principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Выражения для восприимчивости уев(е = е, + ю, + в,), приведенные в начале раздела 14Л, показывают, что она может иметь одинарные, двойные и тройные резонансы. Четырехволновое смешение в условиях одинарного резонанса имеет то достоинство, что для его осуществления требуется сравнительно несложная экспериментальная установка, так как нужно перестраивать только одну из частот накачки.
Достаточно нагляден и прост н соответствующий теоретический анализ. Рассматриваемый процесс позволяет получить информацию, которую обычно дают измерения одно- и двух- фотонных переходов. Четырехволновое смешение в условиях двойных н тройных резонансов может потребовать для своего осуществления перестройки уже нескольких частот, а значит и более сложную экспериментальную установку. Зато в этом случае можно получить более детальную спектроскопическую информацию о среде.
Например, спектры, свободные от доплеровского уширения, можно получить при использовании двойных и тройных резонансов. Хорошими при- 255 мерами являются методы нелинейной спектроскопии высокого разрешения, рассмотренные в гл. 13. Два класса процессов четырехзолнового смешения, описанные в разделе 14.2, приводят к двум различным вариантам спектроскопии четырехволнового смешения. Обратимся сначала к случаю, когда происходит генерация новой частоты, или, как говорилось в разделе 14.2, сигнал на выходе имеет »моду», отличную от мод излучения накачки на входе. Интенсивность сигнала пропорциональна 12ы'Р, его легко зарегистрировать путем фильтрации по частоте от прошедших через среду пучков накачки.
Эта методика чаще всего используется в случаях одинарных резонансов, когда анализ довольно прост. Вместе с тем в спектроскопии эффективно используется и вариант, когда сигнал имеет ту же моду, что н одна йа падающих волн накачки. В этом случае взаимодействие проявляется как усиление или ослабление выделенной падающей волны и пропорционален 1ш(2'") (см. раздел 14.2б). Это обстоятельство дает воэможность простой интерпретации наблюдаемых спектров.
В последующих рааделах мы детально рассмотрим несколько хорошо зарекомендовавших себя методов спектроскопии четырех- волнового смешения. Хотя в большинстве случаев мы будем считать, что разность в, — в, лежит вблизи резонанса (случай комбинационного рассеяния), следует иметь в виду, что те же рассуждения относятся к случаю, когда к частоте резонанса близка сумма частот в, + а». 15.2 Когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния света а .
Козерентное антистокеово комбинационное рассеяние света (КАРС) Как схематически показано на рис. 15.1, под КАРС понимают процесс комбинационного рассеяния, когда волна материального воабуждения на частоте е»,— а,=о» сначала когерентно возбуждается биением двух падающих волн с частотами о», и е»м а затем смешивается с волной о»„ что приводит к оЬ юл генерации когерентного свг нала на антистоксовой чаОФ~-ю»м ы~ стоте а = 2в, — в,. Таким м 2в;м обрааом, речь идет о процес- се, гле, в отличие от спояРнс. 15Л. Пэагрэммы, иллюстрирующие та нного комбинационного рассеяция, происходящего на флуктуационных (тепловых) возбуждениях, рассеяние возникает на специально оптически приготовленных когерентных возбуждениях. Из-аа многочисленных важных применений КАРС стал, пожалуй, наиболее известным методом спектроскопии четырехволнового 256 смешения.
Этому методу посвящено ужв большое число обзоров [2). Теория КАРС проста, поскольку она вытекает из общей теории оптического смешения, рассмотренной нами ранее в гл. 6 и 14. Если падающие пучки накачки имеют частоты о>, и о)„то сигнал на выходе описывается волновым уравнением (для изотропной среды) с о ) 4яо)~ с с (15 1) где а (о)а) = Х (о)а = о>з + о)( — (оз) . Е( (о>() Ез (о))) Ез ((оз) Р(з) (з) Решение уравнения (151) при заданных полях накачки и отсутствии затухания позволяет выразить интенсивность сигнала 1, для случая, когда среда имеет вид плоскопараллельной пластины длиной 1, следующим образом: Хав еа Х: е)е,ез, Л?с( =- Л)( ~, Ай = йа (2)() йз) Заметим, что антистоксов сигнал пропорционален ~ Х,„ )> .
Если об(з> и ласть перестройки частоты ограничена достаточно узким диапазоном, зависимость 1. от частот накачки определяется главным образом дисперсией Х„ . Как упоминалось в разделе 14 1, Х, можно (з) (з) разложить на резонансную Хк н нерезонансную Хкк части. В дан(а> (з) (з> ном случае восприимчивость Хк имеет одинарный резонанс при о), — о), = о>„ и может быть записана в виде Хк' = о/На( — вз — е.) + 1Г), (15.3) где, согласно (14.2), параметр а — А( (М»») (М;,.») (р» — р» )/я не зависит от о), и о)„ когда разность о), — о)з перестраивается в окрестности комбинационного резонанса.
Таким образом, антясток- сов сигнал имеет спектр, определяемый зависимостью ( ) > (ю ' (" " ) ) а Г )Хаэ ~ = ~Хнн + з з~ + ( з+,з1)з' (15.4) (о)) — о)з)о = о), + — (3) ~ (з + 4Рз (15 5) 25? т? и. г. шен Пример показан на рис. 15.2. Из-за наличия в Х, нврвзонансного (з) вклада Х)сн спектр является асимметричным относительно точки резонанса о), — о)з = о). и имеет максимум и минимум, положение которых определяется соотношением Отсюда находим (вь — ве)+ + (вг — ве)- = 2в, — а/Хкк, [(вт — ве)+ — (вт — ве) )е (а/Х~кмн1) + 4Ге Измерение (в, — в*) одновременно с интенсивностью сигнала в точках (в, — в,), в принципе, может позволить найти все четыре (з1 величины: в., Г, а и Хна.
На практике, однако, точность измерения интенсивности обычно мала, хотя точность измерения частот (15.6) /а 10' 10' 10-' 10 г -10 0 10 20 00 10 00 Ект вт~ ве ск-1 Омс Рнс. 15.2. Спектр сигнала КАРС вблизи ливии 1088 см ' кальцвта [Ееселесл М. Р. // 1ЕЕЕ и о1 Япап1. Е1ес1гсп.— 1974. Ч. ЯЕ-10. Р. 110) может быть весьма высокой. Поэтому из (15.6) можно заметить, что если в, и Г известны из других измерений, то величина а/Хмкк может быть просто определена из измерения частот (в, — в,)+~ ~(в, — в,) . Если при атом величина а также известна из экспериментов по спонтанному комбинационному рассеянию, то можно с большой точностью определить величину Х1кюв [3), что контрастирует с неточным определением Хкк из измерений интенсивности. 1з> 288 Хотя частоты (о), — о),) сами по себе не позволяют определить резонансную частоту о)„они дают приближенное значение е), и могут поэтому использоваться в качестве характеристик резонансной среды.
Во многих случаях комбинационный резонанс является сильным, а нерезонансный пьедестал Хкк — слабым, так (8) что ~ а/Хкк ~ Ль Г. Эта ситУациЯ имеет место, напРимеР, в газах, где (8) приближенно выполняются соотношения (е), — е),)+ = а)„и (о)( — о)8)- юч — а/Хкк Резонансную частотую.можнонепосредст- (8) пенно определить из положения максимума спектра КАРС. В других случаях, когда ) а/Хкк~~Г, максимум и минимум спектра ле- (8) жат вблизи частоты о). на расстоянии порядка Г.
Однако если 1Хкк ~ много больше а/Г, то максимум и минимум вообще не будут (8) проявляться в спектре. Очевидно, это является недостатком метода КАРС как спектроскопической методики, поскольку с его помощью трудно наблюдать слабые комбинационные резонансы. Чувствительность КАРС можно резко увеличить, если подавить нерезонансный фон, связанный с Х~кк.
Как мы увидим в дальнейшем, это можно сделать путем селективной регистрации определенной поляризационной компоненты сигнала. Мейкер и Терхьюн (4) впервые осуществили процесс КАРС. Позднее Вини (5), Бломбергеп с сотрудниками (6], Ахманов с сотрудниками (7) использовали этот метод для спектроскопических измерений в большом числе жидкостей и твердых тел. Типичная схема эксперимента показана на рис. 15.3.
В качестве перестраиваемых источников накачки часто используются лазеры на красителях, накачиваемые либо азотным лазером, либо второй гармоникой лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом. Амплитуду сигнала можно оценить по формуле (15.2). Предположим, что Хк (шах = ! а/Г~) ! Хкав! и выполнено условие синхронизма Ля=0. Тогда, если пучки накачки с пиковой мощностью 10 кВт на длине волны приблизительно равной 500 нм фокусируются в пятно размером 10 ' ем* в среду длиной 1 мм, имеющую восприимчивость )Хк )~ввз~ж10 СГС, сигнал на выходе может иметь пи- (8) ) -Ы ковую мощность 5 Вт.
Если среда имеет длину 2 см и восприимчивость (Х~к~~ „т10 "СГС, то сигнал может достигать пиковой мощности 2 мВт и легко регистрируется. Последний пример относится к случаю КАРС-спектроскопии газовой среды при давлении, близком к атмосферному. Фактически, хотя первые работы по КАРС были выполнены с конденсированной средой, недавние применения КАРС для изучения вещества относились к газам. Наблюдался даже сигнал КАРС от молекул в молекулярном пучке (8). Поскольку спектральное разрешение КАРС, в принципе, ограничено только ширинами линий лазеров, этот метод можно использовать для получения с высоким разрешением спектров КР газов (9). Спонтанное КР по сравнению с КАРС имеет не только плохое спектральное разрешение, ограничиваемое аппаратнойфункцией спектрометра, но и низкую интенсивность сигнала.
Высокая 178 259 чувствительность позволяет использовать метод КАРС для обнаружения следовых концентраций молекул в газах. В частности, метод КАРС нашел применение при изучении процесса горения как средство контроля временного и пространственного распределения различных веществ и для определения внутреннего распределения энергии в них 110). Благодаря тому что сигнал является когерентным и имеет хорошую направленность, для устранения сильного люминесцентного фона от процесса горения можно использовать временную, пространственную и спектральную фильтрации сигнала. Ьвз Ь!Е Уеипитсль Ранеписеи дксдл Ркад8 Шаго й Пазер Я на Рперный канал Рдаеатель краситаее .(ЕьД....::::::1з;..'.ф Фильтры-ь- л(Райней менпкрема тер к й И о, о й.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
