Исследование насыщенного поглощения молекулы SiF4 в области генерации СО2-лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

яктаатавяхвзвпезггетгвзввевзажавгвазжввяаса«

На правах рукописи

Хамуд Халаф ИМХЕСИН

ИССЛЕДОВАНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ 31?д В ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ С0Р-ЛАЗЕРА

Специальности: 01.04.21 - лазерная физика.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в отделе квантовой электроники Научно-исследовательского института физики Санкт-Потербургского . государственного университета

Научный, руководите л к кандидат физико-математических наук, доцент Иванов Э.И.

Официальные оппонента: доктор физико-математических наук,

профессор ТОНКОВ М.В. • кандидат физико-математических наук, доцент ПАСТОР A.A.

Ведущая организация - Государственный оптический институт, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится^ . - 1932 г. чпп- на заседании специализированного совета К.063.57Л0 по присуждению ученой степени кандидата наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, С-ПэтерОург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке С-ПбГУ. Автореферат разослан - 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

Тимофеев H.A.

" - _ • , -3-ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Начиная с 60-х годов, интенсивное развитие получило новое направление спектроскопии - нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения £13 и в частности метод насыщения поглощения ( метод пробного поля или спектроскопия обращенного лэмбовского провала ). В этом методе газовую среду проходят две световые волны ( встречные или попутные). Свет резонансно поглощается теми молекулами, для которых сдвинутая эффектом Допплера частота света совпадает с частотой поглощающего перехода. Поэтому две световые волны в общем случав поглощаются разными молекулами.

Когда обе волны поглощаются одними и теми же молекулами, они просветляют среду друг для друга. Просветление вызвано- тем, что поглощение одной из волн уменьшает разность засоленностей уровней энергии, а поглощение второй волны пропорционально этой разности. В результате, для любой из двух световых волн зависимость мощности волны, прошедшей среду, от частоты содержит узкий пик просветления среды - резонанс насыщения поглощения.

В традиционном варианте метода насыщения поглощения - методе встречных световых волн каждому поглощающему переходу среды соответствует свой резонанс. Ширина этих нелинейных резонансов определяется однородной шириной перехода и может быть на несколько порядков меньше допплеровской ширины линии. То есть метод встречных волн позволяет получать спектры атомов и молекул с разрешением многократно превышающем допплеровский предел.

Сверхвысокое разрешение метода позволяет исследовать тонкие детали структуры спектров многоатомных молекул. Получение надежной и обильной информации о структуре спектра актуально прежде всего потому,что на ее основе могут быть сформулированы наиболее достоверные суждения о структуре и свойствах молекул.

Выбор четырехфтористого кремния в качестве объекта исследования вызван тем, что в полосу поглощения v3 молекулы S1F4 попадает ряд линий генерации С02-лазера, относящихся к полосе 00°1 -- 02°0 (9.4 мкм).Кроме того, молекула Sl?4 имеет высокую симметрию ( шаровой волчок, группа симметрии Td), что облегчает интерпретацию ее спектра и также стимулирует интерес к ее изучению.

Цель настоящей работы - регистрация спектра насыщенного поглощения с возможно большими чувствительностью, разрешением и точностью; анализ спектра с целью выявления особенностей, характерных для высокой симметрии молекулы; разработка и опробование экспериментальных методик, позволяющих получить дополнительную информацию, облегчающую интерпретацию спектров насыщенного поглощения (температурные исследования, регистрация спектров насыщенного поглощения попутных волн ).

Метод исследования. Общим методом исследования является ла-зерноспектрометрический метод насыщения поглощения, позволяющий исследовать структуру спектра -с разрешением, не лимитированным допплеровским уширением.

Научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

1. Получен спектр насыщенного поглощения встречных световых волн в 31? 4 в области частот генерации С0?-лазера низкого давления на линиях Р(28) - Р(40) полосы 9.4 мкм. Достигнуто отношение амплитуда / шум резонансов до 5000 при спектральном разрешении 150 кГц.

2. Впервые в спектроскопии насыщения поглощения проведено ис-слодовавние температурной зависимости амплитуд резонансов.По результатам эксперимента определены анергии нижних уровней и возможные значения квантовых чисел семи поглощаюцих переходов.

3. В спектре Бобнаружен ряд новых мультиплетов супертонкой структуры. Впервые для молекулы БИ^ обнаружены сателлиты мультиплетов. Предложены возможные механизмы образования сателлитов ( многофотонные переходы, неупругие столкновения молекул, перекрестные резонансы с запрещенными переходами).

4. Впервые для молекулы получены резонансы насыщения поглощения попутных световых волн. Каждый резонанс соответствует паре поглощающих переходов либо с общим уровнем энергии, либо с уровнями, связанными неупругими столкновениями молекул. По результатам эксперимента определены "связанные" поглощающие переходы спектра сверхвысокого разрешения Б1ГД.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты дне-

сертации опубликованы в трех научных статьях 12-4].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,трех глав, заключения и одного пдыюжения, содержит 113 стр. машинописного текста, II рисунков и 7 таблиц. Список литературы вклвчает 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование выбора темы диссертация, приведены основные результаты и раскрыты их научная новизна и значимость.

Первая глава содержит обзор научной литературы, качественное рассмотрение вопросов, которым посвящена диссертационная работа, и постановку задачи работы.

В первом параграфе главы обсуадается метод насыщения поглощения. Содержание параграфа состоит из трех частей. В первой части изложена идея метода насыщения поглощения. Во второй части обсуждена форма нелинейных резонансов и рассмотрены возможные причины искажения формы.

Каждому поглощающему переходу соответствует резонанс спектра насыщенного поглощения в традиционном варианте встречных световых волн. Но не каждому резонансу соответствует поглощащий переход. В третьей части первого параграфа рассмотрены сателлиты спекра насыщенного поглощения встречал волн, которым не соответствуют поглощающие переходы молекула ("лишние" резонанса).

Во втором параграфе первой глава изложены основные положения теории колебательно-вращательиопо спектра молекулы Э1РЛ (квантование колебательной я вращатеЛЬйЭЙ анергий, кориолисово взаимодействие, тонкая 151, суперт'онкая (6) и сверхтонкая структуры колебательно-вращательных уровней).

В связи с примененным в настоящей работе методом исследования наибольший интерес для Вас представлет супертонкая структура, вознкащая вследствие снятия выроздния уровней, обусловленного неразличимостью состояний вращения вокруг эквивалентных осей

симметрни молекулы [б]. Изложенные здесь теоретические положения иллюстртруют сложность спектра молекулы Б1ТД и вытекаюцую из нее сложность его регистрации и, в особенности, интерпретации.

Спектр 51РД, наблюдаемый методом пробного поля, представляет собой наложение вращательной,тонкой и супертонкой структур колебательной полосы v3 и соответствующих ей "горячих" колебательных полос.

В третьем параграфе гл.1 рассмотрены различные методы регистрации ПК спектра молекул на примере молекулы 51РЛ, обсуждены преимущества и недостатки этих методов, а также получаемая с их помощью информация. Рассмотрены спектры поглощения с тепловыми и лазерными источниками света, спектры комбинационного рассеяния. Обсуждены также работы по двойному ИК-Ш резонансу и насыщению поглощения в Б1РлС6-11 ]. Рассмотрены варианты расширения частотного диапазона спектров сверхвысокого разрешения.

В четвертом параграфе гл.1 рассмотрены не упругие столзшоЕешя молекул. При этом неупругае столкновения интересовали нас лишь как источник появления сателлитов в спектрах насыщенного поглощения встречных световых волн, и как причина появления резонан-сов в спектре насыщенного поглощения попутных волн.

Ззкант.твает первую главу пятый параграф, в котором, на основе изложенного выше анализа литературных данных, объясняется задача диссертационной работы.

Во второй глава дано описание экспериментальной установки и ее модификаций. В диссертационной работ© используются три модификации экспериментальной установки. Две из них использовались для реализации метода насыщения поглощения встречных свотовых волн, третья - для попутных волн.

Отличие второй модификации от первой связано с тешературшая измерениями, для которых требуется возможность изменения и контроля тешературы кюветы о исследуемым газом.

Первый параграф второй главы содержит описание блок-схемы установки с кратким анализом ее работы.

Установка содержит два С02-лазера и две оптические схемы наблюдения резонансов насыщения поглощения. Один из лазеров (опорный) частотно стабилизируется по одному из резонансов насыщенного поглощения в Его излучение служит частотным репером при стабилизации частоты генерации второго (сигнального) лазера, то-

рестраиваемого по частоте. Излучение сигнального лазера используется для регистрации спектров насыщенного поглощения SiP4.

Х-координата спектров представляет собой частоту биений двух лазеров. Y-координата - вторая производная от мощности света на сигнальном приемнике по частоте.

Второй параграф этой главы посвящен описанию оптической схемы.

В третьем - изложены изменения, внесенные в конструкцию типовых СОг-лазеров. Цель изменений - получение генерации, перестраиваемой по частоте, в одночастотном режиме, и пассивная стабилизация лазеров.

В четвертом параграфе рассмотрены системы аставной стабилизации обоих СОг-лазеров.

В пятом - система регистрации сигнала.

В шестом и седьмом - модификации экспериментальной установки для температурных измерений и для наблюдения насыщения поглощения попутных световых воля.

В третьей главе диссертации изложены экспериментальные результаты.

В первом параграфе приведены результаты измерения спектра насыщенного поглощения S1F4, полученного в традиционном варианте встречных световых волн ( "встречный" спектр ). Всего на линиях генерации Р(28)-Р(40) 9.4 мкм СОг-лазера зарегистрировано 620 резонансов. Ширина спектра на каждой линии - (70-90)МГц. Спектральное разрешение - 150 кГц (5"10~6 см-1>.

Измерены амплитуды и относительные частоты резонансов. Погре-

Р(38)

—ЦЛЛ—

-и -и -12 -и -» _' ■ 1_» ■

Р{3$)\

W

J ♦ J 6 7 8 » 1« II 1J

J_I_I I I l_1-I_l_-I—

РИС. I.

швость измерения частотных интервалов - 50 кГц. Отношение амплитуда резонансов к шуму до 5000.

Обнаружен ряд мультиплетов супертонкой структуры спектра, связанной с симметрией молекулы. Два из них представлены на экспериментальных кривых рис.1.

Расщепление ыультаплета определяется скоростью туннельных переходов между состояниями вращения вокруг эквивалентных осей молекулы.

Во втором параграфе приведены результаты исследования температурной зависимости амплитуд семи наибольших резонансов Si?4 на линии Р(30) 9.4 мкм С0£. Диапазон исследованных температур (-80° + +25°) С.

Возбужденные колебательные уровни молекулы S1F4 заметно заселены при комнатной температуре. Поэтому наблюдаемый спектр содержит не только линии колебательно-вращательной полосы v3. Заметную интенсивность имеют линии, соответствушие переходам из возбужденных колебательных состояний в более высоко возбужденные (линии так называемых "горячих" полос).Из шестидесяти линий спектра насыщенного поглощения Sl?4 в пределах частотной перестройки С02 - лазера на линии Р(30) 9.4ыкм только один резонанс соответствует полосе поглощения v3 - это резонанс, соответствующий переходу Р1(9) Н(53) v319).Остальные лчнии принадлежат "горячим" колебательным полосам.

При охлаждении S1P4 "горячие" полосы поглощения ослабевают, так как в соответствии с распределением Больцмана снижается заселенность возбужденных колебательных состояний. По тому.как бы-

(9) . Р,(9)

-7.5ЫГЦ

X

-7.5Мm

J\—

-6SeC

if

Рис. 2.

стро они ослабевают можно определить энергию нижнего уровня пог-лощзгЕйго перехода, соответствующего резонансу.

На рис.2 для примера представлен» две экспериментальные кривые, полученные при двух температурах ( +25°С и -65°С ) исследуемого газа БДОд. Из рисунка видно, что при охлаждении газа отношение амплитуд резонансов изменилось втрое.

В данном параграфе изложены результаты определения энергий нижнего уровня переходов, а также результаты определения возможных значений колебательных и вращательных квантовых чисел рассматриваемых переходов.

В третьем параграфе гл.З изложены результата измерения спектра насыщенного поглощения Э1Р4 в нетрадиционном варианте попутных световых волн ( "попутного" спектра ) и результаты сравнения "попутного" и "встречного" спектров.

Каждому резонансу "попутного" спектра соответствует пара поглощающих переходов с общим уровнем энергии, либо пара переходов с уровнями энергии, связанными неулругими столкновениями молекул .Для переходов с общим уровнем энергии резонанс наступает тогда, когда каждая из двух волн резонансно поглощается своим переходом на одних и тех же молекулах. То есть "попутный" резонанс представляет собой двойной Щ-ИК резонанс на молекулах с опреде-ле.-лой лучевой скоростью.

Каждому резонансу "попутного" спектра должен соответствовать перекрестный резонанс "встречного" спектра. Эта связь является, ключом для определения связанных переходов в обычном спектре сверхвысокого разрешения (во "встречном" спектре).

В результате проведенных экспериментов получены "попутные" спектры на линиях Р(28)-Р(38) 9.4 мкм генерации С02 - лазера. В "попутных" спектрах идентифицирован ряд резонансов, как двойные резонанса, соответствующие мультшлетам супертонкой структуры спектра Б1РД.

На рис.3 приведен пример экспериментальных кривых "попутного" и "встречного" спектров. Резонансы I, 2, 3 "попутного" спектра (рис.За) соответствуют мультиплету А Р Р А "встречного" спектра (рис.Зб).

В четвертом параграфе гл. 3 обсуждается природа впервые обнаруженных сателлитов мультшхлетов супертонкой структуры спектра насыщенного поглощения встречных световых волн в 31Р4.

Рис. 3.

Зарегистрированы сателлиты двух типов.

Первый тип представляет собой перекрестные резонансы (2,3,4,5 рис. 36). Возможны два механизма их образования. Первый механизм соответствует перекрестным резонансам между разрешенными и слабо запрещенными переходами с общим уровнем энергии. Второй механизм -перекрестные резонансы на переходах, связанных неупругими столкновениями молекул без заметного изменения скорости.

Кроме перекрестных резонансов в окрестности мультиплетов супертонкой структуры нами обнаружены сателлиты другого типа (I и 6 рис. 36), связанные с многофотонными переходами.

В образовании каждого многофотонного сателлита, как и в образовании перекрестного резонанса, участвуют два перехода либо с общим уровнем энергии, либо с уровнями, связанными неупругими столкновениями молекул.

Обнаруженные в эксперименте сателлиты имеют ряд подробно обсуждаемых особенностей.

В заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы:

X. Получен спектр насыщенного поглощения встречных световых волн в SIP^ в области частот генерации С02-лазера низкого давления на линиях Р(28> - Р(40) полосы 9.4 мкм. Достигнуто отношение амплитуда / шум резонансов до 5000 при спектральном разрешении 150 кГц.

2. Впервые в спектроскопии насыщения поглощения проведено ис-следовавние температурной зависимости амплитуд резонансов. По результатам эксперимента оценены анергии нижних уровней и возмо-

жные значения квантовых чисел семи поглощзхщтх пэреходов.

3. 3 спектре БИ^ обнарухзп ряд новых мультаплетов супертонкой структуры. Впервые для молекулы 31РД обнаружены сателлиты мульткплетов. Предложены возможные механизм образования сателлитов (многофотонные перехода, неупругие столкновения молекул, перекрестные розонансы с запрещенным! переходами).

4. Впервые для молекулы ЭЗТд получены резонансы насыщения поглощения попутных световых волн. Каждый резонанс соответствует паре поглощающих переходов либо с общим уровнем энергии, либо с уровнями, связанными неупругими столкновениями молекул. По результатам эксперимента определены "связанные" поглощающие перо-ходы спектра сверхвысокого разрешения Б!?^

ЛИТЕРАТУРА

1. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. - М.: Наука, 1930. - 512 с.

2. Иванов Э.И., Имхесин Х.Х., Крылов И.Р., Пазгалов А.С. Спектр насыщенного поглощения S1T4 в частотной области генерации С02 - лазера низкого давления. - Опт. и спектр., 1991, т.71, В.5, С.754-757.

3. Иванов Э.И., Имхескн Х.Х., Крылов И.Р. Температурное изменение относительных интенсивностей резонансов насыщения поглощения в S1F4. - Опт. и спектр. ,1991, т.71, в.6, с.853-957.

4. Иванов Э.И.. Имхесин Х.Х., Крылов И.Р. Спектр насыщенного поглощения попутных световых волн в тетрафторида кремния. -Опт. и спектр., 1992, т.73, в.1, с.123-129.

5. Горцбэрг Г. Колебательные и вращательные спектры многоатомных молекул. 1.1.: ИД, 1949.

6. Harter W.G., layer Н.Р., Petersen F.R. Evidence of tumbling Bultlplets Insaturatlon absorption spectra oi S1F4. - Opt. Lett., 1979, y.4, No. 3, p. 90-92.

7. Вершовский А.К., Иванов Э.И., Крылов И.Р., Филимонов Н.А. Спектр насыщения Sl?4 на линии Р(30) 9,4 мкм С02 лазера.-Опт. и спектр., 1986, т.60, в.З, с.639-641.

8. Magerl е., Frye J. М., Krelner W. А., ОХа Т. Inverse Iamb dip spectroscopy using microwave modulation sidebands oi

C02 laser lines. - Appl. Phys. Lett., 1983, т. 42, Ко. 8, p. 656-658.

9. McDowell H.S., Patterson C.W., Nereson N.C., Petersen P.R., Cells J.S. C02 laser coincidences with v3 of Sl?4 near 9.7 pa. - Opt. Lett., I981, т. 6, No. 9, p. 422-424.

10. Бетеров И.М., Василенко Л.С., Гангардт В.А., Чеботаев В.П, Исследование узких резонансов при насыщении поглощения в че тырехфтористоы кремнии на переходах 00°1 - 02°0 лазера на двуокиси углерода. - Квантовая электроника, 1974. т.1, N 4, с. 970-973.

11. Nella J. Saturated resonance spectroscopy of S1P4. - Appl. Phys. Lett., 1373, v. 23, No.IO, p. 568-570.