超辐射与受激辐射的区别

超辐射与受激辐射的区别

学生姓名宋志化

专业应用物理学

学号130122101

摘要：超辐射是一个包含经典和量子双重效应的瞬态光学过程,其微观特征是偶极子排列有序 ,宏观表现是辐射强度正比于原子数的平方。超辐射在一定条件下可以诱导量子拍频、喇曼散射、双色输出、混沌发射、光子反聚束、压缩态等一系列非线性效应。这些效应可望在高分辨率光谱学、超辐射的调谐输出、光子简并度的提高、量子噪声的压缩等技术领域获得广泛的应用。

关键词：超辐射受激辐射

1，什么是超辐射

众所周知在普通的荧光实验中 ,原子系统最初处于高能态 ,在衰变过程中 ,样品中的原子各自独立地与辐射场相互作用。辐射场在空间是各向同性的，在时 h l j 上是指数衰减的. 衰减常数可以用单原子的寿命 T : 。来表征 , 辐射强度与原子数 N 成正比 L见。这些特征一般是在稀薄的原子蒸气中进行观察的。如果原子的密度增大,以致辐射数目足够多,情况就大不一样。这时处于激发态的原子系统呈现爆炸式的集体自发辐射 ,其特点是强度极大, 衰变极快 ( 为几 p / N 的量级 ) , 并在一个特定的方向 ( 依赖于样品的形状)占优势。这就是所谓超辐射或超荧光川。

产生超辐射的根本原因是不同原子的偶极子排列有序化.在原子完全反转的初始时刻,偶极子排列是完全无序的.发射开始后,真空电磁场的量子起伏作用于独立的原子,使完全无序的偶极子系统发生对称破缺的现象,并进一步演化成有序排列.当偶极子的有序化程度最高时,辐射强度出现峰值。整个超辐射过程可以分成三个阶段:(l)初始原子系统完全反转,呈现普通的自发辐射,强度与N成正比;(2)偶极子趋于有序化.这是一个纯量子过程,因为系统的演化起始于真空场的量子噪声;(3)有序化的偶极子产生相干辐射。这是一个经典过程,在本质上与经典天线辐射电磁波没有区别。

超辐射的另一个特点是辐射场在增益介质中的非线性传播行为.辐射场在传播过程中,介质中位于:。位置的一个激发态原子,在发射出光子并回到基态后,可能会吸收由小于z。的位置上传播过来的光子而二次激发.这个原子跃迁时发射的光子又可能去激发大于:。位置的、已回到基态的原子,而且z。位置的原子还可能被多次激发.这样,输出波形就会出现衰减的脉冲序列。这就是所谓振铃

(ringings)效应.振铃效应对偶极子的有序化影响很大。消除它的必要条件是缩短样品长度.L如果L足够小,以致于样品末端的原子被首次激发后尚未回到基态时,它前面所有的光子已经离开了样品,这样就不会出现多次激发。可以引人一量L。.我们把它定义为所有原子不出现二次激发情况下样品的最大长度,并称之为合作长度`”

2，量子点

存在于激光振荡器或放大器中的受激辐射可以看作是合作辐射过程,虽然通常不这样认为。通常的受激辐射和超辐射表现十分不同,实际上二者是紧密联系着的,可用藕合的Maxwell一Sehrodinger方程描述而实质上是两种不同的极限情况。超辐射是瞬态极限,其中极化包络和集居数反转密度的变化率比非相干衰变过程快这就要求有高增益和集居数的快速反转儒要产生集居数反转的时间了应小于,由此得出发射辐射的强度峰值正比于N“。另一方面在受激辐射的极限情况极化包络和集居数反P转密度的变化率比非相干衰变率要慢。这就导致准稳态,这可发生于高增益和低增益介质只要不满足。那样发射的辐射强度正比于对于高增益和指数增长对于小信号。

3，应用

激光研究中的一个重要目标是发展x射线的相千辐射.它的诞生将对生物学、物理学、化学和材料科学产生革命性的影响.但利用受激辐射产生x射线激光有几个内在的困难:

(l)由A/B-l/λ扩(其中A,B分别是原子的自发辐射与受激辐射几率)可知,受激辐射几率在短波区域迅速减小;

(2)缺乏合适的谐振腔材料;

(3)激光上能级寿命太短.因而实现受激辐射型的X射线激光至今只有一、两例利用超辐射实现x射线相千辐射是一种很有希望的途径。

超辐射除了具有强度大、脉宽窄的优点外,而且在短波区域具有更大的辐射几率.它不需要谐振腔,回避了谐振腔材料的困难;而且在超辐射时,上能级寿命短反而会增加辐射率.因此,受激辐射型X射线激光的困难对犷超辐射型x射线激光来说,恰好变成了优点.

参考文献：超辐射的研究概况

超辐射与受激辐射的区别