НАСЫЩЕ́НИЯ ЭФФЕ́КТ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
НАСЫЩЕ́НИЯ ЭФФЕ́КТ, выравнивание населённостей двух уровней энергии квантовой системы (атома, молекулы) под действием резонансного электромагнитного излучения. Н. э. имеет место в поле непрерывного излучения или достаточно длинных импульсов. В этом случае вероятность вынужденных (индуцированных) переходов с нижнего уровня на верхний (поглощение) равна вероятности аналогичных переходов с верхнего уровня на нижний (вынужденное испускание) и пропорциональна интенсивности электромагнитного излучения. Т. к. скорость вынужденных переходов между уровнями пропорциональна их населённости, разность населённостей уровней уменьшается при увеличении интенсивности падающего излучения. Соответственно уменьшается и доля поглощаемой в среде мощности; говорят, что квантовый переход насыщается. Степень насыщения определяется соотношением скоростей вынужденных переходов и релаксационных процессов, ответственных за установление равновесного распределения населённостей по уровням.
Если на среду, представляющую собой набор одинаковых двухуровневых систем с собств. частотами ω_{21}, падает монохроматич. электромагнитная волна с частотой ω и интенсивностью I, то разность населённостей нижнего и верхнего уровней ΔN=N_1-N_2 описывается выражением ΔN=ΔN_0[1+(I/I_н)γ^2/(γ^2+ (ω-ω_{21})^2)]^{–1}, где Δ\!N_0 – разность населённостей в отсутствие падающего излучения, γ – однородная полуширина спектральной линии, I_н – т. н. насыщающая интенсивность. В точном резонансе (ω=ω_{21}) при I=I_н разность населённостей уменьшается в 2 раза: ΔN=(1/2)ΔN_0. При очень больших интенсивностях падающего излучения скорость вынужденных переходов намного превышает скорость релаксационных процессов и населённости уровней практически выравниваются (ΔN→0). Значение насыщающей интенсивности I_н определяется типом квантового перехода, его однородной шириной и временем релаксации населённостей. Для электродипольных переходов величина I_н может составлять от долей Вт/см2 до десятков и даже сотен кВт/см2.
Н. э. в поглощающих средах (ΔN_0>0) приводит к уменьшению коэф. поглощения (см. Просветления эффект). При сильном насыщении (ΔN→0) поглощаемая веществом мощность перестаёт зависеть от интенсивности поля, т. е. переход насыщается. В усиливающей среде с инверсной населённостью (ΔN_0<0) Н. э. вызывает уменьшение коэф. усиления, уменьшается абсолютная величина резонансной добавки к показателю преломления, т. е. Н. э. обусловливает зависимость показателя преломления от интенсивности падающего поля и является одной из причин резонансного самовоздействия волн.
При заданной интенсивности поля степень насыщения максимальна в точном резонансе и убывает с увеличением отстройки от резонанса. Это приводит к деформации спектральных линий. При однородном уширении линия поглощения падающего излучения сохраняет лоренцеву форму, но увеличивается её ширина (т. н. полевое уширение, или уширение вследствие насыщения).
Н. э. играет важную роль в квантовой электронике. Он стабилизирует амплитуду колебаний в лазерах и мазерах, ограничивает сверху динамич. диапазон квантовых усилителей. Н. э. применяется для стабилизации частоты генерации лазеров, для модуляции их добротности, пассивной синхронизации мод и т. д. Н. э. – основа спектроскопии насыщения, позволяющей изучать с высоким разрешением структуру неоднородно уширенных спектральных линий и полос. Н. э. может проявляться и в многофотонных переходах между квантовыми уровнями при существенно более высоких интенсивностях излучения, чем в однофотонных переходах.