Лазерная спектроскопия

Магистратура 2023/2024

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.04.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 1-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Мельников Алексей Алексеевич

Прогр. обучения: Физика

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 40

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Спектроскопия — это наука об исследовании квантовых объектов с помощью света. «Долазерные» методы ограничивались эмиссионной спектроскопией, абсорбционной спектроскопией и спектроскопией комбинационного рассеяния. Предмет данного курса — повышение эффективности классических подходов с помощью лазеров, а также наука о новых методах, которые стали возможны только в результате появления лазеров. Курс даёт знания об основных фундаментальных процессах в спектроскопии и о методах, позволяющих решать задачи, требующие высокой чувствительности и селективности, высокого спектрального и временного разрешения.

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

Знать: основные концепции, лежащие в основе применения лазерного излучения в спектроскопии различных объектов; теорию фундаментальных процессов в спектроскопии; основные методы, демонстрирующие такие качества, как (1) сверхвысокая чувствительность, (2) сверхвысокая селективность, (3) сверхвысокое спектральное разрешение, (4) сверхвысокое временное разрешение.
Уметь: выбирать адекватный метод для решения конкретной физической задачи; 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. Иметь навыки (приобрести опыт): работы с современной научной литературой по актуальным разделам атомной и молекулярной спектроскопии.
Знать способы практического применения абсорбционной и внутрирезонаторной спектроскопии.
Знать способы практического применения флуоресцентной спектроскопии. Знать задачи и методы вычисления чувствительности при циклическом взаимодействии и детектирования одиночных атомов.
Знать способы практического применения основных схем фотоионизационной спектроскопии. Знать примеры использования автоионизационных и ридберговских состояний.
Знать способы практического применения оптоакустической и оптогальванической спектроскопии. Владеть навыками применения оптотермического метода.
Знать области практического применения субдоплеровской спектроскопии и спектроскопии насыщения.
Знать области применения охлаждения атомных пучков давлением резонансного света, ловушек для атомов и ионов. Владеть навыками вычисления времяпролетного уширения. Знать область использования метода разнесенных полей.
Знать принципы работы фемтосекундных лазеров. Знать методы достижения пикосекундного и фемтосекундного временного разрешения.

Содержание учебной дисциплины

Фундаментальные процессы в спектроскопии
Основные методы лазерной спектроскопии. Абсорбционная спектроскопия. Поглощение в стационарном случае. Измерение пропускания. Многопроходные кюветы. Внутрирезонаторная спектроскопия. Квантовый шум и предельная чувствительность.
Флуоресцентная спектроскопия. Квантовый выход. Чувствительность при циклическом взаимодействии. Детектирование одиночных атомов. Наблюдение одиночных молекул в твердой фазе.
Фотоионизационная спектроскопия. Основные схемы. Эффективные методы фотоионизации атомов из вобужденных состояний. Использование автоионизационных и ридберговских состояний.
Оптотермический метод. Тепловая линза. Оптоакустическая спектроскопия. Оптогальваническая спектроскопия.
Субдоплеровская спектроскопия. Спектроскопия насыщения. Лэмбовский провал.
Атомные и молекулярные пучки. Сужение скоростного распределения. Охлаждение атомных пучков давлением резонансного света. Ловушки для атомов и ионов. Времяпролетное уширение. Метод разнесенных полей.
Наблюдение динамики в реальном времени. Методы достижения пикосекундного и фемтосекундного временного разрешения. Принципы работы фемтосекундных лазеров. Примеры ультрабыстрых процессов в конденсированных средах.

Элементы контроля

Коллоквиум
Устный коллоквиум в форме представления вопроса по выбору.
Работа на семинарах
Экзамен
Устный экзамен в формате ответа по билетам.

Промежуточная аттестация

2023/2024 4th module
0.15 * Коллоквиум + 0.15 * Работа на семинарах + 0.7 * Экзамен

Программа дисциплины