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二光子吸収

noname#11476の回答

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noname#11476
noname#11476
回答No.3

二光子吸収は、その名の通り2つの光子と電子との相互作用によって、2つの光子のエネルギーが電子に吸収される(上の順位に遷移する)現象です。 正確な記述は量子力学に頼らざる終えませんが、正確性を犠牲にして出来るだけわかりやすく説明してみようと思います。 通常の吸収は、電子の下の準位Aと上の準位Bの間のエネルギー差Eに相当する光子がやってきたときに、Aの電子は入ってきた光子の電場によって摂動を受けます(平たくいうと揺すぶられる)。 その揺すぶられた電子には丁度上の準位Bに相当する成分があり、エネルギを吸収して上の準位にいくことが出来るわけです。(共鳴が起きる) 電子の軌道は波として表せるので、振動数で表すと、エネルギーを下の準位をωA、上の準位をωB、光子のエネルギーをωPとすると、 ωA+ωP=ωB となります。(本当はこれにプランク定数hをかけた値がエネルギ)このときには、光子のエネルギωP=ωB-ωA さて、非常に入射光が強いときに、ωB-ωA>ωXとなるωXの光子が入ると、共鳴はしませんが、それでも電子は摂動を受けるので、 ωA+ωX なる電子の状態が生まれます。ここに、ωX+ωY=ωB-ωAなるωYの光が入射すると、 (ωA+ωX)の電子状態とωYが相互作用して、 (ωA+ωX)+ωY = ωB なる遷移が起きます。これにより、上の電子準位Bに遷移するわけです。これを2光子吸収と呼んでいます。 ここで、(ωA+ωX)の電子状態は一時的なものであり、量子力学上は電子の軌道にはなり得ない物ですが、摂動を受けている状態として存在している物ですが、近似的に仮の準位として発生したのだとイメージするのがわかりやすいと思います。 より正確に言うと、実際には、ωAとωXとωY全部が同時に相互作用しています。 一光子吸収の場合と違って、(ωA+ωX)みたいな摂動は、電子によって共鳴しないので、非常に強い光を入れないと起きないのが特徴です。 上の準位に遷移した電子が下の準位に戻るのは、その媒質によって様々で、光を発生して戻る物や熱に変わる物、他の準位をたどって戻ってくる物などいろいろです。 (光になって戻る物は、よくフェムト秒パルス光のパルス巾の測定に使われます) 通常は、ωX=ωYで起きる現象がよく知られていますが、原理的にはX=Yである必要はありません。 更にいうと、多光子吸収という現象もあります。

2makishi
質問者

お礼

すばらしいの一言です。あと、光子吸収の応用として上げられるものをお教えていただければ、すごくうれしいです。

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