Фемтосекундный двухимпульсный лазерный контроль колебательно-вращательной динамики молекул в жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Шмелев, Артемий Геннадьевич

• Шмелев, Артемий Геннадьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шмелев, Артемий Геннадьевич

Введение

Обзор литературы

1. Оптический контроль молекулярных движений в жидкости

2. Особенности спектроскопии оптического эффекта Керра в жидкостях

3. Выводы.

Глава 1. Экспериментальная установка.

1.1. Введение.

1.2. Экспериментальная установка.

1.3. Выводы к первой главе.

Глава 2. Теоретическое описание сверхбыстрого оптического эффекта Керра.

2.1. Введение.

2.2. Нелинейная оптика в нерезоиаиспоп среде.

2.3. Наблюдаемый сигнал в экспериментах с регистрацией ОЭК

2.4. Анализ спектров ОЭК

2.5. Метод многоимпульспой накачки

2.6. Выводы ко второй главе

Глава 3. Экспериментальное управление колебательно-вращательной динамикой молекул.

3.1. Введение.

3.2. Исследуемые образны.

3.3. Экспериментальное управление вращательной динамикой молекул

3.4. Моделирование.

3.5. Экспериментальное управление колебательной динамикой молекул

3.(3. Выводы к третьей главе.

Глава 4. Применение метода двухимпульсной накачки для осуществления селективной спектроскопии в жидкости.

4.1. Введение.

4.2. Моделирование.

4.3. Селективная спектроскопия хлороформа.

4.4. Выводы к четвёртой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фемтосекундный двухимпульсный лазерный контроль колебательно-вращательной динамики молекул в жидкости»

Фемтосекундный лазерный контроль молекулярной динамики является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. Главная задача лазерного контроля состоит в управление молекулярной динамикой, в результате чего достигается желаемое состояние молекул. Данное состояние определяется характером решаемой задачи: это может быть заданное электронное, колебательное либо вращательное состояние, определенный канал диссоциации или ионизации, инициирование какой-либо химической реакции и т.п. В наши дни для реализации лазерного контроля активно используется фемтосекундная техника. Актуальность применения коротких лазерных импульсов связана с тем, что их длительности сопоставимы с периодом молекулярных колебаний, что позволяет развивать методы когерентного контроля в субпикосекундном диапазоне.

Прогресс квантовой теории и экспериментальных методов исследования молекулярной динамики привели к тому, что сегодня мы хорошо понимаем поведение электронных оболочек и вращательно-колебательную динамику, молекул (начиная от простых двухатомных молекул, вплоть до сложных биомолекулярных комплексов) как на фемтосекундных временах, так и в нано-секундном диапазоне. Передовые методы экспериментов оптической спектроскопии, при наличии подходящих теоретических подходов, позволяют эффективно управлять молекулярной динамикой и, в качестве одного из практических применений, в конечном итоге управлять химической реакцией [1].

Экспериментально реализованный в диссертации метод управления молекулярной динамикой молекул жидкости позволяет не только управлять молекулярной динамикой, но и упрощает анализ экспериментальных данных и позволяет получить некоторую спектроскопическую информацию о молекулах в жидкости.

Актуальность работы заключается в экспериментальном подтверждении нового метода лазерного контроля молекулярных движений в жидкости предложенного [2] и подробно разработанного [3] в КФТИ КазНЦ РАН, основанного на нерезонансном многоимпульсном возбуждении среды фемтосе-кундными лазерными импульсами. Также актуальность заключается в экспериментальной разработке нового метода селективной спектроскопии молекул в жидкости основанном на лазерном контроле молекулярной динамики, что позволяет существенно упростить анализ экспериментальных данных.

Цель диссертационной работы заключается в осуществлении лазерного контроля молекулярных движений молекул в жидкости при комнатной температуре с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые продемонстрировано управление колебательно-вращательной динамикой молекул в жидкости при комнатной температуре (с регистрацией фемтосекундного оптического эффекта Керра) с помощью метода основанного на нерезонансном дву-химпульсном возбуждении среды. Реализована селективная спектроскопия молекул в жидкости при комнатной температуре с использованием метода-, двухимпульсной накачки.

Научная и практическая значимость: Работа носит фундаментальный характер, что заключается в экспериментальной демонстрации теоретически разработанного метода управления молекулярной динамикой жидкостей. В работе экспериментально развит метод двухимпульсной накачки для селективной спектроскопии молекул в жидкости при комнатной температуре.

Достоверность результатов обуславливается многократным повторением экспериментов и строгим контролем параметров. Моделирование показывает хорошее совпадение теории и эксперимента. Параметры движений молекул полученные в рамках данной работы совпадают с данными других источников.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: Созданная установка (с использованием оптического эффекта Кер-ра для регистрации молекулярной динамики) позволяет изучать и управлять молекулярной динамикой жидкостей с помощью двухимпульсной накачки и регулируемой в широких пределах длительностью импульса.

Экспериментальное управление нестационарной анизотропией поляризуемости жидкости в субпикосекундном диапазоне при комнатной температуре с помощью нерезонанспого возбуждения среды последовательностью из двух линейно поляризованных лазерных импульсов.

Управление колебательной динамикой молекул на примере жидкости хлороформа (с помощью метода двухимпульсной накачки) для получения констант молекулярной динамики при комнатной температуре. Данный метод позволяет существенно упростить моделирование и получить некоторые константы непосредственно из эксперимента.

Личный вклад автора: Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Личный вклад заключается: в участии в постановке задачи и планировании экспериментов; в участии в создании установки (установка и настройка оптической части осуществлялась лично автором); в выборе исследуемых жидкостей и пробоподготовке; в проведении экспериментов и получении экспериментальных спектров; в участии в анализе результатов, обсуждении и подготовке к публикации полученных результатов.

Апробация работы Результаты работы были доложены и активно обсуждались с коллегами на всероссийских и международных конференциях: XI международная молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия»(Казань, 2007); XI Всероссийская научная школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах — Волны 2008» (Звенигород, 2008); XIII международная молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2009); XIV международная молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2010); School for Young Scientists and Engineers (ICONO/LAT-SYS) (Kazan, Russia, 2010).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в четырёх статьях в рецензируемых журналах [AI, А2, A3, A4].

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 128 страниц, включая 21 рисунок. Библиография включает 118 наименований.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Шмелев, Артемий Геннадьевич

4.4. Выводы к четвёртой главе

В данной главе представлено применение управления колебательной динамикой молекул (с помощью метода двухимпульсной накачки при наблюдении оптического эффекта Керра) для получения спектроскопической информации о молекулах жидкости (констант молекулярной динамики) при комнатной температуре и упрощения анализа экспериментальных спектров ОЭК. Теория данного метода подробно описана во второй главе. Экспериментальное доказательство управления колебательно-вращательной динамикой молекул в жидкости при комнатной температуре представлено в третьей главе.

В данной главе экспериментально доказано, что метод двухимпульсного возбуждения среды в экспериментах с регистрацией ОЭК позволяет получать информацию о константах молекулярной динамики на основе анализа сигналов ОЭК при одноимпульсном и двухимпульсном возбуждении среды. Метод основан на селективном возбуждении и подавлении молекулярных колебательно-вращательных мод и не требует детального моделирования оптического отклика среды третьего или пятого порядка. Селективное возбуждение достигается путем манипулирования отдельными молекулярными движениями с помощью последовательности двух возбуждающих импульсов. Сравнение полученных значений констант с результатами моделирования сигнала ОЭК при одноимпульсном возбуждении показывает хорошее согласие обоих способов определения параметров среды (см. таб. 4.1). Также показано хорошее согласие параметров полученных из экспериментов в рамках данной работы с результатами других ([113, 114]) работ.

Предложенный метод селективной спектроскопии позволяет в эксперименте получать искомые характеристики среды и не требует моделирования с большим набором констант (из-за чего часто возникает вопрос об однозначности интерпретации). В экспериментах с двухимпульсной накачкой, по сравнению с одноимпульсным вариантом, возрастает число контролируемых параметров. При этом количество констант для моделирования отклика среды не меняется. Это является важным критерием для однозначной интерпретации экспериментальных результатов, что также позволяет повысить точность определения констант среды. С помощью данного метода можно существенно повысить точность определения параметров молекулярной динамики, если улучшить контроль параметров эксперимента и применить моделирование оптического отклика среды пятого порядка.

Следует отдельно отметить, что предложенный в [2], и теоретически подробно разработанный [3] в КФТИ КазНЦ РАН метод двухимпульсной накачки для управления колебательно-вращателной динамикой молекул можно применять для решения различных практических задач, например для более точного анализа состояния атмосферы [А4]. Основные результаты, представленные в данной главе, опубликованы в [АЗ, А4].