Сигналы затухания свободной поляризации в газе 13ch3f Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 150, кн. 2 Физико-математические пауки 2008

УДК 535.2^535.416.5

СИГНАЛЫ ЗАТУХАНИЯ СВОБОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ГАЗЕ 13СНзР

Д. В. Дедовских, Н.Н. Рубцова, Е.Б. Хворостов

Аннотация

Исследованы сигналы затухания свободной поляризации па фоне нестационарных оптических нутаций, сформированные в газе 13 СН з Р методом штарковского переключения уровней. Поляризация излучения СО 2 -лазера на линии 9Р(32) параллельна штарковско-му полю. Из-за линейного эффекта Штарка на переходе 0-1 и3 11(4,3) 13 СН 3 Р возникает эквидистантный спектр расщепления, и наблюдаются биения сигналов затухания свободной поляризации, соответствующих переходам с разными магнитными числами (Ы = -4,..., 0,.. . , 4). Сигналы имеют вид пиков, период появления которых обратно пропорционален напряженности штарковского поля. Из этой зависимости получена

13 3

колебателыго-возбуждеппом состояниях.

Ключевые слова: затухание свободной поляризации, нестационарная оптическая путация, биения, штарковское переключение, когерентные переходные процессы.

Введение

В газах низкого давления оптически разрешенные спектральные переходы имеют доплеровское уширеиие. Однородное уширение линии обычно значительно меньше характерной доплеровской ширины. В частности, для использованного в нашей работе колебательно-вращательного перехода однородное уширение составляет 30 кГц/мТор. что при использованном в данном эксперименте давлении газа (1 мТор) дает величину 0.03 МГц: оценка доплеровской ширины дает величину 39 МГц. Таким образом, однородная ширина линии в 1000 раз меньше неоднородного уширения.

Доплеровское уширение препятствует получению информации о тонкой и сверхтонкой структуре переходов в разреженных газах. К настоящему времени известен ряд методов бездоплеровской спектроскопии [1. 2]. Например, лазерная спектроскопия насыщенного поглощения позволяет работать внутри доплеровского контура. Недостатком этого метода является присущее ему полевое уширение резонансов насыщенного поглощения. Поэтому эксперименты приходится проводить в условиях слабого насыщения, что приводит к резкому падению регистрируемого сигнала. Альтернативой спектроскопии насыщенного поглощения может служить когерентная спектроскопия, использующая когерентные переходные процессы (КПП) типа фотонного эха (ФЭ) [1. 2].

Одним из КПП является процесс затухания свободной поляризации (ЗСП). Процесс представляет собой спонтанное излучение. Для его надежной регистрации нужно возбудить среду коротким импульсом резонансного излучения. Если спектральная линия уширена однородно, то наблюдение ЗСП не представляет труда. ЗСП происходит на частоте перехода с характерным временем, определяемым однородной шириной спектральной ЛИППИ.

Такого сорта эксперименты известны в микроволновой области спектра, где доплеровское уширение мало. В оптической области спектра спектральная линия разреженного газа уширена неоднородно за счет эффекта Доплера. Если спектр возбуждающего импульса широк, шире доплеровского контура, то сигналы ЗСП от разных частей доплеровского контура с разными несущими частотами типа ^0 + ку погашают друг друга. В этом случае время затухания сигнала определяется шириной доплеровского контура. Если спектр импульса имеет спектральную ширину Д^еХ, то возбуждается лишь часть доплеровского контура и характерное время затухания сигнала определится шириной Д^ех.

В данной работе использован метод штарковского переключения уровней, предложенный впервые в работе [3]. Эта техника позволяет автоматически осуществлять гетеродинный прием слабых сигналов КПП (ЗСП. ФЭ), поскольку па приемник попадают излучения непрерывного лазера и смещенные по частоте (штар-ковским полем) сигналы КПП. Этот метод особенно выигрышен для полярных молекул с большим эффектом Штарка.

1. Природа сигналов затухания свободной поляризации

Молекулы газа 13СНзГ возбуждаются резонансным непрерывным излучением СО 2-лазера. В таком состоянии на газ воздействует импульс штарковского поля, параллельного электрической компоненте лазерного излучения. В результате воздействия штарковского поля вырожденные энергетические уровни колебательновращательного перехода 0-1 11(4,3) моды V3 расщепляются на эквидистантно расположенные магнитные подуровни с М = -4, -3,..., 3, 4. Таким образом, линейный эффект Штарка уводит из резонанса молекулы, которые до включения штарковского поля были в резонансе с излучением СО 2 -лазера, и вводит в резонанс другие молекулы. Молекулы первой группы, выйдя из резонанса, излучают на 9 несущих частотах, расположенных эквидистантно по спектру. Нестационарная интерференция этих частот приводит к биениям, которые наблюдаются в наших экспериментах в виде пиков ЗСП со знаком, соответствующим излучению газа. Молекулы второй группы испытывают нестационарную оптическую нутацию [4], в наших экспериментах это длинный пологий импульс, знак которого соответствует увеличению поглощения.

13СНзГ - полярная молекула, симметричный волчок. Дипольный момент в основном состоянии равен 1.85793 Б, в возбужденном составляет 1.90388 Б. Задействованные в эксперименте энергетические уровни молекулы вырождены по магнитному квантовому числу, степень вырождения равна 2.ІІ + 1.

Из-за разных дипольных моментов штарковское поле смещает уровни основного н возбужденного состояний на разные величины [5]:

ЛИ': = -сЦЕві- МКі

+ 1)

где М - магнитное квантовое число; Кг квантовые числа вращательного перехода соответствующего состояния; ^ — дипольный момент; - напряженность

штарковского поля.

В нашем случае поляризация возбуждающего излучения параллельна штарков-скому полю (ДМ = 0), и эффект Штарка в этой молекуле - линейный. Поэтому излучение расщепленных переходов имеет эквидистантный спектр из 9 полос. Таким образом, штарковское поле изменяет частоту перехода резонансных с излучением лазера молекул на величину Д ^м, различную для каждого магнитного

Рис. 1. Доплеровский контур. Группы излучающих и резонансных молекул в штарковском поле

Т (мкс)

Рис. 2. Сигнал ЗСП при штарковском поле 111 В/см

подуровня (M = -4, -3,..., 3, 4):

1 , d0K dl K ч, ^

= h Jo(Jo +1) ~ MJi +1)} st’

где Jo, Ko, Jl, Kl - квантовые числа вращательного перехода основного и возбужденного состояний; do, dl - дипольные моменты основного и возбужденного состояний.

Эти молекулы выходят из резонанса (рис. 1) и излучают новые частоты переходов им = и0 + А им ? интерференция которых и есть биения в сигнале ЗСП (пики в сигнале ЗСП) (рис. 2).

Другая часть молекул с определенными скоростями относительно луча лазера после включения штарковского поля входит в резонанс с излучением лазера (рис. 1). Это наблюдается как нестационарная оптическая нутация - длинный пологий импульс, знак которого соответствует увеличению поглощения (рис. 2).

В нашем эксперименте были также получены биения ЗСП после выключения штарковского поля. Этот процесс аналогичен первому. Молекулы, испускавшие сигналы ЗСП после включения штарковского импульса (рис. 1), после ступенчатого выключения штарковского поля возвращаются в резонанс с лазером и участвуют в образовании нестационарной оптической нутации (рис. 2). Молекулы, находившиеся в резонансе во время действия штарковского поля (рис. 1 и 3, а), выходят из

а)

б)

Ел

Г

Рис. 3. Доилеровский контур. Группы резонансных молекул с разными скоростями и М = -4,..., 4: а) в штарковском поле; б) при его выключении

него и излучают спектр эквидистантно расположенных частот (рис. 3, б), которые образуют биения (рис. 2), как было описано выше.

2. Оценка сигнала затухания свободной поляризации

Приближенную оценку сигнала ЗСП можно выполнить, рассматривая поле лазерного излучения и поле сигнала ЗСП:

Ел = Ео сов^ог), ЕЗСп = Я сов[(^о + SMEst)г],

ЕЬ = (Ел + Езсп)2 = Ел + Езсп + 2ЕлЕзсп г), (1)

где Ед - лазерное поле; Езсп _ поле сигнала ЗСП; Е^ - напряженность штарков-ского поля; Е0 - амплитуда п оля; и0 - частота пере хода; М - магнитное квантовое число;

1 / К_____________(кК_

V^+ 1) Jl^1 + !)/

Мы считаем, что ^ одинаково для всех М (это справедливо с точностью 10% по мощности сигнала).

Для полного поля на детекторе (сумма всех излучающих расщепленных переходов) имеем [5]:

1 +4 +4

Е2 = - ^2 ^0Сім (і) ехр (—іАимі) + с.с. = ^2 ЕоСім(ї) сое Аоомі

М=-4

М=-4

где Д^м ^ штарковское смещение подуровня с магнитным квантовым числом М.

Если предположить, что мощности всех излучателей равны, то получаем [5].

что

Е2 = ЕоЯ ]Г со8(6МЕв^.) = ЕоЯ8т^в^ •

М=-4 вт($Ев^/2)

Спектральное распределение излучаемых частот зависит от магнитного квантового числа и напряженности штарковского поля, поэтому частота биений изменяется штарковским напряжением [о]:

^М = ^0 + Д^м,

П\1о(7о + 1) ЗД + Ш

Функция (1) представляет собой регулярные пики с шириной ДТ и периодом Т.

Как период, так и ширина пиков обратно пропорциональны напряженности штарковского поля Е^. Период и ширина пиков ЗСП определяются выражениями:

Т = 2п/6Е^,

ДТ = 2п/9£Е^.

3. Эксперимент

Газ 13СНзГ, находящийся в ячейке (длина ячейки равна 20 см) со штарков-скими электродами (расстояние между электродами равно 3 см), под давлением 1 мТорр облучался непрерывным излучением СО 2-лазера, настроенным на центр линии (интенсивность излучения составляет 0.035 Вт/см2, диаметр луча равен 3 см). Под действием излучения возбуждался вращательный переход Щ4,3) колебательной полосы 0-1 моды Vз, и происходила поляризация среды.

Табл. 1

Оценка величины S

Теория Эксперимент

5 = 0.15d0 - O.ldi d0 = 1.85794В di = 1.90388В S = 2тт/EstT

(5 = 8.8303 • 10 - 2D 6= (7.27 ±0.8) • 10-2D

Так как эксперимент проводился при комнатной температуре, полуширина до-плеровского контура составляла 39 МГц, поэтому с излучением взаимодействовала только часть молекул. Естественная ширина линии при таких условиях равна 30 кГц. Ступенчатое включение штарковского поля, параллельного поляризации излучения СО 2-лазера, приводило к сигналу ЗСП, который регистрировался гетеродинным приемом с излучением лазера.

Эксперимент повторялся для разных напряженностей штарковского поля (от 38 до 144 В/см). В качестве примера на рис. 4 представлен сигнал ЗСП при штар-ковском поле 111 В/см.

Оценка сигнала ЗСП показывает, что регистрация сигналов как функции Est (рис. 4) позволяет определить значение величины 6, являющейся взвешенной разностью дипольных моментов: 6 = 0.15do — 0.1di (см. табл. 1).

■ экспериментальные данные . ■ — теоретически данные

Est (В/см)

Рис. 4. Зависимость частоты импульсов ЗСП от напряженности штарковского поля (эксперимент и теория

Заключение

Сигналы ЗСП получены методом ступенчатого штарковского переключения уровней на переходе R(4,3) 0-1 моды V3 молекулы 13СНзЕ в присутствии непрерывного излучения СО 2-лазера на линии 9Р(32) мощностью менее 1 Вт и линейной поляризацией, параллельной штарковскому полю. В ЗСП наблюдалась интерференция сигналов, образованных парами переходов, отличающихся магнитным квантовым числом, в соответствии с теоретическими оценками для системы независимых двухуровневых систем. Изучена зависимость частоты биений сигналов ЗСП от напряженности штарковского поля. Частота появления интерференционных пиков ЗСП линейно зависит от напряжения штарковского поля и позволяет оценить величину взвешенной разности дипольных моментов: 0.15d0 — 0.1d1 = 0.07 D, что согласуется с литературными данными.

Summary

D.V. Ledovskikh, N.N. Rubtsova, E.B. Khvorostov. Signals of Free Polarization Decay in Gas 13 CH3 F.

Signals of free polarization decay on a background of transient nutations generated

13 3

9P(32) CO 2-laser radiation is parallel to a Stark field. Equidistant spectrum arises because of the linear Stark effect on 0-1 V3 R(4,3) 13CH3F transition, and the beats of free polarization decay signals corresponding to the transitions with different magnetic numbers (M = -4,..., 0,..., 4) are observed. These signals look like peaks with a period inversely proportional to the intensity of a Stark field. From this dependence the estimate is made for 13 3

excited states.

Key words: free polarization decay, transient nutations, beating, Stark switching, coherent transients.

Литература

1. Jlemoxoe B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. - М.: Наука, 1975. - 250 с.

2. Летохов B.C., 4e.6ojn.aeo В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого

разрешения. М.: Наука, Физматлит. 1990. 520 с.

3. Brewer R.G., Shoemaker R.L. Photon echo and optical induction in molecules // Pliys. Rev. Lett. 1971. V. 27. P. 631 634.

4. Аллеи Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. М.: Мир.

1978. 224 с.

5. Foster K.L., Stenholm S., Brewer R.G. Interference pulses in optical free induction decay // Phys. Rev. A. 1974. V. 10, No 6. P. 2318 2324.

Поступила в редакцию 19.02.08

Дедовских Дмитрий Васильевич аспирант, инженер Института физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск.

E-mail: D.LeilovskihMmail.ru

Рубцова Наталия Николаевна доктор физико-математических паук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Института физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск.

E-mail: rubtsovaQisp. nse. ru

Хворостов Евгений Борисович кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск. E-mail: еиуепуQisp.nse.ru