超輻射與受激輻射的區(qū)別

超輻射與受激輻射的區(qū)別學(xué)生姓名宋志化專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)學(xué)號(hào)130122101摘要：超輻射是一個(gè)包含經(jīng)典和量子雙重效應(yīng)的瞬態(tài)光學(xué)過程,其微觀特征是偶極子排列有序,宏觀表現(xiàn)是輻射強(qiáng)度正比于原子數(shù)的平方。超輻射在一定條件下可以誘導(dǎo)量子拍頻、喇曼散射、雙色輸出、混沌發(fā)射、光子反聚束、壓縮態(tài)等一系列非線性效應(yīng)。這些效應(yīng)可望在高分辨率光譜學(xué)、超輻射的調(diào)諧輸出、光子簡并度的提高、量子噪聲的壓縮等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：超輻射受激輻射什么是超輻射眾所周知在普通的熒光實(shí)驗(yàn)中，原子系統(tǒng)最初處于高能態(tài)，在衰變過程中，樣品中的原子各自獨(dú)立地與輻射場相互作用。輻射場在空間是各向同性的，在時(shí)hlj上是指數(shù)衰減的.衰減常數(shù)可以用單原子的壽命T:。來表征，輻射強(qiáng)度與原子數(shù)N成正比L見。這些特征一般是在稀薄的原子蒸氣中進(jìn)行觀察的。如果原子的密度增大，以致輻射數(shù)目足夠多，情況就大不一樣。這時(shí)處于激發(fā)態(tài)的原子系統(tǒng)呈現(xiàn)爆炸式的集體自發(fā)輻射，其特點(diǎn)是強(qiáng)度極大,衰變極快（為幾p/N的量級(jí)），并在一個(gè)特定的方向（依賴于樣品的形狀）占優(yōu)勢。這就是所謂超輻射或超熒光川。產(chǎn)生超輻射的根本原因是不同原子的偶極子排列有序化?在原子完全反轉(zhuǎn)的初始時(shí)刻，偶極子排列是完全無序的?發(fā)射開始后，真空電磁場的量子起伏作用于獨(dú)立的原子，使完全無序的偶極子系統(tǒng)發(fā)生對(duì)稱破缺的現(xiàn)象，并進(jìn)一步演化成有序排列?當(dāng)偶極子的有序化程度最高時(shí)，輻射強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。整個(gè)超輻射過程可以分成三個(gè)階段：（1）初始原子系統(tǒng)完全反轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)普通的自發(fā)輻射,強(qiáng)度與N成正比；（2）偶極子趨于有序化.這是一個(gè)純量子過程，因?yàn)橄到y(tǒng)的演化起始于真空?qǐng)龅牧孔釉肼?；?）有序化的偶極子產(chǎn)生相干輻射。這是一個(gè)經(jīng)典過程，在本質(zhì)上與經(jīng)典天線輻射電磁波沒有區(qū)別。超輻射的另一個(gè)特點(diǎn)是輻射場在增益介質(zhì)中的非線性傳播行為?輻射場在傳播過程中，介質(zhì)中位于:。位置的一個(gè)激發(fā)態(tài)原子，在發(fā)射出光子并回到基態(tài)后，可能會(huì)吸收由小于z。的位置上傳播過來的光子而二次激發(fā).這個(gè)原子躍遷時(shí)發(fā)射的光子又可能去激發(fā)大于：。位置的、已回到基態(tài)的原子，而且z。位置的原子還可能被多次激發(fā)?這樣，輸出波形就會(huì)出現(xiàn)衰減的脈沖序列。這就是所謂振鈴(ringings)效應(yīng).振鈴效應(yīng)對(duì)偶極子的有序化影響很大。消除它的必要條件是縮短樣品長度.L如果L足夠小，以致于樣品末端的原子被首次激發(fā)后尚未回到基態(tài)時(shí),它前面所有的光子已經(jīng)離開了樣品，這樣就不會(huì)出現(xiàn)多次激發(fā)?？梢砸艘涣縇。.我們把它定義為所有原子不出現(xiàn)二次激發(fā)情況下樣品的最大長度,并稱之為合作長度'”量子點(diǎn)存在于激光振蕩器或放大器中的受激輻射可以看作是合作輻射過程，雖然通常不這樣認(rèn)為。通常的受激輻射和超輻射表現(xiàn)十分不同,實(shí)際上二者是緊密聯(lián)系著的,可用藕合的Maxwell—Sehrodinger方程描述而實(shí)質(zhì)上是兩種不同的極限情況。超輻射是瞬態(tài)極限，其中極化包絡(luò)和集居數(shù)反轉(zhuǎn)密度的變化率比非相干衰變過程快這就要求有高增益和集居數(shù)的快速反轉(zhuǎn)儒要產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)的時(shí)間了應(yīng)小于，由此得出發(fā)射輻射的強(qiáng)度峰值正比于N“。另一方面在受激輻射的極限情況極化包絡(luò)和集居數(shù)反P轉(zhuǎn)密度的變化率比非相干衰變率要慢。這就導(dǎo)致準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，這可發(fā)生于高增益和低增益介質(zhì)只要不滿足。那樣發(fā)射的輻射強(qiáng)度正比于對(duì)于高增益和指數(shù)增長對(duì)于小信號(hào)。應(yīng)用激光研究中的一個(gè)重要目標(biāo)是發(fā)展x射線的相千輻射.它的誕生將對(duì)生物學(xué)物理學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)產(chǎn)生革命性的影響.但利用受激輻射產(chǎn)生x射線激光有幾個(gè)內(nèi)在的困難:由A/B-l/久擴(kuò)(其中A,B分別是原子的自發(fā)輻射與受激輻射幾率)可知，受激輻射幾率在短波區(qū)域迅速減小;缺乏合適的諧振腔材料;激光上能級(jí)壽命太短.因而實(shí)現(xiàn)受激輻射型的X射線激光至今只有一、兩例利用超輻射實(shí)現(xiàn)x射線相千輻射是一種很有希望的途徑。超輻射除了具有強(qiáng)度大、脈寬窄的優(yōu)點(diǎn)外，而且在短波區(qū)域具有更大的輻射幾率.它不需要諧振腔，回避了諧振腔材料的困難;