Spectroscopie laser et résolue en temps

Les lasers fournissent des impulsions lumineuses intenses, cohérentes, accordables et ultracourtes qui permettent aux spectroscopistes d'observer le déroulement d'événements chimiques en temps réel, jusqu'aux mouvements femtosecondes des atomes pendant une réaction.

Definition

La spectroscopie laser et résolue en temps comprend des techniques spectroscopiques qui exploitent les propriétés particulières de la lumière laser, notamment les impulsions ultracourtes, pour enregistrer des spectres avec une grande sensibilité et pour suivre les processus moléculaires en fonction du temps.

Scope

Ce thème aborde les méthodes spectroscopiques rendues possibles par les lasers : les propriétés de la lumière laser qui les permettent, notamment la monochromaticité, la cohérence, la haute intensité et la durée d'impulsion ultracourte. Il développe les techniques résolues en temps et de pompe-sonde qui suivent la dynamique des états excités et des réactions, la spectroscopie ultrarapide et femtoseconde, la femtochimie, ainsi que les méthodes non linéaires telles que la spectroscopie multiphotonique et Raman cohérente. Les spectroscopies électroniques et vibrationnelles en régime permanent que ces méthodes étendent sont traitées dans des sujets connexes.

Core questions

• Quelles propriétés de la lumière laser permettent des techniques spectroscopiques impossibles avec les sources conventionnelles ?
• Comment la méthode pompe-sonde atteint-elle une résolution temporelle bien au-delà des limites de détection électronique ?
• Comment la femtochimie observe-t-elle le mouvement des atomes lors de la rupture et de la formation de liaisons ?
• Comment les méthodes non linéaires et multiphotoniques accèdent-elles à des états autrement inaccessibles ?

Key concepts

• Propriétés du laser : cohérence, intensité, accordabilité, durée d'impulsion
• Spectroscopie pompe-sonde
• Spectroscopie ultrarapide et femtoseconde
• Femtochimie
• Spectroscopie non linéaire et multiphotonique

Key theories

Résolution temporelle pompe-sonde

Une première impulsion laser initie un processus et une seconde impulsion, retardée, interroge le système ; le balayage du délai permet de reconstruire la dynamique avec une résolution temporelle déterminée par la durée de l'impulsion plutôt que par la vitesse du détecteur.

Femtochimie

En utilisant des impulsions plus courtes qu'une période vibrationnelle, les états de transition et les géométries intermédiaires d'une molécule en réaction peuvent être observés directement, transformant le complexe activé d'une inférence en quelque chose qui peut être suivi en temps réel.

Clinical relevance

La spectroscopie laser et résolue en temps révèle les mécanismes de processus rapides tels que la photosynthèse, la vision et les réactions photochimiques, permet la détection de traces et la télédétection, et fournit les outils de mesure ultrarapides utilisés en photonique, en science des matériaux et en dynamique des réactions.

History

Le maser et le laser développés par Townes, Maiman et d'autres vers 1960 ont fourni à la chimie des sources lumineuses cohérentes et intenses ; le raccourcissement constant des impulsions a culminé avec l'observation femtoseconde des réactions par Zewail à la fin des années 1980, fondant la femtochimie, reconnue par le prix Nobel en 1999.

Key figures

• Ahmed Zewail
• Theodore Maiman
• Charles Townes

Seminal works

• zewail2000
• atkins2018

Frequently asked questions

Comment la spectroscopie peut-elle résoudre des événements qui ne durent que des femtosecondes ?

Les détecteurs électroniques sont beaucoup trop lents ; la résolution temporelle provient donc du délai entre deux impulsions laser ultracourtes : la pompe initie le processus et la sonde l'échantillonne après un délai contrôlé, construisant ainsi le déroulement temporel point par point.

Qu'est-ce qui rend la lumière laser si utile pour la spectroscopie ?

Les lasers sont intenses, hautement monochromatiques, cohérents, souvent accordables, et peuvent être compressés en impulsions extrêmement courtes ; ces propriétés combinées permettent des mesures sensibles, sélectives, non linéaires et résolues en temps que les sources lumineuses incohérentes ne peuvent pas réaliser.