Когерентные переходные процессы на колебательно-вращательном переходе молекулы 13CH3F тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Ледовских, Дмитрий Васильевич

• Ледовских, Дмитрий Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Когерентные переходные процессы на колебательно-вращательном переходе молекулы 13CH3F»

Когерентные переходные процессы в газе в оптической области спектра.5

Актуальность темы.7

Достоинства оптической эхо-спектроскопии.8 фундаментальное значение.10

Прикладное значение.11

Методы формирования когерентных переходных процессов.15

Метод амплитудной модуляции излучения.15

Метод импульсной модуляции частоты лазера.17

Метод импульсной модуляции фазы излучения.17

Метод импульсной модуляции поляризации излучения.17

Метод импульсного переключения уровней вегцества.18

Цель диссертации.19

Задачи диссертации.19

Основные положения, выносимые на защиту.21

Заключение диссертации по теме «Оптика», Ледовских, Дмитрий Васильевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Для сигналов затухания свободной поляризации в виде интерференционных пиков излучений, соответствующих разным магнитным переходам, период и ширина биений обратно пропорциональны напряженности электрического поля. Из зависимости частоты биений от напряженности электрического поля оценена взвешенная разность дипольных моментов 5 = 0,15-<1о-0,1'с11 = (7,27 ± 0,8)-10 "Д. С увеличением интенсивности возбуждающего излучения (от 0,2 до 2,34 Вт/см2) уменьшается число наблюдаемых интерференционных пиков затухания свободной поляризации, при этом нарастают сигналы оптических нутаций.

2. Амплитуда фотонного эха неэкспоненциально зависит от задержек между импульсами электрического поля. В области малых задержек (0,6 -1,33 мкс) между импульсами электрического поля затухание эха определяется неупругими столкновениями. Это позволило измерить однородное уширение линии Г/р = 14,5 ± 3 МГц/Торр. В области больших задержек (более 1,33 мкс) между импульсами электрического поля дополнительный вклад в затухание эха дают упругие столкновения с изменением скорости.

Затухание сигнала стимулированного фотонного эха при увеличении задержки между вторым и третьим электрическими импульсами происходит существенно медленнее, чем затухание фотонного эха в области больших задержек (1,33 — 1,8 мкс). Это свидетельствует о нечувствительности стимулированного фотонного эха к упругим столкновениям.

3. Метод задержанных оптических нутаций оказался более выигрышным с точки зрения отношения сигнал/шум для исследования релаксационных процессов, сформированных на вращательном переходе R(4,3) колебательной полосы 0-1 моды v3 газа 13CH3F.

Предложена формула (49) для обработки зависимости сигналов задержанных оптических нутаций от длительности импульсов электрического поля. По этой формуле вычислены величины Г/р = 16,9 ± 3,2 МГц/Topp и rslüW/p = 1,1 ± 0,1 МГц/Topp. Значение Г/р = 16,9 ± 3,2 МГц/Topp согласуется с однородным уширением Г/р = 18,3 ± 0,6 МГц/Торр, найденным в работе [55].

Экспериментально установлено, что при использовании метода задержанных оптических нутации измеренные скорости релаксации Г/р совпадают в пределах погрешности измерений для интенсивностей от 0,12 до 1,11 Вт/см** и в диапазоне напряжённостей электрического поля от 33 до 200 В/см.

Методом задержанных оптических нутаций измерены скорости столкновительной релаксации в смесях 13CH3F с буферными газами: Не, Ne, Kr N2, С02. Скорость релаксации в чистом полярном газе существенно выше всех скоростей релаксации с атомарными и молекулярными буферами.

Апробация работы

Публикации:

1. Д.В. Ледовских, Н.Н. Рубцова, Е.Б. Хворостов. Биения в сигнале затухания свободной поляризации // XI международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», сборник статей, выпуск 11, Казань. 2007. С. 200-206.

2. V.G. Gol'dort, D.V. Ledovskikh, Е.В. Khvorostov, and N.N. Rubtsova. Beating in free polarization decay//Laser Phys. Lett. 2008. V. 5, № 3. P. 197-201.

3. Д.В. Ледовских, H.H. Рубцова, Е.Б. Хворостов. Биения в сигнале затухания свободной поляризации // Ученые записки казанского государственного университета, серия физико-математические науки, Казань. 2008. Т. 150, кн. 2. С. 166-172.

4. Н.Н. Рубцова, Д.В. Ледовских, Е.Б. Хворостов, В.Г. Гольдорт. Задержанные оптические нутации в газе I3CH3F и его смесях с атомарными буферами // Х1П международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», сборник статей, выпуск. 13, Казань. 2009. С. 183-185.

5. N.N.Rubtsova, V.G.Gordort, V.N.Ishchenko, S.A.Kochubei, Е.В .Khvorostov, D.V.Ledovskikh, and I.V.Yevseyev. Velocity effects in atomic and molecular collisions: study by coherent transients // Laser Physics. 2010. V. 20, № 3, P. 568-572.

6. H.H. Рубцова, И.В. Евсеев, В.А. Решетов, В.Г. Гольдорт, В.Н. Ищенко, С.А. Кочубей, Д.В. Дедовских, Е.Б. Хворостов. Влияние скорости поступательного движения активных частиц на свойства фотонного эхо // Известия РАН, сер. физ. 2010. Т. 74. С. 966-969.

1 i

7. N.N. Rubtsova, D.V. Ledovskikh, V.A. Reshetov. Collision relaxation in CH3F with buffers // Laser Physics Letters. 2010. V. 7, № 10, P. 734-738.

Результаты по теме диссертационной работы докладывались на следующих школах и симпозиумах:

1. XI международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», 25-27 октября 2007, Казань, Россия.

2. ХШ международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», 26 - 28 октября 2009 г., Казань, Россия.

3. IX международный симпозиум по фотонному эху и когерентной спектроскопии (ФЭКС'2009), 26-31 октября 2009 г., Казань, Россия.

Благодарности

Автор диссертационной работы выражает признательность сотрудникам лаб. № 31 ИФП СО РАН: д.ф.-м.н. зав.лаб. № 31 Наталии Николаевне Рубцовой за постановку и помощь в решении задач; к.т.н. в.н.с. Вениамину Гершевичу Гольдорту за изготовление источников электрических импульсов; к.ф.-м.н. с.н.с. Евгению Борисовичу Хворостову за помощь на начальном этапе обработки данных. Автор признателен студентке 5 курса НГУ Елене Сергеевне Остапенко за участие в экспериментах по насыщенному поглощению.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ледовских, Дмитрий Васильевич, 2011 год

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

2. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. Москва: Наука, физматлит, 1990. 520 с.

3. Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шалагин A.M. Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул. Новосибирск: Наука, 1979. 420 с.

4. Евсеев И.В., Рубцова H.H., Самарцев В.В. Когерентные переходные процессы в оптике. Москва: Физматлит, 2009. 524 с.

5. Елютин С.О., Захаров С.М., Маныкин Э.А. Теория формирования импульса фотонного (светового) эха // ЖЭТФ. 1979. - Т. 76, № 3. - С. 835-845.

6. Евсеев И.В., Решетов В.А. Исследование влияния формы возбуждающих импульсов на поляризационные свойства фотонного эха // Оптика и спктроскопия. 1982. - Т. 53, № 5. - С. 796-799.

7. Зуйков В.А., Самарцев В.В., Усманов Р.Г. Корреляция формы сигналов светового эха с формой возбуждающих импульсов // Письма в ЖЭТФ. -1980. -Т.32, № 4. С. 293-297.

8. Рубцова H.H. Исследование релаксации населенностей и диполъного момента при столкновениях молекул методами стационарной и нестационарной спектроскопии. Дисс. на соиск. степ. канд. физ. мат. наук. -Новосибирск, 1983. 148 с.

9. Василенко Л.С., Рубцова Н.Н. Фома сигналов фотонного эха в газе // Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 59, вып. 1. - С. 52-56.

10. Carlson M.W., Babbitt W.R., Mossberg T.W. Storage and phase conjugation of light pulses using stimulated photon echoes // Optics Letters. 1983. - Vol. 8. - P. 623-625.

11. Евсеев И.В., Решетов B.A. Четырехуровневое стимулированное фотонное эхо // Оптика и спектроскопия. 1986. - Т. 61, № 5. - С. 1053-1057.

12. Fembach S., Proctor W. G. Spin-echo memory device // J.Appl.Phys. 1955. -Vol. 26,№2.-P. 170-181.

13. Anderson A.G., Garwin R.L., Hahn E.L. et al. Spin echo serial storage memory// J. Appl. Phys. 1955. - Vol. 26, № 11. - P. 1324-1338.

14. Петров М.П., Степанов С.И. Обработка информации в радиотехнических системах методом спинового эха // Обзор по электронной технике: Электроника СВЧ. -М.: ЦНИИ «Электроника». 1976. № 10(383). - С. 3-28.

15. Устинов В.Б. Квантовые устройства обработки сигналов. Л., ЛЭТИ, 1984. -59 с.

16. Барсуков B.C. Эхо-процессоры. Москва: Знание, 1987. - 64 с.

17. Kurnit N.A., Abella I.D., Hartman S.R. Observation of a photon echo // Phys.Rev.Lett. 1964. - Vol. 13. - P. 576-570.

18. Копвиллем У.Х., Нагибаров В.Р. Пирожков В.А. Исследование механизмов уширения резонансных линий в рубине методом светового эха // Письма в ЖЭТФ. 1974. - Т. 20, № 2. - С. 139-144.

19. Самарцев В.В., Усманов Р.Г., Хадыев И.Х. Световое эхо в CaW04:Nd3+ // Письма в ЖЭТФ. 1975. - Т. 22, № 1. - С. 32-36.

20. Елютин С.О., Захаров С.М., Маныкин Э.А. Восстановление формы ультракоротких оптических импульсов стимулированным фотонным эхом II Оптика и спектроскопия. 1982. - Т. 52, № 4. - С. 577-579.

21. Carlson N.W., Rothberg L.J., Yodth A.G. et al. Storage and time reversal of light pulses using photon echoes // Opt. Lett. 1983. - Vol. 8, № 9. - P. 483-485.

22. Mossberg T.W. Time domain frequency-selective optical used storage // Opt. Lett. 1982. - Vol. 7, № 12. - P. 77-79.

23. Carlson N.W., Babbitt W.R., Bai Y.S. Field-inhibited optical dephasing and shape locking of photon echoes // Opt. Lett. 1984. - Vol. 9, № 6. - P. 232-234.

24. T.W. Mossberg Pat. 4 459 682 US. Time domain data storage // Appl. 10.07.84.

25. Василенко JI.C. Когерентная бездоплеровская лазерная спектроскопия газовых сред: Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат.наук. Новосибирск, 1987. - 222 с.

26. Попов И.И., Бикбов И.С., Самарцев В.В. Особенности светового эха в парах молекулярного йода // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1989. - Т. 53, № 12. - С. 2334-2339.

27. Бибков И.С., Попов И.И., Самарцев В.В. Эффект ассоциативности светового (фотонного) эха // ЖПС. 1991. - Т. 54, № 4. - С. 535-537.

28. Новые физические принципы оптической обработки информации // Сборник статей под ред. Ахманова С.А. и Воронцова М.А. М.: Наука, 1990.-400 с.

29. Радченко А.Н. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. С.-Петербург: Наука, 1998. - 262 с.

30. Новое в синергетике: взгляд в третье тысячелетие // Сборник статей под ред. Малинецкого Г.Г. и Курдюмова С.П. М.: Наука, 2002. - 480 с.

31. Михайлов A.C. Аналоговая обработка информации распределенными системами. В кн.: Новые физические принципы оптической обработки информации (под ред. Ахманова С.А. и Воронцова М.А.). М.: Наука, 1990. -С. 34-82.

32. Имре Ш., Баланс Ф. Квантовые вычисления и связь: инженерный подход (пер. с англ. под ред. Самарцева В.В.). -М.: Физматлит, 2008. 320 с.

33. Moiseev S.A., Kroll S. Complete reconstruction of the quantum state of a singlephoton wave packet absorbed by Doppler-broadened transition // Phys. Rev. Lett. 2001. - V. 12.-P. 173601-1.

34. Rostovtsev Y., Sariyianni Z., Scully M.O. Photon echo pulse shape storage // Laser Phys. 2002. - V. 12. - P. 1148-1154.

35. Моисеев С.А. Квантовая память на основе фотонного эха в трехуровневых оптически плотных газовых средах с Н-конфигурацией атомных переходов // Оптика и спектр. 2003. - Т. 94. - С. 847-852.

36. Patel C.K.N., Slusher R.E. Photon echoes'in gases // Phys. Rev. Lett. 1968. -Vol. 20.-P. 1087-1090.

37. Алимпиев C.C. Исследование эффектов когерентного взаимодействия импульного инфракрасного излучения с молекулярными газами // Труды ФИАН. 1976. - Т. 87. - С. 92 - 133.

38. Рубцова Н.Н. Фотонное эхо и некоторые его модификации в молекулярных газах. Дисс. на соск. степ. док. физ. мат. наук. Новосибирск, 1997.

39. Comaskey В., Scotti R.E., Shoemaker R.L. Optical coherent transient measurements of velocity-changing collision in SF6// Optics Lett. 1981. - Vol. 6, № 1. - P. 45-47.

40. Bai Y.S., Mossberg T.W., Lu N., and Berman P.R. Transient suppression of the Autler-Townes doublet // Phys. Rev. Lett. 1986. - Vol. 57, № 14. - P. 16921695.

41. Рутковский И.З., Федорук И.Г. Формирование сигналов эха последовательностью импульсов поляризующего магнитного поля // ЖПС. 1983. - Т. 38, № 5. - С. 859-862.

42. Brewer R.G. and Shoemaker R.L. Photo echo and optical nutation in molecules // Phys. Rev. Lett. 1971. - V. 27, № 10. - 631 p.

43. Рубцова H.H., Решетов В.А. Когерентный контроль оптических переходных процессов в газе // Письма в ЖЭТФ, 2008, - Т.87, вып. 6, - С. 326-330.

44. Бразовская Н.В., Бразовский В.Е. Гамильтониан двухуровневой молекулы в поле лазерного излучения // Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999, № 2-С .119-126.

45. Foster К. L., Stenholm S., and Brewer Richard G. // Phys.Rev. A. 1974. - V. 10.-2318 p.

46. Berman P.R., Levy J.M., Brewer R.G. Coherent optical transient study of molecular collisions: Theory and observations // Phys. Rev. A. 1975. - V. 11, №3.-1668 p.

47. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия. T.5. M.: Науч. издат. «Большая Российская энциклопедия». 1998. - С. 354-355.

48. Rubtsova N.N., Reshetov V.A., and Khvorostov E.B., Coherent transients at dressed levels // Laser Physics. 2006. - V. 16. №. 4. - P. 543-550.

49. Jetter H., Pearson E.F., Norris C.L., McGurk J.C., Flygare, W. H. // J.Chem.Phys. 1973. - V. 59. - 1796 p.

50. Справочник по лазерам. Ред. M. Прохоров. Т.1. Москва. Советское радио. -1978.-119 с.

51. Schmidt J., Berman P.R. and Brewer R.G. Coherent transient study of velocity-changing collisions И Phys. Rev. Lett. -1973. V. 31. №. 18. -1103 p.

52. Cacciani P., Cosleou J., Herlemont F., Khelkhal M., and Lecointre J. Nuclear spin conversion in gaseous phase in the presence of a static electric field // Phys. Rev. A. 2004. - 69. - 032704-1 p.

53. Cacciani Patrice, Cosleou Jean, Herlemont Francois, Khelkhal Mohamed, Boulet Christian, Hartmann Jean-Michel The role of relaxation in the nuclear spin conversion process // Journal of Molecular Structure. 780-781. - 2006. - P. 277-282.

54. Chapovsky P.L. Ortho-para conversion in CH3F: self-consistent theoretical model // Appl. Magn. Reson. 2000. - 18. - P. 363 - 374.

55. Nagels В., Schuurman M., Chapovsky P. L., and Hermans L. J. F. Nuclear spin conversion in molecules: Experiments on 13CH3F support a mixing-of-states model // Phys. Rev. A. 1996. - V. 54, №. 3. - 2050 p.

56. Василенко JI.C., Рубцова H.H. Фома сигналов фотонного эха в газе // Оптика и спектроскопия. 1985. - Т. 59, вып. 1. - С. 52-56.

57. Rubtsova N.N., Ledovskikh D.V., Reshetov V.A. Collision relaxation in 13CH3F with buffers // Laser Physics Letters. 2010. - Vol. 7, № 10, - P. 734-738.

58. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд. ин. лит., 1961.

59. Hoogeveen R. W. М., G. J. van der Meer, Hermans L. J. F., Chapovsky P. L. Intermolecular potential for vibrationally excited CH3F measured by light-induced drift // J. Chern. Phys. 1 June 1989, - V. 90, № 11, - P. 6143-6145.06 ' ^

60. Rohart Francois, Mader Heinnch, and Nicolaisen Hans-Werner Speed dependence of rotational relaxation induced by foreign gas collisions: Studies on CH3F by millimeter wave coherent transients // J. Chern. Phys. 1994, - V. 101. №. 8.-6475 p.

61. Кочанов В.П., Раутиан С.Г., Шалагин A.M. «Уширение нелинейных резонансов вследствие столкновений с изменением скорости», ЖЭТФ. -1977. Т.72, вып.4. - С. 1358-1374.

62. Раутиан С.Г., Шалагин А.М. Эффекты насыщения для долгоживущих систем в пространственно ограниченных полях // ЖЭТФ. 1970. - Т. 58, вып. 3. С. 962-974.

63. G.J. van der Meer, Hoogeveen R.W.M., Hermans L.J.F., Chapovsky P.L. Light-induced drift of CH3F in noble gases // Phys. Rev. A. 1989. - V. 39. №. 10. -5237 p.