7.6. Лазерная спектроскопия

Лазерная спектроскопия – раздел оптической спектроскопии, в основе которого лежит использование лазерного излучения.

В спектральных приборах применяют лазеры с фиксированной или с перестраиваемой частотой в диапазоне от далекой инфракрасной области до вакуумного ультрафиолета. Высокая монохроматичность лазерного излучения дает возможность определять спектральные линии с разрешением 10^–2–10^–3 см^–1. Пространственная когерентность лазерного пучка позволяет фокусировать излучение на площадку размером порядка 100 нм и исследовать малые количества вещества. Благодаря короткой длительности лазерных импульсов можно изучать процессы, протекающие за 10^–8–10^–13 с. Лазерная спектроскопия может быть реализована на значительных расстояниях (например, в атмосфере).

На основе перестраиваемых лазеров разработаны оригинальные методы спектроскопии.

Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия состоит в экспозиции образца между зеркалами резонатора лазера на пути лазерного излучения. Излучение, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через образец. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия – один из наиболее чувствительных методов регистрации слабых линий поглощения: коэффициент поглощения составляет 10^–8–10^–10 см^–1, что позволяет обнаружить примеси атомов с концентрацией до 10^–4 атомов/см³. Методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии определяют в веществе следовые количества Na, Li, Ba, Sr, V и редкоземельных металлов. Он позволяет наблюдать разрушение структуры комплексных соединений.

Спектроскопию комбинационного рассеяния (рамановскую спектроскопию) применяют для изучения органических и неорганических веществ в любых агрегатных состояниях за исключением черных и глубоко окрашенных образцов, а также соединений, демонстрирующих сильную флуоресценцию в видимой части спектра. По спектрам комбинационного рассеяния идентифицируют вещества, исследуют динамику кристаллической решетки, определяют химические связи и группы в молекулах, изучают изомерию, фазовые переходы в образцах, адсорбцию, обнаруживают микропримеси.

Лазерное излучение может возбуждать на поверхности образцов поверхностные акустические волны, что составило основу оптико-акустической спектроскопии твердого тела. Это неразрушающий метод, позволяющий изучать те же свойства вещества, что и абсорбционная спектроскопия, в любом агрегатном состоянии при Т ~ 4–1000 K. Его применяют для высокочувствительного анализа жидкостей (растворы органических соединений, комплексов металлов) и твердых веществ, например, руд.

Использование лазеров с перестраиваемой частотой привело к развитию спектроскопии резонансного комбинационного рассеяния, которое возникает, когда частота возбуждающего света совпадает с областью частот поглощения вещества. Этот метод позволяет определить низкие концентрации веществ, что особенно важно для биологии и биохимии.