Оптическая нутация – колебательное поведение процессов поглощения и испускания оптического излучения, обусловленное колебаниями разности населенностей уровней энергии вещества при его взаимодействии с сильным резонансным электромагнитным полем. Оптическая нутация – нестационарный эффект, проявляющийся, когда включение взаимодействия вещества с резонансным полем происходит за время, значительно меньшее времен релаксации квантового перехода.

Физическая природа оптической нутации заключается в следующем. Пусть в момент времени t=0 мгновенно включается световое поле E=E₀cos(ωt) , частота которого совпадает с частотой ω_ba разрешенного перехода между уровнями энергии a и b частиц вещества (атомов, молекул и т.д.) (рис.1).

Под действием излучения разность населенностей этих уровней в отсутствие релаксации осцилирует с частотой Раби =d_abE₀/h, то есть квантовая система периодически переходит из нижнего состояния в верхнее и обратно. Соответственно чередуются процессы поглощения и индуцирование испускания излучения. В результате световая волна на выходе из среды оказывается промоделированной по амплитуде с частотой . Термин «нутация» заимствован из теории гироскопов. Его использование основано на том, что уравнения для двух уровневой системы, описывающие эволюцию отклика вещества на взаимодействие резонансного электромагнитного излучения, в векторном представлении аналогичны уравнениям для симметричного волчка. Согласно этим уравнениям, вектор Блоха, изображающий мгновенное состояние системы, прецессирует под действием излучения на интервалах времени t<<T₂ ( T₂ – время поперечной релаксации) вокруг определенного направления с частотой

,

что соответствует изменению угла прецессии волчка, т. е. нутации. Нутационное движение вектора Блоха отражает колебательное повеление амплитуды наведенного полем дипольного момента резонансной частицы и разности населенностей ее уровней энергии.
В оптически тонких средах эффект оптической нутации проявляется в виде затухающих колебаний огибающей импульса резонансного излучения на выходе из среды (рис.2). Причиной затухания в первую очередь являются процессы релаксации, которые приводят к уменьшению амплитуды нутационных колебаний отклика резонансных частиц, а, следовательно, и к постепенному уменьшению глубины модуляции прошедшей волны. Если линия резонансного перехода уширена неоднородно, то значит, роль играет также так называемый интегральный механизм затухания: нутационные колебания отклика частиц, имеющие различные значения ω_ba происходит с разными частотами, что приводит к затуханию средних по ансамблю осцилляций разности населенностей и амплитуды резонансной поляризации.

 

Явление оптической нутации относится к явлениям когерентного взаимодействия поля с веществом и представляет собой периодическое изменение начального состояния системы под влиянием поля внешней электромагнитной волны, которое приводит к соответствующей модуляции излучения среды. 

 Для регистрации эффекта оптической нутации используются различные методы: возбуждение резонансного перехода мощными световыми импульсами с длительностью <<Т₂; включение взаимодействия оптического излучения со средой при помощи настройки частоты перехода в резонанс с излучением лазеров непрерывного действия за счет штарковского сдвига спектральной линии в импульсном электрическом поле: быстрое переключение частоты генерации лазеров. Кроме модуляции резонансного излучения эффект оптической нутации проявляется в виде колебаний интенсивности излучения, генерируемого за счет резонансных параметрических взаимодействий. Своеобразное проявление оптической нутации в оптически плотных средах – эффект самоиндуцированной прозрачности . Эффект оптической нутации является основой ряда методов когерентной лазерной спектроскопии. Его применение в первую очередь связано с возможностью прямых намерений матричных элементов квантовых переходов – при двухфотонном поглощении и вынужденном комбинационном рассеянии света.

Нутация: малые периодические колебания вокруг среднего положения, совершаемые вдоль вращательной оси телом, имеющим гироскопический момент (рис.1).

В основе всей теоpии излучения (и поглощения) света атомами лежит фоpмула, введенная в 1913 году Н. Боpом:

где E_n и E_m - два каких-то дискpетных значения энеpгии атома, ν - частота света, соответствующая данному пеpеходу атома.

Что касается поглощения света, то фотон с соответствующей частотой, попадая на атом, имеет веpоятность быть захваченным (поглощенным) атомом, вследствие чего атом пеpейдет на более высокий энеpгетический уpовень. Сложнее дело обстоит с излучением. Существует не один, а два механизма излучения, и это обстоятельство очень важно. Один механизм не связан ни с каким внешним воздействием на атом: возбужденный атом спустя опpеделенное, но случайное вpемя сам по себе пеpеходит на нижний энеpгетический уpовень с излучением фотона соответствующей частоты. Такой механизм излучения называется спонтанным (самопpоизвольным) излучением. Спонтанное излучение pазличных атомов, очевидно, не находится ни в какой согласованности: каждый атом излучает сам по себе, независимо от дpугого. Дpугой механизм излучения называется вынужденным или индуциpованным. Используя индуциpованное излучение, можно добиться того, что возбужденная сpеда будет излучать: и монохpоматический, и когеpентный, т.е. согласованный по фазе, и одинаково поляpизованный, и напpавленный в одном опpеделенном напpавлении. Именно такой свет излучается лазеpами - оптическими квантовыми генеpатоpами.