Вынужденное рассеяние света в водных расслаивающихся растворах азинов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

российская дклдаш нот

шстштг общей физики

на правах рукописи 535.376

ДАВЫДОВ ШШИ ДШСКШП

тшатш- рдсешшз свита в' водных гдссинлвшаихся

РАСТВОРАХ АЗМЮП.

01.04.03 - радиофизика, включая квантовую

Автореферат лйесортащш на сокскгшиэ ученой стегоял КЕШдпдага фшзико-штеиэтн'хостга на£к

Москва (993 г.

Работа нвдвднена в Институте общей Сизяки АН ГОР.

БаучшЗ руководитель - кандидат $из.-мат. наук К.ф.Шхашзв Официальные' оппоненты - доктор фаз.-тт. наук Г.А.Пасиаивж

кандидат физ.-мат. наук О. П. За скал ьей-Ведущая организация - Институт физики АН Бзларуеи Защита состоится "/У" 139214

на заседании • специализированного сошга a-0G3.49.02, в 1'мзтитуте общей физшси АН Р35Р (г .Москва, ул.Вавилова, 33).

Автореферат разослан " " ^92г.

Ученый сокрэтврь

слоцяа "чзЕровешого совета

доктор физико-математических наук

В.П.Вшсов

I. Общая характеристика работы.

■ чип

"Актуальность темы.

Фазовые переходы II рода и критические явления, нэблвдаемне в ществах самой . различной природа, представляют актуальную, ютро развивающуюся область физики.

Подобные переходы, несмотря на различную фгаичэскуп природу, ¡вит общие черти, в частности - изменение' состояния вещества ¡лизи критической "■{очки ' обусловлено флуктуашямя параметра |рядка ф. При изучении- критических, явлений очень удобны |ухкомпонеитные (бинаршо) расслаивающиеся раетворн, у которых фамэтром порядка является отличив концентрации от критической:

= С - Ск- Флуктуации оказывают влияние нз флуктуации [электрической проницаемости е, опреде.пящиэ рассеяние света, [электрическая проницаемость' раствора , является функцией меняя, энтропии, температуры, анизотропии и. концентрации; тчвм характер флуктуаций каждого параметра специфически влияет I спектр рассеяния света. Поэтому изменив расеяния свота весьма годотворно для' исследоваяия внутренних' движений среда (в ютности, в окрестности точки фазового перехода). При >збуждекии рассеяния' света лазерным излучением большой 1Тбнсивности возможно многократное повышение чувствительности »дарений, кроме того, пря нелинейном (внну пленном) рассеянии ¡змокно непосредственное измерение кинетических параметров.

Цель нэстояшей работы - изучение особенностей вынужденного юсеяния свота в водных р.асслэивапдлхся растворах мэтигатридицов

и, в частности, их температурной кинетики..

Научная новизна. Полученные результаты .можно сформулировать следующим образом: . . ..

| К цндитотгацп« рртФлтргтгртьП угч/чгатяят, и тапдрту

расслаивашцимсЯ раствором (Еода-7-коллидин, рассеяние в котором обеспечивало обратную связь), обнаружен и исследован афрект селективной да температуре генерации мощного импульса, инициируемого внешним затравочным излучением.

2.' Проведена оптимизация параметров лазера на основе ВРМБ-компрессора для наблюдения температурных аномалий в спектре вынужденного рассеяния в крыле линии Рэлея. Достжшута трвдцатикратная компрессия в с СС14- '

3. Установлено, что аномальное поведение водного раствора 7-коллидана проявляется также в температурных .зависимостях сшктра вынувденного рассеяния в криле ящик Рэлея, протонного. магнитного резонанса и показателя преломления.

4. В окрестности.ншкней критической точки фазового перехода II рода в водных растворах димешщшридаяов зарегистрирована линия вынужденного концентрационного рассеяния.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты:

1)способствуют расширению представлений о процессах, протекающие б окрестности фазового перехода и являются стимулом к развитию 'теории подобных процессов;

2)пэдтв&рздают предположение .о структурных изменениях в бинарных растворах и являются стимулом к расширению исследований в данной области;

3 (предлагай- нетрадиционные пути поиска новых сред для создания

модуляторов, затворов и Т.п. устройств квантовой электроники.

Апробация работа: основные результаты диссертации долскеш на семинарах в ИСШНе, ФИАНе, на VI Всесоюзной- конференции по взаимодействии оптического излучения с веществом (Паланга, 24 -27 сентября 1Э84г.) и V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 12 - 16 января 1987г.) и опубликована в пяти научных работах. . '

Структура н o6b0Íí- работа: диссертация состоит из Введения, пяти Глав н Заключения. Ее,'текст изложен на. 101 странице, включая 21 рисунок, 1 таблицу и библиографию пз 108 наименований.

II. Краткое содержание работы.

Во Введении изложэяо современное состояние исследований ; рассеяния света в бяпаршх расслаивающихся растворах. Подчеркнуто, что с использованием -нелинейно-оптических методик возможно существенное расширение области исследований т. получение новой информации, затруднительное при использовании методов теплового рассеяния..

Первая Глава носит, в основном, вспомогательный характер. Здесь приведены схема использованных лазерных генераторов на рубине к гранате с неодавЛзм, их энергетические и спектральные характеристики. Кратко описаны основные элемента оптических схем и средства измерения параметров света накачки и рассеяния. - ^

Здесь ке представлены объекты исследования - водяыа расслаивающиеся растворы метилпирвдинов, способы, очистки

компонентов и приготовления растворов, их термостабшизации. Изложены методики подбора концентрации растворов для привязки кх. параметров к ишюимся табличным данным, - а также применявшиеся кювета и способы их подготовки.

/

Вторая Глава посвящена экспериментальному изучению аномального рассеяния в водном растворе 7-колшдияа вдали от температуры расслоения. Кратко изложены теория генерации РОС-ладеров и результаты иг исследования. Приведены параметры экспериментальной-установки для изучения РОС-гэнеращш в расслаивающемся растворе. В результате измерений установлено, что самотзбувдешю усилителя с генерацией мощного импульса дяительностью порядка 50 не и энергией до 1 Дк с гладким пространственным распределением происходило-при фокусировке затравочного излучения в обогащенный 1-коллвдином слой раствора при достижении елвдуидех порогоЕНх

»V Й '

значений: температуры раствора (при Т « Т = 40 - 50 0), энергии гзатрашчшго излучения , энергии накачки усилителя, расстояния ' мез&у■кювэтой с раргБорзм и усилителем.' На основании полученных данных сделан вывод о реализации в кювэте с исследуемым раствором селективной по температура распределенной обратной связи, инициируемо® внешним затравочннм излучением. Данная генерация не связана с критической опзлвсценцией, т.к. отстройка по геадэратурэ от критической точки была более 30°С. В контрольных экспериментах с отдельными компонентами генерация вообще нэ 'наблюдалась. Следовательно, можно предполагать, что было зарегистрировано аномальное рассеяние на флуктуация* анизотропии, обзепбчивввш« обратную овязь в.системе. "Коэффициент отражения" распределенного зеркала в этом случае пропорционален протяженности, области нелинейного взаимодействия, изменение,

которой'осуществляли смешением хювэты (рие.1).-

Для выяснения природы обнаруженного рассеяния исследована

V ЛГ \х

V 4

\ 3 Л2

7

' 1 '-J—-

-70 0 - Ю АХ.нн

Рис. 1. Зависимость энергии выходного излучения от сметания

кюветы.

температурная киготика некоторых, свойств 'водного раствора 7-коллидияа ,б диапазоне 20 - 70°С: скорости гиперзвука, сдвига частота протонного магнитного резонанса (ШР), показателя преломления. . . •

Температурное изменение скорости гийерзвука^ в растворе оценивали по величине сдвига лшши ВРМБ при возбуждении обратного рассеяния импульсом рубинового лазера (ч м 20 не, Етах= 5 мДж, Ог> « 0,01 см"'), фокусируемого в кювету с исследуемым раствором.

Использованная для вычисления скорости гиперзвука величина показателя преломления раствора ' бала измерена на рефрактометре ИРФ-22. Причин рефрактометра, бидиетиллярсванная вода и раствор 7-коллидина гврмоставилизировались ¡гри одой темггаратурз, затем рефрактометр калибровался по показатели преломлений вода' я

Т.

производилось измерение показателя преломления раствора. Полученная зависимость показателя преломления от температуры раствора имеет—максимум—в _ окрестности—5—и—отличается—-ОЗ— расчетной, полученной ' сложением молекулярных рефракций. Вычисленная с ' использованием этих данйых и измерений те;/паратурного сдвига линии ВРМБ производная скорости гиперзвука по температуре испытывает взлом вблизи Т. -

Лч,шпн.сЗ. .--.*-

7г ' "

Х- •

Рис.

0,75

0,5-

0,25

\

X

•ТХ

20

40

во т;с

Температурная зависимость сдвига частоты ПМР для линий группы ОН"-.

Кз измерений спектров ШР раствора получено: на краях обоих исследованного температурного диапазона в спектре имели место две четко разделенные линии вблизи частоты протона из.группы (ЯГ. С 'изменением температуры вти линии сближаются и сливаются е одну ври Т « Т: локальные магнитные поля в растйоре становятся одинаковыми для.всех прогонов из группы ОН" (рис.2).

Приведенные результаты относятся к существенно различавшимся на микроскопическом уровне свойствам раствора,. ' однако их

особенности- проявляются в одном и том же. узком температурном диапазоне (при Т « Т), что позволяет предположить: в 'двухкожгаяентиой: падкости происходит . преобразование межмолекулярных связей с изменением структуры ближнего порядка; такое заключение' связывает наблюдавшееся аномальное рассеяние с температурным изменением , показателя преломления. Сопоставляя экспериментальные данные, можно допустить, что- в растворе происходит образование, разумеется, в статистическом смысле, тетраэдрических комплексов (в .соответствии с' фазовой диаграммой, в окрестности Т- концентрации молекул еоди и -у-коллиданз соотносятся как 3:1)'. Представление .об .образовании подобных комплексов объясняет слияние линий в спектра ПМР, наличие экстремума у показателя преломления и скачок производной скорости гиперзвука при . Т. Полученные результаты ' полезно дополнить измерением ширина линии Рэлея по спектру теплового рассеяния, либо сдвига линии вынужденного рассеяния в крале линии. Рэлея (БРКР), из которых легко определить время релаксации анизотропии. Для решения такой задачи потребовалось разработать специальный лазерный источник. . . • ■

Третья Глава ' посвящена практической реализации стабильного генератора лазерных- импульсов наносекулдаой длительности на основе ВШБ-коипрессии. . В ранее выполненных работах по теоретическому и экспериментальному исследованию компрессии-импульса при вынужденном рассеянии изучены особенности ВКР- к ВРМБ-компрессии в ряде жидких и газообразных сред. Проведен численный анализ Взаимодействия волны накачки я стоксовой волнн с целью выяснения условий оптамальндго преобразования энергии лазерного' импульса ■ в . сгонсов лшульо. Приведен обзор

экспериментов по реализации различных схем компрессоров: с применением затвора Поккельса для формирования затравочного -нипу т,1-я; РПяПуулиния . я^от имгтудьса в дополнительной ищете. с последующим усилением, стоксова импульса в основной; возбуадения затравочного импульса и усиления стоксова сигнала в коническом световоде, заполненном жидкостью; а такке при фокусировке накачки длиннофокусной линзой в кювету с нелинейной средой, явливдуюся одновременно генератором и усилителем стоксова импульса. На, основании проведенного ' анализа выбрана ..последняя схема, отдичалцаяоя удобством управления параметрами стоксова импульсаи сравнительной простотой оптической установки.

Слздувдий раздел третьей Главы'' посвящен экспериментальной реализации . ВШБ-компрессора на основе рубинового лазера. В качестве велинайвой ■ средам изучены п-гексан, 001^ и вода, различающиеся величиной инкремента вынужденного рассеяния и временем' релаксации ; гиперзвука. -Излучение рубинового лазера (тИ|| к> 60 не, Ет(ш= 0,16 Дк, бт « 0,01 см"*), прошедшее через поляризационную развязку (приема Глана - ромб Френеля), фэкускровалось г помощью зеркала (/ = 3 м) в двухпроводную кварцевую кювету, с исследуемой жидкостью. Получены зависимости эффективности преобразования вшргни, длительности стоксова импульса и величины ко»шрессии от внергш каквчкя. Максимальное преобразование енергии составляло г» БОЯ. Из измершкП •длительности импульса следует, что для кавдой жидкости ямэет место оптимальная величина энергии накачки, необходимой для .достижения максимальной компрессии. С повышением энзргйи накачки длительность стоксова импульса плавно возрастает. При • атом еозмсшо появлэщю второго стоксова и/пульса' (если длительность

)

импульса нак8чця_ превышает время ' двойного обхода кпветн). Минимальная длительность'стонсова импульса (1,2 не) получена в СС14, что связано с малым временем релаксации гиперзвука; достигнутая при этой величина компрессии Сила болов 30 (рас.З).

Твкаи образом, при ептпйизации параметров получена ВШБ-компрессия лазерного тнульез болае чем в 30 раз при энергетической вф|ектяшостл до 505 а воспроизводимости форма и длительности стоксова импульса, слабо зависящей от стабильности параметров накачки, что позволяло кспользоввть втот импульс для исследования температурной кинетики- ВИР в еодиом раствора

7-коллид5шв. •

Рис. 3.. Зависимость вэличяш компрессии от энергии накачки в п-гексано (■). СС!^ (А) и воде (о).

В четвертой Главе исследоззпа температурная кинэтщеа вынужденного рассеяния в крндэ линии Рэлэя. IIa основе оСаоро прэдивствуюгзпх работ прявадеяи некоторою соотношогая теории явления, праслэдпаировавд особвшгоотп aro кссдэдавания рззагЗвг**

методами- . Подчеркнуто, что при исследовании, еынузденного рассеяния с малым сечением (каковнм является ВРКР), необходимо

•щ^Ьтаити ттрпцщ-пп и » доррущ пчародь ВРМБ,- ДЛЯ'

чего можно использовать короткий (например, гшкссекундный) лазерный импульс. Однако при использовании импульса с такой длительностью происходит насыщение анизотропии и связанное с этим значительное уширение лишат рассеяния. При возбуждении ВРКР во внешней поперечном резонаторе но удалось подавить ВШБ ,а сома эта схема весьма критична к точности юстировки. '

Бала выбрана схема возбуждения ВРКР навстречу импульсу накачки с помощью скомпрассированного импульса рубинового лазера =

1 - 3 не, Етах= 40 мДк). Спектр вынувденного рассеяния анализировали с помощью интерферометра Фабри-Леро (область дисперсии Аг'фп= 8 см'1}. В результате получена температурная зависимость величины сдвига линии ВРКР Аг>вр(Т). Зафиксировано резкое падение величины сдвига в окрестности Т (рис.4).

+ +

+ ? +

- V с

П 27 Я П 57

Рис. 4. Температурная зависимость величины сдвига линии ВРКР в растворе 7-коллвдин-вода.

Такое поведение ¿í (Т) характерно для области температур

• вр .

вблизи фазового перехода. Полученный результат позволяет связать предполегаешй структурный переход с коллективной , реакцией разрушения связей'' (в данном случае водородных), составлявших допероходную структуру ближнего порядка и образования связей новой .структуры.

Пятая Глава посвящена исследованию вынукденного рассеяния в водных расслаиваться растворах мегалпяридинов в окрестности . нижей критической точки. Проведен обзор исследования концентрационных эффектов в расслаивающихся растворах*, отмечена плодотворность пришнения нелинейно-оптических методик для измерения некоторых параметров растворов (в частности, кинетической подвижности L¡t). Изложены результаты теоретического исследования вынужденного концентрационного рассеяния (ВКоР) в. бинарных газовых смесях и экспериментов по наблюдению данного типа- вынужденного рассеяния в смесях газов Хе-На и SFtí-He, и в растворе нитробанзол-С<Л4 /1,2/..

Оценки, проведенные на основе соотношений теории /2/ показали, что наблюдение ВИоР в расслаивающихся растворах возможно вблизи точки"расслоения.

Для исследования были избраны водные расслаивающиеся раствори 2,5- и' 'З^-лутвдинов критической концентрации и раствор р-пиколина с особой точкой. Раствор 2,6-лутвдина при комнатной температуре имел коаймциент поглощения света а » 0,026 см"' на длине волны лазерного излучения; у других растворов коэффициент поглощения бнл менее 0,005 см'*. Для возбуждения рассеяния использовано излучение второй гармоники КАТ •.Ni"" лазера {'л. '»■

0,532 нм, т^ м 20 нс, EBMus= Б мДж, пирина линии излучения Qv ~ 0,003 см"').

' У"тч1'1" г рч^тг^г™ Г r"nfrlimnft трт нинргиях лазерного излучения до 5 мДх временной и спектральный характер вынужденного рассеяния не имел особенностей но сравнению с однородными шдкостями как при комнатной температуре, так и ß окрестности особой точки („ 7б°0). В растворе 3,4-лутидина вдали от нижней критической точка вшукденное. рассеяние также не имело особенностей. В окрестности шкней критической точки (при 16,5°С) в спектре, наряду о ВРМБ, боло зафиксировано -вынуаденное рассеяние, на несмещенной (с точностью 0,003 см"1) частоте относительно накачки. Величина пороговой энергии при этом составляла менее 1 мДя. В растворе 2,6-лутипина , вблизи температуры расслоения также зарегистрированы линии ВРМБ и несмещенная и, кроме того, линия вынужденного температурного рассеяния ВТР-Н, смещенная на величину Avt« 0,01 см"1 в внтистоксову сторону относительно накачки. Таким образом, в исследованных растворах, в окрестности точки расслоения, зарегистрировано ' вынуаденное концентрационное рассеяние, прогекавдео на фоне ВРМБ и ВТР-И.

III. Основные результаты.

Основные результаты работы изложены в Заключении.:

1. Создана лазерная установка, в которой в качестве одного из зеркал резонатора использовалась кювета с водным растворок Ч-колладияа раствором.

2. На данной установка в исследуемом растворе экспериментально

обнаружено вынужденно?' рассеяние вдали ог температуры расслоения (при Т = Т н 40°0) и реализована новая схема генерации гигантских импульсов с гладким пространственным распределением. ■ . 3. . Проведено йзмерение ряда (физических параметров ■ водного раствора 7-коЛлидина. Наблюдались аномалии в температурных зависимостях частоты протонного магнитного резонанса, скорости гиперзвука и показателя преломления. Предложено объяснение, связывающее данные аномалии с изменением структуры ближнего порядка в растворе при температуре Т.

4. Разработана и реализована лазерная установка с ЗРШЗ-компресси&й импульса.

5. .На данной установке исследован ряд ¡шдкостей, отличающихся ю величине инкремента ВР/Е и времени релаксации гиперзвука. В Х!1л получена величина ко(шрессии более 30 при высоких контрасте <[ выходной мощности стоксова импульса.

6. С использованием ВВШ-кошрессора исследована температурная зависимость величины частотного сдвига вынуаденного рассеяния срыла линии Радея, в растворе ч-коялидана. Обнаружен резкий провал срявой Ат> (Т) вблизи Т, позволяющий допустить существование ¡труктурного перехода в растворе.

7. В. водных растворах лутидошов критической концентрации ¡близи ' температуры фазового перехода обнаружена линия ¡ынукденного рассояния, не имеющая частотного сдвига относительно ¡инки генерации лазера (в пределах точности регистрации *> 0.0СЗ !!.Г*), Даотоо рассеяние интерпретировало , как вынужденное :онцентрационноэ, наблюдавшееся ранео лишь в смесях кнэртша

Основные результаты диссертации 'опубликованы в следующих статьях: ■ •

• 1. Бунюю Ф.В, Давыдов М.А., Китаев. Н.П.,\Ляхов ТЛ.,. Шшшлов К.Ф., Шлаонов Т.А. Аномальное обратное рассеяние .оптического, излучения в расслоенном растворе - Письма вКЭТФ, 1983, т.37, в.

3, с. 147 - 149;

2. Буняин Ф.В., Давыдов Ы.А., Ляхов Г.А., Шипилов К.Ф., йлаонов Т.А. Температурная вномалия свойств расслоенного раствора, обусловленная структуршми изменениями - ЖЭТФ, 19^4, т.8в, в. 3, с. 963 - 966; ...

, 3-' Давыдов М.А., Шипилов' К.Ф., №шонов Т.А. Формирование импульсов ВГЫБ с высокой степенью сжатия в жидкостях - Квантовая' электроника, 1986, т. 13, #10, с. 2125 - 2127;

4. Давыдов Ы.А., Ляхов Г.А., Carees Е.Р., Ейшилов К.Ф. Аномальное 1ККуЗцД5КНоэ рассеяние на флуктувциях анизотропии в расслоенном растворе" - Изв.- АН СССР, сер. Физ., 1989, т. 53, *8, с. 1576 -1580;

б. Даввдов М.А., йипилов К.Ф. , Вынужденное концентрационное рассеяние света в расслаивающихся растворах - Письма в ЖЭТФ, .1990, Т. Б2, в. 3, с. 789 - 792.

_ Цитируемая литература. 1. Loffdermllk ff.H., .Bloembergen N. Stimulated concentratlon Bcatterlng ln .the binary gas mixtures Xe-He and SF^-He' -Phys.Rev.A, 1972 , 7.5, JC, p.1423 -

Z. Bloembergen H., Iowdermilk Я.К., Hatsuoka M., Wang C.S. Theory of Stimulated Concentración Scatterlng - Phya.Rer.A, 1971, У.З. Í1, p.404 - 412.,