HAL Id: jpa-00223296
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00223296
Submitted on 1 Jan 1983
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
OPTOGALVANIC DOUBLE RESONANCE
SPECTROSCOPY OF ATOMIC AND MOLECULAR DISCHARGES
K. Miyazaki, H. Scheingraber, C. Vidal
To cite this version:
K. Miyazaki, H. Scheingraber, C. Vidal. OPTOGALVANIC DOUBLE RESONANCE SPEC-
TROSCOPY OF ATOMIC AND MOLECULAR DISCHARGES. Journal de Physique Colloques,
1983, 44 (C7), pp.C7-411-C7-418. �10.1051/jphyscol:1983739�. �jpa-00223296�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C7, suppl6rnent au nO1l, Tome 44, novembre 1983 page C7-411
OPTOGALVANIC DOUBLE RESONANCE SPECTROSCOPY OF ATOMIC AND MOLECULAR DISCHARGES
K. Miyazaki, H. S c h e i n g r a b e r and C.R. V i d a l
Max PZanck Institut Suer Extraterrestrische Physik, 8046 Garching, F.R. G.
Rgsum6 - La spectroscopie optogalvanique 5 double r6sonance optique a 6t6 6tudi6e theoriquement e t experimentalement en u t i l i s a n t une d6charge de cathode creuse e t deux l a s e r s continus 5 colorant, accordables. Des s i t u a - tions diffgrentes ont 6tB 6tudi6es. Les t r a n s i t i o n s potnp6es par l a s e r ont en co~mun s o i t l T & t a t i n f g r i e u r , s o i t l T & t a t supsrieur, s o i t l e s deux, s o i t aucun Btat. La spectroscopie OGDR a 6t6 d6montrBe dans une dEcharge de ngon, dThydrogSne e t dlazote. Dans l'hydrogsne des t r a n s i t i o n s e n t r e l e s 6 t a t s g%;, i3II j3ag e t l T 6 t a t m6tastable c311U ont Bt6 observges. Dans l ' a z o t e ,
g ' .
l e s transitions entre l e s 6 t a t s cq1nU,
c ' ~ ~ c : , ~ ' ~ x ~
e t l T 6 t a t a " l ~ ; ont 6t6 observ6es e t plusieurs bandes du systiine bTIC:-
a"lCG ont dt6 i d e h i f i s e s pour l a premisre f o i s en pompant l e systSme c4111u-
a " l ~ + g'A b s t r a c t
-
O p t o g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e (OG3R) s p e c t r o s c o p y-
h a s been s t u d i e d t h e o r e t i c a l l y and e x p e r i m e n t a l l y u s i n g a h o l l o w c a t h o d e d i s c h a r g e and two cw dye l a s e r s . D i f f e r e n t s i t u a t i o n s a r e i n v e s t i g a t e d where t h e l a s e r pumped t r a n s i t i o n s h a v e t h e l o w e r a n d / o r t h e u p p e r s t a t e o r no s t a t e i n common.OGDR s p e c t r o s c o p y h a s been d e m ~ n ~ t r a t e d i n a d i s c h a r g e w i t h n e o c , hydrogen o r n i t r o g e n . In hydrogen t r a n s i t i o n s between t h e g 3 1 + i3,
,
j 3 $ s t a t e s and t h e m e t a s t a b l e ~ 3 % s t a t e h a v e been obs%;ved. In n t r o g e n t r a n s i t i o n s between t h e c q 1 4 , c T 5 1 z ~ b T l . L & s t a t e s and t h e a " l ~ + s t a t e h a v e been o b s e r v e d where s e v e r a l b a n d s o f t h e b'7.L;-
J r l . L i s y s t e m have been a s s i g n e d f o r t h e f i r s t t i m e pumping t h e c4 a l t l . L f s y s t e m .g
I n r e c a n t y e a r s , o p t o g a l v a n i c s p e c t r o s c c p y h a s become a w i d e l y used method f o r d e t e c t i n g a t o m i c and m o l e c u l a r t r a c s i t i o n s i n d i f f e r e n t t y p e s o f g a s d i s c h a r g e s and f l a m e s [ l ] . I t h a s g a i a e d c o p s i d e r a b l e i n t e r e s t b e c a u s e o f i t s s i m p l i c i t y and i t s s e n s i t i v i t y . The o p t o g a l v a n i c s i g n a l a m p l i t u d e ~ r i g i n a t e s from t h e l a s e r i n d u c e d c h a n g e s o f t h e p o p u l a t i o n d e n s i t i e s i n s i d e t h e d i s c h a r g e . They c a u s e an impedance c h a n g e a c c o r d i n g t o t h e i o n i z a t i o n r a t e s a s s o c i a t e d w i t h t h e s t a t e s whose p o p u l a t i o n d e n s i t i e s h a v e been m o d i f i e d .
In many c a s e s o p t o g a l v a n i c s p e c t r a r e s e m b l e c c n v e n t i o n a l e m i s s i o n s p e c t r a and i n m o l e c u l a r d i s c h a r g e s , f o r e x a m p l e , o n e f r e q u e n t 1 y e n c o u n t e r s v e r y d e n s e s p e c t r a . F o r t h e a s s i g n m e n t o f u n i d e n t i f i e d s p e c t r a i t was t h e r e f o r e o b v i o u s t o t r y w h e t h e r o n e o f t h e v i r t u e s o f l a s e r s p e c t r c s c a p y , namely t h e o p t i o n o f s t a t e s e l e c t i v i t y , c o u l d be
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1983739
C7-412 JOURNAL DE PHYSIQUE
t r a n s f e r r e d t o t h e o p t o g a l v a n i c s p e c t r o s c o p y . To t h i s e ~ d o n e o f t h e p r e s e n t a u t h o r s h a d p r c p o s e d a s t a t e - s e l e c t i v e , o p t o g a l v a n i c d c u b l e r e s o n a n c e ( O G 3 R ) t e c h c i q u e C L ] .
I n l a s e r s p e c t r o s c o p y s e v e r a l s t a t e - s e l e c t i v e t e c h n i q u e s h a v e b e e n r b p o r t e d s u c h a s l a s e r i n d u c e d f l u c r e s c e n c e , s a t u r a t i o n s p e c t r o s c o p y a n d p o l a r i z a t i o n l a b e l i n g . A l l o f t h e s e m e t h c d s a r e e x t r e m e l y u s e f u l f o r n o n r a d i a t i n g s a m p l e s . 3 s i n g g a s d i s c h a r g e s . t h e s e n s i t i v i t y o f t h e p r e c e d i n g m e t h o d s i s g e n e r a l l y r e d u c e d d u e t o t h e i n t e r f e r i n g s p o n t a n e o u s e m i s s i o n o f t h e s a m p l e w h i c h , h o w e v e r , d o e s n o t i m p e d e o p t o g a l v a n i c t e c h n i q u e s .
F o r t h e s e r e a s o c s we r e c e n t l y s t a r t e d a t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e o p t o g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y u s i n g a n e o n h o l l o w c a t h o d e d i s c h a r g e
[3].
D i f f e r e n t s i t u a t i o n s w e r e i n v e s t i g a t e d w h e r e t h e l a s e r pumped t r a n s i t i c c s h a v e t h e l c w e r a c d / o r u p p e r s t a t eG r n o s t a t e i n ccmmcn a s i n d i c a t e d i n F i g . ? . I t w a s s h o w n t h a t t h e o p t o g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a c c e i s d i r e c t l y r e l a t e d t o a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e s i c g l e r e s o n a n c e s i g n a l s i n d u c e d b y t h e i n d i v i d u a l l a s e r s . A f t e r t h e s i m p l e s i t u a t i o n o f t h e a t o m i c r e o n d i s c h a r g e we t h e e t u r n e d t o i n c l e c u l a r d i s c h a r g e s i n n i t r o g e n a n d h y d r o g e n a n d d e t e c t e d a n d a s s i g n e d s e v e r a l m o l e c u l a r b a c d s o f n i t r o g e n f o r t h e f i r s t time [ I I ] .
F i g . 1 : T h e f o u r t y p e s o f d o u b l e r e s o n a n c e s w h i c h a r e d e n o t e d b y ( a ) N - , ( b ) A - , ( C ) V - ar.d ( d ) P - t y p e d o u b l e r e s o r . a n c e .
T h e f o l l o w i n g s e c t i c n p r e s e n t s a b r i e f s u m m a r y o f t h e o p t c g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e m e t h o d . T h e p r i c c i p l e i s e x p l a i n e d b y m e a c s o f a r a t e e q u a t i o a a p p r o a c h a n d t h e r e s u l t s a r e s u p p o r t e d b y OG3R m e a s u r e m e n t s i n n e o n . T h e f i n a l s e c t i o n s h o w s d c u b l e r e s o n a n c e s p e c t r a i n m o l e c u l a r n i t r a g e r . a n d h y d r o g e n
.
11.
-
P R I N C I P L EI n t h e f o l l o w i n g we c o r s i d e r a n e x p e r i m e n t w h i c h i s s c h e m a t i c a l l y s h o w n i n F i g . 2 a n d w h i c h c c c s i s t s o f a d c d i s c h a r g e a n d t w o cw t u n a b l e l a s e r s d e n o t e d b y l a s e r I a n d l a s e r 11. B c t h l a s e r s a r e t u n e d t o s o m e t r a n s i t i o n o f a n a t o m o r m o l e c u l e i n t h e p l a s m a a n d a r e m o d u l a t e d a t t h e f r e q u e n c i e s ul a n d w2
.
T h e b a s i c i d e a o f t h e OGSR t e c h c i q u e c a n s i s t s o f d e r i v i n g a s i g c a l w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o t h e p r o d u c t o f t h e t w ~ l a s e r i n t e n s i t i e s b y m e a s u r i n g a n i m p e d a n c e c h a n g e o f + t h e d i s c h a r g e a t t h e sum o r d i f f e r e n c e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y % = lwl- .A
w h i c h c a n b e d e t e c t e d b y m e a n s o f a l o c k - i n a m p l i f i e r . S u c h a d o u b l e r e s o n a n c e s i g n a l c a n b e o b s e r v e d i f t h e t w o l a s e r pumped t r a n s i t i o n s h a v e o n e s t a t e i n common o r i f t h e y a r e c o u p l e d b y c o l l i s i o n s . T h e f i r s t s i t u a t i o c g i v e s s t a t e s e l e c t i v e s p e c t r a i f o n e o f t h e t w o l a s e r s i s s t a b i l i z e d c c a p a r t i c u l a r t r a n s i t i o n w h e r e a s t h e s e c o n d l a s e r i s t u n a b l e . T h e s e c o n d s i t u a t i o ~ g i v e s r i s e t o w e a k e r , c o l l i s i o c i n d u c e d s a t e l l i t e s .
CHOPPER
F i g .2: S c h e m a t i c a r r a c g e m e n t o f a n O G D R e x p e r i m e n t .
I f t h e m o d u l a t i o r . f r e q u e n c i e s w l a n d w2 a r e s u f f i c i e n t l y s m a l l , t h e i n s t a n t a n e o u s p o p u l a t i o n d e n s i t i e s i n a n O G 3 R e x p e r i m e n t c a n b e c h a r a c t e r i z e d t o a g o o d a p p r o x i m a t i o n b y a s e t o f l i n e a r i z e d r a t e
e q u a t i o n s + +
d N / d t = F N = 0 ( 1 )
w h e r e + N i s a v e c t o r w h o s e e l e m e n t s Ni d e f i n e t h e p o p u l a t i o n d e n s i t i e s o f s t a t e
l i >
a n d w h e r e F i s a m a t r i x w h o s e d i a g ~ n a l e l e m e n t s F i i g i v e t h e n e t ( d e - ) p o p u l a t i o n o f l e v e l li> a n d w h o s e o f f - d i a g ~ n a l e l e m e n t s F i j g i v e t h e p o p u l a t i o c r a t e f r o m l e v e lI
j> t o l e v e l l i > .F o r e v a l u a t i n g t h e r a t e e q u a t i o n s ( 1 ) ape may p e r f o r m a p e r t u r b a t i o n a p p r o a c h w h e r e
-.
-+C, -?N = N + n ( 2 )
d o
s p e c i f i e s t h e p o p u l a t i o n d e n s i t i e s o f t h e u n p e r t u r b e d s y s t e m w h e r e a si?
s t a n d s f o r t h e l a s e r i n d u c e d c h a n g e s o f t h e p o p u l a t i o n d e n s i t i e s f o r w h i c h we a s s u m eI
nil <<IN: l .
T h e c h a n g e o f t h e p o p u l a t i o n d e n s i t i e s i? i s a f u n c t i o c o f t h e pump r a t e P1 o f l a s e r I a n d o f t h e pump r a t e P2 o f l a s e r 11. T h e pump r a t e P i s g i v e n b y a p r o d u c t c f t h e l a s e r i n t e n s i t y I a n d c f t h e c r o s s s e c t i o n Q i j o f a p a r t i c u l a r t r a n s i t i o n
1
i-
1 J . M i t h t h e s e d e f i n i t i o n s t h e t i m e d e p e n d e n t f r e q u e n c y c o m p o c e n t s o f may b e f o u n d f r o m a T a y l c r e x p a c s i o n o f f i ( P , ,PZ) a r o u n d PI = P I 0 a n d P 2 = P20w h e r e P I 0 a n d P20 a r e t h e s t e a d y s t a t e pump r a t e s o f t h e u n r n o d u l a t e d l a s e r s a n d t h e s u b s c r i p t G i n d i c a t e s t h e q u a n t i t i e s f o r PI
=
P l o a n d P2 = P 2 0 . I n e q u a t i o n ( 3 ) c c l y t h e t e r m s ( P I-
P I O ) a n d ( P 2-
' P 2 0 ) d e p e n d o n t i m e . H e n c e , t h e i n d i v i d u a l terms o f Eq.( 3 )
r e p r e s e n t t h e f r e q u e n c y c o m p o n e n t s a t W=
O , W l,
W 2 , 2Wl ,WD = Wl 2 w2, 2 W2,. . . . .
F o r e v a l u a t i n g t h e p a r t i a l d e r i v a t i v e s o f E q .
( 3 )
we c o m b i n e E q s . ( 1 ) a n d 2 a n d we h a v e t o s p e c i f y t h e m a t r i x F. E x t r a c t i n g t h eJOURNAL DE PHYSIQUE
u n p e r t u r b e d p a r t o f t h e m a t r i x F f o r w h i c h we h a v e b y d e f i n i t i o n F0 No = 0 , we o b t a i n
w h e r e t h e pump v e c t o r P i s g i v e n b y
F
= (FO-
F )iTO
+ +
W i t h t h e p r e c e d i n g e q u a t i o n s o n e o b t a i n s f o r t h e v e c t o r s n I a n d n w h i c h d e f i n e t h e a m p l i t u d e s o f $ a t
wl
ar?d 1 u 2 , r e s p e c t i v e l y I IS i n c e t h e e l e m e n t s o f F a n d
P
a r e l i n e a r f u n c t i o n s o f PI a n d P2,
s e c c n d d e r i v a t i v e s w i t h r e s p e c t t o P1 a n d P 2 h a v e t o v a a i s h . W e t h e r e f o r e o b t a i n f o r t h e
TD
c o m p o n e n t a twD
I
-
I SS
aFan'
n D
=-z
P ~ ( F ~) o - ( -s1
P- -
*2 ~+ -
ap2ap1 ~---I oT h e l a t t e r e q u a t i o n c a n b e w r i t t e n u s i n g E q s . (6) a n d ( 7 ) a s
-+ -3.
s h o w i n g t h a t n D c a n b e g i v e n a s a l i n e a r c c r n b i n a t i o t ? o f terms c o c t a i n i n g n 1 a n d c11. T h i s
i s
o r e o f t h e k e y r e s u l t s f o ra n y
d o u b l e r e s c n a n c e t e c h n i q u e .F o r t h e o p t o g a l v a n i c d e t e c t i o n o n e o b s e r v e s l a s e r i n d u c e d c h a n g e s o f t h e e l e c t r o c d e n s i t y . S i m i l a r t o e q u a t i o n ( 2 ) we may w r i t e
N e = N 0 e + F e ( 1 0 )
w h e r e N O i s t h e u n p e r t u r b e d e l e c t r o n d e n s i t y w h e r e a s n, i s t h e l a s e r i n d u c e d E h a n g e o f t h e e l e c t r o n d e n s i t y . n, c a n b e c a l c u l a t e d t o a g o o d a p p r o x i m a t i o n f r o m t h e s t e a d y s t a t e r a t e e q u a t i o n
w h e r e Nion X N e b e c a u s e o f t h e c h a r g e n e u t r a l i t y r e l a t i o n i n a p l a s m a .
-v
Q
i s a v e c t o r w h o s e e l e m e n t Q i i s t h e i o n i z a t i o n c o e f f i c i e n t o f l e v e l! i > b y e l e c t r o n i m p a c t . P
i s
t h e r a d i a t i v e o r t w o - b o d y r e c o m b i n a t i o n c o e f f i c i e n t f o r a n e l e c t r o n i o r , p a i r . d e n o t e s v a r i o u s l o s s r a t e s o f t h e e l e c t r o n s d u e t o d i f f u s i o c a n d o t h e r p r o c e s s e s . W i t h e q u a t i o n( 1 1 ) we ~ b t a i n
I n t h e s m a l l s i g n a l l i m i t o r e may a s s u m e t h a t t h e i m p e d a n c e c h a n g e G f
t h e OG s i g n a l S i s p r o p o r t i o n a l t o t h e l a s e r i n d u c e d c h a n g e o f t h e e l e c t r o n d e n s i t y n e , S
= a
n,. A s a r e s u l t , t h e OG s i g c a l a m p l i t u d e s S I a tw l ,
S I I a tw2
a n d S D a twD
a r e g i v e n b yAnalogous t o e q u a t i o n ( 9 ) we e x p e c t t h a t t h e o p t c g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e s i g n a l SD i s a l s o d i r e c t l y r e l a t e d t o a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f two t e r m s c o c t a i n i n g S 1 and SIT. T h i s i s c l e a r l y i l l u s t r a t e d i n F i g . 3 where f o r a N-type d o u b l e r e s o n a n c e
i n
n e o r SI, S11 and SD h a v e been measured t u n i n g l a s e r I t o t h e l s 5 - 2 p 4 t r a r s i t i o n and l a s e r I1 t o t h e l s 4 - 2 p 2 t r a n s i t i o n . A s a f u n c t i o r o f t h e g a s p r e s s u r e a l l t h r e e o p t o g a l v a n i c s i g n a l s even c h a n g e s i g n . I t s h c u l d b e n o t e d t h a t f o r a s m a l l r a n g e i n p r e s s u r e b o t h s i n g l e r e s o n a n c e s i g n a l s a r e r a t h e r l a r g e b u t o f o p p o s i t e p o l a r i t y w h e r e a s t h e d o u b l e r e s o c a n c e s i g r a l a l m o s t v a n i s h e s . The s i n g l e r e s o c a n c e s i g c a l s i n Fig..3 a r e s c a l e d down by a f a c t o r 1 0 and 3 0 , r e s p e c t i v e l y . S i m i l a r r e s u l t s h a v e been o b t a i n e d f o r a l l o f t h e f o u r d i f f e r e n t t y p e s o f d o u b l e r e s o n a n c e s shown i n F i g . lp--
F i g . 3 : a e p e n d e n c e o f t h e OG s i g n a l s S1
,
S11 and on t h e neon p r e s s u r e i l l u s t r a t i n g t h a t t h e d o u b l e r e s o n a n c e s i g n a l -SD i S d i r e c t l y r e l a t e d t o a l i n e a r c o m b i n a t i o n o f two t e r m s c o n t a i n i n g SI and SII.15
F o r a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e s i n g l e r e s o r a n c e and d o u b l e r e s o n a n c e s i g n a l a m p l i t u d e s o r e h a s t o s p e c i f y t h e m a t r i x e l e m e n t s F. . i n t e r m s o f t h e c c r r e s p o r d i n g c o l l i s i o r a l and r a d i a t i v e r a t 8 c o e f f i c i e n t s , Cij and Aij. T h i s was d o n e
i r
r e f e r e n c eC31
f o r a g e n e r a l f o u r l e v e l s y s t e m which c o v e r s t h e f o u r t y p e s o f d o u b l e r e s G n a n c e s i n d i c a t e d i n F i g . 1. I t was a l s o shown t h a t s i m p l i f i e d r e l a t i o n s can b e o b t a i n e d i f t h e c c l l i s i o n a l o r t h e r a d i a t i v e r a t e s o r b o t h r a t e s can b e n e g l e c t e d . F o r t h e s e t h r e e l i m i t i n g c a s e s o n e o b t a i n s d i s t i n c t p o l a r i t i e s o f t h e d o u b l e r e s o n a n c e s i g n a l SD deper:dil?g o r t h e p o l a r i t y o f t h e s i n g l e r e s o c a n c e s i g n a l s SI and SII.-
-,
(a)- S'.
10
- :
- &\
\ Is5 1%
7
-
\
V) \
L3 -
0
d \
b1 ,
0
, :
d
,
/'
- 5 - S,
I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .
03 1 10
PRESSURE ITorr)
C7-416 JOURNAL DE PHYSIQUE
111.
-
OPTOGALVANIC 9OVBLE RESONANCE SPECTROSCOPY I N NITROGENA f t e r t h e d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e o p t o g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y i n neon we t h e n t u r a e d t o m o l e c u l a r h o l l o w c a t h o d e d i s c h a r g e s where we f i r s t i n v e s t i g a t e d a d i s c h a r g e
i n
n i t r c g e n . The two dye l a s e r s were o p e r a t e d w i t h r h o d a m i n e 6G c o v e r i n g t h e r a n g e from 5 6 5 t o 6 4 0 nm and t h e y were m o d u l a t e d by a m e c h a n i c a l c h o p p e r a t t h e f r e q u e n c i e s f l=
550Hz
and f 2 = 825 Hz, r e s p e c t i v e l y . Tkie OG3R and OG s i n g l e r e s o n a n c e s p e c t r a were r e c o r d e d s i m u l t a c e o u s l y o c a s t r i p c h a r t r e c o r d e r u s i n g two d i f f e r e n t l o c k - i n a m p l i f i e r s o p e r a t i n g a t 8 2 5 and1375
Hz, r e s p e c t i v e l y .The n i t r o g e n d i s c h a r g e was t y p i c a l l y o p e r a t e d a t a p r e s s u r e o f 0.05 T c r r and a c u r r e n t o f L mA. 'Jnder t h e s e c o n d i t i o n s t h e c o l l i s i o c a l and r a d i a t i v e r a t e s a r e v e r y s m a l l and t h e N-type and A-type d o u b l e r e s c c a n c e s a r e e x p e c t e d t o v a n i s h a s shown i n r e f e r e n c e
3 .
A s a r e s u l t , c c e i s l e f t w i t h t h e V-type and P-type d o u b l e r e s c n a n c e s on1 y . Ic t h e n i t r o g e n and hydrogen d i s c h a r g e s we t h e r e f o r e n o t i c e d p r i m a r i l y o p t ~ g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r a w i t h a common l o w e r l e v e l which g e n e r a l l y was a m e t a s t a b l e s t a t e . The plasma p a r a m e t e r s o f t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e m e n t i o c e d a b o v e were o p t i m i z e d t o e n h a n c e t r a n s i t i o n s t o t h e m e t a s t a b l e a"l + s t a t e . A t h i g h e r p r e s s u r e s o f a b o u t 0 . 5 T c r r t h e o p t o g a l v a n i c s p e c t r u m g w a s d o m i n a t e d by t h e f i r s t p o s i t i v e b a n d s a s a l r e a d y n o t i c e d by Feldmann C51.I I I I I I , ,
5950 6000 (A)
NZ q1lTu - a ' " ~ ; (0,O) B A N D
F i g . 4 : OG s i n g l e r e s o n a n c e s p e c t r u m ( l o w e s t s p e c t r u m ) acd e x a m p l e s o f t h ? OG3R s y e c t r a ( u p p e r t h r e e s p e c t r a ) f o r t h e ( 0 , 0 ) band o f t h e c 4 rlu
-
a" C + s y s t e m o f n i t r o g e n .g
The a n a l y s i s o f t h e n i t r o g e n s p e c t r u m w a s s t a r t e d w i t h t h e m o s t p r o m i n e n t f e a t u r e i n t h e s p e c t r a l r e g i o c i n v e s t i g a t e d . T h i s was t h e
( 0 , O ) band o f t h e c 4 l
nu-
a t l l 2 + s y s t e m f i r s t o b s e r v e d by L e d b e t t e r C61. F i g . 4 s h o w s a s i n g l e r e s o c a n c % s p e c t r u m and O G a R s p e c t r a f o r J = 4 , 6 , 10. A l l s u b s e q u e n t d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r a w e r e o b t a i n e d t u n i n g l a s e r I t o a p a r t i c u l a r P - l i n e o f t h i s b a n d s y s t e m w h e r e a s l a s e r I 1 w a s c o n t i n u o u s l y s c a n n e d o v e r a s m a l l p o r t i o n o f t h e s p e c t r um.
N e x t we o b s e r v e d t h e ( 0 , O ) b a n d o f t h e c j l L:- a r r l L + s y s t e m and v e r i f i e d a r e c e r t a s s i g r . m e n t b y S u z u k i e t a 1 . 1 7 1 who o % t a i n e d t h e i r r e s u l t s f r o m h i g h r e s o l u t i o n D o p p l e r - f r e e s i n g l e r e s o n a n c e s p e c t r a . The s i n g l e and d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r a a r e shown i n t h e l e f t h a l f o f F i g . 5 .
I I I I I I I I I , , I I I
5900 59501A) 6300 6350 (AI
N2 C\ '1;
-
a" (0,O) BAND N2 b'l~;-
a " l ~ + (16,O) BANDg g
F i g . 5 : OG s i n g l e r e s o r a n c e s p e c t r a ( l o w e s t s p e c t r a ) a n d e x a m p l e s o f ( u p p e r t h r e e s p a c t r a ) f o r t h e ( Q , @ ) band o f t h e s y s t e m ( l e f t h a l f ) and f o r t h e ( 1 6 , O ) band o f t h e s y s t e m ( r i g h t h a l f ) o f t h e N2 m o l e c u l e .
I n s c a n n i n g t h r a u g h t h e r e m a i n i n g p a r t o f t h e t u n i n g r a n g e we n o t i c e d t w o m o r e b a n d s w h i c h t u r n e d o u t t o b e u n i d e n t i f i e d . The d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r u m i d e n t i f i e d a g a i r t h e l o w e r e l e c t r o n i c s t a t e a s t h e a n ' + s t t$. The P- a n d R - d o u b l e t i c d i c a t e d t h a t t h e e x c i t e d s t a t e had t o
tk!
a8 L
s t a t e . The l i n e p o s i t i o n s w e r e m e a s u r e d u s i n g t h e OG s i n g l e r e s o n a n c e s p e c t r u m o f a n e o n h o l l o w c a t h o d e d i s c h a r g e . From a l e a s t s q u a r e s f i t o f t h e m e a s u r e d l i n e p c s i t i o r s we d e t e r m i n e d t h e b a n d o r i g i n and t h e l o w e s t o r d e r r o t a t i o r a l c o n s t a r t B',. B a s e d o r a r e c e n t r e v i e w o f L o f t h u s e t a l . [ 8 ] a n d b a s e d o r m e a s u r e m e n t s o f C a r r o l l e t a 1 . 1 9 1 we f d e n t i f i q d t h e two new b a n d s a s t h e ( 1 6 , O ) and ( 1 7 , 0 ) b a n d s o f t h e b r l-
all1 s y s t e m . 3 s i a g t h e d a t a o f L e d b e t t e r E63 q r d o f C a r r o l l e t a l . [ g J o u r b a n d o r i g i n s a g r e e d b e t t e r t h a n 1 cm-.
T h i s a g r e e m e n ti s
r a t h e r good i n v i e w o f t h e f a c t t h a t t h e b a n d s a r e p e r t u r b e d and t h a t t h e d a t a o f C a r r o l l e t a l . o r i g i n a t e f r o m vacuum uv m e a s u r e m e n t s a r c u n d 8 7 nm w h e r e t h e c a l i b r a t i o n a l d i f f i c u l t i e s a r e r a t h e r s e v e r e . The r i g h t h a l f o f F i g . 5 s h o w s t h e OG s i n g l e r e s o n a n c e s p e c t r u m and e x a m p l e s o f t h e O G 3 R s p e c t r a f o r t h eC7-418 JOURNAL DE PHYSIQUE
( 1 6 , O )
b a n d o f t h e b f 1 x = - a r t s y s t e m o f t h e N m o l e c u l e . T h e( 1 7 , 0 )
b a n d of t h e s a m e s y s t e m i s shown i n F i g . 3 o f r e g e r e n c eC4J.
S i m i l a r OG3R s p e c t r a h a v e b e e n o b t a i n e d i n m o l e c u l a r hyd o g e n b e t w e e n t h e g 3 ~ ; ,
i3n , j 3 n ,
s t a t e s a n d t h e m e t a s t a b l e c'% s t a t e . We o b s e r v e d s e v e r a ? u n i d e n t i f i e d o r i n c o r r e c t l y a s s i g n e d l i n e s . G o n t h i s i s s t i l l i n p r o g r e s s .C o m p a r i n g t h e m e a s u r e m e n t s o f F i g s .
4
a c d 5 a l l d o u b l e r e s c n a n c e s p e c t r a c l e a r l y s h o w a d d i t i o n a l l i n e s b e s i d e s t h e OGDR l i n e s . T h e s e a d d i t i o c a l l i n e s o r i g i n a t e f r o m c o l l i s i o n i n d u c e d t r a n s i t i o n s w i t h i n t h e e x c i t e d s t a t e . We c o t e t h a t t h e c o l l i s i o n i n d u c e d s a t e l l i t e l i n e s l i n e u p w i t h OGDR l i n e s p u m p i n g t h e c o r r e s p o n d i n g s t a t e w i t h a d i f f e r e n t t o t a l a n g u l a r m o m e r t u m J l .I n s u m m a r y , we h a v e c a r r i e d o u t a d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e G p t o g a l v a n i c d o u b l e r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y . A c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e o r y a n d e x p e r i m e n t w a s p e r f o r m e d i n a n e o n h o l l o w c a t h o d e d i s c h a r g e . I t i s shown t h a t t h e OG3R s i g c a l i s d i r e c t l y r e l a t e d t o a l i n e a r c c m b i n a t i ~ e o f t w o terms c o n t a i n i n g t h e s i n g l e r e s o c a n c e s i g n a l s . T h e s i g n a l p o l a r i t y w a s i n v e s t i g a t e d f o r t h e d i f f e r e n t t y p e s o f d o u b l e r e s o n a n c e s a p d i t a g r e e s w i t h t h e p r e d i c t i o n s o f t h e t h e a r y . The OG3R m e t h o d w a s f i n a l l y a p p l i e d t o d i s c h a r g e s i n m o l e c u l a r r i t r o g e n a n d h y d r o g e n a n d b a n d s i n n i t r o g e n h a v e b e e n a s s i g c e d f o r t h e f i r s t t i m e .
R e f e r e n c e s
[ l ]
J . E . M . G o l d s m i t h a n d J . E . L a w l e r , C o n t e m p . P h y s ., 2 3 5 ( 1 9 8 1 )
a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n .C23
C . R . V i d a 1 , O p t . L e t t . 5, 158 ( 1 9 8 0 ) .
131
K . M i y a z a k i , H - S c h e i n g r a b e r a n d C . R . V i d a 1 , P h y s . R e v . A , t o b e p u b 1 i s h e d .1 4 1
K . M i y a z a k i , H . S c h e i n g r a b e r a n d C . R . V i d a 1 , P h y s . Rev. L e t t .2 ,
1046 ( 1 9 8 7 ) .
--
C51
i ) . F e l d m a n n , O p t . Commun.29 , 6 7 ( 1 9 7 9 ) .
C61 J . W . L e d b e t t e r , J r . , J . M o 1 , ~ p e c t r o s c .
