G ówne dzia y spektroskopii laserowej

Transkrypt

1 G ówne dzia y spektroskopii laserowej! absorpcyjna i fluorescencyjna spektroskopia laserowa o zdolno ci rozdzielczej wyznaczonej przez dopplerowsk szeroko linii, " metody absorpcyjne du ej czu o ci, " rezonans magnetyczny spektroskopia starkowska, " spektroskopia wielofotonowa,! subdopplerowska spektroskopia laserowa du ej zdolno ci rozdzielczej, " spektroskopia w skolimowanych wi zkach molekularnych, " spektroskopia nasyceniowa, " spektroskopia polaryzacyjna, " bezdopplerowska spektroskopia wielofotonowa, " spektroskopia przecinania poziomów z u yciem laserów,! laserowa spektroskopia ramanowska,! spektroskopia laserowa z rozdzielczo ci czasow, " wytwarzanie krótkich impulsów laserowych, " pomiary czasów ycia z wykorzystaniem laserów, " dudnienia kwantowe, " echa fotonowe,! metody o skrajnie du ej zdolno ci rozdzielczej, " odrzut fotonowy " optyczne ch odzenie i magazynowanie atomów, " rozdzielczo mniejsza od naturalnej szeroko ci linii. Spektroskopia laserowa 7

2 SPEKTROSKOPIA LASEROWA Z ROZDZIELCZO CI CZASOW Polega na wykorzystaniu bardzo krótkich i silnych impulsów laserowych (o czasie trwania rz du kilku ns, ps lub fs) do bada szybkich procesów niestacjonarnych (np. procesów relaksacji cz steczkowej w gazach i cieczach wywo anych przej ciami spontanicznymi lub zderzeniowymi). 1 nanosekunda ( ) Jedna miliardowa cz sekundy. Jest to krótki czas, w ci gu którego wiat o przebywa odleg o ok. 30 cm. 1 pikosekunda ( ) Jedna trylionowa cz sekundy. W czasie jednej ps wiat o przebiega dystans ok. 0,3 mm. "Zamro one" ruchy cz steczek mo na uzyska jedynie za pomoc laserów wytwarzaj cych pikosekundowe impulsy wiat a. 1 femtosekunda ( ) Jedna kwadrylionowa cz sekundy. W czasie 1 fs wiat o przebiega odleg o ok. 0,3 m, czyli w przybli eniu 1000 odleg o ci mi dzy atomami w krysztale krzemu. Femtosekundowe impulsy wiat a s najkrótszymi zdarzeniami, które s w pe ni wytwarzane, kontrolowane i mierzone przez cz owieka. Do wytwarzania krótkich impulsów wiat a mo na stosowa urz dzenia migawkowe przys aniaj ce i ods aniaj ce wi zk. Najszybsze modulatory elektrooptyczne i elektroniczne urz dzenia do ich sterowania pozwalaj budowa migawki o czasie otwarcia nie krótszym od kilkudziesi ciu pikosekund. Taka metoda jest ma o efektywna, gdy wi kszo wiat a jest przez migawk odrzucana. Spektroskopia laserowa 8

3 Wytwarzanie krótkich impulsów laserowych w laserach z czynnymi o rodkami pompowanymi impulsowo a) o rodki czynne o d ugim czasie relaksacji Las igie (o typowej szeroko ci kilku s) w wietle lasera dla o rodków czynnych o d ugim czasie relaksacji, np. w przypadku lasera rubinowego pompowanego lamp b yskow. Czas ycia rubinu w stanie wzbudzonym 3 ms. Czas trwania impulsu laserowego od kilkuset mikrosekund do kilkunastu milisekund. b) o rodki czynne o krótkim czasie relaksacji Zale no od czasu impulsu pompuj cego, inwersji obsadze oraz nat enia wiat a laserowego dla o rodków czynnych o krótkim czasie relaksacji. Lasery barwnikowe s laserami o krótkim czasie relaksacji (rz du ns). Pompowane krótkimi impulsami lasera N 2 wysy aj impulsy o czasie trwania kilka nanosekund, mocy szczytowej kw i repetycji do 1 khz. W laserach tych mo liwe jest przestrajanie d ugo ci fali z zakresu 0,36-1,2 m. Spektroskopia laserowa 9

4 Otrzymywanie krótkich impulsów w laserach z synchronizacj modów Synchronizacja modów jest podstawow metod otrzymywania impulsów krótszych od jednej nanosekundy. Czynna synchronizacja modów Polega na umieszczeniu w rezonatorze lasera modulatora wiat a (np. komórki Pockelsa) i dostrojeniu cz sto ci modulacji do odleg o ci mi dzymodowej,. Modulacja nat enia przy u yciu komórki Pockelsa Aktywne sprz enie modów metod modulacji nat enia wiat a we wn ce laserowej wskutek dyfrakcji na stoj cej fali ultrad wi kowej. Pasma boczne s sprz one fazowo, a wi c mody oscyluj cego lasera s równie sprz one. W konsekwencji laser emituje ci g impulsów odleg ych od siebie o. Spektroskopia laserowa 10

5 Synchronizacja modów - opis teoretyczny w przypadku modulacji amplitudy Za ó my, e transmisja modulatora zmienia si sinusoidalnie, - g boko modulacji. Cz sto modulacji równa si cz sto ci mi dzymodowej. Amplituda m-tego modu Fazy pasm bocznych okre lone s przez faz cz sto ci podstawowej i faz modulacji. Wszystkie trzy fale s zgodne w fazie w chwilach, Modulacja fal bocznych powoduje powstanie nowych pasm bocznych dla itd. Wypadkowa fala jest superpozycj wszystkich sprz onych fazowo modów zawartych w zakresie cz sto ci, Przy za o eniu ca kowite nat enie wiat a laserowego przybiera posta Spektroskopia laserowa 11

6 Synchronizacja modów, cd Maksima, gdy Impulsy powstaj w odst pach czasu Widmo lasera, w którym ulega sprz eniu 5 albo 41 modów pod u nych Synchronizacja modów - szeroko impulsu Za miar szeroko ci impulsu mo na przyj odleg o minimum od danego g ównego maksimum. G ówne maksimum: najbli szego Najbli sze minimum: Spektroskopia laserowa 12

7 Synchronizacja modów, cd Je li fazy poszczególnych modów s przypadkowe, nat enie wiat a jest wynikiem przypadkowego zdudnienia równoodleg ych cz sto ci. Wp yw synchronizacji modów na czasow zale no nat enia wiat a emitowanego przez laser. Przedstawione s wyniki symulacji numerycznych dla lasera dzia aj cego na 100 modach o jednakowych amplitudach. Je li fazy modów s wybrane losowo (a), nat enie wiat a ma charakter szumu, natomiast w sytuacji, gdy wszystkie fazy s równe zeru (b), laser emituje ci g impulsów. T jest czasem obiegu wiat a w rezonatorze. W obu przypadkach moc rednia lasera jest taka sama, jednak e moc szczytowa w przypadku (b) jest znacznie wi ksza ni w przypadku (a). Zaleta synchronizacji modów - wszechstronno. Przetworniki akusto- i elektrooptyczne mog dzia a w szerokim zakresie widmowym Wady synchronizacji modów - ograniczenia na minimalny czas trwania impulsu. Najkrótsze mo liwe impulsy s rz du pikosekund. - du a wra liwo na dostrojenie cz sto ci modulacji do d ugo ci lasera. - du e koszty uk adów stabilizuj cych d ugo wn ki rezonansowej. - du e koszty uk adów elektronicznych steruj cych przetwornikami. Spektroskopia laserowa 13

8 Bierna synchronizacja modów za pomoc nieliniowego absorbera Polega na wywo ywaniu nasycenia w komórce z absorberem wstawionej do rezonatora lasera. Wspó czynnik absorpcji w takiej komórce maleje wraz z nat eniem promieniowania, - nat enie nasycenia. Za ó my, e wzbudzone s dwa mody laserowe. Ca kowite pole elektryczne w rezonatorze St d nat enie wiat a w rezonatorze jest równe Absorber odczuwa dzia anie redniego nat enia wiat a U redniony po czasie wspó czynnik absorpcji oscyluje z cz sto ci ró nicow równ ró nicy cz sto ci kolejnych modów. Amplitudy wzbudzonych modów s modulowane z cz sto ci ró nicow, co spe nia warunek synchronizacji modów. Metoda ta najlepiej nadaje si do laserów o du ych mocach szczytowych, jak laser neodymowy lub rubinowy. Spektroskopia laserowa 14

9 Bierna synchronizacja modów, cd Wada synchronizacji modów za pomoc nieliniowego absorbera - trudno znalezienia dobrych nasycalnych absorberów dla d ugo ci fal ró nych laserów. Zakres stosowania tej metody jest efektywnie ograniczony do obszaru widmowego, w którym dzia aj nasycalne barwniki organiczne. Pasywna synchronizacja modów przy wykorzystaniu soczewki Kerra Jest to metoda uznawana obecnie za najlepszy sposób synchronizacji modów. Wykorzystuje zale no wspó czynnika za amania wiat a od nat enia wiat a. Samoogniskowanie wiat a w o rodku o nieliniowym wspó czynniku za amania (a) i idea metody synchronizacji modów opartej na efekcie soczewki Kerra (b). Na rysunku (b) lini ci g oznaczony jest kszta t wi zki o du ym nat eniu, a lini przerywan oznaczony jest kszta t wi zki o ma ym nat eniu. Zalety tej metody - mo na j stosowa w szerokim zakresie widmowym. - du a szybko dzia ania (czas relaksacji zjawiska Kerra jest mniejszy od 1 fs.) Mo na wytwarza impulsy krótsze ni 10 fs. Spektroskopia laserowa 15

10 Selekcja impulsów Polega na zastosowaniu selektora impulsów (ang. cavity dumper). Uk ad selektora impulsów. Impulsy o czasie trwania ns i repetycji 1 Hz do 4 MHz. Przyk ad pikosekundowego ród a wiat a Pikosekundowe ród a wiat a do pomiarów spektroskopowych. Pompowanie lasera barwnikowego odbywa si za pomoc lasera argonowego albo lasera Nd:YAG. Spektroskopia laserowa 16