Спектроскопия и лазерное возбуждение многоуровневых молекулярных и атомных систем

• Автор: Макаров, Александр Аркадьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 146 с. : ил.; 20х15 см

1 Введение
1.1 Общая характеристика работы
Одна из основных тенденций современной оптической спектроскопии - все более полное исследование свойств возбужденных состояний атомов и молекул. Решение конкретной актуальной задачи опирается на выбор метода, дающего возможность экспериментально измерить соответствующий спектр. Метод часто включает в себя также предварительное возбуждение атома (молекулы) в интересующее нас состояние, которое используется в качестве исходного для спектроскопического измерения. При этом уникальные свойства лазерного излучения, такие как высокая пространственная и временная когерентность, возможность перестройки по частоте, узость линии, большая интенсивность и наличие коротких импульсов, играют двоякую роль: во-первых, они формируют широкое поле деятельности по части усовершенствования известных и создания новых методов спектроскопии. И, во-вторых,! позволяют реализовать эффективные пути . ВОЗбуЖДвНИЯ СОСТОЯНЙЙ, ВЫЗЫВаЮЩИХ конкретный интерес. .‘■ь„
Часто возбужденные состояния с не вполне изученными свойствами явля-ютсяпромежуточяымй'В фотопроцессах, важных в практическом плане. Яркие примеры - ступенчатая фотоионизация атомов и инфракрасная (ЯК) многофотонная диссоциация (МФД) многоатомных молекул. Первый из этих процессов лег в основу мощного метода фотоионизадионного детектирования элементов (в частности, изотопов) с рекордными чувствительностью и селективностью. Он рассматривается также как один из способов лазерного разделения изотопов. Процесс ИК МФД многоатомных молекул стал основой нового направления -ИК лазерной фотохимии, - с разделением изотопов в качестве наиболее очевидного научного и технологического достижения.
Задачи теории применительно к фотопроцессам с участием возбужденных состояний весьма разнообразны. Так, актуален теоретический поиск оптимальных схем лазерного возбуждения, обычно последовательностью лазерных импульсов с различными частотами. Кроме того, теоретическая интерпретация
экспериментальных результатов по многоступенчатому (многофотонному) возбуждению атомов (молекул) требует расчета динамики в лазерном поле существенно многоуровневых квантовых систем. Из сравнения теории и эксперимента может быть получена информация о спектроскопических свойствах участвующих в процессе возбужденных состояниях.
Наиболее характерен в плане взаимодействия эксперимента с теорией эффект ИК МФД многоатомной молекулы. Этот эффект не предсказывался теоретически, а был открыт экспериментально. Уже в результате первых экспериментов ‘стало ясно, что многоатомная молекула с достаточно большой энергией в колебательных степенях свободы - необычный объект с точки зрения спектроскопии. А именно, поглощение на колебательной частоте размыто по некоему спектральному интервалу, включающему в себя множество близких переходов (колебательный квазиконтинуум). Через интерпретацию эксперимента вначале на языке многоуровневых феноменологических моделей, а затем все более исходя из первых принципов теория продвинулась к осознанию того факта, что колеба-тельно-возбужденная многоатомная молекула представляет фундаментальный интерес как пример хаоса в динамической системе со многими степенями свободы. Как следствие, были обоснованы и предложены экспериментальные методы прямого наблюдения хаотизации (стохастизации) колебательного движения, в которых эффект ЙК многофотонного возбуждения (МФВ) просто использовался для приготовления колебательно-возбужденных молекул. Далее стала актуальной собственно спектроскопия в области колебательного хаоса с параллельным развитием теории спектров, включая обоснование новых, работоспособных методов их наблюдения. Весь этот комплекс фундаментальных задач положил начало новому направлению - спектроскопии колебательно высоковозбужденных многоатомных молекул.
1.2 Цель работы
В процессе работы были, поставлены, и решены следующие задачи
(см. также примечания к табл. 4). Система уравнений (65) может иметь для произвольного значения А только одно линейно независимое решение. Для рп это решение дается линейной комбинацией многочленов Чебышева 1-го и 2-го рода
Рп = с,{)тп + с2{)ип (^) > : (66)
так как уравнения для рп совпадают с рекуррентными формулами для этих многочленов [75*]. Коэффициенты СДА) и С2(А) определяются (с точностью до общей нормировочной постоянной) из тех уравнений (65), в которые входят в[. Из известных асимптотических свойств многочленов Чебышева при п—Уоо можно заключить, что спектр квазиэнергии обязательно содержит непрерывный интервал —2Р < А < Р. Кроме того, вне указанного интервала могут существовать дискретные собственные значения, которые находятся из условия (64), поскольку, хотя по отдельности Тп(х) И ип(х) при |х|> 1 и п-»оо стремятся к бесконечности, их комбинация, в принципе, может стремиться к нулю. После нахождения спектра квазиэнергии и собственных векторов может быть выписано решение для амплитуд 6;(4) и ап{£) при любых начальных условиях, в частности
Табл. 4: Неэквидистантные системы, КЭС которых находятся из уравнений (65) и которые рассмотрены в явном виде в работе [9).
№ к +1 “ ШаЬ Ь Ка <= * Рі-ие
1 2 Произвольна ^01»^
2 3 = и СЦю+^21 = 2сц ^01-^12
3 1 Произвольна
“ Число уровней в подсистеме В.
ь Частота перехода с нижнего уровня А на верхний уровень 8 (и - частота поля, строго резонансная переходам в А).
с Матричный элемент оператора взаимодействия для перехода между верхним уровнем В и нижним уровнем А (і? - матричный элемент оператора взаимодействия для переходов между уровнями верхней подсистемы А). ■'
Частоты переходов в В. с Матричные элементы оператора взаимодействия для переходов в В.