Многофотонные процессы

Определение "Многофотонные процессы" в Большой Советской Энциклопедии

Квантовые переходы для двухфотонных процессов (схемы)

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 Многофотонные процессы - 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 ћw₁ и испускают один фотон ћw₂ 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 ћw₁ - ћw₂ (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 ћw₁ и ћw₂ и оказываются в возбуждённом состоянии с энергией E₂ = E₁ + (ћw₁ + ћw₂) (см. Вынужденное рассеяние света, Нелинейная оптика).

  Представление о Многофотонные процессы возникло в квантовой теории поля для описания взаимодействия излучения с веществом. Это взаимодействие описывается через элементарные однофотонные акты поглощения и испускания фотонов, причём р-приближению теории возмущений соответствует элементарный акт с одновременным участием р фотонов; р-фотонный переход можно рассматривать как переход, происходящий в р этапов через р - 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 р элементарных однофотонных актов система оказывается в конечном состоянии E_р.

В случае Многофотонные процессы с поглощением или вынужденным испусканием р фотонов одинаковой частоты w величина вероятности перехода пропорциональна числу фотонов этой частоты в степени р, т. е. интенсивности излучения в этой степени.

Вероятность Многофотонные процессы с участием р фотонов отличается от вероятности Многофотонные процессы с участием (р - 1) фотона множителем, который в оптическом диапазоне для нерезонансных разрешенных дипольных электрических переходов (см. Квантовые переходы) ~ (Е_св/Е_ат)², где Е_св - амплитуда напряжённости электрического поля излучения, Е_ат - средняя напряжённость внутриатомного электрического поля (~ 10⁹ в/см). Для всех нелазерных источников излучения Е_св << Е_ат и с увеличением числа фотонов вероятность перехода резко уменьшается. В случае лазерных источников уже достигнуты столь большие плотности мощности излучения (10¹⁵ вт/см²), что Е_св/Е_ат ~ 1 и вероятности Многофотонные процессы с участием большого числа фотонов становятся сравнимыми с вероятностями однофотонных переходов.

Правила отбора для Многофотонные процессы 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 Многофотонные процессы основано одно из наиболее принципиальных применений Многофотонные процессы - 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 Многофотонные процессы 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 Многофотонные процессы 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 Многофотонные процессы 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.