Способ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 807 бб 50 1 Н.Н 01 8 3 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ч сов 8 4 2,6 де К - волновое числ- полуширина ре перехода част0зонансно ицпотоковНО ПОГЛО причем частоты световыхнаправляемых на резонанщающую среду, выбирают авными ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЪТИИ(71) Ордена Трудового КрасногоЗнамени институт физики АН БССР(56) 1, Бонч-Бруевич А.М. и др.Исследование изменения спектра поглощения и дисперсии двухуровневой системы во вращающемся монохроматическом поле излучения ЖЭТФ1974, 67, 2069.2. Винецкий В.Л., Кухтарев Н.В.Эффект нестационарного преобразования энергии когерентных световыхпучков в разонансной среде, Квантовая электроника 1978, 5, 857,3. Патент США У 3745476,кл. Н 01 8 3/10 опублик. 1973.(54)(57) СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ВРЕЗОНАНСНО-ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ путемнаправления на резонансно-поглощающую среду относительно сильного ислабого световых потоков с последующей регистрацией слабого потока,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения диапазона длительностей световых потоков, используемых для усиления, направляют пучбкчастиц, используемый в качестверезонансно -поглощающей среды, перпендикулярйь направлению сильногосветового потока со средней скоростью Ч движения частиц в пучке, связанной с углом между слабымсветовым потоком и направлениемпучка О соотношениемго излучения достигается только на смещенной частоте, т.е. когда частоты взаимодействующих потокОв раз" личны (м)1 с о . В вырожденном случае (ы =и усиление слабого потока отсутствует и наблюдается его ослабление. Недостатком данного способа является то, что он применим для усиления слабых потоков только на смещенной частоте по отношению к частоте сильного потока (т.е. при Цо 1 Ще)20 25 30 Известен также способ нестационарного усиления слабого излучения в резонансно-поглощающей среде при вырожденном (0 ывзаимодействии 2.35 В существенно нестационарных условиях взаимодействия фазовая модуляция световых потоков, первоначально имеющих одинаковые частоты, приводит к различному смещениючастот вследствие чего возникает мгновенная частотная расстройка и соответственно возникает усиление слабого излучения. В данном случае усиление слабого потока реализу ется только в области времен сравнимых с временем релаксации Р населенностей резонансных уровнейчастиц среды. Недостатком этого способа является то, что усилие слабого излучения реализуется лишь в области переходных процессовт,е, в области времен 1 (.7 Р ) и соответственно в области 17 усиРление отсутствует. Таким образом, 55 данный способ пригоден для усиления слабого излучения на несмещенной частоте только в узком интерва 40 50 Иэобретение относится к области кпантовой электроники и может быть использовано для усиления слабых оптических сигналов, для коррекции . волновых фронтов и усиления опти ческих изображений в голографии и для лазерной активной спектроскопии,Известен способ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде 11, основанный на нелинейном взаимодей ствии световых потоков с различными частотами 1 ыо и ц . Различающиеся по частоте сильный 1 (ю,) ио слабый ТСас 1 световые потоки поД некоторым углом друг к другу направ ляются на резонансно-поглощающую среду и на выходе из нее регистрируется интенсивностьслабого потоСка. В данном способе усиление слаболе длительностей потоков, а именнодля импульсных потоков с длительностью в , меньшей времени релаквсации Г населенностей резонансныхуровней частиц среды.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению являетсяспособ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде 3 3, путемнаправления на реэонансно-поглощающую среду относительно сильного и слабого световых потоковс последующей регистрацией слабогопотока. При малом угле между направлениями распространения падающих на среду потоков вследствиеих параметрической связи, обусловленной четырехфотонным параметрическим рассеянием, происходитвозбуждение дополнительного (дифракционного) слабого потока, Примощности сильного потока, превышающей пороговое значение, происходит усиление слабых потоков,как падающего на среду, (сигнального)так и дифракционного, В случае,когда угол между дотоками значительно превосходит угол фазовогосинхронизма для четырехфотонногопараметрического рассеяния, дифракционный поток не возбуждается и соответственно в среде распространяются два потока 1 О и 1 сВ этих условиях зарегистрированоусиление слабого потока. Усилениенаблюдается как на смещеннойчастоте (Фо Фщс), так и в случаевырожденного взаимодействияПри доЮсусиление обусловлено нестационарными переходными процессами.Недостатком этого способа в случаевырожденного взаимодействия является мальй диапазон длительностей(СТР световых потоков, используемых для усиления. Это обусловлено тем, что в области большихдлительностей 7 Русиление слабого излучения оказывается возможным только на смещенной частоте,а соответственно при ш ц наблюдается ослабление слабого потока,Целью изобретения является расширение диапазона длительности световых потоков, используемых для усиления, что даст возможность усиливать слабые оптические сигналь нд несмещенной частоте практически при любой длительности вэаимоГ ( 2 К,Ч сои Е с ,66,20 25 30 Ы"- + - +С у 3 766 действующих потоков (в том числе ив случае стационарного взаимодействия).Для достижения цели в способе усиления излучения в резонансно поглощающей среде путем направления на резонансно-поглощающую среду относительно сильного и слабого свето" вых потоков с последующей регистрацией слабого потока направляют 10 пучок частиц, исследуемых в качестве резонансно-поглощающей среды, перпендикулярно направлению сильного светового потока со средней скоростью движения частиц в пучке Ч , свя занной с углом между слабым световым потоком и направлением пучка О соотношением где К - волновое число;у - полуширина резонансногоперехода частицпричем частоты световых потоков,направляемых на резонансно-поглощающую среду, выбирают равными.Пример конкретной реализацииспособа,Описываемый способ основан надопплеровском сдвиге. частот световых потоков, взаимодействующих ватомном (молекулярном) пучке резонансно-поглощающих частиц. Способприменим для пучка частиц (атомовили молекул) имеющих разрешенныйпереход с частотой и 2, лежащей вокрестности частоты Ф взаимогдействующих световых потокови Хс существенно различающимися интенсивностями (10 Э 1 С).5 О 4вектор К сильного потока перпендикулярен вектору скоростичастиц пучка, то для сильного потока 1 эффект Допплера исключается и независимо от величины скорости движения все частицы пучка будут одинаково эффективно с ним взаимодействовать. Для слабого потока 1 с допплеровское смещение частоты будет равно КЧсоэ 6. Используя в качестве источника световых потоков лазер с перестраиваемой частотой, выполним условие точного резонанса о =ц 2.1(В этом случае стационарный коэффициент поглощения (усиления) р слабого излучения имеет вид+2 Ус= о1+,12 2 +оС 1, - "ЯЕ (7 ЕГ , 2 К 2, Ю где М - плотность частиц пучка в области взаимодействия потоков 1И, Р - дипольный момент и вероятность спонтанных переходов в резонансном каналечастиц (причем д = 2 1),Ы - параметр насыщения резонансной линии;1.=уК Чсоэ 9; Ч=Ч(1,33 - наиболее вероятнаяскорость частиц в камере при температуре Т, Г(а 2) - неполнаягамма-функция,од 50 Источником пучка частиц. служит камера 1 с газом при низком давлении, имеющая небольшое отверстие. Его размеры и давление (Т - температура) в камере подобраны таким образом, что имеет место процесс эффузии частиц газа. Сильный поток излучения 1 падает . перпендикулярно/направлению пучка частиц, а слабый встречный поток 1 с - п углом 9 к нему (см. фиг. 1). В этом случае вследствие большого фазового рассогласования для четырехфотонных параметрических процессов реализуется двухволновое нелинейное взаимодействие световых потоков с равными частотами в резонансно поглощающей среде. Так как волновой 1Э У уИз формулы (1) следует, что при мощности сильного потока, превышающей пороговое значение, второе слагаемое отрицательно и по абсолютной величине превосходит первое, т.е. поглощение слабого излучения сменяется на усиление. Это усиление обусловлено вынужденным комбинационным рассеянием мощного светового потока 1 на подуровнях резонансных частиц, находящихся в мощном световом поле. Процессы комбинационного типа приводят к усилению слабого излучения толь766501 Щи Я Составитель Е, Артамоноваактор Л, Утехина Техред Ж,Кастелевич Корректо р 7025/2 Тираж 637ВНИИПИ Государственного компо .делам изобретений и от 13035, Москва, Ж, Раушская а исн а СС ыти 5 наб илпач ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная.,ко на смещенной частоте. В данном случае смещение частот взаимодействующих потоков обусловлено доп плеровским сдвигом частоты слабого излучения вследствие направленного движения частиц в пучке. По формуле (1) подбором угла О при заданной температуре Т газа в камере легко определить оптимальные условия перекачки энергии от сильного потока к слабому.На фиг. 2 приведена зависимость нормированного коэффициента усиления слабого излучения=:р /8 ГК,Н( /1 у) от величины 1/г 1К Ч сов 8 для различных значений мощности сильного потока: (1) - с(2, (2) - Ы 1= 3, (3) - ь 1 с = 5,При взаимодействии световыхпотоков 1 и 1 с в пучке атомов калия(частота излучения ы резонанснапереходу 4 5 - 4 Р з 2, 1 =10эрг,см, д = 2= 10 сек.М= .10 см зи к,= 2), при диаметре пучка Э = 0,2 см усилениеслабого излучения составляет ве О личину 102,Использование заявляемого способа усиления излучения в. резонанснопоглощающей среде даст воэможностьэффективной перекачки энергии отсильного потока к слабому. Эффект пе.рекачки энергии от одного потока кдругому может найти применение в динамической голографии и активнойспектроскопии.