Лазерная спектроскопия

Магистратура 2019/2020

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.04.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 1-й курс, 1-4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Макаров Александр Аркадьевич, Мельников Алексей Алексеевич

Прогр. обучения: Физика

Язык: русский

Кредиты: 10

Контактные часы: 90

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины «Лазерная спектроскопия» являются:  формирование у студентов базовых знаний о современных методах спектроскопии с использованием лазеров, - с акцентом на те методы, которые до появления лазеров были невозможны;  формирование у студентов знаний по теоретическим основам взаимодействия лазерного излучения с веществом и понимания места многочисленных современных экспериментальных методов спектроскопии;  получение студентами навыков и умений самостоятельно ставить и решать конкретные исследовательские задачи в области спектроскопии.  знакомство студентов с многочисленными достижениями лазерной спектроскопии в исследованиях свойств атомов и молекул, а также в практических задачах анализа вещества.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Лазерная спектроскопия» являются:  формирование у студентов базовых знаний о современных методах спектроскопии с использованием лазеров, - с акцентом на те методы, которые до появления лазеров были невозможны;  формирование у студентов знаний по теоретическим основам взаимодействия лазерного излучения с веществом и понимания места многочисленных современных экспериментальных методов спектроскопии;  получение студентами навыков и умений самостоятельно ставить и решать конкретные исследовательские задачи в области спектроскопии.  знакомство студентов с многочисленными достижениями лазерной спектроскопии в исследованиях свойств атомов и молекул, а также в практических задачах анализа вещества.

Планируемые результаты обучения

Иметь навыки (приобрести опыт): - работы с современной научной литературой по актуальным разделам спектроскопии и лазерной физики.
Уметь: - выбирать адекватный метод для решения конкретной физической задачи
Уметь: - пользоваться математическим аппаратом в той мере, которая позволяет получать решение конкретной практической задачи исходя из первых принципов и основных уравнений фундаментальных дисциплин, - в основном, квантовой механики и электродинамики;
Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокая чувствительность,
Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокая селективность
Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокое временное разрешение.

Содержание учебной дисциплины

Предмет лазерной спектроскопии.
Классические долазерные методы спектроскопии: люминесценция, поглощение, комбинационное рассеяние. Преимущества использования лазеров в классических методах. Свойства лазерного излучения. Лазерная спектроскопия - наука о методах, принципиально осуществимых только с использованием лазеров.
Излучение и поглощение света
Скорость спонтанного распада. Метастабильные состояния. Спектр спонтанного излучения. Эффект Доплера и эффект отдачи. Особенности спектра при каскадных переходах с близкой частотой. Коэффициенты Эйнштейна. Сечение индуцированных переходов. Форма линии поглощения. Кинетика индуцированных переходов. Населённости уровней в стационарном режиме. Электродипольное приближение. Правила отбора по четности и угловому моменту. Приближенные правила отбора для атомов и молекул. Примеры слабых переходов. Двухфотонный распад 2s-состояния в атоме водорода. Суперпозиционные состояния. Макроскопическая поляризация. Интенсивность и фаза когерентного излучения. Дифракционная расходимость. Сверхизлучение Дике
Когерентное лазерное возбуждение квантовых систем
Двухуровневая система. Приближение вращающейся волны (резонансное приближение). Уравнения для амплитуд вероятности. Осцилляции Раби в случае точного резонанса. пи/2- и пиимпульс. Векторная модель. Адиабатическое следование при большой отстройке частоты поля от частоты перехода. Инвертирование населённости при свипировании частоты поля через резонанс. Решения уравнения Шредингера с гамильтонианом, периодически зависящим от времени. Квазиэнергетические состояния. Неоднозначность квазиэнергии. Спектр и скорости спонтанных переходов между квазиэнергетическими состояниями. Реальное и виртуальное возбуждение. Кинетические уравнения, описывающие релаксацию населённостей. Матрица плотности. Релаксация недиагональных элементов. Чисто фазовая релаксация. Уравнения Блоха для элементов матрицы плотности. Модель «атом-термостат». Модель «атом-буфер». Переход от когерентного возбуждения к некогерентному. Особенности описания при наличии переходов с близкими частотами. Эффективная двухуровневая система для многофотонного перехода. Штарковский сдвиг уровней. Оптимальная частота поля. Многофотонная частота Раби. Адиабатическое инвертиривание населённости. Бигармоническое возбуждение. Когерентное пленение населённости. Отличие многоступенчатого возбуждения от многофотонного.
Лазерная спектроскопия рассеяния света
Упругое рассеяние. Комбинационное (рамановское) рассеяние (КР). Правила отбора. Альтернативный запрет. Стоксово и антистоксово КР. Сечение рассеяния. Резонансное КР. Гиперкомбинационное рассеяние. Вынужденное КР (ВКР). Усиленное ВКР. Суперпозиционные состояния на комбинационном (или двухфотонном) переходе. Макроскопическая комбинационная (или двухфотонная) поляризация. Стоксова и антистоксова компоненты когерентного рассеяния при наличии комбинационной поляризации. Условие согласования фаз. Когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС). Задержанное КАРС. Четырёхволновое смешение. Отражение бегущей волны от стоячей (обращение волнового фронта). Трехволновое смешение в нецентросимметричных средах. Генерация суммарной и разностной частот. Генерация гармоник
Нелинейное смешение частот.
Четырёхволновое смешение. Отражение бегущей волны от стоячей (обращение волнового фронта). Трехволновое смешение в нецентросимметричных средах. Генерация суммарной и разностной частот.. Генерация гармоник. Фотонное эхо на языке векторной модели. Фотонное эхо, как четырёхволновое смешение. Различные варианты фотонного эха.
Спектроскопия высокой чувствительности.
(а) Сверхчувствительное детектирование: применения в задачах атомной, молекулярной и ядерной физики, аналитической химии, геохимии, контроля окружающей среды, биологии и медицины; проблема детектирования единичных атомов и молекул; спектроскопия возбужденных состояний. (б) Флуоресцентная спектроскопия: квантовый выход флуоресценции; измерение спектров одно- и двухфотонного возбуждения; измерение спектров флуоресценции; предельная чувствительность метода при цикличном взаимодействии; детектирование одиночных атомов; наблюдение квантовых скачков; наблюдение одиночных молекул в матрицах; особенности флуоресцентного метода в инфракрасном (ИК) диапазоне; ап-конверсия. (в) Фотоионизационная спектроскопия: основные схемы возбуждения; эффективные способы фотоионизации из возбуждённых состояний атомов; использование автоионизационных состояний; использование ридберговских состояний: детектирование одиночных атомов; спектроскопия редких радиоактивных изотопов; десорбционно-фотоионизационная спектроскопия с использованием времяпролетной массспектрометрии; увеличение квантового выхода фотоионизации молекул при использовании ультракоротких лазерных импульсов. (г) Абсорбционная спектроскопия: стационарное поглощение; измерение пропускания; многопроходные кюветы; внутрирезонаторный метод; квантовый шум и предельная чувствительность абсорбционной спектроскопии; измерение слабого сигнала на сильном фоне как основная принципиальная трудность. (д) Другие методы спектроскопии возбуждения: оптотермический метод; опторефракционные методы; тепловая линза; фазочувствительное детектирование; оптоакустический метод; оптогальванический метод; фотоотклонение. (е) От некогерентных методов к когерентным: регистрация когерентного излучения на долгоживущих (в частности, ИК) переходах; гетеродинирование сигнала; детектирование в пламёнах, флуоресцирующих средах и плазме; чувствительность метода КАРС по сравнению со спонтанным КР; когерентное гипер-КР для измерения спектров «молчащих» колебательных мод в молекулах. (ж) Дистанционное зондирование: возможности различных спектроскопических методов; лидары.
Спектроскопия высокой селективности
(а) Дифференцирование спектра как общий метод подавления широкого бесструктурного неселективного резонансного фона: частотная модуляция; штарковская спектроскопия; магнитный резонанс; поляризационная спектроскопия; фарадеевская спектроскопия. (б) Стробирование во времени как общий метод подавления нерезонансного неселективного фона: задержанная флоуресценция; задержанное КАРС. (в) Исключение спектральной неоднородности (основные цели): измерение однородного уширения линии; измерение фундаментальной частоты перехода; обнаружение структуры, скрытой неоднородным уширением. (г) Исключение спектральной неоднородности (методы): двойной резонанс; эффект Ханле; вантовые биения; фотонное эхо. (д) Селективность по хромофору и окружению: применение резонансного КР для селективного детектирования хромофоров; фотохимическое выжигание провалов; генерация 2-ой гармоники на поверхности. (е) Селективность по элементам и соединениям: задача селективного детектирования малых концентраций в присутствии фона с близко расположенными линиями поглощения; использование дополнительных селективных процессов - многоступенчатое возбуждение, массспектрометрия, хроматография; создание искусственного изотопического сдвига при ускорении пучков.
Спектроскопия высокого спектрального разрешения.
(а) Общие цели получения узких резонансов: прецизионные измерения спектроскопических постоянных; сверхтонкая и изотопическая структура; исследование эффектов Штарка и Зеемана; измерение лэмбовского сдвига; измерение физических постоянных; лазерная метрология: стандарты частоты. (б) Линейная спектроскопия: применение атомных и молекулярных пучков, охлажденных молекулярных струй; сужение распределения по скоростям при ускорении пучков; лазерное охлаждение ионов в ловушках; замедление и охлаждение атомных пучков резонансным световым давлением; лазерные ловушки для атомов; методы получения бесфононных линий в конденсированной фазе. (в) Субдоплеровская спектроскопия: приложение общих методов исключения спектральной неоднородности; узкие резонансы в спектроскопии насыщения; лэмбовский провал; узкий резонанс в стоячей волне на двухфотонном переходе. (г) Метод разнесённых световых полей: пролетное уширение линий; схема Рамзи для устранения пролетного уширения; идея Рамзи в сочетании с методами когерентной спектроскопии; узкий резонанс эхосигнала когерентного излучения в результате пролета через разнесённые световые лучи.
Спектроскопия временнoго разрешения.
(а) Наблюдение динамики в реальном времени и задачи атомной и молекулярной спектроскопии, химической физики, физики конденсированных сред, биофизики.(б) Релаксация отдельных состояний: измерение времен жизни; применение когерентных эффектов; индуцированное фотонное эхо; вращательная и колебательная релаксация в молекулярных газах, передача возбуждения; применение методов двойного резонанса. (в) Релаксация поляризации: роль неоднородного уширения в затухании поляризации; фотонное эхо и измерение скорости фазовой релаксации; исследование столкновений под малыми углами; исследование спектральной диффузии. (г) Задачи, требующие пикосекундного и субпикосекундного временнoго разрешения: релаксация электронного возбуждения в молекулах и конденсированных средах; молекулярная динамика; мономолекулярный распад; внутримолекулярная релаксация колебательной энергии; спектроскопия и диагностика короткоживущих фрагментов и промежуточных состояний; перенос энергии и диффузия в конденсированных средах; стадии фотостимулированных превращений в биологических системах; фотосинтез; многообразие применяемых методов - флуоресцентная, фотоионизационная и абсорбционная спектроскопия, спектроскопия КР, когерентная спектроскопия; ультракороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы.
Эффекты квантовой интерференции.
Квантовые биения. Эффект Ханле. Когерентное пленение населённости. Электромагнитно индуцированная прозрачность. Эффект АутлераТаунса. Сверхизлучение Дике. Генерация без инверсии. Создание метастабильных перепутанных состояний в системе из двух атомов.

Элементы контроля

Коллоквиум
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.5 * Коллоквиум + 0.5 * Экзамен
Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.3 * Коллоквиум + 0.3 * Промежуточная аттестация (2 модуль) + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины