Затухание свободной поляризации. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Затухание свободной поляризации - обусловленное релаксационными процессами уменьшение амплитуды поляризации среды после прекращения действия возбуждающего импульса резонансного эл--магн. излучения. Падающий на среду импульс когерентного эл--магн. излучения с частотой w, резонансной разрешённому переходу между квантовыми состояниями | а > и | b > (соответствующими уровням энергии а и b отдельных квантовых систем, т. е. атомов, молекул, примесных центров и т. д.), создаёт когерентную суперпозицию этих состояний, индуцируя тем самым элементарные диполи, колеблющиеся с частотой возбуждающего поля и связанные между собой по фазе. В результате возникает волна поляризации вещества, имеющая частоту w и волновой вектор k, равный волновому вектору падающего импульса. По окончании импульса, т. е. когда среда свободна от воздействия поля, резонансная поляризация ещё сохраняется, однако её амплитуда со временем уменьшается (затухает), а эл--магн. волна, создаваемая колеблющимися с затухающей амплитудой диполями, регистрируется как сигнал 3. с. п. [1-3]. Аналогом 3. с. п. в ядерном магнитном резонансе является эффект затухания свободной индукции. Имеются две качественно различные причины, вызывающие 3. с. п. Первая из них - это процессы необратимой релаксации, к-рые приводят к распаду состояний | а > и | b > (спонтанное испускание, неупругие столкновения и т. д.) или к сбою их фаз (упругие столкновения). Эти процессы характеризуются временем поперечной релаксации Т₂ и обусловливают т. н. однородное уширение спектральных линий (см. Ширина спектральной линии). Вторая причина - различие собственных частот w_bа, обусловленное либо эффектом Доплера при тепловом движении атомов и молекул в газе, либо смещением квантовых уровней в неоднородном внутрикристаллич. или внеш. поле (неоднородное уширение линии перехода). Поскольку в свободном состоянии диполи колеблются с собств. частотами w_bа, то возникает их расфазировка, приводящая к дополнит. затуханию поляризации. Если возбуждающий импульс имеет прямоугольную форму (рис. 1) и длительность t<<T₂, Т*₂ (T*₂

, g_H- неоднородная полуширина линии), а длина среды L<<l (l - длина резонансного поглощения), то эволюция затухающей амплитуды свободной поляризации описывается формулой:

где N - плотность числа резонансных излучателей,

- частота Раби (см. Двухуровневая система), Е - амплитуда возбуждающего импульса, d_ba - матричный элемент дипольного момента. Интенсивность сигнала 3. с. п.

т. е. пропорциональна квадрату числа излучателей - особенность, присущая процессам когерентного испускания. Подобная зависимость характерна и для эффекта сверхизлучения. Макс. значение I_с достигается при Wt =p/2 (см. p- импульс).

Рис. 1. Действие возбуждающего сигнала 1 на двухуровневую систему; 2 - сигнал затухания свободной поляризации.

Если падающий импульс возбуждает одновременно два (или более) близких по частоте квантовых перехода, то вклады этих переходов в поляризацию интерферируют, и сигнал 3. с. п. оказывается промодулированным с разностной частотой. Это одно из проявлений т. н. эффекта квантовых биений (см. Интерференция состояний). Эффекты, подобные 3. с. п., имеют место и при многофотонном возбуждении квантовых переходов, когда определ. комбинация частот падающих импульсов (напр., сумма или разность) совпадает с частотой соответствующего квантового перехода. В этом случае, однако, формируемый макроскопич. отклик среды может оказаться неизлучающим вследствие правил отбора (см. Многофотонные процессы, Многофотонное поглощение). Для его наблюдения используются дополнительные (пробные) импульсы, в поле к-рых когерентный отклик вовлекается в процесс параметрич. смешения частот. Генерируемое при этом излучение, как правило, отличается по частоте и направлению от возбуждающего, что удобно для выделения сигнала [2-4]. Примером является поведение сигнала когерентного отклика типа свободной поляризации при двухфотонном возбуждении молекул азота в сверхзвуковой струе (рис. 2) [5].

Рис. 2. Эволюция когерентного отклика молекул азота. Сплошная линия - теоретический расчёт; светлые кружки - эксперимент.

Возбуждение осуществлялось с помощью одновременного воздействия двух пикосекундных импульсов лазерного излучения, разность частот к-рых w₁ - w₂ совпадала с частотой W_J перехода между колебательно-вращательными уровнями молекулы азота с одинаковыми значениями вращательного квантового числа J в основном и возбуждённом колебат. состояниях. Регистрировался сигнал 3. с. п. на частоте излучения w₃+W_J, генерируемого за счёт когерентного антистоксова комбинац. рассеяния пробного пикосекундного импульса с частотой w₃, подаваемого через варьируемое время задержки Dt. Колебания амплитуды сигнала обусловлены интерференцией вкладов квантовых переходов с различными J. 3. с. п. и аналогичные ему эффекты широко используются для прямых измерений времён дефазировки квантовых состояний в атомах и молекулах, распада элементарных возбуждений в конденсиров. средах и т. д. Проявляющийся в 3. с. п. эффект квантовых биений позволяет определять частотные интервалы между близко расположенными уровнями энергии (см. Нелинейная спектроскопия).

Литература по затуханию свободной поляризации

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.