Магистратура
2019/2020![Цель освоения дисциплины](/f/src/global/i/edu/objectives.svg)
![Планируемые результаты обучения](/f/src/global/i/edu/results.svg)
![Содержание учебной дисциплины](/f/src/global/i/edu/sections.svg)
![Промежуточная аттестация](/f/src/global/i/edu/intermediate_certification.svg)
![Список литературы](/f/src/global/i/edu/library.svg)
Лазерная спектроскопия
Статус:
Курс по выбору (Физика)
Направление:
03.04.02. Физика
Где читается:
Факультет физики
Когда читается:
1-й курс, 1-4 модуль
Формат изучения:
без онлайн-курса
Прогр. обучения:
Физика
Язык:
русский
Кредиты:
10
Контактные часы:
90
Программа дисциплины
Аннотация
Целями освоения дисциплины «Лазерная спектроскопия» являются: формирование у студентов базовых знаний о современных методах спектроскопии с использованием лазеров, - с акцентом на те методы, которые до появления лазеров были невозможны; формирование у студентов знаний по теоретическим основам взаимодействия лазерного излучения с веществом и понимания места многочисленных современных экспериментальных методов спектроскопии; получение студентами навыков и умений самостоятельно ставить и решать конкретные исследовательские задачи в области спектроскопии. знакомство студентов с многочисленными достижениями лазерной спектроскопии в исследованиях свойств атомов и молекул, а также в практических задачах анализа вещества.
Цель освоения дисциплины
- Целями освоения дисциплины «Лазерная спектроскопия» являются: формирование у студентов базовых знаний о современных методах спектроскопии с использованием лазеров, - с акцентом на те методы, которые до появления лазеров были невозможны; формирование у студентов знаний по теоретическим основам взаимодействия лазерного излучения с веществом и понимания места многочисленных современных экспериментальных методов спектроскопии; получение студентами навыков и умений самостоятельно ставить и решать конкретные исследовательские задачи в области спектроскопии. знакомство студентов с многочисленными достижениями лазерной спектроскопии в исследованиях свойств атомов и молекул, а также в практических задачах анализа вещества.
Планируемые результаты обучения
- Иметь навыки (приобрести опыт): - работы с современной научной литературой по актуальным разделам спектроскопии и лазерной физики.
- Уметь: - выбирать адекватный метод для решения конкретной физической задачи
- Уметь: - пользоваться математическим аппаратом в той мере, которая позволяет получать решение конкретной практической задачи исходя из первых принципов и основных уравнений фундаментальных дисциплин, - в основном, квантовой механики и электродинамики;
- Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокая чувствительность,
- Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокая селективность
- Знать: - основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов, теорию фундаментальных процессов в спектроскопии, а также основные методы, демонстрирующие такие качества, как сверхвысокое временное разрешение.
Содержание учебной дисциплины
- Предмет лазерной спектроскопии.Классические долазерные методы спектроскопии: люминесценция, поглощение, комбинационное рассеяние. Преимущества использования лазеров в классических методах. Свойства лазерного излучения. Лазерная спектроскопия - наука о методах, принципиально осуществимых только с использованием лазеров.
- Излучение и поглощение светаСкорость спонтанного распада. Метастабильные состояния. Спектр спонтанного излучения. Эффект Доплера и эффект отдачи. Особенности спектра при каскадных переходах с близкой частотой. Коэффициенты Эйнштейна. Сечение индуцированных переходов. Форма линии поглощения. Кинетика индуцированных переходов. Населённости уровней в стационарном режиме. Электродипольное приближение. Правила отбора по четности и угловому моменту. Приближенные правила отбора для атомов и молекул. Примеры слабых переходов. Двухфотонный распад 2s-состояния в атоме водорода. Суперпозиционные состояния. Макроскопическая поляризация. Интенсивность и фаза когерентного излучения. Дифракционная расходимость. Сверхизлучение Дике
- Когерентное лазерное возбуждение квантовых системДвухуровневая система. Приближение вращающейся волны (резонансное приближение). Уравнения для амплитуд вероятности. Осцилляции Раби в случае точного резонанса. пи/2- и пиимпульс. Векторная модель. Адиабатическое следование при большой отстройке частоты поля от частоты перехода. Инвертирование населённости при свипировании частоты поля через резонанс. Решения уравнения Шредингера с гамильтонианом, периодически зависящим от времени. Квазиэнергетические состояния. Неоднозначность квазиэнергии. Спектр и скорости спонтанных переходов между квазиэнергетическими состояниями. Реальное и виртуальное возбуждение. Кинетические уравнения, описывающие релаксацию населённостей. Матрица плотности. Релаксация недиагональных элементов. Чисто фазовая релаксация. Уравнения Блоха для элементов матрицы плотности. Модель «атом-термостат». Модель «атом-буфер». Переход от когерентного возбуждения к некогерентному. Особенности описания при наличии переходов с близкими частотами. Эффективная двухуровневая система для многофотонного перехода. Штарковский сдвиг уровней. Оптимальная частота поля. Многофотонная частота Раби. Адиабатическое инвертиривание населённости. Бигармоническое возбуждение. Когерентное пленение населённости. Отличие многоступенчатого возбуждения от многофотонного.
- Лазерная спектроскопия рассеяния светаУпругое рассеяние. Комбинационное (рамановское) рассеяние (КР). Правила отбора. Альтернативный запрет. Стоксово и антистоксово КР. Сечение рассеяния. Резонансное КР. Гиперкомбинационное рассеяние. Вынужденное КР (ВКР). Усиленное ВКР. Суперпозиционные состояния на комбинационном (или двухфотонном) переходе. Макроскопическая комбинационная (или двухфотонная) поляризация. Стоксова и антистоксова компоненты когерентного рассеяния при наличии комбинационной поляризации. Условие согласования фаз. Когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС). Задержанное КАРС. Четырёхволновое смешение. Отражение бегущей волны от стоячей (обращение волнового фронта). Трехволновое смешение в нецентросимметричных средах. Генерация суммарной и разностной частот. Генерация гармоник
- Нелинейное смешение частот.Четырёхволновое смешение. Отражение бегущей волны от стоячей (обращение волнового фронта). Трехволновое смешение в нецентросимметричных средах. Генерация суммарной и разностной частот.. Генерация гармоник. Фотонное эхо на языке векторной модели. Фотонное эхо, как четырёхволновое смешение. Различные варианты фотонного эха.
- Спектроскопия высокой чувствительности.(а) Сверхчувствительное детектирование: применения в задачах атомной, молекулярной и ядерной физики, аналитической химии, геохимии, контроля окружающей среды, биологии и медицины; проблема детектирования единичных атомов и молекул; спектроскопия возбужденных состояний. (б) Флуоресцентная спектроскопия: квантовый выход флуоресценции; измерение спектров одно- и двухфотонного возбуждения; измерение спектров флуоресценции; предельная чувствительность метода при цикличном взаимодействии; детектирование одиночных атомов; наблюдение квантовых скачков; наблюдение одиночных молекул в матрицах; особенности флуоресцентного метода в инфракрасном (ИК) диапазоне; ап-конверсия. (в) Фотоионизационная спектроскопия: основные схемы возбуждения; эффективные способы фотоионизации из возбуждённых состояний атомов; использование автоионизационных состояний; использование ридберговских состояний: детектирование одиночных атомов; спектроскопия редких радиоактивных изотопов; десорбционно-фотоионизационная спектроскопия с использованием времяпролетной массспектрометрии; увеличение квантового выхода фотоионизации молекул при использовании ультракоротких лазерных импульсов. (г) Абсорбционная спектроскопия: стационарное поглощение; измерение пропускания; многопроходные кюветы; внутрирезонаторный метод; квантовый шум и предельная чувствительность абсорбционной спектроскопии; измерение слабого сигнала на сильном фоне как основная принципиальная трудность. (д) Другие методы спектроскопии возбуждения: оптотермический метод; опторефракционные методы; тепловая линза; фазочувствительное детектирование; оптоакустический метод; оптогальванический метод; фотоотклонение. (е) От некогерентных методов к когерентным: регистрация когерентного излучения на долгоживущих (в частности, ИК) переходах; гетеродинирование сигнала; детектирование в пламёнах, флуоресцирующих средах и плазме; чувствительность метода КАРС по сравнению со спонтанным КР; когерентное гипер-КР для измерения спектров «молчащих» колебательных мод в молекулах. (ж) Дистанционное зондирование: возможности различных спектроскопических методов; лидары.
- Спектроскопия высокой селективности(а) Дифференцирование спектра как общий метод подавления широкого бесструктурного неселективного резонансного фона: частотная модуляция; штарковская спектроскопия; магнитный резонанс; поляризационная спектроскопия; фарадеевская спектроскопия. (б) Стробирование во времени как общий метод подавления нерезонансного неселективного фона: задержанная флоуресценция; задержанное КАРС. (в) Исключение спектральной неоднородности (основные цели): измерение однородного уширения линии; измерение фундаментальной частоты перехода; обнаружение структуры, скрытой неоднородным уширением. (г) Исключение спектральной неоднородности (методы): двойной резонанс; эффект Ханле; вантовые биения; фотонное эхо. (д) Селективность по хромофору и окружению: применение резонансного КР для селективного детектирования хромофоров; фотохимическое выжигание провалов; генерация 2-ой гармоники на поверхности. (е) Селективность по элементам и соединениям: задача селективного детектирования малых концентраций в присутствии фона с близко расположенными линиями поглощения; использование дополнительных селективных процессов - многоступенчатое возбуждение, массспектрометрия, хроматография; создание искусственного изотопического сдвига при ускорении пучков.
- Спектроскопия высокого спектрального разрешения.(а) Общие цели получения узких резонансов: прецизионные измерения спектроскопических постоянных; сверхтонкая и изотопическая структура; исследование эффектов Штарка и Зеемана; измерение лэмбовского сдвига; измерение физических постоянных; лазерная метрология: стандарты частоты. (б) Линейная спектроскопия: применение атомных и молекулярных пучков, охлажденных молекулярных струй; сужение распределения по скоростям при ускорении пучков; лазерное охлаждение ионов в ловушках; замедление и охлаждение атомных пучков резонансным световым давлением; лазерные ловушки для атомов; методы получения бесфононных линий в конденсированной фазе. (в) Субдоплеровская спектроскопия: приложение общих методов исключения спектральной неоднородности; узкие резонансы в спектроскопии насыщения; лэмбовский провал; узкий резонанс в стоячей волне на двухфотонном переходе. (г) Метод разнесённых световых полей: пролетное уширение линий; схема Рамзи для устранения пролетного уширения; идея Рамзи в сочетании с методами когерентной спектроскопии; узкий резонанс эхосигнала когерентного излучения в результате пролета через разнесённые световые лучи.
- Спектроскопия временнoго разрешения.(а) Наблюдение динамики в реальном времени и задачи атомной и молекулярной спектроскопии, химической физики, физики конденсированных сред, биофизики.(б) Релаксация отдельных состояний: измерение времен жизни; применение когерентных эффектов; индуцированное фотонное эхо; вращательная и колебательная релаксация в молекулярных газах, передача возбуждения; применение методов двойного резонанса. (в) Релаксация поляризации: роль неоднородного уширения в затухании поляризации; фотонное эхо и измерение скорости фазовой релаксации; исследование столкновений под малыми углами; исследование спектральной диффузии. (г) Задачи, требующие пикосекундного и субпикосекундного временнoго разрешения: релаксация электронного возбуждения в молекулах и конденсированных средах; молекулярная динамика; мономолекулярный распад; внутримолекулярная релаксация колебательной энергии; спектроскопия и диагностика короткоживущих фрагментов и промежуточных состояний; перенос энергии и диффузия в конденсированных средах; стадии фотостимулированных превращений в биологических системах; фотосинтез; многообразие применяемых методов - флуоресцентная, фотоионизационная и абсорбционная спектроскопия, спектроскопия КР, когерентная спектроскопия; ультракороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы.
- Эффекты квантовой интерференции.Квантовые биения. Эффект Ханле. Когерентное пленение населённости. Электромагнитно индуцированная прозрачность. Эффект АутлераТаунса. Сверхизлучение Дике. Генерация без инверсии. Создание метастабильных перепутанных состояний в системе из двух атомов.
Промежуточная аттестация
- Промежуточная аттестация (2 модуль)0.5 * Коллоквиум + 0.5 * Экзамен
- Промежуточная аттестация (4 модуль)0.3 * Коллоквиум + 0.3 * Промежуточная аттестация (2 модуль) + 0.4 * Экзамен
Список литературы
Рекомендуемая основная литература
- Степанов Е.В. - Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров - Издательство "Физматлит" - 2009 - 416с. - ISBN: 978-5-9221-1152-2 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2329
Рекомендуемая дополнительная литература
- Лазерная спектроскопия : основные принципы и техника эксперимента, Демтрёдер, В., 1985