When an electronic two-level system becomes inverted population state, cooperative emission involving many atoms can be generated and modify the nature of spontaneous emission process. There are two kinds of cooperative emissions, superfluorescence and amplified spontaneous emission. The superfluorescence is induced from a macroscopic dipole moment which is made from a lot of dipole moments possessing the same direction through coherent coupling by the electromagnetic field. The time-profile shows a pulse shape with the delay time after the excitation, and the peak intensity of the pulse increases quadratically with the number of the excited atoms. The long dephasing time is necessary to generate the superflourescence to build the macroscopic dipole, so that the firstly superflouresence was discovered in HF gas. On the other hand, the amplified spontaneous emission is spontaneous emission amplified by the stimulated emission process in propagating the excited volume. Therefore, the time-profile has no delay time essentially and shows the faster decay compared to the spontaneous emission. In this paper, the transition from the superfluorescence to the amplified spontaneous emission was observed in solid-state material (KCl:O2-) by changing the dephasing rate which depends on the temperature. With increasing the dephasing rate, the temporal evolution of the emission changes from the nature of the superflouresence to that of the amplified spontaneous emission. The peak intensity and delay time were explained qualitically by the theory based on quantum electrodynamics. However, the quantitative agreement is obtained only in the case that the SF is dominant at low temperature. The transition from the superflourescence to the amplified spontaneous emission was reproduced well by the semiclassical theory taking into account of the system where the quantum noise affects not only on the initial condition but also on the propagation process of the spontaneous emission.

　 電子二準位系が反転分布状態であるとき、多くの原子が関わる集団的な発光が自然放出を元にして起こりうる。その集団発光には超蛍光と拡大自然放出の二種類がある。超蛍光は多数の双極子モーメントが電磁場によりコヒーレントに結びつき同方向を向くことで巨視的な双極子モーメントをつくることで引き起こされる。その発光の時間変化は励起してから遅延時間を持つパルス形状を示し、パルスのピーク強度は励起した原子の二乗に比例する。超蛍光の発生には長い位相緩和時間が巨視的な双極子モーメントを作るため必要であり、気体(HF)中において最初に観測された。もう一つの集団発光である拡大自然放出は自然放出が反転分布状態の系を通ることで誘導放出により強度が増していくことで起こる。そのため本質的には遅延時間がなく、また自然放出よりも速く減衰する。 本論文では、超蛍光から拡大自然放出へ移行する過程を固体物質(KCl:O2-)の位相緩和定数を温度によって変化させることで測定した。位相緩和定数を増加させると、その発光の時間波形は超蛍光から拡大自然放出の性質のものに移行していった。ここで得られた発光のピーク強度と遅延時間は量子電気力学を元にした理論と定性的には合致していた。しかし定量的には超蛍光が支配的である位相緩和定数が小さい範囲でしか合わなかった。そこで真空ノイズが初期状態だけでなく自然放出の伝播過程にも影響を与えることを考慮して半古典論を用いた計算を行うと、超蛍光から拡大自然放出への移行をよく再現することができた。

Michelle S. Malcuit, Jeffery J. Maki, David J. Simkin, and Robert W. Boyd, Physical Reveiw Letters,59,1189 (1987)