Лазерна спектроскопія

ЛА́ЗЕРНА СПЕКТРО­СКОПІ́Я — роз­діл оптичної спектро­скопії, що базується на викори­стан­ні лазерів як джерел випромінювання, а іноді — й як спектральних приладів. Лазерне ви­промінюва­н­ня має унікал. властивості порівняно з ви­промінюва­н­ням тепл. джерел, завдяки чому досягається сут­тєве покраще­н­ня осн. параметрів, таких як чутливість, роз­діл. здатність, швидкодія традиц. методів оптич. спектро­скопії (абсорбц., флуоресцент., фото­акуст., фотоіонізац., раманівської), а також створюються принципово нові методи — субдоплерівська надвисокої роз­діл. здатності, внутрішньорезонаторна, когерентна антистокс. раманівська, одиноч. молекул, атомів та іонів, нелінійна багатофотон­на спектро­скопії. Особливе місце лазер. ви­промінюва­н­ня у спектро­скопії ви­значається його високою часовою та просторовою когерентністю, наслідком чого є висока монохроматичність (для помір. ширини лінії лазера Δν = 100 Гц та оптич. частоти ν = 5 ∙ 10¹⁴ Гц монохроматичність, яка характеризується від­ноше­н­ням Δν/ν, дорівнює 5 ∙ 10^-13), спектрал. яскравість (інтенсивність світла у Вт/м² на одиничну спектрал. смугу в 1 Гц на одинич. простор. кут 1 стерадіан для неперерв. гелій-неон. лазера потуж. тільки 10 мВт складає 2,5 ∙ 10⁵ Вт/(м² ср Гц), для імпульс. неодим. лазера з модуляцією добротності — 2 ∙ 10¹² Вт/(м² ср Гц), тоді як спектрал. яскравість Сонця складає лише 1,5 ∙ 10^-8 Вт/(м² ср Гц), можливість генерації імпульсів надкороткої тривалості до 10^-15 сек. та фокусува­н­ня ви­промінюва­н­ня у малий обʼєм з характер. роз­мірами порядку довжини хвилі. Сучасні комерц. лазери генерують когерентне ви­промінюва­н­ня у спектрал. діапазоні від вакуум. ультрафіолету (ексимерні лазери на F₂ з довж. хвилі 0,157 мкм та ArF з довж. хвилі 0,193 мкм) до далекого інфрачервоного діапазону 1200 мкм (лазери на CD₃I, HCOOH), тому методи Л. с. можуть бути поширені на весь цей діапазон. Більшість лазерів генерують ви­промінюва­н­ня на фіксов. довжині хвилі, тому ними формується тільки дис­крет. набір довжин хвиль у вказаному діапазоні, за винятком спектрал. зони 0,2–1 мкм, яка повністю пере­кривається діапазоном плав. пере­будови довжини хвилі генерації лазерів на барвниках. Уперше на практиці лазери (з фіксов. довжиною хвилі та високою спектрал. яскравістю) за­стосували у спектро­скопії комбінац. (раманів.) роз­сіюва­н­ня. З роз­витком лазерів з пере­будов. довжиною хвилі монохромат. лазерне ви­промінюва­н­ня використовують для збудже­н­ня резонанс. флуоресценції атомів і молекул, зокрема й з селектив. збудже­н­ням ізотопів елементів. Знач. практич. за­стосува­н­ня набув метод лазерно-еміс. спектро­скопії (laser-induced break­down spectroscopy), в якому сфокусований на поверх­ню зразка потуж. лазер. імпульс короткої тривалості формує плазм. факел, що містить збуджені атоми, характеристичні спектри ви­промінюва­н­ня яких реєструються спектрал. апаратурою. Загалом за допомогою цього методу можна досліджувати усі елементи та зразки будь-якої природи (тверді, рідкі, газоподібні). Його можливості обмежуються лише потужністю лазера, чутливістю та спектрал. діапазоном детектора. Висока монохроматичність у по­єд­нан­ні зі спектрал. яскравістю лазер. ви­промінюва­н­ня лежить в основі методу надвисокої роз­діл. здатності — субдоплерів. спектро­скопії насиченого по­глина­н­ня та насиченої дис­персії. Під дією потуж. монохромат. світл. хвилі, резонансної з оптич. пере­ходом атома (молекули, іона), внаслідок неліній. ефектів насиче­н­ня по­глина­н­ня для певної групи атомів, резонансних із полем, у широкому спектрал. контурі доплерів. роз­ширеної лінії по­глина­н­ня формуються вузькі субдоплерів. спектрал. структури, які можуть детектуватися проб. лазер. хвилею. Вузькі оптичні резонанси, які реєструються у методі субдоплерів. спектро­скопії насиченого по­глина­н­ня, до­зволяють ви­вчати структуру спектрал. лінії, яка за­звичай маскується тепл. рухом часток і від­повід. доплерів. роз­шире­н­ням, та використовуються як квант. репери для стабілізації частоти ви­промінюва­н­ня лазерів, генерації еталон. довжин хвиль для практич. від­творе­н­ня одиниці довжини — метра. Внутрішньорезонаторні методи Л. с. використовують високу чутливість спектра ви­промінюва­н­ня лазерів з широкою лінією генерації (напр., лазерів на барвниках) до наявності в резонаторі лазера середовища з вузькими слабкими лініями по­глина­н­ня. На фоні неперерв. спектра ви­промінюва­н­ня лазера виникають вузькі провали, які від­повід­ають слабким лініям, що не реєструються традиц. методами абсорбц. спектро­скопії через малі рівні по­глина­н­ня. Під­силе­н­ня чутливості при роз­міщен­ні по­глинаючого середовища у резонаторі лазера з ши­рокою лінією генерації можна пояснити ефектом багатьох проходів лазер. ви­промінюва­н­ня через по­глинаюче середовище. Роз­міще­н­ня по­глинаючого середовища у резонаторі лазера практикують також у методах неліній. Л. с. насиченого по­глина­н­ня та багатьох практич. схемах стабілізованих за частотою лазерів, де корис. сигнал формується не як провал у широкосмуг. спектрі, а як резонансна зміна потужності лазера у вузькому діапазоні спектра. В Ін­ституті фізики НАНУ (Київ) за­пропоновано та реалізовано внутрішньорезонаторну частотно-модуляц. спектро­скопію з роз­діл. здатністю 5 ∙ 10¹⁰ та екс­периментально показано, що не­стабільність частоти ви­промінюва­н­ня He-Ne лазера, стабілізованого за резонансами насиченого по­глина­н­ня у метані CH₄, складає всього 7 ∙ 10^-15 за час усередне­н­ня 100 сек. У схемах з внутрішньорезонатор. роз­міще­н­ням по­глинаючого середовища, під дією якого змінюється спектр генерації, лазер сам ви­ступає у ролі спектрал. приладу високої чутливості та роз­діл. здатності. Роз­виток методів генерації коротких лазер. імпульсів від­крив можливість досліджувати швидкісні процеси на часових мас­штабах до сотень атосекунд (1 асек. = 10^-18 сек.). До­статньо вживаним методом ви­вче­н­ня спектрів з високим часовим роз­діле­н­ням є метод pump–probe (накачува­н­ня–детектува­н­ня), коли досліджуване середовище резонансно збуджується коротким лазер. імпульсом, а спектр по­глина­н­ня збудженої системи детектується пробним світл. полем, як правило, з широким спектром з на­ступною реєстрацією спектра по­глина­н­ня класич. спектрал. приладами. Пробний світл. потік може формуватися також імпульс. лазером, зокрема у ви­гляді оптич. суперконтинууму, який утворюється під дією потуж. лазер. ви­промінюва­н­ня фемтосекунд. тривалості. Такі пробні імпульси легко синхронізуються зі збуджуючими, а їхня коротка тривалість дає можливість реєструвати спектри по­глина­н­ня з високим роз­діле­н­ням у часі.

Завантажити статтю