Санкт-Петербургский государственный университет

Химический факультет

Кафедра лазерной химии

Поволоцкий А.В.

Исследование структуры халькогенидных стекол методом спектроскопии комбинационного рассеяния света.

Методическое пособие для лабораторного практикума

Санкт-Петербург

2006

Основы теории комбинационного рассеяния света.

К омбинационное рассеяние света (КР) представляет собой двухфотонный процесс, в котором один фотон ₁(k₁) поглощается и один фотон ₂(k₂) излучается. Причем в процессе рассеяния система переходит из начального состояния в состояние , как показано на Рис. 1. Промежуточное состояние системы в процессе рассеяния часто рассматривается как виртуальный уровень, который может не совпадать со стационарным состоянием системы. Т.е. не происходит непосредственного поглощения или излучения энергии в виде фотонов с участием реальных энергетических уровней.

Удобно рассмотреть основы КР на примере молекулы. Если на молекулу падает излучение с энергией , тогда может происходить ряд процессов:

• Большая часть излучения (в случае непоглощающего вещества) будет проходить сквозь него.

• Небольшая часть излучения будет упруго рассеиваться (по всем направлениям без изменения энергии). Это явление известно как Рэлеевское рассеяние.

• Неупругое рассеяние (эффект комбинационного рассеяния) может проходить двумя путями:

• Рассеяние с энергией фотона - стоксово КР.

• Рассеяние с энергией фотона - антистоксово КР.

Спектр КР представляет собой набор частот стоксовых и антистоксовых компонент, симметрично расположенных относительно частоты линии возбуждения и не зависящих от ее величины. Необходимо отметить, что интенсивность стоксовых частот выше, чем интенсивность соответствующих им антистоксовых частот.

Методика измерения спектров комбинационного рассеяния света.

Существует несколько способов возбуждения комбинационного рассеяния света в образцах различной фазы. В зависимости от размеров, формы, оптических свойств (прозрачность в измеряемом диапазоне длин волн, полированность сторон), фазового состояния образца и т.д., могут применяться следующие способы освещения:

• освещение под углом 90^о для образцов, имеющих форму параллелепипеда, либо помещенных в пробирки жидкостей, с хорошей прозрачностью в измеряемом диапазоне длин волн. Таким образом, возбуждается довольно большой объем образца и, как следствие, увеличивается интенсивность регистрируемого сигнала;

• освещение на просвет порошкообразных образцов, спрессованных в таблетки малой толщины. Толщина таблеток подбирается таким образом, чтобы проходящий лазерный луч полностью рассеивался, но оставалась возможность регистрировать КР- сигнал;

• обратное рассеяние применяется в случае непрозрачных образцов, полностью поглощающих лазерную возбуждающую линию. В этом случае лазерный луч фокусируется на поверхности образца либо обычной тонкой линзой (тогда происходит возбуждение малого "точечного" участка поверхности), либо цилиндрической линзой (в этом случае возбуждается узкая полоска поверхности);

• освещение под углом 45^о. Представляет собой одну из конфигураций обратного рассеяния. Этот способ освещения позволяет в большей степени, чем предыдущий, избавиться от паразитного отраженного от поверхности образца лазерного излучения.

При исследовании халькогенидных стекол, активированных редкоземельными ионами, следует учитывать, что в области прозрачности в видимом диапазоне на спектр КР накладываются линии люминесценции РЗИ. Поэтому для возбуждения ХГС, активированных Er³⁺ необходимо использовать линию 476.5 нм. Эта линия лежит за краем фундаментального поглощения (~500 нм) ХГС, активированных Er³⁺, т.е. в непрозрачной области. Схема освещения представлена на рис. 2.

Рис. 2. Оптическая схема возбуждения спектров КР в исследуемых образцах при освещении под углом в 45^о.