principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Столь малую мощность, конечно, трудно зарегистрировать непосредственно. Однако ее можно ,зарегистрировать косвенно с пот„ с„, вжо мощью ридберговского спектрометра, описанного выше. Число иалученных Рис. 18.7. ЗарегистРироаавпый микроволновых фотонов определяется с временным раарешевием ионный ток для атомо Ха, числом атомов, оказавшихся спустя укааыааютций иа наличие уси- некоторое время задержки (около леипя по принципу мазера: 1 мкс) в основном состоянии. Ниже по- а — РезоиатоР застроек ва пе- рога работы мазера это состояние мо- жет иметь лишь незначительную насе- иатор отстроен в сторону ст резоиавса ва 40 Мрц 112) ленность, связанную со спонтанными переходами эа такое короткое время задержки.
Выше порога из-за вынужденного излучения должно наблюдаться заметное увеличение населенности этого состояняя. На рис. 18.7 показано, как в эксперименте действие мазера на переходе из состояния 278 в состояние 26Р,п ааселяет более низкое состояние в случаях, когда реаонатор настраивается точно в резонанс и несколько в сторону от резонанса соответственно. б. Автоиониаационная спектроскопия У многоэлектронных атомов и молекул выше уровня ионизации одновременно с состояниями континуума существуют дискретные состояния. Эти состояния известны как автоионизационные состояния [13). Они были предметом огромного интереса в атомной и молекулярной спектроскопии.
Положение и характеристики этих состояний и данные. об их взаимодействии с континуумом, которые можно получить ив спектроскопических измерений, важны для 330 проверки теории. И вновь многофотонная спектроскопия пмеет эдесь преимущество, поскольку она позволяет зондировать многие автоионизационные состояния, которые не могут быть достигнуты при использовании однофотонной спектроскопии.
Для спектроскопических намерений с испольэованием многофотонной автоионизационной спектроскопии можно использовать экспериментальную установку, показанную на рис. 18.8 или на рис. 18.4. На рис. 18.8 в качестве примера воспроизведены автоионизационные спектры стронция, полученные при трехступенчатом воабуждении по схеме (5э)*- (5э) (5р)- (5з) (иэ), или (5з) (пд) (5рох) (яэ), или (5рьм) (яг)) [14]. Ступенчатое возбуждение дает большую общую вероятность перехода, поэтому требуемые для этого мощности лазеров окаэываются ниакими, а аначит, и фоновый сигнал, свяванный с нереаонансной фотоионизацией, будет й слабым. С помощью выэываемого постоянным электрическим полем первые шин ания состояний этим методом можно эаселить многие автоионизац ионные состояния, обычно аапрещенные правилами отбора в дипольном приближении. Из положения спектральных линий можно определить квантовые дефекты для ряда ридберговских состояний (5э) (пэ) и (5э) (Ы).
Формы линий эависят чу чгг Чг1 1гг Ь,эн от вэаимоДействиЯ ДискРетных со 13 р у д стояний с континуумом. Они за- стояний 5ро„эй (эерхйлл кривая) висят также от перемешивания и состояний 5рп„лз (ивжпля криконфигураций состояний, Шири вая) атомов яг. Ливии па этих спектны линий отражают времена жиз- рограммах дополпительпо уширевм по срвввееию с шкрквой эвтоконкни автоиониэационных состояний эацпопвмх состояний ээ счет аппав соответствии с соотношением ратурпых эффектов [14) неопределенности. Было установлено, например, что времена жизни состояний (5рьм) (пэ) меняются как (я,ээ)', а времена жизни состояний (5р„,) (161) сильно воэрастают с ростом й Выбор поляризаций пучков накачки может помочь в интерпретации наблюдаемых линий.
При приложении внешних электрических и магнитных полей можно изучать штарковское и зеемановское расщепления автоиониэационных состояний. Особый интерес представляют автоионизационные спектры редкоземельных атомов [151. В атомах 66 и УЬ наблюдались чрезвычайно сильные и при этом уэкие (примерно 0,05 см ') автоионизационные резонансы. Может воэникнуть вопрос, не являются ли эти уэкие реэонансы характерными для редковемельных атомов 331 благодаря возбуждению электронов заэкранированной, но незаполненной оболочки 4~? Из теоретического расчета, однако, следует, что они являются следствием возбуждения валентных электронов. Интересно было бы посмотреть, не имеют ли таких же резких автоионизационных резонансов атомы группы актинидов, которые имеют аналогичную оболочку 5~.
Автоионизационные спектры молекул, конечно, намного сложнее, чем спектры атомов. Тем не менее они представляют интерес с точки зрения молекулярной спектроскопии. Они также полезны в том смысле, что возбуждение этих состояний увеличивает вероятность понизации молекулы.
Их можно также использовать в качестве трамплина для достижения более высоколежащих автоионизационных состояний. В заключение этой главы заметим, что многофотонная спектроскопия, при которой можно раздельно варьировать параметры отдельных лазерных пучков на входе и которая характеризуется высокой чувствительностью, является очень ценной методикой. Можно разработать различные ее варианты в зависимости от нашего воображения и от конкретной системы, которую надо исследовать. Дальнейшее развитие этого направления, вероятно, будет также зависеть от достижений теории атомов и молекул. Глава 10 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ Изучению физических и химических процессов на уровне атомов и'молекул часто мешает отсутствие чувствительных методов детектирования и зондирования малого числа атомов и молекул.
Особенно зто проявляется, когда атомы или молекулы, которые нужно обнаружить, появляются лишь как частицы примеси или имеют следовые концентрации в каком-либо веществе. В гл. 18 было показано, что лазерно-индуцированная флуоресценция и фотоионизация как методы детектирования имеют очень высокую чувствительность. Фактически, они имеют чувствительность, достаточную для детектирования одиночных атомов и молекул, и, следовательно, подтверждают данную им характеристику как весьма важных экспериментальных методов. С помощью этих методов ныне можно изучать многие интересные проблемы физики и химии, которые до сих пор оставались нетронутыми.
В данной главе мы рассмотрим этп методы более подробно, сделав упор на их возможностях как методов детектирования. Обсуждаются и возможные их применения в различных областях. $9Л Основы теории Основная идея селективного детектирования атомов и молекул с помощью лазеров проста. Она включает два основных этапа: лааерную маркировку атомов (или молекул) и детектирование помеченных атомов с помощью лазеров. Каждый сорт атомов (или молекул) имеет характеристический спектр, являющийся как бы его «отпечатком пальцевэ. Монохроматический свет может селективно возбудить выделенный сорт атомов из определенного основного состояния в определенное возбужденное состояние.
Возбуждение накладывает отпечаток на этот выделенный сорт атомов. Если вслед эа возбуждением используемый метод детектирования позволяет селективно детектировать атомы, находящиеся в определенном возбужденном состоянии, то зто будет означать, что нам удалось селективно детектнровать именно те атомы, которые первоначально находились в определенном основном состоянии. Ясно, что для того, чтобы иметь возможность детектирования очень малого числа атомов в определенном основном состоянии, маркировка должна охватывать как можно больше этих выделенных атомов.
Это означает, что интенсивность света должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить насыщение выделенного 333 <р! Ряс. 19.1. Свлектвввов возбуждввве (ру~) двухуровневой свстемы. Из состояния <() атомы влв молекулы удаляются з процессе рвгвстрзцвв (г"), резаксяруют в основное состоявяе (Г) язв теряют энергию за счет другах мехзввзмоз (3) Ып lй = — К',„(и, — пг)+ Гпп )п,~(1- УР,„(и, — и,) — (Г+ 9+в) ип г(п„lг)1 Уп„ (19.Ц где принято, что и, = О в условиях теплового равновесия.
Если гг'„ и г" являются ступенчатыми функциями, включающимися в мо- мент времени 1=О, и если начальные условия имеют вид из=и„ 334 перехода. Кроме того, зта маркировка должна быть настолько селективной, чтобы число возбуждаемых посторонних атомов было как можно меньшим. Оба эти требования сводятся к тому, что для селективного возбуждения необходимы монохроматическне лазеры большой интенсивности. С другой стороны, метод детектирования должен быть очень чувствительным. Он должен иметь чувствительность, достаточную для детектирования большей части атомов, находящихся в выделенном возбужденном состоянии. Метод детектирования должен в то жв время быть высокоселективным, так как в этом случае он сможет отделить постос ронине атомы, которые также оказались воабужденными.
В гл. 18 мы видели, что <г! методы лазерно-индуцированной флуоресценз ции и фотоионизации обладают очень высо- кой чувствительностью. В принципе, онн ~'г ! Р имеют чувствительность, необходимую для ы детектирования одиночных атомов опреде- ~! ленного сорта. На практике, однако, пре- И дельная чувствительность зависит от фона, Ц связанного с присутствием посторонних атомов и с шумом системы регистрации. Рассмотрим простую модель, иллюстрирующую требования, необходимые для регистрации отдельных атомов и молекул (рис.
19 1). Пусть Иㄠ— скорость селективного возбуждения атома из состояния <я! в состояние <Г(, а Р— частота детектирования возбужденных атомов. Остановимся на двух простых случаях: в первом случае процесс детектирования удаляет атом из возбужденного состояния и не возвращает его назад в основное состояние, во втором — все возбужденные атомы после детектирования возвращаются в основное состояние. На рис. 19 1 Г обозначает скорость релаксации нз состояния <Я в состояние <б~, а 9 — скорость убыли числа возбужденных атомов вследствие релаксации в ловушки, метаетабильные состояния и т. д. В первом случае кинетические уравнения для чисел атомов иг и и, в состояниях <я) и <1~ и для числа ио возбужденных атомов, выбывающих в процессе детектирования, имеют вид и п, = О при 1= 0, то мы получаем решение системы (19.1) в форме пе = — пее ((Ь вЂ” )Рех) е "с — (а — Игех) е-ы), ( ~ ех) (» М ех) пс = +"„( '" псп (е — ы — е '), с пр — — ~ Рис(Г) ссс', е а = '/,х, + [('/,х,)' — х,')ссп, Ь ='/ х, — [(с/сх )' — хс1ссс, х', еУ,„ф+ Р), х, = 2Ис,„+ р+ Р+ Г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
