Эффект насыщения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Эффект насыщения

Эффект насыщения - выравнивание населённо-стей двух уровней энергии квантовой системы (молекулы, атома) под действием резонансного эл--магн. излучения. При увеличении интенсивности падающего излучения возрастает вероятность индуциров. квантовых переходов с верх. уровня на нижний (вынужденное испускание) и обратно (поглощение), что приводит к выравниванию населённости этих уровней. Степень насыщения определяется соотношением скоростей индуциров. переходов и релаксац. процессов, ответственных за установлЕние равновесного распределения населён-ностей по уровням.

Если на среду, представляющую собой набор одинаковых двухуровневых систем с собств. частотами w₂₁, падает монохроматич. эл--магн. волна с частотой w и интенсивностью I, то разность населённостей ниж. и верх. уровней DN =N₁- N₂ описывается выражением

где DN₀- разность населённостей в отсутствие падающего излучения, g - однородная полуширина спектральной линии, I_H - т. н. насыщающая интенсивность. В точном резонансе (w =w₂₁) при I = I_н разность населённостей уменьшается вдвое: DN = 0,5 DN₀. При очень больших интенсивностях падающего излучения (I/I_H

)скорость индуциров. переходов намного превышает скорость релаксац. процессов, н населённости уровней выравниваются (DN

0).

Значение насыщающей интенсивности I_H определяется типом перехода, его однородной шириной и временем релаксации населённостей T₁. Для эл--дипольных

переходов

(d₂₁ - матричный элемент ди-польного момента) и может составлять величины от долей Вт/см² до сотен кВт/см² и более.

H. э. играет важную роль при резонансном взаимодействии эл--магн. излучения с веществом. Так, в поглощающих средах (DN₀ > 0) он приводит к уменьшению коэф. поглощения (см. Просветления эффект). При сильном насыщении (DN 0) поглощаемая веществом мощность перестаёт зависеть от интенсивности поля, т. е. переход насыщается. Аналогично, в усиливающей среде с инверсной населённостью DN₀ < 0 H. э. вызывает уменьшение коэф. усиления. Наряду с этим уменьшается абс. величина резонансной добавки к показателю преломления, т. е. H. э. обусловливает зависимость показателя преломления от интенсивности падающего поля и, т. о., является одной из причин резонансного самовоздействия волн.

Степень насыщения, как видно из (*), убывает с увеличением отстройки частоты излучения от резонанса. Это приводит к деформации спектральных линий. В случае однородного уширения линия поглощения падающего излучения сохраняет лоренцову форму, однако её ширина увеличивается в раз. Этот эффект паз. полевым уширением или уширением вследствие насыщения.

H. э. играет определяющую роль в квантовой электронике. Он стабилизирует амплитуду колебаний в лазерах и мазерах, ограничивает сверху динамич. диапазон квантовых усилителей. В ряде случаев H. э. применяется для стабилизации частоты генерации лазеров, для модуляции их добротности и т. д.

H. э. широко используется в нелинейной спектроскопии, в частности он является физ. основой т. н. спектроскопии насыщения, позволяющей изучать с высоким разрешением структуру неоднородно уширенных спектральных линий и полос.

H. э. может иметь место также p в случае многофотонных переходов между квантовыми уровнями. Для этого, однако, требуются существенно более высокие интенсивности падающего излучения (см. Многофотонные процессы).

Литература по эффектам насыщения

Апанасевич П. А., Основы теории взаимодействия света с веществом, Минск, 1977:
Аллен Л., Эберли Дж., Оптический резонанс и двухуровневые атомы, пер. с англ., M., 1978;
Нелинейная спектроскопия, под ред. H. Бломбергена, пер. с англ., M., 1979;
Шумейкер Р., Когерентная инфракрасная спектроскопия нестационарных процессов, в кн.: Лазерная и когерентная спектроскопия, пер. с англ., M., 1982.
Летохов В. С., Чеботаев В. П., Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, М., 1975;
Нелинейная спектроскопия, под ред. Н. Бломбергена, пер. с англ., М., 1979;
Ахманов С. А., КоротеевН. И., Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, М., 1981;
Лазерная и когерентная спектроскопия, пер. с англ., М., 1982;
Попов А. К., Введение в нелинейную спектроскопию, Новосиб., 1983;
Параметрические генераторы света и пикосекундная спектроскопия, Вильнюс, 1983;
Демтрёдер В., Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента, пер. с англ., М., 1985.

К. H. Драбович

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира