ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 39-41
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 535.343.4
ДВУХФОТОННЫЕ И ЧЕТЫРЕХФОТОННЫЕ САТЕЛЛИТЫ В СПЕКТРЕ НАСЫЩЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ © 2015 г. Д. А. Акулинин, И. Р. Крылов*, А. Д. Чубыкин
Санкт-Петербургский государственный университет *Е-таИ: igor-krylov@yandex.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
Экспериментально получены двухфотонные сателлиты в спектре насыщения поглощения молекулы $1Р4, дана интерпретация сателлитов. На основе интерпретации определено расщепление подуровней и сделан вывод о том, что переходы относятся к Р-ветви колебательного перехода молекулы.
Ключевые слова: резонансы насыщения поглощения, сателлиты мультиплетов, супертонкая структура спектра, резонансы Коэн—Таннуджи.
DOI: 10.7868/S0207401X15080026
1. ВВЕДЕНИЕ
Спектроскопия насыщения поглощения — один из основных методов нелинейной лазерной спектроскопии [1]. Лазерная волна проходит кювету с исследуемым газом, отражается зеркалом и проходит кювету во встречном направлении. Приемник света регистрирует зависимость мощности прошедшей волны от частоты лазерного излучения. Если частота света совпадает с центром линии поглощения, встречные волны поглощаются одним и тем же набором молекул с нулевой проекцией скорости и просветляют среду друг для друга. Это и есть резонанс насыщения поглощения.
Каждая линия поглощения формирует свой резонанс. Каждой паре переходов с общим уровнем энергии соответствует перекрестный резонанс [2]. Один из пары переходов, связанных общим уровнем энергии, может быть запрещенным переходом [3]. В этом случае амплитуда перекрестного резонанса близка к среднему геометрическому значению амплитуд резонансов связанных переходов. Кроме того, в спектре насыщения поглощения присутствуют характерные для Л-схемы уровней энергии резонансы Коэн—Таннуджи [4], образующиеся с участием вынужденного рассеяния Ра-мана (Raman).
В данной работе экспериментально исследован спектр насыщения поглощения SiF4 [5] в частотной области генерации С02-лазера низкого давления. В работах нашей группы уже наблюдались двухфотонные [6] и четырехфотонные [7] сателлиты, аналогичные резонансам Коэн—Таннуджи, которые появляются вблизи мультиплетов супертон-
кой [8] структуры спектра насыщения поглощения. В этой работе мы приводим новые экспериментальные результаты и их анализ, который позволяет получить больше спектроскопической информации.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Молекула 81Б4 представляет собой правильный тетраэдр. В состоянии с определенной энергией молекула одновременно вращается вокруг эквивалентных осей симметрии. При этом в состоянии с определенной энергией волновая функция молекулы представляет собой сумму волновых функций вращения вокруг разных эквивалентных осей с разными амплитудами и фазами. Образующаяся при этом структура уровней энергии называется супертонкой структурой [8].
Правилами отбора разрешены переходы только между уровнями супертонкой структуры с одинаковой симметрией. В результате супертонкая структура спектральной линии повторяет супертонкую структуру уровней. Молекулы вида ХУ4 или ХУ6 имеют мультиплеты четырех видов: АЕЕА, ЕЕЕ, АЕЕ, ЕЕ. Здесь А, Е, Е — символы неприводимых представлений, определяющие симметрию соответствующих уровней энергии.
На рисунке представлена экспериментальная кривая с дублетом ЕЕ и его сателлитами, обнаруженными нами в спектре насыщения поглощения горячих полос колебания Vз молекулы 81Б4 в пределах перестройки С02-лазера на линии Р(32) полосы при 9.6 мкм (колебательный переход 0001—0200). Здесь сателлит 2 внутри мультиплета —
40
АКУЛИНИН и др.
ю - кУ7
ю + кУг
10 12 МГц
Дублет РР супертонкой структуры, его сателлиты и механизм формирования сателлита 1.
это перекрестный резонанс между разрешенным и запрещенным переходами с возможной добавкой столкновительного перекрестного резонанса. Сателлиты 1 и 3 снаружи дублета — это двухфо-тонные сателлиты Коэн—Таннуджи.
Частоты встречных световых волн в системе отсчета молекулы отличаются от частоты ю в лабораторной системе отсчета на величину допле-ровского сдвига кУг. На рисунке первая, более сильная волна изображена двойной стрелкой, а встречная, слабая — одинарной. Правая двойная стрелка отображает резонансное поглощение света первой волны с переходом молекулы с подуровня Р2 нижнего уровня на подуровень Р2 верхнего уровня. Этот процесс обедняет подуровень Р2 нижнего уровня энергии. В результате двухфотонные переходы между подуровнями Р1 и Р2 нижнего уровня преимущественно идут в направлении от Р1 к Р2. Этот двухфотонный процесс сопровождается поглощением фотона из сильной волны и излучением фотона в слабую встречную волну. При этом свет как бы отражается от кюветы, не проходя через нее. Это отражение приводит к увеличению света на приемнике и формирует низкочастотный сателлит 1. Аналогично формируется сателлит 3.
Частотное расстояние между сателлитами 1 и 3 несколько меньше удвоенного расстояния между родительскими резонансами. Этому соответствует ситуация, изображенная на рисунке, когда расщепление верхних подуровней имеет противоположный порядок по сравнению с расщеплением нижних подуровней. Обратный порядок подуровней означает, что разность вращательных квантовых чисел верхнего и нижнего уровней энергии
равна нечетному числу, а с учетом правил отбора — это плюс или минус единица. То есть наблюдаемые мультиплеты соответствуют Я- или Р-ветви горячего колебательного перехода, соответствующего колебанию Vз. Тот факт, что расщепление верхних подуровней меньше расщепления нижних, означает, что проекция момента импульса на собственную ось молекулы для верхнего уровня является более хорошим квантовым числом, чем для нижнего уровня. Соответственно, эта проекция (по правилам отбора она имеет одинаковое значение для верхнего и нижнего уровней) ближе к вращательному квантовому числу верхнего уровня, чем к вращательному квантовому числу нижнего уровня. Это означает, что вращательное квантовое число верхнего уровня меньше вращательного квантового числа нижнего уровня, т.е. рассматриваемый дублет относится к Р-ветви горячей колебательной полосы.
Частота лазера ю в лабораторной системе отсчета равна полусумме частот встречных волн. Тогда полусумма длин двойной и одинарной стрелок на рисунке равна частоте сателлита 1:
ю, =
_ ю^ + (юр2 -8ю) _ 2
_ЮК - -
5ю
где — частота перехода между уровнями Р2 или компонента Р2 дублета РР, 8ю — частота расщепления нижнего уровня энергии. На рисунке, для определенности, ю^ > ю^2. Из этого выражения видно, что сателлиты 1 и 3 отстоят от родительских резонансов на 8ю/2 — половину расщепления нижних уровней энергии. Соответственно, сателлиты 1 и 3 отстоят от родительских резонансов Р2 и Р1 чуть
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
ДВУХФОТОННЫЕ И ЧЕТЫРЕХФОТОННЫЕ САТЕЛЛИТЫ
41
меньше, чем на половину разности частот родительских резонансов, и это "чуть" составляет половину частотного расщепления верхнего уровня. Аналогичный анализ для четырехфотонного сателлита показывает, что ожидаемое частотное расстояние от сателлита до ближайшего родительского резонанса есть 8ю/4.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе экспериментально получены сателлиты мультиплета в спектре насыщения поглощения молекулы 81Б4. Предложена интерпретация сателлитов как резонансов, образующихся с участием двухфотонных переходов, аналогично резонансам Коэн—Таннуджи. На основе интерпретации определено энергетическое расщепление верхних подуровней и расщепление нижних подуровней супертонкой структуры спектрального перехода. Сделан вывод о том, что рассматриваемый переход относится к Р-ветви спектра колебательного перехода молекулы.
Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 14-12-00094).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Летохов В.С., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М.: Наука, 1990.
2. Schlossberg H.R., Javan A. // Phys. Rev. Lett. 1966. V. 17. P. 1242.
3. Chardonnet C, Borde C.J. // Europhys. Lett. 1989. V. 9. № 6. P. 527.
4. Himbert M., Reynaud S., Dupont-Roc J., Cohen-Tan-noudji C. // Optic. Comm. 1979. V. 30. № 2. P. 184.
5. Иванов Э.И., Имхесин Х.Х., Крылов И.Р., Пазгалев А.С. // Оптика и спектроскопия. 1991. Т. 71. Вып. 5. С. 754.
6. Иванов Э.И., Крылов И.Р. // Там же. 2000. Т. 88. № 4. С. 568.
7. Крылов И.Р. // Там же. 2009. Т. 106. № 2. С. 222.
8. Harter W.G, Layer H.P., Petersen F.R. // Optic. Lett. 1979. V. 4. № 3. P. 90.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.