Корреляционная спектроскопия фотонов основана на измерении статистических свойств потока излучения, регистрируемого от исследуемого объекта или в пучке синхротронного источника. В отличие от традиционной спектроскопии, где анализируется спектр интенсивности излучения, данный метод ориентирован на временные флуктуации и пространственно-временные корреляции фотонов. Ключевым инструментом здесь является функция второго порядка когерентности g(2)(τ), описывающая вероятность регистрации двух фотонов с временным интервалом τ.
Эта функция позволяет исследовать такие явления, как шумы источника, динамика наноструктур, движения частиц в растворах и флуктуации, связанные с квантовой природой излучения.
Функция второго порядка когерентности определяется как
$$ g^{(2)}(\tau) = \frac{\langle I(t)I(t+\tau)\rangle}{\langle I(t)\rangle^2}, $$
где I(t) — интенсивность излучения в момент времени t, угловые скобки обозначают статистическое усреднение.
Таким образом, исследование корреляционной функции позволяет количественно охарактеризовать когерентные свойства пучка синхротронного излучения.
Применение корреляционной спектроскопии в физике синхротронного излучения связано с рядом особенностей:
Ультракороткие импульсы. Современные накопительные кольца и линейные ускорители генерируют импульсы длительностью от десятков фемтосекунд до пикосекунд. Их анализ требует сверхбыстрой электроники и детекторов с временным разрешением на уровне пикосекунд.
Высокая интенсивность. Синхротронное излучение обладает чрезвычайно высокой фотонной плотностью, что облегчает корреляционные измерения и позволяет получать достоверную статистику за короткое время.
Широкий спектральный диапазон. Корреляционная спектроскопия может проводиться как в рентгеновской, так и в видимой/ИК-области, позволяя изучать разные масштабы динамических процессов.
Одним из ключевых направлений является динамическое рассеяние рентгеновского излучения (XPCS, X-ray Photon Correlation Spectroscopy). Этот метод основан на регистрации временной автокорреляционной функции интенсивности рассеянного излучения и позволяет исследовать медленные динамические процессы в конденсированных средах.
Основные применения XPCS:
Функция корреляции интенсивности для рассеянного излучения выражается как
g(2)(τ) = 1 + β|g(1)(τ)|2,
где g(1)(τ) — функция когерентности первого порядка, а β — фактор, связанный с экспериментальной геометрией и степенью когерентности пучка.
Детекторы. Используются пикосекундные лавинные фотодиоды, счётчики фотонов на основе кремниевых сенсоров, а также гибридные пиксельные детекторы для рентгеновского диапазона.
Схемы регистрации. Существуют два основных подхода:
Пространственная корреляция. Помимо временных флуктуаций анализируются пространственные корреляции, позволяющие выявить когерентные эффекты, аналогичные явлениям интерференции.
Таким образом, корреляционные методы дополняют традиционные спектроскопические подходы, раскрывая скрытую динамику в физических системах.