Лазерная и времяразрешенная спектроскопия

Лазеры генерируют интенсивные, когерентные, перестраиваемые и ультракороткие импульсы света, которые позволяют спектроскопистам наблюдать химические события в реальном времени, вплоть до фемтосекундных движений атомов во время реакции.

Definition

Лазерная и времяразрешенная спектроскопия включает спектроскопические методы, которые используют особые свойства лазерного света, особенно ультракороткие импульсы, для регистрации спектров с высокой чувствительностью и отслеживания молекулярных процессов в зависимости от времени.

Scope

Эта тема охватывает спектроскопические методы, основанные на использовании лазеров: свойства лазерного света, которые делают их возможными, включая монохроматичность, когерентность, высокую интенсивность и ультракороткую длительность импульса. В ней рассматриваются времяразрешенные и зонд-накачка методы, которые отслеживают динамику возбужденных состояний и реакций, сверхбыстрая и фемтосекундная спектроскопия и фемтохимия, а также нелинейные методы, такие как многофотонная и когерентная рамановская спектроскопия. Стационарные электронные и колебательные спектроскопии, которые эти методы расширяют, рассматриваются в родственных темах.

Core questions

• Какие свойства лазерного света позволяют использовать спектроскопические методы, невозможные с обычными источниками?
• Как метод зонд-накачка достигает временного разрешения, значительно превышающего пределы электронного детектирования?
• Как фемтохимия наблюдает движение атомов во время разрыва и образования связей?
• Как нелинейные и многофотонные методы получают доступ к иначе недоступным состояниям?

Key concepts

• Свойства лазера: когерентность, интенсивность, перестраиваемость, длительность импульса
• Спектроскопия зонд-накачка
• Сверхбыстрая и фемтосекундная спектроскопия
• Фемтохимия
• Нелинейная и многофотонная спектроскопия

Key theories

Временное разрешение зонд-накачка

Первый лазерный импульс инициирует процесс, а второй, задержанный импульс опрашивает систему; сканирование задержки восстанавливает динамику с временным разрешением, определяемым длительностью импульса, а не скоростью детектора.

Фемтохимия

Используя импульсы короче периода колебаний, можно непосредственно наблюдать переходные состояния и промежуточные геометрии реагирующей молекулы, превращая активированный комплекс из умозаключения в нечто, что можно отслеживать в реальном времени.

Clinical relevance

Лазерная и времяразрешенная спектроскопия раскрывает механизмы быстрых процессов, таких как фотосинтез, зрение и фотохимические реакции, обеспечивает обнаружение следовых количеств веществ и дистанционное зондирование, а также предоставляет сверхбыстрые измерительные инструменты, используемые в фотонике, материаловедении и динамике реакций.

History

Мазер и лазер, разработанные Таунсом, Майманом и другими около 1960 года, дали химии когерентные, интенсивные источники света; постоянное сокращение длительности импульсов завершилось фемтосекундным наблюдением реакций Зевейлом в конце 1980-х годов, что положило начало фемтохимии, отмеченной Нобелевской премией 1999 года.

Key figures

• Ahmed Zewail
• Theodore Maiman
• Charles Townes

Seminal works

• zewail2000
• atkins2018

Frequently asked questions

Как спектроскопия может разрешать события, длящиеся всего фемтосекунды?

Электронные детекторы слишком медленны, поэтому временное разрешение достигается за счет задержки между двумя ультракороткими лазерными импульсами: импульс накачки запускает процесс, а зондирующий импульс отбирает его после контролируемой задержки, строя временной ход точка за точкой.

Что делает лазерный свет таким полезным для спектроскопии?

Лазеры интенсивны, высокомонохроматичны, когерентны, часто перестраиваемы и могут быть сжаты в чрезвычайно короткие импульсы; эти свойства в совокупности позволяют проводить чувствительные, селективные, нелинейные и времяразрешенные измерения, которые не могут быть достигнуты некогерентными ламповыми источниками.