瞬态相干作用的定义和特点：非线性光学与光子学成果

这里所说的瞬态相干作用，是指比较短或超短激光脉冲，与共振介质（其吸收跃迁频率与入射激光频率相同或十分相近）间的相互作用过程。所要求的入射激光脉冲的具体时间长短，由与激光发生作用的介质的共振跃迁行为的弛豫时间特性所决定。描述介质共振跃迁弛豫特性的参量主要有3个，分别为纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2、非均匀弛豫时间。其中，T1主要决定于介质分子由高能级向低能级的自发辐射寿命，一般可认为在数值上T1≈1/（Δv），这里（Δv）为分子相应跃迁的自然线宽。T2主要决定于由各种均匀加宽机制（如粒子间的或粒子与声子间的相互碰撞作用等）对跃迁行为产生的影响，一般在数值上认为T2≈1/（Δv）'，这里（Δv）'为共振跃迁谱线的均匀加宽后的线宽；谱线均匀加宽的特点是，加宽机制对所有粒子的影响基本相同（如碰撞加宽）。最后一个弛豫时间定义为≈1/（Δv）"，这里（Δv）"为该跃迁谱线的非均匀加宽线宽；非均匀加宽的特点是对具有相同成分而处于不同物理状态（位置、速度等）的不同群粒子，所受加宽机制的影响有所不同（如多普勒加宽）。对于一般处于低温条件下的固体共振介质而言，通常有＜T2＜T1关系成立。对于常温下的气体共振介质而言，一般有＜＜T2＜T1关系成立。

本章所要讨论的瞬态相干作用，是指入射激光的脉冲持续时间Δt，满足如下条件：(www.xing528.com)

此情况下，称强光与共振吸收介质间的相互作用具有瞬态的特点，是因为所考虑的相互作用时间过程相当短。之所以把这种过程称为是相干的，可以从两个方面去理解：①从共振吸收介质方面来说，在＜＜T2，T1的时间范围内，工作粒子的自发辐射弛豫行为以及由各种均匀加宽机制导致的失相位行为均可以忽略，因而所有粒子都可认为同步地与入射光场发生作用；②从入射光场方面来考虑，由于脉冲持续时间比较短，入射光的光谱宽度基本由脉冲持续时间的倒数所决定（满足测不准关系），这意味着光场的相干时间就等于整个光脉冲的持续时间，因此在整个作用期间内可认为入射光场是完全相干的。综上所述，瞬态相干作用涉及的是完全相干的强光场与自发失相位弛豫行为可忽略的共振分子间的快速相干作用过程。这个过程最主要的特点，是共振介质对入射光场的反应特性，不但与所考查的某一时刻的入射光波场强有关，而且与这一时刻前所有时刻的光波场强有关，这相当于说介质对某一考查时刻前的入射光场（振幅和相位）的行为呈现出有“记忆”的能力。从数学的角度来讲，在瞬态相干作用的情况下，共振介质在某一时刻对入射光场的反应特性，不决定于该时刻光场的瞬时值，而是决定于该时刻以前入射光的强场函数相对于时间的积分，亦即决定于该积分面积的大小。下面的分析将会表明，当入射光脉冲的场强E（t）相对于时间的积分面积（乘上一定因子）等于2π值时，共振吸收介质对光场呈现出透明的效应，亦即满足上述条件的光脉冲在介质传输过程中，其本身的脉冲形状和能量将保持不变，这就是所谓的共振介质的自感透明效应。满足2π面积条件的脉冲，通常称为2π脉冲。进一步的分析还可表明，如果前后有两个分开的强光短脉冲相继入射到共振吸收介质中，其中第一个光脉冲满足兀/2面积条件，第二个脉冲满足π面积条件，两个脉冲的时间间隔为τs，则在上述两个脉冲通过介质之后近似等于τs的时刻，介质会在空间确定方向上发射出第三个相干光脉冲，亦即所谓的光子回波脉冲。另外，当以适当宽度的方型强激光脉冲入射到共振吸收介质中时，人们发现经过介质后的透过光脉冲将不再是简单的方型脉冲，而在脉冲的前沿和后沿两部分，将分别出现周期性的减幅振荡，这种现象分别称为光学章动效应和自由感应衰减效应，它们实际上是由共振介质的粒子数分布的相干振荡以及有限弛豫时间特性所决定的。