МНОГОФОТО́ННОЕ ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВ́ЕТА

МНОГОФОТО́ННОЕ ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВ́Е­ТА, про­цесс взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом, при ко­то­ром в од­ном эле­мен­тар­ном ак­те по­гло­ща­ет­ся несколько ($m$) фо­то­нов. При этом в отд. кван­то­вых сис­те­мах сре­ды (ато­мах, мо­ле­ку­лах, при­мес­ных цен­трах и т. п.) со­вер­ша­ет­ся мно­го­фо­тон­ный ($m$-фо­тон­ный) пе­ре­ход из на­чаль­но­го кван­то­во­го со­стоя­ния $|1\rangle$ в конечное со­стоя­ние $|2\rangle$, раз­ность энер­гий ко­то­рых $ℰ_2-ℰ_1$ рав­на сум­ме энер­гий по­гло­щён­ных фо­то­нов. Ес­ли все $m$ по­гло­щае­мых фо­то­нов име­ют оди­на­ко­вую энер­гию $ℏω$ ($ℏ$ – по­сто­ян­ная План­ка, $ω$ – кру­го­вая час­то­та), то та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся вы­ро­ж­ден­ным по час­то­те $m$-фо­тон­ным по­гло­ще­ни­ем; при этом $ℰ_2-ℰ_1=mℏω$. Про­цесс, об­рат­ный М. п. с., – ин­ду­ци­ро­ван­ное мно­го­фо­тон­ное ис­пус­ка­ние под дей­ст­ви­ем то­го же из­лу­че­ния, со­про­во­ж­даю­ще­е­ся кван­то­вым пе­ре­хо­дом из воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния $|2\rangle$ в ниж­нее $|1\rangle$.

Обыч­но М. п. с. про­яв­ля­ет­ся в ос­лаб­ле­нии па­даю­щих по­то­ков из­лу­че­ния, но его ре­зуль­та­том так­же мо­жет быть от­рыв элек­тро­на от ато­ма или мо­ле­ку­лы – мно­го­фо­тон­ная ио­ни­за­ция. Ес­ли вслед­ст­вие М. п. с. про­ис­хо­дит рас­пад мо­ле­ку­лы, то го­во­рят о мно­го­фо­тон­ной дис­со­циа­ции.

Воз­мож­ность про­цес­сов двух­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния и ис­пус­ка­ния бы­ла пред­ска­за­на М. Гёп­перт-Май­ер в 1931. Экс­пе­ри­мен­таль­но двух­фо­тон­ное по­гло­ще­ние бы­ло об­на­ру­же­но лишь в 1961 по­сле со­з­да­ния ла­зе­ров, т. к. при ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния обыч­ных ис­точ­ни­ков све­та ве­ро­ят­ность М. п. с. очень ма­ла.

Кван­то­вые от­бо­ра пра­ви­ла для М. п. с. от­ли­ча­ют­ся от та­ко­вых для од­но­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния, по­это­му спек­тры М. п. с. со­дер­жат до­пол­нит. ин­фор­ма­цию о ве­ще­ст­ве, от­сут­ст­вую­щую в спек­трах од­но­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния.

В га­зо­вых сре­дах, ко­гда су­ще­ст­вен­ный вклад в уши­ре­ние спек­траль­ных ли­ний да­ёт До­п­ле­ра эф­фект, М. п. с. силь­но за­ви­сит от вза­им­ной ори­ен­та­ции вол­но­вых век­то­ров па­даю­ще­го из­лу­че­ния. При этом ока­зы­ва­ет­ся, что спец. под­бо­ром на­прав­ле­ний рас­про­стра­не­ния све­то­вых пуч­ков воз­мож­но умень­шить влия­ние ли­ней­но­го эф­фек­та До­п­ле­ра или да­же пол­но­стью его ис­клю­чить. Для двух­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния это дос­ти­га­ет­ся в слу­чае встреч­ных све­то­вых пуч­ков с оди­на­ко­вой час­то­той. Та­кой под­ход ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в не­ли­ней­ной спек­тро­ско­пии сверх­вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния ато­мов и мо­ле­кул.

М. п. с. уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том ин­тен­сив­но­сти па­даю­ще­го из­лу­че­ния. Этим объ­яс­ня­ет­ся т. н. эф­фект за­тем­не­ния: ве­ще­ст­ва, про­зрач­ные для сла­бых по­то­ков из­лу­че­ния дан­ной час­то­ты, при уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти мо­гут ока­зать­ся силь­но по­гло­щаю­щи­ми за счёт воз­рас­та­ния М. п. с. Даль­ней­шее уве­ли­че­ние ин­тен­сив­но­сти па­даю­ще­го из­лу­че­ния мо­жет вы­звать про­свет­ле­ние ве­ще­ст­ва, свя­зан­ное с на­сы­ще­ни­ем мно­го­фо­тон­но­го пе­ре­хо­да (см. На­сы­ще­ния эф­фект, Про­свет­ле­ния эф­фект). Наи­бо­лее низ­кие ин­тен­сив­но­сти тре­бу­ют­ся для на­блю­де­ния двух­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния ($m=$ 2). Напр., для меж­зон­ных пе­ре­хо­дов в по­лу­про­вод­ни­ках и ди­элек­три­ках за­мет­ное ос­лаб­ле­ние све­то­во­го пуч­ка за счёт двух­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния на­блю­да­ет­ся при ин­тен­сив­но­стях по­ряд­ка 10⁶–10⁷ Вт/см². Од­на­ко, ес­ли ре­ги­ст­ри­ро­вать М. п. с. кос­вен­ны­ми ме­то­да­ми, напр. из­ме­ряя мощ­ность лю­ми­нес­цен­ции, воз­бу­ж­дае­мой при М. п. с., в ря­де слу­ча­ев дос­та­точ­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся ин­тен­сив­но­сти па­даю­ще­го из­лу­че­ния по­ряд­ка 1–100 Вт/см². Для ре­ги­ст­ра­ции М. п. с. ис­поль­зу­ют­ся так­же фо­то­ио­ни­за­ция ато­мов и мо­ле­кул с воз­бу­ж­дён­но­го уров­ня, эф­фект мно­го­фо­тон­ной про­во­ди­мо­сти и др.

Про­цес­сы М. п. с. важ­ны в кван­то­вой элек­тро­ни­ке, не­ли­ней­ной оп­ти­ке, ла­зер­ной фо­то­хи­мии и др. Они ис­поль­зу­ют­ся для оп­тич. на­кач­ки ла­зер­ных сред, из­ме­ре­ния дли­тель­но­сти ко­рот­ких све­то­вых им­пуль­сов, управ­ле­ния па­ра­мет­ра­ми ла­зер­но­го из­лу­че­ния, се­лек­тив­но­го воз­дей­ст­вия на ато­мы и мо­ле­ку­лы при ла­зер­ном раз­де­ле­нии изо­то­пов. М. п. с. со­став­ля­ет ос­но­ву ря­да ме­то­дов не­ли­ней­ной спек­тро­ско­пии, ко­то­рые ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния кван­то­вых пе­ре­хо­дов в ато­мах и мо­ле­ку­лах, энер­ге­тич. спек­тра воз­бу­ж­де­ний в по­лу­про­вод­ни­ках и т. д.