способ регистрации низкочастотных спектров комбинационного рассеяния

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ, включающий облучение исследуемого вещества лазерным монохроматическим излучением, ослабление прошедшего через вещество возбуждающего излучения лазера посредством поглощающей среды и регистрацию низкочастотных спектров комбинационного рассеяния вещества, отличающийся тем, что, ослабление возбуждающего излучения осуществляют в среде, тождественной активной среде возбуждающего лазера, при этом поглощающую среду предварительно обрабатывают так, что начальный уровень перехода поглощения среды, являющийся в лазере нижним рабочим уровнем, заселен до значения населенности, превышающего значение населенности конечного уровня перехода поглощения среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света в кристаллах, порошках, биологических объектах, сверхпроводниках и других системах при проведении анализа их низкочастотных спектров КР, определяющих многие важные свойства материальных сред.

Трудность анализа низкочастотных спектров КР связана с мешающим влиянием фона возбуждающего излучения, проникающего в область низкочастотного спектра КР при его регистрации с помощью спектрометра или монохроматора.

Известен способ регистрации низкочастотных спектров КР, основанный на использовании двойного или тройного монохроматора. При этом подавление "паразитного" фона возбуждающего излучения осуществляется за счет улучшения степени монохроматизации при использовании двух или трех последовательно расположенных монохроматоров. Недостатком этого способа является существенное ослабление полезного сигнала оптическими элементами второго и третьего монохроматоров.

Применение нескольких монохроматоров делает установку громоздкой и зависимой от внешних механических воздействий. Кроме того, в этом случае оказывается невозможной скоростная регистрация всего спектра при использовании многоэлементных приемных устройств, так как принцип действия двойного или тройного монохроматора основан на последовательной регистрации различных участков спектра при его сканировании относительно выходной щели с помощью поворота спектральных элементов (дифракционных решеток или призм).

Наконец, применение двойных и тройных монохроматоров практически не решает задачу регистрации спектра КР, непосредственно прилегающего к положению частоты _o возбуждающего излучения, т. е. для частот = _o - 10 с ( - частота рассеянного света, - частота соответствующего колебательного терма). Такая регистрация оказывается возможной лишь для наиболее интенсивных линий КР, т. к. требования высокой монохроматизации выполняется только при условии использования узких щелей всех монохроматоров, что уменьшает интенсивность исследуемых сигналов КР.

Известен также способ ослабления возбуждающего излучения при регистрации спектров комбинационного рассеяния света, основанный на использовании в качестве возбуждающего излучения резонансной линии паров ртути ( = 253,65 нм), соответствующей переходу в основное состояние атома ртути. Как выяснилось, резонансная линия ртути ( = 253,65 нм) может быть практически полностью поглощена несветящимися ртутными парами. При этом подогреваемый кварцевый сосуд с ртутными парами помещается между веществом, в котором наблюдается комбинационное рассеяние, и щелью спектрального прибора [1] .

Недостатком такого способа является невозможность получения лазерной генерации с переходом на основное состояние системы. В спонтанном источнике света не может быть реализована достаточно высокая спектральная интенсивность излучения, необходимая для регистрации спектров комбинационного рассеяния. Кроме того, в спонтанных источниках света, в частности в светящихся парах ртути, присутствует большое число линий, близких по частоте к резонансной линии. Это делает невозможной регистрации низкочастотных спектров комбинационного рассеяния во многих случаях.

Наиболее близок к изобретению способ регистрации низкочастотных спектров комбинационного рассеяния, основанный на применении узкополосных поглощающих фильтров, длина волны поглощения которых оказывается близкой к длине волны возбуждающего излучения. В частности, это осуществляется при использовании в качестве фильтра паров йода, характеризующихся наличием большого числа узких электронно-колебательных полос поглощения в видимой области спектра [2] .

Недостатком этого метода является необходимость осуществления генерации лазера в одночастотном режиме с точной подстройкой частоты генерации под частоту соответствующего электронно-колебательного перехода в парах йода. Это приводит к усложнению лазерного резонатора за счет использования дополнительного интерферометра и к падению выходной мощности лазера и соответственно полезного сигнала комбинационного рассеяния света. Кроме того, йодный фильтр характеризуется присутствием большого числа эмиссионных линий, проявляющихся вблизи полосы поглощения и искажающих форму низкочастотных спектров комбинационного рассеяния.

Случайный характер совпадения частоты возбуждающего излучения лазера с частотой полосы поглощения ограничивает набоp возможных лазерных источников, пригодных для решения обсуждаемой задачи.

Цель изобретения - повышение чувствительности при регистрации низкочастотных спектров КР; повышение достоверности характеристики регистрируемых спектров; расширение диапазона исследуемых веществ и спектра возбуждения КР.

Цель достигается тем, что в оптической схеме после рассеивающего вещества устанавливается кювета со средой из такого же вещества, которое используется в качестве активной среды в лазере, обеспечивающем возбуждающее излучение, и в которой каким-либо способом (например, путем нагрева, электрического разряда, химической реакции и т. д. ) эффективно заселен энергетический уровень, являющийся в лазере нижним рабочим уровнем и соответствующий возбужденному (не основному) состоянию среды.

Физической основой предлагаемого способа является возможность реализации поглощения возбуждающего КР лазерного излучения средой на том же спектральном переходе, на котором происходит генерация лазерного излучения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа (Л - источник лазерного излучения, К₁, К₂, К₃ - конденсоры, В - кювета с исследуемым веществом. Л" - поглощающая кювета, С - спектрометр с системой регистрации); на фиг. 2 - диаграмма рабочих уровней с условным изображением заселенностей в лазерной (а) и в поглощающей (б) средах; на фиг. 3 - диаграмма кривых потенциальной энергии и соответствующих колебательных уровней двухатомной молекулы, используемой в качестве активной среды лазера (а) и в качестве поглощающей среды при регистрации КР; _н - длина волны накачки, _o - длина волны генерации.

Способ осуществляется следующим образом. Возбуждающее излучение лазера Л фокусируется (см. фиг. 1) с помощью конденсора К₁ в кювету В с исследуемым веществом. Конденсор К₂ формирует расходящийся пучок света, в котором присутствует возбуждающее излучение ( _{o, o}) и комбинационное рассеяние ( ^{l, l} = _o ). Кювета Л" содержит поглощающую среду, тождественную с активной средой лазера Л; она предназначена для ослабления лазерного излучения и пропускания комбинационного рассеяния света без его существенного ослабления. Конденсор К₃ и спектрометр предназначены для анализа спектра комбинационного рассеяния от исследуемого вещества.

Ослабление лазерного излучения поглощающей средой осуществляется в том случае, когда нижний рабочий уровень i поглощающей среды каким-либо образом оказывается заселенным: Ni 0. Такое заселение может быть осуществлено за счет нагревания поглощающей среды, пропускания импульсов тока, химическим способом и т. д. Коэффициент поглощения в поглощающей среде на переходе i -> k записывается следующим образом:

K(_ik)= (N_i/g_i-N_k/g_k) , (1) где N_i и N_k - населенности уровней i и k; g_i, g_k - статистические веса соответствующих уровней; - эффективное сечение спектрального перехода, вычисляемое по формуле

= ²₀/8A_ik/ , (2) где _o - длина волны рабочего перехода; - спектральная ширина перехода i -> k, A_ik - соответствующая вероятность перехода.

Подбираются условия изменения населенностей уровней N_i и N_kтаким образом, чтобы N_i >> N_k. В этом случае в соответствии с выражением (1) должно иметь место поглощение лазерного излучения на переходе i-> k.

Примером конкретной среды, на которой осуществляется генерация и поглощение излучения, может служить газ из двухатомных молекул (S₂, Se₂, Te₂, I₂ и т. п. ). Фиг. 3а иллюстрирует работу среды в режиме генерации лазерного излучения. Оптическая накачка активной среды осуществляется с помощью дополнительного источника света с длиной волны _н и соответствует спектральному переходу из основного состояния Х молекул (например, с самого нижнего колебательного уровня) в возбужденное электронное состояние А с заселением одного из его колебательно-вращательных подуровней. Генерация возбуждающего КР излучения с длиной волны _o происходит на обратном переходе на соответствующий вращательный подуровень одного из высоколежащих колебательных уровней Х-состояния.

При работе среды в качестве ослабителя лазерного излучения происходит спектральный переход между возбужденным колебательным уровнем состояния Х и соответствующим колебательным уровнем состояния А.

Приведем оценку коэффициента поглощения возбуждающего излучения для среды, состоящей из газообразной серы (молекула S₂). В этом случае населенность нижнего рабочего перехода в поглощающей среде составляет при t = 800^oC; N_i = N_oexp{ - } = 2,410¹⁵ см^-3, где N_o - населенность уровня o; k - постоянная Больцмана; Т - температура газа (в градусах Кельвина). Верхний рабочий уровень N_k при этом оказывается практически незаселенным. Эффективное сечение соответствующего перехода 10^-15 см². Таким образом, в соответствии с выражением (1) имеем К( _ik) = 1 см^-1, т. е. кювета длиной l 10 см поглощает возбуждающее излучение более, чем в 10⁶ раз, в то время, как полезный сигнал при этом не претерпевает значительного ослабления.

Так как в предлагаемом способе не требуется подстройка частоты возбуждающего излучения к наложению частоты линии поглощения исходного фильтра, то в предлагаемом способе отсутствует необходимость введения в резонатор лазера каких-либо элементов (интерферометра) для перестройки частоты. Это повышает мощность возбуждающего излучения по сравнению с системой, использующей йодный фильтр, более чем в 10 раз.

Стабильность частоты возбуждающего излучения по отношению к частоте полосы поглощения фильтра в предлагаемом способе обеспечивает сохранение подстройки частоты со временем в отличие от системы с иодным фильтром. Это приводит к уменьшению искажений формы низкочастотного спектра КР за счет возможного "ухода" частоты возбуждающего излучения от частоты линии поглощения, характерного для системы с иодным фильтром.

Возможность использования различных молекул (S₂, Se₂ и др. ) для генерации и резонансного поглощения лазерного излучения расширяет диапазон спектра при применении предлагаемого способа регистрации низкочастотных спектров КР по сравнению со способом, основанном на "случайном" совпадении линий генерации и поглощения.

Применение двойного монохроматора для анализа спектра КР в обычной схеме ослабляет возбуждающее излучение в 10⁵-10⁶ раз (при сдвиге частоты = 10 см^-1); полезный сигнал при этом ослабляется на два-три порядка. Это приводит к относительному ослаблению возбуждающего излучения по отношению к КР в 10³ раз. Таким образом, применение предлагаемого способа дает выигрыш в чувствительности к полезному сигналу низкочастотного КР на два-три порядка по отношению к двойному монохроматору. Кроме того, ограничение по минимальному сдвигу регистрируемой частоты в предлагаемом методе связано лишь с шириной спектральной линии перехода, соответствующего лазерной генерации или поглощению света, и составляет 0,1 см^-1.

Применение после предлагаемого фильтра одинарного монохроматора позволит регистрировать низкочастотные спектры с высоким контрастом, повышенной чувствительностью к полезному сигналу и в широком спектральном диапазоне, включающем область, непосредственно примыкающую к положению частоты возбуждающего излучения.

Использование после предлагаемого фильтра спектрографа с многоэлементным приемником света позволит осуществлять скоростную регистрацию низкочастотного спектра КР материалов различных классов: порошков, гетерогенных систем, полупроводников, биологических объектов, сверхпроводящих материалов, характеризующихся наличием колебательных ветвей. (56) 1. Ландсберг Г. С. и Мандельштам. О рассеянии света в кристаллах. Сб. трудов Г. С. Ландсберга. /Под ред. И. М. Фабелинского. Изд-во АН СССР, 1958, с. 101-110.

2. Рассеяние света вблизи точек фазовых переходов. . /Под ред. Г. З. Камминза и А. Б. Лаванюка. М. : Наука, 1990, с. 294-296.