Вырожденная Л-схема. 
Понятие медленного света, физическая причина уменьшения скорости света в веществе

В статье [23] было предложено наблюдать «медленный свет», а также эффект «остановки света» в условиях «вырожденной» Л-схемы, когда уровни энергии состояний 1 и 2 (рис. 1) совпадают. Экспериментальная техника была значительно упрощена (рис. 3). В качестве объекта исследований взяли насыщенные пары атомов рубидия при температуре около 60 °C. Накачивающий и пробный пучки теперь имели одинаковую частоту и различались по поляризации, чтобы из совокупности нижних состояний с одной и той же энергией выделить два состояния, необходимых для формирования трехуровневой Л-схемы. На рис. 3б показана упрощенная оптическая схема эксперимента, на входе которой два пучка со взаимно ортогональными поляризациями сводятся с помощью поляризационного светоделителя, а на выходе — таким же путем разводятся. Реально эксперимент ставился еще проще. Авторы использовали только один поляризованный лазерный луч, который рассматривался как луч накачки. Когда требовалось включить импульс «пробного» света, поляризация пучка слегка менялась, что можно было рассматривать как примешивание к пучку накачки пучка пробного излучения с ортогональной поляризацией.

Рис. 3. а — схема уровней энергии атома рубидия, задействованных в эксперименте [23] (схема заимствована из этой работы); б — упрощенная схема использованной экспериментальной установки.

В этих экспериментах была зарегистрирована значительная временная задержка пробного импульса, приписанная снижению групповой скорости света по описанному выше механизму ЭИП. Абсолютное значение этой величины, полученное прямым делением толщины кюветы на временную задержку, составило =1 км/с. Основной результат работы, однако, касался демонстрации эффекта «остановки» или «хранения» света. Действительно, полученные экспериментальные зависимости (рис. 4) на первый взгляд казались убедительными. Из них следовало, что ввиду сильной задержки импульса пробного света в среде пучок накачки можно было выключить, когда пробный импульс длительностью в несколько десятков микросекунд уже полностью вошел в кювету с рубидием, но вышел только частично. Выключая свет накачки в этот момент, авторы якобы «прищемляли хвост» пробного импульса. Включение пучка накачки после некоторой темновой паузы «высвобождало хвост».

Ошибочность такой интерпретации оставалась незамеченной потому, что поставленный эксперимент, как казалось, развивал предыдущие работы по «медленному свету». Но обнаруженные явления легко интерпретируются на языке известного эффекта фотонаведенной анизотропии. Суть эффекта сводится к тому, что под действием поляризованного света достаточной интенсивности осцилляторы, соответствующие направлению вектора напряженности электрического поля световой волны, «выжигаются» (насыщаются), а среда просветляется. Такого рода фоточувствительные среды иногда называют поляризационными насыщаемыми поглотителями. Феноменология подобных эффектов единообразна: светоиндуцированное просветление среды в заданной поляризации превращает ее в поляризатор. В соответствии с постановкой обсуждаемого опыта нас будет интересовать динамика эффекта, то есть характер изменения свойств светоиндуцированного поляризатора при изменении интенсивности и поляризации действующего света.

Прежде всего заметим, что процесс формирования в среде фотоиндуцированной анизотропии, связанной с перераспределением населенностей среды, не может быть мгновенным. Иначе говоря, при включении светового пучка превращение среды в поляризатор занимает некоторое конечное время, а при изменении поляризации света поляризатор отслеживает эти изменения с некоторой временной задержкой. Еще полезно иметь в виду, что на свету динамика наведенной анизотропии ускоряется. Вот и все, что требуется для объяснения результатов работы [23].

Рисунок 5а схематично иллюстрирует отклик поляризационного насыщаемого поглотителя на ступенчатый поворот плоскости поляризации действующего света, а рис. 5б — отклик на гладкий поляризационный импульс. Первый рисунок явно демонстрирует релаксационный процесс, определяющий заторможенность отклика среды, а второй — имеет прямое отношение к рассматриваемому эксперименту. Как легко видеть, при импульсной модуляции поляризации падающего света гладкий поляризационный импульс на выходе из среды также будет задержанным, а следовательно, задержанным окажется и его поляризационная составляющая, называемая пробным светом.

Столь же элементарно описывается эффект «остановки света». В выбранный авторами работы [23] момент выключения пучка накачки импульс поляризации света уже завершился, а светоиндуцированный поляризатор среды в свое исходное состояние еще не вернулся. В темноте, как уже отмечалось, релаксация светонаведенной анизотропии происходит медленно. При этом можно с определенностью утверждать, что поляризующее направление «поляризатора» в процессе этой релаксации не изменится (из-за отсутствия преимущественного направления вращения в пространстве), а качество «поляризатора», конечно, может снизиться (то есть степень его просветления может уменьшиться). В результате после темновой паузы светоиндуцированный поляризатор, застигнутый светом в «неравновесном» поляризационном состоянии, продолжит следовать за поляризацией действующего света, постепенно приближаясь к ней и снижая интенсивность поляризационной компоненты, приписываемой пробному импульсу. В работе [28] мы провели расчеты динамики сигнала в рамках такой простой модели и получили идеальное согласие с экспериментом.

Рис. 5. Схематичное изображение отклика поляризационного насыщаемого поглотителя на прямоугольный (а) и гладкий (б) импульс поляризационной модуляции падающего света: 1 — поведение плоскости поляризации падающего линейно-поляризованного светового пучка, 2 — пучка на выходе из среды. Проекция светового поля на горизонтальную плоскость — это то, что авторы [1] называют «пробной» волной.