Introduction to Laser Spectroscopy

2022/2023

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

3

ECTS credits

Delivered at:

Joint Department of Quantum Technologies with Prokhorov General Physics Institute (RAS)

Course type:

Elective course

When:

3 year, 1, 2 module

Instructor

Kozlov, Dmitry

Программа дисциплины

Аннотация

Энергии и термы атомов и молекул. Характерные энергии движений в атомах и молекулах. Модели атома Резерфорда и Бора. Атом водорода в моделях Бора и Шрёдингера. Строение молекул. Молекула водорода. Энергия изолированной молекулы. Модель гармонического осциллятора. Ангармонизм. Колебательные термы двухатомной молекулы. Классический линейный ротатор. Вращательные термы и вращательные постоянные двухатомной молекулы. Колебания многоатомных молекул. Нормальные координаты и колебания, число нормальных колебаний. Валентные и деформационные колебания. Вращательные термы многоатомной молекулы; сферический, симметричный и асимметричный волчок. Упругие и неупругие столкновения молекул. Средние расстояния между молекулами, длина свободного пробега и среднее время между столкновениями молекул в газе. Взаимодействие излучения с веществом и спектры. Уравнения Максвелла. Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления; дисперсия показателя преломления (мнимая и действительная части). Формула Планка для теплового излучения. Излучение абсолютно твердого тела. Спонтанное и вынужденное излучение, поглощение. Плотность потока фотонов в падающей волне. Сечения вынужденного излучения и поглощения. Коэффициент поглощения. Однородное уширение линий (лоренцевский контур). Неоднородное уширение линий (допплеровское уширение, гауссовский контур). Заселенность уровней энергии. Вероятность радиационных переходов между электронно-колебательно-вращательными уровнями энергии молекул. Структура спектра, Р-, Q- и R-ветви. Правила отбора. Переходы между колебательными уровнями энергии. Структура спектра колебательно-вращательных полос двухатомных и многоатомных молекул, Р-, Q- и R -ветви отдельного колебательного перехода. Правила отбора. Переходы между вращательными уровнями энергии. Правила отбора. Лазеры и лазерное излучение для спектроскопии. Физические принципы работы, основные элементы и классификация лазеров. Основные свойства лазерного излучения: пространственная когерентность; направленность пучка; временная когерентность; высокая спектральная яркость. Типы и устойчивость резонаторов. Поперечные моды излучения в резонаторе и методы их селекции. Гауссовы пучки и их параметры. Монохроматичность лазерного излучения. Контроль поляризации излучения. Генерация импульсов лазерного излучения и управление их длительностью. Лазеры, наиболее часто используемые для спектроскопии. Принцип работы и примеры схем. Основные методы лазерной спектроскопии и области их использования. Классическая и лазерная спектроскопия поглощения, ограниченная допплеровским уширением. Преимущества использования перестраиваемых лазеров в спектроскопии. Лазерная ИК-спектроскопия поглощения с применением полупроводниковых лазеров. Спектроскопии лазерного возбуждения флуоресценции. Фотоакустическая спектроскопия. Спектроскопия лазерно-индуцированной флуоресценции. Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) света.

Цель освоения дисциплины

• Целями освоения дисциплины Основы лазерной спектроскопии атомов и молекул" являются: формирование у студентов базовых профессиональных компетенций в области структуры спектров энергетических состояний атомов и молекул, строения и характеристик различных типов оптических спектров, физики лазеров, свойств лазерного излучения и методов управления его параметрами физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, методов лазерной спектроскопии; приобретение студентами навыков самостоятельной работы - формирование у студентов подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих планировать и проводить научные исследования анализировать полученные результаты; - развитие у студентов умений, позволяющих формулировать требования к предполагаемым экспериментам по лазерной спектроскопии и проводить качественные и количественные оценки их результатов

Планируемые результаты обучения

• Применяет физические методы теоретического и экспериментального исследования, методы математического анализа и моделирования для постановки задач по развитию, внедрению и коммерциализации новых наукоемких технологий.
• Представляет результаты проведенных физико-математических и прикладных исследований в виде конкретных рекомендаций, выраженных в терминах предметной области

Содержание учебной дисциплины

• общие представления о лазерной спектроскопии как направлении исследований - взаимодействие излучения с веществом и спектры - лазеры и лазерное излучение для спектроскопии; - с войства лазерного излучения
• энергии и термы атомов и молекул

Элементы контроля

• Контрольная работа
• Экзамен

Промежуточная аттестация

• 2022/2023 учебный год 2 модуль
  0.5 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Атомная физика, Борн, М., 1967

Рекомендуемая дополнительная литература

• Лазерная спектроскопия : основные принципы и техника эксперимента, Демтрёдер, В., 1985