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, 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.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира