Сверхизлучение

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: сеть рефератов, экологические рефераты
| Добавил(а) на сайт: Каримов.

Сверхизлучение в больших образцах. Классические аналоги СИ.

Рассмотрение эффекта СИ на примере образца малых размеров позволяет наглядно представить себе этот процесс. Однако практическая реализация СИ в крупинке размером L « ? затруднительна: как показывает анализ, диполь0дипольное взаимодействие молекул при их «столкновениях» не позволяет реализовать основное условие СИ ? « T2. Поэтому основной интерес представляют, конечно, образцы больших размеров L » ?, к обсуждению которых мы и перейдем.

В образцах больших размеров могут распространятся электромагнитные волны, которые в инвертированной двухуровневой среде обладают специфическими свойствами. Если плотность инвертированных молекул относительно невелика, то эти свойства отчетливо не проявляются и в таком образце реализуется режим, характерный для импульсных лазеров и мазеров.
Однако при высокой плотности ?N в условиях, когда реализуется неравенство
?T2 » 1, наряду с обычными электромагнитными волнами в безграничной среде распространяются так называемые волны поляризации, обладающие отрицательной энергией, которая сосредоточена в колебаниях поляризации (а не электрического поля, энергия которого относительно мала). В инвертированных образцах с отражающими стенками эти волны образуют поляритонные моды, локализованные внутри образца. И наконец, если стенки образца имеют коэффициент отражения R < 1, то поляритонные моды выходят за его границы, но уже в виде обычной электромагнитной волны. Ситуация здесь совершенно аналогична рассмотренной на примере крупинки: внутри образца существует поляритонная мода с отрицательной энергией. Излучение электромагнитных волн за пределы образца ведет к уменьшению энергии этой моды и росту амплитуды колебаний в ней. Таким образом, снова реализуется диссипативная неустойчивость. В неограниченных образцах такая неустойчивость волн с отрицательной энергией возможна при наличии поглощения этих волн в веществе
(например, омических потерь), а в ограниченных системах – за счет потери энергии этих волн на излучение наружу. В результате в неограниченных образцах и образцах с R > 1 возможен режим сверхпоглощения, а в открытых образцах с R < 1 – режим сверхизлучения.

Развитая в [3] трактовка СИ квантовой инвертированной системы как диссипативной неустойчивости волн с отрицательной энергией открыла возможности поиска аналогий СИ в классической физике, и прежде всего в физике плазмы и классической электронике, где квантовые эффекты не играют заметной роли. Поиск этих аналогий позволил не только взглянуть на разные физические процессы с более общей, единой точки зрения, способствуя более глубокому пониманию СИ. Он оказался очень важен для электроники общих мощностей, где в ряде прикладных задач основные усилия направлены на получение мощных и коротких импульсов (например, для радиолокации). Эти режимы исследовались экспериментально и теоретически, но, как правило, в условиях, аналогичных мазерным режимам в квантовой электронике. Однако режим СИ позволяет в принципе получить более короткие и мощные импульсы.
Это и объясняет привлекательность идеи поиска СИ в классической электронике.

Пример системы, в которой возможен режим СИ, был предложен в работе
[5]. Это цилиндрическая магнитная ловушка с однородным магнитным полем B0, помещенная в так называемую замедляющую систему, которая уменьшает фазовую скорость распространяющихся волн vф по сравнению со скоростью с в вакууме.
Вдоль магнитного поля летят два встречных пучка электронов со скоростью v|
> vф (см. рис. 3). В этой модели возможен эффект циклотронного сверхизлучения: потоки электронов в магнитном поле излучают на частоте[3]

? = ?B0/(v|/vф - 1), где ?B0 = eB0/mc – электронная гирочастота. Как и в случае СИ в квантовых инвертированных системах, максимальная мощность импульсов пропорциональна квадрату электронной конденсации: Qmax ? N2. Механизмом циклотронного СИ служит диссипативная неустойчивость так называемой медленной циклотронной волны с отрицательной энергией, разливающаяся за счет потерь энергии этой волны на излучение за пределы ловушки.

После первых работ, указывающих на возможность циклотронного СИ в классической электронике, в Институте прикладной физики РАН начались экспериментальные исследования этого эффекта. В результате были изучены другие модели классического СИ, и факт существования такого варианта СИ был установлен экспериментально [6]. Конечно, это еще только первые шаги в исследовании столь необычного и интересного физического эффекта. Вполне возможно, что дальнейшие исследования приведут к практическому применению
СИ как источника мощных коротких импульсов когерентного излучения в квантовой и классической электронике.

Литература:
1. Dicke R.H. // Phys. Rev. 1954. Vol. 93. P.99.
2. Skribanowitz N., Hermann I.P., MacGilivray M.S., Feld M.S. // Phys. Rev.

Lett. 1973. Vol. 30. P. 309.
3. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., // ЖЭТФ. 1984. Т.

87. С. 1565.
4. Файн В.М. Фотоны и нелинейные среды. М.,: Сов. Радио, 1972. 472 с.
5. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., // Изв. Вузов.

Радиофизика. 1986. Т. 29. С. 1095.
6. Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Коноплев И.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1996.

Т. 63. С. 322

Излучение накачки
СИ Детектор

Кювета с газом HF Фильтр
Рис. 1. Схема эксперимента по наблюдению эффекта сверхизлучения

Q а

Кювета

Импульс T1 t накачки

Q б

Кювета

1/? L/c t
Q в

Кювета

T3 t
Рис. 2. Возможные режимы излучения инвертированной системы молекул: а – спонтанное излучение; б – мазерный эффект; в – сверхизлучение

?N

N

t