Поляризационная четырехфотонная спектроскопия водных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

министерство ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

САМАРКАНДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени АЛИШЕРА НАВОИ

* .......

На правах рукописи

ЖУМАНОВ ХАКБЕРДИ АХМЕДОВИЧ

УДК 535. 3-321.373:535

Поляризационная четырехфотонная спектроскопия водных сред

(Специальность 01 04.05-0птика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самарканд—1997

Работа выполнена и Институте общей физики РАН лаборатории нелинойной оптике Самаркандского Госуд ственною Университета

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математич ких наук БУНКИН А. Ф. доктор физико-математи1 ких наук, профессор САБИРОВ Л. М.

доктор физико-математи1 ких наук, профессор АЗАМАТОВ 3. Т., кандидат физико-математ ческих наук МАЛИКОВ М.

Отдел Теплофизики АН Р;

1997

Защита состоится „._ _

в /у ь .часов на ¿аседании специализированного Сове (К. 067. 04. 01) при Самархандском Государственном Ун ссрсит^те имени А. Навои по адресу: 703004, г. Самарка! Университетский бульвар, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в фундамента-! ной библиотеке СамГУ им. А. Навои.

Автореферат разослан , ^ " ^еяр^Л/)_ 19971

Ученый секретарь

специализированного Совета ла?^^

канд. физ.-мат. наук, доцент ¿V? ЗОХИДОВ У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ____

Актуальность теми

Среди многочисленных методов оптической спектроскопии, бурно развивающихся за последнее время благодаря прогресс» лазерной, регистрирующей и вычислительной техники, важное место занимает нелинейная лазерная спектроскопия, основанная на измерена.: оптических нелинейностей исследуемой среды, "актуальности этих исследований заключается в совершенствовании митозов ртгияноЧ "етырехфогоиной молекулярной спектроскопии, так кчх- и\ применение позволяет получать уникальную нлфсрыацию о молекулярных резонаисах, недоступную традиционной спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) и ИК-поглощения. Е настоящее время разработаны и изучены различные методики осуществления спектроскопии когерентного антистоксоиз рассеяния света (КАРС): амплитудная, резонансная, спектроскопия оптического эффекта Керра, индуцированного резонансом КР (ОККР), поляризационная. С начала появления четырехфотонкой спектроскопии было ясно, что она может использоваться не только для исследования КР-активных молекулярных ргзонаксоа среды, но и для нзученчл рсто!;;!псог, иной природы, например оянофотонных, мандельштам-брчллюэнозских и релеевских ргзснг.пс;1:>. Однако, такая ня7,от-зсль молекулярной спектроскопии, как рассеяние в крыле лини:«. Релей (К.ЛР), даюшаа информацию с релаксации анизотропия ср-гды, не имеет аналогов с четы- рехфатонной спектроскопии

В иастояше« время ч-.-тырехфотонная спектроскопия используется для р-шенич ряда приставных задач, например, разработки конкретных «сем диагностики газов, газовых потоков, плазмы, ксследовями!» яро^ессо» »сол?бзтел«-«ого возбуждения и релаксации., столкног.ительпых процессов в газа?., а также изучения махромодекул и мсдасуллрци.ч комплексов а жидкостях с помощью резонансного КАРС. Однако все указанные выше методики используются в лабораторных условиях. Разработка дистанционных методов четырехфогонной спектроскопии КР даст эозмозкность получения хорошо известных преимуществ методов КАРС и ОККР нал спектроскопией спонтанного КР для исследования объектов окружающей среды, в частности атмосферы и океана.

Таким образом, в связи с важным научным я прикладным значением еозшкадощих а указанных областях спектроскопии проблем, актуальными являются исследования, служащие достижению более глубокого понимания поляризационных и

-ч-

интерференционных явлений в четырехфогоиной молекулярной спектроскопии, изучению возможностей различных схем дистанционных измерений методами КАРС и ОККР а' также выявлению новых практических приложений этих методов.

Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании

возможностей поляризационных КАРС и ОККР спектроскопии для диагностики водных сред, в том числе в дистанционном варианте.

Конкретно при этом решались следующие задачи: о изучение ьозмокностсй поляризационного КАРС спектрометра п< разрешению структуры спектральных полос, образованны: наложением нескотьких линий КР,

• исследование возможностей использования явления ОВФ одной и зондирующих волн за счет вынужденного рассеяни Манделг.штама-Бриллюэна в спектроскопии ОККР,

• получение сигнала ВРМБ с глубины поверхностного сдоя воды дистанционном варианте ОККР.

Научная аавигиа состоит в том, что:

• экспериментально осуществлен новый вариант спектроскопии четырехфотоцная спектроскопия крыла линии Релея (ЧСКЛ1 позволяющая получать спектры КЛР при высоком урок отношения полезного сигнала к шуму и засветке,

• зарегистрировано сужение крыла линия Релея п четырехфсгтонном взаимодействии при повышении коицскграи растворенной морской соли и повышении температуры раствора,

• предложен механизм, приводящий к наблюдаемому сужению кры линии Релея в схеме ЧСКЛР,

• впервые осуществлена схема дистанционного зондирован** использованием явления обрашения одной из зондир>ющнх воли счет кынужденного рассеяния' Мандельиггама-Брнллюэна спекгайскооин ОККР.

Практическая цышосгль реботи заключается в том, что:

• создан автоматизирси-шшыЯ спектрометр чстырехфотои поляризационной сптаросхоли» КР доз исследования резона» жидкостей в обычной и дисганцкскыой схемах измерений в раз диапазонах частотных отстроек,

• полученные « работе данные о чувствительности полярнзашюи КАРС ■ ОККР во регистрации малых примесей а жидкоеи

измереняя температуры и солености поды могут быть использованы да* дистанционного лазерного лидирования водных сред.

На защиту гыиосятся следующие положения:

1. Возможности использования различных схем четырехфи шнной спектроскопии КР для дистанционных измерений в водных средах и создании экспериментальных установок для дистанционной четырехфотонной спектроскопии водных сред,

2. Использование ВРМБ одной из волн накачки позг оляет регистрировать колебательные спектры прозрачных сред з направлении 180° по .отношению к направлению распространения излучения накачки и использовать эту методику для дистанционного зондирования повер::иостей водоемов с расстояний, величина которых определяется порогом ВРМБ в исследуемой среде одной из волн накачки.

t 3. Четыр.^фотонная спектроскопия крыла линии Релея может использоваться для одновременного определения солености и температуры воды » дистанционном варианте. Метод ОККР ( RIKES ) в дистанционном варианте может быть применен для обнаружения загрязнения поверхности водоемов углеводородами.

4. Реализация схемы дистанционного ОККР с использованием обращения во.шояого фронта одной из волн накачки для получения с помощью сигнала ВРМБ из поверхностного слоя моря спектра колебаний кона SCv

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих совещаниях а конференциях:

1. Всесоюзный семинар-совещанкс "Проблемы лазерного зондирования поверхности Земли". Ташкент/1984.

2. XIII Международна конференция по когерентной и нелинейной оптике. Минск, 1983.

3. Региональный семинар "Броуновское дп;п~ег п;г ?.гсг-гкул п спеетроскопия коидененронаняых сред". Самарканд, 1*591.

4. Региональна конференция медфармацеэткчгекггх ц с/х Еузсз республик Средней Азии и Казахстана, 1942.

5. Национальная конференция по молекулярной спектроскопии с международным участием. Самарканд, 1996.

'¡убликации

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Личный вклад соискателя

Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором под руководством доктора физ.-мат.наук Бункина А.Ф. и доктора физ.-мат.наук профессора Сабирова Л.М.

Автором в решении прикладных задач впервые была реализована схема дистанционного зондирования с использованием явления обращения одной из зондирующих волн за счет вынужденного рассеяния Манаельихтама-Бриллюэна.

Соавторы работ [2-4, 6] Галумян A.C. и Сурский К.О. участвовали в проведении оптимизации выходных параметров лазеров, используемых ь КАРС-спектрометре. Соавторы работ [2-7] Мальцев Д.В., Горбунов АЛ. и Резов A.B. принимали участие в разработке пакетов программ автоматической обработки регистрируемых сигналов. Соавторы работ [1,8] Власов Д.В. и Андреева Н.П. участвовали в обсуждении полученных результатов по проблеме зондпрезакия поверхности водоемов.

Во всех работах автору принадлежи- разработка и реализация лазерной части и регистрирующей аппаратуры. Автором проведены все лаборатории; и натурные эксперименты. Он принимал непосредственное участие в интерпретации полученных результатов.

Структура и ойъем работы

Диссертация изложена на 120 стр. машинописного текста, состоит i« введения, 4 глав, заключения, списка литературы, содержит Г ¥ р'.'.сунхск ü 2 таблиц.^ Список литературы включает 110 найме ¡скапий.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Во введения сформулированы задачи и цель сследований, отмечены степень новизны, научная и практическая начимость результатов, а также определен вклад соискателя в ыполнсние работы. Описаны содержание и структура диссертации.

Глава 1 язлястся вводной, здесь кратко обсуждаются вопросы [еноменшюгического описания рассматриваемых в диссертации алщшй а построения ' гигроскопической модели. "Приводятся писания различных схем поляризационной четыр>гхфотонной пекгроскопни КР.

В параграфе 1.1 рассматриваются некоторые свойства елинейной кубической восприимчивости среды» определяющей ее езшнейную поляризацию. Показано,. что четырехфотонная пектроскоппя КР может осуществляться в двух вариантах: снованном на измерении дисперсии интенсивности сигнала при ереходе через комбинационный резонанс (амплитудный КАРС), а юрой - на измерении дисперсии поляризации аатистоксоза' сятпзлз поляризационный КАРС). ° 0

Параграф 1.2 посвящен изложению современного состояния оляризациокнзн спектроскопии КР. При этом описываются реимущества поляризационного !САРС по сравнению с мпянтудным, связанные с возмогкаостыо подавления «диспергирующего йогереитшго фска, гоз»мс}кнсстыс активного гармировання шпура ярпеой дтагерсни,

. Глава 2 : посвящена, «иисаиню цгсшлкшх тапоз, втоматазированных с помошию. ЭВМ спектрометров, созданных на сиове схем поляризационного КАРС м спектроскопии эффекта 'срра, _ ш^шфоашшого резонансом КР. Изложены методики р^едйшыхэштеркме!^», атакзке их результаты.

В ггараграфе2.1 приведена оптеческая схема полностью авто-

\1ф8Лваягачеяиого- для получения ишоргииых (Гетрой' Поляризационного КАРС з диапазоне 6СФМ100 см"'. Описаны результата пробных экспериментов с Лййяом, «йетвно» » показано преимущество КАРС спеиросюшш 'О срявнетяо с СКР ври разрешении широких полос,

. Здесь... я» . приведена методика оценка спектроскопических йраыетров, иетодом модельного спектра. Продемонстрированы Вфогагвбцюиосги кгапромсфа.а таасс методики КАРС в части

разрешения широких полос КР жидкостей, определения спектроскопических параметров перекрывающихся линий, точности

измерений.

В параграфе 22 приведено описание акгомаггизмровашк» установки для спектроскопии эффекта Керра, индушфованиогт резонансом^ КР (ОККР). Здесь же приведены результата апробацт спектрометра при получении спектров ОККР О - оолось атмосферного азота. Показано, что метод ОККР позволяет получал колебательные спектры атмосферного азота на протяженных трассах < высоким спектральным разрешением, недоступным при спонтанно» КР. Продемонстрировано, что эксперименты такого типа можн< проводить дистанционно, помещая в конце трассы даэлектричесвд зеркало или иепользуч явление обращения волнового фронта одной и зондирующих волн за счет вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна в прозрачной среде, находящейся в копие трассы.

Высокий уровень регистрируемого сигнала позволяв использовать указанную методику для дистанционной экспрессжх диагностики температуры атмосферы и малых примесей.

Параграф 23 посвящен описанию электронной част; регистрации я обработки регистрируемых сигналов. Описай паке созданных -программ, обеспечивающих получеиие надежяо количественной тгфедоашяюэюяриметав^^ ■ ■

Глава 3 посвящена применению четрехфагоюю спектроскопии КАРС для иссдедоваии* водных сред и растворов.

В параграфе 3.1 привезены результат исследован* деформации спектров поляризационного КАРС и ОККР валентны колебаний О-Н связи воды с изменением температуры < концентрации растворенной сопи. Показано, что увеличен» температуры воды приводит к уменьшению интенсивности лини низкочастотного крыла полосы (рис. И, что хорошо согласуется данными по спонтанному КР. Пр» этом деформации спектра г величине значительно превосходят последние в' случае споктакио! КР, что объясняется более высокой чувствительностью КАРС температуре.

Приведены резу.^тагы исследования температур»» деформаций спектров ОЮ1Р, которые доказывают, «по значительна деформаций спектра ОККР кс наолюдгстся.

Результаты исследования деформации спектр! поляризационного КАРС полосы КР валсигаых колебаний О-Н «ос при (иг'мрапм Ш показали, что добаазеиие соли в воду )