Основы лазерной спектроскопии - Стенхольм С.
Скачать (прямая ссылка):
" Имеется в виду импульсное ИК возбуждение многоатомных молекул в газовой фазе [92]. — Прим. перев. 174
ГЛАВА 1.
выполнено лишь при больших интенсивностях, а при малых резонатор будет характеризоваться сильным затуханием. На этом основано свойство бистабильности — один и тот же резонатор может и аккумулировать энергию излучения, и пропускать ее при разных мощностях поля. В последние годы такая дисперсионная оптическая бистабильность привлекла большой интерес теоретиков. Для эксперимента эта система тоже представляет несомненный интерес из-за возможности использовать ее в качестве элемента оптической системы обработки информации. Подробности читатель может найти в книге [28].
В этой главе мы рассмотрим воздействие на систему внешнего (лазерного) источника света. Если раньше ^-вектор в резонаторе лазера определялся его геометрией (разд. 1.2), а частота находилась самосогласованно (гл. 3), то теперь частота внешнего поля фиксирована и является независимым параметром.
Если активная среда изменяет фазу, это сказывается на изменении длины волны, что определяет возможность бистабильности. Однако обычно характеристики лазеров таковы, что дисперсия не ведет к бистабильности. Имеет свой аналог в случае заданного поля и бистабильность, вызванная наличием внутри-резонаторного насыщающегося поглотителя (разд. 3.6). При этом источником энергии является внешнее лазерное излучение.
В уравнение для фазы (3.39) входит производная как по времени ф (что ведет к сдвигу частоты), так и по координате (cdtp/dz) (изменение длины волны и /:-вектора). Оба члена зависят от интенсивности, но физические проявления этого различны.
Такие вопросы лазерной физики, как рассеяние, параметрические эффекты, ионизация, а также особенности столкновитель-ных процессов в присутствии излучения не будут рассмотрены. Все они приобрели в последние годы большую значимость, но их разбор выходит за рамки предлагаемого в этой книге подхода. То же относится и к лазеру на свободных электронах. Строгое математическое описание увело бы нас слишком далеко, а короткий обзор современного состояния проблемы очень скоро стал бы устаревшим.
В недавних исследованиях было обнаружено, что оптические системы при определенных условиях проявляют хаотическое поведение. Эта область сейчас еще только начинает развиваться, и мы не можем уделить ей достойного внимания. НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
175
4.2. СПЕКТРОСКОПИЯ НАСЫЩЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ
4.2а. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Изменение состояния двухуровневых атомов, взаимодействующих с сильной бегущей волной, зависит от параметров как поля, так и самого ансамбля частиц. Для линейной спектроскопии характерна ситуация, когда спектр отдельного перехода скрыт под доплеровской шириной ки, которая может превышать ширину однородного контура, маскируя тонкие детали спектра. Лишь использование нелинейных методов позволяет извлечь эту информацию, проявляющуюся в характерных зависимостях разности заселенностей между уровнями от скорости частиц. Типичной является ситуация выжигания провала («дырки») на кривой распределения заселенностей, что приводит и к резким зависимостям индуцированной поляризации среды от частоты.
Направляя слабый пробный луч навстречу мощному, мы, вообще говоря, можем и не заметить отклонения поглощения от доплеровского контура. Эффект насыщения проявляется лишь при условии, что пробное излучение взаимодействует с теми же частицами, которые возбуждаются сильным полем. Для частиц, частота перехода которых близка к частоте сильного поля, увеличивается вероятность возбуждения. Поэтому в этом частотном диапазоне поглощение пробного излучения уменьшается, и среда может оказаться фактически прозрачной.
Такую схему простейшим образом можно реализовать, отразив часть сильного луча навстречу самому себе, как это показано на рис. 4.1. Оба луча имеют одинаковую частоту и взаимодействуют с разными группами атомов, проекции скоростей которых на направление распространения излучения противоположны по знаку. Это схематически показано на рис. 4.2 для случая, когда частота поля отстроена от частоты перехода. За счет большой интенсивности провал на кривой, вызванный сильным полем, гораздо глубже, чем в случае слабого поля. При сканировании частоты лазера к центру линии обе эти «дырки» перекрываются, и в поглощении пробного сигнала регистрируется провал, связанный с сильным излучением (максимум пропускания). Разрешение ограничено полевым уширением линии, но так как пробное поле слабое, удается прописать всю форму кривой насыщенного поглощения. Для лазера мы рассматривали подоб- 176
ГЛАВА 1.
Сильный r?!/voit
Зеркало _\
Зеркссло
У
> ') Образец
К-
ПробHBrtL пучок
Детектор
РИС. 4.1. Типичная схема установки для спектроскопии насыщения. Сильный лазерный пучок проходит сквозь образец, и часть его, отраженная назад, является пробным лучом.
ные явления, проявляющиеся в форме лэмбовских провалов (см. рис. 3.6 и 3.8). Однако при этом оба луча одновременно должны были быть сильными, т. е. дополнительное насыщение при перекрытии провалов оказывалось гораздо меньшим, чем в рассматриваемом здесь случае слабого пробного излучения.
