Модовое сверхизлучение в открытых резонаторах и экстремальные режимы генерации электромагнитных полей ансамблями квантовых и классических осцилляторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Кочаровский, Владимир Владиленович

• Кочаровский, Владимир Владиленович
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Кочаровский, Владимир Владиленович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И

1. Особенности самовозбуждения горячих поляритонных мод и модовое сверхизлучение в низкодобротном резонаторе

2. Нелинейная динамика сверхизлучения и эффекты пространственной неоднородности поля и инверсии двухуровневой среды в протяженном образце

3. Поляритонный механизм конденсации спектра генерации широкополосного лазера вблизи линии поглощения

4. Абсолютная неустойчивость длинноволновых возбуждений и оптическая нутация в условиях плазменно-дипольного резонанса

5. Генерация встречных разночастотных импульсов вытянутым образцом двухуровневой среды, движущимся в условиях аномального эффекта Доплера

6. Циклотронное сверхизлучение электронов в магнитной ловушке. Одномодовая генерация и "эстафета мод"

7. Взрывное усиление электромагнитного поля в замагничен-ном потоке ускоренных электронов-осцилляторов

8. Модовое сверхизлучение в открытом образце полупроводника, помещенном в квантующее магнитное поле

9. Сверхизлучение при постоянной накачке и генерация фемтосекундных импульсов в полупроводниковых Лазерах с квантовыми ямами и точками лючение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модовое сверхизлучение в открытых резонаторах и экстремальные режимы генерации электромагнитных полей ансамблями квантовых и классических осцилляторов»

Введение, актуальность темы диссертации

Эффект сверхизлучения (СИ), т.е. коллективного спонтанного излучения, возникающего в плотных ансамблях предварительно инвертированных молекул, хорошо известен в квантовой электронике и оптике [*1-*6], [1-6], а после работ [*6-*11], [3-11] он представляется неотъемлемым элементом и общей электродинамики сплошных активных сред. Однако надежды на его использование в качестве основы новых мощных источников ультракоротких импульсов пока не оправданы, как из-за технических трудностей его практической реализации, так и вследствие отсутствия детального теоретического анализа оптимальных схем и предельных возможностей СИ в различных физических ситуациях.

В этом отношении особый интерес предствляет генерация так называемых "горячих" мод в низкодобротных резонаторах, заполненных активной средой, удовлетворяющей условиям СИ, и обеспечивающих вполне свободный выход импульсов излучения. Последовательное изучение такого модового СИ на линейной стадии было начато в работе [1] для инвертированной двухуровневой среды на примере цилиндрического и сферического образцов, а затем продолжено на нелинейную стадию и для других активных сред, в том числе частично ионизованного инвертированного газа в условиях плазменно-дипольного резонанса, ансамбля циклотронных осцилляторов в замагниченном электронном пучке и системы вырожденных электрон-дырочных пар в полупроводнике. Обзор соответствующих работ, составляющих -основу настоящей диссертации и, в частности, учитывающих распространение, перепоглощение и отражение излучения в распределенных образцах, дан в [3,4,6,12,13]. Следует отметить, что интерес к роли отражений и формированию сфазированных встречных волн в процессе СИ возник давно [*2,*12-*17] и в 80-е годы усилился начавшимися экспериментами по коллективному спонтанному излучению в резонаторах и волноводах [*2,*15-*19], а также в примесных кристаллах [*20-*23]. Впрочем, в то время он имел фрагментарный, оценочный характер, и только в последние годы отношение к явлению модового СИ стало серьезным, а его теория активно развивается [*3-*5,*24-*28].

В соответствии с традициями нижегородской радиофизической школы в диссертацию включены также (а) сравнительный анализ колебательно-волновых особенностей процессов, сопровождающих СИ в различных физических системах, (б) качественное описание характерных аналогий между рассматриваемыми когерентными явлениями типа СИ в разных средах и (в) количественные оценки ожидаемых параметров импульсного излучения в некоторых перспективных схемах генерации. Согласно проведенным исследованиям, практические возможности осуществления модового СИ выглядят весьма оптимистическими и во всяком случае далеко не исчерпанными имеющимися экспериментами [*15-*23,*'29-*32]. На первое место по простоте, доступности и прикладному значению следует поставить возможность создания сверхизлу чающего фемтосекундного полупроводникового лазера на гетероструктурах с квантовыми ямами или слоями квантовых точек [10, 14-18]. Вместе с тем, циклотронное СИ в "сверхсветовом" пучке электронов, движущихся вдоль магнитного поля в замедляющей электродинамической системе, служит первым, простейшим классическим аналогом СИ Дике и показывает возможность переноса методов с.верхизлучательной генерации из квантовой электроники в классическую [2-4,7,13]. Все изложенное вместе с рядом новых явлений, имеющих непос/Средственное отношение к коллективным эффектам генерации и предсказанных в диссертации, говорит о ее актуальности.

С точки зрения стандартной квантовой электроники и физики лазеров явление модового СИ отвечает уникальному случаю лазеров класса Б [6] (согласно [*33], добавление класса О к известным классам А,В и С [*34] естественно из соображений полноты классификации). Режим работы традиционных лазеров класса А и В является слабо когерентным из-за сильной релаксации поляризации активной среды, превышающей релаксацию поля в резонаторе, и подчиняется балансным (скоростным) уравнениям, в которых только электромагнитное поле и - для класса В - населенности энергетических уровней обладают собственной пространственно-временной динамикой. К классу В относятся, например, полупроводниковые лазеры [*35-*37]. В более редких лазерах класса С, в основном молекулярных, газовых с высокой степенью инверсии, когерентная динамика поляризации выражена ярче,, так как время релаксации последней Т\ порядка времени затухания поля Те, - и для описания их работы необходимо использовать полную систему уравнений Максвелла - Блоха [*1,*33,*34,*38-*40]. Однако только в лазерах класса Б, где релаксация поляризации Т^1 (и разности населенностей рабочего перехода активной среды Т^1) мала по сравнению с релаксацией поля Т^1, сверхизлучательные явления играют ведущую роль и достижимо оптимальное согласование когерентной динамики среды с предельно быстрым выводом излучения из резонатора.

Именно в лазерах класса О, которые фактически работают далеко за порогом возбуждения и не могут быть квазистационарными, следует ожидать экстремальных режимов генерации, ведущих - в зависимости от накачки - к излучению как отдельных импульсов СИ, так и квазихаотических или квазипериодических цугов таких импульсов [3-6, 10, 12, 13, 16, 18, 19]. Здесь, в отличие от лазеров класса А и В, действие накачки имеет более сложный, интегральный характер и математическое описание генерации не сводится к простым устойчивым предельным циклам, а в значительной степени определяется неустойчивыми траекториями. Дело в том, что при коллективном спонтанном излучении каждого последующего импульса велика роль неконтролируемых возмущений и когерентных флуктуаций поля и поляризации, оставляемых предшествующим импульсом и экспоненциально усиливаемых в условиях слабой релаксации среды.

Несмотря на то что в очерченном круге задач остается еще немало интересных вопросов, результаты, полученные автором в данном цикле теоретических исследований [1-50] и представленные в диссертации, свидетельствуют о становлении нового научного направления - физики модового СИ и экстремальных режимов импульсной генерации в лазерах класса О. При этом в диссертации акцент сделан на физических аспектах явления СИ и связанных с ним когерентных процессов, а прикладная сторона проблемы и детальное сравнение с известными режимами экстремальных пульсаций в лазерах класса А, В и С [*33-*40] опущены.

Цели диссертационной работы: выяснение физических особенностей и последовательный анализ явления модового СИ в низкодобротных резонаторах, установление оптимальных условий и предельных возможностей сверхизлучательной генерации соответствующих лазеров класса Э, использующих различные ансамбли квантовых и классических осцилляторов, а также исследование свойств ряда когерентных явлений, по своей природе близких к СИ в этих ансамблях.

Научная новизна работы

Предсказаны, основные свойства коллективного спонтанного излучения ансамблей осцилляторов в открытых резонаторах и установлены преимущества генерации импульсов за счет соответствующего модового СИ по сравнению с однонаправленным.

Показано, что именно в рассматриваемых лазерах класса Б генерируемые импульсы становятся предельно короткими (и мощными) в том смысле, что их длительность определяется исключительно геометрическими размерами резонатора И внутренними динамическими свойствами среды - когерентным взаимо-т, действием осцилляторов посредством самосогласованного поля.

В различных физйческих условиях^! для различных ансамблей осцилляторов впервые проведены количественные оценки параметров модового СИ и построена его нелинейная теория. Наиболее детально динамика СИ (одноимпульсного и осцилляторного) исследована для цилиндрических образцов в низкодобротных резонаторах Фабри-Перо. Найдены также структура и спектр неустойчивых поляритбнных мод, функция Грина и профиль импульса СИ в кольцевом лазере класса О с обратной связью.

При изучении когерентных явлений и экстремальных режимов генерации, подобных СИ Дике, предсказаны, в частности, из-лучательный (диссипативный) механизм неустойчивости полярй-тонных мод в открытом резонаторе, одновременное высвечивание импульсов СИ, запускаемого квантовыми шумами, из противоположных торцов цилиндрического образца благодаря малым отражениям (превышающим определенную критическую величину и возможным даже на скачке показателя преломления самой активной среды), аномальное возрастание СИ и сверхизлучатель-ного комбинационного рассеяния света вследствие смены некогерентного процесса суперлюминесценции когерентной генерацией поляритонных мод, параметрическая неустойчивость спаренных поляритонных мод и поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера вблизи узкой линии поглощения, параметрическая самосинхронизация электромагнитных мод в длинном волоконном лазере, эффективная безрезонаторная генерация длинноволновых возбуждений поля и поляризации в условиях плазменно-дипольного резонанса, поочередная генерация встречных импульсов СИ на нормальном и аномальном эффектах Доплера в движущемся образце двухуровневой среды, циклотронное СИ в прямолинейном потоке электронов, движущихся со "сверхсветовой" скоростью вдоль магнитного поля, эффект взрывного усиления электромагнитного поля в замагниченном пучке ускоренных электронов-осцилляторов, СИ мод однородного образца прямозонного полупроводника при кооперативной рекомбинации квантованных электронов и дырок с основного уровня Ландау, сверхизлучательная генерация фемтосекундных импульсов в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами и квантовыми точками, возможность естественной генерации импульсов модо-вого СИ в лазерах класса В с постоянной накачкой.

Проведенный теоретический ¡анализ преимуществ использования низкодобротных резонаторов для сверхизлучательной генерации мощных ультракоротких импульсов представляется актуальным потому, в частности, что соответствующие систематические экспериментальные исследования во многом только начинаются. Особого внимания они заслуживают в рентгеновском диапазоне, где создание высокодобротных резонаторов и получение обычной лазерной генерации практически не реально.

Научное и практическое значение работы

Научное значение полученных результатов с общефизической точки зрения определяется плодотворным совмещением представлений электродинамики сплошных активных сред, с одной стороны, и методов физики лазеров и мазеров, с другой стороны, при разработке нового перспективного направления квантовой электроники - динамики импульсных лазеров класса Б и когерентной нелинейной электродинамики коллективных эффектов, аналогичных или связанных с СИ Дике. Первые, предварительные эксперименты, касающиеся модового СИ, ставились еще в 80-х годах [*15-*23], и предлагаемая теория в значительной мере объясняет их. Согласно ей, переход к сверхизлучательному режиму работы, характерному для лазеров класса Б, укорачивает длительность и увеличивает мощность импульсов при одновременной миниатюризации самих генераторов. Грубо говоря, введение даже плохих зеркал в условиях большого коэффициента усиления при сохранении максимальной когерентности поля и поляризации в среде эффективно удлиняет образец, значительно ослабляя требования к размерам активной среды и мощности накачки.

Найденные оптимальные коэффициент отражения зеркал и длина резонатора, отвечающие границе между одноимпульсным и осцилляторным режимами, указывают путь к достижению предельной эффективности СИ и получению импульсов наибольшей интенсивности и наименьшей длительности. Для практических приложений важно, что импульсная генерация, аналогичная мо-довому СИ, возникает и при непрерывной накачке. Это продемонстрировано на примере существования незатухающих разрывных колебаний в конкретной модели низкодобротного полупроводникового лазера с квантовыми ямами (принципиальная возможность подобных колебаний в физике лазеров обсуждается давно [*39,*40]). С точки зрения спектрального анализа получаемых импульсов существенно также, что сильное спектральное перекрытие и различие инкрементов мод, генерируемых в открытом образце, в значительной степени подавляет их биения и соответствующие осцилляции многомодового СИ в лазерах класса О (в согласии с экспериментами [*17,*19,*29]).

Важным обстоятельством при построении реальных схем мо-дового СИ является то, что его основной импульс при старте с квантовых флуктуаций по существу обусловлен генерацией одной, наиболее неустойчивой моды. Для интерпретации экспериментальных данных особую ценность представляют установленная последовательность смены режимов СИ при увеличении отражений на торцах открытого образца и выявленные особенности конкуренции однонаправленного и модового СИ. Переход к более плотным образцам, желательный для достижения СИ с большей мощностью, и соответствующее неизбежное увеличение разброса собственных частот осцилляторов, препятствующее СИ, например, при попытках его реализации в полупроводниковых лазерах [*32], делает актуальной высказанную в диссертации идею о возможности ограниченного СИ отдельных (изолированных) мод и обусловленной им спектрально-временной корреляции генерируемых встречных импульсов для открытых образцов двухуровневой среды с доминирующим неоднородным уширением, исключающим однонаправленное СИ. Наконец, тенденция к миниатюризации сверхизлучательных генераторов подчеркивает значимость сформулированных условий на прозрачность зеркал и длину резонатора лазера класса В, позволяющих использовать переотражение встречных волн на самосогласованных нелинейных неодно-родностях показателя преломления активных осцилляторов внутри образца и на его границах. Найденный интегральный коэффициент брэгговской связи встречных волн на образуемый ими А/2-решетке инверсии показывает, что для типичных проведенных экспериментов по СИ в протяженных образцах она не может обеспечить эффективную синхронизацию встречных импульсов.

Обнаруженный поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера класса А вблизи линии поглощения, сопровождающийся параметрической неустойчивостью и захватом частоты биений спаренных поляритонных мод, позволяет дать интерпретацию основным закономерностям эффекта конденсации и указывает способы его оптимального использования в схемах вну-трирезонаторной лазерной спектроскопии. Практически важным представляется и обоснование эффективности параметрической самосинхронизации электромагнитных мод в волоконном лазере класса В, позволяющей управлять спектром его излучения.

Наличие подходящей "внешней" среды, замедляющей распространение и уход неустойчивых волн из ансамбля активных осцилляторов, облегчает достижение генерации сверхизлучатель-ного типа. Так, в диссертации показано, что в инвертированном частично ионизованном газе или в активированных примесных полупроводниках и металлах при условии плазменно-дипольного резонанса с несвязанными электронами возможна абсолютная диссипативная неустойчивость и эффективная генерация нерас-пространяющихся оптических полей с большими длинами волн (на частотах вблизи границы области прозрачности электронной плазмы). Этот процесс может найти применение в плазменной химии и когерентной спектроскопии молекулярной плазмы.

Предсказанный коллективный аномальный эффект Доплера в распределенных ансамблях квантовых и классических осцилляторов, движущихся, скажем, в замедляющей электродинамической системе, может быть использован для генерации мощных ультракоротких импульсов в релятивистской электронике, а при специально подобранной длине замедляющей системы - для чрезвычайно быстрого создания инверсной заселенности энергетических уровней осцилляторов за счет энергии их поступательного движения. Предложенный механизм взрывного усиления электромагнитного поля в нестационарном потоке электронов-осцилляторов, например, движущихся в неоднородном магнитном поле или ускоряемых внешней силой, может оказаться полезным для электроники и физики замагниченных пучков, а также в плазменной астрофизике быстропеременных магнитосферных процессов.

Предсказанное модовое СИ из полупроводникового образца

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННА? БИБЛИОТЕКА в квантующем магнитном поле или из гетероструктур с квантовыми ямами может служить непосредственным методом генерации фемтосекундных оптических импульсов. Этот метод представляется особенно перспективным при использовании непрерывной инжекционной накачки, которая, согласно полученным результатам, даже при комнатной температуре может обеспечивать сверхизлучательную генерацию квазипериодической последовательности импульсов большой мощности (^ 1 Вт). Более того, имея в виду проведенный анализ кооперативной излучательной рекомбинации свободных носителей на прямых межзонных переходах в непрямозонных полупроводниках типа Ge, можно рассчитывать на создание совершенно новых источников импульсного когерентного излучения, построенных на материалах, в которых обычная лазерная генерация до сих пор не была получена. Таким образом, именно в полупроводниковой квантовой электронике следует ожидать первого практического применения модового СИ и последующего внедрения лазеров класса D с целью разработки доступных фемтосекундных генераторов света.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Институте физики микроструктур РАН, Нижегородском государственном университете, в ФЙАНе на Общемосковском семинаре по теоретической физике академика В. J1. Гинзбурга, на научных сессиях РАН, в Ленинградском государственном педагогическом институте, Казанском физико-техническом институте Казанского филиала РАН, Свободном Брюссельском университете, Брин-Мор колледже (США), Техасском университете в Остине, a, также были представлены в 22 докладах на всесоюзных, российских и международных конференциях: всесоюзном симпозиуме по световому эхо и когерентной спектроскопии (Харьков, 1985), International Conference on Plasma Physics (Киев, 1987), заседании секции "Лазерные люминофоры" Научного совета АН по люминесценции (Звенигород, 1987), международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988; С.-Петербург, 1991, 1995), всесоюзной школе по нелинейным волнам (Н.Новгород, 1989, 1991), European School on Plasma Physics (Tbilisi, 1990), European Quantum Electronics Conference and the Tenth U.K. Quantum Electronics Conference (Edinburg,

1991), International Quantum Electronics Conference (Vienna,

1992), European Quantum Electronics Conference (Amsterdam, 1994 ), International Conference on Infrared Physics: Topical Conf. on Infrared Lasers (Ascona, Switzerland, 1994), International Symposium on Spectral Effects in Collective Phenomena (Rochester, 1995), Joint Symposium of ICONO'95 and Laser Optics'95 on Atomic Coherence (С.-Петербург, 1995), International Conference on Laser Physics (Moscow-Yaroslavl-Moscow, 1995), International Conference on Nonlinear Dynamics, Chaotic and Complex Systems (Zakopane, 1995), International Conference on Atomic Physics (Amsterdam, 1996), General Conference of the European Physical Society (Sevilla, Spain, 1996), Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997), International Conference on Photon Echo and Coherent Spectroscopy (Йошкар-Ола, 1997), Всероссийском совещании "Наноструктуры на основе Si и Ge" (Н. Новгород, 1998).

Цубликации

По теме диссертации автором опубликовано 50 работ. Из них 29 статей и 5 обзоров в ведущих отечественных и зарубежных жз'рналах, Г2 тезисов докладов на международных, всесоюзных и российских конференциях, а также 4 препринта ИПФ РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из 9 разделов и Заключения.

В первых двух разделах изложены основы динамики мо-дового СЭД в лазере класса D для случая двухуровневой среды, причем особое внимание обращено на условия и характер одно-модового СИ и на описание нелинейной стадии многомодового СИ. В следующих трех разделах рассмотрены коллективные эффекты в более сложных физических ситуациях, включающих наряду с идеализированной двухуровневой средой либо еще одну активную двухуровневую среду с большим неоднородным уширением линии (третий раздел - явление конденсации спектра генерации мод лазера), либо столкновительную электронную плазму (четвертый раздел - явление безрезонаторной генерации сверхиз-лучательного типа в условиях плазменно-дипольного резонанса), либо замедляющую электродинамическую систему или диэлектрик (пятый раздел - явление самовозобновляющегося СИ Дике в протяженном "сверхсветовом" сгустке молекул).

Шестой и седьмой разделы посвящены двум специальным задачам о кооперативном поведении циклотронных осцилляторов - для ансамбля невозбужденных электронов в магнитной ловушке в условиях аномального эффекта Доплера (явление дикротрон-ного СИ как классический аналог СИ Дике) и для потока когерентных электронов-осцилляторов, ускоряемых вдоль магнитного поля (явление взрывного усиления электромагнитного поля в нестационарной нормальной волне). В последних двух разделах развита теория модового СИ при оптической рекомбинации вырожденных электрон-дырочных пар в полупроводниковых лазерах класса С и Э, а именно, проведен анализ возможности кооперативной рекомбинации для однородного образца в квантующем магнитном поле и детально обоснована реальность создания фем-тосекундного сверхизлучаюшего лазера на нанометровых гетеро-структурах с квантовыми ямами или слоями квантовых точек. Для фемтосекундного полупроводникового лазера доказывается также существование импульсного СИ при постоянной накачке, важное из прикладных соображений.

В Заключении приведены основные результаты диссертации. В конце дан список цитированной литературы, а также отдельно список работ по теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Кочаровский, Владимир Владиленович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ $

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. Установлено существование и развита теория модового сверхизлучения (СИ) в импульсных лазерах класса О с низкодобротными резонаторами Фабри-Перо. Указаны основные режимы, физические особенности и оптимальные условия их работы.

1.1. Рассчитаны спектры и инкременты экспоненциально неоднородных поляритонных мод двухуровневой среды в одномерном резонаторе и трехмерном шаре. Доказано, что эти моды ответственны за сверхизлуча.тельное снятие инверсии среды.

1.2. Найдены параметры и благоприятные условия реализации биений сверхизлучательных мод. Дано описание двухмодо-вого СИ и изучен оспилляторный режим, связанный с самосогласованными биениями электромагнитных и поляритонных мод.

1.3. Построена нелинейная теория модового СИ, опирающаяся на выведенное уравнение затухающего маятника с новым эффективным потенциалом, который охватывает резонаторы произвольной добротности и не ограничен моделью среднего поля. С использованием полученных аналитических решений этого уравнения исследованы интенсивность и длительность генерируемых импульсов, движение фронта разгрузки инверсии активной среды и смена характера СИ с ростом коэффициента отражения зеркал.

1.4. Предсказаны свойства синхронного (одномодового) СИ импульсов из противоположных торцов открытого цилиндриче-. ского образца и вычислен критический коэффициент отражения торцов, гарантирующий эту синхронизацию несмотря на статистическую независимость исходных (квантовых) флуктуаций встречных волн. Выявлены возможность и необходимые условия безрезонаторного модового СИ, формирующегося благодаря отражениям на скачке показателя преломления активной среды и позволяющего объяснить корреляцию встречных импульсов коллективного спонтанного излучения в достаточно коротких образцах.

1.5. Показано, что даже малые отражения на торцах инвертированного образца могут приводить к аномальному возрастанию интенсивности спонтанного излучения и кооперативного комбинационного рассеяния света за счет резкого перехода от суперлюминесценции волн непрерывного спектра к излучательной неустойчивости поляритонных мод с дискретным спектром при увеличении мощности накачки.

1.6. Обосновано существование квазипериодической генерации импульсов модового СИ при непрерывной накачке лазера класса [) как с однородным, так и с неоднородным уширением рабочего перехода.

2. Изучены горячие моды и сверхизлучательная динамика кольцевого лазера класса О с обратной связью, являющегося импульсным лазером экспоненциально неоднородной бегущей волны поляризации. Найдены условия реализации и характеристики его одноимпульсного и осцилляторного СИ при сильной и слабой обратной связи.

3. Предложен поляритонный механизм конденсации спектра генерации широкополосного лазера вблизи узкой линии поглощения, включающий возможность квазистационарных нелинейных биений и параметрической самосинхронизации спаренных поляритонных мод.

4. На основе проведенного исследования нелинейной динамики абсолютной неустойчивости длинноволновых возбуждений в инвертированной молекулярно-плазменной среде обнаружен эффективный способ коллективной безрезонаторной генерации сильных нераспространяющихся оптических полей. Он реализуется в условиях плазменно-дипольного резонанса и одновременно позволяет осуществить сверхбыстрое когерентное преобразование внутренней энергии молекул в колебания и нагрев свободных электронов.

5. Предсказано явление самовозобновляющейся сверхизлуча-тельной генерации встречных разночастотных импульсов вытянутым "сверхсветовым" образцом плотной двухуровневой среды в отсутствие всякой накачки.

6. Найден классический аналог СИ Дике - циклотронное СИ невозбужденных электронов-осцилляторов, движущихся в магнитной ловушке в условиях аномального эффекта Доплера. Получены нелинейные решения, описывающие генерацию соответствующего циклотронного мазера класса D в импульсном одно-модовом режиме и в квазистационарном режиме "эстафеты мод".

7. Доказана возможность эффективного взрывного усиления электромагнитного поля в ускоренном замагниченном потоке когерентных электронов-осцилляторов, обеспечиваемого квазиадиабатической подстройкой гирочастоты к парциальной частоте усиливаемой электромагнитной волны. Указаны оптимальные условия, при выполнении которых около половины колебательной энергии электронов исходной циклотронной волны может перейти в энергию электромагнитного поля за предельно короткое время порядка нескольких периодов плазменных колебаний.

8. Предсказан эффект модового СИ при кооперативной из-лучательной рекомбинации электронов и дырок в коротком однородном образце, помещенном в квантующее магнитное поле, и в низкодобротных многослойных гетероструктурах с квантовыми ямами или слоями квантовых точек. Для прямозонных полупроводников на примере GaAs-структур разработаны основы количественной теории фемтосекундных полупроводниковых; лазеров класса D на квантовых ямах с квазинепрерывной инжекционной или оптической накачкой. Для непрямозонных полупроводников на примере GeSi-структур предложено использовать сверхизлу-чательную оптическую рекомбинацию на прямых электронных переходах из Г-долины с целью получения когерентных субпико-секундных импульсов, недостижимого в обычных лазерных схемах квазистационарной индуцированной генерации.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Кочаровский, Владимир Владиленович, 1998 год

1. Benedict M.G., Ermolaev A.M., Malyshev V.A., Sokolov I.V.,

2. Trifonov E.D. Superradiance multiatomic coherent emission.

3. Bristol and Philadelphia,'ЮР Publishing, 1996.

4. Yukalov V.I. Origin of pure spin SR // Phys. Rev. Lett.1995. V.75. N.16. Р.ЗООО-ЗООЗ; Nonlinear spin dynamics in nuclearmagnets // Phys. Rev. B. 1996. V.53. N14. P.9232-9250.

5. Кочаровский В.В. Коллективные эффекты спонтанногоизлучения и квантовая теория диссипативной неустойчивости //

6. Дисс. на соиск. ученой степ, д.ф.-м.н. ИПФ РАН, Н.Новгород,1997.

7. B.В., Силаева Н.Б., Шейбут Ю.Е. Сверхизлучение в кристалле дифенила с пиреном // ЖЭТФ. 1983. Т.85. N6. С.1945-1952; Андрианов С.Н. и др. Влияние неравновесности фононов на оптическое сверхизлучение Дике // ЖЭТФ. 1986. Т.91. N6.1. C. 1990-2000.

8. Андреев А.В., Федотов M.B. Кооперативная самодифракция света в резонаторе // Квант, электр. 1993. Т.20. N1. С.-79-83; Андреев А.В. Динамика сверхизлучения в резонаторе // Квант, электр. 1993. Т.20. N6. С.581-585.

9. Канева Е.Н., Трифонов Е.Д. Влияние отражений на корреляцию импульсов сверхизлучения // Опт. и спектр. 1995. Т.79. N2. С.293-298

10. Vasil ev P. IJltrafast diode lasers: fundamentals and applications. Norwood, Artec.li House, 1995.

11. Agarwal G.S., Gupta S.D., Puri R.R. Fundamentals of cavity QED. Singapore, World Scientific, 1995.

12. Петрунышн В.Ю., Львов Б.В. Применение обобщенногометода собственных колебаний в теории лазеров // ЖТФ. 1997. Т.67. N6. С.46-49.

13. Leung Р.Т., Liu S.Y., Yong К. Completeness of the quasinormal modes of an absorptive and leaky cavity // Phys. Rev. A. 1994. V.49. N5. P.3982-3989; N4> P.3057-3068-3073.

14. Ойрингель И.М., Клейман Е.Б. Излучение, атомов в космической плазме. Новосибирск, Наука, 1984.

15. Гинзбург В.Л., Файн В.М. Об излучении систем со многими уровнями, движущихся в среде со сверхсветовой скоростью // ЖЭТФ. 1958. Т.35. N3. С.817-818.

16. Кадомцев Б,Б., Михайловский А.Б., Тимофеев А.В. Волны отрицательной энергии в диспергирующих средах // ЖЭТФ. 1964. Т.47. N6. С.2266-2268.

17. СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

18. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Эффект сверхизлучения\и диссипативная неустойчивость в инвертированной двухуровневой среде // ЖЭТФ. 1984. Т.87. N5. С.1565-1581.

19. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Циклотронное сверхизлучение классический аналог СИ Дике // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т.29. N 9. С.1095-1116.

20. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Волны поляризации и сверхизлучение в активных средах // УФН. 1989. Т.159. N2. С.193-260.

21. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Генерация предельно коротких мощных импульсов в сверхизлуча-тельных системах со сложным энергетическим спектром // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1992. Т.56. N9. С. 1321-1332.

22. Golubyatnikova E.R., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. Nonlinear theory of mode superradiance in low-Q resonator // Laser Physics. 1995. V.5. N4. P.801-811.

23. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. Collective QED processes of electron-hole recombination and electron-positron annihilation in a strong magnetic, field // Quantum and Semiclassical Optics (JEOS, Part B). 1997. V.9. N1. P.l-44.

24. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Циклотронное сверхизлучение в плазме как классический аналог сверхизлучения Дцке // УФН. 1987. Т.153. N3. С.525-528.

25. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Феноменологическая квантовая электродинамика активных сред и сверхизлучение // В кн.: Нелинейные, волны. / Под ред. А.В.Гапонова-Грехова, М.И.Рабиновича. М., Наука, 1992. С.176-194.

26. Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI. V. Pulsed generation of strong quasihomogeneous fields m an open sample of conducting inverted medium under the condition of plasma-dipole resonance // Pure and Applied Optics. 1993. V.3. N1. P.29-36.

27. Белянин А.А., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Генерация фемтосекундных импульсов в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами и квантовыми точками // Изв. АН. Сер. физ. 1998. Т.62. N2. С.373-383.

28. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Электродинамика классическая. //В кн.: Физическая энциклопедия. М., Рос., энц., 1998, Т.5.

29. Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V., Golubyatnikova E.R. Mode instability and nonlinear superradiance phenomena in open Fabry-Perot resonator // Intern. J. Сотр. Math, with Applications. 1997. V.34. N7/8. P.773-79.3.

30. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Сверхизлучение. Метод электродинамики сплошных активных сред // В кн.: Нелинейные волны. /хПод ред. А.В.Гапонова-Грехова, М.И.Рабиновича. М., Наука, 1989. С.358-376.

31. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Quasi-periodic superradiant regime of femtosecond pulse, generation in quantum-well and quantum-dot semiconductor lasers // In: Photon Echo and Coherent Spectr. VI. / SPIE Proceedings. 1997, V.3239.

32. Belyanin А.А., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Superradiant generation of femtosecond pulses in quantum-well heterostruc-tures // Quantum and Semiclassical Optics (JEOS, Part B). 1998.1. V.10. N1. P.L13-L19.

33. Белянин А.А., Калугин Н.Г., Кочаровский В.В. Кочаровский Вл.В. О реализации фе^тосекундного сверхизлучающего лазера на основе GeSi структур; с квантовыми ямами // Изв. АН. Сер. физ. 1998 (принято к печати).

34. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Mode su-perradiance of free electron hole pairs in semiconductor magnetoop-tics // Laser Physics. 1995. V.5. N5/6. P.l 121-1132.

35. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Recombination superradiance in semiconductors // Laser Physics. 1992. V.2. N6. P.952-964.

36. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Cooperative coherent phenomena in annihilating electron-positron and electron-hole plasmas in a strong magnetic, field // Intern. J. Сотр. Math, with Applications. 1997. V.34. N7/8. P.845-880.

37. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В.'К теории самосогласованной оптической нутации // Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т.28. N9. С.1099-1111.

38. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Волны поляризации и сверхизлучение в активных средах. Часть I // Препринт ИПФ АН N 227. Горький, 1989, 58 с.

39. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Квантовая динамика диссипативной неустойчивости поляритонных мод // Препринт ИПФ АН N 110. Горький, 1984, 36 с.

40. Голубятникова, Е.Р., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Нелинейное брэгговское рассеяние и СИ мод в открытом резонаторе Фабри-Перо // Квант, электр. 1994. Т.21. N9. С.849-854.

41. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Пространственная дисперсия в газе двухуровневых молекул // Препринт ИПФ АН N 126. Горький, 1985, 68 с.

42. Kocharovsky V.V., Kocharov ;ky VI.V., Zaitsev V.Yu. Effects of the spatial dispersion and instabilities in the wave electrodynamics of weakly ionized gases // Intern. J. Сотр. Math, with Applications. 1997. V.34. N7/8. P.807-844.

43. Golubyatnikova E.R., Kocharovsky V.V., Kocharovsky V.V. Parallel coherent amplification and multichannel pulse processing in inhomogeneously-broadened fibers // In: Photon Echo and Coherent Spectroscopy VI. / SPIE Proceedings. 1997. V.3239.

44. Голубятникова. E.P., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Параллельное когерентное усиление и многоканальная обработка сверхкоротких импульсов в неоднородно уширенных световодах // Изв. АН. Сер. физ. 1998. Т.62. N2. С.339-348.

45. Antoniou I., Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V., Shere-shevsky I.A. Absolute and convective superradiance: dynamics and macroscopic quantum fluctuations // Intern. J. Сотр. Math, with Applications. 1997. V.34. N7/8. P.751-771.

46. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Самосогласованная оптическая нутация с автомодуляцией частоты //В кн.: III Всесоюзный симпозиум по световому эхо и когерентной спектроскопии. Тез. докл. / Харьков, 1985. С.104.

47. Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V. Collective spontaneous emission in open Fabry-Perot resonator // In: Digest of the 6th Intern. Conf. on Infrared Physics: Topical Conf. on Infrared Lasers. / Ascona, May 29 June 3, 1994. P. 164-166.

48. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Нелинейная динамикасверхизлучения в ограниченных образцах и замкнутых световодах при наличии обратной связи // В кн.: Тез. докл. XIII Между-нар. конф. по когерентной и нелинейной оптике. / Минск, 1988. 4.1. С.77-78.

49. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровс.кий Вл.В. Линейное взаимодействие электромагнитных волн в неоднородных слабоанизотропных средах // УФН. 1983. Т.141. N 2. С.257-310.

50. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В., Зайцев В.Ю. Поляризация света и линейное взаимодействие винтовых мод в скрученных волокнах со случайными неоднородностями // Изв. АН. Сер. физ. 1998. Т.62, N2. С.362-371.

51. Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Волны поляризации и сверхизлучение в активных средах. Часть II // Препринт ИПФ АН N 228. Горький, 1989, 58 с.

52. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. Поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера вблизи линии поглощения // Квант, электр. 1987. Т.14. N11. С.2246-2249.

53. Belyanin A.A., Kocharovsky'V.V., Kocharovsky Vl.V. Explosive amplification of electromagnetic, field in a magnetized flow of accelerated electron oscillators// Phys. Rev. E. 1996. V.53. N5. P.5338-5348.

54. Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. О линейной трансформации волн в неоднородной плазме с широм магнитного поля // Физика плазмы. 1980. Т.6. N3. С.565-576.

55. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. Collective spontaneous recombination in semiconductor magnetooptics // In: Proceedings of the XVIII Intern. Quantum Electronics Conf. / Vienna, 14-19 June,-1992. P.322.

56. Belyanin A.A., Kocharovsky V.V., Kocharovsky Vl.V. Superradiance phenomenon in semiconductor magnetooptics // Solid State Commun. 1991, V.80. N3. P.243-246.