Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МНОГОФОТОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

МНОГОФОТОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

МНОГОФОТОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ - процесс взаимодействия эл.-магн. излучения с веществом, при к-ром в одном элементарном акте поглощается несколько (m) фотонов; в среде при этом совершается многофо-тоиный (m-фотонный) квантовый переход из нач. состояния |1> с энергией в состояние |2> с энергией (рис. 1). Проявляется M. п. в ослаблении падающих потоков излучения и в соответствующем возбуждении облучаемого вещества. Процесс, обратный M. п.,- многофотонное индуциров. испускание под действием того же излучения, сопровождающееся квантовым переходом в атоме вещества из возбуждённого состояния |2) в нижнее |1>.

Состояние |2> может относиться как к дискретному, так и к непрерывному спектру. Если |2> принадлежит ионнзац. континууму атома или молекулы, то результатом M. п. является многофотонная ионизация; если же |2) относится к непрерывному спектру колебат. состояний молекулы, то следствием M. п. является инфракрасная многофотонная диссоциация.

Рис. 1. Примеры процессов многофотонного поглощения: a - двухфотонное поглощение; б - вырожденное по частоте трёхфо-тонное поглощение; в- трёхфотонное поглощение при наличии промежуточного двухфотонного резонанса.

Для описания процессов M. п. используют квантово-механическую возмущений теорию. Если падающее излучение содержит монохроматич. компоненты на частотах с интенсивностями соответственно, то для вероятности m -фотонпого перехода из состояния |1) в состояние |2> теория возмущений даёт:

Здесь- разность собств. частоты

и суммы частот поглощаемых фотонов; ф-ция отражает резонансный характер M. п. Для переходов между дискретными уровнями часто применима аппроксимация:

где - однородная полуширина перехода. T. и. составной матричный элемент в теории многофотонных процессов аналогичен матричным элементам переходов для однофотонного поглощения и испускания. Наиб, простой вид принимает для низшего из процессов M. п.- двухфотонного поглощения ( т =2); в электродииольном приближении

где - матричные элементы оператора дипольного момента, - орт-вектор поляризации полей на частотах Суммирование в (2) производится по всем промежуточным состояниям п.

Ф-лы типа (1) и (2) для двухфотонного поглощения были получены M. Гёпперт-Майер (M. Goeppert-Mayer) ещё в 1931, однако экспериментально этот эффект был обнаружен только после создания лазеров, т. к. интенсивности обычных источников излучения недостаточны для его регистрации.

Из (1), (2) следуют осн. особенности M. п. 1) Правила отбора для M. п. определяются составным матричным элементом и отличаются от таковых для однофотонного поглощения. Так, в дипольном приближении двух-фотонные переходы разрешены между состояниями одинаковой чётности, тогда как однофотонные - между состояниями разной чётности (см. Отбора правила).

Для атомов с одним валентным электроном правила отбора по орбитальному (L )и магнитному (M )квантовым числам имеют вид:

где для линейной правой и левой (-) круговой поляризации излучения. Благодаря иным правилам отбора спектры M. п. содержат новую информацию о веществе, отсутствующую в спектрах однофотонного поглощения (рис. 2).

Рис. 2. Спектры однофотонного (кривая 1). и двухфотонного (2 )поглощений в ZnO. Согласно правилам отбора, в однофотонном спектре возникают только s-экситонные линии, в двухфотонном - только р- экситонные линии.

2) Мощность, поглощаемая на частоте единицей объёма, равна (N_1,2 - плотность числа частицв ниж. и верх, состояниях) и является нелинейной ф-цией интенсивности падающего излучения. В частности, если имеет место m -фотонное поглощение из одного монохроматич. пучка с интенсивностью I и изменением населённостей N_i можно пренебречь, то

3) M. п. существенно зависит от поляризации излучения. Эта зависимость полностью определяется составным матричным элементом и имеет место даже в изотропных средах и в средах с кубич. симметрией (индуциров. анизотропия).

4) Скорость M. п. резко возрастает, если хотя бы одна из частот излучения приближается к резонансу с переходом в промежуточное состояние или осуществляется промежуточный многофотонный резонанс.

5) В газовых средах, когда существ, вклад в уширение линий даёт Доплера эффект,M. п. зависит от взаимной ориентации волновых векторов падающего излучения. Атом (или молекула), движущийся со скоростью v, воспринимает частоту падающей световой волны, изменённую за счёт линейного эффекта Доплера на величину - Суммарный доплеровский сдвиг для всех волн, участвующих в M. п., равен -т. е. пропорционален длине суммарного волнового вектора падающих волн Очевидно, что соответствующим подбором направлений распространения световых потоков можно существенно уменьшить влияние эффекта Доплера либо полностью его исключить, если

Для двухфотонного поглощения это достигается в случае встречных световых потоков с одинаковой частотой и используется в нелинейной спектроскопии сверхвысокого разрешения атомов и молекул.

Эффекты распространения монохроматич. эл.-магн. волн в условиях M. п. удобно описывать с помощью тензора нелинейной восприимчивости (ранг тензора - 2т; см. Нелинейная оптика). Мнимая часть этого тензора ответственна на затухание волн в условиях m-фотонного поглощения; соответственно характеризует нелинейное изменение показателей преломления под действием падающих полей.

Распространение излучения в условиях M. п. описывается системой нелинейных уравнений для амплитуд (или интенсивностей) отд. потоков. Если на входе в среду интенсивность одного из потоков мала по сравнению с интенсивностью остальных, то затухание его на расстоянии z даётся ф-лой:

т. е. имеет вид, аналогичный закону Бугера для однофо-тонного поглощения. Здесь - коэф., пропорциональный на частоте При вырожденном по частоте двухфотонном поглощении из одного монохроматич. пучка затухание носит гипербо-лич. характер:

( п- показатель преломления).

Как видно из приведённых ф-л, M. п. 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 M. п. Дальнейшее увеличение интенсивности может вызвать просветление вещества, связанное с насыщением многофотонного перехода (см. Насыщения эффект, Просветления аффект).

Наиб, низкие интенсивности требуются для наблюдения двухфотонного поглощения ( т =2). Напр., для межзонных переходов в полупроводниках и диэлектриках см/Вт, т. е. заметное ослабление пучка за счёт двухфотонного поглощения достигается при интенсивностях Вт/см ². Однако, если регистрировать M. п. косвенными методами, напр, по измерению интенсивности люминесценции, возбуждаемой многофотонным поглощением, то в ряде случаев достаточными оказываются интенсивности падающего излучения

Для регистрации M. п. используются также фотоионизация атомов и молекул с уже возбуждённого уровня, эффект многофотонной фотопроводимости и ряд др. методов.

В поле коротких импульсов, длительность к-рых меньше времени релаксации квантового перехода между уровнями |1) и |2), при M. п. возможно проявление нестационарных когерентных эффектов, таких, как затухание свободной поляризации, оптическая нутация, самоиндуцированная прозрачность.

Процессы M. п. очень важны в квантовой электронике, нелинейной оптике, фотохимии и т. д. 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. На основе M. п. разработан целый ряд методов нелинейной спектроскопии, к-рые широко применяют для исследования квантовых переходов в атомах и молекулах, энергетич. спектра возбуждений в полупроводниках и т. д.

Лит.:Goppert-Mayer M., Uber EIementarakte fur mehrpolige Influcnz-und Kondensatormaschinen, "Ann. Phys.", 1931, Bd 9, S. 273; Kaiser W., Gаrrett C., Two-photon excitation in CaF₂; Eu²⁺, "Phys. Rev. Lett.", 1961, v. 7, p. 229; Dinges R. и др., Two-photon magnetoabsorption in ZnO ⁺ , "Phys. Rev. Lett.", 1970, v. 25, p. 922; Бредихин В. И., Галанин M. Д., Генкин В. H., Двухфотонное поглощение и спектроскопия, "УФН", 1973, т. НО, с. 3; Лоудон Р., Квантовая теория света, пер. с англ., M., 1976; Нелинейная спектроскопия, под ред. H. Бломбергена, пер. с англ., M., 1979; Летохов В. С., Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах, M., 1983; Ш е н И. Р., Принципы нелинейной оптики, пер. с англ., M., 1989.

K. H. Драбович.