МНОГОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

МНОГОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ, процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, сопровождающиеся поглощением или испусканием (или тем и другим) нескольких электромагнитных квантов (фотонов) в элементарном акте.

Осн. трудность наблюдения М. п.-их чрезвычайно малая вероятность по сравнению с однофотонными процессами. В оптич. диапазоне до появления лазеров наблюдались только двухфотон-ные процессы при рассеянии света: резонансная флуоресценция (см. Люминесценция), релеевское рассеяние света, Мандельштама - Брил-люэна рассеяние и комбинационное рассеяние света. При резонансной флуоресценции (рис., а) атом или молекула поглощают в элементарном акте одновременно один фотон возбуждающего излучения hw1 и испускают один фотон hw₂ 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 Е₂ - Е1 равно разности энергий поглощённого и испущенного фотонов hw1 -hw₂ (рис., б). После появления лазеров стало возможным наблюдение процессов многофотонного возбуждения, когда в элементарном акте одновременно поглощается неск. фотонов возбуждающего излучения (рис., в). Так, при двухфотонном возбуждении атом или молекула одновременно поглощают два фотона hw1 и hw2 и оказываются в возбуждённом состоянии с энергией Е₂ = Е 1 + (hw1 + + hw₂) (см. Вынужденное рассеяние света, Нелинейная оптика).

Схемы квантовых переходов для двухфо-тонных процессов; а - в случае резонансной флуоресценции; б -комбинационного Рассеяния и рассеяния Мандельштама -риллюэна; в - двухфотонного возбуждения.

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 р-приближению теории возмущений соответствует элементарный акт с одновременным участием р фотонов; р-фо-тонный 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 Ео переходит в состояние Е1, затем поглощается (или испускается) второй фотон и система оказывается в состоянии Е₂ и т. д.; наконец, в результате р элементарных однофотонных актов система оказывается в конечном состоянии Е1.

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

Вероятность М. п. с участием р фотонов отличается от вероятности М. п. с участием (р - 1) фотона множителем, к-рый в оптич. диапазоне для нерезонансных разрешённых дипольных электрич. переходов (см. Квантовые переходы)

тонов вероятность перехода резко уменьшается. В случае лазерных источников уже достигнуты столь большие плотности

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 диполь-ные электрич. 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 оптич. методами исследовать энергетич. состояния, возбуждение к-рых запрещено из осн. 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 энергетич. состояние не только с поглощением, но и с испусканием отд. 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., X о-довой 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.