Вход

Лазерная спектроскопия

Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Реферат*
Код 244519
Дата создания 24 февраля 2016
Страниц 20
Мы сможем обработать ваш заказ (!) 29 марта в 12:00 [мск]
Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
390руб.
КУПИТЬ

Описание

Защитил работу лично сам на отлично. ...

Содержание

Введение
Спектральные линии
Принципы спектроскопии
Преимущества лазерной спектроскопии
Новые принципы лазерной спектроскопии
Основные методы лазерной спектроскопии
Заключение
Литература

Введение

Спектр колебаний – это совокупность простых гармонических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение. Спектроскопия – раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. Колебательные движения заряженных частиц, входящих в состав атомов и молекул, сопровождаются поглощением и испусканием электромагнитных излучений. Вид спектра испущенного или поглощенного излучения определяется строением электронной оболочки атомов и молекул, влиянием ядер, а также внешними факторами: составом, температурой, давлением окружающей среды, внешними электрическими и магнитными полями. Большинство наших сведений о структуре атомов и молекул получено в результате спектроскопических исследований. Важнейшие области примен ения спектроскопии – физика атомов и молекул, анализ состава вещества, дистанционные методы изучения окружающей среды, астрофизика. Спектроскопия внесла выдающийся вклад в формирование важнейших физических и астрофизических концепций, в современный уровень понимания атомной и молекулярной физики, а также других естественных наук.
Спектроскопия сыграла решающую роль в создании мазеров и лазеров, развитии квантовой электроники. Но когда в начале 60-х годов нашего столетия были созданы лазеры, стало ясно, что с их использованием спектроскопия вступает в качественно новый этап развития. За прошедшие 35 лет был достигнут прогресс, соизмеримый с предыдущим этапом развития длиной в несколько столетий. В настоящее время трудно представить себе современную оптическую спектроскопию без использования лазеров.
Существует чрезвычайно широкий круг научных и практических задач, для решения которых не требуется слишком детальной информации о спектрах (высокого разрешения спектров). И наоборот, разработаны специальные методы спектроскопии сверхвысокого разрешения для задач, где эта информация играет определяющую роль. Указанные методы существенно различаются. Статья посвящена изложению физических принципов лазерной спектроскопии – спектроскопии, основанной на использовании лазерного излучения. При этом основное внимание будет уделено первому из упомянутых кругу задач, когда достаточно разрешения, не превышающего величины порядка доплеровской ширины спектральной линии (см. ниже).

Фрагмент работы для ознакомления

Так, например, измерения длин волн спектральных линий позволяют определить положения энергетических уровней, а их интенсивности – вероятности переходов. Вероятности переходов, в свою очередь, зависят от волновых функций энергетических уровней, между которыми происходит переход, то есть от распределения зарядов в соответствующих состояниях. Специальные методы спектроскопии высокого разрешения позволяют измерить естественные ширины спектральных линий, то есть минимальные ширины, которые обусловлены потерей энергии за счет излучения. Таким образом, определяются средние времена жизни в возбужденных состояниях.D2Движение атомов приводит к доплеровскому сдвигу спектральных линий отдельных атомов, зависящему от скорости и направления движения относительно регистрирующего прибора. Максвелловское распределение атомов по скоростям приводит к тому, что спектральные линии, присущие разреженным газам, оказываются дополнительно уширенными. Распределение интенсивности излучения по частоте  внутри доплеровской спектральной линии c центром при  описывается гауссовской функциейIω=Iω0exp⁡[-4ln2ω-ω02/δωD2],где D=  (8kT ln2/(mc2))1/2 – полная ширина спектральной линии на полувысоте, зависящая лишь от температуры газа T и массы атомов m (k –постоянная Больцмана, c – скорость света).Такое уширение называется неоднородным доплеровским, поскольку различные участки доплеровского профиля спектральной линии обусловлены поглощением или излучением атомов с различными скоростями и направлениями движения. Доплеровские профили спектральных линий дают распределение по скоростям излучающих объектов и температуру вещества.Из уширения и сдвига спектральных линий можно также получить информацию о столкновительных процессах и межатомных потенциалах взаимодействия. Расщепление спектральных линий в электрических и магнитных полях позволяет измерить величину этих полей, электрические и магнитные моменты, а также выяснить типы связей различных угловых моментов в атомах и молекулах. Сверхтонкая структура спектральных линий дает информацию о взаимодействии между ядрами и электронным облаком и позволяет определить электрические квадрупольные и магнитные дипольные моменты ядер.Это лишь часть примеров, показывающих, как спектроскопия позволяет исследовать микромир. При этом информация резко возрастает с увеличением спектрального разрешения и чувствительности методов детектирования. Преимущества лазерной спектроскопииПрименение лазеров в сочетании с другими современными оптическими и электронными приборами открыло качественно новые возможности в спектроскопии. Эти возможности можно условно разбить на две группы: 1) существенное усовершенствование ранее существовавших методов, что позволяет получать новые результаты, и 2) принципиально новые методы. Кардинальное усовершенствование ранее существовавших методов определяется возможностями концентрации лазерного излучения, которые приближаются к предельным, допускаемым законами физики и возможным лишь для когерентного (регулярного в пространстве и во времени) электромагнитного излучения. К таким принципиальным преимуществам лазерного излучения и вытекающим из них возможностям усовершенствования методов спектроскопии относятся следующие.1. Большая спектральная мощность (концентрация в спектральный интервал), на много порядков превышающая таковую для некогерентных источников. Например, отношение ширины спектра лазерного излучения к его частоте может быть уменьшено вплоть до величины порядка  / =10-14, тогда как для специальных ламп эта величина при меньших либо соизмеримых мощностях излучения составляет 10- 8 или большую величину. Это значительно облегчает проблему снижения уровня шумов. За счет выделения узкого спектрального интервала удается резко снизить уровень шумов приемников и фонового излучения.2. Малая расходимость лазерных пучков (концентрация в малый телесный угол) также дает значительные экспериментальные преимущества. На- пример, при измерении малых коэффициентов поглощения можно использовать большую длину пути через поглощающий образец. При этом фоновые шумы из-за рассеяния света на стенках или окошках кюветы можно устранить значительно легче, чем в случае расходящихся пучков от немонохроматических источников.3. Фокусировка (концентрация в предельно малый объем) и последующее эффективное отображение на щель спектрографа излучения лишь из этого малого объема позволяют резко повысить пространственное разрешение получаемой информации.4. Особенно существенным для спектроскопии высокого разрешения является малая спектральная ширина лазерного излучения (концентрация в спектральный интервал). Помимо уже упомянутых возможностей понизить уровень шумов она позволяет добиться спектрального разрешения, на много порядков превышающего разрешение самых больших по размерам и дорогостоящих спектрографов. В лазерной спектроскопии разрешение часто ограничивается уже не инструментальным разрешением (порядка 1 Гц для непрерывного излучения), а спектральной шириной переходов изучаемых объектов (1 ГГц–1 кГц). (Принципиально новые методы, основанные на использовании нелинейных оптических явлений в спектроскопии, – методы нелинейной лазерной спектроскопии позволяют преодолеть и этот предел.)5. Возможность плавной перестройки частоты высокомонохроматичного узконаправленного лазерного излучения открыла новую эру в спектроскопии, поскольку предоставляет уникальную возможность сочетать сверхвысокое разрешение с большой спектральной яркостью регистрируемых излучений. (Совокупность разработанных к настоящему времени лазеров позволяет перекрыть практически полностью диапазоны длин волн от далекого инфракрасного до далекого ультрафиолетового).6. Концентрация во времени (сверхкороткие импульсы с длительностью вплоть до величин порядка 10 фс) позволяет разрешать во времени сверхбыстрые переходные процессы с длительностью порядка 1014 с, такие, как релаксационные процессы в газах, жидкостях, твердых телах, элементарные химические и биологические процессы.7. Использование лазеров значительно расширяет возможности использования современной электроники и вычислительной техники для автоматизации и повышения точности регистрации и обработки спектроскопической информации.Проиллюстрируем сказанное на примере некоторых методов абсорбционной лазерной спектроскопии.Новые принципы лазерной спектроскопииПри взаимодействии с веществом лазерного излучения, благодаря его высокой интенсивности и монохроматичности, в среде возникают различные нелинейные явления. Наиболее простой и важный нелинейный процесс связан с возникновением насыщения населённостей уровней энергии системы за счёт вынужденных переходов, которая имеет место в основном для частиц, резонансно взаимодействующих с полем.При неоднородном уширении спектральной линии эффекты насыщения приводят к возникновению неравновесного распределения частиц на уровнях. Оно может быть зарегистрировано с помощью пробного поля, частота которого плавно изменяется. В результате линия поглощения пробного сигнала содержит резкие структуры с однородной шириной. На этом эффекте основана лазерная спектроскопия насыщенного поглощения. Т. к. однородная ширина линии может быть на много порядков уже неоднородной ширины, то использование этого метода позволило резко повысить разрешающую способность спектроскопии.Один из нелинейных процессов, используемых в лазерной спектроскопии, обусловлен нелинейной восприимчивостью среды, которая приводит к появлению поляризации в среде на гармониках излучения. При взаимодействии излучения на нескольких частотах возникает поляризация на суммарной, разностной и комбинационных частотах. При многофотонных процессах резонансные особенности возникают, когда сумма частот поглощённого фотона равна частоте перехода между реальными уровнями. Благодаря высокой интенсивности света стало возможным наблюдение различных нелинейных процессов рассеяния света. Особенно большую роль стало играть вынужденное рассеяние света, напр. вынужденное комбинационное рассеяние, Мандельштам - Бриллюэна рассеяние и др. Многие процессы нелинейного рассеяния объясняются четырёхфотонными процессами. Лазерная спектроскопия, основанная на использовании нелинейных процессов, часто наз. нелинейной спектроскопией.Монохроматичность лазерного излучения и избирательный характер взаимодействия излучения с частицами обеспечивают сильно выраженную селективность возбуждения в вещество определённых квантовых состояний частиц, соответствующих резонансным условиям их взаимодействия с полем излучения. Изменение распределения внутренних состояний поглощающей системы под воздействием одного интенсивного когерентного монохроматического излучения влияет на её отклик на поле др. излучения. Этот метод исследования среды наз. спектроскопией двойного резонанса. При большой интенсивности падающего излучения обеспечивается большая плотность возбуждённых состояний в веществе. Это дало возможность приступить к широкомасштабному исследованию физ.-хим. свойств возбуждённых частиц и детальному изучению релаксационных процессов (используя ультракороткие импульсы возбуждающего лазерного излучения) атомов и молекул. Когерентность лазерного излучения применяется для исследования различных нестационарных когерентных процессов в микроволновой области.Фокусируя лазерное излучение, можно производить спектральный анализ микроколичеств вещества, локализованных в малых (до 10-10 см 3) объёмах. С помощью импульсов непрерывного когерентного излучения исследуется комбинационное и резонансное рассеяние атомов и молекул, а также возбуждается флуоресценция на больших расстояниях от источника, что даёт возможность дистанционного анализа атомного или молекулярного состава исследуемого объекта.Основные методы лазерной спектроскопииСпектроскопия рассеяния света включает широкий круг традиционных вопросов спектроскопии рэлеевского (РР) и комбинационного (КР) рассеяния света, а также новых направлений нелинейной спектроскопии рассеяния. Применение лазеров существенно расширило возможности спектроскопии рэлеевского рассеяния прежде всего за счёт детального изучения формы линия рассеяния на флуктуациях плотности, температуры и пр., а также на сфазированных лазерными пучками неоднородностях среды.Гетеродинные методы исследования формы линий рассеяния привели к разработке важного в практическом отношении доплеровского метода измерения скоростей потоков жидкостей и газов. В спектроскопии КР была на несколько порядков повышена чувствительность, что позволило снимать спектры КР в газах низкого давления, и заметно снижено минимальное количество вещества, необходимое для проведения анализов. Наиболее важные направления нелинейной спектроскопии рассеяния света связаны с методами активной лазерной спектроскопии КР, напр. антистоксова и стоксова спектроскопии вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна.

Список литературы

1. Летохов В.С. Лазерная спектроскопия атомов и мо- лекул. М.: Мир, 1979. 483 с.
2. Демтредер В. Лазерная спектроскопия, основные принципы и техника эксперимента. М.: Наука, 1985. 607 с.
3. Сэм М.Ф. Лазеры и их применения // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 92–98.
4. Попов A.K. Введение в нелинейную спектроскопию. Новосибирск: Наука, 1983. 274 с.
Очень похожие работы
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
bmt: 0.00495
© Рефератбанк, 2002 - 2024