Современная лазерная спектроскопия

В. ДЕМТРЁДЕР



            СОВРЕМЕННАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ


Перевод с английского
М.В. Рябининой, Л.А. Мельникова, В.Л. Дербова под редакцией Л.А. Мельникова








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

             Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 10-02-07023д



             В. Демтрёдер
                Современная лазерная спектроскопия. Пер. с англ.: Учебное пособие / В. Демтрёдер — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 1072 с.
             ISBN 978-5-91559-114-0

                Многократно издававшееся руководство профессора В. Демтрёдера «Лазерная спектроскопия» широко известно во всем мире, как уникальное издание, полная энциклопедия лазерной спектроскопии.
                При кардинальной переработке учебника для четвёртого двухтомного издания автор существенно обогатил его новыми достижениями в таких областях, как спектроскопия с помощью коротких и ультракоротких лазерных импульсов, спектроскопия высокого разрешения с помощью перестраиваемых лазеров, спектроскопия одиночных частиц, лазерное охлаждение и лазерные ловушки, новые метрологические возможности, возникшие с появлением фемтосекундной техники, новые типы полупроводниковых лазеров и многое другое.
                 Книга будет востребована как студентами и преподавателями, так и научными работниками, чьи интересы связаны с оптикой, лазерной физикой и спектроскопией.






                                                           Laser Spectroscopy


Vol. 1: Basic Principles


                                                                                       Laser Spectroscopy


                                                                                                                                      Vol. 2: Experimental Techniques







               ISBN 978-5-91559-114-0
               I том ISBN 978-3-540-73415-4 (англ.)
               II том ISBN 978-3-540-74952-3 (англ.)

                                              © 2008, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
                                              © 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

J I

I I—



             ОГЛАВЛЕНИЕ









            Предисловие к четвертому изданию....................................15
            Предисловие к третьему изданию......................................17
            Предисловие к второму изданию.......................................19
            Предисловие к первому изданию.......................................21

Часть I
БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ


            Глава 1 ВВЕДЕНИЕ............................................................25

            Глава 2 ПОГЛОЩЕНИЕ И ИСПУСКАНИЕ СВЕТА.......................................29
               2.1. Моды резонатора.............................................30
               2.2. Тепловое излучение и закон Планка...........................33
               2.3. Поглощение, индуцированное и спонтанное излучение...........35
               2.4. Основные фотометрические величины...........................40
                  2.4.1. Определения............................................40
                  2.4.2. Облучение протяженных поверхностей.....................42
               2.5. Поляризация света...........................................44
               2.6. Спектры поглощения и испускания.............................46
               2.7. Вероятности переходов.......................................50
                  2.7.1. Времена жизни, спонтанные и безызлучательные переходы...51
                  2.7.2. Полуклассическое описание: основные уравнения..........53
                  2.7.3. Приближение слабого поля...............................56
                  2.7.4. Вероятности перехода при широкополосном возбуждении....58
                  2.7.5. Феноменологическое описание явления релаксации.........60
                  2.7.6. Взаимодействие с сильными полями.......................62
                  2.7.7. Соотношения между вероятностью перехода, коэффициентом поглощения и силой линии......................................66

“II                                                                                          I Г

J I

I L

Л

4

                        Оглавление


                 2.8. Когерентные свойства полей излучения...........................67
                    2.8.1. Временная когерентность...................................68
                    2.8.2. Пространственная когерентность............................70
                    2.8.3. Объем когерентности.......................................72
                    2.8.4. Функция когерентности и степень когерентности.............74
                 2.9. Когерентность атомных систем...................................79
                    2.9.1. Матрица плотности.........................................80
                    2.9.2. Когерентное возбуждение...................................81
                    2.9.3. Релаксация когерентно возбужденных систем.................83
                 Задачи..............................................................84

             Глава 3
             ШИРИНЫ И КОНТУРЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ.....................................87

                3.1. Естественная шириналинии.......................................88
                   3.1.1. Лоренцевский контур линии испускаемого излучения..........89
                   3.1.2. Соотношение между шириной линии и временем жизни..........91
                   3.1.3. Естественная ширина линии перехода с поглощением..........93
                3.2. Доплеровская ширина............................................96
                3.3. Столкновительное уширение спектральныхлиний...................101
                   3.3.1. Феноменологическое описание..............................102
                   3.3.2. Соотношения между потенциалом взаимодействия, уширением и сдвигом линии................................................105
                   3.3.3. Сужение линий при столкновениях..........................110
                3.4. Пролетное уширение............................................111
                3.5. Однородное и неоднородное уширение линий......................114
                3.6. Насыщение и полевое уширение .................................116
                   3.6.1. Насыщение населенности уровня оптической накачкой........116
                   3.6.2. Уширение из-за насыщения линий с однородно уширенным контуром.......................................................118
                   3.6.3. Полевое уширение.........................................120
                3.7. Профили спектральных линий в жидкостях и твердых телах........121
                Задачи.............................................................123

             Глава 4
             СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ..................................................126
                4.1. Спектрографы и монохроматоры..................................126
                   4.1.1. Основные характеристики..................................128
                   4.1.2. Призменный спектрометр...................................138
                   4.1.3. Спектрометр с дифракционной решеткой.....................142
                4.2. Интерферометры................................................150
                   4.2.1. Основные понятия.........................................151
                   4.2.2. Интерферометр Майкельсона................................152
                   4.2.3. Фурье-спектроскопия......................................156
                   4.2.4. Интерферометр Маха—Цендера...............................158

“I I

I Г

J I

I I—

                                                                        Оглавление -*J    5

                   4.2.5. Интерферометр Саньяка......................................161
                   4.2.6. Многолучевая интерференция.................................162
                   4.2.7. Интерферометр Фабри-Перо с плоскими зеркалами..............171
                   4.2.8. Конфокальный интерферометр Фабри-Перо......................178
                   4.2.9. Многослойные диэлектрические покрытия......................184
                  4.2.10. Интерференционные фильтры..................................189
                  4.2.11. Двулучепреломляющий интерферометр..........................192
                  4.2.12. Сканирующие интерферометры.................................196
                4.3. Сравнение спектрометров и интерферометров.......................197
                   4.3.1. Разрешающая сила...........................................197
                   4.3.2. Светосила..................................................200
                4.4. Точные измерения длины волны..................................201
                   4.4.1. Точность и достоверность измерений длин волн...............202
                   4.4.2. Современные измерители длин волн.........................204
                4.5. Детектирование света..........................................215
                   4.5.1. Тепловые приемники.........................................217
                   4.5.2. Фотодиоды..................................................224
                   4.5.3. Фотодиодные матрицы........................................234
                   4.5.4. Приборы с зарядовой связью (ПЗС)...........................236
                   4.5.5. Фотоэмиссионные приемники..................................238
                   4.5.6. Методы детектирования и электронное оборудование ..........250
                4.6. Заключение......................................................256
                Задачи...............................................................257

            Глава 5
            ЛАЗЕРЫ КАК ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ.............................260
                5.1. Фундаментальные принципы лазеров................................260
                   5.1.1. Основные элементы лазера...................................260
                   5.1.2. Пороговое условие..........................................261
                   5.1.3. Скоростные уравнения.......................................264
                5.2. Лазерные резонаторы.............................................266
                   5.2.1. Открытые оптические резонаторы.............................267
                   5.2.2. Пространственное распределение поля в открытых резонаторах.270
                   5.2.3. Конфокальные резонаторы....................................272
                   5.2.4. Сферические резонаторы общего вида.........................276
                   5.2.5. Дифракционные потери открытых резонаторов..................277
                   5.2.6. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.......................278
                   5.2.7. Кольцевые резонаторы.......................................283
                   5.2.8. Частотный спектр пассивных резонаторов.....................285
                5.3. Спектральные характеристики лазерного излучения.................287
                   5.3.1. Активные резонаторы и моды лазера..........................288
                   5.3.2. Насыщение усиления.........................................291
                   5.3.3. Пространственное выгорание дырок...........................293
                   5.3.4. Многомодовые лазеры и конкуренция усиления.................294
                   5.3.5. Затягивание мод............................................298

“I I

I Г

J I

I L

Л

6

                        Оглавление


                 5.4. Экспериментальная реализация одночастного режима генерации лазеров.............................................................299
                    5.4.1. Селекция перехода.........................................300
                    5.4.2. Подавление поперечных мод.................................304
                    5.4.3. Селекция одной продольной моды............................305
                    5.4.4. Стабилизация интенсивности................................313
                    5.4.5. Стабилизация длины волны..................................316
                 5.5. Управляемая перестройкадлины волны одночастотных лазеров.......328
                    5.5.1. Методы непрерывной перестройки............................328
                    5.5.2. Калибровка длины волны....................................334
                    5.5.3. Захват на смещенную частоту...............................336
                 5.6. Ширины линий излучения одночастотных лазеров...................336
                 5.7. Перестраиваемые лазеры.........................................339
                    5.7.1. Основные принципы ........................................340
                    5.7.2. Полупроводниковые диодные лазеры..........................341
                    5.7.3. Перестраиваемые твердотельные лазеры......................348
                    5.7.4. Лазеры на центрах окраски.................................352
                    5.7.5. Лазеры на красителях......................................355
                    5.7.6. Эксимерные лазеры.........................................373
                    5.7.7. Лазеры на свободных электронах............................376
                 5.8. Методы нелинейного оптического смешения........................380
                    5.8.1. Физические основы ........................................380
                    5.8.2. Фазовый синхронизм........................................385
                    5.8.3. Генерация второй гармоники................................387
                    5.8.4. Фазовый квазисинхронизм...................................393
                    5.8.5. Генерация суммарной частоты и высших гармоник.............396
                    5.8.6. Рентгеновские лазеры......................................402
                    5.8.7. Спектрометр разностной частоты............................404
                    5.8.8. Оптический параметрический генератор......................408
                    5.8.9. Перестраиваемые лазеры на основе комбинационного рассеяния.......................................................412
                 5.9. Гауссовы пучки.................................................416
                 Задачи..............................................................422


Часть II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ


            Предисловие ко второй части....................................427

            Глава 6
            СПЕКТРОСКОПИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ, ОГРАНИЧЕННАЯ ДОПЛЕРОВСКИМ УШИРЕНИЕМ............................428
               6.1. Преимущества лазеров в спектроскопии....................428

“I I

I Г

J I

I I—

                                                                         Оглавление -*J     7

                6.2. Высокочувствительные методы спектроскопии поглощения...........433
                   6.2.1. Частотная модуляция.......................................434
                   6.2.2. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия поглощения (ICLAS)..........................................................440
                   6.2.3. Спектроскопия «затухающих колебаний резонатора» (CRDS)....449
                6.3. Прямое детектирование поглощенных фотонов......................454
                   6.3.1. Спектроскопия возбуждения флуоресценции...................455
                   6.3.2. Фотоакустическая спектроскопия............................459
                   6.3.3. Оптотермальная спектроскопия..............................465
                6.4. Ионизационная спектроскопия....................................469
                   6.4.1. Основы метода.............................................469
                   6.4.2. Чувствительность ионизационной спектроскопии..............472
                   6.4.3. Импульсный и непрерывный режимы работы лазеров для фотоионизации................................................472
                   6.4.4. Резонансная двухфотонная ионизация (RTPI) в комбинации с масс-спектроскопией............................................475
                   6.4.5. Термоионный диод..........................................477
                6.5. Оптогальваническая спектроскопия...............................478
                6.6. Спектроскопия с модуляцией скорости............................481
                6.7. Лазерный магнитный резонанс и штарковская спектроскопия........482
                   6.7.1. Лазерный магнитный резонанс...............................483
                   6.7.2. Штарковская спектроскопия.................................485
                6.8. Лазерно-индуцированная флуоресценция...........................486
6.8.1. Молекулярная спектроскопия с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции....................................................487
                   6.8.2. Экспериментальные аспекты LIF.............................489
                   6.8.3. LIF многоатомных молекул..................................492
                   6.8.4. Определение распределения заселенностей методом LIF.......494
                6.9. Сравнение различных методов....................................497
                Задачи...............................................................501

             Глава 7
             НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ................................................503
                7.1. Линейное и нелинейное поглощение...............................503
                7.2. Насыщение неоднородной линии...................................511
                   7.2.1. Выжигание дырки...........................................512
                   7.2.2. Провал Лэмба..............................................516
                7.3. Спектроскопия насыщения........................................520
                   7.3.1. Экспериментальные схемы...................................520
                   7.3.2. Сигнал пересечения........................................524
                   7.3.3. Внутрирезонаторная спектроскопия насыщения................525
                   7.3.4. Стабилизация частоты лазера по провалу Лэмба..............528
                7.4. Поляризационная спектроскопия..................................530

“I I

I Г

J I

I L

⁸ “V

                        Оглавление


7.5.

7.6.

                   7.4.1. Основной принцип ......................................530
                   7.4.2. Контур линии поляризационного сигнала..................532
                   7.4.3. Величина поляризационных сигналов......................536
                   7.4.4. Чувствительность поляризационной спектроскопии.........539
                   7.4.5. Преимущества поляризационной спектроскопии.............541
Многофотонная спектроскопия...................................542
                   7.5.1. Двухфотонное поглощение ...............................542
                   7.5.2. Многофотонная спектроскопия без доплеровского уширения..545
                   7.5.3. Влияние фокусировки на величинудвухфотонных сигналов...549
                   7.5.4. Примеры двухфотонной спектроскопии без доплеровского уширения......................................................551
                   7.5.5. Многофотонная спектроскопия............................553
Специальные методы нелинейной спектроскопии...................555
                   7.6.1. Интерференционная спектроскопия насыщения..............555
                   7.6.2. Наведенные лазером бездоплеровские дихроизм и двулучепреломление..........................................558
                   7.6.3. Гетеродинная поляризационная спектроскопия.............561
                   7.6.4. Комбинация различных нелинейных методов................561
                7.7. Заключение..................................................562
                Задачи...........................................................563


             Глава 8
             ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ.....................565
                8.1. Основные принципы...........................................565
                8.2. Экспериментальные методы линейной спектроскопии комбинационного рассеяния........................................................570
                8.3. Нелинейная спектроскопия комбинационного рассеяния..........576
                   8.3.1. Вынужденное комбинационное рассеяние...................577
                   8.3.2. Спектроскопия когерентного антистоксова комбинационного рассеяния света...............................................583
                   8.3.3. Резонансное КАРС и неколлинеарное КАРС.................587
                   8.3.4. Гиперкомбинационное рассеяние..........................589
                   8.3.5. Основные выводы по нелинейной спектроскопии комбинационного рассеяния.....................................................591
                8.4. Специальные методы..........................................591
                   8.4.1. Резонансное комбинационное рассеяние...................591
                   8.4.2. Комбинационное рассеяние, усиленное на поверхности.....592
                   8.4.3. КР-микроскопия.........................................593
                   8.4.4. Спектроскопия комбинационного рассеяния с временным разрешением...................................................594
                8.5. Применения спектроскопии комбинационного рассеяния...........594
                Задачи............................................................597

“I I

I Г

J I

I I—

                                                                        Оглавление -*J     9

             Глава 9 ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКОВ............................598
                9.1. Уменьшение доплеровской ширины.................................598
                9.2. Адиабатическое охлаждение в сверхзвуковых пучках...............607
                9.3. Формирование и спектроскопия кластеров и ван-дер-ваальсовских молекул в холодных молекулярных пучках..............................615
                9.4. Нелинейная спектроскопия молекулярных пучков..................620
                9.5. Лазерная спектроскопия быстрых ионных пучков..................623
                9.6. Применение лазерной спектроскопии быстрых ионных пучков.......626
                   9.6.1. Спектроскопия радиоактивных элементов....................626
                   9.6.2. Спектроскопия фотофрагментации молекулярных ионов........627
                   9.6.3. Спектроскопия фоторасщепления............................629
                   9.6.4. Спектроскопия насыщения в быстрых пучках.................629
                9.7. Спектроскопия холодных ионных пучков...........................630
                9.8. Комбинация спектроскопии молекулярных пучков и масс-спектроскопии...............................................632
                Задачи.............................................................634

             Глава 10
             ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА И МЕТОДЫ ДВОЙНОГО РЕЗОНАНСА........................636
               10.1. Оптическая накачка............................................637
               10.2. Метод двойного радиооптического резонанса.....................643
                   10.2.1. Основные положения......................................643
                   10.2.2. Спектроскопия двойного радиооптического резонанса в молекулярных пучках..........................................646
               10.3. Двойной оптико-микроволновый резонанс.........................650
               10.4. Двойной оптико-оптический резонанс............................653
                   10.4.1. Упрощение сложных спектров поглощения...................655
                   10.4.2. Ступенчатое возбуждение и спектроскопия ридберговских состояний......................................................659
                   10.4.3. Накачка стимулированного излучения......................668
               10.5. Специальные схемы детектирования в спектроскопии двойного резонанса...........................................................671
                   10.5.1. Поляризационая спектроскопия ООДР.......................671
                   10.5.2. Поляризационные метки...................................674
                   10.5.3. Микроволново-оптическая поляризационная спектроскопия двойного резонанса.............................................676
                   10.5.4. Спектроскопия двойного резонанса с выжиганием дырок и ионным провалом..............................................676
                   10.5.5. Спектроскопия тройного резонанса........................677
                   10.5.6. Фотоассоциационная спектроскопия........................679
                Задачи..............................................................680

“I I

I Г

J I

I L

         10          Оглавление

             Глава 11
             ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ С ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ.........................682
                 11.1. Генерация коротких лазерных импульсов........................683
                     11.1.1. ВременнЫе профили импульсныхлазеров....................683
                     11.1.2. Лазеры с модуляцией добротности........................685
                     11.1.3. Разгрузка резонатора...................................687
                     11.1.4. Синхронизация мод лазеров..............................690
                     11.1.5. Генерация фемтосекундных импульсов.....................698
                     11.1.6. Сжатие оптических импульсов............................706
                     11.1.7. Импульсы длительность менее 10 фс при использовании чирпированных лазерных зеркал..................................710
                     11.1.8. Волоконные лазеры и оптические солитоны................713
                     11.1.9. Сверхкороткие импульсы с перестраиваемой длиной волны..716
                    11.1.10. Управление профилем сверхкоротких световых импульсов...721
                    11.1.11. Генерация сверхкоротких импульсов большой мощности.....723
                    11.1.12. На пути в аттосекундный диапазон.......................730
                    11.1.13. Сводка методов генерации коротких импульсов............733
                 11.2. Измерение параметров сверхкоротких импульсов..................735
                     11.2.1. Стрик-камера............................................735
                     11.2.2. Оптический коррелятор для измерения сверхкоротких импульсов......................................................737
                     11.2.3. Метод FROG.............................................747
                     11.2.4. Метод SPIDER...........................................748
                 11.3. Измерения времен жизни с помощью лазеров.....................751
                     11.3.1. Метод фазового сдвига..................................754
                     11.3.2. Одноимпульсное возбуждение.............................756
                     11.3.3. Метод задержанных совпадений...........................757
                     11.3.4. Измерения времен жизни в быстрых пучках................759
                 11.4. Спектроскопия в диапазоне от пикосекунд до аттосекунд........762
                     11.4.1. Двухимпульсная спектроскопия столкновительной релаксации в жидкостях....................................................764
                     11.4.2. Электронная релаксация в полупроводниках...............766
                     11.4.3. Фемтосекундная динамика переходных состояний...........766
                     11.4.4. Наблюдение колебаний в молекуле в реальном времени.....768
                     11.4.5. Аттосекундная спектроскопия процессов во внутренних оболочках атомов...............................................770
                     11.4.6. Методы нестационарной решетки..........................772
                 Задачи.............................................................773

             Глава 12
             КОГЕРЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ..............................................774
                 12.1. Спектроскопия пересечения уровней............................776
                     12.1.1. Классическая модель эффекта Ханле......................776
                     12.1.2. Квантовомеханическая модель............................780

“I I

I Г