Введение к работе
Актуальность проблемы.
Большая часть знаний о строении вещества и процессах, происходящих при различного рода взаимодействиях на атомно-молекулярпом уровне, получены методами оптической спектроскопии. Создание высокомонохроматичных лазерных источников излучения, перестраиваемых по частоте в широких интервалах инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, развитие техники наносекундных, пикосекундных и фентосекундных световых импульсов привело к сильному увеличению чувствительности, а также спектрального и временного разрешения спектральных измерений. Это было достигнуто как за счет известных методов спектроскопии, так и за счет открытия принципиально новых методов, основанных па уникальных свойствах лазерного света. Ярким примером такого достижения является разработка методов нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения, позволяющих исследовать структуру спектральных линий, скрытую дошіеровскнм упгареиием, обусловленным тепловым движением часттщ. Эти методы позволили увеличить спектральное разрешение от относительного уровня 10"5+10"6, ограничиваемого доплеровским уширеннем спектральных линий, до уровня ІСГ^-ИО"12, и в перспективе может быть достипгуг уровень вплоть до 10*15 и выше.
Одной из самых важных задач спектроскопии сверхвысокого разрешения является создание стабильных по частоте лазерных источников излучения с предельно узкой линией генерации - ее основного инструмента. Стабильные по частоте лазеры широко используются ие только в научных исследовашгах, но и в технике как эталонные источники света для интерферометрических измерений длины. Создание лазеров с долговременной стабильностью частоты не хуже, чем у мазеров, и решение проблемы передачи частотных характеристик стабильных лазеров в микроволновый диапазон, сделало возможным создание оптических часов, то есть использование периода высокостабильных оптических колебашш в качестве шкалы времени [1].
Диссертационная работа посвящена прецизионной спектроскопии молекулярного йода на компонентах сверхтонкой структуры перехода X(v"=0,J"=13,15)->B(v'=43,J'=12,16) с использованием лазерного
спектрометра, созданного на базе высокостабильного аргонового ионного лазера.
Молекулярный йод является одним из наиболее интересных объектов для лазерной прецизионной спектроскопии в видимом диапазоне длин волн. Интерес к молекулярному йоду, объясняется большим количеством линий поглощения при относительно малой их естественной ширине практически во всем видимом диапазоне длин волн. Линии поглощения молекулярного йода перекрывают область спектра от 400 до 650нм. В области 500+650нм имеется около 104 сильных линий поглощения. Это переходы между колебательно-врашательными подуровнями электронных состояний !Е,(Х) -> 3П^(В). Поглощение в
более коротковолновой области спектра происходит с диссоциацией молекул, энергия которой равна 20043см'1 Энергии колебательно-вращательных уровней для 3П^(В) и !Б*(Х) электронных состояний
молекулярного йода, можно рассчитать с точностью до 0.002см"1 от измеренных значений. Точность определения сверхтонкой структуры колебательно-вращательных линий электронного перехода '^(Х) -»
3П^(В) молекулярного йода составляет порядка 1кГц. Много работ посвящено изучению естественного времени жизни возбужденного состояния 3П^(В) определяемого радиационным распадом и предиссоциапией молекулы.
Хотелось бы подчеркнуть три основных момента, которые
определили направление исследований с молекулярный йодом, развитое в диссертации.
1. Молекулярный йод является хорошим объектом для исследования и отработки новых методов лазерной спектроскопии, которые традиционно развивались в Институте лазерной физики СО РАН. Молекулярный йод является, пожалуй, наиболее изученной молекулой имеющей полосы поглощения в видимом диапазоне. Накоплен богатый спектроскопический материал по этой молекуле, который позволяет делать численные расчеты исследуемых процессов, проводить сравнение экспериментальных измерений с теоретическими расчетами. Исследования молекулярного йода имеют большое методологическое значение, позволяют развивать и получать новые знания о строении молекул, их взаимодействии при столкновениях и их поведении в магнитном и электрическом полях.
2. Спектроскопические исследования с разрешением порядка 10"
и точностью порядка 10"14, которые могут быть выполнены с
использованием методов резонансной лазерной спектроскопии, позволят
попять физику молекул па качественно новом-уровне, предложить новые
теоретические модели и методы численного расчета. Основная масса работ
по спектроскопии молекулярного йода выполнена с применением техники
молекулярных пучков, использованной для устранения доплеровского
уширения без использования методов резонансной лазерной спектроскопии
насыщенного поглощения. Лишь в немногих работах, например в работах
Borde C.J., Camy G. и других авторов [2,3], для спектроскопии
сверхвысокого разрешения в молекулярном йоде использовался метод
резонансов насыщенного поглощения, позволивший наблюдать такое топкое
явление как эффект отдачи и провести исследования уширения и сдвигов
нелинейных резонансов от давления.
3. Нелинейные резонансы насыщенного поглощения в
молекулярном йоде широко используются для целей стабилизации частоты
лазеров видимого диапазона длин волн. Достоинства молекулярного йода
для целей создания системы реперных линий, служащих эталонами длин
волн и частот в видимом диапазоне., проявились в том, что из восьми
лазеров, рекомендованных Международным комитетом по мерам и весам в
качестве эталонов длины [4], шесть используют в качестве реперов частоты
резонансы насыщенного поглощения в молекулярном йоде. Представляет
большой интерес исследование физических и технических факторов,
ограничивающих стабильность и воспроизводимость частоты при
использовании резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
Получение стабильности и воспроизводимости частоты на уровне 10"1 с
использованием резонансов насыщенного поглощения и проводимые в связи
с этим исследования позволят ответить на вопрос о точности системы
реперных линий молекулярного йода.
Одним из перспективных лазеров, для решения задач связанных с прецизионной спектроскопией молекулярного йода является аргоновый ионный лазер, стабилизированный по резонансам насыщегшого поглощения в молекулярном йоде. Он один нз самых мощных лазеров видимого диапазона длин волн. Аргоновый ионный лазер на длине волны 514.5 им, частотно стабилизированный по резонансам насыщеппого поглощения в молекулярном йоде на компонентах сверхтонкой структуры перехода X(v"=0,J"=13)-»B(v'=43,J'=12). Согласно документам Международного комитета по мерам и весам [4], точность определения длины волны и
частоты для аргонового ионного лазера составляет ±1.3x10", а воспроизводимость частоты 2.5х10"10.
Исследование спектроскопических характеристик, изучение процессов, приводящих к уширеншо и сдвигам спектральных линий, связанных со столкновениями, изучение влияния внешних магнитных и электрических полей на энергетические уровни, совершенствованию существующих и разработке новых методов стабилизации частоты по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде - являются актуальными задачами. Решение этих задач позволит повысить стабильность и воспроизводимость частоты лазеров, использующих в качестве реперов частоты резонансы насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
Цель диссертационной работы.
1. Создание лазерного спектрометра на базе высокостабильных аргоновых
ионньк лазеров на длине волны 514.5 нм с относительным разрешением
10"" и непрерывным диапазоном перестройки ~ 1 ГГц.
2. Экспериментальное исследование метода встречных и метода
однонаправленных волн в лазерной спектроскопии насыщенного
поглощения, для случая люминесцентной внешней поглощающей ячейки.
3. Исследование влияния столкновений на форму и сдвиг частоты
нелинейных резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
4. Исследование поведения нелинейных резонансов насыщенного
поглощения в молекулярном йоде во внешних магнитном и электрическом
полях.
5. Создания оптического стандарта частоты и длины на базе аргонового
ионного лазера на длине волны 514.5 нм, стабилизированного по частоте с
использованием резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
6. Исследование факторов влияющих на воспроизводимость частоты
аргонового ионного лазера, стабилизированного по компонентам
сверхтонкой структуры X(v"=0,J"=13,15)-»B(v'=43,J'=12,16) молекулярного
йода. Изучение сдвигов частоты при изменении различных физических и
технических параметров установки. Оценка влияния внешних магнитных и
электрических полей на воспроизводимость частоты аргонового ионного
лазера.
Научная новизна.
1. Проведены наиболее полные исследования процессов релаксации в
молекулярном йоде методом спектроскопии пасьпценногб поглощения-во
встречных и однонаправленных волнах и методом импульсного
зондирования. Определены сечения упругого п пеупругого рассеяния на
нижнем и верхнем уровнях переходов X(v"=0J"= 13Д5)->B(v'=43,J'= 12,16).
Наблюдалась нелинейная зависимость уширения и сдвига частоты
нелинейных резопансов насыщенного поглощения от давления,
обусловленная влиянием упругих столкновений без сбоя фазы на
электроппо-колебательно-вращательпом переходе молекулы.
2. Впервые произведено прямое наблюдение аномального эффекта Зеемана
для молекул. На переходе молекулярного йода X(v"=0,J"=13,15)->
B(v'=43,J'=12,16), полностью разрешена структура отдельных Зеемановских
подуровней и экспериментально измерен квадратичный эффект Зеемана.
3. Впервые произведено прямое наблюдение квадратичного эффекта
Штарка на переходе X(v"=0,J"=13,15)->B(v'=43,J'=12,16) молекулярного
йода, почти полностью разрешена структура отдельных подуровней.
4. Получены наилучшие результаты по стабильности и воспроизводимости
частоты для аргонового ионного лазера на длине волны 514.5 пм,
етабшшзировашгого по резонансам насыщенного поглощения в
молекулярном йоде, благодаря использованию внешней люминесцентной
поглощающей ячейки.
Практическая ценность работы.
1. Создан лазерный спектрометр на базе высокостабильных аргоновых
ионных лазеров на длине волны 514.5 нм с относительным разрешением
10'11 и непрерывным диапазоном перестройки ~ 1 ГГц.
2. Получены различные спектроскопические данные о переходе
X(v"=0,J"=13,15)-»B(v'=43,J'=12,16) молекулярного йода: сечения
столкновений, гиромагнитные константы и константы поляризуемости
основного и возбужденного состояния исследуемого перехода.
3. Изучено влияние различных факторов на воспрошводимость частоты
аргонового ионного лазера стабилизированного по резонансам насыщенного
поглощения в молекулярном йоде с использованием люмипесцептнои
ячейки.
"4. Создан аргоновый ионный лазер с наилучшей стабильностью и воспроизводимостью частоты, он входит в число лазеров рекомендованных в качестве оптического стандарта длины и может найти широкое применение: в метрологии, длинно базовой интерферометрии, лазерной локации, голографии и во многих других научно-технических применениях.
Защищаемые положения.
Автор выносит на защиту:
1. Нелинейную зависимость уширения и сдвига резонансов насыщенного
поглощения от давления на электронном переходе молекулы,
обусловленную влиянием упругих столкновений без сбоя фазы.
-
Экспериментальное использование метода встречных и метода однонаправленных волн, в люминесцентной поглощающей ячейки, с целью наиболее полного исследования процессов происходящих при столкновениях в газе низкого давления. Результаты исследований сдвигов частоты центра линии и сечений рассеяния при столкновениях в молекулярном йоде.
-
Первое прямое наблюдение полностью разрешенной структуры подуровней при аномальном эффекте Зеемана на оптическом переходе молекулы. Результаты исследования эффекта Зеемана на переходах X(v"=0,J"=13,15)->B(v'=43,J,=12,16) молекулярного йода.
-
Первое прямое наблюдение и результаты исследования квадратичного эффекта Штарка на переходах X(v"=0,J"=13,15)-»B(v'=43,J'=12,16) молекулярного йода.
-
Наивысшею в видимом диапазоне долговременную стабильность частоты 5х10'15 за время 100 сек и воспроизводимость частоты 10"13 полученную для аргонового ионного лазера, с использованием для целей активной стабилизации частоты люминесцентного метода регистрации резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
Структура и объем диссертационной работы.