На малюнку 1а зображені два однофотонних переходу: спочатку поглинається один фотон з енергією і мікрооб'єкт переходить з рівня 1 на рівень 2, потім поглинається інший фотон і мікрооб'єкт переходить з рівня 2 на рівень 3. А як зобразити двухфотонний перехід, в якому поглинаються два фотона з енергіями. Такий перехід прийнято зображати так, як показано на малюнку 1б. на якому пунктиром показаний так званий віртуальний рівень. |
Що таке «віртуальний рівень»? Пояснюючи це поняття, нагадаємо, що двухфотонний перехід не можна розбити в часі на два етапи. Звідси випливає, що принципово не можна виявити мікрооб'єкт на віртуальному рівні (в іншому випадку можна було б говорити про два етапи - до виявлення і після виявлення мікрооб'єктів). Саме цим і відрізняється віртуальний рівень від звичайного енергетичного рівня.
Чи можна зробити висновок звідси, що віртуальний рівень виявляється «неіснуючим», «нереальним»? Адже на будь-якому реально існуючому енергетичному рівні мікрооб'єкт може бути в принципі виявлений!
Ми не станемо обговорювати тут ступінь реальності (або нереальності) віртуальних рівнів. Для нас головне полягає в тому, що реально існують як однофотонні, так і многофотонние переходи. І якщо для подання однофотонних переходів досить системи звичайних (реальних) енергетичних рівнів, то для подання Багатофотонні переходів такої системи рівнів вже недостатньо доводиться звертатися до специфічного розуміння - поняття віртуальних рівнів. Наведений на малюнку 1 приклад досить ясно, показує специфіку це поняття.
- Генерація другої гармоніки - явище народження вторинних електромагнітних хвиль подвоєної частоти в результаті нелінійної взаємодії електромагнітної хвилі з речовиною.
При падінні електромагнітної хвилі невеликої амплітуди на діелектрик сумарний дипольний момент одиниці об'єму (поляризація діелектрика) пропорційний амплітуді хвилі. В результаті дипольний момент народжує вторинну хвилю тієї ж частоти. При великих амплітудах сумарний дипольний момент є нелінійної функцією амплітуди падаючої хвилі. Тобто він залежить не тільки від першої, але і від другої, третьої і наступних ступенів амплітуди падаючої хвилі. Це і призводить до народження вторинних хвиль подвоєною, потроєною і т. Д. Частоти (з тригонометрії відомо, що cos 2 # 969; t = (1 + cos 2 # 969; t) / 2), cos 3 # 969; t = (3cos # 969; t + cos 3 # 969; t) / 4)
В сегнетоелектриках з великою поляризуемостью. Потенційна яма для електрона там сильно несиметрична. Тому сегнетоелектрік зі спонтанною поляризацією багато ефективніше перетворює частоту випромінювання, ніж інші кристали. Також спостерігається в полімерах, що містять в своєму обсязі молекули з нелінійно-оптичними хромофорами - вони також мають велику поляризуемостью.
- Синхронізація мод - метод лазерної фізики, за допомогою якого вдається зв'язати фази різних мод в лазері, отримавши тим самим сверхкороткие імпульси порядку пико- або фемтосекунд.
Основа цього методу полягає в необхідності пов'язати певним співвідношенням фази мод в лазері. Інтерференція між цими модами служить причиною того, що лазерне випромінювання являє собою послідовність імпульсів. Залежно від характеристик лазера ці імпульси можуть бути надкоротких, наприклад, фемтосекундними.
-Додавання частот світла - Багатофотонні процес взаємодії лазерного випромінювання з речовиною, при якому поглинаються два або більше квантів лазерного випромінювання, а випромінюється один квант з частотою, яка дорівнює сумі частот поглинених квантів.
У процесі поглинання декількох квантів зовнішнього поля електрон в атомі або молекулі переходить з одного зв'язаного стану в інше. У разі поширення двох хвиль з різними частотами # 969; 1 і # 969; 2 атом поглинає два кванта з цими частотами і потім випромінює один квант з частотою # 969; 3 = # 969; 1 + # 969; 2 (відповідно до закону збереження енергії).
Явище складання частот світла використовується для отримання когерентного випромінювання в ультрафіолетовій області спектра, де відсутня лазерне випромінювання і для вивчення тривалості і форми імпульсу лазерного випромінювання. Явище генерації різницевої частоти використовується для генерації світла в середньому і далекому інфрачервоному діапазоні аж до міліметрових довжин хвиль.
-Генерація третьої гармоніки - генерація світла з потроєною частотою. Зазвичай є комбінацією двох попередніх явищ: спочатку відбувається подвоєння частоти, а потім складання частот вихідної хвилі і хвилі з подвоєною частотою;
-Параметричні генератори світла. джерела когерентного оптичного випромінювання, основним елементом яких є нелінійний кристал, в якому потужна світлова хвиля фіксованої частоти параметрично збуджує світлові хвилі меншої частоти. Частоти параметрично порушуваних хвиль визначаються дисперсією світла в кристалі. Зміна дисперсії середовища, т. Е. Величини n, дозволяє управляти частотою хвиль, випромінюваних П. р с.
Очевидно, параметричне збудження відбувається, якщо поле накачування перевищує поріг. У середовищі з нормальною дисперсією, коли показник заломлення n збільшується зі зростанням частоти w, синхронне взаємодія хвиль нездійсненно (рис. 1). Однак в анізотропних кристалах, в яких можуть поширюватися два типи хвиль (звичайна і незвичайна), умова фазового синхронізму може бути здійснено, якщо використовувати залежність показника заломлення не тільки від частоти, а й від поляризації хвилі і напрямку поширення. Наприклад, в одноосьовому негативному кристалі (див. Крісталлооптіка) показник заломлення звичайної хвилі n0 більше показника заломлення незвичайної хвилі ne, який залежить від напрямку поширення хвилі відносно оптичної осі кристала.
щодо оптичної осі кристала називається кутом синхронізму, є функцією частот накачування і одній з порушуваних хвиль. Змінюючи напрям поширення накачування відносно оптичної осі (повертаючи кристал), можна плавно перебудовувати частоту ПСуществуют і ін. Способи перебудови частоти П.с. пов'язані із залежністю показника заломлення n від температури, зовнішнього електричного поля і т.д.
Для збільшення потужності П. р с. кристал поміщають усередині відкритого резонатора, завдяки чому хвилі пробігають кристал багато разів за час дії накачування (збільшується ефективна довжина кристала, рис. 3). Перебудова частоти такого резонатора П. р с. відбувається невеликими стрибками, обумовленими різницею частот, відповідних поздовжнім модам резонатора. Плавну перебудову можна здійснити, комбінуючи повороти кристала із зміною параметрів резонатора.
У багатьох країнах організований промисловий випуск П. р с. Джерелом накачування служить випромінювання лазера (імпульсної і безперервної дії) або його оптичних гармонік. Існуючі П. р с. перекривають діапазон довжин хвиль від 0,5 до 4 мкм. Розробляються П. р с. перебудовувані в області l 10-15 мкм. Окремі П. р с. забезпечують перебудову частоти в межах 10% від wн. Унікальні характеристики П. р с. (Когерентність випромінювання, вузькість спектральних ліній, висока потужність, плавна перебудова
- Спонтанне параметричне розсіювання (СПР, SPDC) - важливий процес в квантовій оптиці при якому розсіяні фотони утворюються у вигляді довгих пар, формуючи так зване біфотонное поле. В процесі СПР нелінійна середовище (кристал) розділяє надходять фотони на пари, сумарні енергія і імпульс яких дорівнюють енергії і імпульсу вхідних фотонів.
Один квант з енергією розпадається на два і c дотриманням законів збереження енергії та імпульсу.
Генеруються частоти визначаються законом збереження імпульсу, тобто напрямком в кристалі, в якому виконується цей закон для даних частот. Таким чином, обертаючи кристал, можна плавно змінювати частоту генерованого випромінювання в широких предлелах. Дане явище використовується для генерації перестаіваться по частоті інфрачервоного випромінювання.