Фемтосекундная лазерно-диагностическая спектрометрия в экспериментах по фотофизике, фотохимии и фотобиологии

• Автор: Компанец, Виктор Олегович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Содержание

Введение

Глава 1. Фемтосекундный лазерно-диагностический спектрометрический комплекс

§ 1.1 Лазерная часть фемтосекундного комплекса

§ 1.2 Оптические параметрические усилители

§ 1.3 Системы диагностики лазерного излучения

§ 1.4 Системы регистрации

§ 1.5 Методика спектрально-кинетических измерений

§ 1.6 Типы проводимых экспериментов

Глава 2. Фемтосекундная спектроскопия динамики релаксации фотовозбуждённого

состояния гетерофазных наноструктур С60-5п
§ 2.1 Введение
§ 2.2 Создание и характеризация исследуемых структур
§ 2.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение
§ 2.4 Заключение
Глава 3. Фемтосекундная динамика релаксации светособирающих комплексов
фотосинтезирующих бактерий
§ 3.1 Введение
§ 3.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение
§ 3.3 Поляризационные исследования ассоциатов
Глава 4. Фототрансформация вещества под действием фемтосекундного лазерного
излучения
§4.1. Распад многоатомных молекул при воздействии фемтосекундного ИК
излучения
§4.2 Образование металлосодержащих микроструктурированных плёнок при
диссоциации карбонилов железа и хрома при воздействии ИК излучения
§4.3 Фотоиндуцированные превращения в плёнках С60
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность темы
Область исследований данной работы относится к бурно развивающемуся направлению физики - фемтосекундной спектроскопии. Фемтосекундная спектроскопия позволила кардинально изменить подход к исследованию динамики молекул и твёрдого тела, химических и биохимических реакций в конденсированной и газовой фазах. Действительно, очень часто времена релаксации возбуждения в молекулах и атомах лежат в пико- и фемтосекундном диапазоне [1], и с появлением фемтосекундных лазеров стало возможным их прямое измерение.
С конца 80х - начала 90х годов прошлого века, когда были созданы первые надёжно работающие лазеры, позволяющие с достаточно хорошей повторяемостью генерировать мощные световые импульсы длительностью 10 - 100 фемтосекунд для проведения экспериментов по исследованию сверхбыстрой динамики с фемтосекундным временным разрешением, началось бурное развитие этого направления науки. Для примера ниже на рисунке показан график упоминания в научных статьях слов «фемтосекунды» и «пикосекунды»:

Рис. 1. Упоминание слов «фемтосекунды» и «пикосекунды» в поисковой базе научной литературы «ISI Web of Knowledge».

Очень хорошо виден прогресс фемтосекундных исследований в течение последних двадцати лет. Отдельно следует отметить тот факт, что рекордно малая длительность, присущая ультракоротким лазерным импульсам с момента их появления, уменьшилась почти на 5 порядков за два десятилетия (с конца бОх до середины 80х. годов прошлого века). Очевидно, что это наиболее стремительный прогресс в измерении коротких интервалов времени за последние несколько сотен лет. Достижение пико-, а затем и фемтосекундного рубежа в измерении временных интервалов позволило с помощью оптических методов с использованием ультракоротких импульсов (УКИ) исследовать в реальном масштабе времени динамику ультрабыстрых процессов, считавшихся ранее «экспериментально ненаблюдаемыми».
Сегодня лазерные методики с использованием фемтосекундных импульсов лежат в основе целого ряда фундаментальных физических экспериментов, спектроскопических прецизионных измерений, измерений сверхбыстрых процессов в химии и биологии, они используются в информационных технологиях, медицине, материаловедении и метрологии.
Одним из быстро развивающихся направлений современной химической физики и молекулярной динамики является фемтохимия. Разработка новых методов управления химическими реакциями с помощью фемтосекундного лазерного излучения является одной нз основных целей исследований в этой области [2]. Благодаря высокой интенсивности фемтосекундного излучения появилась принципиальная возможность создавать уникальные фотопродукты и управлять химическими реакциями. Особенно мощный импульс это направление получило после присуждения Ахмеду Зевайлу Нобелевской премии по химии в 1999 году [3 и ссылки в ней].
В Институте спектроскопии РАН работы по применению УКИ в научных
исследованиях начались с созданием в 1973 году пикосекундного лазера, а первый в
СССР фемтосекундный генератор УКИ на красителе был запущен в Институте
спектроскопии РАН в 1979 году [4]. В период с 1985 по 1995 гг. в ИСАН был выполнен
большой ряд работ по изучению динамики релаксации возбуждений в различных объектах
[5]. Были исследованы перенос энергии и заряда в бактериальных реакционных центрах
фотосинтеза [6], а также в бактериородопсине [7,8], фотодесорбция и селективный
фотоотрыв хромофора в адсорбированных на поверхности молекулах [9], релаксация
фотовозбужденных носителей заряда в полупроводниковых микрокристаллитах в
стеклянной матрице [10], а также в монокристаллах полидиацетилена [11], релаксация

- Исследование динамики и структуры молекулярных комплексов и наноструктурированных материалов
Методом «возбуждение — зондирование» исследовались первичные стадии фотоиндуцированных процессов в периферических пигмент-белковых комплексах светособирающей антенны ХН2 фотосинтетического аппарата- пурпурных бактерий (совместно с НИИ ФХБ им.А.Н.Белозерского, МГУ) и гетерофазных наноструктурах фуллерен-металл (совместно с ФИАН). Данные исследования показали, что методы фемтосекундной спектроскопии дают возможность судить как о количественном соотношении элементов в нано- и микроразмерных объектах, так и об их взаимной^ упаковке. Подробно об-этих результатах исследований говорится в главах 2 и 3 диссертации.
Помимо разработки и осуществления различных экспериментальных схем, описанных выше, в главу 4 диссертации- включены работы по исследованию фотоиндуцированных превращений в конденсированной- и газовой фазах под воздействием мощных фемтосекундных импульсов видимого и ПК диапазона.
Выводы по результатам Главы
Разработан и реализован на базе лазерной техники третьего поколения уникальный многоцелевой автоматизированный фемтосекундный лазерно-диагностический спектрометрический комплекс, который позволяет проводить спектрально-кинетические исследования в диапазоне 250 нм — 11 мкм при длительностях импульсов 20-100 фс и энергиях 5 нДж — 4 мДж и осуществлять эксперименты по измерению сверхбыстрых релаксационных процессов в твердотельных и наноструктурированных объектах и газах и воздействию на них высокоинтенсивных (до 1017 Вт/см2) импульсов фемтосекундных излучения.