ЛА́ЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЛА́ЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я, спектроскопия на основе использования лазерного излучения. Монохроматичность лазерного излучения в сочетании с возможностью перестройки частоты сделало лазер идеальным спектральным прибором (с нулевой шириной аппаратной функции). Высокая интенсивность излучения обеспечивает высокую чувствительность измерений и, вызывая изменения во внутр. состояниях частиц вещества, существенно расширяет возможности Л. с. (см. Нелинейная спектроскопия). Пространственная когерентность излучения позволяет проводить измерения на больших расстояниях (напр., зондирование атмосферы), а также фокусировать излучение в малый объём (размером порядка длины волны) и испарять практически любой материал для его последующего анализа. Лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы, используются для изучения процессов релаксации короткоживущих состояний и др. быстропротекающих физико-химич. процессов.
В Л. с. используются лазеры, перекрывающие частотную область от дальней ИК- до вакуумной УФ-области спектра. Создаются источники излучения и развиваются исследования в терагерцевой области для спектроскопии сложных, в частности биологических, молекул. Монохроматичность излучения в видимой области достигает значения 10–15. Большие перспективы Л. с. связаны с созданием т. н. оптич. линейки, основанной на использовании лазеров с синхронизацией мод, генерирующих последовательность сверхкоротких (до 10–15 с и короче), эквидистантно расположенных когерентных импульсов, которые в шкале частот дают серию практически монохроматич. линий. Такие лазеры могут использоваться и для точных спектральных измерений, и для исследования сверхбыстрых процессов. В Л. с. широко применяются перестраиваемые по частоте лазеры на красителях и компактные полупроводниковые (диодные) лазеры.
Для увеличения чувствительности иногда используют метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии: исследуемое вещество помещают внутрь резонатора лазера, работающего вблизи порога генерации; при этом даже небольшое поглощение существенно сказывается на мощности генерации, за счёт чего и увеличивается чувствительность метода. Совр. методы Л. с. обеспечивают чувствительность регистрации вплоть до одиночных атомов и молекул.
В Л. с. используются обычные методы регистрации (абсорбционный, флуоресцентный), а также новые, появившиеся благодаря лазерам. Так, в оптоакустич. методе регистрируется акустич. сигнал, связанный с тепловым воздействием лазерного излучения на среду. Для исследования газоразрядной плазмы применяется оптогальванич. метод, основанный на измерении изменения проводимости плазмы, возникающего под действием излучения. В фотоионизационном методе исследуются и регистрируются ионы (или электроны), образовавшиеся в результате ионизации атома или молекулы под действием лазерного излучения.
Использование лазеров в спектроскопии комбинационного рассеяния позволило настолько повысить чувствительность этого метода, что в режиме реального времени регистрируются спектры не только конденсированных сред, но и разреженных газов. При этом спонтанное излучение на комбинационной частоте способно стимулировать вынужденное комбинационное рассеяние. Возник новый плодотворный метод – когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния, исследующая рассеяние света в среде, движения в которой предварительно сфазированы лазерным излучением. На хаотич. молекулярное движение, имеющее флуктуационный характер, накладываются регулярные вынужденные колебания с частотой лазерного поля. В результате в среде возбуждается волна когерентных молекулярных колебаний.
Появление новых методов в спектроскопии с применением лазеров связано с нелинейными процессами, возникающими в веществе под действием излучения высокой интенсивности. Такое излучение с частотой вблизи частоты квантового перехода в значит. степени перераспределяет населённости энергетич. уровней, создаёт когерентную суперпозицию квантовых состояний, осуществляет сдвиги и расщепление уровней. Нелинейные спектры при этом оказываются существенно богаче и содержат новые характеристики исследуемых квантовых объектов.
Одним из осн. методов Л. с. стала спектроскопия пробного поля: интенсивное излучение вследствие нелинейного воздействия создаёт изменения в среде; пробное поле слабой интенсивности нелинейного воздействия не оказывает, но в его спектре поглощения (или усиления) проявляются все те изменения, которые создаются сильным полем. Л. с. пробного поля позволяет уменьшать или даже устранять неоднородное уширение спектральных линий, вызванное естеств. причинами: тепловым движением в газе (доплеровское уширение) или различием пространственной конфигурации окружающих частиц в жидкостях и твёрдых телах. При нелинейном взаимодействии оказалось возможным селективно возбуждать только определённую группу атомов или молекул (с заданной скоростью или с заданной конфигурацией окружающих частиц). В спектре пробного поля появляются резонансы, связанные только с выделенными сильным полем группами атомов. Вследствие этого стала возможной спектроскопия, свободная от неоднородного уширения. В газах доплеровское уширение устраняется также при двухфотонных переходах: эффект Доплера существенно или полностью компенсируется либо при одновременном поглощении двух встречных фотонов, либо при поглощении одного фотона и испускании другого в том же направлении.
В Л. с. широко применяются также магнитооптич. и электрооптич. методы, в которых спектр поглощения формируется за счёт смещения энергетич. уровней магнитным или электрич. полем. Здесь так же, как и в методе пробного поля, можно устранить неоднородное уширение. В импульсном варианте развитие получил метод фотонного эха.
Нелинейная Л. с. широко используется для газовых и конденсированных сред. Большие успехи достигнуты в спектроскопии молекул, замороженных в матрицах при гелиевой темп-ре. В этом случае не только удалось избавиться от неоднородного уширения линий, но и зарегистрировать спектры одиночных молекул. Перспективна Л. с. атомов, охлаждённых и локализованных в ловушках (см. Лазерное охлаждение).