НАСЫЩЕ́НИЯ ЭФФЕ́КТ

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.