Нестационарная КАРС-спектроскопия атомных и молекулярных переходов, слабо уширяемых столкновениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени M.В.ЛОМОНОСОВА

Од ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукоийои Уда 585.375+621.373:535

КОНОВАЛОВ ИГОРЬ ГУРЬЯНОВИИ -

НЕСТАЦИОНАРНАЯ КАРС-СПЕКТРОСКОЙШ АТОМНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПЕРЕХОДОВ, СЛАБО УШИРЯЕМЫХ СТОЛКНОВЕНИЯМИ

Специальность 01.04.21 - лазерная физюш

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации-на соискание ученой.степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследования методом нестационарной пика-секундной КАРС-спектроскопии кинетики дефазировки слабо уширяемых переходов в основных термах атомов тулия (Тт) и самария (Sm), нижних чисто вращательных переходов молекулы водорода (Н2).

Актуальность исследования

Метод когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) занимает в настоящее время одно из ведущих мест в спектроскопии комбинационного рассеяния (KP). В его нестационарном варианте информация извлекается из временной формы откликов исследуемой среда на импульсное (Энгармоническое возбуждение. Анализ импульсных откликов позволяет определить частотные интервалы между спектральными компонентами, получить информацию о кинетике дефазировки. Нестационарный КАРС дает высокое эквивалентное спектральное разрешение, в ряде случаев имеет преимущества перед частотными методами благодаря возможности исследовать процессы дефазировки в реальном времени.

В настоящее время почти ничего не известно о потенциалах взаимодействия с нейтральными частицами атомов, имеющих заполненные внешние электронные оболочки, в частности, - атомов редкоземельных элементов. Известно, что комбинационно-активные перехода основных термов этих элементов принадлежат к достраиваемой внутренней электронной «-оболочке и имеют слабо уширяемый характер, что связано с. экранирующим действием внешних электронных оболочек. Спектроскопическая информация о кинетике упшрения или дефазировке этих переходов, позволяющая судить о потенциалах ме«частичных взаимодействий, к которым относятся изучавшиеся в данной работе переход 42F7/2- 42F5/2 атома Тш и перехода между компонентами нижнего электронного мультиплета.тГ атома Sm имеет значи-

эта задача осложняется при регистрации рассеяния вперед, когда ширина дошюровской линии минимальна (для SQ(0) при Т=15°С она составляет всего 4'10-3см"1)- До сих пор сужение Дике на переходах SQ(0) и SQ(1) молекулы Hg удавалось зарегистрировать лишь при рассеянии назад и год углом 90°. Высокое эквивалентное спектральное разрешение метода нестационарного КАЮ дает возможность осуществить регистрацию этого эффекта при коллинеарной геометрии пробного и рассеянного излучений. Такая .схема позволяет изучать кинетику дефазировки начиная о самых малых давлений.

Вращательные перехода молекулы Hg и Переход 42F?/2- 42?3/g атома Im являются представителями немногочисленных простых квантовых систем, поддающихся точному расчету. Полученные экспериментальные данные по исследованию этих объектов позволят делать вывода об адекватности тех ели иных теоретических моделей.

Дель диссертационной работы

1. Создание полностью автоматизированного пикосекундного КАРО-спектроиетра. Разработка методики проведения автоматизированных экспериментов, программного обеспечения, осуществляющего управление установкой и обработку получаемых данных.

2. Проведение экспериментов по нестационарной КАРС-спектроскоши перехода 4zF7/2-42F5/2 атома Тш в широком диапазоне давлений буферных газов Не, Ne„ Хе с целью исследования кинетики дефазировки, начиная от чисто дошюровской до полностью однородной.

Расчет теоретических импульсных откликов на основе модели, учитывающей влияние газокинетических, упругих дефазярз^юЩих в неупругих, приводящих к спектральному обмену, столкновений с целью определения соответствующих врёмен дефазировки и столкговительных сечений.

3. исследование методом нестационарного КАРО кинетики дефазировки

скошш переход 47F0- 47F2 разрешен только в электроквадрупольном приближении.

Б. Экспериментально показано, что зависимость сечения "столкнови-тельной дефазировки переходов основного мультиплета Sm с ÄJ=1 от J имеет немонотонный характер.

6. Чисто вращательные перехода So(0) и S0(1) молекулы Hg исследованы в диапазоне давлений от десятков атм до единиц Topp. Наблюдалось увеличение эффективного сечения дефазирувдих столкновений этих переходов при малых давлениях.

7. Впервые зарегистрирован эффект Дике на чисто вращательных переходах молекулы Hg в геометрии рассеяния вперед, соответствующей минимальной доплеровской ширине.

Драдтичэркая ценность

1. На базе пикосекундного КАРС-спектрометра. создана автоматизированная установка для проведения эскпериментов по нестационарной КАРС-спектроскопии комбинационно-активных переходов в атомарных и молекулярных газах. Разработано соответствующее программное обеспечение.

2. Проведенные эксперименты продемонстрировали эффективность метода нестационарного пикосекундного КАРС для получения количественной спектроскопической информации о кинетике дефазировки и столкновитель- • ных сечениях различных дефазирующих процессов на слабо уширяемых комбинационно-активных переходах.

3. Полученные значения столкновительных сечений и уширений для переходов в Тга и Sm и эффект стабилизации затухания импульсных откликов в Тт могут иметь практическую ценность в перспективе использования подобных переходов в качестве квантовых стандартов- частоты.

4. Измеренные времена дефазировки переходов SQ(0) и SQ(1) молекулы Hg для рассеяния вперед и при низких давлениях практически важны

ферта газах Не, Не, Хе соответствуют данным, приведенным в таблицы Й»

7. Зависимость от 3 сечения столкновительной дефазировки переходов с Л«ЬИ основного мультиплета Бш является немонотонной. Минимальное сечение имеет переход 47Тг~ 47?3.

8. Зарегистрирован аффект Дике на чисто вращательных переходах Бо(0) и 80(1) молекула ^ при геометрии рассеяния вперед, соответствующей минимальной доплероаской ширине. Значения ширин линий а области сужения Дике приведены в таблицы 3.

^трпАржя работы я публикации

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международный симпозиум по когерентной Рамановской спектроскопии (Самарканд, 1990).

2. 10-й Общеевропейский симпозиум по КАРС-сшктроокошш (Гарчинг, ®РГ, 1991).

3. XIV Международная конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.).

4. VII Международная конференция "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, 1993 г.).

5. 13-й Общеевропейский симпозиум по КАРС-спектроскошш (Гиф-свр-Иветт, Франция, 1994).

Основные результаты диссертация изложены в 14-ти публикациях; список которых приведен в конце автореферата, из них 2 находятся в печати.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав:, заключения списка литературы и трех приложений. Содержание работы (без приложений) изложено на 183 "страницах машинописного текста, иллюстрировано 52 рисунками и содержит 15 таблиц, Список литературы включает 149 наименований.

Лазерная часть позволяет получать спектрально ограниченные одиночные импульсы на основной, удвоенной и утроенной частоте Nd3+:YAG-генератора и импульсы лазера на красителе с перестраиваемой частотой. Длительности импульсов - примерно 30 пс.

В § 2.2 описаны элементы КАРС-стоктрометра обеспечивающие задание поляризационных условий, пространственное сведение и временное согласование используемых излучений в объеме взаимодействия, перестраиваемая линия задержки, а, также, нагревательная компрессионная кювета, служащая для приготовления исследуемых объектов. Регулируемое время линии задержки - 0+6 не. Конструкция компрессионной кюветы позволяет работать с давлениями от единиц Topp до 150 атм и нагревать исследуемый образец до 1500*К.

В § 2.3 описаны оптическая схема спектральной селекции антисток-сова излучения, система регистрации сигнала и контроля энергий участ-вупцих в процессе КАРС излучений.

В § 2.4 описана методика проведения автоматизированного эксперимента и обработки полученных данных. Здесь же дано описание основных алгоритмов разработанного программного пакета.

Третья глава посвящена исследованию кинетики дефазировки перехода

*%/г~А%/г атома Тт-

В § 3.1 представлена структура перехода Лг?7/г~4г?5/г атома Тт,

изложены основные ранее полученные результаты.

В § 3.2 описана схема экспериментов, представлены полученные импульсные отклики.

Для возбуждения и зондирования использовались излучения с ^=1,064, А.£=0,55 и \=0,532 мкм. В исследуемый объект, находящийся щи температуре и 1500°К, излучение фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 1=2 м. Диапазон исследованных давлений: в Не - от 30 Topp до 109 атм., в Ne -1,8 + 47,4 атм., в Хе - 0,04 + 9,8 атм.

- 1б -

вде

Ьд . ехр[0Ну - 1 + в"у)] .

У = ^ . Р 4 с ] ' = Т

(здесь - постоянная Больцмана, Т - температура, М - масса) описывает дошшровскую дефазирощу и эффект ее замедления столкновениями, Н -адиабатическую столкновительную дефазировку отдельных сверхтонких компонент и спектральный обмен между ниш:

н23 = (Ш23~ ггз)1а2з + 4г(Р34Н34 " ргзН2з) •

. л, 1 . (3)

л* = Г34)Н34 + -^(р23нг3 - Р34Н34> •

Р^/Р^ = 20/27 .

Показано, что данная модель хорошо описывает наблюдаемую трансформацию импульсных откликов, включая область стабилизации их затухания.

Моделирование позволило получить информацию о константах затуханиях сверивших компонент вследствие упругих дефазирувдах отолкнове-вдй Г^ и Г^, частоте неупругих столкновений, приводящих к спектральному обмену, К0, а такае времени корреляции тепловых скоростей Ссютветствущие эффективные сечения, коэффициенты диффузии и уширения в области однородной дефазировки представлены в таблице 1.

Таблица 1. Переход 4Р^/2-4Е5/2 атома Тт, Сечения дефазирующих столкновений, коэффициенты диффузии и уширения в области однородной

дефазировки для буферных газов Не, Ие, Хе.

8р , 1г 34 % , Iй 23 V *2 ' V ^ Т) £*_ 0* с с*-1/4МАГА

Не N6 Хе 0,33(0,04) 1,35(0,3) 7,7(2) 0,40(0,04) 1,6(0,3) 9,4(2) 0,71(0,12) 2.7(0,3) 15(5) 1,1(0,1) 4,2(0,5) 25(5) 0,25(0,03) 0,13(0,02) 0,043(0,005) 2,0(0,5) 3,5(1.0) 10(4)

Четвертая глава посвящена исследованию переходов внутри основного мультиплета природной смеси изотопов Бт.

В $ 4.1 представлена структура переходов основного .чульятяета

- 1? г

с областью больших, давлений (см. рис.4).

Таблица 3, Давление» время дефазировки и ширина линии переходов S0(Q) и SQ(1) молекул Hg при аффекте Дике (Т=288°К)

I Переход P. аты. V НС Av, »10 3 см-1

S So(0), чистый Ц2 0,1 8,7 i 0,05 1,2 ± 0,4

I SQ(1 ), чистый Д2 0,2 6,2 ± 0,05 1,7 ± 0,4

I S0(1), Нг в le 0,2 6,7 £ 0,05 1 ,б i 0,4

sr< Л* *

4":

-а-...................S0<1> -чистый Нг

.......-....."-*-$|,(0)-чиЕТмй Нг

eSoCU-НгвНе

в

Ю

W

Р, атм

3Q

Вис.4. Сечения дефазирувдис столкновений щяяпия чисто вращательных переходов молекулы Е^.

В qHKjnfmfW еформулированн основше результаты работы.

1. Создан автоматизированный шюосекундаый КАРС-спектрометр. Око-тема автоматизации включает управление элементами установки, сбор экспериментальных данных и контроль параметров. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить эксперименты по нестационарной КАРС-спектроскопии в автоматическом режиме и осуществлять обработку данных.

2. методом нестационарной пикосекундной КАРО-спектроскопии детально исследована кинетика дефазировки слабо уширяемого перехода

2 2

4 4 во внутренней экранированной электронной оболочке атома Тт в диапазоне давлений буферных газов Не, Ne, Хе от гисто допле-

о

Таблица Z. Упшрения 7 (cu-1/AMATA) к сечения столкновительной дефазировки Sc (А2) переходов основного мультиплета Sm. (а - нестационарный КАРС, б - спектроскопия поглощения £23)

4IV 4V % 1 4?5- -4?6 4F0- 2

7 Т Sc 7 S° 7 7 Sc 7 s с

L а б 5,5 0,7 1,5 í,i 0,ig 0,22 2,8 2,3 0,351 0,29| 2,8 0,35 5,0 0,6 2,9 0,35

Ne а|ю,0 б| 2,6 3,1 2, 7 0,8 oír 4,8 3,7 1,2 I 1.0 4,3 1,1 10,5 9,0 2,7 2,4 5,1 1,3

Хе а¡21,3 б| 11,0 6,Т ,13,0 3,5 6,8 7,3 18,0 3,9 I 9,5 1 . 5,1 2,6

о,»

Sr.**

ta+He

—i—1—

'в-»«

вг. а* • Sm*He

.'О

с

sr. a*

fetlt

O ;

\o

Рис.2, Сечения дефазирущих столкновений переходов внутри основного мультиплета Sm буферных газах Не, Ne, Хе.

Отмечается немонотонный характер зависимости сечения стодкновительной дефазировки переходов с &JH основного мультиплета природной смеси изотопов Sm от J (ом. рис.2).

Пятая глава посвящена исследованию дефазировки вращательных переходов SQ(0) и SQ(1) молекулы Hg в чистом водороде и в присутствии буферного rasa гелия.

В 5 5.1 описана структура колебатадьно-вращатедышх уровней молекулы Hg, дан краткий обзор работ, посвященных исследованию вращатель-

i

QD

5

О

I-1

Г-1

- н -

Торр до десятков атмосфер в чистом Hg и в присутствии буферного Не. Впервые зарегистрирован аффект Дике не чисто вращательных переходах молекулы Hg для геометрии рассеяния вперед, отвечающей минимальной дошюровской шринэ 'линий. Зафиксировано увеличение аффективного сечения дефааирующих столкновений этих переходов при малых давлениях.

Приложения содержат описание структуры и основных алгоритмов программного обеспечения и не вошедшие в основной текст таблицы, содержащие результаты обработки импульсных откликов.

Публикации по теме диссертации

1. Ф.Ш.Ганиханов, И.Г.Коновалов, В.В.Морозов, Д.Л.Сандухчян, В.Г.Тун-кин. Исследование столкновительных процессов в атомарных газах методом нестационарной КАРС. - Тез. докл. меад. симп. по когерентной Раманов-ской сйектроскопщ, Самарканд, 1990, с.24.

2. Ф.Ш.Ганиханов, И.Г.Коновалов, В.Б.Морозов, Д.Л.Сандухчян, В.Г. Тун-кин. Регистрация предельных концентраций методом пикоеекундной КАРС-спектроскопии. - Тез. докл. мевд. сию. по когерентной Рамановской спектроскопии. Самарканд 1990, с,18.

3. Ф.Ш.Ганиханов, В.Н.Кулясов, И.Г.Коновалов, В.Б.Морозов, В.Г. Тун-кин. Нестационарная RAPC-спектроскопия атомншс паров таллия. Квантовые биения сверхтонких компонент перехода 6гР1 /£ - 6гР3/2 в условиях существенного столкновительного уширения. - Опт. и спектр., 1991, т.70, вып.2, с.483.

4. F.Ganikbanov, I.Konovalov, V.Kuliaaov, V.Moroaov,' V'.Tunkin. Colli-sional eífecta ta nonstationary CAES of inftomogeneoasly broaderted transitiona of atomic gases. - In: Frogram and book of abstracta of tiie 10 th. European CARS Workahúp, Garching, 1991, p.13.

5. Ф.Ш.Ганиханов, И.Г.Коновалов, В.Б.Морозов, В.Г.Тункин. Пикосекунд-ный КАРС-спектрометр на основе Y4G:Nd-генератора с отрицательной об- 18 -

f molecular hydrogen. - Program sM book, of abatracta of the 13-th luropean O^BS WorKahop, Giff sur Yvette, 1994, PSI-IT. 3. И.Г.Коновалов, В.Н.Кулясов, В.Б.Морещов, В.Г.Тункин. Дефааировка дарашфованного перехода 4?7/г-41'5/а атомов Tm s инертных газах Не, Ее, Хе. - Опт. и - в печати.

|4. И.Г.Коновалов, В.Н.Куляоов, В.В.Морозов, В.Г.Тункин. Дефазировка гараходов основного мультишгата Sml инертных газах. - Опт. и спектр. -в печах!?,

Штщшавдэя дащшзда

1. тщфвШщ Д.В., Нйкитин ttj|>?.|t парвц нестационарной спектроскопии щащвяата. урдадаугдарЦодр».•'- Qttrot дамяр., 1Э92,т.73,*б, с.862.

2. Ведешь В.Д. Кулясов В,К., Куфбатоа А.Л.,Родин Н.В., щубин М.в. J-зависяшость столкновительного уширения компонент тонкой структуры Sm1. - Опт. и спектр.1387,Т.62,вып.4,с.73?.

3. Куприянов Д.В. Деполяризация и перехода между компонентами тонкой структуры редкоземельных атомов в инертном газе. - Хим. физика, 1986, т.5, JH1, с.1452.