Transitions à plusieurs quanta et amplification maser dans les systèmes à deux niveaux

Any quantum mechanical system which permits a radiative transition between two energy levels will allow a multiple quanta transition, if, in addition, at least one of the energy levels shows a finite average of the electrical or magnetic dipole moment. This effect can be used for producing a net induced emission of microwave power in systems with a normal (positive temperature). distribution of population. The process is similar to a coherent Raman scattering phenomenon where two quanta are involved in a transition, with one of the photons being absorbed while the other is emitted. Stimulated emission at a frequency ω can thus be obtained from a two level system with energy separation ħ ω0, when an additional radiation field is present at a frequency ω' = ω0 + ω, ω' being larger than ω0. If the applied power at the frequency ω' is distributed over a frequency interval larger than the width of each level, the shape of the emission resonance will be determined by this frequency distribution. The specific case of a spin 1/2 system will be treated to obtain the susceptibility at the amplified frequency and the noise figure originating from spontaneous emission. Application to maser action in ferrites, molecules and other physical systems will be discussed. The effect can also be used for the purposes of spectroscopy and detailed study of the line shape of.an optical transition by inducing a multiple quanta transition of this type in which a combination of optical and microwave photons are involved.Tout système justiciable de la mécanique quantique qui peut devenir le siège de transitions radiatives entre deux niveaux d'énergie peut donner lieu à des transitions à plusieurs quanta si, en plus, l'un au moins des deux niveaux d'énergie possède un moment dipolaire électrique ou magnétique de valeur moyenne finie. On peut tirer parti de cet effet pour produire une émission induite de puissance hertzienne avec une distribution de population normale de température absolue positive. Ce processus est analogue à une diffusion Raman cohérente où deux quanta électromagnétiques interviennent dans la transition, l'un des photons étant absorbé, l'autre étant émis. C'est ainsi qu'on peut obtenir une émission stimulée à une fréquence ω par un système à deux niveaux de séparation énergétique ħ ω0 en appliquant au système un champ de rayonnement de fréquence ω' = ω0 + ω, ω' étant ainsi supérieur à ω0. Si la puissance appliquée à la fréquence ω' est distribuée sur un intervalle de fréquence plus large que la largeur naturelle des niveaux, cette distribution de fréquence détermine la largeur et la forme de la radiation émise ω. Le cas particulier d'un système de spin 1/2 sera traité en détail pour obtenir les expressions de la susceptibilité induite à la fréquence d'amplification ω et pour discuter le facteur de bruit du à l'émission spontanée. On discute l'application à l'effet maser dans des ferrites, dans molécules et dans d'autres systèmes physiques. Cet effet peut aussi être utilisé en spectroscopie en vue d'étudier en détail la forme de raie d'une transition optique en induisant une transition multiple de ce type par application simultanée d'une fréquence optique et d'une fréquence hertzienne