Нестационарная спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света Тункин, Владимир Григорьевич

Введение к работе

Метод нестационарной^спектроскопии когерентного антистоксо- —

ва рассеяния света (КАРС) стал в настоящее время одним из основных методов изучения процессов дефазировки в конденсированных средах. В этом методе измеряется зависимость энергии антистоксова сигнала от задержки зондирующего импульса относительно возбуждающих (отклик). Данный метод позволяет прямым образом наблюдать процессы дефазировки, для него характерен большой динамический диапазон измерения энергии антистоксова сигнала при регистрации откликов. Применение в нестационарных спектрометрах КАРС фемтосекундных генераторов световых импульсов позволяет изучать процессы дефазировки в конденсированных средах наиболее результативным образом.

Актуальность темы. В то же время задача изучения процессов дефазировки в газовых средах не нашла своего решения в рамках метода нестационарной спектроскопии КАРС. Использование в нестационарных спектрометрах КАРС пикосекундных генераторов на гранате с неодимом с длительностью импульсов около ЗОпс позволило бы эффективно изучать процессы дефазировки в газовых средах, в которых времена дефазировки для не очень плотных газов составляют сотни пикосекунд- единицы наносекунд.

Для работы с газовыми средами существенно также то, что метод нестационарной спектроскопии КАРС обладает потенциально высоким эквивалентным спектральным разрешением, определяемым, в основном, величиной задержки зондирующего импульса относительно возбуждающих. Высокое эквивалентное спектральное разрешение метода нестационарной спектроскопии КАРС и большой динамический диапазон измерения энергии антистоксова сигнала позволяют в

сложных случаях при действии различных механизмов дефазировки, имеющих место в газовых средах, надеяться на идентификацию их проявления и на определение соответствующих констант.

Именно к такому сложному случаю можно отнести мало изученные переходы между электронными оболочками атомов редкоземельных элементов, экранированных внешними электронами, например, таких, как переход 4F_7/2- ^4F₅/2 ^в ТУ-¹¹ №) Адиабатическая дефазиров-ка, ярко проявляющая себя в случае обычных оптических переходов в атомах и потому эффективно препятствующая наблюдению эффекта Дике, в случав экранированных переходов проявляет себя заметно слабее. В стационарной спектроскопии эффект Дике проявляет себя в сужении ширины спектральной линии на полувысоте, (эффект сужения Дике), в нестационарной спектроскопии в подъеме крыла отклика (эффект замедления доплеровской дефазировки). Как было показано в работе [II, эффект Дике проявляет себя ярче в нестационарной спектроскопии; с ее помощью при достаточно большом динамическом диапазоне измерения откликов можно, наряду с адиабатической дефазировкой, регистрировать и замедление доплеровской дефазировки.

Экспериментальная ситуация еще более усложняется, если проявит себя также третий механизм дефазировки - неадиабатическая дефазировка, приводящая к эффекту спектрального обмена. Именно такая ситуация имела место при изучении перехода

^4F7/₂-^4F5/2 ^{В ТУЛИИ}-

Предел чувствительности метода стационарной спектроскопии КАРС при измерении малых концентраций частиц, а также при регистрации относительно слабых резонансов, обусловлен наличием нерезонансного фона. Для его подавления в стационарной спектрос-

копии КАРС используется поляризационная методика, которая может Сыть применена и в нестационарной спектроскопии КАРС. Но_ в последнем методе имеется дополнительная возможность устранения нерезонансного фона, использующая различие времен дефазировки нелинейностей, обусловливающих нерезонансный фон и резонансный сигнал. Особенно велико это различие в газовых средах. Если зондирующий импульс задерживается относительно возбуждающих так, что фронт зондирующего импульса и спад возбуждающих импульсов начинают удаляться друг от друга, то нерезонансный сигнал должен уменьшиться в значительно большей степени, чем резонансный. Фиксируя далее задержку и проводя спектральные измерения, мы получаем возможность регистрировать спектры практически в отсутствие нерезонансного фона, жертвуя при этом в некоторой степени спектральным разрешением. Реализация этой возможности позволила бы успешно применять метод нестационарной спектроскопии КАРС в аналитических целях.

Функционирование спектрометра нестационарной спектроскопии КАРС в значительной степени зависит от стабильности параметров пикосекундных импульсов, генерируемых задающим генератором. Как было показано в ряде работ, применение отрицательной обратной связи по добротности резонатора обеспечивает в общем случае стабильность параметров генерируемых пикосекундных импульсов. Со-вершенствоание работы пикосекундных генераторов с отрицательной обратной связью актуально не только для экспериментальной реализации метода нестационарной спектроскопии КАРС.

В схеме нестационарного спектроматра КАРС в качестве источника одного из возоуждающих импульсов желательно, использовать генератор пикосекундных импульсов с перестройкой частоты. В

качестве такового в ряде экспериментов, выполненных в данной работе, использовался параметрический генератор света (ПГС) на двух кристаллах LtNb0₃, накачиваемый одиночными импульсами длительностью около ЗОпс. К сожалению, импульсы такого ПГС весьма далеки от спектрально-ограниченных, что заметно снижает величину энергии антистоксова сигнала. Цель диссертационной работы.

1. Разработать метод нестационарной спектроскопии КАРС, как ме
тод изучения процессов дефазировки в газовых средах.

1. Разработать нестационарный спектрометр КАРС с достаточно высокой стабильностью используемых пикосекундных импульсов, в том числе импульсов, перестраиваемых по частоте, близких к спектрально-ограниченным, на основе пикосекундных генераторов на гранате с неодимом с пассивной синхронизацией мод.

2. Провести модельные эксперименты, с помощью которых продемонстрировать согласие результатов, получаемых методом нестационарной спектроскопии КАРС и методами стационарной спектроскопии.

3. Продемонстрировать высокое эквивалентное спектральное разрешение разрабатываемого метода и большой динамический диапазон измерения энергии антистоксова сигнала.

4. Изучить процессы дефазировки колебательно- вращательных переходов молекул азота при низких температурах, получаемых с помощью, сверхзвуковых струй.

5. Продемонстрировать важность раздельной регистрации отдельных мультипольних компонент комбинационного рассеяния.

6. Зарегистрировать эффект Дике на атомных переходах в оптической области спектра.

8. Зарегистрировать эффект спектрального обмена на сверхтонких компонентах атомных переходов.

9. Идентифицировать вклады различных механизмов дефазировки перехода 4F_7/2- ^4F₅/2 ^атомов тулия, слабо уширяемого столкновениями за счет экранирующего действия внешних электронов, и определить соответствующие столкновительные константы.

Научная новизна. В данной работе впервые:

1. получены перестраиваемые по частоте пикосекундные импульсы при инжекции узкополосного излучения в параметрический генератор света, накачиваемый одиночными пикосекундными импульсами,

2. зарегистрированы биения компонент Q-ветви молекул, охлажденных в сверхзвуковой струе,

3. зарегистрировано возрастание сечения дефазирующих столкновений молекул при охлаждении до температуры 25К в сверхзвуковой струе,

4. зарегистрирован эффект Дике на атомных переходах в оптической области спектра,

5. зарегистрирован эффект спектрального обмена на сверхтонких компонентах атомных переходов,

6. идентифицированы вклады различных механизмов дефазировки слабо уширяемого столкновениями (за счет экранирующего действия внешних электронов) перехода редкоземельных атомов, и определены соответствующие столкновительные константы.

Защищаемые положения. Защищаемые в диссертационной работе положения формулируются следующим образом:

I. инжекция узкополосного излучения дозволяет получить в параметрическом генераторе света, накачиваемом одиночными пикосекундными импульсами длительностью около ЗОпс, пикосекундные им-

пульсы близкие к спектрально-ограниченным,

2. использование быстродействующего сильноточного фотоумножителя в схеме отрицательной обратной связи генератора на гранате с неодимом с пассивной синхронизацией мод позволяет реализовать режим генерации длинного цуга пикосекундных импульсов и получить стабильные по своим параметрам пикосекундные импульсы,

3. при задержке зондирующего импульса относительно возбуждающих возможна регистрация спектров КАРС в газовых средах при уменьшении интенсивности нерезонансного фона на несколько порядков,

4. эквивалентное спектральное разрешение нестационарного спектрометра КАРС достаточно для регистрации эффекта Дике на чисто вращательных переходах молекулы водорода при рассеянии вперед,

5. картина биений компонент Q-ветви молекул, охлажденных в
сверхзвуковой струе, позволяет с достаточной точностью опреде
лять вращательную температуру на уровне единиц и десятков граду
сов Кельвина,

6. сечение дефазирующих столкновений при охлаждении молекул азо
та до температуры 25К возрастает примерно в семь раз по сравне
нию с сечением при комнатной тнмпературе,

6. отклики различных мультипольних компонент могут существенно отличаться друг от друга,

7. метод нестационарной спектроскопии КАРС обладает достаточным динамическим диапазоном измерения энергии антистоксова сигнала, чтобы зарегистрировать эффект замедления доплеровской дефазиров-ки на электронных переходах редкоземельных атомов между оболочками, экранированными внешними электронами,

8. существование фазового сдвига между компонентами, охваченными спектральным обменом, позволяет зарегистрировать эффект' спек-

трального обмена в системе сверхтонких компонент атомов,

9. нестационарная спектроскопия КАРС позволяет идентифицировать
вклады различных механизмов дефазировки слабо уширяемых столкно
вениями переходов (из-за экранирующего действия внешних электро
нов) редкоземельных атомов и определить соответствующе столкно-
вительные константы,

10. метод нестационарной спектроскопии КАРС адекватен задаче
изучения процессов дефазировки в газовых средах.
Практическая значимость. Практическая значимость диссертацион
ной работы определяется тем, что в ней:

1. реализован динамический диапазон измерения энергии антисток-сова излучения в несколько порядков,

2. удалось зарегистрировать ширины линий на уровне 0,0015см^-1,

3. получены близкие к спектрально-ограниченным пикосекундные импульсы в параметрическом генераторе света при инжекции узкопо-лосного излучения,

4. реализована отрицательная обратная связь в пикосекундном генераторе на гранате с неодимом с пассивной синхронизацией мод при использовании сильноточного быстродействующего фотоумножителя,

5. показана возможность регистрации спектров в нестационарной спектроскопии КАРС при подавлении нерезонансного фона на несколько порядков,

6. продемонстрировано изменение картины биений компонент Q-ветви колебательно-вращательных переходов молекул, охлажденных в сверхзвуковой струе, что дает возможность измерять с достаточной точностью вращательные температуры на уровне единиц и десятков градусов Кельвина,

7. определены столкновительные константы для одного из переходов

редкоземельных атомов, слабо уширяемого столкновениями за счет

экранирующего действия внешних электронов.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации,

были доложены и обсуждались на:

-Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике: Киев (1980г.), Москва (1985г.), Минск (1988г.),

-Совещании по спектроскопии КР: Шушенское (1983),

-Советско-французском симпозиуме по оптическому приборостроению: Оссуа (1984г.),

-Конференциях по сверхбыстрым явлениям в спектроскопии: Монтерей (1984г.), Байроит (1991г.),

-Европейских совещаниях по спектроскопии КАРС: Гархинг (Германия, 1991г.), Виллиген (Швейцария, 1993г.), Гиф сюр Иветт (Франция, 1994г.), Эль Эскориал (Испания, 1995г.),

-Международном симпозиуме по когерентной спектроскопии комбинационного рассеяния: Самарканд (1990г.),

-Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии: Эссен (1994г.).

Похожие диссертации на Нестационарная спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света

Развитие методов спектроскопии когерентного комбинационного рассеяния света и колебательной спектроскопии в конформационном анализеФишман, Александр Израилович

Лазерная корреляционная спектроскопия молекулярного рассеяния света в донорно-акцепторных композициях полупроводникового полимераПаращук, Ольга Дмитриевна

Исследование структурно-химических параметров тонких пленок, наностеклокерамики и многослойных нанографитов методами спектроскопии комбинационного рассеяния светаЕрмаков, Виктор Анатольевич

Фотонная корреляционная спектроскопия молекулярного рассеяния света в белковых растворах при воздействии различных внешних факторовЧжан Сяолэй

Спектроскопия комбинационного рассеяния света нанополиацетилена и донорно-акцепторных комплексов с переносом заряда на основе полипарафениленвиниленаЕлизаров Сергей Георгиевич

Спектроскопия комбинационного рассеяния света в нецентросимметричных кристаллах при наличии внешних воздействий и примесейУмаров, Бахтияр Султанович

Межмолекулярные взаимодействия и динамика молекул диполярных апротонных растворителей по данным спектроскопии комбинационного рассеяния светаИткулов, Ильдар Газимович

Спектроскопия низкочастотного комбинационного рассеяния света в неупорядоченных материалахСоколов, Алексей Петрович

Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния света и структурная организация адсорбированных на металлической поверхности молекулярных системМаскевич, Сергей Александрович

Микро- и наноструктуры для нелинейно-оптических преобразований сверхкоротких лазерных импульсов и спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния светаМитрохин Владимир Павлович