Laser- und zeitaufgelöste Spektroskopie

Laser liefern intensive, kohärente, abstimmbare und ultrakurze Lichtimpulse, die es Spektroskopikern ermöglichen, chemische Ereignisse in Echtzeit zu beobachten, bis hin zu den Femtosekundenbewegungen von Atomen während einer Reaktion.

Definition

Laser- und zeitaufgelöste Spektroskopie umfasst spektroskopische Techniken, die die besonderen Eigenschaften von Laserlicht, insbesondere ultrakurze Impulse, nutzen, um Spektren mit hoher Empfindlichkeit aufzuzeichnen und molekulare Prozesse als Funktion der Zeit zu verfolgen.

Scope

Dieses Thema behandelt spektroskopische Methoden, die durch Laser ermöglicht werden: die Eigenschaften von Laserlicht, die sie ermöglichen, einschließlich Monochromatizität, Kohärenz, hoher Intensität und ultrakurzer Pulsdauer. Es werden zeitaufgelöste und Pump-Probe-Techniken entwickelt, die angeregte Zustände und Reaktionsdynamiken verfolgen, ultraschnelle und Femtosekunden-Spektroskopie und Femtochemie sowie nichtlineare Methoden wie Multiphotonen- und kohärente Raman-Spektroskopie. Die stationären elektronischen und vibrationalen Spektroskopien, die diese Methoden erweitern, werden in verwandten Themen behandelt.

Core questions

• Welche Eigenschaften von Laserlicht ermöglichen spektroskopische Techniken, die mit konventionellen Quellen unmöglich sind?
• Wie erreicht die Pump-Probe-Methode eine Zeitauflösung weit über die elektronischen Detektionsgrenzen hinaus?
• Wie beobachtet die Femtochemie die Bewegung von Atomen während der Bindungsspaltung und -bildung?
• Wie ermöglichen nichtlineare und Multiphotonen-Methoden den Zugang zu sonst unzugänglichen Zuständen?

Key concepts

• Lasereigenschaften: Kohärenz, Intensität, Abstimmbarkeit, Pulsdauer
• Pump-Probe-Spektroskopie
• Ultraschnelle und Femtosekunden-Spektroskopie
• Femtochemie
• Nichtlineare und Multiphotonen-Spektroskopie

Key theories

Pump-Probe-Zeitauflösung

Ein erster Laserpuls initiiert einen Prozess, und ein zweiter, verzögerter Puls untersucht das System; das Scannen der Verzögerung rekonstruiert die Dynamik mit einer Zeitauflösung, die durch die Pulsdauer und nicht durch die Detektorgeschwindigkeit bestimmt wird.

Femtochemie

Durch die Verwendung von Pulsen, die kürzer als eine Schwingungsperiode sind, können die Übergangszustände und intermediären Geometrien eines reagierenden Moleküls direkt beobachtet werden, wodurch der aktivierte Komplex von einer Schlussfolgerung zu etwas wird, das in Echtzeit verfolgt werden kann.

Clinical relevance

Laser- und zeitaufgelöste Spektroskopie enthüllt die Mechanismen schneller Prozesse wie Photosynthese, Sehen und photochemische Reaktionen, ermöglicht den Spurennachweis und die Fernerkundung und bietet die ultraschnellen Messwerkzeuge, die in der Photonik, Materialwissenschaft und Reaktionsdynamik eingesetzt werden.

History

Der Maser und Laser, die um 1960 von Townes, Maiman und anderen entwickelt wurden, lieferten der Chemie kohärente, intensive Lichtquellen; die stetige Verkürzung der Impulse gipfelte in Zewails Femtosekunden-Beobachtung von Reaktionen in den späten 1980er Jahren, wodurch die Femtochemie begründet wurde, die 1999 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde.

Key figures

• Ahmed Zewail
• Theodore Maiman
• Charles Townes

Seminal works

• zewail2000
• atkins2018

Frequently asked questions

Wie kann die Spektroskopie Ereignisse auflösen, die nur Femtosekunden dauern?

Elektronische Detektoren sind viel zu langsam, daher ergibt sich die Zeitauflösung aus der Verzögerung zwischen zwei ultrakurzen Laserpulsen: Der Pump-Puls startet den Prozess, und der Probe-Puls tastet ihn nach einer kontrollierten Verzögerung ab, wodurch der Zeitverlauf Punkt für Punkt aufgebaut wird.

Was macht Laserlicht so nützlich für die Spektroskopie?

Laser sind intensiv, hochmonochromatisch, kohärent, oft abstimmbar und können zu extrem kurzen Pulsen komprimiert werden; diese Eigenschaften zusammen ermöglichen empfindliche, selektive, nichtlineare und zeitaufgelöste Messungen, die inkohärente Lampenquellen nicht erreichen können.