principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Нетрудно показать, что вдали от резонанса 2 )о'"+ "/о'"' ! — (2я/с) йтя )д""+ "/)(""-о ! <Я Рпс. 18Л. Мнсгсфстснный яерехсд нз состояния (б! в ссстсявпе 1/!: а — сдвсступенчатый четырехфстсввый процесс; б — трехступенчатый четырехфстснвый процесс а2 + Г (РМ вЂ” Р/2) — 22тн (Р— Ря) а 1 ~ (Ят+О 11 ( ° ) тт '-- а о — "!" (Р, т Ртт) ~т — 1,т (Рт-т,т-т Ртт) 1я2 — И',2 (р — рп), (18.4)2 (ят+ 1) Тогда в видимом диапаэоне, когда )у""+ "/у,""-" )-10-", получаем (и'"+11/ <т,1 /о'"'! 10 11, откуда следует, что (и+1)- фотонное возбуждение будет в 10с раэ слабее, чем п-фотонное возбуждение, если о'"+" 1/йн2 10 'о'"1.
Для этого нужно иметь интенсивность лазера порядка 1- 1 ГВт/ем*. Приведенная оценка покаэывает, почему для многофотонного воэбуждения нужно иметь лазеры с большой интенсивностью. Сечение сот может сильно возрастать при наличии резонансов с промежуточными состояниями.
В атомах и молекулах можно получить резонансное увеличение сечения на много порядков, что резко снижает требования к интенсивности лазеров, необходимой для многофотонного возбуждения. Уравнение (18.2) фактмяески справедливо только для н-фотонного перехода, происходящего достаточно далеко от' промежуточных резонансов. Такой процесс известен как прямой и-фотонный переход (процесс а на рис. 18Л).
С другой стороны, если н-фотонный переход имеет и резонансов с промежуточными состояниями (процесс 6 на рис. 18.1), то возбуждение населенности в конечное состояние зависит от населенностей, созданных накачкой на промежуточных состояниях. Эти населенности удовлетворяют следующей системе уравнений: () ат ) (Р11 — Рз ) ~ тух,1 (Рсяя — Р11) — И 1,1 (Ры — Рзз) 319 где предполагается, что релаксацию населенности каждого уровня можно описать единственным временем продольной релаксации Т,ь Здесь ра, где 1=1, ..., т,— населенность 1-го резонансного проме(аа) жуточного состояния, И~а~ — вероятность п,-фотонного перехода из состояния ~$> в состояние !1>, а и,+и,+...+я т, и.
Та:кой и-фотонный процесс с т промежуточными резонансами часто называют (и+1)-ступенчатым и-фотонным переходом. В общем <лучае ступенчатое возбуждение во много раз увеличивает населенность конечного состояния. Это утверждение тем более справедливо, когда времена релаксации промежуточных состояний велики.
Возбуждение обычно сложным образом зависит от интенсивностей лазе-- ров. При использовании импульсных лазеров нестационарный характер отклика среды усложняет проблему еще больше. Однако в многофотонной спектроскопии количественная зависимость возбуждения от интенсивностей лазеров часто не играет роли.
Нас больше интересует резонансное поведение (рп — р~~) как функции частот лазеров. С точки зрения эксперимента основная проблема сводится к тому, как зарегистрировать (рп — рп~. о~ В этой главе мы сосредоточим внимание на атомных и молекулярных системах. Многофотонные переходы при п ~ 2 редко изучались в твердых телах потому, что высокие лазерные интенсивности, необходимые для осуществления многофотонного возбуждения, приводят к оптическому повреждению среды. С другой стороны, повидимому, не очень много новой информации можно получить об электронных свойствах твердого тела с помощью многофотонной спектроскопии при п > 3. Интересным аспектом многофотонной спектроскопии применительно к газовым системам является предоставляемая ею возможность получения спектров, свободных от доплеровского уширения.
Эта проблема детально уже рассматривалась в разделе 13.4 для двухфотонного случая. Результаты проведенного там анализа можно обобщить на случай многофотонной спектроскопии вообще: я-фотонный спектр, свободный от доплеровского уширения, можно наблюдать, если волновые векторы волн накачки удовлетворяют соотношению й, +... + й. = О. 18.2 Техника эксперимента .Для осуществления многофотонной спектроскопии нужно иметь в качестве источника возбуждения один или несколько перестраиваемых лазеров импульсного или непрерывного действия с большой интенсивностью.
Разрешение, получаемое в многофотонной спектроскопии, когда спектры свободны от доплеровского уширения, определяется ширинамн линий лаверов. Наиболее важным в многофотонной спектроскопии является вопрос о регистрации многофотонного вовбуждения. Поскольку оно обычно бывает слабым, метод регистрации должен обладать очень высокой чувствительностью. Бы- 320 ло разработано несколько таких методов; кратко они были рассмот- рены в гл. 12. Среди них наиболее часто испольэуются флуорес- центная и иониэационная методики. а. Флуоресцентная спектроскопия многофотонного еогбулсдения Рве. 18.2.
Схима, вллюстрврующая процессы флуоресцевцав и воввэвцвл, используемые для дитвктвровавпя мвогофотоввого переходи Выход флуоресценции у атомов и молекул может быть очень большим, потому что в отсутствие столкновений атом или молекула могут релаксировать в состояние с меньшей энергией только путем излучения фотонов. Если длина волны флуоресценции лежит в видимом диапазоне, то чувствительность регистрации будет очень высокой. Фотоумножитель может легко эарегистрировать световой поток, равный нескольким фотонам в секунду при возбуждении непрерывным лазером или равный нескольким фотонам за импульс при импульсном возбуждении.
Предположим, что квантовый выход флуоресценции в гааовой системе приближается к единице. Тогда в случае, когда фотоумножитель соби- Ъ нгниинниеоционньи рает сигнал флуорвсценции,излучен- Г ооепеяния ный в телесный угол я ср из локаль- ляного объема возбуждения, могут без "мнн уяогень особого труда быть зарегистрированы приблизительно 10 — 20 атомов или молекул, находящихся в этом объеме. Чувствительность будет в и раз выше, воли каждый атом или молекула излучает и фотонов флуорес- Флу~еоценция цвнции эа один возбуждающий импульс нли за секунду при непрерывном возбуждении.
Этот пример покаэывает, что регистрация флуоресценции может быть очень чувствительной методикой изучения йпногофотонного возбуждения (рис. 18.2). иф Помимо высокой чувствительно- сти этот метод позволяет также получить спектр флуоресценцин, излученной иг состояния, воэбужденного с помощью многофотонной накачки. Для селективного возбуждения какого-либо состояния можно снова воспользоваться методом поляризационной маркировки, рассмотренным в раэдвле 13.5, и с его помощью получить сильно упрощенный спектр флуоресценции.
Анализируя спектр в соответствии с переходами между возбужденными состояними, можно изучать свойства различных воэбужденных состояний. Таким обраэом, метод регистрации индуцированной поглощением и фотонов флуоресценции позволяет зондировать состояния, которые можно достичь только путем (и+1)- фотонного перехода. 21 и. Р. шел 321 6. Иногофотонная ионизаиионнал спгктроскопия Более чувствительным методом регистрации многофотонного воабуждения, когда им можно воспользоваться, является ионпзационный метод, поскольку детектирование электронов и ионов может проиаводиться с огромной чувствительностью.
Шум детектора ионов может быть легко сделан ниже уровня одного иона в минуту. Таким образом, если можно ионизовать все многофотонно возбужденные атомы или молекулы прежде, чем они срелаксируют в состояние с меньшей энергией, и если все ионы можно собрать детектором, то чувствительность метода будет ограничена только шумами самого детектора, т. е. будет порядка одного возбужденного атома пли молекулы в минуту. Для ионизации возбужденных атомов (или молекул) обычно используют несколько способов. Один из них — метод фотопонизации, когда возбужденный атом ионизуется лазерным пучком с энергией фотонов, достаточно большой для возбуждения атома выше уровня ионизации (рис. 18.2). Интенсивность такой накачки должна быть достаточно большой, чтобы скорость ионизации из возбужденного состояния превышала скорость релаксации.
Возбуждение в дискретные состояния вместо континуума, лежащего выше уровня ионизации, может сильно увеличить вероятность ионпзации. Этот метод часто используют для ионизации возбужденных молекул. Особенно он удобен, когда один из интенсивных лазерных пучков, используемых для многофотонного возбуждения, может одновременно служить и для фотоионизации. Часто используется метод ионизации постоянным электрическим полем. Хорошо известно, что в присутствии внешнего постоянного электрического поля кривая потенциальной энергии электронов в атоме (или молекуле) изменяется, энергия ионизации понижается и становится возможной ионизация посредством туннелирования электрона из атома.
Если достаточно сильно возбужденный атом находится в достаточно сильном постоянном поле, то скорость ионизации может намного превышать скорость релаксации возбуждения. Вероятность ионизации при атом может приближаться к единице. Этот метод особенно полезен при детектировании атомов в высоколежащих ридберговских состояниях. Возбужденные атомы или молекулы могут быть ионизованы также посредством столкновений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
