Спектроскопия и лазерное возбуждение многоуровневых молекулярных и атомных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Макаров, Александр Аркадьевич

• Макаров, Александр Аркадьевич
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Макаров, Александр Аркадьевич

1 Введение 3

1.1 Общая характеристика работы . .3

1.2 Цель работы . ч V . . 4

1.3 Научная новизна и основные результаты работы.а ;. .•:. . 5

1.4 Вклад автора . .• • . 8

1.5 Практическая значимость работы.9

1.6 Положения, выносимые на защиту .10

1.7 Апробация работы.11

1-Й Публикации .12

2 Динамика возбуждения многоуровневых квантовых систем в иоле лазерного излучения " I

2.1 Селективнрсть ступенчатого лазерного возбуждения^ атомов . 12

2.2 Селективное обогащение исходного состояния для лазерного детестирования редких изотопов . . . . . У;'"?'-'.". Л . д:17

2.3 Генерация суммарной частоты при промежуточном двухфотонном резонансе на колебаниях молекул. 22

2.4 Динамика квазирезонансного возбуждения квантовых систем «уровень-зона» .29

2.5 Общие закономерности многоступенчатого когерентного возбуждения .35

2.6 Общие закономерности многоступенчатого некогерентного возбуждения .41

2.7 Аналитические подходы и алгоритмы численного моделирования в задачах возбуждения многоуровневых систем.46

2.7.1 Когерентное возбуждение эквидистантных систем.46

2.7.2 Когерентное возбуждение некоторых неэквидистантных систем .49

2.7.3 Пример взаимодействия движущегося двухуровневого атома с полем стоячей световой волны . . 52

2.7.4 Некогерентное многоступенчатое возбуждение . 56

3 Спектроскопия высоковозбужденяых колебательных состояний многоатомных молекул 60

3.1 Возникновение колебательного хаоса в многоатомных Молекулах 60

3.1.1 Экспериментальные доказательства . . . 62

3.1.2 Механизмы и физические следствия. 68

3.2 Форма оптического резонанса при взаимодействии одного из уровней перехода с непрерывным спектром . . . i

3.3 Эффект статистического неоднородного упшрения в спектрах оп- у тических переходов между сильно возбужденными колебательны- ■' ми состояниями. 78

3.4 Влияние внутримолекулярной релаксации на форму спектров оптических переходов в колебательном квазиконтинууме . 86

3.5 Обратная спектроскопическая задача для колебательного квазиконтинуума . 95

3.6 Микроволновые спектры в колебательном квазиконтинууме . 98

3.7 Модельные аналитические подходы в задачах спектроскопии колебательного квазиконтинуума. 101

3.7.1 Марковское приближение для релаксации распределения в колебательной моде молекулы. 101

3.7.2 Линейные оптические спектры релаксирующих систем параллельных переходов. 104

3.7.3 Приближение термостата. 108

3.7.4 Спектр релаксирующего ангармонического осциллятора . 110

3.7.5 Спектр нерелаксирующего осциллятора, нелинейно связанного с релаксирующим осциллятором . 112

3.8 Методы двойного резонанса в спектроскопии колебательного ква-зйконтинуума . ;'-. . . 113

3.9 Методы когерентной лазерной спектроскопии применительно к колебательному квазшеонтинууму . . 117

Заключение диссертации по теме «Оптика», Макаров, Александр Аркадьевич

4 Заключение и выводы ,В докладе суммированы результаты теоретической работы автора по спектро-и. щнамике лазерного возбуждения многоуровневых молекулярных и г; здодоцьце систем. Автор ставил своей задачей способствовать пониманию процессов, лежащих в основе, главным образом, двух широких и практически важных направлений: стуценчатей селективной фотоионизации атомов и инфракрасного многофртонного,возбуждения. многоатомных молекул; С: точки зрения, сложности, задач эти два направления неравноценны: молекулярная проблема значительно сложнее, поедодьку включает в себя, как неотрывную составную часть, спектроскопию ^ысоковюб^^енных колебательных, состояний - ту область физики? где еще мнрго вопросов., ,,, , . .„.,,-.,.:.

Что касается ступенчатой селективной фотоионизации атомов, то на основании полученных результатов можно сделать два вывода:

• йринциййа^ЬнШ'б^райичёнй йа'оптическую селективность процесса весьма слабы даже в простейших схемах возбуждения; : *' • еще более кардинальное решениепроблемы оптической селективности обеспечивает предварительное обогащение исходного состояния в процессе, аналогичном оптической накачке (метод через несколько лет после появления соответствующих работ апробирован в Тихоокеанской Северо-Западной лаборатории, США).

Что касается спектроскопии высоковозбужденных колебательных состояний многоатомной молекулы, то первый вывод работы в этой части состоит в том, что из развитой теории следуют разнообразные формы спектров, выражающиеся через спектроскопические ангармонические постоянные и скорости внутримолекулярной колебательной релаксации (1УЕ):

• в предельном случае малых скоростей ГУН спектр оптических переходов в колебательном квазиконтинууме, в основном, гауссовский с шириной, определимой эффектом статистического неоднородного ушщения\ в предельном случае больших скоростей ГУЛ - лоренцевский с шириной, включающей в себя скорость 1УЯ исследуемой моды к скорость чисто фазовой релаксации за счет связи с остальными релаксирующими модами; проме жуточный случай описывается выведенной в, работе аналитической формулой. , ■ ■ >: ■;.

Второй вывод в этой части состоит в том, что предложены и теоретически обоснованы методы получения информации о:

• межмодовом распределении колебательной энергии

- спектроскопия спонтанного антистоксова КР (метод широко применен в Институте спектроскопии РАН и впоследствии использован также в Гарвардском университете, США);

• нижней энергетической границе области колебательного хаоса

- спектроскопия КР в сочетании с ИК МФВ молекулы (метод широко ; применен в Институте спектроскопии РАН); .'

- микроволновая спектроскопия (первые экспериментальные результаты недавно получены в Университете штата Вирджиния, США); скоростях ГУЛ

- нелинейная спектроскопия колебательного квазйконтинуума молекулы (метод апробирован в Институте спектроскопии РАН);

- спектроскопия когерентного четырехволнового смешения частот (реализация предлагаемых методов - вероятно, дело ближайшего будущего).

5 Список публикаций автора по теме диссертации

1] Макаров А. А. Возбуждения атомов световыми импульсами с частотами, отстроенными от резонансов // ЖЭТФ. 1983. Т. 85, №4. С. 1192-1202.

2] MakarOv A. A. Laser-selective enrichment of 3d-states of the Ca II ion,for detecting rare radioactive isotope calcium-41 // Appl. Phys. B. 1982. Vol. 29B,: N!q,,4. P. 287-290.

3] Макаров А. А. Лазерное детектирование редких радиоактивных изотопов. Метод селективного обогащений^исходного состояния "/'/ Квант, электр. 1983. Т. 10, »6. С. 1127-1136. г- ;

4] Balykin V. I., Kudriavtsev Yu.A., Letokhov V. S., Makarov A. A., Minogin V. G. On the way to the.,laser highly-selective detection of very rare isotopes against the background of abundan t isotopes // Laser Spectroscopy VI. Proc. of the 6th Int. Conf., Iaterlaken, Switzerland, June 27- July 1 1983 / Eds. H.P. Weber, W.

Liithy. Berlin: Springer-Verlag, 1983. P. 103-105 // Springer Series in Optical Sciences. Vol. 40.

5] Должиков B.C., Должиков Ю.С., Макаров А.А., МовшевВ.Г., Рябов Е.А. Резонансная двухфотонная спектроскопия колебательных переходов молекул при четырехволновом смешении частот // Квант, электр. 1986. Т. 13, №5. С. 887-899.

6] Макаров А. А., Платоненко В.Т., Тяхт В. В. Взаимодействие квантовой системы «уровень-зона» с квазирезонансным монохроматическим полем // ЖЭТФ. 1978. Т. 75, К«6. С. 2075-2091.

7] Letokhov V.S., Makarov A. A. "Leakage" effect as an exciting mechanism of high vibrational levels of polyatomic molecules by a strong quasi-resonant laser IR field // Opt. Comm. 1976. Vol. 17, No. 3. P. 250-253.

8] Макаров А. А. Когерентное возбуждение эквидистантных многоуровневых систем в резонансном монохроматическом поле // ЖЭТФ. 1977. Т. 72, №5. С. 1749-1761.

9j Letokhov V. S.t Makarov A. A. Excitation of multilevel molecular systems by laser IR field. Frequency-dynamic effects // Appl. Phys. 1978. Vol. 16, No. 1. P. 47-57.

10] Cantrell C.D., Letokhov V.S., Makarov A. A. Coherent excitation of multilevel systems by laser light // Coherent and Nonlinear Optics / Eds. M.S. Feld, V. S. Letokhov. Berlin: Springer-Verlag, 1980. P. 165-269 // Topics in Current Physics. Vol. 21.

11] Makarov A. A. Coherent excitation of multilevel systems by laser radiation // HyperBne Inter. 1987. Vol. 37, No. 1-4. P. 49-70.

12] Летохов В. С., Макаров А. А. Кинетика возбуждения колебаний молекул инфракрасным лазерным излучением // ЖЭТФ. 1972. Т. 63, Ш. С. 2064-2076.

13] Bagratashvili V. N., Letokhov V.S., Makarov A. A., Ryabov E.A. Multiple-photon infrared laser photophysics and photochemistry. I // Laser Chera. 1983. Vol. 1, No. 4/5: P. 211-342.

14] Bagratashvili V.N., Letokhov V.S., Makarov A.A., Ryabov E.A. Multiple-Photon Infrared Laser Photophysics and Photochemistry. Chur: Harwood Acad. Publ., 1985.

15] Баграташвили В.H., Должиков B.C., Летохов B.C., Макаров А. А., Рябов E.A., 'Тяхт В. В. Многофотонное инфракрасное возбуждение и диссоциация молекулы CF3I: Эксперимент и модель // ЖЭТФ. 1979. Т. 77, №6. С. 2238-2253.

16] Makarov a! A." Makarov G.N. Puretzky А.А., Tyakht V.V. Multiple-photon IR excitation of electronic states of OsC>4 molecule: Experiment and model // Appi. Pbys. 1980. Vol. 23, No. 4. P. 391-401.

17] Макаров А. А., Павлик Б. Д. Рассеяние атомов квазирезонансным полем стоячей световой волны // Укр. физ. жури. Т. 34, №3. С. 352-361.

18] Lokhman V.N., Makarov A. A., Petrova I.Yu., Ryabov Е.А., Letokhov V.S. Transition spectra in the vibrational quasicontimium of polyatomic molecules. IR multiple-photon absorption in SFe. II. Theoretical simulations and comparison with experiment // J. Phys. Chem. А. (В печати.) v vi

19] Баграташвили В. H., Летохов В. С., Макаров А. А., Рябов Е. А. Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном лазерном поле // Итоги науки и техники. Сер. Физика, атома и молекулы. Оптика. Магнитный резонанс. М.: ВИНИТИ, 1981. 'Г. 2.

20] Летохов В. С., Макаров А. А. Многоатомные молекулы в сильном инфракрас-¡ном поле // УФН. 1981. Т. 134, №1. С. 45-91. ^ .

21] Макаров А. А., Рябов Е. А. Возникновение колебательного хаоса в многоатомных молекулах. Экспериментальные свидетельства и физические следствия Применение лазеров в атомной, молекулярной я ядерной физике / Ред. А. Пискарскас. Вильнюс: ВГУ, 1988. С. 36-51.

22] Makarov A. A., Ryabov Е. A. Appearance of a vibrational chaos in polyatomic molecules: experimental evidences and physical consequences // Lasers in Atomic, Molecular, and Nuclear Physics / Ed. V. S. Letokhov. Singapore: World Scientific, 1989. P. 150-165.

23] Баграташвили B:H,, .Вайнер Ю.Г., Должиков B.C., Кольяков С.Ф., Макаров

A. А., Малявкин Л. П., Рябов Е. А., Силькис Э. Г., Титов В, Д. Прямое наблюдение методом спектроскопии КРС эффекта стохастизации колебательной энергии в молекулах при взаимодействии с сильным лазерным ИК полем // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 30, №8- С. 502-506.

24]JBagratashvili V.N., VainerYu^G.) Doljikov V.S., Koliakov S.F., Makarov A.A., Malyavkin L.P., Ryabov E.A., Silkis E.G., Titov V.D. Raman spectroscopy of infrared multiple-photon excited molecules // Appl. Phys. 1980. Vol. 22, No. 1. . P. 101-105.

25] Баграташвили В.H., Вайнер Ю. Г., Должиков B.C., Кольяков С.Ф., Летохов

B.C., Макаров А.А., Малявкин Л.П., Рябов Е.А., Силькис Э.Г., Титов В.Д. Меж- й внутримолекулярное распределение колебательной энергии молекул при многофотонном возбуждении ИК лазерным излучением // ЖЭТФ. 1981. Т. 80, №3. С. 1008-1025.

26] Bagratashvili V. N., Doljikov V.S., Letokhov V.S., Makarov A. A., Malyavkin L.P., Ryabov E. A., Silkis E. G., Vainer Yu. G. Stochastization limit of ^Vibrational energy in SFe and CF3I molecules at IR multiple photon excitation //• Opt: Comm. 1981. Vol. 38, No. 1. P. 31-34.

27] Bagratashvili V.N., Vainer Yu.G., Doljikov V.S., Letokhov V.S., Makarov A. A., Malyavkin L. P., Ryabov E.A., Silkis E.G. Observation of nonequilibrium vibrational distribution in infrared multiphoton excitation of molecules by Raman spectroscopy // Opt. Lett. 1981. Vol. 6, No. 3. P. 148-150.

28] Макаров А.А. Стохастизация колебательной энергии многоатомных молекул при многофотонном возбуждении ИК лазерным излучением // Применение лазеров в атомной, молекулярной и ядерной физике. Труды II Всесоюзной школы, Вильнюс, 1981г. М.: Наука, 1983. С. 67-78.

29] Doljikov V.S., Doljikov Vu. S., Letokhov V.S., Makarov A. A., Malinovsky A.L., Ryabov E. A. Intramolecular and intermolecular redistribution of vibrational energy in MP IR excitation: CF2HC1 molecule // Chem. Phys. 1986. Vol. 102, No. 1,2. P. 155-163.

30] Должиков Ю.С., Летохов B.C., Макаров А. А., Малиновский А. Л., Рябов E.A. Меж- й внутримолекулярное распределение колебательной энергии при ИК многофотонном возбуждении. Молекула CF3Br // ЖЭТФ. 1986. Т. 90, №6. С. 1982-1994.

31]"Doijiikov Vu.*S:i Letokhov VS., Makarov A. A., Malinovsky À.L., Ryabov E.A. Raman probing of ovërtoié krid combination bands to study the vibrational energy distribution produced, by multiple-photon excitation // Cbem. Phys. Lett 1986. Vol. 124, No. 4. P. 304-308. , - .<s я,- ;:,KT6cp<><-<

32] Должиков Ю. С., Макаров А. А., Малиновский А. Л., Рябов É. А. Внутримолекулярная колебательная динамика в многоатомных молекулах, возбужденных ИК лазерным излучением // Изв. АН СССР, сер. физ. Î989. Т. 53, №6. С. 1055-1060.

33] Макаров А. А., Тяхт В. В. Спектры инфракрасных переходов между высоковозбужденными состояниями многоатомных молекул / / ЖЭТФ. 1982. Т. 83, №2. С. 502-515.

34] Makarov A. A. Spectra of transitions in the vibrational quasicontinuum of polyatomic molecules // Laser Spectroscopy of Highly Vibrationally Excited Molecules / Ed. V.S. Letokhov. Bristol: Adam Hilger, 1989. P. 106-177.

35] Макаров А. А. Спектры переходов в колебательном квазиконтинууме многоатомных молекул // Лазерная спектроскопия колебательно-возбужденных молекул / Ред. B.C. Летохов. М.: Наука, 1990. С. 77-128.

36] Makarov A. A., Petrova t.Yu., Ryabov Е.А., Letokhov V.S. Statistical inhomo-geneous broadening of infrared and Ramkn transitions in highly vibrationally excited XYe molecules // J. Phys. Cbem. A. 1998. Vol. 102, No. 9. P. 1438

37] Malinovsky A. L., Petrova I. Yu., Ryabov E. A., Makarov A. A., Letokhov V. S. Transition spectra in the vibrational quasicontinuum of polyatomic molecules: Raman spectra of highly excited SFe molecules // J. Phys. Cbem. A. 1998. Vol. 102, No. 47. P. 9353-9359. ' '

38] Малиновский А. Л., Макаров А. Д., Рябов E. А., Тишина E. H. Вид колебательного распределения в квазиконтинуумё при ИК МФ возбуждении SF$ // Хям.-физ. 1999. Т. 18, N«9. С. 9-15.

39]. Макаров А. А., Тяхт В. В. Спектр ИК-поглощения высоковозбужденной молекулы: корреляционные эффекты и связь с временами внутримолекулярной релаксации // Труды VII Всесоюзною симпозиума по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Томск: Томский филиал СО АН СССР, 1986. Ч. III. С. 12-16.

40] Макаров А. А., Тяхт В. В. Чисто фазовая внутримолекулярная релаксация и её влияние на спектры переходов между высоковозбужденными колебательными состояниями молекул // ЖЭТФ. 1987. Т. 93, №1. С. 17-30.

41] Makarov A. A. Vibrational quasicontinuum of polyatomic molecules: new prob; lems for laser spectroscopy // HyperBne Inter. 1987. Vol. 38, No. 1-4. P. 601-624.

42] Макаров А. А., Тяхт В. В. Фазовая релаксация высокочастотных колебаний адсорбатов // Поверхность. Физика, химия, мех. 1988. №8. С. 18-23.

43] Макаров А. А, Микроволновая спектроскопия как метод исследования сто-хастизации колебательного, движения в многоатомной молекуле // Опт. и спектр. 1987. Т. 62, №5. С. 1183-1185.

44] Evseev А. V., Krivtsun V. M., Kuritsyn Yu. A., Makarov A. A., Puretzky A. A., Ryabov , E. A., Snegirev E.P., Tyakht V.V. IR absorption spectrum of CrOjÇh molecules for high-lying states of the vibrational quasicontinuum // Chem. Pbys. 1986. Vol. 106, No. 1. P. 131-149.

45] Евсеев A. B., Кривцун В. ОД., Курицын Ю. А., Макаров А. А., Пурецкий А. А., Рябов Е.А., Снегирев Е. П., Тяхт В. В.ИК спектр поглощения молекул Сг02СЬ, приготовленных в высоколежащем состоянии колебательного квазиконтинуума // ЖЭТФ. 1984. Т. 87, №1. С. 111-124.

46] Makarov A A. Novel photon echo for studying intramolecular vibrational dynamics // Chem. Phys. Lett. 1992. Vol. 190, No. 3,4. P. 236-240.

47] Makarov A. A. Coherent laser spectroscopy for studies of intramolecular vibrational relaxations // TJie Laser ¿n, Science, Technology and Life. / Ed. K. Siomos. Chania (Crete): Institute of Material Structure and Laser Physics. 1993. P. 141154.