Лазерное возбуждение высоких колебательных состояний молекул гексафторида серы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Зикрин, Б.О.

• Зикрин, Б.О.
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зикрин, Б.О.

Введение.стр. 4-П

Глава I. Исследование в области квазиконтинуума колебательного возбуждения,и диссоциа-. ции молекул 5/^ .12

§ I. Экспериментальная установка.и.методика. измерений.13

§ 2. Многофотонное поглощение и диссоциация молекул при одночастотном.лазерном. возбуждении.20

§ 3. Спектральные характеристики возбуждения и диссоциации молекул $при двухчастотном воздействии лазерного излучения. 26

Глава П. Исследование распределения 'й^^щенной молекулой энергии по ее^алефатель-ным модам и процесса колебательного межмодового энергообмена методами линейной Ж и КАРС-спектроскопии. 37

§ I. Параметры спектра линейного поглощения газа по мере увеличения уровня возбуждения. 38

§ 2. Кинетика спектров линейного поглощения молекул , возбужденных в.интенсивг. ном лазерном поле. 38

§ 3. Кинетика спектров линейного поглощения молекул , возбужденных столкнове-.

34, г ниями с молекулами ¿г . 57

§ 4. КАРС-зондирование населенностей колебательных уровней моды ¡^ нолекул гексафторида серы при различных уровнях.воз-. буждения. 62

Глава Ш. Исследование роли столкновений йа процесс возбуждения. молекул в ИК-лазерном поле. 69

§ I. Скорость обмена колебательной энергии в поле лазерного излучения между молекулами гексафторида серы различного изотопического состава. 70

§ 2. Скорость колебательного межизотопного обмес1 Г ^С Г на молекул ; рг6 при селективном возбуждении молекул . 76

§ 3. Доля молекул, возбужденных в интенсивном ИК-поле; влияние длительности лазерного импульса и столкновений с молекулами буферного газа.82

§ 4. Насыщение лазерного поглощения в системе высоких колебательных уровней моле-. кулы ,$Г6 .87

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерное возбуждение высоких колебательных состояний молекул гексафторида серы»

Селективное лазерное возбуждение высоких колебательных состояний многоатомных молекул представляет собой интересное физическое явление. Этот интерес обусловлен как сложностью самого яв ления, так и его практической значимостью. Первым эксперименталь ным наблюдением возможности сильного колебательного возбуждения молекул ЙК-лазерным полем за время, по-видимому меньше, времени между газокинетическими столкновениями явилось наблюдение диссоциации молекулы , которая сопровождалась видимой люминис-ценцией газа [т] . Такое колебательное возбуждение молекулы вело до ее диссоциации позволило провести эксперименты по изотонически-селективной многофотонной диссоциации (МФД) многоатомных моле кул [2] . На цримере молекул [з] жСР3<7 [4] была показана возможность масштабирования процесса лазерного разделения изотопов (ЛРЙ) методом МФД многоатомных молекул. Однако большой интерес к явлению сильного колебательного возбуждения вызван не тол! ко црактической ценностью для задач ЛРИ. Возможность за счет интенсивного лазерного излучения создавать неравновесность в населенности колебательных уровней возбуждаемой моды, а также неравновесность в распределении поглощенной энергии по колебательным модам молекулы представляется перспективной для лазерного стимулирования химических реакций и для исследования столкновительнш релаксационных процессов колебательно возбужденных молекул. К настоящему времени опубликовано большое число работ, связанных с данной тематикой. Подробную информацию можно найти в обзорных работах [5-8] .

Явление сильного бесстолкновительного колебательного возбуждения молекулы представляется нетривиальным. Действительно, поглощение двухатомной молекулой большого числа квантов энергии лазерного изучения [э - II) затруднено ангармоничностью колебаний. Так, теоретические расчеты, цроведенные в работе [12] на примере двухатомной ангармонической молекуле показали, что для диссоциации молекулы требуются интенсивности излучения порядка^ ^ Вт/см2, которые намного превышают пороги оптического пробоя в газе. В то же время, МФД для большого ряда многоатом ных (с числом атомов N^ 3) молекул наблвдается при интенсивнос-тях излучения ~ Вт/см2. Сам факт МФД многоатомных молекул и требуемые для этого сравнительно низкие значения интенсивности излучения указали на то, что основной причиной этого эффекта является многоатомность молекулы. Наличие большого числа атомов в молекуле, а следовательно и большого числа колебательных степеней свободы цриводит к тому, что плотность колебательных уровней быстро нарастает с ростом энергии. В результате -молекула способна резонансно поглощать большое число квантов энергии.

Общепринятым является условное разбиение цроцесса МФД многоатомных молекул на три стадии [13, 14] . Первая стадия - область нижних колебательных уровней резонансно возбуждаемой моды, где плотность колебательных уровней еще сравнительно невелика. Для молекула эта область включает в себя (4 * 6) колебательных уровней. Первая стадия является важной, поскольку именно здесь задается изотопическая селективность возбуждения. Вторая стадия - область высоких колебательных состояний, характеризуемая высокой плотностью колебательных уровней и сильным меж-модовнм ангармоническим взаимодействием. Область высоких колебательных состояний, где среднее расстояние между уровнями становится соизмеримым с его шириной, обусловленной динамическим Штарк-эффектом в лазерном поле, получила название квазиконтинуума. Доказательством наличия области квазиконтинуума является два факта. Первый - само явление МФД й второй экспериментальный факт - МФД многоатомных молекул при двухчастотном Ж - воздействии [15, 1б] . Исследование второй стадии цроцесса МФД, области квазиконтинуума колебательных состояний, где осуществляется основной набор энергии молекулой представляется важным для понимания механизма МФД.

Целью диссертационной работы явилось экспериментальное исследование спектральных и релаксационных характеристик молекул гексафторида серы в области высоких колебательных состояний. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Зикрин, Б.О.

Выводы

1.Измерена скорость межизотопного, по моде Уз колебательного энергообмена молекул • Полученная величина составила = (50 -10) не «тор.

2. Исследован процесс ухода молекул из основного состояния в интенсином ИК-лазерном поле. Показано на примере молекулы влияние: а) интенсивности лазерного излучения на средний уровень возбуждения молекулы. б) буферного (инертного) газа на величину доли возбуждавших молекул.

3. Измерены насыщающие интенсивности в системе высоких колебательных состояний молекул гексафторида серы. Полученный данные, указывающие на наличие быстрых релаксационных процессов с характерным временем,меньшим 4 нс-торр.

Заключение

Сформулируем основные полученные в диссертации результаты:

1. Показано, что спектральные характеристики средней погло ценной энергии и выхода диссоциации молекул гексафторида серы в области высоких колебательных состояний не совпадают, что цри' водит к увеличению отношения выхода диссоциации молекул к среднему числу набранных квантов с увеличением сдвига частоты поля в "красную"сторону.

2. Достигнут близкий к 100% выход молекул: в диссоциацию с использованием двухчастотного лазерного воздействия и определен уровень перевозбуждения молекул 5 Ре » необходимый для этого. Этот уровень составляет У = 14 квантов.

3. Экспериментально показано, что резонансный ИК-лазерный нагрев молекул отличается от теплового: распределение молекул по энергиям и распределение колебательной энергии каждой из молекул по внутренним степеням свободы существенно отличается от термически равновесного. Это отличие проявляется как в спектрах линейного Ж-поглощения, так и .в КАРС-спектрах.

4. Экспериментально установлено, что вероятность-межмодо-вой колебательной релаксации молекул линейно растет с уровнем возбуздения. Измерена скорость этого процесса, которая для газа составила Г = 1,8 же-торр-квант.

5. Показано, что для молекулы ¿[^ на шестом колебатель-. ном уровне происходит потеря модовой селективности возбуждения.

6. Измерено характерно время РС межизотопного колебательного обмена молекулой , $ . Полученная величина составляет 50-10 нсек»торр.

7. Измерены насыщающие интенсивности поглощения в газе цри среднем уровне возбуждения молекул, 1/ = 3,5 квант/молек. Показано, что значение насыщающей интенсивности зависит от давления газа и от выбора зондирующей лазерной частоты. Полученная оценка характерного времени релаксации энергии в системе высоких колебательных уровней составляет К <4 нс-торр.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научным руководителям: Н.В.Карлову и С.С.Алимпиеву за постановку задачи и научное руководство. Кроме того, автор выражает благодарность за постоянное внимание к работе и полезные обсуждения В.М.Акулину, Б.Г.Сартакову, Э.М.Хохлову, за помощь при проведении экспериментов Е.К.Карловой, С.М.Никифорову, А.Л.Штар-кову, Г.Г.Есадзе, А.А.Мохнатюку, а также В.В.Смирнову и В.И. Фабелинскому за предоставленную возможность цроведения ряда экспериментов на разработанном ими в Институте общей физики Ж СССР КАРС-спектрометре.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Зикрин, Б.О., 1984 год

1. ¡Setior N.R.t Merciomt И et, al - C0Z faser -incJuczd d'iSSOciat/On of Sifj/ molecules electron ica Л и excited fro^/rienis, ~ С on ос/. 3 Pfys. 1973, v. Я, p.

2. Р.В.Амбарцумян,В.С.£етохов, Е.А.Рябов, Н.В.Чекалин

3. Изо топически-селективная химическая реакция молекул ßC/j в сильном инфракрасном поле лазера. Письма в ЖЭТФ, 1974, т.20, с.597.

4. Квантовая электроника, 1979, т.6, с.823.

5. Г.И.Абдушелишвили, О.Н.Аватков, В.Н.Баграташвили и др. Разделение изотопов методом многофотонной диссоциации молекул излучением мощного С02~лазера. Масштабирование процесса для изо1 пов углерода.

6. Квантовая электроника, 1982, т.9, с.743.

7. Н.В.Карлов, А.М.Прохоров Лазерное разделение изотопов. УФН, 118, с.583, 1976.

8. С.С.Алимпиев, Н.В.Карлов, Б.Б.Крынецкий, Ю.Н.Петров "Лазерное разделение изотопов"1. ВИНИТИ, том 22, М., 1980.

9. В.Н.Баграташвили, В.С.Летохов, А.А.Макаров, Е.А.Рябов "Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном лазерном поле"1. ВИНИТИ, том2, М., 1980.8. В.С.Летохов, А.А.Макаров

10. Многоатомные молекулы в сильном инфракрасном поле" УВД, 134, 44-91,1981.9. Г.А.Аскарьян

11. Возбуждения и диссоциация молекул в интенсивном световом поле. ЖЭТФ,.1964, 46, 403.10. Г.А.Аскарьян

12. Сильное возбуждение и диссоциация молекул в интенсивном световом поле. ЖЭТФ, 1965, 48, 666.

13. Ф.В.Б^нкцщ Р.В.Карапетян, А.М.Прохоров Диссоциация молекул в сильном поле излучения. ЖЭТФ, 1964, 47, 216.12. А.Н.Ораевский, В.А.Савва

14. Возбуждение колебаний молекулы лазером и химические реакции.

15. Кр.сообщ.физ. ФИАН СССР, № 7, 50, I97G.

16. В.М.Акулин, СС.Алимпиев, Н.В.Карлов, Л.А.Шелепин.0 механизме бесстолкновительной диссоциации многоатомных молекул в мощном лазерном поле. ЖЭТФ, 69, 836, 1975.

17. К BLoemberc/e/г. -Comments on the dissociation of polyatomic molecults by Intense 10.SjtlM radiatioh. 'Opt Comm. 15} 4{6 (4975)

18. Р.В.Амбарцумян, Ю.А.Горохов, В.С.Летохов, Г.Н.Макаров, А.А.Пурецкий, Н.П.Фурзиков.

19. Селективность диссоциации многоатомных молекул в двухчастотном ИК лазерном поле. "Письмо в ЖЭТФУ 1976, 23, 217.

20. В.М.Акулин, С.С.Алимпиев, Н.В.Карлов, А.М.Прохоров, Б.Г.Сартаков, Э.М.Хохлов

21. Значительное увеличение скорости диссоциации многоатомных молекул при красном смещении нерезонансной частоты в условиях двухчастотного лазерного воздействия. Письма в ЖЭТФ, 1977, т.25, с.428.

22. С.С.Алимпиев, Б.О.Зикрин, Б.Г.Сартаков, Э.М.Хохлов Возбуждение и диссоциация молекул f>Fe в двухчастотном Ж лазерном поле.1. КЭТФ, 83, с.1634, 1982.

23. С.С.Алимпиев, Б.О.Зикрин, Б.Г.Сартаков, Э.М.Хохлов

24. Ж многофотонное возбуждение газа : Распределение поглощенной энергии и кинетика релаксации. Прецринт & 205, с.1-38, ФИАН, 1983.

25. С.С.Алимпиев, Б.О.Зикрин, Б.Г.Сартаков, Э.М.Хохлов Линейная Ж-бпектроскопия многоатомных молекул, возбужденных интенсивным лазерным полем.

26. Тезисы докладов 19 Всесоюзного съезда по спектроскопии, (г.Тошок, 1983 г.)

27. С.С.Алимпиев, Б.О.Зикрин, Л.Хольц, С.М.Никифоров,В.В.Смирнов, Б.Г.Сартаков, В.И.Фабелинский, А.Л.Штарков "Определение скоростей колебательной релаксации молекул возбужденных в сильном Ж-лазерном поле"

28. Письма в ЖЭТФ, 38, № 7, 349-352, 1983.

29. С.С.Алимпиев, Б.О.Зикрин, Н.В.Карлов, А.А.Мохнатюк, С.М.Никифоров, П.П.Пашинин, Б.Г.Сартаков, В.В.Смирнов, В.И.Фабелинский.

30. Скорость межизотопного колебательного обмена энергии молекул и 5 ". Письма в Ж: ТФ. (в печати)23. В.С.Летохов, А.А.Макаров

31. Кинетика возбуждения колебаний молекул инфракрасным лазерным излучением.1. ЖЭТФ, 63, с.2064, 1972.24. $$ АЛтр)еу, МИ Шоу, ЕМ. КЬокЬ1оУ7 ВЛЗагкоко^

32. Zikrir7 Spectroscopy of the polyatomic molecules excited hu intense loser field\ Abstract otpapers {S European Conprejj &n Mol Spedr^ Sofia, /Щ p. 2SZ.

33. Aiimpicv, M К Кйгlov, ЕЛКЬоШоB.&Jartakov, B.O.Zikrir. Spectroscopy of the polyatomic. rnolec.uleS} excited by an intense ¡R laser field Journal of Molecular Structure //5" fjm\ p. 115-218.

34. С.С.Алимпиев, Н.В.Карлов, С.М.Никифоров, Б.Р.Сартаков, Э.М.Хохлов, А.Л.Штарков

35. Эффективность и спектральные характеристики двухчастотной ИК диссоциации газодинамически охлажденных молекул $F6 . Препринт ФИАН, 16 80, I-I7, 1933 . . . .

36. С.С.Алимпиев, Г.С.Баронов, С.М.Караваев, В.Л.Марцынкьян, А.В.Мерзляков, С.М.Никифоров, Б.Г.Сартаков, Э.М.Хохлов, А.Л.Штарков.

37. Диссоциация молекул ¿F£ в Ж- лазерном поле в условиях газодинамического охлаждения. v.-:. Квантовая электроника, 10, I& 2, 376-383, 1983.28. С.С.Алимпиев

38. Спектральные- характеристики возбуждения и диссоциации многоатомных молекул в ИК-лазерном поле.

39. Известия АН СССР, серия физ. 45, J6 6, с.1070-1077, 1981.

40. W Fuss, 3. H ort mann and Ш. Sc h mid.- !R absorptio, of hivhlu vibrational exited $Fa . Ctppjied1. Physic^ IF m -301 t m¿ '

41. Go wer M.C.j ù us to fson Т.К. Colli Sionl e ¿S dissociation of SFg usinQ ti^a resonant frequency

42. COz laser fields. Of>t Commu-ns, 197% I/ 23 pM f

43. Мощный эффективный Л/А/3 лазер с оптической накачкой,тперестраиваемый в диапазоне 770-390 см . К.Э., 1980, 7, 116.

44. Ю.Р.Коломийский, А.Р.Еукудасанов, Е.А.Рябов Некоторые особенности Жзсоциации молекулы $Fs в сильном Ж поле С02-лазера.1. КЭ, 1980, "7, 1499.

45. G. Koten, tl. baton, i/.R Oppenheim. Efficient \f"V екег^у tiro us fer ih о muléiphoton excitedmixture of SFg and IEEE 7. Quant. Elect к mo, a E /6, mo.

46. В.Н.Баграташвили, В.С.Должиков, В.С.Летохов Кинетика спектров ИК-поглощения молекул SFç »колебательно возбужденных мощным импульсом С02-лазера.1. ЖЭТФ, 76, 18, 1979.

47. R.V. Ambartzumian, G.M Manarov, AA.Puretzky. ¡yivestioation of muli/pl ephoton excitation of Os Он by dissociai ich. Opt. Commun. 19Ц 2% 79.

48. И.О.Лейпунский, А.К.Любимова, А.А.Надейкин, А.И.Никитин,1. B.Л.Тальрозе

49. Исследование цроцесса образования кислороддержащих цродуктов при многофотонной диссоциации излучением мощного импульсного С02-лазера КЭ, 1982, 9,' 668.38 • Lу man IL. J. Cßiem. PhyJ.f {977 67t tftf

50. M.SuJbo, P.A. khub, E.R Gront J.RSher, H.TLeer tWultiphoiov c/issocintion of JPe hu а mlecLflah he от method. ~ J. Che m. Pms.,

51. В.С.Летохов, С.Б.Мур Лазерное разделение изотопов.

52. Квант, электроника, 2, 248, 485, 1976.

53. Н.Г.Басов, Э.М.Беленов, В.И.Йсаков, Е.П.Маркин, А.Н.Ораевский, В.И.Романенко1. УФН, 121, 427, 1977.42• J.P Boti. Emission Spcctrc/m of the \)3 band of Ц ot mOt Appl. Pßiys Letten 32, ЫЧ (fflf).

54. AM HüVQk) JL.Lumani J7 Jpectr Rod. Tmsfet щ 9Ц5 ms).

55. K.Fox¿trencfth* of the M tronsHiphS pumped ¿у q COz Jos er. Ppt. Common. ¡9,39?, /976.

56. С.С.Алимпиев, Б.Г.Сартаков

57. Распределение колебательной энергии при возбуждении многоатомных молекул ИК-Лазерным полем.

58. Известия АН СССР, сер.физ., 47, J& 8, 1556-1565, 1983.46. AlPine A&Robieiit.

59. Sре et г es сори of the 39з ¿W of 3 F6. J vf McL Jpect^ JO? ш m? /9<?0

60. С-. W. Patterson, bJKrofm, A. 5 Pine. JMd Spectr £f33, {mi). \ '

61. В.М.Акулин, С.С.Ажмпиев, Н.В.Карлов, Б.Г.Сартаков Особенности возбуждения высоких колебательных уровней и диссоциации многоатомных молекул в лазерном поле. ЖЭТФ, 72 88 1977 . .

62. С.С.Алимпиев, С.И.Валянский, С.М.Никифоров, В.В.Смирнов Б.Г.Сартаков, В.И.Фабелинский, А.Л.Штарков

63. А.М.Бродниковский, С.М.Гладков, В.H.Задков, А.В.Евсеев, М.Г.Каримов

64. Изучение релаксации сильновозбужденных дипольных и полносимметричных колебательных мод многоатомных молекул с помощью активной и оптико-акустической спектроскопии КР". Тезисы докладов II КНО, 1982.

65. P.D.Boies 7к, J.T. Knudtson, G.W. Plum.- Etferw transfer among excited vibrational ¿fates of Cfom.Pkys. letters, / (031 /9?f.

66. М.Робинсон, К.Холбрук Мономолекуляфные реакции М., Мир, 1975, с.380.

67. Rice SA- ~ In: Ad ronces tn, hct ¿¡er C/iemistru / EeJ. jby AM. 1 evroil. Д etc.: Spring Verl., S9W, '

68. Г.М.Заславский, Б.В.Чириквв Стохастическая неустойчивость нелинейных систем. Ш, 1971, т.105,с.3

69. В.Н.Баграташвили, Ю.Г.Вайнер, В.С.Дожиков и др.

70. Прямое наблюдение методом спектроскопии КРС эффекта стохасти-зации колебательной энергии в молекулах при взаимодействии с сильным лазерным Ж полем. Письма в ЖЭТФ, 1979, т.30,с.502.

71. В.Н.Баграташвили, Ю.Г.Вайнер, В.С.Должиков и др.

72. Меж- и внутримолекулярное распределение колебательной энергии молекул цри многофотонном возбуждении Ж лазерным полем. ЖЭТФ, 198I, т.80, с.1008.

73. Р.В.Амбарцумян, С.А.Ахманов, А.М.Бродниковский и др. Когерентная активная спектроскопия многоатомных молекул, много-фотонно возбужденных Ж излучением.

74. Письма в ЖЭТФ, 35, с.170, 1982.59. В.М.Акулин, Н.В.Карлов

75. О перераспределении колебательной энергии цри лазерном возбуждении высоких колебательных уровней многоатомных молекул. ЖЭТФ, 1980, 79, 2104.

76. Б.Ф.Гордиец, А.'И.Осипов, Л.А.Шелепин Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980.

77. Е.Е.Никитин, А.И.Осипов Колебательная релаксация в газах. Кинетика и катализ, М.: ВИНИТИ, 1977.

78. С.А.Ахманов, В.М.Гордиенко и др.

79. Зависимость скорости колебательно-поступательной релаксации в ¿F$ от интенсивности селективного лазерного возбуждения. Письма в ЖЭТФ, 26, с.603, 1977.

80. Е.Маъиг /. ßutak^ У, bloeml ег^еи. Coli ¡Sien le-S Svi brat/оя al ener^y redisiribut/oti bei и-/л infrared Ort cl rctmanactîye modes /п S Ре C/iem. Phi f.leiti ЮГ У4 />. 2S<f-iezt /т.

81. М.М.Мкртчян, В.Т.Платоненко0 возможном механизме релаксации по вращательным подуровням молекул в условиях насыщения колебательно-вращательного перехода.1. КЭ, 1978, 5, 2104.

82. В.Т.Платоненко, Н.А.Сухарева

83. Об обмене колебательной энергии между сильновозбужденными многоатомными молекулами ЖЭТФ, 1980, 78, 2126.66. В.М.Акулин

84. Особенности процессов столкновительной колебательной релакса' ции в сильно возбужденных спектрально сложных многоатомных молекулах1. ЖЭТФ, 1983, 84, 1336.

85. AJ. Akh/nant?y) У. Ju. Bor оно у Y.D. Pismem^

86. У.К büQwlashvilif' Ju. R. Kolv*UsYJ. Leûthoк, £. À. Rua bov.- ffl/l hpl с ph oio» e у с i 'ta ti on of ~tomic molécules fret" кону rcic?t/o%alstetes bu ¡htense pulse of /К Mc/ioticn. Optics Commun. i977} 2êt J^Z

87. T.L,llyrnQtvi B!T.Feldtnan7 RA. Fisher. ~ ¡Effect of COz laser-pulse mode puolitu on multiple phot oh obscs-pt/w in ftFe

88. Optics. Comn,«*.f /9Щ 26~; 391

89. D. 0. Hom} M. ffo thsch tic/. TrahSmissi&n faeesure/nenis of mtsjfiple photon adsorption1. SFe. Opt,cs Leli.t ^

90. Q-uigletf G. P. Collis! onal effect j in the m и It i pie or fro re- d photon al sorptiondptias uti, ¿r m

91. KM BoQrota s/iyili Ju. G. Voider V.S. Doli}Kov,.

92. AffL Thy*., MO, 22, ML ? '72.p Esherlck) A.7. Grirnele^ A.OwyounQ. ßhem% Phys*., Ц 211-2П,

93. P.Esherick, A.Ovi/ounf7 X of Mol 9Z,1Ы-jes} mz.74 .Н.В.Карлов

94. Лекции по квантовой.электронике Москва, Наука, 1983.75 • Sharp R.C.} Jablohe rich £ßloewlerßen M.

95. Picosecond )я fro г ее/ dots ¿Je reSPnanse ftuc/ies on SFe J Che*. Pfyj., /Щ fy ¿3S¥.

96. Fuss W., Had mann J. У. Chem. Phys.979 Щ M6J- '/