активная лазерная спектроскопия

АКТИВНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ - один из методов нелинейной спектроскопии, исследующий поглощение или рассеяние пучка света в среде, в к-рой предварительно (с помощью дополнит. лазерного излучения определ. частот) селективно возбуждены и (или) сфазированы изучаемые оптич. моды .Такое активное лазерное "приготовление" среды (накачка) меняет картину взаимодействия зондирующего (пробного) излучения со средой.

А. л. с. основана на эффекте нелинейного взаимодействия интенсивного лазерного излучения и оптич. среды. Мощное излучение накачки нарушает термо-динамич. равновесие в среде, наводит корреляции между образующими её частицами, возбуждает определ. внутр. движения в них и т. п., а более слабое зондирующее излучение выявляет наведённые возмущения и кинетику их затухания.

Методы А. л. с. отличаются типом исследуемого резонанса, характером оптич. отклика среды, а также способом зондирования и измеряемым параметром (интенсивность, фаза, поляризация). А. л. с. поглощения исследует оптич. резонанс среды, проявляющийся в одно- или многофотонном поглощении света; А. л. с. рассеяния - резонанс, проявляющийся в рассеянии света (комбинационном, рэлеевском, Мандельштама - Бриллюэна, гиперкомбинационном, гиперрэле-евском и т. п.). Оптич. отклик среды на воздействие волн накачки и зондирующего излучения может быть когерентным (связанным с наведённой нелинейной оптич. поляризацией среды) или некогерентным (связанным с оптически-индуцированным возмущением населённостей уровней энергии), соответственно различают когерентную и некогерентную А. л. с.

А. л. с. наз. стационарной или нестационарной в зависимости от того, исследуется установившийся (стационарный) или неустановившийся (переходный, нестационарный) оптич. отклик среды. В последнем случае для возбуждения и зондирования среды используются короткие лазерные импульсы, длительность к-рых меньше характерных времён установления и релаксации исследуемых возбуждённых состояний среды.

С помощью зондирующего излучения можно изучать модуляцию оптич. характеристик среды (модуляц. вариант А. л. с.), вызываемую излучением накачки; кроме того, благодаря возмущению среды накачкой могут появляться новые спектральные или пространств. компоненты зондирующего излучения, на их исследовании основан генерац. вариант А. л. с. Разл. способы возбуждения и зондирования, применяемые в А. л. с., приведены на рис. на примере двухуровневой системы.

Схема возбуждения (вверху) и зондирования (внизу) в активной лазерной спектроскопии на примере двухуровневой системы: а - однофотонное возбуждение (возбуждение за счет однофотонного поглощения) и однофотонное зондирование с помощью регистрации изменений в поглощении или усилении (пунктир); б - возбуждение с помощью двухфотонного поглощения и комбинационного рассеяния света (КРС); зондирование осуществляется за счёт антистоксова или стоксова (пунктир) КРС, а также двухфотонного поглощения или усиления (пунктир).

В случае стационарной когерентной А. л. с. изотропных сред и центросимметричных кристаллов нелинейная оптич. поляризация Р среды может быть описана кубичным по амплитудам световых полей членом разложения:

(1)

Здесь - компоненты тензора нелинейной оптич. восприимчивости (см. Поляризуемость)3-го порядка (- индексы декартовых координат); частота исследуемого сигнала является алге-браич. суммой частот, вводимых в среду полей (т. е. ), нек-рые из к-рых могут оказаться отрицательными. D - численный коэф., учитывающий возможное вырождение среди частот .

Одно или неск. полей (=1, 2, 3), вводимых в среду, могут быть сильными (накачка), остальные - слабыми. При приближении одной из частот либо одной из их линейных комбинаций ( и т. п.) к частоте разрешённого квантового перехода в исследуемой среде компоненты нелинейной восприимчивости испытывают дисперсию. Соответственно, испытывают дисперсию и параметры эл--магн. волны, источником для к-рой служит нелинейная поляризация (1). Стационарная когерентная А. л. с. с использованием лазерного излучения относительно невысокой интенсивности (для к-рого в разложении поляризации существен только первый нелинейный член) тождественна че-тырёхфотонной нелинейной спектроскопии.

Для примера рассмотрим стационарную когерентную спектроскопию двухфотонного поглощения (ДФП) света. В генерац. варианте эта схема формально описывается восприимчивостью , где все частоты (частоты волн накачки) подбираются так, что суммарная частота сканирует область вблизи частоты перехода, разрешённого в ДФП, т. е. ; - частота пробной волны.

Как правило, для реализации генерац. схем когерентной А. л. с. необходимо выполнение условий фазового синхронизма (в данном случае, где - волновые векторы плоских волн с частотами соответственно). Модуляц. вариант когерентной спектроскопии ДФП описывается восприимчивостью , при ( - частота волны накачки, - зондирующей волны). При накачке диэлектрич. проницаемость среды на частоте зондирующей волны равна (2)

(- диэлектрич. проницаемость среды в отсутствие накачки). При восприимчивость имеет мнимую часть; поэтому при появляется добавка к мнимой части у диэлектрич. проницаемости , а следовательно, и дополнит. поглощение на частоте , индуцированное полем накачки на частоте ; это поглощение добавляется к обычному линейному поглощению на частоте . Вещественная составляющая даёт добавку к показателю преломления среды на частоте зондирующего излучения.

Для реализации модуляц. схем когерентной А. л. с. не требуется применять спец. мер для выполнения условий синхронизма: здесь они выполняются автоматически. Для описанной выше схемы когерентной спектроскопии ДФП

Одним из методов А. л. с. является когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния света. С помощью А. л. с. удаётся решать задачи, недоступные др. методам спектроскопии поглощения или рассеяния света, значительно увеличить информативность оптич. спектроскопии, повысить отношение сигнал/шум на выходе традиц. спектрометров, улучшить их спектральное, пространственное и временное разрешение.

Лит.: Нелинейная спектроскопия, под ред. Н. Бломбергена, пер. с англ., М., 1979; Ахманов С. А., Коротеев Н. И., Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, М., 1981; Сверхкороткие световые импульсы, под ред. С. Шапиро, пер. с англ., М., 1981; Laubereau A., Kaiser W., Vibrational dynamics of liquids and solids investigated by picosecond light pulses, "Revs Mod. Phys.", 1978, v. 50, № 3, p. 607. См. также лит. при ст. Когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния. Н. И. Коротеев.

   <<      Предметный указатель      >>