Способ лазерного спектрального анализа

 

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

150 4 G О1 N 21 39

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

1 с I

ГОСУД APCTBEHHblA НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPH ГННТ СССР

1 (? 1) 4048300/31-25 (22) 18,03,86 (46) 23.09.89. Бюл. 8 35 (71) Институт физики АН БГСР (72) P.À.Âëàñîâ и Л,А.Джугурян (53) 535.322.2(088,8) (56) Лазерная спектроскопия атомов и молекул. /Под ред. Г,Вальтера, Мир, 1979, с, 119, Летохов В.С., Чеботаев В.H. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. — N. Наука, )975, с ° 279. (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО

АНАЛИЗА

Изобретение относится к спектроскопии и кваытовой электронике и может найти применение н тех областях науки и техники где необходимо измерение узких спектральных линий (узких резонаторов), спектральное разрешение близко расположенных спектральных линий, определение концентраций веществ1 создание высокостабильных и узкополосных эталонных генераторов частоты в оптическом диапазоне.

Целью изобретения является улучшение спектрального разрешения и расширение спектральных воэможностей способа.

Важной проблемой современной бездоплеровской спектроскопии сверхвысокого разрешения и квантовой электроники является измерение и получе— ние узких спектральных линий. Факторами, препятствующими достижению ука„„SU„„1 40324 А 1

2 (57) Изобретение относится к спектроскопии и квантовой электронике. Целью является увеличение спектрального разрешения, Для получения узких спектральных линий пучок атомов или молекул облучают лазерным. излучением. Частота излучения резонансна частоте одного из спектроскопических переходов атомов или молекул, Лазерный пучок направляют перпендикулярно направлению движения пучка атомов и молекул и сканируют поступательно вдоль пучка атомов или молекул со ско-, стью, равной средней скорости атомов или молекул в пучке, l un.

I эанной цели, являются пролетное уширение и квадратичный доплер-эффект.

Частица, имеющая скорость V, пролетает через лазерный луч диаметром д эа время с„ M/V, . Энергия перехода между уровнями не может быть определена с точностью лучше

h аЕ -- (h — постоянная Планка). Это

" np соответствует пролетному уширению

Ь сд „спектральной линии.

Ьа,, - 1/".„= Ч, /а, (1) йР

При Ч, = 10 см/с, d О, 1 см про летное уширение спектральной линии Я пр 10 Гц, 6

Спектральная линия частицы, движу-, щейся со скоростью Ч,,имеет сдвиг

Ьц „, обусловленный квадратичным доплер-эффектом

1 140324

dt

Чср (3) а пролетное уширение

dU „„„= 1/ 5.< = Чср/Р, (4)

Учет пролетного уширения. необходим в случае, если оно превышает естественную ширину линии, что имеет мес- 40 то, например для перехода IS-2S атома водорода, для которого естественная ширина линии равна 1/7 Гц.

В случае, когда скорость сканирова45 ния не равна средней скорости частиц молекулярного или атомного пучка, то частицы в пучке обладают некоторой отличной от нуля скоростью относительно светового пучка и поэтому

50 время пребывания их в световом поле уменьшается, что приведет к увеличению пролетного уширения, Пример 1, Пусть частица движется со скоростью Ч р в атомном

55 или молекулярном пучке, Частица облучается пучком лазерного излучения диаметром d частотой Я, которая резонансна частоте (д одного из спектроско11(11 — — (0 -- °

Чс (2)

2 С

<5

При V, 10 см/с, M = 10 Гц и скорости света (; = 3 10 см/с сдвиг, обусловленнлfA квадратичным доплерэффектом,ЬИАОП- 10 Гц.

Для получения узких спектральных линий используют схему, приведенную на чертеже и поясняющую описываемый 10 способ.

Лазерный пучок 1 диаметром d, направляют перпендикулярно молекулярному или атомному пучку 2, сканируют поступательно со скоростью Ч на расстояние D, где Ч вЂ” скорость частиц молекулярного (атомного) пучка, При измерении двухфотонных спектров перпендикулярно направлению распространения лазерного пучка ставят зер- 20 кало 3 и сканируют поступательно стоячую световую волну. Частота лазерного излучения резонансна частоте одного иэ спектроскопических переходов атомов или молекул, 25

Всл едс тв ие ув еличе ния области взаимодействия частиц молекулярного (атомного) пучка с лазерным пучком, время в течение которого частицы на ходятся в световом пучке определяется 30 выражением пических переходоВ атома или молекулы. Лазерный пучок направлен перпендикулярно движению пучк;1 атомов или молекул и сканируется поступательно на расстояние 0 вдоль лучка атомов или молекул со скоростью V, > равной ско рости движения частицы.

Определим, во сколько раз пролетное уширение при поступательном сканировании лазерного пучка меньше, чем в случаях неподвижного лазерного пучка, Исходя из выражений (1) и (4), d>«ск V D d сР г (5)

Vcp /d D

При Ч, =10 см/с, с1 = 0,1 см, Г

6

10 см, 6Я«= 10 Гц, а Ьсд«с =

=10 Гц,те, f= 10

4 — 2

Как видно из выражения (5), пролетное уширение при поступательном сканировании лазерного пучка может быть уменьшено как при получении однофотонных, так и двухфотонных узких резонансов.

Однако и известном способе для одг нофотонных резонансов существует сдвиг спектральной линии за с.чет линейного доплеровского эффекта, значительно превьш ающий пролетное уширение.

Пример 2. При сканировании светового лучка со скоростью U „ =V p вдоль пучка частиц относительная скорость частиц в системе координат, связанной со сканируемым световым пучком, будет определяться поперечной составляющей, обусловленной конечной расходимостью молекулярного или атомного пучка. Определим, во сколько раэ можно уменьшить квадратичный доплеровский сдвиг, Скорость движущихся частиц в молекулярном (атомном) пучке относительно сканируемого лазерного пучка будет определяться проекцией dV их скоростей V на направление распространения лазерного пучка, вследствие конечной расходи-. мости молекулярного (атомного) пучка.

Для молекулярных (атомных) пучков может быть легко достигнуто следующее значение для d V

dV -й

10 (6) ср откуда из выражений (2) и (6) получим

1 (ЬЧ)) ) -4 Vñ

ЬЯ„,„,„-- - -я- -- 10 -> u (7)

2 С 2 С1

I З40324 где ЬЫ „,„ — сдвиг спектральной нии, обусловленной квадратичным лер-эффектом, при сканировании, Ч = 10 см/с, Я = If Гц, изобретения ли- Формула допПри Способ лаз

Составитель В.Дорофеен

Редактор Л.Пашкова Техред Л.Сердюкова Корректор М,Пожо

Заказ 6801 Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изоб: гениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина,101

d>ion,ск = 1 Гц (8)

Известный способ принципиально не позволяет избавиться от квадратичного доплеровского эффекта.

Как видно иэ выражений (7), (8) 10 и (2), описываемый способ способен. уменьшить квадратичный доллер-эффект на четыре порядка, Таким образом, изобретение имеет воэможность уменьшения пролетного уши-15 рения при измерении как однофотонных, так и двухфотонных резонансов и значительного уменьшения квадратичI ного доплер-эффекта, ерного спектрального анализа, заключающийся в облучении пучка атомов или молекул пучком лазерного излучения, направленным перпендикулярно движению пучка атомов или молекул, частотой, соответствующей резонансной частоте одного иэ спектроскопических переходов атомов или молекул, отличающийся тем, ч то, с целью улучшения спек трального разрешения и расширения функциональных воэможностей способа, пучок лазерного излучения сканируют поступательно вдоль пучка атомов или молекул со скоростью, равной их средней скорости,