КОЛЛЕКТИВНОЕ СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ) А. В. Андреев, В. И. Емельянов, Ю. А. Ильинский СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 2. Сверхизлучение систем с размерами меньше длины волны излучения . . . .3. Сверхизлучение протяженных систем а) Общие соображения (660).б) Одномодовая модель сверхизлучения (661).в) Квантовая миогомодовая теория сверхизлучения (662).1) Условия возникновения эффекта (663); 2) Анализ решения системы уравнений многомодового сверхизлучательного распада (666); 3) Сверхизлучение в слабоусиливающих средах (667); 4) Осцилляторный режим сверхизлучения (669); 5) Сверхизлучение неоднородно уширенных систем (670); 6) Конкуренция коллективных и спонтанных процессов (672).г) Полуклассическая теория сверхизлучения.Учет пространственного изменения огибающей поля (673).д) О роли флуктуации при сверхизлучательном распаде (блоховское представление) (674).4. Сверхизлучение в коротковолновом диапазоне 676 а) Сверхнзлученг J в гамма-диапазоне (676).б) Сверхизлучение в рентгеновском диапазс.ге(677). 5. Экспериментальное исследование сверхпзлучения а) Сверхнзлучение на вращательных переходах молекул (679).б) Сверхизлучение на оптических переходах атомов (680).6. Сверхизлучение при комбинационном рассеянии света (многомодовая теория) 683 Основные уравнения теории СИКР и анализ их решения (684) 7. Заключение 691 Дополнение.Фазовый переход в равновесной системе двухуровневых атомов, взаимодействующих через электромагнитное поле 692 Цитированная литература 693 1. ВВЕДЕНИЕВ своей основополагающей работе г Дике в 1954 г. показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов может спонтанно перейти в основное состояние за время, обратно пропорциональное числу атомов т с ~ 1A/V.Этот эффект обусловлен наведением корреляций между моментами перехода пространственно разделенных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения.В результате атомы, находящиеся в макроскопически большом объеме, излучают когерентно.Поскольку полная энергия, излучаемая коллективом TV атомов, равна ΝΗω 0 , где ω 0 -частота перехода, то интенсивность излучения 7~ JVUco o /i: c ~ iV 2 .Такое излучение получило название коллективного спонтанного излучения или сверхизлучения (СИ) Дике *).В случае обычного спонтанного *) В зарубежной литературе помимо этого названия испол!:ι ется такж термин «суперфлуоресценция».
КОЛЛЕКТИВНОЕ СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ) А. В. Андреев, В. И. Емельянов, Ю. А. Ильинский СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 2. Сверхизлучение систем с размерами меньше длины волны излучения . . . .3. Сверхизлучение протяженных систем а) Общие соображения (660).б) Одномодовая модель сверхизлучения (661).в) Квантовая миогомодовая теория сверхизлучения (662).1) Условия возникновения эффекта (663); 2) Анализ решения системы уравнений многомодового сверхизлучательного распада (666); 3) Сверхизлучение в слабоусиливающих средах (667); 4) Осцилляторный режим сверхизлучения (669); 5) Сверхизлучение неоднородно уширенных систем (670); 6) Конкуренция коллективных и спонтанных процессов (672).г) Полуклассическая теория сверхизлучения.Учет пространственного изменения огибающей поля (673).д) О роли флуктуации при сверхизлучательном распаде (блоховское представление) (674).4. Сверхизлучение в коротковолновом диапазоне 676 а) Сверхнзлученг J в гамма-диапазоне (676).б) Сверхизлучение в рентгеновском диапазс.ге(677). 5. Экспериментальное исследование сверхпзлучения а) Сверхнзлучение на вращательных переходах молекул (679).б) Сверхизлучение на оптических переходах атомов (680).6. Сверхизлучение при комбинационном рассеянии света (многомодовая теория) 683 Основные уравнения теории СИКР и анализ их решения (684) 7. Заключение 691 Дополнение.Фазовый переход в равновесной системе двухуровневых атомов, взаимодействующих через электромагнитное поле 692 Цитированная литература 693 1. ВВЕДЕНИЕВ своей основополагающей работе г Дике в 1954 г. показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов может спонтанно перейти в основное состояние за время, обратно пропорциональное числу атомов т с ~ 1A/V.Этот эффект обусловлен наведением корреляций между моментами перехода пространственно разделенных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения.В результате атомы, находящиеся в макроскопически большом объеме, излучают когерентно.Поскольку полная энергия, излучаемая коллективом TV атомов, равна ΝΗω 0 , где ω 0 -частота перехода, то интенсивность излучения 7~ JVUco o /i: c ~ iV 2 .Такое излучение получило название коллективного спонтанного излучения или сверхизлучения (СИ) Дике *).В случае обычного спонтанного *) В зарубежной литературе помимо этого названия испол!:ι ется такж термин «суперфлуоресценция».
1983 г. Август Том 140, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСЕЙX НАУВ МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ .535О ПРИРОДЕ СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В. Л. Гинзбург1. Спонтанное излучение, наряду с поглощением и индуцированным (вынужденным) излучением, принадлежит к числу основных, наиболее элементарных процессов, и с ним приходится иметь дело, особенно в оптике, буквально на каждом шагу.Как найти вероятность или интенсивность •спонтанного излучения, скажем, в случае атома при переходе электрона из какого-либо верхнего состояния в более низкое, хорошо известно: для этого нужно лишь вычислить некоторый матричный элемент, зависящий от волновых функций верхнего и нижнего состояний.Какова, однако, природа спонтанного излучения?Чем оно вызвано, является ли оно квантовым или классическим эффектом?Если читатель знает правильный ответ, который в достаточной мере тривиален, то пусть все же не спешит обвинить автора настоящей заметки в том, что он ломится в широко открытую дверь.Для того чтобы убедиться в существовании ^весьма распространенных недоразумений в вопросе о природе спонтанного излучения, достаточно, вероятно, будет «спросить соседа».Прежде чем решиться написать эту заметку, я и сам произвел такой «опрос», причем -с тем же результатом, о котором недавно сообщалось в литературе 1 .Именно, значительная часть опрошенных считает, что спонтанное излучение представляет собой результат существования нулевых колебаний электромагнитного поля, т. е. является квантовым эффектом.Между тем подобное мнение представляется неверным, поскольку спонтанное излучение света заведомо имеет место в классической теории и, вообще говоря, не может считаться квантовым явлением в большей мере, чем поглощение или индуцированное испускание.Недоразумения, с которыми приходится сталкиваться в вопросе о природе спонтанного излучения, порождены ходом исторического развития квантовой теории в целом и квантовой теории излучения в частности.Несколько конкретнее можно также отметить роль того факта, что в классической и квантовой теории излучения часто применяются разные методы, иначе ставится задача.Поэтому классический характер того или иного результата, получаемого квантовым путем (скажем, методом теории возмущений), может оказаться завуалированным.Вот почему нижеследующие замечания, быть может, представят известный интерес в историческом и методическом отношениях.2. Квантовые представления, особенно понятие о фотонах, пробивали •себе путь с исключительным трудом а > 3 .Достаточно напомнить, что введенная Эйнштейном в 1905 г.4 гипотеза о квантах света, развитая им 5
УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ РЕЛАКСАЦИИ В. Ж. Фаин СОДЕРЖАНИЕ § 1. Введение 641 § 2. Энтропия и информация.Общие теоремы 643 § 3. Квантовые уравнения баланса в Г-пространстве 648 § 4. Вывод классических уравнений баланса в Г-пространстве 653 § 5. Кинетические уравнения в μ-пространстве 654 § 6. Принцип возрастания энтропии 656 § 7. Квантовая теория процессов релаксации 662 § 8. Релаксация из-за взаимодействия с полем излучения 672 § 9. Релаксация поля в реальных резонаторах 678 § 10.Спин-решеточная релаксация.Уравнения Блоха 680 § 11.Релаксация в ферро-и антиферромагнетиках 682 Приложение 684 Цитированная литература 688 § 1. ВВЕДЕНИЕ Переход системы из неравновесного состояния в равновесное -релаксация -сопровождается изменением энтропии.Обычно происходит возрастание энтропии.Это обстоятельство естественным образом связывает два вопроса, указанные в заглавии настоящего обзора.Вопрос об обосновании принципа возрастания энтропии имеет довольно большую историю.Можно, например, сослаться на подробный обзор тер-Хаара 1 .Однако уже после опубликования этого обзора вышел в свет ряд оригинальных работ, посвященных теории релаксационных процессов.Ниже будет дан более или менее подробный анализ этих работ.Сейчас отметим лишь, что в этих работах производится вывод уравнений, описывающих необратимые релаксационные процессы, нз динамических уравнений.К этим работам относятся работы Ван-Хова а ~4, серия работ Пригожина с сотрудниками s • в (см.также сборник докладов 7 ).Сюда же следует отнести более раннюю, но не отраженную в г работу Боголюбова 8 и ряд других работ (см.ниже).Анализ предположений, лежащих в основе вывода уравнений, описывающих релаксацию, даст возможность установить границы применимости принципа возрастания энтропии.Это и является одной из целей настоящего обзора.Другая цель состоит в изложении ряда конкретных приложений квантовой теории процессов релаксации.В ряде мест обзора мы имеем дело с замкнутой системой.Мы предполагаем, что такая идеализация всегда возможна, т
АТОМ В ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРА Н. Б. Делоне, В. А. Коварский, А. В. Масалов, Η. Ф. Перельман СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 617 2. Основные свойства многочастотного лазерного излучения 619 3. Степенные процессы в немонохроматическом поле 623 4. Возмущение атомного спектра в немонохроматическом поле 627 а) Резонансное возмущение атомных уровней (628).б) Нерезонансное возмущение атомных уровней (631). 5. Многофотонное возбуждение атомов 633 6. Нелинейная ионизация атомов 634 а) Прямой процесс многофотонной ионизации атомов (635).б) Туннельный эффект в переменном поле (638).в) Резонансный процесс ионизации атома (640).1. Резонансная ионизация излучением с узким спектром (644).2. Резонансная ионизация излучением с широким спектром (647).7. Заключение 649 Цитированная литература 651 1. ВВЕДЕНИЕ
РАССЕЯНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ КВАНТОВОЙ СИСТЕМОЙ В СИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЕ *) Я. Б. Зельдович СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 139 2. Эволюция системы 141 3. Излучение собственных состояний 3ϋ (г) 143 4. Двухуровневая система 145 5. Спонтанные переходы 147 6. Квазиэнергия и линейный штарк-эффект 147 7. Численные оценки 149 8. Заключительные замечания 149 'Список обозначений 150 Цитированная литература 151 1. ВВЕДЕНИЕВзаимодействие сильной монохроматической электромагнитной волны с квантовомеханической системой (атомом, молекулой) представляет особый интерес в связи с развитием мазеров и лазеров.Когерентное рассеяние монохроматической волны, зависимость сечения рассеяния и показателя преломления от амплитуды, когерентная тенерация гармоник, некогерентное излучение на собственных частотах атома, изменение этих частот под.влиянием волны -вот краткий неполный перечень возникающих вопросов.Эти эффекты рассмотрены в целом ряде работ, из которых назовем наиболее интересные 1 , в которых приведены также ссылки на предыдущие работы.При этом использовались различные методы: теория возмущений (с зависящим от времени потенциалом), матрица плотности (с учетом диссипации) и другие.В последнее время подробный и строгий обзор нестационарной теории возмущений дан Лангхоффом и др.2 .Вопросы излучения возмущенных состояний в обзоре 2 не рассматриваются.Однако наиболее последовательным, систематическим и в то же время простым методом является использование квазиэнергии и квазиэнергетических состояний (ниже кратко -КЭС).Поэтому в качестве методического усовершенствования, не претендуя на новые результаты, изложим метод квазиэнергии.В этом методе влияние классической электромагнитной волны на атом учитывается точно (по крайней мере в принципе), а спонтанное излучение -как малое диссипативное возмущение.Такой метод в точности эквивалентен стандартной теории свободного атома,