Многофотонные процессы
Определение «Многофотонные процессы» по БСЭ:
Многофотонные процессы - процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, сопровождающиеся поглощением или испусканием (или тем и другим) нескольких электромагнитных квантов (Фотонов) в элементарном акте.
Основная трудность наблюдения М. п. - их чрезвычайно малая вероятность по сравнению с однофотонными процессами. В оптическом диапазоне до появления лазеров наблюдались только двухфотонные процессы при рассеянии света: резонансная флуоресценция (см. Люминесценция), релеевское рассеяние света, Мандельштама - Бриллюэна рассеяние и Комбинационное рассеяние света. При резонансной флуоресценции (рис., а) атом или молекула поглощают в элементарном акте одновременно один фотон возбуждающего излучения h ω1 и испускают один фотон hω2 той же самой энергии.
Рассеивающий атом при этом снова оказывается на том же самом уровне энергии E1. В элементарном акте бриллюэновского и комбинационного рассеяний в результате поглощения и испускания фотонов рассеивающая частица оказывается на уровне энергии, удовлетворяющем закону сохранения энергии для всего двухфотонного процесса в целом: увеличение энергии частицы E2 - E1 равно разности энергий поглощённого и испущенного фотонов h ω1 - hω2 (рис., б).
После появления лазеров стало возможным наблюдение процессов многофотонного возбуждения, когда в элементарном акте одновременно поглощается несколько фотонов возбуждающего излучения (рис., в). Так, при двухфотонном возбуждении атом или молекула одновременно поглощают два фотона h ω1 и hω2 и оказываются в возбуждённом состоянии с энергией E2 = E1 + (hω1 + hω2) (см. Вынужденное рассеяние света, Нелинейная оптика).
Представление о М. п. возникло в квантовой теории поля для описания взаимодействия излучения с веществом. Это взаимодействие описывается через элементарные однофотонные акты поглощения и испускания фотонов, причём p-приближению теории возмущений соответствует элементарный акт с одновременным участием p фотонов; p-фотонный переход можно рассматривать как переход, происходящий в p этапов через p - 1 промежуточных состояний системы: сначала поглощается (или испускается) один фотон и система из состояния E0 переходит в состояние E1, затем поглощается (или испускается) второй фотон и система оказывается в состоянии E2 и т. д.; наконец, в результате p элементарных однофотонных актов система оказывается в конечном состоянии Eр.
В случае М. п. с поглощением или вынужденным испусканием p фотонов одинаковой частоты ω величина вероятности перехода пропорциональна числу фотонов этой частоты в степени p, т. е. интенсивности излучения в этой степени.
Вероятность М. п. с участием p фотонов отличается от вероятности М. п. с участием (p - 1) фотона множителем, который в оптическом диапазоне для нерезонансных разрешенных дипольных электрических переходов (см. Квантовые переходы) ∼ (Есв/Еат)І, где Есв - амплитуда напряжённости электрического поля излучения, Еат - средняя напряжённость внутриатомного электрического поля (∼ 109 в/см). Для всех нелазерных источников излучения Есв << Еат и с увеличением числа фотонов вероятность перехода резко уменьшается. В случае лазерных источников уже достигнуты столь большие плотности мощности излучения (1015 вт/смІ), что Есв/Еат ∼ 1 и вероятности М. п. с участием большого числа фотонов становятся сравнимыми с вероятностями однофотонных переходов.
Правила отбора для М. п. отличны от правил отбора для однофотонных. В системах с центром симметрии дипольные электрические переходы с участием чётного числа фотонов разрешены только между состояниями с одинаковой чётностью, а с участием нечётного числа фотонов - между состояниями с разной чётностью. На новых правилах отбора для М. п. основано одно из наиболее принципиальных применений М. п. - многофотонная спектроскопия. Измерение спектров многофотонного поглощения позволяет оптическими методами исследовать энергетические состояния, возбуждение которых запрещено из основного состояния в однофотонных процессах.
В отличие от однофотонных процессов, закон сохранения энергии при М. п. может быть выполнен при результирующем переходе атома из более низкого в более высокое энергетическое состояние не только с поглощением, но и с испусканием отдельных фотонов. Поэтому М. п. лежат в основе методов преобразования частоты излучения лазеров и создания новых перестраиваемых по частоте лазерных источников излучения (генераторов гармоник, генераторов комбинационных частот, параметрических генераторов света и т. п.). На основе М. п. возможно также создание перестраиваемых по частоте источников мощного оптического излучения.
Лит.: Бонч-Бруевич А. М., Ходовой В. А., Многофотонные процессы, «Успехи физических наук», 1965, т. 85, в. 1, с. 3-67; их же, Многофотонные процессы в оптическом диапазоне, «Изв. АН БССР, сер. физико-математических наук», 1965, № 4, с. 13-32.
В. А. Ходовой.
Схемы квантовых переходов для двухфотонных процессов; а - в случае резонансной флуоресценции; б - комбинационного рассеяния и рассеяния Мандельштама - Бриллюэна; в - двухфотонного возбуждения.
Многоустки
Многофотонные процессы
Многоцветная печать
