交叉耦合饱和吸收光谱效应在非线性光学与光子学中的应用

如上所述，常用的饱和吸收光谱分析方法，是使用出自同一台可调谐激光器的两反向光束重合入射到其他样品中，在调谐激光频率的同时同步记录弱探测光束吸收的相对变化，可观测到一条或多条狭窄的凹陷，凹陷的中心位置对应于气体分子或原子的一种特定的吸收跃迁中心频率。这种结论成立的条件，是假设各跃迁彼此独立地发生而无相互耦合作用。实际上，当所考虑的两个（或多个）吸收跃迁是出自同一低能级，或者是终止于同一高能级，则它们之间有可能产生相互耦合影响，这种影响可以通过饱和吸收光谱法加以检测和分析。

为简明起见，首先考虑如图9-8（a）所示三能级系统，吸收跃迁ωab和ωac起始于同一低能级a。在此情况下，当入射激光频率调谐到分别等于ωab和ωac时，可按预计探测到两个凹陷。然而，当激光频率调谐到等于如下的一个特殊位置时：

强的饱和光束将与具有以下特殊速度值的两组气体分子产生共振作用。

这种作用的结果，是在具有多普勒加宽轮廓的能级a上的粒子分布曲线出现两个窄凹陷，同时在高能级b和c上粒子数按速度分布曲线出现两个窄尖峰。对具有同样频率而反向行进的弱探测光束而言，将与同样由式（9-28）表示的两组分子作用，并进而探测到由饱和光束造成的交叉耦合饱和吸收效应，其实际结果是在（ωab+ωac）/2频率位置处，将出现一个附加的吸收凹陷，如图9-8（a）所示。

图9-8　具有交叉耦合共振作用的饱和吸收光谱效应(www.xing528.com)

（a）两种跃迁出自于同一低能级a；（b）两种跃迁终止于同一高能级c（由强饱和光束激励的跃迁用实箭头线表示，由弱探测光束引起的跃迁用虚箭头线表示）

另外一种交叉耦合作用的情况，是发生在如图9-8（b）所示的三能级系统中，此时所考虑的吸收跃迁ωac和ωbc终止于同一高能级c。当激光频率调谐到如下的特殊值时，

强的饱和光束将与具有以下特殊速度值的两组气体分子产生共振作用：

这种作用的结果，是在具有多普勒加宽轮廓的粒子数曲线Na和Nb上形成两个窄凹陷，同时在高能级粒子数按速度分布曲线上出现两个窄尖峰。具有以上特定速度值的两组已被激发到高能级c上的部分粒子，可通过一定的弛豫机制回到低能级a和b。以与饱和光束作用而产生ωac跃迁的组分子为例，部分由高能级c回到能级a上的分子继续受到饱和光束作用而被再次激发，故在Na曲线上已形成的凹陷基本不受影响。但与此同时，部分由高能级c回到能级b上的分子却可积累，并在Nb曲线上的位置处形成一个小的尖峰，该尖峰的高低，决定于分子在能级c和b上的具体弛豫特性。同样，相对于-组分子而言，在Nb曲线上形成一个窄凹陷的同时，也将在Na曲线上形成一个小的尖峰。在上述情况下，对反向行进的探测光束来说，在调谐到（ωac+ωbc）/2频率时，将经历到表观吸收系数的变化，这种变化可表现为吸收的减小，也可表现为吸收的增大，具体决定于由该光束引起的吸收跃迁高低能级粒子数曲线窄尖峰峰值的相对大小。若高能级上的尖峰峰值大于低能级上的尖峰峰值，则吸收变小；反之，则吸收变大。

交叉耦合作用与吸收饱和光谱效应相结合的具体实验研究结果，可参见9.5.2节。