- •Розділ 4 взаємодія випромінювання з атомними системаи
- •Лекція 8 Спонтанне та вимушене випромінювання. Поглинання
- •8.2. Спонтанне і вимушене випромінюваненя; поглинання
- •8.3. Форма спектральної лінії (класична фізика)
- •8.4.Коефіцієнт Айнштайна
- •Лекція 9 Ймовірності вмушеного випромінювання та поглинання
- •9.1. Поглинання і вимушене випромінювання.
- •10.2. Зв’язок між коефіцієнтами і.
- •Лекція 10 Спонтанне випромінювання та зв’язок між коефіцієнтами Айнштайна
- •13.1. Спонтанне випромінювання.
- •Лекція 11 Матриця густини та сприйнятливість ансамбля атомів
- •11.1. Матриця густини
- •11.2. Сприйнятливість ансамбля атомів
- •11.3. Насичення.
- •11.4. Фізичне проявлення сприйнятливості
- •Лекція 12 Показник підсилення та його частотні залежності
- •12.1. Переходи між виродженими рівнями
- •12.2. Показник підсилення
- •12.2. Однорідне і неоднорідне розширення лінії
- •12.3.Насичення підсилення в системах з однорідним і неоднорідним розширенням
- •12.4. Випалювання провалів.
Лекція 11 Матриця густини та сприйнятливість ансамбля атомів
11.1. Матриця густини
Для обрахунку фізичних
величин квантових систем, що складаються
з багатьох частинок (лазерне активне
середовище) використовують матрицю
густини. Нехай ансамбль складається з
частинок, кожна з яких описується
нормованою хвильовою функцією
.
Введемо набір ортонормованих власних
функцій
і
розкладемо по них хвильові функції.
(11.1)
Розглянемо деяку фізичну
величину
,
що характерезує систему і спробуємо
знайти її значення у випадку ансамблю
систем. Для кожного з членів ансамбля
середня величина
знаходиться
по відомій хвильовій функції з допомогою
формули:
(11.2)
Таке визначення середнього значення є наслідком статистичного характеру опису засобами квантової механіки. Якщо тепер провести усереднення по всьому ансамблю, то ми отримаємо очікуване значення спостережуваної величини для системи, що розглядаємо.
![]()
![]()
(11.3)
де
![]()
Поміняємо порядок сумування в формулі (11.3) і введемо матрицю густини, елементи якої ми визначимо наступним чином:
(11.4)
відмітимо, що порядок розміщення нижніх індексів в лівій частині зворотній в порівнянні з правою.
Тепер ми можемо представити (11.3) у вигляді:
(11.5)
або в матричній формі
З
визначення (11.5) видно, що матриця
–
ермітова
(11.6)
а також нормована на одиницю:
(11.7)
Для того, щоб вивести рівняння руху для матриці густини, допустимо, що хаильова функція атомів в ансамблі задовільняє рівнянню Шредінгера:
,
і може бути розкладена в ряд
по власних функціях, що складають повний
ортонормований набір:
.
Тут ми індекс
поміняли
на
внаслідок
отримаємо:
![]()
Помножимо останнє рівняння
на
та проінтегруємо по всьому об’єму,
внаслідок отримаємо:
або
(11.8)
де
![]()
Через те, що оператор
є ермітовий, можемо написати:
(11.9)
Помноживши (11.8) на
,
а (11.9) на
і результати додамо, будемо мати:
![]()
Останній вираз усереднимо
по ансамблю частинок (сума від
до
):
![]()
або:
,
або в матричній формі:
(11.10)
де квадратні дужки і кома означають коммутатор.
11.2. Сприйнятливість ансамбля атомів
В цій лекції формалізм матриці
густини буде використаний при виведені
виразу для сприйнятливості ансамбля
атомів, що взаємодіють з електромагнітним
полем, яке гармонічно міняється в часі.
Допустимо, що у взаємодії беруть участь
тільки два рівні з енергіями
і
,
як показано на рис. 11.1.

Рис.
11.1. Дворівнева атомна система, яка
взаємодіє з електромагнітним полем
випромінювання, частота якого
Передбачається,
що всі інші нерезонансні рівні (вони
позначені штрихованими лініями)
безпосередньо у взаємодії не беруть
участіЖ їх присутність впливає на
рівноважне значення населеності рівнів
і
.
Таке допущення можливе, коли
частота ЕМ – поля задовільняє умові
В цьому випадку матриця густини зводиться
до матриці розміром
з елементами
Допустимо, щомає місце електродипольна
взаємодія, якому вілповідає гамільтоніан:
(11.11)
де
–
паралельна полю
компонента оператора дипольного моменту.
Будемо покb
вважати поле
класичною змінною. Отже для оператора
можемо
написати:
(11.12)
Дальше
ми будемо опускати дашок над операторами.
Отже
а


(11.13)
![]()
![]()

Діагональні елементи оператора
рівні
нулю:
оскільки
стани 1 і 2 володіють певною парністю
(або обидва парні або обидва непарні).
Фази власних функцій стану 1 і 2 можна
вибрати так,
Отже
![]()
Потрібно знайти середнє по
ансамблю значення дипольного моменту
атома
,
наведеного полем
.
У відповідністю з формулою (11.5):
![]()

(11.14)
Отже
![]()
Матриця густини записується у представлені
незбуреного оператора
так, що базисні функції задовільняють
рівнянню
![]()
Н0n
=
n n
. Для визначення
потрібно розрахувати
і
.
Отже виразів (11.12) і (11.13) отримуємо:
(11.15)
тому що
.
(11.16)
З умови нормування
(11.17)
![]()
(11.18)
(11.19)
(11.20)
Зверномося до рівняння
(11.15). Після виключення збуреного поля
величина
повинна прямувати до
нуля, оскільки фазова когерентність
між
власними
функціями ансамбля виражається через
удари (зіткнення) між членами ансамбля.
В результаті
буде релаксувати з
часом
.
Такі зіткнення визначають ширину
спектральних ліній, як було показано в
лекції 9. Щоб включити в розгляд явище
втрату фазової когерентності (зіткнення
між частинками) рівняння (11.20) необхідно
доповнити релаксаційним членом:
(11.21)
Дипольний момент матриці
густини
дає ймовірність знаходження атома в і
– му стані. Якщо
–
густина атомів, то
—
(середня) густина різниці населеностей
між двома рівнями. Позначимо рівноважне
(при
)
значення
через
і допустимо, що коли
виключено, різниця населеностей релаксує
до рівноважного значення
з постійною часу
Отже, (11.19) можна написати у вигляді:
(11.22)
Розглянемо тепер частковий
випадок, коли
з часом міняється по гармонічному
закону.
(11.23)
З (11.22) випливає, що для
незбуреної системи (
)
зручно користуватися новими повільно
змінними
і
які вводяться співвідношенями:
.
(11.24)
Підставимо (11.23) і (11.24) в рівняння (11.21) і (11.22), будемо мати:
![]()
(11.25)
(11.26)
При виведенні формули (14.25)
зберігалися тільки члени, що мають
часову залежність
а
при отриманні (11.26) — лише такі члени,
що не мають експоненціальної залежності
від часу, таким чином опущені доданки
з часовою залежністю
і
.
Нехтування несинхронними членами
виправдано тому, що в середньому їх
вклад за період рівний нулю. Якщо
підставити (11.24) в (11.14), то отримаємо:
а
завдяки тому, що
то можна написати:
(11.27)
Щоб знайти матрицю густини стаціонарного стану прирівняємо ліві частини рівнянь (11.25) і (11.26) до нуля . Будемо мати:
(11.28)
(11.29)
.
Підставляємо останню рівність в друге рівняння (11.29), будемо мати:
![]()
З останнього рівняння можна
визначити
![]()
(11.30)
Напишемо до рівняння (11.28) комплексно спряжене:
(11.31)
Спочатку додамо рівняння (11.28) і (11.31), будемо мати:
(11.32)
Від рівняння (11.28) віднімемо (11.31), отримаємо:
(11.33)
З (11.32) визначимо
і підставляємо в (11.33). З (11.30) визначаємо
і підставляємо в (11.33):
(11.34)
(11.34)
(11.35)
Маючи (11.35) можна визначити
з
(11.32):
(11.36)
В формулах (11.35)
і (11.36)
частота нутації
З (11.35)
підставляємо в (11.30), будемо мати:
(11.37)
Макроскопічна (змінна)
поляризація
у відповідності (11.27) отримуємо:
![]()

(11.38)
.
(11.39)
Тоді різниця населеностй в одиниці об’ємуна основі виразу (11.37):
,
(11.40)
де
–
різниця населеностей у відсутності
поля.
Якщо скористатися позначенням
спприйнятливості
,
то
(11.41)
то порівнявши (11.41) з (11.39), отримаємо:
(11.42)
Введемо в розгляд нормовану функцію форми лінії
(11.42а)
де
–
ширина на рівні половини від максимуму.
Очевидно, що функція
пропорційна поглинанню,
–
зміні показника заломлення під впливом
накачування, отже:
Вид цих функцій представлений на рис.
11.2.

Рис.11.2
Дійсна (
)
і уявна (
)
частини сприйнятливості при нехтуванні
насиченням
Функція
,
що визначена за формулою (11.42) описує
нормовану лоренцеву форму лінії. Постійна
нормування знаходиться з умови
![]()
