МНОГОФОТО́ННОЕ ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВ́ЕТА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.