Ионизационная спектроскопия запрещенных оптических переходов щелочноземельных атомов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

ЖУК АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ИОНИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЗАПРЕЩЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ АТОМОВ

Специальность — 01.04.05 — оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент — 1991

Работа выполнена в Отделе Теплофизики АН Республи ки Узбекистан.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук АЛИМОВ Д. Т.

кандидат физико-математических наук ТУРСУНОВ М. А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, зав. каф. теор. физик! ВГУ проф. ЗОН Б. А.

доктор физ.-мат. наук, профессор САБИРОВ Л. М.

Ведущая организация — Ужгородский государственный университет.

Защита состоится « 1992 г. в часоЕ

на заседании Специализированного совета Д 015.22.0] в Отделе Теплофизики АН Республики Узбекистан по адре су: 700135, г. Ташкент, м-в Чиланзар, кв-л Ц, ул. Катар тал 28.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке АН Республики Узбекистан.

Автореферат разослан « ^ » о^цл-ЩЛ_1991 г.

секретарь ¡¡^^ц С п е ц и а л Широ ванного совета/ доктор наук ^и/

' \т

М. А. КАСЫМДЖАНОВ

— з —•

. • ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PASOTU

Актуальность проблемы.

Спектры щелочноземельных аита достаточно хорошо изуче-ни и имеется их подробная классификация в приближении LS-связи. Однако экспериментальные исследования показали наличие в спектрах пелочноземельних атомов областей интеч-сивного поглощения оптического излучения, соотзетстоущих запрещенным прагшэми отбора переходам - интеркеибинационнш и квадрупояьпым. Э случае интерксыбчнзц'лоншх переходов правила отбора не являстгсп строгим? и нарушение запрета может быть снято путем использования для описания ятома другого типа связи, например JJ-связи. В случае ге с квг.лру-польными переходами такое объяснение непразоуерно, лоосольку правила отбора по четности и полному шненту пзлгэтся строги!.« и экспериментальное наблюдение интенсивного оптического поглощения на квздрупольных переходах имеет отношение к. фундаментальному описанию картины озатюдеГ.ствия эатаческого излучения с атомной средой.

Цель» диссертационной работы является жсперидогодьнсе исследозание процесса многофотонной ионизации прлочноземель -ных атоыоо при наличии промежуточных о-элрещекних квадруполь-ных переходов с использованием разных cxo-j оптических переходов, а таксе получение новой спектроскопической информации о серо5гп.остях_ запрещенных ¡шадрупольннх иереходоз.

Защищаемые положения.

1.Методика проведения многоцветных экспериментов позео-

ляяэде иссяедовтъ процессы ступенчатого воойухдент и ионизации целочноземельных атомов происходящие с участием запре-шрнных переходов.

2.Экспериментальные дисперсионные зависимости выхода однозарядных ионов при взаимодействии лазерного излучения, перестраиваемого в широкой спектральном диапазоне, с атомами Са и Бг.

*■ 8. Экспериментальные значения вероятностей дипольшх переходов в атомах Са и £г, подтверждающие корректность применения одноэлектрокного приближения для расчетов характеристик исследованных диполь пых переходов в атомах с двумя валентными электронами.

4.Экспериментальные значения вероятностей квадрупольных переходов в атомах Са и Бг, показывающие принципиальные расхождения полученных величин с оценками, выполненными в одноэдектронном приближении. .

Научная и практическая ценность. Спектроскопия запрещенных переходов позволяет получить информацию о'величинах и характере возмущения одноэлектронных состояний двухэлектрон-нь&ш. Эта ин$оршция необходима для теоретических расчетов сечений ш;сгофотонного возбуждения'и ионизации атомов. Интерес к исследований запрещенных переходов обусловлен не только теоретическими- потребностями, но и необходимостью решения задач такого рода, как разработка лазеров на самоограниченных переходах, создание мовдых лазерных устройств на запрещенных переходах.

Апробация работы. Основные результата диссертации докладывались на: 9 Международной аколе по когерентной оптике

(Ужгород, 1989>, меаведомстсеннсм рабочем совещанил "Элементарные процессы в пс.ле лазерного излучения" (Леш<ч-. rpsOi, Репино, 19Э0 ), семинаре "Лазерная резонансная ионизационная спектроскопия н многослойные процессы" {Новосибирск, 1991), 13 и 14 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиШ-ЗЭ, toiиск, 1989; Ки!!0-91, Ленинград, 1991).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 работах, список которых приведен в конце реферата.'

Структура и объем работа. Диссертация состоит из сведения, трех глав, заключения и спмска литературы, О.•л содержит

_ страниц, в том числе _ рисунка и _ таблиц, библиографию

из _ наименования на _ страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работа, ее научная новизна, зйкипдемие пологе!¡ия и научная и практическая,ценность работы.

Первая глава пойоядена методам оценок вероятности ионизации для возыоашоста сравнения экспериментальных результатов со сделанными оценками.

В первом параграфе дается краткое описание основ дипольного приближения. Рассматривается векторный потенциал внеэнего ¡с атому поля и производится разложение его по. малому параметру fer. Первый член разложения -описывает дипольное.взаимодействие, зторой - квадрупольнсе. -,

Далее рассматривается правила отбора для переходов '

— ь -

разной ^лтапольиост! и приводятся формула' для вероятности мухыиполыюго перехода. Оценивается отношение вероятности квадруполыюго перехода к вероятности дипольного и делается . вывод о слабости квадрупольных переходов.

Во второй параграфе коротко рассматривается процесс шогофэгонкой ионизации в случае наличия промежуточного резонанса, даются саше простые основные формулы для вероятности процесса многоступенчатой резонансной ионизации.

Э третьем . параграфе рассматривается процесс шогрфзтошой ионизации к приводится формула Брейта-Вигнера для вероятности ионизации в случае наличия промежуточного резонанса с известным . дискретным состоянием. Далее приводится граница применимости этой формулы и рассматривается ступенчатый процесс ионизации в случае нескольких лазерных излучений различнш частот. Рассматришотся проблею, возникающие при обработке экспериментальных результатов б случае нескольких излучений. Рассматриваются . -положительные, и отрицательные стороны методики, использующей несколько излучений.

В следуэдеы параграфе рассматривается процессы в атоме при юз действии внешнего поля, такие как резонансное перемешивание уровней и приводятся критерии силы поля в этом .случае., Вторым рассматривается э&Фект штарка - сдвиг атомных уровней в поле лазерного излучения и приводится критерий сильного поля для учета эффекта Штарка. Далее рассматривается ионизационное уиирение уровней с критерием сильного поля для ионизационного уширения.

.Следующий, пятый, параграф посвящен методам оценок

вероятности переходов и рассматриваются' особенности применения разннх Методов к разным случаям.

В шестом параграфа рассматривается приближенные методы оценок сечения фотоионизации атомов. Сначала приводятся описание принципов полуэмпирического метода Вердаеса и Ситона для расчета сечения фотоионизации, а затем и саки конечны» формулы, использованные для оценок. Следующим, рассматривается метод Крамерся, для водородоподобных атомов и приводятся формулы для вычисления сечения фотоионизации.

Далее вновь рассматривается процедурз БреЯта-Вигнера, но уге ■ применимо к конкретной экспериментальной ситуации,, приводится подборка упро-данных формул для нескольких, наиболее характер! ик случаев экспериментальных соотношений различных ширин: лазерной, ионизационной, полевой. В кснце этого параграфа рассматриваются типичный параметры лазерного излучения, обычно используемого в экспериментах по !,;ного<Гртснной ионизационной спектроскопии.

Вторая глзвз посвядгна- . методике эксперимента. Описывается обвдя блок-схема устзнозки, состоящей из лазерной системы, источника атомного пучка, время-пролетного масс-спектрометра и измерителя длины влны лазерного излучения.

Первый параграф содержит описание, лазерной, системы. Сначала описывается использованный для накачки твердотельный ШгТАС лазер и его параметры, затем рассматривается первый лазер на красителе. Особое внимание уделено получение лазерного излучения, перестраиваемого о Олияней" ультрафчо-

летоэой области удвоением частоты видишго лазерного излучения и суммированием частот лазера на красителе и лазера накачки. Далее рассматривается второй, самодельный, лазер на красителе, его особенности. Коротко рассматривается иетодика . избавления от суперлшинесцентного излучения. Описывается методика измерения длины волны лазерного излучения и формулы для пересчета длины волны измеряемого видимого излучения в ультрафиолетовое. Затем описана мтеодика измерения средней мощности лазерного излучения с помощью фотодиода и измерение длительности с ¡-{пользованием коаксиального фотоэлемента и скоростного осциллографа. Далее приводятся формулы и. сделанные по н>ш оценки размеров Фокального пятна для использованной кварцевой линзы, которые сравниваются с экспериментальными . значениями. На основе экспериментальных данных о размерах фокальной области делается оценка интенсивности лазерного излучения в фокальном объеме. Затем оценивается изменение • фокусного расстояния линзы при переходе от одного.диапазона, перестройки длины волны генерации лазера на красителе к другому- В, конце приведены параметры лазерного излучения, использованные при оценках.

Второй параграф второй главы содержит описание атомного ;источника, приводятся•формулы для плотности атомного пучка в заданной его точке. Рассматривается конструкция использованного источника, особенности эксплуатации данного источника, параметры атошого пучка использованного в эксперименте.

Третий параграф посвящен краткому описанию использованного импульсного время-пролетнол масс-спектрометра с огмса-

нием полученных параметров.

. Четвертый параграф посвящен методическим особенностям проведения экспериментов с использованием одновременно нескольких лазерных излучений с изменяемой длиной волны -многоцветных экспериментов.

В пятом параграфе рассматриваются проблемм временной синхронизации лазерных излучения, требования к временны»! задерисам меаду двумя лазерными импульсами, а также методу экспериментального измерения времени задержки мезду лазерньши импульсами от различных лазеров.

В сестоы параграфе второй главы рассматривается задача пространственного совмещения двух лазерных излучений. Рассматриваются два метода решения задачи совмещения фокальных объедав, их достоинства 'и недостатки. Затем рассматривается проблема устранения хроматической аберрации для излучений с различными длинами волн, описаны приспособления для экспериментального контроля совпадения фокальных объемов, их достоинства и недостатки.

' Глава 3 посвящена результатам экспериментальна исследований и их обсуждению.

В первом параграфе приводится дисперсионная кривая зависимости амплитуды ионнго сигнала атома стронция от длины волны лазерного излучения в ультрафиолетовой области 287+297 ны. Разбирается схема эксперимента - двухфотонная ионизация с однофотонным промежуточным резонансом. Приводится результат идентификадии резонансов с уровнями дискретного спектра - один дипольный переход в состояние 6р*Р^, интеркомбинационный переход в состояние 6рэР° и квадрупольный переход в

состояние 5а1Для идентифицированных уровней производится расчет сечений .фотоионизации методами Берсона и Бердхеса-Ситона. ¡{а основании этих значений к значения интенсивности лазерного излучения оцениваются значения ионизационных ширин резонансов. Машинным счетом по методу БеПтса и Дамгаард считаются значения матричных элементов перхода в эти состоянии и оценивается полевые ширины резоначсоз. Произведенное сравнение с экспериментом дает неплохое согласие с расчетными значениями для диполького и интеркомбинационного переходов, а в случае квздрупольного ширина резонанса определяется шириной лазерной линии использованного лазера. Сделанные далее оценки вероятное™ квадрупояьного перехода сравнивается с теоретическими оценками и делается вывод об аномально высокой вероятности квадрупольного перекода.

Во втором параграфе призодктся дисперсионная зависимость вьиода ионов вг от длины волны лазерного излучения в области длин волн 485*505 нм. Рассматривается схема эксперимента - трех$отонная ионизация с промежуточными одно- и двухфотоннымн резонансада. Производится идентификация зарегистрированных резснансов. Далее делается грубая оценка вероятности квадрупольного перехода и' в результате делается вывод о высокой вероятности этого процесса.

В третьем параграфе рассматривается трехфотонная ионизация атома кальция с промежуточными одно- , и двухшотонными резонансаыи в области длин волн 450+470 ны, производится идентификация уровней и грубо оценивается вероятное квадрупольного перехода, которая оказалась на четнре порядка больше ожидаемой.

В четвертом параграфе рассматриваются схемы следую®« экспериментов, разбирается методика проведения двухцветных экспериментов. Оцениваются и сравниваются с экспериментальными данными ширины резонаксов и вероятности ионизации в случае использования двухцветной методики эксперимента.

В пятом параграфе рассматривается двухцветный эксперимент в области длин волн лазерного излучения 610+650 нм. Производится идентификация резонансов, измерение ширин и сравнение их-с теоретическими оценка«!.

В иестом параграфе. разбирается один резонанс в этой области, первоначально идентифицированный как квадрупольный переход 4з™30—> 4эЗа4Бг и затем квадрупольный переход 4?Зд'Вг—> 4&4(1аПг с последующей одностопной ионизацией. Показано, что в действительности это двухфотонный дипольньЯ переход в 'а стояние 4з4<3'Вг без промежуточного квадругтольного резонанса. Сделан вывод об необходимости учета таких случаев при анализе экспериментальных данных.

Основные результаты работы состоят в следующем: -1 Решен комплекс методических проблем связанных с,использованием многоступенчатой схемы возбуждения и ионизации с использованием двух независимых лазеров на красителях с изменением длины волны генерируемого лазерного излучения в широком диапазоне длин волн для расширения возможностей резонансной ионизационной спектроскопии. 2. Методами ступенчатого и многофотонного резонансного возбуждения получены спектры:

— атома Бг в области длин волн лазерного излучения 480-505

нм и 280-300 нм; - этот Са, методом ступенчатого возбуждения, в области дан волн лаз арного излучения 600-650 нм и 380-400 км.

3.' .Впервые зарегистрированы резонанс, соответствующий квад-рупольному переходу 5в® 5£5<Л)2 при даухфотонной ионизации атома Эг.

4. Йзыйрсш вероятности ионизации в схема ступенчатого возбуждения с участием квздрупольных переходов, измерены вероятности дипольных переходов, проведено сравнение полученных результатов с расчетами, выполненными в одноэлектронном дипольном приближении для вероятности ионизации. Сделан вывод о границах применимости одноэлектронного приближения при расчетах параметров переходов в атомах с двумя Валентин электронами.

Основные результата диссертации опубликованы в работах;

1. Кук А.А., йскаидов А.З., Малахов М.Г.' Измерение двух-фотоннэго матричного звеиекта Да2—4з5а в атоме Са методом ионизационной спектроскопии // Оптака н спектроскопия. 1391.-'Г.71.-бИЗ,8.-<Лр.403^

2. Фотоиониэационнэя спектроогапия атома магния с участием постоянного поля // Тезисы а Всесоюзной конференции молодых ■ исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и Физической гидродинашки" Новосибирск, 1383

3. Алимов Д.Т., Бельковекий А.Н., Хук А.А., Епысов <5.А., Турсунов М.А. Запрещенные переходы в процессах., резонансной трехфзтшной «сшзации цэлочноземельных атомов. // Сб. Нелинейная спектроскопия атомов'и двухатомные тяога-

кул, - П.: Совет по спектроскопии АН СССР, 188?, е,?9-02

4. >?ук A.A., Исшилов А.З., Малахов М.Г. Измерение двухфо-тонного натричного элемента связано-связанного перехода в атомз Ca методом ресонансной ионнзадионной спектроскопии // Coeeg по спектроскопии АЛ СССР,- К.,Наука, 1990.

5. 2ук' A.A. Ионизационная спектроскопия' автоионизационных состояния атома кальция // Тезисы 4 Всесоюзного совещания По гзвтшонизационным явлениям в атомах.-М.-1990.-с.48.

MCfVy