Спектроскопические эксперименты

Принципы спектроскопических экспериментов с использованием лазеров

Спектроскопические эксперименты в лазерной физике представляют собой один из наиболее мощных инструментов исследования структуры вещества, динамики атомов и молекул, а также характеристик плазмы и конденсированных сред. Лазеры, обладая высокой монохроматичностью, когерентностью и возможностью генерации сверхкоротких импульсов, позволяют получать данные с предельно высокой спектральной и временной разрешающей способностью.

1. Абсорбционная спектроскопия Метод основан на измерении поглощения монохроматического излучения образцом. Лазеры дают возможность использовать узкие спектральные линии, что значительно повышает точность измерения коэффициента поглощения. Применяются схемы:

Прямая абсорбция: регистрация ослабления интенсивности при прохождении луча через образец.
Дифференциальная абсорбция (DAS): сравнение интенсивностей двух лазерных линий, одна из которых совпадает с резонансным переходом, другая — нет.
Лазерная спектроскопия с модуляцией частоты: используется для повышения чувствительности при измерениях слабых линий поглощения.

2. Флуоресцентная спектроскопия В данном методе лазер возбуждает электроны атомов или молекул, а регистрируется излучение, возникающее при их возвращении в основное состояние. Лазеры позволяют возбуждать строго определённые переходы, исключая паразитные возбуждения. Особое значение имеет лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF), применяемая для диагностики плазмы и газовых потоков.

3. Раман-спектроскопия Лазеры используются как источники для возбуждения комбинационного рассеяния света. Метод чувствителен к колебательным и вращательным состояниям молекул. Основные разновидности:

Спонтанная Раман-спектроскопия — регистрируется слабое излучение, частота которого сдвинута относительно возбуждающей.
Усиленная Раман-спектроскопия (SERS) — используется металлическая наноструктурированная поверхность для увеличения интенсивности сигнала.
Когерентная антистоксовская Раман-спектроскопия (CARS) — нелинейный метод, обеспечивающий высокий сигнал на фоне низкого шума.

4. Лазерная спектроскопия насыщенного поглощения Метод позволяет преодолеть доплеровское уширение спектральных линий. В схеме используются два встречных лазерных пучка одинаковой частоты: зондирующий и накачивающий. При совпадении частоты с резонансом происходит насыщение перехода и резкое изменение поглощения, что даёт возможность измерять истинные частоты атомных переходов.

Аппаратура для спектроскопических экспериментов

Источники излучения Лазеры могут быть непрерывного (CW) и импульсного действия. Для спектроскопии применяют:

Газовые лазеры (гелий-неоновые, аргоновые, CO₂-лазеры) — для работы в видимой и ИК-области.
Твердотельные (Nd:YAG, Ti:Sa) — часто с перестройкой длины волны.
Лазеры на красителях — для широкого диапазона перестройки.
Полупроводниковые лазеры — для компактных систем и телекоммуникационной спектроскопии.

Спектральная аппаратура

Монохроматоры с дифракционными решётками для выделения узких спектральных интервалов.
Интерферометры Фабри–Перо для сверхвысокого разрешения.
Фурье-спектрометры для регистрации полного спектра с высоким отношением сигнал/шум.

Детекторы

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) для регистрации слабых сигналов.
ПЗС-матрицы (CCD) — для быстрого получения спектров.
Болометры — для ИК-диапазона.

Лазерно-индуцированная плазменная спектроскопия (LIBS)

LIBS основана на фокусировке мощного лазерного импульса на поверхность образца, что приводит к образованию плазмы. Эмиссионный спектр плазмы содержит линии элементов, из которых состоит образец. Преимущества метода:

Не требует сложной пробоподготовки.
Позволяет проводить анализ на расстоянии.
Осуществляет как качественное, так и количественное определение состава.

Высокоточная спектроскопия

Для фундаментальных исследований, таких как измерение постоянных тонкой структуры, сдвига Лэмба или гиперфинных расщеплений, применяются:

Лазеры с оптической перестройкой частоты (optical frequency comb) — позволяют измерять частоты с точностью до 10⁻¹⁵.
Методы двухфотонного возбуждения — исключают доплеровское уширение.
Стабилизация лазеров по резонансам оптических резонаторов или атомным переходам — обеспечивает стабильность частоты на уровне 10⁻¹³ и лучше.

Нелинейные спектроскопические методы

При высоких интенсивностях лазерного излучения проявляются нелинейные эффекты, что открывает возможности для изучения новых явлений:

Четырёхволновое смешение — генерация новых частотных компонент, используемая для зондирования молекулярных состояний.
Двухфотонная абсорбция — позволяет возбуждать переходы, запрещённые для однофотонного поглощения.
Самофокусировка и эффект Керра — применяются для изучения нелинейных свойств среды.

Применение спектроскопических экспериментов

Исследование энергетических уровней атомов и молекул.
Диагностика газоразрядной плазмы, пламени, атмосферных процессов.
Определение элементного состава материалов.
Биомедицинская диагностика (определение патологических изменений тканей).
Мониторинг загрязнений воздуха и воды.