Применение лазеров в спектральном анализе

Применение оптических квантовых генераторов значительно расширяют возможности спектроскопии. Технологические характеристики лазерных спектральных приборов определяют направление их применения. Большая выходная мощность, малая угловая расходимость лазерного пучка, высокая плотность излучения, которая на 15 порядков выше, чем плотность обычного источника света, используемого в оптической спектроскопии. Высокая степень когерентности излучения, малая спектральная ширина, что позволяет повысить разрешающую способность приборов спектрального анализа на пять и более порядков по сравнению со спектрографами, использующими обычные источники света.

Использование лазеров, работающих в различных спектральных диапазонах от инфракрасного до ультрафиолетового намного расширяет возможности при определении микроколичеств элементов, входящих в состав материалов.

Селективное возбуждение атомов и молекул открывают новые возможности лазерной спектроскопии, изучающей спектры флуоресценции в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях спектров.

По спектрам флуоресценции определяют малые концентрации примесей в жидких растворах, газообразных смесях. В лазерной спектроскопии изучают кинетику химических реакций, составы высокочистых сплавов, полупроводников и используют во многих других технически важных отраслях промышленности.

Высокая спектральная плотность лазерного излучения характеризуется большим количеством энергии, передаваемой изучаемым материалам, пространственно сфокусированным световым пучком с узкой полосой частоты, в пределах которой концентрируется излучение лазера. В спектроскопии, основанной на анализе спектров флуоресценции, интенсивность вторичного спектра зависит от спектральной плотности поглощенного материалом излучения лазера.

Использование лазеров в спектроскопии определяется относительной простотой регистрации сигналов, несущих информацию об элементном составе анализируемых материалов. Высокая спектральная плотность лазерного излучения определила разработку лазерных спектроскопических систем, работа которых основана на комбинационном рассеянии и методах инфракрасной флуоресценции с высоким временным разрешением, методов получения информации по эффекту поглощения излучения.

Использование лазерного излучения в качестве источников света в спектроскопии имеет значительные преимущества по сравнению с оптическим эмиссионным анализом. Узкий спектральный интервал и высокая спектральная плотность лазерного излучения позволяет намного улучшить разрешающую способность комбинационных частот и точность элементного анализа.

Многие лазеры обеспечивают излучение на различных длинах волн, которые могут находиться вне полосы поглощения излучающих атомов и молекул, так и совпадать с ней для получения эффекта резонансного комбинационного рассеяния.

Лазерное излучение можно фокусировать различными оптическими системами в пятно, диаметр которого соизмерим с длиной волны излучения, что позволяет получать информацию с микрообъёмов материалов. Многое лазеры имеют линейно-поляризованное излучение, что позволяет проводить анализ по степени поляризации излучения в результате взаимодействия с изучаемым материалом.

Сочетание таких характеристик лазеров, как узкий спектральный интервал излучения, способность настраиваться на определенную частоту в определенном спектральном интервале.

Например, лазеры с органической активной средой, позволяют получать разрешающую способность спектральных приборов значительно выше по сравнению с импульсными лазерами, работающих в режиме свободной генерации.

Использование лазерных источников в спектроскопии позволяет с высокой точностью проводить измерение рассеянного света. Например, высоко стабилизированный Не-Nе с шириной полосы излучения меньше 100 Гц может использоваться как источник света и как генератор электромагнитных колебаний. При этом частотный сдвиг может изменяться от нескольких ГГц до нескольких кГц и получать информацию о времени релаксации возбужденных лазерным излучением молекул в жидких средах и полимерных материалах за время 10"4 - 10"10 секунды.

Лазерное сфокусированное излучение способно распространяться на достаточно большие расстояния с малой угловой расходимостью, что используется для определения поглощения различными составными частями атмосферы и получать информацию об их количественном составе, о прозрачности атмосферы, измерять состав и толщину облаков и других флуктуации атмосферы. Характеристика поглощения определяется по свету, попавшему на приёмник вследствие рассеяния в атмосфере или в результате отражения от рефлектора, установленного на заданном расстоянии от лазерной сканирующей установки.

Короткие интенсивные узкополосные лазерные импульсы используются для возбуждения молекул на определенные энергетические уровни. Энергия возбуждения может расходоваться либо на излучение - флуоресцирующая эмиссия, либо на поглощение возбужденными частицами - двойная резонансная спектроскопия. Лазерные спектрографы используются для анализа по спектрам флуоресценции щелочных металлов, галогенов и других соединений.

Лазерная флуоресцентная спектроскопия в основном используются в видимом спектральном диапазоне. Инфракрасная флуоресценция не была бы возможной без лазеров, работающих в этой части спектра.

Существующие обычные инфракрасные источники не в состоянии провести возбуждение молекул до уровня обнаружения спектров флуоресценции. С использованием мощных газовых и химических лазеров, работающих в инфракрасной области спектра, проводят анализ по инфракрасной флуоресценции молекул: СО₂, N₂O, CH₄, HCl, НBr, СН₃С1, SF₄ и других соединений.

Лазерная спектроскопия на основе двойного резонанса и флуоресценции обеспечивает очень высокое разрешение по энергическим спектрам. Например, в процессе обмена колебательной энергией между селективно возбужденными и невозбужденными компонентами в смеси молекулярных газов. Анализ по спектрам флуоресценции и двойного резонанса с использованием лазеров как источников когерентного излучения состоит в создании состояния селективного возбуждения молекул до определенного энергетического состояния.

Лазеры широко используются в химической спектроскопии, где их роль сводится не только к стимулированию химических реакций, и к определению кинетики их протекания. Импульсные лазеры, работающие в режимах микросекундных и пикосекундных интервалах, используются для изучения фотофизических процессов при фотолизе различных веществ. Использование лазеров с пикосекундной длительностью в импульсе повышают разрешающую способность анализа на три-четыре порядка.

Большая энергия излучения лазеров, поглощенная малым объёмом твёрдого тела, жидкой или газовой средой, вызывает эффект пиролиза, что используется в области микроскопического изучения состава материалов при его разложении (пиролизе) для ускорения специфических реакций и изучения спектрального состава продуктов реакций.

Эффективным методом использования лазеров в физической химии является фотохимическое разделение изотопов, при котором используются свойства лазеров: высокая интенсивность излучения, узкий спектральный интервал, возможность настройки на строго определенную длину волны. Воздействие на систему атомов или молекул лазерного излучения, среди которых присутствуют изотопные элементы со смещенной линий поглощения, излучения приводит к селективному возбуждению, и выделяют изотопы из общего состава материала. Таким способом разделяют изотопы водорода, азота, кальция, титана, брома, бария, урана и других изотопов.

Лазерная спектроскопия используется в оптико-акустическом методе, основанном на анализе изменений давления в замкнутом объёме камеры спектрографа. С использование этого метода получают точную информацию о малых концентрациях стабильных изотопов: С¹², С¹³, В¹⁰, В¹¹, N¹⁴, N¹⁵, входящих в состав сложных соединений. Метод позволяет проводить не только измерение абсолютных концентраций, но и контроль за изменением в содержании изотопов.

Лазерные оптико-акустические детекторы позволяют контролировать уровень загрязнения воздуха. Изучать химический и изотопный состав жидкостей и газов. Проводить медико-биологические исследования и решать многие другие научно-практические задачи.

Лазеры используются для предварительного возбуждения одного из реагентов в газовом потоке с целью изучения эффекта селективного возбуждения или способности к химической реакции. Методом лазерной спектроскопии получают ценную информацию об энергии связи атомов или отдельных молекул. Световое давление луча достаточно мощного лазера способно отклонить поток молекул с направления их движения, что позволяет проводить их разделение по различной степени возбуждения.

Возможности применения лазеров в спектральном анализе далеко не исчерпаны, активно разрабатываются лазерные системы для повышения точности и экспрессности анализа. Постоянно разрабатываются и совершенствуются методики лазерного спектрального анализа.

Для спектрального микроанализа используются твёрдотельные лазеры, работающие как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности. Минимальная энергия излучения, необходимая для проведения анализа должна составлять не менее 0,1 Дж, а верхний предел энергии излучения не должен превышать 1 Дж из-за высокой вероятности разрушения оптических систем и других деталей, формирующих излучение лазера.

В практике спектрального анализа используются лазерные установки «Раздан-2М», «Арзни-206», «Арзни-207», «ОГМ-20», «ИТ-115», «МСЛ-2», «Сигнал-И-1 А» и другие лазерные системы.

Проведение лазерного эмиссионного или флуоресцентного анализа делает необходимым применение лазерных микроскопов, которые выполняют три основные функции: позволяют выбрать микроучасток на образце, подлежащему анализу; фокусируют и направляют лазерный луч на выбранный участок образца; делает возможным визуальное или фотографическое наблюдение объекта непосредственно после лазерного воздействия.

К лазерным микроскопам предъявляются требования, значительно отличающиеся от требований к обычным светоотическим микроскопам:

- точное наведение лазерного луча на изучаемый объект;

- большое рабочее расстояние фокусирующей системы;

- свободный доступ к изучаемому объекту;

- возможность установки для анализа крупногабаритных деталей;

- простота и надежность оптической и электрической систем;

- простота юстировки и согласование лазерной установки и системы
микроскопа;

- отсутствие промежуточных фокусов вблизи оптических деталей (линз, призм);

- отсутствие склеенных линз и призм в участках высокой концентрации
энергии лазерного излучения.

Особое внимание при конструировании лазерных микроскопов уделяется системе проецирования лазерного луча. Используются оптические системы в соответствии с длиной волны лазерного излучения и с запасом по мощности излучения в несколько раз.

Лазеры с активным элементом на рубине и неодиме имеют длительность импульса 2-50 псек при мощности в импульсе 1-5 ГВт. Порог разрушения оптических систем возрастает при уменьшении длительности импульса, поэтому для мощных лазеров с наносекундной длительностью импульсов возможно использование оптических систем для фокусировки лазерного излучения.

Оптические детали лазеров: зеркала, линзы, призмы, пластины, поглощают и отражают лазерное излучение, вследствие чего значительная часть энергии излучения может не использоваться, поэтому при использовании лазерных микроскопов стремятся к упрощению конструкции с целью максимального использования лазерного излучения.