快光传输在线性吸收介质中的结果

有关线性吸收介质内快光传播最早的理论工作，是由Garrett和McCumber于1970年发表［12］的。他们考虑了一种具有高斯时间波形和谱线窄于介质共振线宽的光脉冲的传播行为，并得出结论认为脉冲峰值的传播速度可能大于c或为负值，而脉冲形状可保持不变。

最早有关快（慢）光在吸收（增益）介质中传播行为的间接观察，是将一种吸收（或增益）气体盒放置于锁模气体激光器共振腔内，然后通过测量输出激光脉冲的重复频率变化而加以间接确定［13］。

快光传播的第一直观演示实验，由Chu与Wong于1982年完成［14］。所使用的共振介质为通过外延法生长并具有不同厚度和氮浓度的GaP∶N固体薄膜，工作温度为1.7 K，以确保其在534 nm附近的A激子吸收线呈现出极窄线宽。出自一个534 nm可调谐染料激光器的48 ps持续时间的脉冲激光首先被分成两束，一束直接通过薄膜样品，另一束则通过一个可调光程延迟线，然后两束脉冲激光都聚焦在一个KDP晶体中产生非共线二次谐波（SHG）信号。样品的厚度调整到确保未超过6倍吸收长度。

图16-9为在不同失共振δ条件下测得的互相关SHG信号的时间波形，δ=h（v-v0）的单位为毫电子伏（meV），v是入射激光频率，v0为样品材料的吸收线中心频率。从该图中可看出，在精确共振（δ≈0）条件得到一个最大的负时间延迟，意味着快光传输效应的实现。

图16-9　通过低温冷却GaP∶N薄膜样品测得的快光实验结果（不同失共振条件下测得的SHG信号时间波形，样品中的氮浓度［N］=1.5×1017 cm-3）［14］(https://www.xing528.com)

图16-10进一步给出了测得的激光脉冲延迟（Δt）数据（空心圆圈）作为激光失共振调谐的函数曲线。从中可清楚看到，当激光频率从远离共振调谐到与样品吸收中心频率准确共振时，脉冲延迟平滑地从接近于零值变为正值范围，然后进入负值区间，最后在确切共振位置达到负最大值。相应的，脉冲群速度从远离共振时的初始值（8.6×109 cm/s）开始逐渐进入减值范围，然后通过±∞点进一步进入负值范围。图中实线为理论计算曲线，可见实验结果与理论计算吻合较好。然而，正如文献［15］所指出的那样，用互相关SHG方法是不能揭示脉冲波形经过样品时是否有非对称的变形。

图16-10　测得的脉冲延迟数据（参照左纵坐标内侧）和相应群速度数据（参照左纵坐标外侧）作为激光失共振调谐的函数（样品厚度Δl=76 μm，氮浓度［N］=1.5×1017 cm-3；实线是理论计算曲线，虚线是样品吸收曲线）［14］

另外一个类似的在吸收介质中的快光实验，是在一种预先被激光方法冷却的85Rb（铷）原子系统中实现的［16］。入射激光脉冲持续时间为35 ns，线宽为次兆赫量级，激光频率被调谐至扫描铷原子的整个5S1/2（F=3）-5P2/3（F'=2，3，4）跃迁范围。在原子密度为0.6×1010 cm-3条件下测得的最大（反常）色散值为dn/dv=-1.3×10-12 Hz-1，而观察到的负群速度值可能达到-c/360。