к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Фемтосекундная спектроскопия

Фемтосекундная спектроскопия - совокупность методов исследования вещества с помощью световых импульсов фемтосекундной (10-15-10-12 с) длительности. Ф. с. сочетает возможности диагностики вещества методами обычной оптич. спектроскопии (в т. ч. лазерной спектроскопии) с использованием сверхкоротких импульсов (СКИ).

Ф. с. является развитием спектроскопии с пикосекунд-ным (10-12-10-9с) разрешением (пикосекундной спектроскопии) и основана на созданных в 70-80-х гг. лазерах, генерирующих импульсы света фемтосекундной длительности. В фемто- и пикосекундной спектроскопии оптич. импульс (или пара импульсов) создаёт неравновесное состояние в исследуемом образце, а затем в разл. моменты времени измеряются спектральные характеристики, несущие информацию о ходе релаксации вещества в первонач. состояние или фотопревращениях в нём.

Получение СКИ пико- и фемтосекундной длительности позволило перейти к изучению динамич. картины быстро-протекающих процессов, имеющих важное значение практически для всех областей знания. К таким процессам относятся релаксация колебат. и электронного возбуждений, внутр. движение молекул, элементарные стадии хим. реакций, релаксация фотовозбуждённых электронов в полупроводниках, первичные стадии преобразования света в фотосинтезирующих и зрительных пигментах и др. [1,2]. Исследования этих временных явлений-активно развивающаяся область науки, имеющая междисциплинарный характер.

Генерация сверхкоротких импульсов. Для генерации СКИ в лазерах используют процесс синхронизации продольных мод резонатора лазера. Для синхронизации мод применяются пассивные и активные методы связывания фаз продольных мод лазера. При одинаковой фазе, навязанной всем продольным модам лазера, синфазное сложение амплитуд электрич. полей приводит к генерации СКИ, длительность к-рых ограничена шириной спектра генерации. В неодимовых лазерах, к-рые обычно используют в Ф. с., достигается генерация СКИ длительностью 10-11 - 10 -12 с при помещении в оптич. резонатор лазера насыщающихся органич. красителей-для пассивной синхронизации мод, а также акустооптич. и эл--оптич. модуляторов света-для активной синхронизации мод. В методе активной синхронизации мод сфазирование отдельных продольных мод осуществляется с помощью помещаемого внутрь резонатора модулятора для управления потерями резонатора внеш. периодич. сигналом с частотой, равной или кратной частотному интервалу между продольными модами резонатора лазера [3].

Для образования импульсов фемтосекундной длительности необходима синфазная генерация большого числа продольных мод лазера, что обеспечивают молекулы органич. красителей с шириной полосы усиления более 3.10-13с-1 и высоким квантовым выходом. Для получения перестраиваемых по частоте импульсов длительностью 10-12 -10-13 с используются лазеры на красителях с синхронной накачкой излучением др. пикосекундного лазера. В этом случае синхронизация мод лазера осуществляется путём модуляции усиления. Если оптич. длина резонатора лазера на красителе совпадает с длиной резонатора лазера накачки, то каждый импульс накачки будет попадать в активную среду одновременно с импульсом лазера на красителе, обошедшим резонатор, и приводить к наибольшему усилению максимума импульса. В результате многократных проходов по резонатору происходит значит. рост максимума, приводящий к уменьшению длительности импульса света, генерируемого лазером на красителе. Использование метода синхронной накачки позволяет получать импульсы в 102-103 раз более короткие, чем длительность импульсов лазера накачки.

Одним из наиб. эффективных лазерных устройств для генерации импульсов короче 100 фс является лазер на красителе со сталкивающимися импульсами [3 ]. В этой схеме применяется столкновение встречных СКИ в нелинейном быстрорелаксирующем поглотителе, к-рый обеспечивает взаимное сжатие импульсов за счёт совместного просветления поглотителя. Длительность импульсов, к-рые могут генерироваться в таком лазере, составляет 20-30 фс, при условии компенсации дисперсии групповой скорости (такая дисперсия определяется наличием в резонаторе зеркал, активной среды и насыщающегося поглотителя и приводит к уширению импульса) путём помещения в резонатор пары призм, к-рая при определённой их установке может давать отрицат. дисперсию.

Метод компрессии. Генерация оптич. импульсов предельно короткой длительности этим методом осуществляется в два этапа [4]. На первой стадии на импульс накладывается т. н. чирп-сдвиг частоты, изменяющийся вдоль временного профиля импульса. Чирп возникает, когда интенсивный оптич. импульс проходит через нелинейную среду показатель преломления к-рой п изменяется под действием электрич. поля Е световой волны вследствие оптич. Керр эффекта:

5054-42.jpg

(n0- показатель преломления среды без учёта нелиней-ности её взаимодействия с излучением, п2 - нелинейна добавка к показателю преломления среды). Под действием поля Е фаза j оптич. импульса света частоты со изменяет-ся, и при прохождении светом расстояния z это изменение.

5054-43.jpg

При быстром возрастании интенсивности импульса на его переднем фронте фаза изменяется во времени. Т. к. фаза связана с частотой, то происходит со временем изменя-ющийся сдвиг частоты, к-рый накладывается на несущую (основную) частоту импульса. Когда интенсивность им-пульса падает, сдвиг частоты направлен в прогивополож-ную сторону. Изменение частоты dw приближённо опреде-ляют выражением

5054-44.jpg

Для реализации чирпа идеально подходят волоконные све-товоды, в них сохраняется профиль пучка, а нелинейность достаточно высока для достижения чирпа без оптич. про-боя материала. При распространении импульса по свето-воду его спектр уширяется на величину, гораздо большую обратной величины его первонач, длительности.

Второй этап компрессии-сжатие импульса, на к-рый наложен чирп. На этой стадии импульс проходит через дисперсионную линию задержки, состоящую из пары установленных параллельно друг другу дифракционных решёток. При этом излучению каждой частоты соответствуют определ. угол дифракции и своя оптическая длина пути - она увеличивается с уменьшением w. Подбором угла падения пучка на решёточную пару можно добиться условий, при к-рых в одном из дифракционных максимумов оптич. задержка переднего фронта импульса (с меньшей частотой) будет больше, чем задержка его заднего фронта (с большей за счёт чирпа частотой); в результате импульс на выходе решёточной пары будет скомпенсирован во времени. С помощью компрессии получены оптич. импульсы короче 10 фс; достигнутая мин. длительность 6 фс (1987) близка к фундам. пределу (2-3 фс), соответствующему одному световому периоду.

Методы измерения длительности импульсов. Для измерения фемтосекундной длительности импульсов используют корреляц. методы, хорошо развитые ранее в радиотехнике. Для измерения автокорреляц. функции G(t) сигнала I(t)его задерживают, в нелинейном устройстве перемножают и далее интегрируют. Широко распространена схема нели-нейно-оптич. коррелятора [1], где в качестве блока задержки применяется призма полного внутр. отражения, устанавливаемая на перемещаемом столе. Перемножение оптич. сигнала происходит в нелинейном кристалле, ориентированном для неколлинеарной генерации второй гармоники (см. Фазовый синхронизм ).При этом интегрирующий сигнал фотоприёмника измеряет автокорреляц. функцию интенсивности второго порядка:

5054-45.jpg

Наиб. распространение в Ф. с. получила дифференциальная адсорбционная спектроскопия, использующая два последовательно поступающих импульса. Первый из них - возбуждающий - инициирует изменения в образце, а второй-зондирующий - применяется для определения изменений, возникающих в спектрах поглощения (см. Активная лазерная спектроскопия).

Для измерения временной зависимости изменений поглощения света образцом время задержки t между импульсами возбуждения и зондирования варьируется. При этом используется возможность точного контроля т по оптич. пути светового импульса, напр. изменение т на 10 фс соответствует варьированию оптич. пути на cт= 3 мкм.

Регистрация спектральных характеристик осуществляется с помощью зондирования изучаемого объекта СКИ с широким спектром. Для получения такого широкополосного импульса - "континуума" со спектром, охватывающим всю видимую часть спектра,- интенсивный фем-тосекундный импульс направляют в струю жидкости. При применении зондирующего импульса предельно короткой (~10-14 с) длительности регистрация спектральных изменений может производиться путём измерения самого импульса, к-рый имеет значит. ширину в соответствии с соотношением неопределённости.

К Ф. с. относится также люминесцентная спектроскопия с временным разрешением, в к-рой измеряются длительность свечения и спектры изучаемого объекта. В методах обычной люминесцентной спектроскопии в качестве детекторов используют скоростные фотоприёмники и электрон-но-оптич. преобразователи, к-рые не обеспечивают фем-тосекундного временного разрешения. В люминесцентной спектроскопии, применяющей методы Ф. с., "временные ворота" для измерения сигнала создаёт непосредственно сам импульс, чем и достигается фемтосекундное временное разрешение. Для образования "временных ворот" возбуждаемая фемтосекундным импульсом люминесценция может направляться на нелинейный кристалл, где она смешивается с фемтосекундным лазерным импульсом. Такая схема обеспечивает временное разрешение порядка длительности импульса, т. е. сигнал на суммарной частоте образуется только во время нахождения этого импульса в кристалле. Временная эволюция свечения на фиксированной длине волны измеряется путём установки нелинейного кристалла под соответствующим углом синхронизма и регистрации сигнала на суммарной частоте при варьировании оптич. задержки направляемого на кристалл лазерного импульса.

Для измерения спектра свечения образца в течение "временных ворот" нелинейный кристалл вращается, при этом условие синхронизма для генерации суммарной частоты выполняется для различных l свечения изучаемого объекта.

Эксперим. схемы, использующие генерацию суммарной частоты, применяются и для получения ИК-спектров поглощения в разл. моменты времени. В этом случае образец возбуждается СКИ, а непрерывное ИК-излучение используется для зондирования. При возбуждении образца изменяются колебат. состояния составляющих его частиц и зондирующее непрерывное ИК-излучение модулируется этими изменениями. Промодулированное ИК-излучение направляется на нелинейный кристалл, где смешивается с лазерным импульсом. Измерение сигнала производится на суммарной частоте, т. е. в видимой части спектра, а измерение времени задержки позволяет регистрировать эволюцию ИК-поглощения.

Принципиально новый метод-т. н. метод "импульсивной" спектроскопии комбинационного рассеяния (ИСКР)-основан на использовании СКИ длительностью 5054-46.jpg фс, т. е. менее одного периода молекулярного колебания, T=2p/W с частотой W. Два возбуждающих импульса с одинаковой частотой w и разл. волновыми векторами, перекрываясь во времени и в пространстве, образуют когерентную стоячую волну колебат. возбуждения в изучаемой среде. Принципиально важно применять такие короткие СКИ, чтобы их спектральная ширина превышала W.При этом становится возможным когерентное рассеяние фотонов на молекулярных колебаниях с частотой W в фотоны более низкой частоты (но находящиеся в пределах спектральной ширины импульса) с образованием в среде когерентной стоячей волны колебат. возбуждения. Третий, зондирующий, СКИ направляется в среду, где происходит его дифракция на стоячей волне колебат. возбуждения, представляющей собой дифракц. решётку. Зависимость интенсивности дифрагированного сигнала от времени задержки между возбуждающими и зондирующим импульсами является источником информации о колебат. возбуждении среды и происходящих движениях молекул. Эксперим. измерения, выполненные с предельно высоким временным разрешением в простых жидкостях, показали возможность регистрации колебат. движений её частиц. В ИСКР интенсивность дифрагированного сигнала определяется функцией

5054-47.jpg

где g-скорость дефазировки стоячей волны колебат. возбуждения. Т. к. в ИСКР используют столь короткие импульсы, что их спектральная ширина превышает частоту молекулярного колебания W, становится возможным когерентное рассеяние фотонов более высокой частоты на молекулярных колебаниях в фотоны более низкой частоты, с образованием в среде когерентной волны колебат. возбуждения.

В методике спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) с временным разрешением применяется двухимпульс-ная схема, в к-рой первый-возбуждающий-импульс создаёт изменения в изучаемом объекте, а второй - зондирующий- используется для измерения спектров КР. Спектроскопия КР-один из наиболее информативных методов оптич. спектроскопии, поэтому применяется для изучения сложных многоатомных молекул, динамики изменения их структуры и хода фотохим. реакций. Т. к. сечение КР даже в резонансном случае мало, в спектроскопии КР с временным разрешением особенно эффективно использование для зондирования методов нелинейной лазерной спектроскопии, в первую очередь методик когерентного антистоксова и стоксова рассеяния света [2].

Литература по

  1. Сверхкороткие световые импульсы, под ред. С. Шапиро, пер. с англ., М., 1981; 2) Спектроскопия с временным разрешением, под ред. Р. Кларка, Р. Хестера, пер. с англ., М., 1990; 3) Херман И., Вильгельми Б., Лазеры сверхкоротких световых импульсов, пер. с нем., М., 1986; 4) Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С., Оптика фемтосекундных лазерных импульсов, М., 1988. В. Ф. Камалов.

    к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

    (время поиска примерно 20 секунд)

    Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

    НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
    Рыцари теории эфира
     13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
    12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
    11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
    11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
    11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
    11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
    11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
    10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
    10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
    10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
    10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
    10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
    Bourabai Research Institution home page

    Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution