レーザーおよび時間分解分光法

レーザーは、高強度でコヒーレントな、波長可変の超短光パルスを提供し、分光学者に化学反応がリアルタイムで展開する様子を、反応中の原子のフェムト秒の動きに至るまで観察することを可能にします。

Definition

レーザーおよび時間分解分光法は、レーザー光の特殊な特性、特に超短パルスを利用して、高感度でスペクトルを記録し、分子プロセスを時間の関数として追跡する分光技術を指します。

Scope

このトピックでは、レーザーによって可能になる分光法について扱います。これには、単色性、コヒーレンス、高強度、超短パルス持続時間など、レーザー光を可能にする特性が含まれます。励起状態および反応ダイナミクスを追跡する時間分解およびポンププローブ技術、超高速およびフェムト秒分光法、フェムト化学、ならびに多光子およびコヒーレントラマン分光法などの非線形法について展開します。これらの方法が拡張する定常状態の電子および振動分光法は、関連トピックで扱われます。

Core questions

• レーザー光のどのような特性が、従来の光源では不可能な分光技術を可能にするのでしょうか？
• ポンププローブ法は、電子検出限界をはるかに超える時間分解能をどのように達成するのでしょうか？
• フェムト化学は、結合の切断と形成中の原子の動きをどのように観察するのでしょうか？
• 非線形および多光子法は、他の方法ではアクセスできない状態にどのようにアクセスするのでしょうか？

Key concepts

• レーザーの特性：コヒーレンス、強度、波長可変性、パルス持続時間
• ポンププローブ分光法
• 超高速およびフェムト秒分光法
• フェムト化学
• 非線形および多光子分光法

Key theories

ポンププローブ時間分解能

最初のレーザーパルスがプロセスを開始し、2番目の遅延パルスがシステムを調査します。遅延をスキャンすることで、検出器の速度ではなくパルス持続時間によって設定される時間分解能でダイナミクスが再構築されます。

フェムト化学

振動周期よりも短いパルスを使用することで、反応分子の遷移状態と中間幾何構造を直接観察でき、活性化錯体を推論からリアルタイムで追跡できるものへと変えることができます。

Clinical relevance

レーザーおよび時間分解分光法は、光合成、視覚、光化学反応などの高速プロセスのメカニズムを明らかにし、微量検出およびリモートセンシングを可能にし、フォトニクス、材料科学、反応ダイナミクス全体で使用される超高速測定ツールを提供します。

History

タウンズ、マイマンらが1960年頃に開発したメーザーとレーザーは、化学にコヒーレントで高強度の光源をもたらしました。パルスの着実な短縮は、1980年代後半のツェワイルによる反応のフェムト秒観測で頂点に達し、フェムト化学を確立し、1999年のノーベル賞で認められました。

Key figures

• Ahmed Zewail
• Theodore Maiman
• Charles Townes

Seminal works

• zewail2000
• atkins2018

Frequently asked questions

分光法は、フェムト秒しか持続しない事象をどのようにして分解できるのでしょうか？

電子検出器ははるかに遅すぎるため、時間分解能は2つの超短レーザーパルス間の遅延から得られます。ポンプがプロセスを開始し、プローブが制御された遅延後にそれをサンプリングし、時間経過を点ごとに構築します。

レーザー光が分光法に非常に役立つのはなぜですか？

レーザーは高強度で、非常に単色性があり、コヒーレントで、しばしば波長可変であり、極めて短いパルスに圧縮することができます。これらの特性が組み合わさることで、非コヒーレントなランプ光源では達成できない、高感度で選択的な、非線形および時間分解測定が可能になります。