инверсии населенностей обладают некоторыми уникальными квантово-статистическими и динамическими свойствами (Zliu Y., Xiao М. Amplitude squeezing and a transition from lasing with inversion to lasing without inversion in a four-level laser // Phys. Rev. A. 1993. V.48. N 5. P.3895-3899; Agarwal G., Vemury G., Mossberg T.W. Lasing without inversion: gain enhancement through spectrally colored population trapping // Phys. Rev. A. 1993. V.48. N 6 . P.R4055-R4057; Sanchez-Morcillo V.J, Roldan E., de Valcarcel G.J. Lasing without inversion via self-pulsing instability // Quant. Semiclass. Opt. 1995. V.7. N 5. P.889-900; Zhu Y., Rubiera A.I., Xiao M. Inversionless lasing and photon statistics in a V-type atomic system // Phys. Rev. A. 1996. V.53. N 2. P.1065-1071). В частности, уровень квантовых флуктуаций в таких лазерах может быть существенно снижен по сравнению с традиционными лазерами при сопоставимом коэффициенте усиления (Agarwal G.S. Inhibition of spontaneaus emission noise in lasing without inversion'//Phys. Rev. Lett. 1991. V.67. N8. P.980-982; Gheri K.M. and Walls D.F. Squeesed lasing without inversion or light amplification by coherence // Phys. Rev. A. 1992. V.45. N 9. P.6675-6686).

Вместе с тем, актуальность указанного направления обусловлена не только возможными практическими применениями этих новых источников когерентного излучения. Она тесно связана также с решением ряда фундаментальных проблем взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с многоуровневыми активными средами. Само сочетание слов - лазер без ин-

версии населенностей, на первый взгляд, кажется парадоксальным и немедленно порождает вопросы о скрытой инверсии в таких системах и о присущих им принципиальных термодинамических ограничениях. Одной из фундаментальных проблем, непосредственно связанных с анализом безынверсных систем, является вывод обобщенных кинетических уравнений и исследование на их основе взаимодействия многоуровневой системы с достаточно сильными когерентными полями в условиях, когда релаксационные процессы сами существенно модифицируются под действием этих полей [33,34,40]. Атомная когерентность и интерференция, лежащие в основе действия лазеров без инверсии насе-ленностей, имеют многообразные проявления. В частности, они обуславливают также новый эффективный механизм электромагнитно индуцированной прозрачности (см. [2,11], а также Boiler K.-J., Imamoglu A., Harris S.E. Observation of Electromagnetically Induced Transparency // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. N 20. P.2593-2596), приводят к уникальной возможности сочетания высокого показателя преломления с исчезающе малым поглощением в той области параметров, где поглощение сменяется безынверсным усилением (Scully М.О. Enhancement of the index of refraction via quantum coherence // Phys. Rev. Lett. 1991. V.67. N 14. P.1855-1859).

За последние восемь лет по указанной тематике было опубликовано более двухсот работ в ведущих международных физических журналах. Несколько экспериментальных групп активно работают над созданием различных лазеров без инверсии насе-ленностей в США, Канаде, Германии, Италии, Великобритании, Голландии, России, Польше и Китае.

Лазеры без инверсии населенностей вошли в основную проблематику ряда ведущих международных конференций по квантовой электронике, таких как EQEC (European Quantum Electronics Conference), QELS (Quantum Electronics and Laser Science Conference) , NDOS (Nonlinear Dynamics of Quantum Systems), Optical Society of America Annual Meeting, Когерентная и нелинейная оптика, Оптика лазеров и др.. Начиная с 1991 г. в США

(Крестид Бьют, Колорадо) проводится ежегодная международная конференция по лазерам без инверсии и атомной интерференции. В 1992 г. лазеры без инверсии населенностей были одной из четырех тем, обсуждавшихся на XX Солвеевском конгрессе по физике. В 1993 г. лазерам без инверсии населенностей была посвящена III Европейская конференция по лазерным взаимодействиям, проходившая на о. Крит в Греции. В 1995 г. в России был проведен международный симпозиум "Атомная когерентность и усиление без инверсии" (совместный симпозиум двух международных конференций: Когерентная и нелинейная оптика и Оптика лазеров). В том же году международный симпозиум по аналогичной тематике "Атомная когерентность и лазеры без инверсии" был проведен в Китае.

По этой проблематике опубликовано уже несколько научных обзоров (см. [25,41], а также Scully М.О. From lasers and masers to phaseonium and phasers // Phys.Rep. 1992. V.219. N 3-6. P.191-203; Mandel P. basing without inversion: a useful concept? // Contemp. Phys. 1993. V.34. N 5. P.235-246), специальный выпуск журнала Европейского оптического общества "Квантовая оптика" (Quant. Opt. 1994. V.6, N 4), а также ряд статей в журналах, предназначенных для широкой научной общественности (см., например, Singer N. Coupled States Clear the Darkness and Quiet the Light // Science. Oct.1992. V.258. P.32-33; Keitel C., "Knight P. Lasing without inversion: more gain for less pain // Opto к laser Europe. 1993. Issue 7. P.39-43; Scully M.O., Fleischhauer M. Lasers without Inversion // Science. 1994. V.263. P.337-338; Moseley R., Dunn M. Lasing turned upside-down // Physics World. Jan.1995. P.30-34; Marangos J. Focusing Light with Light // Nature. Apr.1995. V.374. P.679-680; Levi B.G. Researchers Report Evidence for Lasing Without Inversion // Physics Today. Sept.1995. P.19-20; Taubes G. Researchers Build Novel Laser By Putting a Lock on Atoms // Science. Nov.1995. V.270. P.737-738). В результате, к настоящему времени сформировалось новое общепризнанное в мире направление исследований в квантовой оптике и электронике: физика безынверспых лазеров.

Цель и задачи работы. Цель диссертация состоит в обосновании возможности и в выяснении условий, при которых усиление и генерация электромагнитного излучения в многоуровневых атомах осуществима без инверсии населенностей. Работа посвящена разработке и анализу базисных схем лазеров без инверсии населенностей, а также определению механизмов безынверсного усиления.

Методы исследования. Большая часть результатов получена на основе полуклассического описания взаимодействия света с веществом и базируется на анализе традиционных в квантовой оптике уравнений Максвелла-Блоха применительно к трех- четырехуровневым системам, взаимодействующим с двух- четырех-компонентными квазимонохроматическими полями. Большинство результатов получены аналитическими методами. Результаты последней главы основываются на решении обобщенных кинетических уравнений для многоуровневой системы в сильном многочастотном поле. Эти уравнения, выведенные в той же главе, принимают во внимание модификацию релаксационных процессов под действием когерентного поля. Полученные результаты сопоставлены с экспериментами, выполненными в ряде лабораторий США, Германии, Голландии и Китая специально для верификации данных результатов.

Научная новизна работы.

1. Предсказано явление когерентного просветления резонансно поглощающей трехуровневой среды под действием излучения, содержащего частотные компоненты, взаимодействующие со смежными оптическими переходами.

2. Предсказана возможность создания лазеров без инверсии населенностей на основе трехуровневых активных сред при возбуждении в них низкочастотной атомной когерентности.

3. Предложены два типа схем безынверсного усиления и генерации с когерентной накачкой: двойная А схема с бигармони-ческой накачкой и трехуровневые схемы с резонансной низкочастотной накачкой.

4. Выведены новые обобщенные кинетические уравнения для

многоуровневого атома, взаимодействующего с когерентным многочастотным полем. Установлена связь между релаксационными суперматрицами в отсутствие поля и при его наличии.

5. Установлено, что влияние сильного поля на релаксацию многоуровневого атома обусловлено зависимостью скоростей релаксационных процессов от частот "одетых" квантовых переходов.

6. Предсказано явление когерентного захвата населенно-стей трехуровневого атома на динамическом штарковском уровне при условии пересечения этим уровнем близкого невозмущенного атомного состояния. Предсказано явление спонтанного излучения из основного невозмущенного атомного состояния в случае, когда динамический штарковский уровень опускается ниже основного.

Научное и практическое значение работы. В работе предсказаны три новых физических явления, каждое из которых может найти важные практические применения.

- Явление когерентного просветления трехуровневой среды может быть использовано для устранения резонансного поглощения при распространении излучения в потенциально поглощающих средах, а также для повышения эффективности процессов нелинейного преобразования частоты.

- Явление безынверсного усиления и генерации в средах с расщепленным рабочим уровнем при возбуждении атомной когерентности между подуровнями под воздействием внешних низкочастотных полей служит основой для создания принципиально новых источников когерентного излучения, обладающих некоторыми уникальными квантово-статистическими и динамическими свойствами и особенно перспективных для освоения новых частотных диапазонов.

- Явление спонтанного излучения из основного состояния трехуровневого атома, управляемого сильным когерентным полем, и пленения населенностей на штарковском уровне в условиях пересечения этим уровнем основного состояния атома может найти применения для возбуждения максимально возможной когерентности (требующейся, в частности, в схемах безынверсного уси-

ления), для достижения максимального отношения действительной и мнимой частей восприимчивости (важного, например, для лазерного ускорения частиц), а также для опустошения основного состояния среды и получения большой инверсии населенностей как на управляемом, так и па смежном с ним более высокочастотном переходе.

В последние годы явление когерентного просветления было экспериментально реализовано (Field J.E., Halm К.Н., Boiler К.-J., Imamoglu A., Harris S.E. Observation of Electromagnetically Induced Transparency // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. N 20. P.2593-2596) и в настоящее время широко исследуется (Harris S.E. Normal Modes for Electromagnetically Induced Transparency //Phys. Rev. Lett. 1994. V.72. N 1. P.52-55; Li Y., Xiao M. Transient properties of electromagnetically induced transparency in three-level atoms // Optics Letters. 1995. V.20. N 13. P.1489-1491; Moseley R.R., Shepherd S.,Fulton D.J., Sinclair B.D., Dunn M.H. Spatial consequences of electromagnetically induced transparency: Observation of electromagnetically induced focusing /•/ Phys. Rev. Lett. 1995. V.74. N 5. P.670-673). Наши результаты послужили непосредственной теоретической основой для экспериметальной реализации явления безынверсного усиления, а также для создания первых действующих лазеров без инверсии населенностей (см. ссылки, приведенные выше). К настоящему времени безынверсное усиление реализовано как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Все четыре базовых схемы безынверсного усиления и генерации (так называемые Л схема, двойная Л схема , Р и h схемы), предложенные в наших работах [6,11,15,24], осуществлены экспериментально.

Основные защищаемые научные положения.

.1. Резонансно поглощающая среда с расщепленным нижним уровнем может становиться прозрачной под действием оптического излучения, содержащего частотные компоненты, резонансные смежным оптическим переходам. В результате резонансное излучение может распространяться в ней практически без по-гл щения. Указанное явление электромагнитно индуцированной

прозрачности базируется на когерентном захвате населенностей и существовании в трехуровневой среде незатухающей бигармо-нической нормальной волны. Оно проявляется при интенсивности, существенно меньшей насыщающей интенсивности в условиях совпадения разностной частоты двух компонент излучения с частотой расщепления уровня.

2. Усиление и генерация света в среде с расщепленным рабочим уровнем осуществимы в отсутствие инверсии населенно-стей. Безынверсное усиление и генерация основаны на интерференции различных поглощательных каналов, появляющейся при возбуждении когерентной суперпозиции близких энергетических уровней и приводящей к подавлению резонансного поглощения. При начальном возбуждении низкочастотной когерентности осуществим нестационарный режим безынверсного усиления с длительностью импульса меньшей периода низкочастотных осцил-ляций. Бихроматическая накачка в двойной Л схеме и микроволновая накачка в трехуровневых схемах при определенных условиях обеспечивают безынверсное усиление и генерацию в стационарном режиме.

3. В атомных системах, управляемых достаточно мощной когерентной накачкой, релаксационные процессы даже в рамках борновского и марковского приближений оказываются зависящими от амплитуды этой когерентной накачки. Влияние сильного поля на релаксацию многоуровневого атома обусловлено зависимостью скоростей релаксационных процессов от частот одетых квантовых переходов.

В трехуровневом атоме зависимость релаксации от амплитуды когерентной накачки проявляется особенно ярко в условиях, когда динамический штарковский уровень пересекает некоторое нижележащее атомное состояние. При этом осуществимо пленение населенностей на данном штарковском уровне. Механизм указанного явления основан на возникновении спонтанного излучения с невозмущенного атомного состояния на смещенный ниже него под действием поля штарковский уровень. В результате величина резонансной атомной когерентности с ростом

поля в стационарном режиме стремится к максимально возможному значению вместо обращения в нуль, отношение действительной и мнимой частей восприимчивости в пределе сильного поля оказывается прямо противоположным традиционному значению этого отношения для аналогичной двухуровневой системы, качественно модифицируются спектры резонансной флуоресценции и поглощения пробного поля. В определенной области частотных отстроек возникает инверсия населенностей как на резонансном, так и на смежных с ним атомных переходах.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Общемосковском семинаре по теоретической физике академика В. JI. Гинзбурга, в Ленинградском государственном университете, Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Государственном оптическом институте, Стэнфордском университете, университете Пьера и Марии Кюри (Париж), Имперском колледже наук (Лондон), Пизанском университете, Свободном Брюссельском университете, Фонде Луи де Бройля (Париж), Дрексельском университете (Филадельфия), Брин-Мор колледже, университете Ныо-Мексика, Институте физики (Пиза), в Техасском Далласском университете, Техасском А & М университете, Северо-западном Эванстонском университете, Алабамском университете, Прайри-выо университете (Техас), Орегонском университете, Ягеллон-ском университете (Краков), а также в 35 докладах (14 из которых были приглашенными) на 5 Всесоюзных и 24 Международных конференциях: International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1985; Minsk, 1988; St.-Petersburg, 1991; 1993), Всесоюзной конференции "Оптика Лазеров" (Ленинград, 1987; 1990); Joint Symposium of ICONO'95 and Laser Op-tics'95 on Atomic Coherence and Amplification without Inversion (St.-Petersburg, 1995); Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо и пути его практических применений" (Куйбышев, 1989); International School on Laser Application in Atomic, Molecular and Nuclear Physics (Vilnius, 1987); International Conference on Nonlinear Dynamics of Optical Systems (Afton, 1990; Alpbach, 1992;

Rochester, 1995); Всесоюзной конференции Московского физического общества (Сочи, 1990); Всесоюзном совещание "Нелинейные и когерентные эффекты в спектроскопии" (Ленинград, 1991); QELS-Quantum Electronics and Laser Science Conference (Baltimore, 1991); XX-th Solvay conference on Quantum Optics (Brussels, 1991); International Winter colloquium on Quantum Optics (Snowbird, 1992); International Conference on Qiiantum Electronics (Vienna, 1992); International workshop on Atomic Coherence and Inversionless Amplification (Crested Butte, 1992; 1993); European Laser Interactions Conference ( Crete, 1993); International Workshop on Nonlinear- Laser Dynamics (Moscow- Nizhny Novgorod-Moscow, 1993); European Quantum Electronics Conference (Amsterdam, 1994); International Conference on Nonlinear Dynamics and Optics (Pisa, 1994); International Conference on Quantum Optics (Rochester, 1995); International Conference on Laser Physics (Moscow-Yaroslavl-Moscow, 1995); NATO Workshop on Gamma-Ray Lasers (Predeal, 1995); International Symposium on Atomic Coherence and Inversionless Amplification (Chung Chan, 1995); International Conference on Nonlinear Dynamics, Chaotic and Complex Systems (Zakopane, 1995); International School on Nonlinear Science (Nizhny Novgorod, 1995).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 50 работ. Из них 27 статей в научных журналах, 12 статей в международных научных сборниках и 11 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 7 глав, Введения и Заключения. Общий объем диссертации составляет ЪЗ страниц, включая 35 рисунков. Список литературы содержит "JjoTo источников.

Краткое содержание диссертации

Во Введении проанализированы история формирования, современное состояние и перспективы развития нового научного на-

правления в квантовой оптике и электронике - физики безынверсных лазеров. Сформулированы актуальные задачи и кратко изложено содержание работы.

Первая глава посвящена явлению когерентного просветления трехуровневой среды, предсказанному и исследованному в работах автора диссертации.

В разделе 1.2 анализируется распространение бигармониче-ского излучения в трехуровневой среде Л конфигурации (с расщеплением нижнего уровня), приготовленной в когерентном суперпозиционном состоянии двух подуровней. Найдены две нормальные волны, содержащие по две компоненты поля, каждая из которых взаимодействует с одним из двух смежных оптических переходов. Показано, что одна из двух нормальных волн может стать незатухающей и, более того, неустойчивой в неин-вертированной среде, если атомы приготовлены в определенной суперпозиции двух нижних подуровней (захваченном состоянии). Неустойчивость возникает, когда величина низкочастотной атомной когерентности превышает некоторое критическое значение: |сг211 > П13П23, где пхз и «23 - разности населенностей на рабочих оптических переходах;. Это условие соответствует безынверсному усилению.

В разделе 1.3 исследовано самосогласованное распространение бигармонического поля в трехуровневой среде, когда атомная когерентность формируется под воздействием этого же поля. Показано, что в условиях, когда низкочастотная когерентность релаксирует медленнее, чем населенность верхнего уровня. Т2/Т1 < 1, атомы захватываются в непоглощающее состояние и в результате среда становится оптически прозрачной. Такое безпо-глощательное распространение достигается при характерной интенсивности 1С — /5Г2/Т1, существенно меньшей интенсивности насыщения, 13 .

В разделах 1.4 и 1.5 исследуется распространение периодической последовательности ультракоротких импульсов (УКИ) в трехуровневой среде с расщепленным нижним уровнем Показано, что в условиях, когда частота расщепления уровш

кратна частоте следования импульсов, также как и в случае би-хроматического излучения, достижимы когерентный захват насе-ленностей и когерентное просветление среды. Исследовано влияние асимметрии характеристик смежных оптических переходов на характер распространения цуга импульсов. Найден нелинейный закон изменения интенсивности импульсов по мере их распространения. Явление когерентного просветления трехуровневой среды, предсказанное в наших работах, было экспериментально реализовано в 1991 г. в США (см. ссылки, приведенные выше).

Во второй главе предсказана возможность усиления без инверсии населенностей в нестационарном режиме при распространении УКИ в трехуровневой среде А конфигурации, изначально приготовленной в когерентном суперпозиционном состоянии двух нижних подуровней.

В разделе 2.1 изложена основная идея безынверсного усиления: подавление резонансного поглощения в трехуровневой среде за счет интерференции разных поглощательных каналов при возбуждении низкочастотной атомной когерентности. В разделах 2.2 и 2.3 исследована динамика трехуровневого атома под действием УКИ и найден нелинейный закон изменения энергии импульса по мере его распространения. В разделе 2.4 показано, что в зависимости от амплитуды и фазы колебаний низкочастотной атомной когерентности в момент прихода УКИ можно реализовать как усиление без инверсии населенностей, так и поглощение в условиях инверсии. Определена область начальных паре-метров среды, обеспечивающих безыпверсное усиление. В разделе 2.5 обсуждаются различные способы приготовления трехуровневой среды в когерентном суперпозиционном состоянии нижних уровней. Безынверсное усиление в нестационарном режиме было реализовано в ряде экэспериментов (см. ссылки, приведенные выше), непосредственно базирующихся на наших теоретических работах.

В третьей главе предсказана возможность стационарного режима безынверсного усиления. Для ее осуществления предложена двойная А схема, включающая четырехуровневую систему

и управляющее бигармоническое поле, действующее на переходах смежных с рабочими для возбуждения низкочастотной атомной когерентности.

В разделе 3.2 показано, что условие неустойчивости нормальной бихроматической волны, найденное в первой главе, может быть реализовано в двойной Л схеме при наличии некогерентной накачки на верхний лазерный уровень. В разделах 3.3-3.5 исследован самосогласованный режим распространения бихроматиче-ского усиливаемого поля в двойной Л схеме и найден нелинейный закон возрастания его интенсивности. Предсказано явление когерентного захвата населенностей в двойной Л схеме, приводящее к безпоглощательному распространению как управляющего, так и пробного полей в четырехуровневой среде. Показано, что пробное поле может даже усиливаться и его интенсивность на выходе из среды может существенно превышать входную интенсивность управляющего поля. Последнее обстоятельство свидетельствует об извлечении энергии из среды в результате опустошения верхнего рабочего уровня. Выяснено также, что усиление без инверсии населенностей на рабочих и вспомогательных переходах подразумевает, тем не менее, наличие стационарной инверсии между верхним рабочем и вспомогальным уровнями. Предсказанное нами явление захвата населенностей в двойной А схеме было обнаружено экспериментально (Lange W., Peters С., Nottelmann А. Frequency up-conversion in amplification without inversion: experimental studies in neon. //In International Quantum Electronics Conference, V.9,1994 OSA Tehnical Digest Series (Optical Society of America, Washington D.C., 1994). P.47).

В четвертой главе исследована стационарная лазерная генерация в двойной А схеме.

В разделах 4.1. и 4.2 проанализирован стационарный режим генерации. Найдены порог генерации и стационарная интенсивность. Доказана устойчивость стационарного режима в окрестности порога. Предсказана возможность снижения порога генерации за счет подавления резонансного поглощения, а такж< осуществимость стационарной генерации в отсутствие инверсш:

населенностей. В разделе 4.3 показано, что условие безынверсного усиления эквивалентно наличию скрытой инверсии в атомах между возбужденным и поглощающим (незахваченным) состояниями. Предложенная нами двойная Л схема была недавно реализована экспериментально (Peters С., Lange W. Laser action below threshould inversion due to coherent population trapping // Adv. Phys., 1996, accepted). В эксперименте наблюдалась стационарная генерация при некогерентной накачке, меньшей пороговой накачки, которая была бы необходима для работы соответствующего лазера по стандартной схеме с инверсией населенностей.

В пятой главе предложено использовать микроволновую накачку, резонансную переходу между расщепленными уровнями, для возбуждения низкочастотной когерентности между этими уровнями и реализации стационарного режима безынверсного усиления.

В разделах 5.1-5.8 проанализированы, все возможные варианты безынверсного усиления пробного (монохроматического и бихроматического) поля при воздействии на трехуровневые атомы различных конфигураций монохроматическим управляющим полем. Для каждой из конфигураций найдены условия безынверсного усиления. В разделе 5.9 исследована зависимость коэффициента усиления от отстройки пробного поля и показано, что максимум усиления может достигаться при резонансе либо с голым, либо с одетыми переходами в зависимости от знака разности населенностей между управляемыми подуровнями. При отстройке управляющего поля от резонанса, превышающей ширину линии оптического перехода, усиление без "начальной" инверсии населенностей (т.е. до воздействия управляющего поля) не осуществимо.

Выявлены два принципиально разных механизма безынверсного усиления. Один из них (усиление бихроматического пробного поля в Л+h и V+P конфигурациях) подразумевает наличие скрытой инверсии в атомной системе. Этот механизм в трехуровневой схеме является малоэффективным и не позволяет реализовать стационарное безынверсное усиление в условиях, кс гда верхний

уровень заселен существенно меньше, чем нижние уровни. Данный результат обусловлен тем, что возбуждаемая микроволновым полем низкочастотная когерентность пропорциональна разности населенностей на соответствующем низкочастотном переходе. Последняя стремится к нулю в пределе сильного поля в результате насыщения резонансного перехода.

Другой механизм (усиление монохроматического поля, Р, h и лестничные конфигурации), как показано в разделе 5.10, осуществим в отсутствие какой-либо скрытой инверсии в динамической системе. В данном случае инверсия скрыта в полной системе, включающей управляемые внешним полем атомы и неравновесный резервуар. На основе этого механизма безынверсное усиление достижимо в принципе при сколь угодно малой населенности верхнего уровня. Этот механизм проявляется, если разность населенностей на управляемом низкочастотном переходе релак-сирует быстрее, чем на рабочем переходе. Поскольку скорость спонтанной релаксации пропорциональна кубу частоты атомного перехода, последнее условие существенно затрудняет достижение безынверсного усиления и ограничивает также возможности повышения частоты усиливаемого поля. Предложенные нами Р и h схемы безынверсного усиления и генерации в прошлом году были успешно реализованы экспериментально (Lukin M.D., Nikonov D.E., Hollberg L., Scully M.O., Velichansky V.L., and Robinson H.G. Experimental Demonstration of Laser Oscillation without Population Inversion via Quantum Interference in Rb // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. N 8. P. 1499-1502; Padmabandu G.G., Welch G.R., Shubin I.N., Fry E.S., Nikonov D.E., Lukin M.D., Scully M.O. Laser oscila-tion without population inversion in a sodium atomic beam // Phys. Rev. Lett. 1996. V.76. N 12. P.2053-2056).

В шестой главе выведено общее условие усиления в многоуровневой системе, содержащей серию подуровней основного и возбужденного состояний и взаимодействующей с многочастотным полем. На основе его анализа в общем случае выявлены два базовых механизма безынверсного усиления.

Условие усиления сформулировано как условие существования

положительных собственных значений некоторой эрмитовой матрицы, характеризующей атомную систему. Это условие непосредственно обобщает традиционное условие инверсии насе-ленностей на случай, когда атомная система приготовлена в когерентном суперпозиционном состоянии подуровней расщепленных рабочих уровней. В разделе 6.2 выведено характеристическое уравнение, определяющее собственные значения соответствующей эрмитовой матрицы. В разделе 6.3 показано, что в частном случае, когда каждая компонента поля взаимодействует только со своим резонансным переходом, условие усиления эквивалентно условию инверсии населенностей в базисе состояний, диагонализирующих матрицу плотности атомной системы. Физический смысл этого результата становится прозрачным, если принять во внимание тот факт, что в этом базисе по определению атомная когерентность и, следовательно, интерференция разных поглощательных каналов отсутствуют. В частном случае трехуровневой Л схемы это условие совпадает с условием инверсии населенностей между верхним рабочим уровнем и поглощающим (незахваченным) состоянием. Показано, что описанный в предыдущей главе второй механизм соответствует возможности безынверсного усиления даже при отсутствии инверсии между собственными состояниями матрицы плотности атомов.

Седьмая глава посвящена проблеме самосогласованности базовых моделей в теории лазеров без инверсии населенностей и выводу обобщенных кинетических уравнений для многоуровневого атома управляемого сильным когерентным полем. В этой главе предсказано также новое физическое явление: появление спонтанного излучения с основного состояния трехуровневого атома в условиях пересечения этого состояния с динамическим штарковским уровнем.

Анализ проблемы безынверсного усиления, выполненный в предыдущих главах, базировался на традиционных уравнениях Максвелла-Блоха, в которых процессы релаксации и некогерентной накачки описывались феноменологически. Вместе с тем, все предложенные и проанализированные схемы безынверсного уси-

ления включают достаточно сильное когерентное управляющее поле, необходимое для возбуждения атомной когерентности. Воздействие сильного поля, в свою очередь, может модифицировать процессы релаксации и некогерентной накачки. Эти вопросы обсуждаются в разделах 7.1 и 7.2.

В разделах 7.3 и 7.4 выведены обобщенные кинетические уравнения для многоуровневого атома в сильном поле, учитывающие модификацию релаксационных процессов под действием поля. Показано, что такая модификация имеет место даже в рамках традиционных борновского и марковского приближений и в определенных условиях приводит к новым физическим эффектам. Физически влияние сильного поля на релаксационные процессы обусловлено зависимостью скоростей релаксации от частот квантовых переходов "одетого" атома.

В разделах 7.5-7.9 исследован аномальный отклик трехуровневого атома на воздействие сильного поля, проявляющийся при пересечении одного из атомных уровней с динамическим штарков-ским подуровнем. Указанная физическая ситуация представляет довольно редкий пример, где традиционные уравнения Блоха оказываются несправедливыми. Модификация релаксационных процессов под действием когерентного поля играет принципиальную роль и приводит к качественно новым эффектам. В частности, пересечение штарковского уровня с основным состоянием вызывает появление спонтанной релаксации с основного атомного состояния. При резонансном управлении в условиях, когда скорость релаксации между основным атомным состоянием и ниж-

I

ним штарковским уровнем превышает скорость релаксации на оптическом управляемом переходе, осуществляется захват атомов на данный штарковский уровень. В результате происходит опустошение основного атомного состояния. Поскольку штарковский уровень представляет собой когерентное суперпозиционное состояние с равными весами двух динамически связанных с управляющим полем уровней, населенности "голых" атомных состояний выравниваются, р\\ га р22 ~ 1/2, а величина возбуждаемой резонансной когерентности достигает максимально возможного

значения, 021 = Р11Р22 ~ 1/2. Таким образом, спонтанное излучение в данном случае способствует приготовлению почти чистого квантового состояния. Отношение действительной и мнимой частей поляризации в пределе сильного поля оказывается прямо противоположным традиционному значению этого отношения в аналогичной двухуровневой системе. Качественно модифицируются также спектры флуоресценции и поглощения пробного поля. Возникает возможность усиления пробного поля без инверсии населенностей в голом базисе за счет появления инверсии между одетыми состояниями. Поскольку отрицательные отсройки поля от резонанса (частота поля превышает частоту оптического перехода 3-2) способствуют пересечению штарков-ского уровня с близлежащим атомным состоянием, а положительные отсройки препятствуют такому пересечению, атомный отклик является существенно асимметричной функцией отсройки. Показано, что в наиболее интересной для безынверсного усиления ситуации, когда частота управляемого перехода 3-2 мала по сравнению с частотой смежного перехода 2-1 (т.е. достижим высокий коэффициент ап-конверсии), модификация релаксационных скоростей под действием поля не препятствует появлению безынверсного усиления.

В разделе 7.10 на основе самосогласованных кинетических уравнений, последовательно учитывающих процессы релаксации и некогерентной накачки (в условиях, когда последние обусловлены взаимодействием трехуровневых атомов с полевым резервуаром), проанализирована предложенная ранее (Imamoglu А., Field J.Е., Harris S.E. Lasers without Inversion:,A Closed Lifetime Broadened System // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. N 9. P.1154-1156) схема безынверсного усиления, не включающая внешних когерентных полей для приготовления суперпозиционного состояния подуровней. Предполагалось, что атомная когерентность в данном случае возбуждается в результате спонтанного распада двух верхних, перекрывающихся за счет уширения оптичеких линий, подуровней в одно и то же квантовое состояние. Самосогласованный анализ этой схемы показал отсутствие стационар-

ной когерентности и, следовательно, безынверсного усиления, тогда как феноменологический анализ, проведенный в цитированной выше работе, допускал такую возможность.

Основные результаты диссертации

Предсказаны и теоретически изучены три новых физических явления, проявляющихся при взаимодействии света с многоуровневыми средами:

1. Когерентное просветление трехуровневой среды.

2. Усиление и генерация света без инверсии населенностей.

3. Захват населенностей трехуровневого атома на динамическом штарковском уровне и сопутствующее ему спонтанное излучение из основного атомного состояния.

Более детально основные результаты состоят в следующем.

1.1. . Предсказана возможность распространения двух-компонентного излучения, а также цуга ультракоротких импульсов в резонансной потенциально поглощающей трехуровневой среде практически без потерь на поглощение.

1.2. Выявлен механизм указанной электромагнитно индуцированной прозрачности, основанный на явлении когерентного захвата населенностей и существовании незатухающей нормальной волны.

1.3. Установлено, что указанное явление реализуется при интенсивности распространяющегося излучения, существенно меньшей интенсивности насыщения, и. при совпадении разностной частоты компонент излучения с частотой расщепления уровня.

2.1. Предсказана возможность, усиления и генерации света без инверсии населенностей в резонансной среде с расщепленным рабочим уровнем.

2.2. Выяснен общий механизм безынверсного усиления и генерации, основывающийся на явлении интерференции различных

поглощательных каналов в трехуровневом атоме. Такая интерференция проявляется в условиях, когда среда приготовляется в когерентном суперпозиционном состоянии относительно близко расположенных энергетических подуровней, и приводит к подавлению резонансного поглощения.

2.3. Найдено универсальное условие усиления света в многоуровневой среде с возбужденной в ней низкочастотной когерентностью (когерентной суперпозицией подуровей), непосредственно обобщающее традиционное условие инверсии населенно-стей между атомными состояниями.

2.4. Предложены и детально исследованы два типа схем безынверсного усиления и генерации с когерентной накачкой: двойная А схема с бигармонической накачкой и трехуровневые схемы с резонансной низкочастотной накачкой (шесть вариантов). Доказана возможность реализации безынверсного усиления и генерации как в импульсом, так и в непрерывных режимах.

3.1. Выведены обобщенные кинетические уравнения для многоуровневых атомов, управляемых сильным когерентным многочастотным полем, в борновском и марковском приближениях. Показано, что релаксационные процессы зависят от амплитуды и частоты когерентной накачки.

3.2. Найдено точное соответствие между релаксационными суперматрицами, описывающими релаксационные процессы в многоуровневом атоме в отсутствие внешних когерентных полей и под действием таких полей. Установлено, что влияние сильного поля на релаксацию многоуровневого атома обусловлено зависимостью скоростей релаксционных процессов от частот одетых квантовых переходов.

3.3. Предсказано явление пленения населенностей трехуровневого атома на динамическом штарковском уровне в условиях, когда он пересекает нижнее атомное состояние. Механизм указанного явления основан на возникновении спонтанного излучения с невозмущенного атомного состояния на смещенный ниже него под действием поля штарковский уровень.

3.4. Показано, что в условиях пленения населенностей вели-

чина резонансной атомной когерентности с ростом поля в стационарном режиме стремится к максимально возможному значению (вместо традиционного обращения в ноль). Отношение действительной и мнимой частей восприимчивости трехуровневого атома, в пределе сильного поля, оказывается прямо противоположным традиционному значению для аналогичной двухуровневой системы. Качественно модифицируются также спектры резонансной флуоресценции и поглощения пробного поля. Оказывается осуществимой инверсия населенностей как на управляемом полем переходе, так и на смежном с ним более высокочастотном переходе.

Список работ по теме диссертации

1. Кочаровская O.A., Ханин Я.И., Цареградский В.Б. Синхронизация мод лазера при их взаимодействии в резонансной среде с расщепленным уровнем // Квант, электрон. 1985. Т.12. N 6. С.1227-1234.

2. Кочаровская O.A., Ханин Я.И. Захват населенностей и когерентное просветление трехуровневой среды периодической последовательностью ульракоротких импульсов // ЖЭТФ. 1986. Т.90. N 5. С. 1610-1618.

3. Кочаровская O.A., Ханин Я.И., Цареградский В.Б. О возможности генерации ультракоротких импульсов при синхронизации мод лазера ВКР -фильтром // Квант, электрон. 1986. Т. 13. N 1. С.193-195.

4. Кочаровская O.A. О пассивной синхронизации мод лазера ВКР-фильтром // Изв. ВУЗов. Радиофиз. 1986. Т.29. N 7. С. 863-865.

5. Кочаровская O.A., Цареградский В.Б. ВКР-фильтры для пассивной синхронизации мод лазера // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" , 12-16 янв. 1987 - Ленинград, 1987. С.89-91.

6. Кочаровская O.A., Ханин Я.И. Когерентное усиление ультракороткого импульса в трехуровневой среде без инверсии населенностей // Письма в ЖЭТФ. 1988. Т.48. N 11. С.581-584.

7. Кочаровская О.А., Ханин Я.И. Безынверсное усиление оптического излучения в трехуровневой среде // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума "Световое эхо и пути его практических применений", 23-26 мая 1989 г.- Куйбышев, 1989. С.45.

8. Kocharovskaya О.A.and Khanin Ya.I. Light amplification by a three-level atomic system without population inversion // Nonlinear Waves 3, Proc. Gorky school on Nonlinear Physics, 1989 / eds. Gaponov - Grehov A.V., Rabinovich M.I. and Engelbrecht J. Springer. Heidelberg. 1990. P.162-168.

9. Кочаровская O.A., Ханин Я.И. Безынверсное усиление бигар-монического оптического излучения // Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", 2-7 марта 1990. - Ленинград, 1990. С.7.

10. Кочаровская О.А. Когерентные низкочастотные эффекты в трехуровневой среде с асимметричными переходами // Квант, элетрон. 1990. Т.20. N 1. С.14-20.

11. Kocharovskaya О. and Mandel P. Amplification without inversion: the double b scheme // Phys.Rev. 1990. V. A 42. N 1. P.523-535.

12. Kocharovskaya 0., Mandel P. and bi R.-D. basing without inversion: the double b scheme // Opt. Commun. 1990. V.77. N 2,3. P.215-220.

13. Khanin Ya.I. and Kocharovskaya 0. Inversionless amplification of ultrashort pulses and coherent population trapping in a three-level medium // J. Opt. Soc. Amer. 1990. V. В 7. N 10. P.2016-2024.

14. Кочаровская O.A., Мандель P., Ханин Я.И. Лазеры без инверсии населенностей // Изв. Акад. Наук СССР. Сер. Физ. 1990. Т. 54. N 10. С.1979-1987.

15. Kocharovskaya О. and Mandel P., Frequency up-conversion in a three-level medium without inversion // Opt. Commun. 1990. V.84. N 3,4. P.179-183.

16. Кочаровская О.А., Радионычев E.B., Ханин Я.И. О возможности проявления безынверсного усиления в условиях ВРЛС // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания "Нелинейные и когерентные эффекты в спектроскопии", 25-28 июня 1991. - Ленин-

град, 1991. С.20-22.

17. Kocharovskaya О. and Koryukin I. Optical Instability in a bimode laser due to coherent bleaching of a three-level absorber // OSA Proceedings on Nonlinear Dynamics in Optical Systems / eds. Abraham N.B., Garmire E., Mandel P. OSA. Washington, DC 1991. V.7. P.251-256.

18. Khanin Ya.I., Kocharovskaya 0. and Mandel P. Parametric instability of a propagating bichromatic field in a three-level medium // OSA Proceedings on Nonlinear Dynamics in Optical Systems / eds. Abraham N.B., Garmire E., Mandel P. OSA. Washington, DC 1991. V.7. P.481-482.

19. Kocharovskaya 0., Mauri F. and Arimondo E. Laser without population inversion and coherent trapping // Opt. Commun. 1991. Y.84. N .5,6. P.393-400.

20. Mandel P. and Kocharovskaya 0. Amplification, lasing and inversion. // Nonlinear Dynamics and Quantum phenomena in optical systems / eds. R.Vilaseca and R.Corbalan . Springer Proceedings in Physics. Springer Verlag, Heidelberg. 1991. V.55. P.109-119.

21. Kocharovskaya 0., Mauri F., Zambon B. and Arimondo E. Coherent population trapping in lasers without inversion // Laser Spectroscopy / eds. Ducloy M., Giacobino E. and Camu G. World Scientific. 1991. P.307-309.

22. Kocharovskaya 0., Mandel P., Zhang S. Amplification without inversion in a three-level medium // Technical digest of the Conference on Quantum Electronics and Laser Science // May 12-17, 1991. - Baltimore, Maryland, 1991. P.70-72.

23. Mandel P. and Kocharovskaya 0. Amplification without inversion in a multi-level medium // Technical digest of the Conference on Quantum Electronics and Laser Science // May 12-17,1991. Baltimore, Maryland, 1991. P.148-150.

24. Kocharovskaya 0., Mandel P. and Radeonychev E.V. Inversion-less amplification in a three-level medium // Phys. Rev. 1992. V. A 45. N 3. P.1997-2005.

25. Kocharovskaya 0. Amplification and lasing without inversion // Phys.Rep. 1992. V.219. N 3-6. P.175-191.

■26. Kocharovskaya 0., Mandel P. and Khanin Ya.I. Amplification without population inversion // Transverse patterns in nonlinear optics. SPIE Proceedings. / ed. Rosanov N.N.. 1992. V.1840. P.268-279.

27. Kocharovskaya 0., De Tomasi F. and Arimondo E. Explosive amplification in the laser without inversion // Technical digest of the XVIII International Quantum Electronics conference / June 14-19, 1992. - Vienna, Austria, 1992. P.268-270.

28. Kocharovskaya 0. Generalized set of Maxwell-Bloch equations in case of strong atom-field coupling // Technical digest of the XVIII International Quantum Electronics conference / June 14-19, 1992. -Vienna, Austria, 1992. P.58-60.

29.Kocharovskaya 0., Mandel P. Hidden inversion in inversionless amplification // Technical digest of the XVIII International Quantum Electronics conference / June 14-19, 1992. - Vienna, Austria, 1992. P.368.

30. Mandel P. and Kocharovskaya 0. Inversionless amplification of a monochromatic field by a three-level medium // Phys. Rev. 1992. V. A 46. N 5. P.2700-2706.

31. Mandel P. and Kocharovskaya 0. Inversionless amplification in a multilevel system // Phys.Rev. 1993. V. A 47. N 6. P.5003-5008.

32. Keitel C.H., Kocharovskaya 0., Narducci L.M., Scully M.O., Zhu S.-Y and Doss H.M. Two mechanisms for inversionless amplification in four-level atoms with Raman pumping // Phys.Rev. 1993. A 48. N 6. P.3196-3201.

33. Kocharovskaya 0., Zhu S.-Y., Scully M.O., Mandel P. and Radeonychev Y.V. Generalization of the Maxwell - Bloch equations to the case of strong atom-field coupling // Phys. Rev. 1994. V. A 49. N 6. P.4928-4934.

34. Kocharovskaya 0. and Mandel P. Basic models of lasing without inversion: general form of amplification condition and problem of self-consistency // Quantum Optics. 1994. V. 6. N 4. P.217-230.

35. Kocharovskaya O.A., Mandel P. and Khanin Ya.I. Problem of inversionless amplification // BRAS, Phys. / Suppl.: Phys. Vib. 1994. V. 58. N 1. P.10-15.

36. Radeonychev Y.V. and Kocharovskaya O.A. Influence of a strong field on the relaxation of a three level atom. // BRAS, Phys. / Suppl.: Phys. Vib. 1994. V.58. N 1. P.16-20.

37. Kocharovskaya O.A. and Radeonychev Y.V. Self-consistency of inversionless laser basis schemes // BRAS, Phys. / Suppl.: Phys. Vib. 1994. V.58. N 2. P.79-85.

38. Kocharovskaya 0. Field-dependent spontaneous relaxation in three-level atoms // Technical Digest of the V-th European Quantum Electronics Conference, 28 Aug.-2 Sept., 1994. - Amsterdam, 1994. P.50.

39. Kocharovskaya 0., Mandel P., Radeonychev Y.V. Problem of self-consistency in the theory oflasing without inversion // Technical Digest of the V-th European Quantum Electronics Conference, 28 Aug.-2 Sept., 1994. - Amsterdam, 1994. P.141.

40. Kocharovskaya 0., Mandel P., Scully M.O. Atomic coherence via modified spontaneous relaxation // Phys. Rev. Lett. 1995. V.74. N 13. P.2451-2454.

41. Kocharovskaya O. From lasers without inversion to gamma-ray lasers // Laser Physics. 1995. V.5. N 2. P.284-291.

42. Kocharovskaya 0. and Radeonychev Y.V. Symmetry breaking of the two-level atomic response due to field-dependent relaxation // Quant, and Semiclas. Opt. 1996. V. 8. N 1. P.7-13.

43. Kocharovskaya 0. and Rostovtsev Yu. Thermodynamic restrictions on amplification without inversion // Nonlinear waves. Synchronization and Patterns. Part 2. / eds. Rabinovich M.I., Sushhcik M.M. and Shalfeev V.D. Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod University Press. 1995. P. 31-37.

44. Kocharovskaya 0. and Mandel P. Atomic coherence and field-dependent relaxation in strongly driven three-level atoms // Acta Physica Polonica. 1996 (accepted).

45. Kocharovskaya 0. Lasers Without Inversion: Problems and Prospects // Hyperfine Interactions. 1996 (accepted).

46. Kocharovskaya 0. and Mandel P. Field-dependent spontaneous relaxation in strongly driven atomic systems // Quantum and Coherent Optics. Proceedings of the Rochester Conference / eds. Mandel

L., Wolf E. and Eberly J. Rochester, 1996. P.281-287.

47. Kocharovskaya 0. and Mandel P. basing Without Inversion: Progress and Prognosis // Coherent Phenomena and Amplification Without Inversion. SPIE Proceedings of the International Conference on Coherent and Quantum Optics and Laser Optics. / eds. Andreev A.A., Kocharovskaya O.A. and Mandel P. 1996. P.101-112.

48. Radeonychev Y.V., Mandel P. and Kocharovskaya 0. Influence of Field-Dependent Relaxation on Amplification Without Inversion // Coherent Phenomena and Amplification Without Inversion. SPIE Proceedings of the International Conference on Coherent and Quantum Optics and Laser Optics. / eds. Andreev A.A., Kocharovskaya O.A. and Mandel P. 1996. P.152-162.

49. Louffler M., Nikonov D.E., Kocharovskaya 0., Scully M.O. High index of refraction for a steady field via dressed state selectivity // Coherent Phenomena and Amplification Without Inversion. SPIE Proceedings of the International Conference on Coherent and Quantum Optics and Laser Optics. / eds. Andreev A.A., Kocharovskaya O.A. and Mandel P. 1996. P.173-181.

50. Kocharovskaya 0. Prospects for realization of amplification without inversion in gamma-ray range // Proceedings of the International Symposium on Atomic Coherence and Inversionless Amplification / ed. J.-Y. Gao. Changchun. 1996. P.77-85.

Содержание диссертации

ВВЕДЕНИЕ

B.l. Физика безынверсных лазеров как новое научное направление

В.2. Актуальность проблемы безынверсного усиления В.З. История вопроса

В.4. Современные схемы лазеров без инверсии. Краткий обзор В.5. От лазеров без инверсии к гамма-лазерам ? В.6. Перспективы развития

В.7. Основные положения, выносимые на защиту В.8. Структура диссертации

Глава 1. КОГЕРЕНТНОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ ТРЕХУРОВНЕВОЙ СРЕДЫ

1.1. Явление когерентного захвата населенностей

1.2. Нормальные волны в трехуровневой среде

1.3. Когерентное просветление трехуровневой среды бигармо-ническим полем

1.4 Самосогласованная система уравнений

1.5. Динамика трехуровневой среды в поле последовательности УКИ

1.6. Резонансный когерентный захват населенностей

1.7. Когерентный захват населенностей в отсутствие низкочастотного резонанса

1.8. Когерентное просветление широкополосного трехуровневого поглотителя с асимметричными оптическими переходами

1.9. Сопоставление с экспериментальными данными

1.10. Основные результаты

Глава 2. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ РЕЖИМ БЕЗЫНВЕРСНОГО УСИЛЕНИЯ

2.1. Общие физические принципы безынверсного усиления

2.2. Динамика трехуровневого атома под действием УКИ

2.3. Изменение энергии импульса по мере его распространения

2.4. Условия безынверсного усиления УКИ

2.5. Способы приготовления начального когерентного состояния

2.6. Сопоставление с экспериментом

2.7. Основные результаты

Глава 3. ДВОЙНАЯ А СХЕМА. СТАЦИОНАРНЫЙ РЕЖИМ УСИЛЕНИЯ

3.1. Качественный анализ

3.2. Исходные уравнения

3.3. Безынверсное усиление. Линейный режим

3.4. Захват населенностей в двойной А схеме

3.5. Безынверсное усиление.-Нелинейный режим

3.6. Сопоставление с экспериментами

3.7. Основные результаты Глава 4. ДВОЙНАЯ Л СХЕМА: СТАЦИОНАРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ, СКРЫТАЯ ИНВЕРСИЯ И МЕХАНИЗМЫ УСИЛЕНИЯ

4.1. Порог и интенсивность стационарной генерации

4.2. Устойчивость стационарного режима

4.3. Безынверсное усиление в А схеме как усиление со скрытой инверсией

4.4. Эффективная четырехуровневая схема с оптической накачкой в непоглощающее состояние

4.5. Невырожденный случай

4.6. Два механизма безынверсного усиления

4.7. Приложение А

4.8. Приложение Б

4.9. Сопоставление с экспериментами

4.10. Основные результаты

Глава 5. ТРЕХУРОВНЕВЫЕ СХЕМЫ С МИКРОВОЛНОВОЙ НАКАЧКОЙ

5.1. Р схема

5.2. h схема

5.3. Лестничные схемы

5.4. А + h схема

5.5. V + Р схема

5.6. Нелинейный анализ

5.7. Р схема. Общий нерезонансный случай

5.8. F схема

5.9. Зависимость коэффициента усиления от отстройки

5.10. Условие усиления в базисе одетых состояний

5.11. Сопоставление с экспериментами

5.12. Основные результаты

Глава 6. ОБЩЕЕ УСЛОВИЕ УСИЛЕНИЯ В МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЕ. ДВА МЕХАНИЗМА БЕЗЫНВЕРСНОГО УСИЛЕНИЯ

6.1. Постановка задачи

6.2. Общая феноменологическая модель и основные уравнения

6.3. Многочастотное пробное поле

6.4. Характеристическое уравнение

6.5. Условие усиления

6.6. Коэффициент усиления

6.7. Л схема

6.8. Эффективная инверсия в базисе поглощающего и непо-глощающих состояний

6.9. Нелинейное распространение

6.10. Многократное расщепление обоих рабочих уровней

6.11. Монохромата, взаимодействующая со многими атомными переходами

6.12. Основные результаты

Глава 7. ПРОБЛЕМА САМОСОГЛАСОВАННОСТИ В ТЕОРИИ ЛАЗЕРОВ БЕЗ ИНВЕРСИИ. КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ МНОГОУРОВНЕВОГО АТОМА В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

7.1. Постановка задачи

7.2. Проблема вывода кинетических уравнений для схем безынверсного усиления с когерентной накачкой

7.3. Вывод кинетических уравнений для многоуровневого атома в сильном поле

7.4. Обобщенные кинетические уравнения в базисе одетых состояний

7.5. Обобщенные кинетические уравнения для трехуровневой среды

7.6. Кинетические уравнения для трехуровневого атома в одетом базисе

7.7. "Геометрическая" интерпретация модификации релаксационных скоростей под действием поля

7.8. Решение обобщенных кинетических уравнений

7.9. Аномальный отклик трехуровневого атома

7.10. Анализ Р схемы на основе обобщенных уравнений 7.11. Безынверсные схемы, не включающие когерентной накачки

7.12. Основные результаты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА