Диссертация (1103411), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Длина взаимодействиясигнала мала по сравнению с длиной когерентности нелинейного процесса, поэтомудлину L можно вынести из интеграла. Тогда резонансная и нерезонансная частинелинейного сигнала даются выражениями Er(τ)  iγL ∫dt Apr(t) ∫R(t – θ)Apu(θ) Ast*(θ –τ)dθ и Enr(τ)  iγL∫dt Apr(t) ∫S (t – θ)Apu(θ) Ast*(θ – τ)dθ. Произведение амплитуд ApuAst*служитоптическойкомбинационных мод.силой,приводящейккогерентномувозбуждение- 66 -110008006004002000-200010,1-9-6-30364Im(E ), отн. ед.10,01(а)52Фаза  , радИнтенсивность, отн.

ед.Частотная отстройка -Rc, см2EEr109Временная задержка , пс3Enr-10123Re(E), отн. ед.(б)Рис.3.1.2. Управляемое по фазе когерентное комбинационное рассеяние света наизолированном гармоническом осцилляторе (а) Зависимости мощности полногосигнала КАРС (сплошная линия), нерезонансного сигнала (пунктирная линия) и фазыкогерентного комбинационного (рамановского) отклика относительно фона(штрихпунктирная линия) от задержки  между импульсами. (б) Траектория,описываемая концом вектора комплексной амплитуды сигнала КАРС, как функциязадержки .Для демонстрации основных особенностей процесса управления когерентнымкомбинационнымрассеяниембылпроведенмодельныйрасчетдляслучаяизолированной рамановской линии с параметрами Ω1/2πс = 2248 cм-1, Γ1 = 15 см-1, f1 =0.124, соответствующий сильной линии ацетонитрила (рис.3.1.2).

Рассеянныйрезонансный сигнал Er(τ) возникает на пьедестале когерентного фона Enr(τ),повторяющегокросскорреляционнуюфункциюнакачки,стоксаипробногоимпульсов. Когда частота модулирования Ωm при сканировании задержки τ проходитчерез резонанс, фаза комбинационно-активной моды испытывает быстрый фазовыйсдвиг на 2π (штрихпунктирная линия на верхней панели рис.3.1.2.а), что являетсятипичным откликом гармонического осциллятора на резонансную возбуждающуюсилу.

На рис.3.1.2.б. представлена траектория, описываемая концом векторакомплексной амплитуды полного сигнала КАРС, как функция задержки  наплоскости, где абсцисса и ордината представляют действительную и мнимую частикомплексногосигнала,соответственно.Направлениесоответствующее увеличению задержки , показано стрелкой.обходатраектории,- 67 -Рис..3.1.3 Схема экспериментальной установки: Ti:S МПУ, лазерная система сзадающим осциллятором на кристалле Ti:Sapphire и многопроходным усилителем;ОПУ, параметрический усилитель света; ДП, делительная пластинка; LBO,кристалл трибората лития; ДР, дифракционная решетка; МО, микрообъектив; О,образец; ФВЧ, оптический фильтр высоких частот; ПФ, полосовой оптическийфильтр; ФЭУ, фотоэлектронный умножитель.Реализация описанного подхода управлением фазой когерентного рассеянияпроводились на многофункциональном фемтосекундном лазерном комплексе,состоящим из задающего генератора на кристалле Ti:sapphire, многопроходногоусилителя (МПУ) и оптического параметрического усилителя (ОПУ) (рис.3.1.3).Излучение сигнальной волны из ОПУ удваивалось по частоте в кристалле трибораталития (LBO толщиной 2 мм), и служило в качестве перестраиваемого излучениянакачки в области 600-750 нм в схеме КАРС.

В качестве стоксового импульсаиспользовалась малая часть основного излучения на длине волны 800 нм, отводимогоиз многопроходного усилителя (МПУ). Формирование отрицательного линейногочирпадлякаждогоизимпульсовпроизводилосьспомощьювременныхрасширителей (стретчеров), собранных на дифракционных решетках (600 штрихов намиллиметр). Длительности растянутых импульсов и величина наведенного чирпаконтролировалась при помощи автокоррелятора фемтосекундных импульсов накристалле бета-бората бария (BBO) толщиной 0.5 мм. Длительности импульсовварьировались от 6 до 8 пс для излучения накачки и от 12 до 16 пс для стоксова- 68 импульса. Энергии импульсов были около 15 нДж.

Пучки накачки сводились надихроичном зеркале и фокусировались при помощи микрообъектива в образец (вэкспериментах использовались объективы с различным увеличением: ЛОМО x4,ЛОМО x8, Olympus x20) в пятно диаметром не менее 10 мкм, что позволяет оценитьверхнюю границу интенсивность излучения в фокусе как I = 3×109 Вт/см2.Генерируемый нелинейно-оптический сигнал собирался при помощи объективов впрямом и обратном направлениях, спектрально очищался от излучения накачек иоптическойзасветки,после чего регистрировалсядвумяфотоэлектроннымиумножителями (ФЭУ).-1(а)(в)1,021002250240025502700-1Рамановская отстройка, см2850КАРС сигнал, отн. ед.КАРС сигнал, отн.

ед.Рамановская отстройка, смАцетонитрилНерезонансный фон0,80,60,40,20,09630-3Время, пс-6270030(б)310033002010010-92900ПолистиролНерезонансный фон50-5-10-15-20Время, пс(г)Рис.3.1.4. КАРС-спектры записанные в прямом направлении от ацетонитрила (а)полистирола (б), бензола (в), толуола (г). На каждом графике нерезонансныйкогерентный фон изображен пунктирной линией. Верхняя и нижняя шкалысопоставлены друг относительно друга по известным положениям рамановскихрезонансов и параметров линейного чирпа импульсов.- 69 Во многих научных и прикладных задачах существует потребность проведенияэкспресс анализа сложных объектов. В частности, спектроскопия комбинационныхрезонансов в области частот колебаний деформационных мод углеводородных группCH2 и СН3 представляет большой интерес для исследования биологических процессоввнутри живых клеток, динамики синтеза белков, распределения и движениялипидных тел.

В качестве тестовых образцов нами были выбраны органическиежидкости - полистирол, бензол, толуол (рис.3.1.4) и др., поскольку они обладаютсопоставимымипосилеисложностинелинейно-оптическимиспектрамикомбинационного рассеяния колебаний углеводородных групп биологическихобъектов. Полная мощность нелинейного сигнала измерялась как функция временнойзадержки τ между импульсами накачки.

Хорошо различимый на экспериментальныхзависимостях Фано-резонанс (рис.3.1.4) может рассматриваться как универсальныйиндикатор процесса интерференции сигналов различной природы. ПредставленныеКАРС-спектры органических веществ позволяют оценить чувствительность испектральное разрешение реализованной методики. Записанный спектр полистирола(рис.3.1.4.б) несет информацию об одной мощной линии на 3054 см-1, и пяти слабыхлиниях, которые принадлежать симметричным и анти-симметричным модамколебаний CH-групп.

Информация о конформации молекул и их пространственнойструктуре можно получить, исследуя соотношения между различными линиями вэтом спектральном диапазоне. Оценить полученное экспериментальное спектральноеразрешение методики было сложно из-за больших ширин рамановских линийполимерных материалов. При записи КАРС-спектров в геометрии “на просвет” понашим теоретическим оценкам по формуле δΩ/2πc ≈ π/(2πcτ). [208] было достигнуторазрешение около 3 см-1 при τ = 6 пс, что более чем достаточно для количественногоисследования сильно уширенных линий сложных органических молекул полимеров ижидкостей. В экспериментах с полистиролом удается уверенно разделить двекомбинационные линии, расстояние между которыми 9 см-1.Характерные спектры жидких органических соединений отличаются от спектровтвердых веществ.

Большая частота столкновений молекул в жидкой фазе приводят кбыстрой потере фазы колебаний связи, что отражается на сдвигах центральных частотколебаний и времени их дефазировки. В наших экспериментах были записаны ипроанализированы КАРС-спектры ацетонитрила (рис.3.1.4.а), бензола (рис.3.1.4.в) и- 70 толуола (рис.3.1.4.г). Исследование жидкостей имеет большое практическое значениев контексте дальнейшей работы с биологическими живыми тканями.

Как и в случае сполистиролом, справочные данные по рамановским спектрам жидкостей помогаютнам поставить в соответствие все наблюдаемые резонансы в записанных спектрахкогерентного антистоксова рассеяния.-110008006004002000-200-4005202110,10,01Im(E ), отн. ед.1Фаза  , радИнтенсивность, отн. ед.Частотная отстройка -Rc, cm1E-31E-4-9-6-30362321109Временная задержка , пс(а)4-10123Re(E), отн. ед.(б)-16004000-200-400320110,12340,01Im(E ), отн.

ед.11E-3-10(в)200Фаза  , радИнтенсивность, отн. ед.Частотная отстройка -Rc, см-50510Временная задержка , пс10-115(г)12324012Re(E), отн. ед.Рис.3.1.5. Контролируемое по фазе когерентное комбинационное рассеяние вацетонитриле (а, б) и полистироле (в, г): (а, в) экспериментальные (закрашенныекружки) и моделированные (сплошная линия) зависимости КАРС-сигнала отзадержки между импульсами , кросскорреляции импульсов (пустые кружки) иинтенсивность нерезонансного сигнала (пунктирная кривая), фаза резонансногорамановсокго сигнала относительно когерентного фона (штрихпунктирная кривая);(б, г) траектории описывающие поведение амплитуды полного КАРС-сигнала накомплексной плоскости.

Цифры на графиках соответствуют комбинационныммодам, включенным в теоретический расчет нелинейного отклика, параметрыкоторых приведены в тексте.- 71 Электромагнитное поле нелинейного сигнала КАРС с временным разрешением вовсех экспериментах адекватно восстанавливалось на основе модели демпфированныхосцилляторов комбинационных колебаний (кружки – эксперимент, линии – теория; нарис.3.1.5.а, и 3.1.5.в).

Задержанный молекулярный отклик представлялся как R(θ)= fjη1j-1η2j -1(η1j +η2j)sin(θ/η1j)exp(-θ/η2j) и  fj =1– f для определенных N комбинационныхмод с частотами Ωj = 2π/η1j, и временем дефазировки η2j = 2Γj (где Γj ширинакомбинационной линии) и весовой фактор fj. В случае ацетонитрила аппроксимацияданныхполучена(рис.3.1.5.а)сдвухкомпонентнойрамановскойфункцией,включающей N=2 моды с частотами Ω1/2πс = 2248 cм-1, Γ1 = 15 см-1, f1 = 0.124 иΩ2/2πс = 2289 см-1, Γ2 = 12 см-1, f2 = 0.02. Для полистирола были включены длярасчета N = 4 моды (закрашенные кружки и сплошные линии на рис.3.1.5.в) с Ω1/2πс= 2852 см-1, Γ1 = 30 см-1, f1 = 0,045; Ω2/2πс = 2904 см-1, Γ2 = 55 см-1, f2 = 0.17; Ω3/2πс =3007 см-1, Γ3 = 65 см-1, f3 = 0.09 и Ω4/2πс = 3054 см-1, Γ4 = 25 см-1, f4 = 0.18.Аппроксимируяэкспериментальныеданные,быливосстановленывременныепрофили фазы когерентного сигнала (штрих-пунктирная линия на верхних панелях нарис.3.1.5.а и рис.3.1.5.в).

Представленные на рис.3.1.5 экспериментальные результатыпоказывают, что могут быть синтезированы фазовые профили когерентногорассеяния более сложной формы при помощи когерентного комбинированияинтерференционногооткликовотразличныхкомбинационныхмодсблизкорасположенными частотами.Чтобы показать, как нерезонансные компоненты нелинейного сигнала могут бытьиспользованы для записи фазы когерентного рамановского отклика, удобнопредставить комплексную амплитуду полного нелинейного сигнала как вектор E наплоскости, где абсцисса и ордината оси выбраны так, что представляютдействительную и мнимую части поля E (рис.

3.1.2.б, 3.1.5.б, 3.1.5.г). Вектор Eявляется суммой векторов Er и Enr, представляющие амплитуды резонансной инерезонансной частей сигнала (рис. 3.1.2.б). Амплитуда нерезонансной части всегдадействительная величина и представлена вектором, который параллелен оси абсцисс(рис. 3.1.2.б). Резонансный отклик Er с другой стороны отражает характерныйбыстрый фазовый сдвиг при сканировании задержки τ по времени через значения,соответствующие рамановским резонансам. В условии резонанса векторEперпендикулярен к фазовой траектории и его длина достигает максимального- 72 значения.

Характеристики

Список файлов диссертации