Нелинейные оптические восприимчивости колебательно возбужденных молекул и их измерение с помощью автоматизированного спектроаналитического комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение

Глава I. Автоматизация спектроаналитических комплексов для изучения нелинейных оптических восприимчивостей молекул

§ 1.1. Основные требования, предъявляемые к автоматизированным спектроаналитическим комплексам, и принципы их организации

§ 1.2. Структура автоматизированного САК для изучения нелинейных оптических восприимчивостей молекул

§ 1.3. Лазерные, оптические и оптико-механические элементы структуры САК. 21*

§ 1.4. Система регистрации/управления спектроаналитическим комплексом. 31*

§ 1.5. Программное обеспечение САК.

Глава II. Экспериментальные реализации спектроаналитических комплексов и примеры их применения для измерения кубических оптических нелинейностей различных сред.

§ 2.1. Автоматизированный САК для исследования кубических нелинейных оптических восприимчивостей плазмы лазерного пробоя в газах. Результаты экспериментов

§ 2.2. Изучение нелинейной кубической восприимчивости молекул , многофотонно возбужденных

ИК лазерным излучением

§ 2.3. АСКР-термометрия молекул азота, охлажденных в сверхзвуковой газовой струе

Глава III. Нелинейные оптические восприимчивости термически возбужденных молекул

§ 3.1. АСКР-термометрия многоатомных газов на примере полносимметричной и дважды вырожденной моды молекул SFq . 9t*

§ 3.2. Расчет кубической оптической восприимчивости многоатомных молекул: SFq

§ 3.3. Обсуждение результатов по АСКР-термометрии молекул SFq , сравнение с расчетом

Глава 1У. Нелинейные оптические восприимчивости молекул, подвергнутых сильному двухфотонному комбинационному возбуждению.13Ь

§ 4.1. Двухфотонное комбинационное возбуждение комбинационных резонансов в молекулярных газах: экспериментальные результаты

§ 4.2. Спектроскопия насыщения когерентного комбинационного рассеяния уединенного комбинационно-активного перехода: теоретическое рассмотрение

§ 4.3. Двухфотонное насыщение переходов в О-полосе колебательно-вращательного спектра молекул в условиях "столкновительного сужения".

Изучение физических характеристик возбужденных молекул в последнее время вызывает все возрастающий интерес как с точки зрения фундаментальных, так и прикладных исследований. К числу первых относятся изучение энергетической структуры возбужденной молекулы, исследование эволюции созданного возбуждения во времени, выяснение причины и каналов распада сложных молекул и т.д. Прикладные задачи включают изучение процессов возбуждения молекул в ударных волнах, в электрическом разряде, при термическом нагреве для инициирования химических реакций, в интенсивном ИК лазерном поле и др.

Для детального изучения перечисленных явлений решающую роль играет выбор адекватных методов исследования возбужденных молекул, среди которых в последнее время все большее значение приобретают методы нелинейной оптической спектроскопии. Информация о состоянии вещества в этом случае заключена в нелинейных оптических восприимчивостях исследуемых молекул, среди которых одной из важнейших является кубическая восприимчивость. Она представляет собой значительно более информативный спектроскопический параметр по сравнению с обычной линейной восприимчивостью. Изучение кубической нелинейной восприимчивости дает обширную информацию о молекулярных ансамблях и во многих случаях имеет значительные преимущества перед традиционными методами линейной спектроскопии [I] .

Из обширного арсенала методов нелинейной оптики для зондирования молекулярных систем наибольшее распостранение получили сейчас методы когерентной активной спектроскопии комбинационного рассеяния (АСКР) [1-3] . Суть их в общем виде сводится к возбуждению и/или фазированию молекулярных колебаний с частотой Л парой волн накачки с частотами и^ и и последующему рассеянию на них пробной волны с частотой ( а)а=о^± оЗ^) )# При этом в случае слабого возбуждения ансамбля речь идет, фактически, о невозмущающем среду зондировании, так что все фиксируемые изменения в поведении нелинейной восприимчивости оказываются обусловленными только внешним по отношению к методу исследования способом возбуждения ансамбля. Им может быть термический нагрев, возбуждение в ударной волне, в электрическом разряде, в поле ИК лазерного излучения и др. В другом предельном случае, когда возмущение исследуемой системы волнами накачки АСКР велико, мы имеем дело с возбуждением среды нелинейно-оптическим способом (двухфотонное комбинационное возбуждение (ДКВ)). Оно представляет самостоятельный интерес, т.к. позволяет создавать неравновесное распределение молекулярных ансамблей по колебательным уровням. Применение перестраиваемых лазеров в схеме возбуждения делает ее универсальной и позволяет расширить сферу действия метода на большое число комбинационно —активных переходов любых молекул.

К настоящему времени накоплен богатый материал о нелинейных кубических восприимчивостях невозбужденных молекулярных сред, однако экспериментальное и теоретическое изучение поведения этого параметра в случае возбуждения молекул находится в начальной стадии. Поэтому для разработки новых нелинейно-оптических способов создания сильно неравновесного распределения молекул по колебательным состояниям, развития нелинейных лазерных методов диагностики колебательно возбужденных молекул, для понимания физики процессов возбуждения и релаксации необходимо проведение систематических исследований в этом направлении.

Целью настоящей диссертации являлось экспериментальное и теоретическое исследование нелинейной кубической восприимчивости колебательно возбужденных молекул при различных способах их возбуждения: термическом нагреве, охлаждении молекул в сверхзвуковой газовой струе, при многофотонном возбуждении (ШЗ) в мощном ИК лазерном поле, в случае двухфотонного комбинационного возбуждения. В качестве метода исследования кубической восприимчивости применялась активная спектроскопия комбинационного рассеяния света.

Нелинейно-оптические методики возбуждения и зондирования молекулярных сред являются сами по себе весьма сложными в экспериментальном плане, а их сочетание друг с другом требует не только чрезвычайно оптимальных экспериментальных схем и процедур 5,38-39] , но и поисков новых эффективных способов сбора, обработки и хранения экспериментальных данных, возможности управлять экспериментом в реальном масштабе времени (т.е. в процессе его проведения). Для решения этих задач необходимо было создать полностью автоматизированный универсальный спект-роаналитический комплекс, позволяющий реализовать наряду с любой схемой АСКР различные схемы возбуждения молекулярных ансамблей, включая нелинейно-оптические методы, возбуждение излучением СО^-лазера и др.

Диссертация состоит из введения, четырех оригинальных глав и заключения.

Перечислим основные выводы диссертационной работы:

1. Разработана гибкая компьютеризированная система регист рации и управления спектроаналитическим комплексом на базе ап паратуры сопряжения КАМАК и мини-ЭВМ СМ-4. Создано программное обеспечение комплекса. Работоспособность и универсальность пред ложенной архитектуры продемонстрирована в экспериментах по изу чению нелинейных оптических свойств плазмы лазерного пробоя га зов, молекул азота, охлажденных в сверхзвуковой газовой струе, и молекул гексафторида серы, многофотонно возбужденных резонан сным ИК излучением.2. Предложен метод расчета оптической кубической воспри имчивости многоатомных молекул, включающий учет различных мо делей поведения однородной и неоднородной ширины исследуемых в АСКР переходов в области колебательного квазиконтинуума.Проведен численный расчет спектров АСКР полносимметричной и дважды вырожденной моды молекул равновесно нагретого газа гек сафторида серы.3. Экспериментально получены спектры АСКР полносимметрич ного (V^ ) и дважды вырожденного (тЛ ) колебаний термически воз бужденных молекул газа 5/> в диапазоне температур ЗОО-гЮООК для моды -Ц и 300-г700К для моды г^ . Результаты эксперимен та полностью согласзтотся с расчетом, сделанным в предположе нии, что однородная ширина переходов в области колебательного квазиконтинуума постоянна. Оценка значения этой ширины как по моде -Ц , так и по моде 1Л , дает величину Г^1см . 4. Проведен расчет кубической оптической восприимчивости газа двухатомных молекул, подвергнутых сильному двухфотонному комбинационному возбуждению, учитывающ£1я спектральный обмен в Q-полосе. Предложен метод определения доли неоднородного уширения в "схлопнувшейся" под действием столкновительного су жения спектральной линии сигнала АСКР. Экспериментально про демонстрировано насыщение сигнала АСКР комбинационно-активного перехода Sjl) молекулы водорода.В заключение автор выражает глубокую благодарность науч ному руководителю Н.И.Коротееву за постоянное внимание и под держку в работе на всех ее этапах - от постановки задачи до обсуждения результатов, профессору А.Ахманову за заботу и возможность работать в руководимом им коллективе. Надолго в памяти останутся часы, проведенные в лаборатории вместе с М.Гладковым, А.М.Бродниковским, М.Г.Каримовым и В.Н.Марчен ко, без неоценимой помощи которых настоящая работа не могла бы быть проведена. Автор глубоко признателен Р.В.Амбарцумяну, А.А.Пурецкому, И.Л.Шумаю, В.Б.Морозову, М.В.Рычеву, А.Б.Федо рову, А.В.Евсееву, Л.Верещагиной и А.А.Титову за помощь при проведении экспериментов и численных расчетов.