Распространение коротких лазерных импульсов в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности

Тимофеев Иван Владимирович

Научный руководитель: Архипкин Василий Григорьевич, д.ф.-м.н., ведущий сотрудник института физики им .Л.В.Киренского СО РАН

Красноярский государственный университет, г.Красноярск, Россия

В последнее десятилетие наблюдается большой интерес к исследованию распространения двух лазерных импульсов в оптически плотной среде, состоящей из трехуровневых -атомов (рис.1,а), в условиях электромагнитно-индуцированной прозрачности [1]. Особенности распространения импульсов уже изучались, например, в работах [2-7]. Было показано, что импульсы могут распространяться без изменения своей формы на значительные расстояния (согласованные импульсы; импульсы, одетые полем; адиабатоны). Эти эффекты носят фундаментальный характер, а также имеют разнообразные приложения в нелинейной и квантовой оптике, лазерной физике и спектроскопии (см., например, [1]).

Как правило, рассматриваются ситуации, когда оба импульса имеют одинаковую форму, а их длительность больше времени релаксации промежуточного резонансного состояния, либо длительность управляющего импульса значительно превышает длительность пробного импульса. В представленной работе исследуется пространственно-временная эволюция двух перекрывающихся во времени коротких лазерных импульсов. Под короткими подразумеваются импульсы, удовлетворяющие условию , где ? времена релаксации и дефазировки, ? длительности импульсов. Импульсы резонансно взаимодействуют с разрешенными переходами трехуровневых -атомов. Рассматриваются два случая. В первом из них импульсы имеют одинаковую форму, но разную длительность (рис.1,б). Такая ситуация демонстрирует явление когерентного пленения населенности. Во втором случае совпадают и форма, и длительность импульсов, однако пробный импульс включается позже управляющего (рис.1,в). При этом реализуется явление адиабатического переноса населенности. В обоих случаях предполагается, что огибающие удовлетворяют критерию адиабатичности , где ? частоты Раби импульсов.

Теоретическая модель включает в себя самосогласованную систему уравнений Шредингера для амплитуд вероятностей соответствующих уровней атомной подсистемы, рассматриваемых в представлении взаимодействия, а также укороченные волновые уравнения для частот Раби , совместно описывающие пространственно-временную динамику атомной подсистемы и импульсов. В движущейся системе координат с локальным временем уравнения имеют следующий вид:

, , (1)

где ? коэффициенты распространения. Предполагается, что в момент включения полей () все атомы находятся в основном состоянии , а на входе в среду () оба импульса имеют гауссову форму , где ? длительности импульсов (в первом случае , во втором они совпадают), ? времена включения импульсов (в первом случае они совпадают, а во втором ).

Обсуждаются аналитические и численные результаты решения системы (1). Показано, что оба импульса распространяются согласованно, а их частоты Раби удовлетворяют следующему условию: сумма не зависит от координаты и определяется распределением полей на входе в среду. Это позволяет идентифицировать их как импульсы, одетые полем [2]. На начальном этапе распространения форма импульсов слабо меняется на длине среды, которая может значительно превышать длину линейного поглощения одиночного слабого импульса. При увеличении длины поглощающей среды происходит полная перекачка пробного импульса в управляющий импульс, приводя к усилению последнего.

Полученные результаты можно использовать для увеличения эффективности нелинейно-оптического смешения частот в резонансных газообразных средах.

б) в)

Рис.1. Конфигурация энергетических уровней атома (а) и огибающие импульсов
на входе в среду (б, в). ? пробный импульс, ? управляющий импульс.

Литература

  1. Harris S.E. Physics Today. №7, 36 (1997).
    2.
  2. Eberly J.H., Pons M.L., Haq H.R. Phys.Rev.Lett., 72, P.56 (1994); Eberly J.H. Quantum Semiclass. Opt., 7, P.373 (1995).
  3. Grobe R., Hioe F.T., Eberly J.H. Phys.Rev.Lett., 73, 3183 (1994).
  4. Harris S.E. Phys.Rev.Lett., 72, 52 (1994).
  5. Harris S.E., Zhen-Fei Luo. Phys.Rev.A, 52, R928 (1995).
  6. Eberly J.H., Rahman A. Phys.Rev.Lett., 76, 3687 (1996).
  7. Fleischhauer M., Manka A. Phys.Rev.A, 54, 794 (1996).

e-mail: asf@asf.e-burg.ru