Введение к работе
Актуальность исследований
Когерентные методы спектроскопии комбинационного рассеяния получили широкое распространение в исследованиях фундаментального и прикладного характера. В числе этих методов одно из ведущих мест занимает спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Комбинационное воздействие двух когерентных световых волн фазирует ансамбль квантовых осцилляторов в объеме, занятом световыми полями, создавая в нем периодическую пространственную модуляцию показателя преломления. Источником физической информации является сигнал когерентного антистоксова рассеяния пробной волны на наведенной решетке показателя преломления. Информация об исследуемом объекте может извлекаться из спектральных измерений -стационарная КАРС-спектроскопия, или временных - нестационарная КАРС-спектроскопия. В стационарном варианте анализируется дисперсия
кубической нелинейной восприимчивости X (0}1~а>2) ПРИ
сканировании разности частот накачки со; - а>2 вблизи частоты
комбинационного резонанса щ. В нестационарном варианте исследуется
импульсный отклик среды, определяемый её функцией Грина И '(т) , то есть отклик среды на импульсное, мгновенное в масштабе времен релаксации и дефазировки, комбинационное возбуждение среды бигармоническим полем. Здесь г обозначает временную задержку относительно момента возбуждения.
Спектроскопия нестационарного когерентного антистоксова рассеяния света помимо традиционных достоинств, присущих различным разновидностям когерентной четырехфотонной спектроскопии, таких как высокая эффективность рассеяния, высокое спектральное и
пространственное разрешение, имеет определенные преимущества в контексте ряда физических задач фундаментального и прикладного характера благодаря таким свойствам, как высокая чувствительность при использовании интенсивных сверхкоротких импульсов, отсутствие нерезонансного фона при внесении временной задержки между возбуждающими и пробными импульсами, прямой временной характер измерений кинетики дефазировки и процессов релаксации, высокое эквивалентное спектральное разрешение, особенно при исследовании узких, в том числе перекрывающихся, резонансов.
Изучение трансформации столкновительного профиля спектральной линии при изменении таких параметров, как давление, температура, относительная концентрация буферного газа, является важным как с точки зрения диагностики газовых сред, так и в качестве способа оценки правильности понимания механизмов межмолекулярного взаимодействия при столкновениях и адекватности используемых теоретических моделей.
Как метод спектроскопии высокого спектрального разрешения нестационарный подход предпочтителен в первую очередь в следующих случаях:
-при исследовании особенностей уширения и кинетики дефазировки узких (не более 10"3 см'1) комбинационно-активных резонансов: небольшим особенностям формы спектральной линии (имеющим место, например, в случае проявления эффекта Дике, эффекта столкновительной неоднородности) соответствует значительная трансформация импульсного отклика при соответствующих задержках;
-в случае резонансов с субструктурой, состоящих из близкорасположенных, в том числе и перекрывающихся вследствие эффекта Доплера или столкновительного уширения компонент, структура которых не видна в спектре; в импульсном отклике, на фоне его общего
спада, эти компоненты дают отчетливые биения, позволяющие проанализировать структуру спектра и характер его трансформации;
-при изучении дефазировки неоднородно уширенных переходов, обусловленной несколькими одновременно действующими механизмами, такими как эффект Доплера, столкновительный спектральный обмен, упругие дефазирующие столкновения, которые имеют характерные особенности проявления в импульсном отклике и могут быть достаточно легко отделены друг от друга.
В этих случаях оптимальной возможностью получения информации об исследуемом переходе является реализация прямых измерений кинетики дефазировки посредством нестационарного когерентного рассеяния. Измеряемой характеристикой в нестационарной КАРС-спектроскопии является импульсный отклик, то есть энергия Wa(t)
рассеяного в антистоксову область излучения пробного импульса в зависимости от его задержки относительно возбуждающих импульсов.
В данной работе объектом исследования являются ^-полоса моды V) (переход 1388 см"1), малая общая ширина которой (-1,5-10-2 см"1) при значительном количестве вращательных компонент (более 20) препятствует ее разрешению методами спектроскопии комбинационного рассеяния, ограниченными доплеровским уширением, а также чисто вращательные переходы S0(0) и S0(l) молекулярного водорода доплеровский контур которых в геометрии рассеяния вперед до сих пор не был измерен спектральными медодами. Использование нестационарной КАРС-спектроскопии в данных случаях представляется более информативным.
Импульсное бигармоническое возбуждение комбинационно-
активных переходов предполагает, как правило, использование
интенсивных световых полей, что может приводить к существенному
искажению получаемой спектроскопической информации.
Ограничивающими факторами здесь выступают эффект насыщения в поле бигармонической накачки, приводящий к существенному перераспределению населенностей на исследуемом переходе, штарковский сдвиг энергетических уровней, изменяющий условия резонанса, что может быть особенно актуально в случае интенсивных лазерных полей, как правило применяемых в нестационарном методе, а также оптический пробой, эффекты самовоздействия и др. Адекватный учет перечисленных факторов является необходимым условием получения достоверной спектроскопической информации. Кроме того, бигармоническое возбуждение является методом создания инверсной населенности на дипольно-запрещенных переходах, а регистрация движения населенностей и штарковских сдвигов делает возможным экспериментальное определение констант взаимодействия оптического поля с веществом. Экспериментальное наблюдение и исследование характера нутаций может быть осуществлено на комбинационно-активных переходах атомов, имеющих, как правило большую по сравнению с молекулами величину сечения комбинационного рассеяния.
Вынужденное комбинационное рассеяние света (и соответствующие ему процессы резонансного параметрического преобразования) является универсальным методом получения интенсивного когерентного излучения в широком диапазоне длин волн, активно использующимся в целом спектре научных и прикладных направлений: в лазерной спектроскопии, фотохимии, в системах связи, обработки изображений и т.д. В подавляющем большинстве работ по ВКР в качестве активной среды используется молекулярный водород. Причем, иногда ВКР рассматривается как наиболее простой и удобный способ получения бигармонической накачки для целей КАРС-диагностики самого водорода, являющегося важным компонентом многих технологических и природных процессов. Частота колебательного
перехода водорода 4155 см' является максимальной среди молекул. В то же время частота наиболее сильной вращательной линии, проявляющейся в ВКР, составляет всего 587 см"1. Каждый из этих переходов характеризуется, при определенных условиях, высокой эффективностью рассеяния. Это позволяет рассматривать водород как универсальную нелинейную среду для эффективного преобразования излучения накачки в сдвинутое по частоте в стоксову или антистоксову область излучение, а также для одновременной генерации многочастотного излучения.
Цели диссертационной работы
-
Создание на базе пикосекундного КАРС-спектрометра экспериментальной установки, позволяющей осуществлять эксперименты по нестационарной КАРС-спектроскопии высокого разрешения узких неоднородно уширенных резонансов, диагностике состояния поляризации и населенности возбуждаемого комбинационно-активного перехода, исследованию спектральных и временных свойств преобразованного излучения. Создание комплекса аппаратных и программных средств для реализации соответствующих измерений, сбора и обработки экспериментальных данных.
-
Проведение экспериментов по исследованию кинетики дефазировки наиболее узкой из колебательных Q-полос молекул углекислого газа, соответствующей моде Vi с частотой 1388см"1. Изучение особенностей спектрального обмена на основе анализа формы импульсного отклика и характера трансформации биений, обусловленных вкладом различных вращательных компонент. Проведение теоретических расчетов, определение наиболее адекватных моделей дефазировки, сравнение с данными стационарной спектроскопии высокого разрешения.
3. Изучение особенностей дефазировки чисто вращательных
переходов молекул водорода и определение параметров дефазировки при
плотностях газа в диапазоне от чисто доплеровского уширения до
максимального проявления эффекта столкновительного сужения Дике. Сравнение с данными спектральных измерений.
4. Реализация схемы и экспериментальная регистрация
оптической нутации на комбинационно-активном переходе на основе
диагностики поляризации и населенности с помощью пробных импульсов,
следующих с фиксированной задержкой относительно возбуждающих.
Выбор адекватной модели с учетом проявления динамического эффекта
Штарка, временной формы импульсов и пространственного профиля
пучков.
5. Исследование особенностей процесса вынужденного рассеяния
мощного пикосекундного излучения в условиях самофокусировки в
водороде высокого давления. Определение энергетических, спектральных
и временных характеристик преобразованного излучения.
Практическая ценность
1. Продемонстрирована возможность практического использования
регистрации импульсных откликов для исследования механизмов
дефазировки предельно узких неоднородно уширенных молекулярных
комбинационно-активных резонансов шириной порядка 10"3 см'1 и
колебательно-вращательных переходов с субструктурой.
2. Показано, что импульсное возбуждение комбинационно-
активного перехода интенсивным бигармоническом полем может
сопровождаться существенным, вплоть до инверсного, заселением
верхнего уровня данного перехода. Продемонстрирована практическая
схема регистрации оптической нутации на комбинационно-активном
переходе на основе диагностики поляризации (по сигналу антистоксова
рассеяния) и населенности верхнего уровня перехода (по сигналу
генерации третьей гармоники) с помощью пробных импульсов,
следующих с фиксированной задержкой относительно возбуждающих.
Получена оценка величины дифференциального сечения
6
комбинационного рассеяния перехода бРід-бРзд атомов таллия d0/do=2(O,8)-lO-27 см2/стр.
3. Продемонстрирована практическая возможность преобразования мощного пикосекундного излучения при самофокусировке в водороде высокого давления в излучение с протяженньгм (от 5000 см"1 до 27000 см" ') квазиэквидистантным спектром (квазивращательный спектр), состоящим из линий с близкой интенсивностью и гладким пространственным, профилем излучений на частотах линий спектра.
Научная новизна
1. Экспериментально показано, что в импульсном отклике Q-
полосы моды Vj (1388 см"1) молекул С02 доплеровское уширение не
препятствует наблюдению хорошо разрешенных биений вращательных
компонент. Показано, что трансформация формы биений с изменением
плотности газа количественно характеризует вклад спектрального обмена
в дефазировку g-полосы, даже если доплеровская ширина значительно
превосходит расстояние между компонентами.
2. Реализовано измерение импульсных откликов чисто
вращательного S0(I)-nepexofla молекулярного водорода в диапазоне
времен задержки и с точностью, позволяющими детально проследить
столкновительную трансформацию доплеровского контура линии в
геометрии рассеяния вперед.
3. Реализована схема регистрации оптической нутации на
комбинационно-активном переходе на основе диагностики поляризации и
населенности верхнего уровня перехода с помощью пробных импульсов,
следующих с фиксированной задержкой относительно возбуждающих.
Зарегистрирована оптическая нутация при импульсном бигармоническом
возбуждении комбинационно-активного перехода, сопровождающаяся
существенным, вплоть до. инверсного, заселением верхнего уровня
данного перехода. Результаты измерения нутации использованы для
оценки величины дифференциального сечения комбинационного рассеяния исследуемого перехода.
4. Установлено, что самофокусировка мощного линейно-поляризованного пикосекундного излучения накачки в водороде высокого давления может сопровождаться преобразованием накачки в излучение с протяженным (от 5000 см"1 до 27000 см"1) квазиэквидистантным спектром, состоящим из линий с близкими интенсивностями. Излучения на частотах линий спектра имеют гладкий пространственный профиль.
Защищаемые положения
1. Реализованная экспериментальная схема пикосекундного спектрометра с использованием линии задержки в диапазоне до 12 не позволяет регистрировать кинетику дефазировки узких неоднородно уширенных молекулярных комбинационно-активных резонансов шириной порядка 10"3 см"1 и колебательно-вращательных переходов с субструктурой.
2. Анализ измеренных экспериментально с пикосекундным разрешением импульсных откликов Q-полосы моды Vi (1388 см"1) молекул С02 позволил определить вклад различных механизмов в дефазировку. Установлено, что доплеровское уширение не препятствует наблюдению хорошо разрешенных биений вращательных компонент в импульсном отклике, спектральный обмен проявляется в определенном характере трансформации формы биений с изменением плотности газа, эффект столкновительного сужения (эффект Дике) приводит к замедлению общего спада отклика.
3. Регистрация импульсных откликов в пределах времени задержки до 12 не позволяет реализовать измерение предельно узких чисто вращательных комбинационно-активных резонансов молекулярного водорода в динамическом диапазоне и с точностью, обеспечивающими
наблюдение детальной трансформации доплеровской линии и ее столкновительное сужение с изменением плотности газа.
4. При импульсном возбуждении комбинационно-активного
перехода 6Рі/2-6Рз/2 атомов таллия интенсивным бигармоническом полем
(произведение интенсивностей волн накачки ~1019Вт2/см4) имеет место
оптическая нутация, сопровождающаяся существенным, вплоть до
инверсного, заселением верхнего уровня данного перехода. Реализованная
схема диагностики поляризации исследуемого перехода (по сигналу
антистоксова рассеяния) и населенности его верхнего уровня (по сигналу
генерации третьей гармоники) с помощью пробных импульсов,
следующих с фиксированной задержкой относительно возбуждающих,
позволяет осуществить регистрацию нутации и на основе ее измерения
получить оценку величины дифференциального сечения комбинационного
рассеяния данного перехода.
5. При самофокусировке мощного (~1 ГВт) линейно-
поляризованного пикосекундного излучения (^=1.06 мкм) накачки в
водороде высокого давления может быть получено эффективное
преобразование в излучение с протяженным, (от 5000 см"1 до 27000 см"1)
квазиэквидистантным спектром (квазивращательный спектр), состоящим
из линий с близкими интенсивностями и средним частотным интервалом
между ними, примерно равным частоте вращательного перехода.
Излучения на частотах линий спектра имеют гладкий пространственный
профиль.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-І5] и докладывались на конференциях и симпозиумах:
-
XVI Европейском семинаре по КАРС (Гайдельберг, Германия, 1997).
-
XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, Россия, 1998)
-
Втором Итальянско-Российском симпозиуме по сверхбыстрым оптическим явлениям в физике (Москва, Россия, 1999)
-
XVIII Европейском семинаре по КАРС- КАРС и диагностика газовых сред (Фраскати, Италия, 1999)
-
Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика'99» (Санкт-Петербург, Россия, 1999)
-
XIX Европейском семинаре по КАРС - Международная конференция по спектроскопии нелинейного рассеяния света (Москва, Россия 2000).
Структура и объем диссертации
