НАСЫЩЕНИЯ ЭФФЕКТ

НАСЫЩЕНИЯ ЭФФЕКТ

- 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/см ² до сотен кВт/см ² 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).

Лит. см. при статьях Двухуровневая система, Квантовая электроника, Нелинейная спектроскопия. Лазер.

К.H. Драбович.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.