РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В настоящее время одним из наиболее распространенных и эффективных экспериментальных методов, используемых при изучении динамики кристаллической решетки и механизмов фазовых переходов в твердых телах, является метод спектроскопии рамановского рассеяния света. К преимуществам этого метода относится, во-первых, то, что хотя с его помощью изучается спектр низкоэнергетических возбуждений (до нескольких тысяч см-1), частота рассеянного света лежит в видимом диапазоне, что обуславливает относительную простоту необходимого экспериментального оборудования. Во-вторых, метод рамановского рассеяния позволяет получать прямую информацию о параметре порядка фазовых переходов по поведению мягкой моды, а также избирательно проследить характер поведения отдельных структурных единиц исследуемых соединений. В последнее время, в основном благодаря прогрессу в экспериментальной технике, центр внимания исследователей, изучающих фазовые переходы методом рамановского рассеяния, постепенно смещается к более тонкому анализу спектра, связанному с изучением связей между модами, центральных пиков, отклонений от классического поведения, обусловленных критическими флуктуациями и т.д. Во многих случаях метод рамановского рассеяния света позволил обнаружить и качественно объяснить новые необычные явления.
2.1. Экспериментальная установка для исследования рамановского рассеяния света
Все экспериментальные результаты, вошедшие в настоящую работу, были получены на стандартном, на сегодняшний день, автоматизированном рамановском спектрометре, позволяющем проводить измерения в широком диапазоне частот и температур.
Блок - схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.1. Конструктивно блок - схема состоит из следующих основных узлов: источники возбуждения и блок оптической селекции; осветительное устройство и диспергирующий прибор; система регистрации рассеянного излучения; система управления спектрометром и обработки сигнала; низкотемпературный криостат и блок стабилизации температуры образца. Рассмотрим вкратце каждый из узлов схемы.
Источники возбуждения и блок оптической селекции. В качестве источников монохроматического излучения для возбуждения рамановских спектров в установке использовались лазеры непрерывного и импульсного действия. Для работы в непрерывном режиме применялись аргоновый (ЛГН-503) и гелий-кадмиевый (ЛПМ-11) лазеры. Мощности излучения составляли 150 мВт для линий с длинами волн 4880 и 5145 аргонового лазера и 10 мВт для линии 4416 He-Cd лазера. В качестве импульсного источника излучения использовалась вторая гармоника лазера ЛТИПЧ-7, длина волны которой составляла 5320 при длительности импульса 9 нс, средней мощности в импульсе ?0,1 МВт и тактовой частоте импульсов 25 - 100 Гц.
Для устранения плазменной "подсветки" в установке применялись пространственная фильтрация и широкий набор интерференционных фильтров. Такое совместное использование ирисовых диафрагм (2) (расстояние от источника возбуждения до фокусирующей линзы L1 составляло около 3-х метров) и узкополосных интерференционных фильтров (4) для каждой из линий возбуждения позволило практически полностью устранить мощные плазменные линии, что существенно важно при регистрации сверхслабых световых потоков.
Для варьирования поляризации возбуждающего излучения использовалась ?/2 кварцевая пластинка (5), а также добавочный кварцевый поляризатор (6), позволяющий устранить возникающую при этом незначительную деполяризацию.
Рис. 2.1. Блок-схема автоматизированного рамановского спектрометра.
Цифрами обозначены: 1, 1а - лазеры; 2 - ирисовые диафрагмы; 3 - поворотная призма; 4 - интерференционный светофильтр; 5 - пластинка ?/2; 6 - кварцевый поляризатор; 7 - образец; 8 - кварцевый анализатор; 9 - призма Дове; 10 - деполяризующий кварцевый клин; 11 - микрохолодильник; 12 - блок запуска лазера; 13, 14 - блоки питания; 15 - микро-ЭВМ Д3-28; 16 - персональный компьютер; 17 - гелиевый криостат; 18 - медь - константановая термопара; 19 - схема определения и стабилизации температуры; L1 - L4 - линзы; ДФС-24 - двойной монохроматор; АИ-1024 - анализатор импульсов.
Осветительное устройство и диспергирующий прибор. Оптическая часть спектрометра выполнена по классической 90? схеме рассеяния. Лазерный луч фокусируется в образце (7) собирающей линзой (L1) в тонкий шнур, диаметр которого в фокусе составляет величину порядка 50 мкм. Изображение шнура в образце проецируется двухлинзовым объективом (L2 и L3) на щель монохроматора. Так как изображение шнура находится в плоскости, перпендикулярной входной щели монохроматора, для их необходимого совмещения применялась призма Дове (9), позволяющая повернуть изображение шнура на 90?. В связи с тем, что нормальная работа призмы Дове осуществляется только в параллельных лучах, она помещалась между линзами объектива. Для проведения поляризационных измерений перед призмой Дове размещался кварцевый анализатор (8), что в совокупности с кварцевым поляризатором (6) и изменением ориентации образца сделало возможным получение рамановских спектров со всеми возможными компонентами тензора рассеяния.
В качестве спектрального прибора для частотного анализа рассеянного света применялся двойной монохроматор ДФС-24, спектральные характеристики которого составляют:
- рабочая область спектра 400 - 850 нм;
- относительное отверстие монохроматора 1?5,3;
- фокусное расстояние зеркальных параболических объективов 822 мм;
- обратная линейная дисперсия 0,45 нм/мм;
- дифракционные решетки (реплики) 1200 шт./мм;
- полуширина аппаратной функции для ? = 550 нм не более 1 см-1.
В связи с тем, что используемый монохроматор имеет большую анизотропию пропускания в зависимости от направления поляризации проходящего света по отношению к направлению штрихов дифракционных решеток, непосредственно перед входной щелью монохроматора был установлен деполяризующий кварцевый клин (10), устраняющий данный нежелательный эффект.
Система регистрации рассеянного и