CC BY
27
УДК 535.36
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В ВОДЕ В ОБЛАСТИ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В. А. Бабснко, A.A. Сычев
Изучен частотно-угловой спектр нелинейно г о рассеяния света в воде в диапазоне второй оптической гармоники излучения пикосекундного Nd3+YAG лазера. Показано, что это рассеяние происходит по механизму четырех-фотонного вза/ильодействия, волн. В результате статистической обработки спектров четырехфотонного рассеяния, в режиме коллинеарного взаимодействия в ыиос выявлена структура, сопоставляемая, с частотой инфракрасного излучения, обусловленного колебаниями кластерных комплексов молекул, воды.
Ключевые слова: молекулярные комплексы, нелинейное рассеяние света, либрацион-ньте колебания молекул, вода.
Аномальные свойства воды в значительной степени связаны со способностью молекул воды образовывать молекулярные комплексы, главным образом, за счет водородной связи между молекулами. Наличие такой связи приводит к возникновению в спектрах поглощения воды либрационной полосы ИК поглощения {у < 1000 см 1), обусловленной трансляцией и колебаниями молекулярных групп друг относительно друга.
На рис. 1 приведена часть спектра поглощения воды (по данным работы [1]). а именно, спектр либрационньтх полос ИК поглощения воды (так называемая низкочастотная минорная L1 полоса и высокочастотная мажорная L2 полоса) в зависимости от частоты {у = 1/А), выраженной в обратных сантиметрах. Из него следует, что полученный традиционным методом спектр ИК поглощения воды не отчетливо выявляет структуру дипольно-активньтх колебаний молекулярных кластеров (комплексов). Вместе с тем. создав условия принудительной раскачки таких межмолекулярных колебаний посредством когерентного возбуждения, можно ожидать возникновения в среде когерентного инфракрасного излучения. Такую возможность выявить структуру этих
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
Рис. 1: Инфракрасный спектр поглощения воды при 25° С.
дипольно-активных либрационных колебаний, как было показано в наших работах [2, 3], предоставляет методика исследования нелинейного рассеяния в области второй оптической гармоники лазерного излучения. Одним из возможных процессов, приводящих к излучению в этой области, может быть процесс четырехфотонного параметрического рассеяния [4] по типу взаимодействия волновых векторов 2К0 = К8 + Ке, (2щ = у8 + как показано на рис. 2.
Рис. 2: Векторная диаграмма взаимодействия волн по типу 2К0 = К8 + Ке в режиме фазового синхронизма.
Целью настоящей работы было установление и исследование данного типа рассеяния в воде. Такое взаимодействие в среде, обладающей нелинейностью третьего порядка, описывается спектральной компонентой нелинейной поляризации при наличии лазерного излучения на частоте у0 и когерентного инфракрасного излучения на частоте уе
р(V) = Х(3)(V, V, Щ, Уе)Е2 V)Е(V), где и8 и уе - частоты сигнальной и "холостой" волн > ие и уе < и0). При этом в ряде
случаев когерентное инфракрасное излучение ("холостая" волна) может возникать в результате установления процесса вынужденного комбинационного рассеяния на ВКР активных колебаниях молекул среды [5].
Схема регистрации излучения четырехфотонного параметрического рассеяния показана на рис. 3.
Рис. 3: Схема экспериментальной установки. 1 - пикосекундный Nd3+YAG лазер, 2 - электр о оптический затвор на кристалле БКБР, 3 - оптический усилитель УКИ К - кювета с водой, СП - спектрограф, (Л1 , Л2 ) - линзы, (Ф\, Ф2) - фильтры.
В качестве лазерного источника излучения использовался ^3+УАС лазер с пассивной синхронизацией мод (1), работающий в режиме разгрузки потерь резонатора, описанном в нашей работе [6]. Длительность импульсов излучения лазера контролировалась с помощью скоростного фоторегистратора (на схеме не показан) с временным разрешением 6 пикосекунд. Одиночный ультракороткий световой импульс (УКИ) излучения этого лазера длительностью 20 пикосекунд с длиной волны Л = 1.064 мкм с помощью электрооптического затвора (2) выделялся из цуга импульсов и усиливался в усилителе (3) до энергии < 10 мДж. Далее излучение лазерного импульса выделялось фильтром Ф1 и направлялось на линзу Л1 с фокусным расстоянием Г = 10 см. Исследуемая картриджная вода помещалась в кювету К длиной 20 мм. Излучение, возникающее в воде, затем с помощью линзы Л2 направлялось на входную щель спектрографа СП со спектральным разрешением 7 см-1. При этом излучение самого лазерного импульса (Л = 1.064 мкм) отсекалось фильтром который пропускал только излучение в спектральном диапазоне 400-900 им.
Таким образом, спектрограф мог регистрировать излучение, соответствующее параметрическому взаимодействию типа 2К0 = К+Ке, в области второй оптической гармоники лазерного излучения. Параметрический характер такого излучения, выходящего из воды, можно было установить по анализу его углового характера в зависимости от частоты. Исходя из диаграммы этого взаимодействия (рис. 2) видно, что для реализации фазированного углового параметрического взаимодействия необходимо обеспечить достаточно большой поперечный размер пучка накачки. Этого легко достичь, снимая
данный тип рассеяния в расходящемся пучке. Для этого линза Л1 устанавливалась так, чтобы фокальная перетяжка пучка находилась за пределами входной стенки кюветы, а внутри кюветы пучок оказывался слабо расходящимся. При этом линза Л2 устанавливалась так, чтобы входная щель спектрографа находилась в ее фокусе. Это позволило снять спектрально-угловую зависимость нелинейного рассеяния в воде в области второй оптической гармоники лазерного излучения. Приведенная картина на рис. 4 иллюстрирует эту спектрально-угловую зависимость взаимодействия типа 2К0 = К8 + Ке.
Рис. 4: Частотно-угловой спектр четырехфотонного параметрического рассеяния лазерного излучения (X = 1064 им) в воде, снятого в области его второй оптической гармоники (X = 532 нм) (широкий пучок). Внизу по горизонтальной оси приведено значение частотной расстройки рассеянного излучения с частотой у8 относительно частоты второй гармоники лазерного излучения 2^0; (уе = 2у0 — у8).
Отчетливо видно, что с ростом угла нелинейного рассеяния в частота сигнальной волны монотонно увеличивается, что согласуется с диаграммой взаимодействия, показанной на рис. 2 и, тем самым, свидетельствует о параметрическом характере такого нелинейного рассеяния. Такая частотно-угловая зависимость наблюдалась как в стоксовой области < 2и0) относительно частоты второй оптической гармоники при малой интенсивности лазерного излучения с частотой у0, так и в антистоксовой области (и8 > 2и0) при большой интенсивности волны накачки. Анализ экспериментальных результатов свидетельствовал о том, что уширение лазерного пучка создавало благо-
Рис. 5: Частотно-угловой спектр четырехфотонного параметрического рассеяния в области второй оптической гармоники (X = 532 им), зарегистрированный в отдельной вспышке. Данный спектр соответствует случаю коллинеарного взаимодействия волн (узкий пучок).
приятные условия для реализации углового синхронизма. Кроме этого, реализации углового синхронизма с подобной частотно-угловой зависимостью способствовал фактор нормальной дисперсии (ди/ди8) > 0, присущей большинству веществ в видимой области и, в частности, воде, а также обратной зависимости (ди/дие) < 0, для воды в области частот инфракрасной "холостой" волны {уе < 800 с м-1).
Вместе с тем, наличие углового синхронизма, как следует из рис. 4, предопределяет довольно сложную зависимость угла 9 параметрически рассеянного излучения от волновых векторов сигнальной и холостой волн, которая следует из условия одновременного выполнения закона сохранения энергии и импульса при рассматриваемом параметрическом процессе (2^0 = у8 + Уе\ 2К0 = К8 + Ке). При малых 9 она имеет следующий вид:
92 = (Ке + Ка - 2Ко)(Ке - к + 2Ко)/2КоК8.
Спектрально-угловая картина, показанная на рис. 4, демонстрирует частотно-угловую зависимость рассеянного излучения, полученного в результате увеличения поперечного сечения пучка и высокой интенсивности накачки.
Напротив, при уменьшении сечения пучка накачки, когда фокальная перетяжка
Рис. 6: Частотная зависимость фазовой расстройки ДК = 2К0 — (К8 + Ке) коллинеар-ного четырехфотонного параметрического взаимодействия волн типа 2К0 = К8 + Ке в воде (по данным работы [1])7 (уе = 2у0 — и8).
пучка перемещалась в центр кюветы, а также при работе в пороговых условиях, характерные "дуги" в спектрально-угловой картине излучения исчезали. Это продемонстрировано на рис. 5, на котором показан частотно-угловой спектр излучения нелинейного рассеяния в области второй оптической гармоники лазерного излучения, полученный в отдельной вспышке. Уменьшение расходимости четырехфотонного параметрического рассеяния указывало на то, что в области узкой фокальной перетяжки пучка, по-видимому, реализовывался режим коллинеарного взаимодействия волн. В этом случае угловой синхронизм не реализовывался в силу узости лазерного пучка и процесс четырехфотонного параметрического рассеяния осуществлялся по схеме коллинеарного взаимодействия, при котором все участвующие в процессе волны имели одинаково направленные волновые вектора. На этом рисунке стрелками показаны также максимумы в структуре спектра рассеяния для данной реализации.
На рис. 6 приведена частотная зависимость фазовой расстройки четырехфотонного параметрического рассеяния в режиме коллинеарного взаимодействия в воде по типу 2К0 = К8 + Ке. Из нее следует, что в приведенном спектральном диапазоне либра-ционных колебаний молекул воды (0 < уе < 800 с м-1) точный коллинеарный фазовый синхронизм отсутствует, и реализация четырехфотонного параметрического взаимодей-
Рис. 7: Зарегистрированная гистограмма числа реализаций N частот и8 максимумов структуры спектров нелинейного рассеяния сигнальной волны относительно частоты второй оптической гармоники 2у0 (X = 532 им) лазерного излучения (в масштабе частот уе = 2и0 — и8). Интервал выборки частот и статистического усреднения составлял Ау = 20 см-1.
ствия была возможна только за счет большого коэффициента усиления параметрического рассеяния.
На рис. 7 приведена гистограмма частот максимумов структуры спектров нелинейного рассеяния при коллинеарном взаимодействии в масштабе частот ие = 2щ — обработанной по большому числу вспышек.
Регистрация спектров производилась по вспышкам с энергией возбуждения четы-рехфотонного рассеяния, незначительно превышающей порогового значения. Фактически это распределение отражает вероятность возникновения когерентного инфракрасного излучения, возникающего при четырехфотонном параметрическом рассеянии с частотой соответствующей либрационной полосе колебаний молекулярных комплексов воды. Отчетливо видна структура в этом распределении. На рис. 7 стрелками обозначены частоты максимумов спектра нелинейного рассеяния для одной из реали-
заций, показанной на рис. 5. Особенно выделенными оказываются, частоты в области ие ~ 200 см-1, соответствующих "растягивающим" колебаниям по линии водородной связи молекулярных комплексов воды [7, 8]. Результат статистической обработки показал также, что помимо указанных колебаний обнаруживаются характерные частоты колебаний в низкочастотной области либрационной полосы с частотами (50 см-1, 310 см-1, 420 см-1, 500 с м-1, 620 см-1 и т.д.).
Работа выполнена в рамках программы ОФН РАН "Фундаментальная оптическая спектроскопия и её приложения".
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. М. Золотарев. В. А. Демин. Оптика и спектроскопия 43(2). 271 (1977).
[2] В. А. Бабенко. А. А. Сычев. Квантовая электроника 39(10). 938 (2009).
[3] В. А. Бабенко. А. А. Сычев. Квантовая электроника 42(9), 839 (2012).
[4] A. Penzkofer, A. Laubereau, W. Kaiser. Physical Review Letters 31(14). 863 (1973).
[5] V. S. Gorelik. A. D. Ivudryavtseva and X. V. Tcherniega. Journal of Russian Laser Research 27, 81 (2006).
[6] V. A. Babenko, A. A. Sychev. Journal of Russian Laser Research 20. 478 (1999).
[7] G. E. Walrafen, Journal of Chemical Physics 40(11), 3249 (1964).
[8] G. E. Walrafen, Journal of Chemical Physics 47(1), 114 (1967).
Поступила в редакцию 24 апреля 2014 г.
