瞬態相干光學效應
正文
在原子或分子輻射過程的弛豫時間範圍內,與入射共振光場間的一系列非線性光學效應。包括光學章動、光學自由感應衰減、光子回波等等。一般而言,此類效應只在入射雷射相當強且與原子固有頻率發生共振時才會發生。此類效應的共同特點是,原子或分子在外界入射共振光場作用下,產生的感應振盪電偶極矩在弛豫時間內所保持的位相關係起著關鍵作用。其中不少效應是在將光共振與磁共振進行對比的過程中被預言和證實的。磁矩M在恆磁場H0中會圍繞後者作拉莫爾進動,進動圓頻率為γH0,其中γ稱為回磁比。如果在垂直於恆磁場的平面內同時有一圓頻率為w的圓偏振交變磁場H1,則在以恆磁場方向為轉軸角速度為ω的鏇轉坐標繫上,磁矩M圍繞矢量


圓頻率為w 的相干光作用於二能級原子,一方面改變原子在上下兩能級上的布居,同時也會感生出一個圓頻率為w的振盪電偶矩。如果不考慮原子的弛豫過程,則無論是原子在上下兩能級的布居數差,或是感生電偶極矩的振幅,都是隨相干光作用的時間周期地變化的。而且,在光場作用停止前激勵起的振盪電偶極矩和所產生的能級布居數差仍將在光場作用停止後保持下去。這樣一個過程可以用一個虛構的偶矩矢量(稱為贗偶矩矢量)在一個虛構的場(稱為贗場)中的運動來表示。此贗偶矩矢量P的x和y分量px和py表示原子的感生振盪偶矩的x和y分量(設光沿z方向傳播);其z分量則與上下能級的布居數差(ρ11-ρ22)成比例,比例係數β是二能級間的電偶極矩躍遷矩陣元。贗場E的x和y分量定義為作用於原子的真實光波電場的X和Y分量,其z分量Ez定義為-媡ω20/β。ω20是二能級原子的固有頻率。上述過程相當於這樣一種運動:在以z為轉軸、角速度為w的鏇轉坐標繫上,贗偶矩矢量P圍繞贗有效場EL作拉莫爾進動,其中



瞬態相干光學效應內容很豐富。只列舉其主要者如下。
光學章動 當振幅恆定的光波作用於共振媒質(即固有頻率與光波頻率共振的媒質)時,在光場加入的開始階段,光波的振幅會受到調製,調製圓頻率為

此現象發生的原因是:當加進與原子共振的光波場(振幅為ε)時,原來與z軸平行的贗矢量P立即圍繞有效場EL進動(圖1)。因為現在w=w0、EL=





此現象可作如下解釋:由於共振光場的較長時間作用,P矢量到達一個新的穩定取向。當原子的固有圓頻率發生Δw的斯塔克移動後,光波的頻率便遠離原子現有的固有頻率。同時,在以恆定角速度為w 的鏇轉坐標繫上,矢量P開始圍繞z軸以Δw的圓頻率進動。這也意味著在固定坐標繫上 P開始圍繞z軸以w+Δw的圓頻率進動,從而感生偶矩的x和y分量以圓頻率w+Δw振盪,並發出圓頻率為w+Δw的輻射。由於橫向弛豫過程,此輻射以弛豫時間T2逐漸衰減。又由於新產生的這個輻射波與原來的光波發生拍頻,結果出現圓頻率為Δw的衰減振盪。
光子回波 設開始時作用於二能級原子系統一個共振的光脈衝,且滿足


在光學矢量模型的基礎上此現象容易得到滿意的解釋。在頭一個共振光脈衝作用下,矢量P就如圖1那樣在垂直於光波電場的平面上進動。由於是π/2脈衝,可證明該脈衝作用後正好使 P轉動了90°而落在xy平面上。此後,由於沒有光場作用,P就在xy平面上圍繞z軸以原子的固有圓頻率進動。由於存在非均勻增寬,各個原子的P矢量的進動頻率稍有不同,從而使有些原子的P矢量超前,有些落後,相互逐漸散開,並使P的巨觀平均值變小。圖2頂部第二個圖表示在經過時間τ後P 矢量散開的情況。這時刻,由於作用於原子上的是一個共振的π脈衝,於是每個原子的矢量P又都圍繞




超螢光 設有N個二能級原子,它們都處在布居數反轉狀態。理論和實驗都已證明,通過它們與輻射場的相互作用可以使這些原來不相干的原子關聯起來,從而形成一個電偶矩而發出很強的相干輻射。其輻射強度與N2成正比,而不像自發輻射那樣與N成正比。此現象稱超螢光。
近年來也已發現和研究了一系列三能級原子的瞬態相干光學效應及在光混頻中的瞬態相干效應。
瞬態相干光學效應目前主要套用在固體和氣體介質中共振譜線增寬性質的研究和激發態弛豫參量的測量。
參考書目
R. P. Feynman, F. L. Vernon, and R.W.Hellwarth, Journal of Applied Physics, Vol. 28, p. 49, 1957.
L.Allen, and J.H.Eberly,Optical Resonance and Two-Level Atoms,John Wiley & Sons,New York,1975.
R.G.Brewer,Coherent Optical Spectroscopy, P.G.Harper and B.S.Wherrett, ed., Nonlinear Optics,Academic Press,London, 1979.