On generation of a wave package in a waveguide, filled active medium

Abstract

Excitation of electromagnetic waves in a waveguide with a medium, which is a two-level system, is considered. To describe the processes, both classical electrodynamics methods and quantum mechanics methods are used. The nature of the processes under study turns out to depend on the relationship between the Rabi frequency and the line width of the excited wave packet. It is shown that if the field energy density is high, then spatially inhomogeneous Rabi frequencies arise, which leads to oscillatory behavior of the wave field amplitudes. If the levels of the excited field are small, then the dynamics of the two-level quantum system becomes monotonic and the population inversion tends to zero.

Розглянуто збудження електромагнітних хвиль у хвилеводі з середовищем, що представляє собою дворівневу систему. Для опису процесів використовуються як методи класичної електродинаміки, так і методи квантової механіки. Характер досліджуваних процесів є залежним від співвідношення між частотою Раби і шириною лінії збуджуваного хвильового пакета. Показано, що якщо густина енергії поля велика, то виникають просторово-неоднорідні частоти Раби, що призводить до осциляторної поведінки амплітуд поля хвилі. Якщо рівні збуджуваного поля малі, то динаміка дворівневої квантової системи стає монотонною, і інверсія населеностей прямує до нуля.

Рассмотрено возбуждение электромагнитных волн в волноводе, который заполнен средой, представляющей собой двухуровневую систему. Для описания процессов используются как методы классической электродинамики, так и методы квантовой механики. Характер изучаемых процессов оказывается зависящим от соотношения между частотой Раби и шириной линии возбуждаемого волнового пакета. Показано, что если плотность энергии поля велика, то возникают пространственно-неоднородные частоты Раби, что приводит к осцилляторному поведению амплитуд поля волны. Если уровни возбуждаемого поля малы, то динамика двухуровневой квантовой системы становится монотонной, и инверсия населенностей стремится к нулю.