超辐射研究

早在激光出现以前，以创立标量-张量理论研究引力、并对宇宙原始大爆炸的微波背景辐射做出预言而闻名于世的美国物理学家迪克(Dicke,RobertHenry1916～)就在他的一篇著名论文①中预言，“在多个原子的受激辐射过程中，原子间的‘合作’效应能在发射动力学中起重要作用”。近十几年来，迪克的这一预言引起了一些人的注意。迪克所预言的，即是一种超辐射现象。超辐射是多个原子在一起时，所产生的一种相干自发辐射。此时，多个原子与共同的辐射场相互作用，构成一个合作的整体。彼此合作的N个原子的辐射相位相同时，由于相干叠加，自发辐射的光强将与 N2成正比。在非相干自发辐射时，由于N个原子辐射的相位彼此毫无联系，自发辐射的光强将只与受激态的原子数N成正比。所以，光强与N2成正比，是超辐射与一般辐射相区别的主要特征。超辐射现象属于原子或分子在辐射过程的弛豫时间内，所发生的一系列非线性光学效应。这种情况只有在入射光极强、相干性极好的条件下才能发生。除此以外，这种现象还要求有足够的弛豫时间范围。在初始时，所有原子都处于激发态，各个原子跃迁电偶极矩在相位上彼此没有关联，所以在第一个光子发射时，与普通的辐射没有任何区别，它的发射时间具有较大的不确定度。
     然而，在第一个原子发射第一个光子之后，各个原子与辐射场相互作用的结果，它们的跃迁电偶极矩的相位产生了关联，这不仅增加了第二个光子的辐射率，减小了发射时间的不确定度，而且在发射方向上也以第一个光子的发射方向做为从优选择。随着发射光子数的增加，相位关联越来越强，辐射率继续增大，发射时间的不确定度随之减小，直到发射高峰出现。此时，总的发射时间不确定度等于各次发射不确定度平方和的根，而其中第一次所占的比例为3/4最大，以后逐次减小。由于在高峰时，原子跃迁电偶极矩相位达到了最大关联，辐射强度与 N2成正比，这一切表明，超辐射光不是一般的混沌光，而是一种相干光。这种相干光产生的机制与激光的受激辐射不同，它是多个原子自发辐射时，与共同的辐射场相互作用而出现的干涉效应。1973年，美国麻省理工学院的费尔德(Feld)研究小组最早在可见光波段上观察到了超辐射现象①。以后又有一些涉及不同原子系统、不同泵浦方式和不同光谱发射区的超辐射实验获得了成功。
     近年来，人们对超辐射进行了大量的研究，包括超辐射产生条件、原子合作的建立过程与机制、合作长度、孕育期、峰值特点及物理性质和不同抽运方式、不同样品、不同原子密度对超辐射的影响等。1982年，人们从实验上观测到了超辐射过程。同一年，劳仑斯-利弗莫尔实验室和普林斯顿大学研制成功X射线激光器。X 射线激光的问世，不仅对生物科学、微电子学、固体物理和材料科学研究产生了重要的影响，它还使人们看到，利用超辐射实现的X射线的相干辐射研究具有广阔的应用前景。超辐射除了强度大、谱线锐度高等优点外，在短波区更具有较大的辐射几率。它无需谐振腔，因而避免了谐振腔材料的困难。而且，在超辐射时，上能级寿命短，会增加辐射率。因此，在X射线激光发生困难之处，正是X射线超辐射的优越性所在。超辐射的另一个特点也引起了人们的注意，这就是它的非线性效应。由于它显现出较强的非线性效应，可以用于高分辨率光谱学研究。喇曼超辐射及双色超辐射又可用于超辐射调谐输出。利用超辐射的反聚束效应与压缩效应还可望提供光子简并度高、量子噪音低的超辐射源。上述这些技术的实现，又能进一步推动超辐射理论研究的进展。