非线性光学实验：自感透明的成果

自1967年在红宝石晶体中首次观察自感应透明现象以来，已经研究了许多其他共振吸收介质中的这种效应。特别是，利用可调谐的高功率脉冲激光器和光学参量发生器，研究人员可以大大扩展被研究的共振介质的种类和范围［6，7］。以下是一些利用自感应透明技术进行过研究的共振吸收介质实例：

●分子气体如SF6，［8，9］BCl3，［10］NH3［11］和HF［12］

●原子气体如Ne［13］和I［14］

●金属蒸气如Rb，［15，16］K，［17］Na，［18，19］Sm［20］和Yb［21］

●金属离子掺杂晶体或玻璃如Cr3+：Al2 O3，［1，2］Pr3+：LaF3，［22］Cr3+：LiAl5 O8+Al2 O3［23］和Er3+掺杂玻璃光纤［24］

●半导体晶体如CdS0.75 Se0.25［25］和InGaAs量子点波导［26］

作为一个早期实验具代表性的例子，图10-2为利用Hg+激光器输出的7 ns脉冲在铷（Rb）蒸气样品中所做自透明效应的研究结果［15］。1 mm厚的Rb蒸气盒被放置在强度为74.5 kG的磁场中，使得Rb原子的D1吸收线的波长位置从794.76 nm移动到与Hg+激光器输出的794.46 nm波长重合。Rb原子密度约为1012 cm-3，而激光脉冲的最大峰值光强为25 W/cm2。图10-2（a）显示了在不同输入峰值光强水平下测得的输入和输出脉冲的时间波形，而图10-2（b）则显示了相应的理论计算曲线。对于图10-2（a）所显示的5组实验结果可作以下的说明：（A）入射脉冲面积（θ0）小于π，脉冲基本被吸收；（B）入射脉冲面积θ0接近于2π，能量吸收近似可忽略；（C）θ0接近于3π，整形后的脉冲峰值高于入射峰值；（D）对应于4π≤θ0≤5π，输出包含两个2π脉冲；（E）对应于θ0≈6π，输出中包含了三个2π脉冲，它们的峰值高度远超过入射值。将图10-2（a）与10-2（b）相比可看出，实验结果与理论计算基本符合。

图10-2　对1 mm厚Rb蒸气样品盒而言，在不同峰值光强水平下，激光波长为794.46 nm的输入脉冲波形（点线）和相应的输出脉冲波形（实线）［15］(www.xing528.com)

（a）测量曲线；（b）理论计算曲线

尽管多数自感透明研究针对由基态向高能态的吸收跃迁，但该方法同样适用于粒子由较低的激发态向较高的激发态的吸收跃迁的研究。作为这样一种研究的实例，实验上曾用He-Ne（氦氖）激光器输出波长为1.15 μm、时间宽度为3 ns的脉冲激光，入射到充有氖气的低压（0.75 Torr）直流放电管作为共振吸收介质，测量了Ne原子2P4→2S2间并跃迁的自感透明行为特性［13］。图10-3显示了在两种不同线性吸收aL值条件下，测得的脉冲能量透过率作为入射脉冲峰值光强函数的实验数据。从这些数据中可以看出脉冲透过率呈现出波动的变化特性。以αL=4.2为例，当入射光强接近15 W/cm2时，出现第一个透过率峰值，它对应于2π脉冲入射的情况；当入射光强增加到60 W/cm2时，开始出现第二个透过率峰值，它对应于4π脉冲入射的情况。实验中未观测到2π脉冲100%的透过率，则是由于某些偏离理想假设的因素影响的结果。图中的实曲线是按唯象理论和向下箭头所指线性通过率值所拟合出的相应曲线。

图10-3　在具有两种不同线性吸收值条件下，波长为1.15 μm的激光脉冲经过Ne吸收盒后的透过率作为输入峰值光强函数的测量数据（图中实线是按唯象理论和向下箭头所指线性通过率值所拟合出的相应曲线，ic为样品管直流放电电流密度）［13］

后来报道的另一个利用Yb（镱）蒸气所做的实验，也同样显示了共振吸收介质中的非线性传输行为对入射脉冲面积的依赖性以及当入射脉冲面积为2π但形状不规则时透射脉冲的整形效果［21］。在该实验中，持续时间为5 ns的输入激光脉冲出自一个单模可调谐脉冲染料激光器；原子蒸气密度为4×109 cm-3，传播长度为1 m；激光波长（555.648 nm）调谐到与Yb原子的6s21S0-6s6p3P1跃迁精确共振。图10-4（a）为所测输入脉冲的相对波形以及当输入脉冲具有小于2π值的不同初始脉冲面积时的输出脉冲波形，表明当初始输入脉冲面积值从1.5增加到接近2π时，出射脉冲的能量透过率迅速增加。在相同的实验条件下，另一个有趣的结果如图10-4（b）所示，当输入为一个面积值接近2π但具任意不规则形状的脉冲时，输出脉冲却是一个具有双曲正割函数形状的稳定的2π脉冲。这后一结果，显示了基于自感透明过程的脉冲整形功能。

图10-4　Yb蒸气样品的自感透明效应［21］

（a）输入光脉冲的相对时间形状和不同输入脉冲面积情况下的透过脉冲形状；
（b）面积为2π的不规则输入脉冲和相应的透过脉冲形状