ЛА́ЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я

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).