15: Лазери, лазерна спектроскопія та фотохімія

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Слово «лазер» є абревіатурою від «посилення світла шляхом стимульованого випромінювання випромінювання». Використання лазерів в науці і в суспільстві стрімко розширилося з моменту їх розвитку на початку 1960-х років. Лазери надають хімікам потужний і універсальний інструмент для зондування природи і динаміки видів і хімічних реакцій. У цій главі будуть розглянуті основи лазерів і взаємодія їх виходу для розуміння атомних і молекулярних властивостей. Ми опишемо генерацію лазерного світла з електронно збуджених атомів за допомогою моделі рівняння швидкісного рівняння, розробленої Ейнштейном. Потім будуть обговорюватися сучасні лазерні конструкції та застосування.

15.1: Молекули з електронним збудженням можуть розслабитися за допомогою ряду процесів
Частинка в збудженому електронному стані врешті-решт розслабиться назад до свого електронного стану землі, але часто доступні кілька шляхів релаксації. Ці шляхи можуть включати поєднання радіаційного розпаду та нерадіаційного розпаду, включаючи зміну стану спина.
15.2: Динаміку переходів можна моделювати рівняннями швидкості
Ейнштейн припустив, що електрони можуть переходити між енергетичними рівнями за допомогою поглинання, спонтанного випромінювання та стимульованого випромінювання. У цьому розділі ми опишемо швидкості цих переходів, ввівши терміни спектральної густини променистої енергії та константи пропорційності, які називаються коефіцієнтами Ейнштейна.
15.3: Дворівнева система не може досягти інверсії населення
У цьому розділі ми покажемо, що досягнення інверсії населення в дворівневій системі не дуже практично. Таке завдання зажадало б дуже сильного переходу накачування, який би направив будь-який розпадається атом назад в збуджений стан. Це було б схоже на реверсування потоку води у водоспаді. Це можна зробити, але це дуже дорого і неефективно. У певному сенсі перехід накачування повинен був би працювати проти переходу генерації.
15.4: Інверсія населення може бути досягнута в трирівневій системі
Наявність третього енергетичного рівня в системі дозволяє створити інверсію населення. Таким чином, трирівнева система може виступати в якості середовища посилення і може служити лазером. Два можливих лазерних механізму для трирівневої системи будуть описані в цьому розділі.
15.5: Що таке всередині лазера?
Лазерне світло виробляється середовищем посилення всередині оптичної порожнини лазера. Середовище посилення - це сукупність атомів або молекул у газоподібній, рідкій або твердій формі. Щоб відбулася генерація, середовище посилення повинна бути перекачана в збуджений стан електричним струмом або інтенсивним джерелом світла, таким як ліхтарик. Щоб викликати стимульоване випромінювання, порожнина лазера повинна відображати випромінюване світло в середовище посилення, але також повинна дозволяти порції лазерного світла покинути оптичну порожнину.
15.6: Гелій-неоновий лазер
Лазер He-Ne був першим винайденим лазером безперервної хвилі (cw). Через кілька місяців після того, як Майман оголосив про свій винахід імпульсного рубінового лазера, Алі Джаван та його соратники В.Р. Беннет і Д.Р. Херріотт оголосили про створення лазера CW He-Ne. Цей газовий лазер являє собою чотирирівневий лазер, який використовує атоми гелію для збудження атомів неону. Атомні переходи в неоні виробляють лазерне світло. Найбільш часто використовуваний неоновий перехід в цих лазерах виробляє червоне світло при 632,8 нм.
15.7: Сучасні застосування лазерної спектроскопії
Лазерне світло пропонує цінні інструменти для дослідників, які бажають використовувати взаємодію світла з речовиною для опитування атомних і молекулярних систем. Більшість лазерного світла характеризується своєю близькою монохроматичністю (щодо світла від інших джерел), спрямованістю та когерентністю. Ці характеристики використовуються в сучасній лазерній спектроскопії.
15.8: Імпульсні лазери можуть бути використані для вимірювання динаміки фотохімічних процесів
Лазерна спектроскопія з часовим дозволом є потужними інструментами для спостереження фотофізичних і фотохімічних процесів в режимі реального часу з тимчасовою роздільною здатністю аж до фемтосекундних часових шкал.
15.E: Лазери, лазерна спектроскопія та фотохімія (вправи)

Мініатюра: Шість комерційних лазерів в експлуатації, що показують діапазон різних кольорових світлових променів, які можуть бути отримані, від червоного до фіолетового. Зверху довжини хвиль світла становлять: 660 нм, 635 нм, 532 нм, 520 нм, 445 нм та 405 нм. Виготовляється компанією Q-line. (CC BY-SA 3.0 Unported; Запуск через Вікіпедію)