Исследование неравновесных процессов методом зондирования излучением диодного лазера

• Автор: Гавриков, Семен Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 59 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
§1. Газодинамическое охлаждение молекул
§2. Импульсный источник сверхзвуковой струи с предварительным
нагревом газа
§3. Применение вычислительной техники в эксперименте
§4. Основные результаты и выводы
Глава II. СПЕКТРОСКОПИЯ ГОРЯЧИХ ПОЛОС МЕТАНА В
СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕ
§1. Введение
§2. Описание эксперимента
§2.1 Построение частотной калибровки излучения лазера и инденти-
фикация линий поглощения
§2.2 Аппроксимация нулевого уровня поглощения
§2.3 Идентификация спектральных линий
§2.4 Распределение в струе
§2.4.1. Вращательное распределение
§2.4.2. Колебательное распределение
§2.5 Выводы
Глава III. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ И КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛ С02 ПРИ ДЕСОРБЦИИ С ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА
§1. Введение
§2. Описание экспериментальной установки
§3. Методика измерений
§4. Экспериментальные результаты и их обсуждение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В связи с задачами исследования структуры молекул, лазерной фотохимии, плазмохимии, лазерного разделения изотопов, диагностики лазерных сред и др. в последнее время значительное внимание уделяется спектроскопии высокого разрешения колебательно-вращательных переходов многоатомных молекул (например [1, 2-17]). Полученная спектроскопическая информация о возбужденных колебательных уровнях, их структуре, положении позволяет рассчитывать внутримолекулярные потенциалы (например, [18]), моделировать процессы многофотонного возбуждения молекул в связи с задачами лазерного разделения изотопов и лазерной фотохимии (например [19, 20]). С другой стороны, данные о тонкой структуре колебательно-вращательных уровней многоатомных молекул позволяют методами спектроскопии высокого разрешения определять заселенности соответствующих энергетических уровней. Такие знания необходимы, например, для исследования процессов, происходящих на возбужденных уровнях неравновесных лазерных и плазмохимических сред: релаксации, генерации излучения, - с целью оптимизации известных и создания новых лазеров (например [21, 22-24]).
Знание заселенностей колебательно-вращательных уровней молекул необходимо также для изучения сложных процессов, идущих в неравновесных условиях плазмохимических установок [26]. С появлением перестраиваемых полупроводниковых (диодных) лазеров ИК-диапазона спектроскопия высокого разрешения существенно расширила свои возможности [1, 2, 12].
Особый интерес представляют исследования спектров возбужденных колебательных состояний. Известно, что спектры возбужденных колебательных уровней многоатомных молекул чрезвычайно сложны ввиду сильного вырождения состояний, которое может сниматься приводя к расщеплению уровней под действием нелинейных упругих сил (ангармо-ннзм колебаний), колебательно-вращательного взаимодействия, центробеленого растяжения и т.д. Исследование таких спектров требует применения экспериментальных методов спектроскопии, обладающих спектральным разрешением на уровне 10~° — 1$~Асм~1. Наиболее распространенными в настоящее время методами экспериментального исследования спектров высокого разрешения возбужденных состояний являются спектроскопия обертонов и составных колебаний молекул с использованием перестраиваемых лазеров разностной частоты [1, 2], или методов Фурье-спектроскопии [3], а также методы двойного резонанса [1, 4-13]. Метод двойного резонанса основан на использовании двух лазеров, один из которых достаточно высокой интенсивности переводит молекулы в возбужденное колебательное состояние, а с помощью второго лазера с узкой линией генерации исследуются спектры возбужденных переходов. Особую

универсальность метод двойного резонанса приобретает при применении в качестве лазера накачки и зондирующего лазера плавно перестраиваемых по частоте лазеров, так как в этом случае в отличие от лазеров с фиксированными частотами излучения становится возможным исследование большого числа возбужденных колебательно-вращательных уровней различных молекул. В качестве зондирующего лазера удобно использовать инжекционный полупроводниковый (диодный) лазер [4, 5-11]. Эти лазеры перекрывают практически весь диапазон блин-снего и среднего ИК-спектра и позволяют в принципе зарегистрировать спектр с высоким разрешением (~ 10—Зсл*—1) за один импульс инжекционного тока длительностью меньше 1мс. Спектроскопия на их основе получила большое признание и представляет интерес для исследования быстропро-текающих процессов.
Существенного упрощения спектров и облегчения их идентификации можно добиться газодинамическим охлаждением молекул [8, 9-11]. При сильном газодинамическом охлаждении большинство молекул находится на основном колебательном уровне и низких вращательных подуровнях. Упрощение спектров достигается за счет устранения большого числа ’’горячих” переходов и сужения распределения заселенностей по вращательным уровням. Подобные условия охлаждения получают в сверхзвуковых струях газа, истекающих в вакуум через осесимметричные или щелевидные отверстия [14]. Существует большое число работ по спектроскопии основных колебательных уровней многоатомных молекул в сверхзвуковых струях [14, 15-17].
Метод газодинамического охлаждения в сочетании с методами возбуждения молекул и диодной лазерной спектроскопией дает также возможность изучать процессы, происходящие на возбужденных уровнях многоатомных молекул, в неравновесных условиях отрыва колебательной, вращательной и поступательной температур. При быстром охлаждении газа температуры в колебательных и вращательных степенях свободы в общем случае отличаются из-за разных времен релаксации от равновесных значений, соответствующих поступательной температуре газа.
В колебательной кинетике многоатомных молекул обычно используют модель изолированных мод, распределения в которых устанавливаются независимо в результате внутримодового колебательно-колебательного (V — V) обмена [48]. В приближении гармонических осцилляторов - это больцмановское распределение, но температуры отдельных мод могут быть различны из-за различия в скоростях накачки и тушения мод. С возбуждением высоких колебательных уровней гармоническое приближение и модель изолированных мод становятся недостаточными. Так, если для основного электронного терма ангармонических молекул с достаточно большим колебательным квантом существен обмен квантами при столкновениях молекул, то распределение по уровням, соответствующее установлению частичного равновесия процессов колебательного об-

Таблица

[/(оЬу)
у[са !с)

Б(с а!е)
1(е!п)
Обозначение
перехода
Q 4 Е 3 4 Е г 1262,1521(15) 1262.1608 13 1.42Е-3 1.3Е-4 37,727,
Р 7 Р2 2 б Р1 4 1262.2285(10) 126X2285 0 1.05Н-1 1.1Е-2 VI
Р 6 Е 5 3 в 5 12622634(10) 12б2Л 680 14 6.37Е-3 8.9Е-4 VI +7,-
Р 5 А2 3 4 А1 4 1262.2716 -22 3.14Е-2 3/(-2у|
Р 4 Е 2 3 Е 3 1262.3776(10) 1262.3810 -34** 230Е-3 15Е-4 371-2 VI
Р 6 П19 5 ?1 32 1262,438В;10) 1262.4159 229 2655Е-3 1.354 VI +27|Ч''3+У|)
Р 5 Б 4 4 Е б 1262.4731(10) 1262.4775 ■44* 2.72Е-3 2.2Е-4 37,-27«
0 3 Р2 3 3 И! 2 1262.5459(10} 1262.5468 1 2.33Е-3 2ЕБ4 3 7|-2 VI
<3 2 Р1 1 2 Р2 1 1262-5733(10) Ш2.3729 9 9Л2Е4 8.7Е-5
Р 6 Р] 7 5 га м 12625359(10) 1252,5867 -8 1.14Е-2 4.0Е4 72 +74-7;
Р 6 Р2 7 3 Р1 15 1262.6105(10) 1252.6114 -9 1.09Е-2 3.7Е4 V; +',-7;
Р б Р2 3 5 Р1 7 1262,6539(10) 1262.6537 2 153Е-2 1.3 Е-3 27,-7,
Р 6 Е2 ! 3 Р1 5 1262,6373(10) 3262.6881 -3 2.04Е-3
Р 6 Р1 3 з га 6 1262,6932(10) 1252.6938 -б 1.51Е-2 1.7Е-3
Р 6 АЗ 1 5 А1 2 1262.8007(10) 1252,8014 -7 255Е-2 2.3Е-3 274-7ч
е=кяяевв ааваБЯввиввзвссвипхпнвх&ЗССВП К= = К5П
р з га 4 2 Р» 5 1271.8950(15) 1271.8962 13 3.35Е-3 4,3 Е-4
Р 4 А! 1 3 А2 2 1272.2341(10) 1272,2332 9 4.78Е-3 1.0Б-3 274-7,
Р 3 Е 3 2 Е 4 1272.5104(10) 1272.5058 46 4.91Е-3 3.0Е-4
(3 & А1 2 8 А2 2 12725481(10) 1272.5355 126** 3.83П-3 3.3 Е-4
0 8 Р1 4 8 Р2 5 1272.5 345(10) 1272.5838 3 2.18Е-3 2.8 Е4
Р 4 А2 1 3 А1 > 1272,6540(10) 1272.6638 2 3.23Е-2 5.1Е-3 274-У
д 8 Р1 4 8 Р2 8 1272.7049(15) 1272.6971 78»* 2.20Е-3
вякжвмквн ■впяжймяржвннкяжввяйаххкявввкневсввявявазяыше^г^зя ж=£!8К5ЕШВВе=ао
Р 3 А] 2 2 А2 3 1273,8654(10) 1273,8572 32* 2.66Е-3 2.8ЕЛ 72 < 274-(72+74)
Р 4 Е 1 3 Е 2 1273.8315(10) 1273.8807 9 1.ЗОЕ-2 1.4 Е-3
д 7 И 5 7 К2 б 1273.9331(10) 1273,9322 9 2.07Б-3
о 8 Р2 3 8 Р1 4 1273.9455(20) 1273.9424 31* 1.24 Е-4 274-74 (|5СН,>
Р 4 Р2 1 3 И 3 1274,0164(10) 1274.0169 -5 2.35Е-3 3.8 Е-4 74 (13СН,>
д 6 И 4 6 Р1 4 1274,1660(20) 1274.1623 37 1.80Е-3 1.8Е-4
д 7 Р1 4 7 га б 1274.1834(20) 1274.1828 6 1.42Е-3 1.6Е-4
Р 4 Е 2 3 Е 3 1274.2160(20) 1274.2142 18 3.24Е-2 2.8Е-3 274*
Р 3 Е 1 2 Е 3 1274.2451(20) 1274.2507 -56 З.бЗЕ-4 2.1Е-4 274*74 С’СШ)
<3 7 Р2 4 7 Р1 7 1274.3730(30) 1274.3684 46** 3.18Е-3 2.9Е4 374*
Р 3 Р1 4 2 га 5 1274.4448(30) 1274,4407 41 3.75Е-3 3.7Е4
0 7 Р2 3 7 Е1 4 1274.5983(30) 1274.6021 -38 2.62Е-3 3.0Е4 274-7,
? 4 И! 1 з га 3 1274.6233(30) 1274.6255 •22 4.19Е-3 4.9 Е-4 274-7,
д 7 га э 7 Р1 5 1274.8477(30) 1274.8527 ■50 1.86Е-3 З.ЗЕ-4 274-7,
Р 4 Е 1 3 Е 2 1274.9830(20) 1274.9847 •17 1.59Е-3 V, (”СН,)
0 9 А2 2 9 А! 2 1274.9861(20) 1274.9889 •28 3.525-3
<3 6 71 3 б Е1 4 1274.9897 •36** 1.19Е-3 37,-
Р 5 А1 2 4 А2 4 1275.0579(10) 1275,0597 -18 267Е-2 8.354 V; +У
Р 3 Р2 5 2 Р1 б 127523863(10) 1275,0872 -9 8.05Е-3 6.4Е4 37,-27,
0 б Е 3 б Е 3 1275.1091(10) 1275.1054 27*« 2.64 Е-3 2.2Е-4 3 7,-27,
Р 4 К1 1 3 К2 2 1275.3267(5) 1275.3255 2 г.згЕ-з Э.ЗЕ-4 V, ('»СН,)
р 4 га с Э Р) 10 1275.4182(5) 1275.4182 0 1.62Е-2 4.4Е-4 уг
К 1 А2 1 2 А1 1 1275.4304(5) 1275.4302 1 б.ТЛЕ-Э 1.7 Е-