228 (36)

9

Spektroskopia laserowa

9.1. W jaki sposób działają lasery?

Pierwszy laser, a dokładnie maser (działający w obszarze mikrofal), został skonstruowany w 1954 r. Obecnie znane są lasery pokrywające prawie cały zakres widmowy: od próżniowego nadfioletu do obszaru dalekiej podczerwieni. Są pięknym przykładem wykorzystania wiedzy o oddziaływaniu między światłem a atomami czy cząsteczkami. Słowo laser jest akronimem (ang. light amplification by stimulated emission of ra-diation). Lasery używane są obecnie chyba we wszystkich dziedzinach życia, od supermarketów po wojsko. Zrewolucjonizowały one również badania fizykochemiczne. Zanim krótko przedstawimy zastosowania laserów w spektroskopii, omówimy ich działanie.

Po przeprowadzeniu atomu lub cząsteczki do wzbudzonego stanu energetycznego powrót do stanu wyjściowego może zachodzić na dwa sposoby, o których pisaliśmy w rozdziale 2,2. Jest to emisja spontaniczna i wymuszona. Emisja spontaniczna to proces emisji fotonu o energii hv\2 równej różnicy energii poziomów E2 - E\ = hu 12- Emisja stymulowana (wymuszona) jako proces odwrotny do absorpcji zależy od gęstości światła wzbudzającego

M* + hu —> M + 2hu    (9.1)

Z naszych rozważań w rozdziale 2.2.1 wynika, że stymulowana emisja jest bardziej prawdopodobna niż absorpcja, gdy N₂ > Ni, czyli kiedy populacja poziomu wzbudzonego jest większa niż poziomu niższego. Taką sytuację nazywa się odwróceniem (inwersją) obsadzeń poziomów energetycznych. Fala elektromagnetyczna, przechodząc przez układ znajdujący się w stanie, w którym są odwrócone obsadzenia poziomów energetycznych powoduje, że emisja wymuszona jest częstsza niż absorpcja. A to oznacza, że fala zamiast ulegać osłabieniu, zostaje wzmocniona. Światło laserowe ma charakterystyczne właściwości: a) jest w dużym stopniu monochromatyczne; b) jest spójne (inaczej jest koherentne - co oznacza, że różnica faz dwóch obszarów wiązki laserowej jest stała w czasie) oraz c) charakteryzuje się dużą intensywnością. Ponadto za pomocą laserów jest możliwe generowanie ultraszybkich impulsów rzędu femtosekund (fs) o dużej intensywności.

Dużą intensywność wiązki laserowej osiąga się przez wprowadzenie do układu sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu część wypromieniowa-nej energii powraca do układu, powodując występowanie kolejnych aktów emisji wymuszonej. Jest to warunek konieczny do wystąpienia akcji laserowej. Sprzężenie zwrotne uzyskuje się przez umieszczenie układu (materiału aktywnego) we wnęce rezonansowej. Funkcję tę pełnią dwa równoległe zwierciadła płaskie lub sferyczne, umieszczone naprzeciwko siebie w taki sposób, aby ich odległość l równała się Xq/2n_y gdzie A jest długością fali promieniowania w rezonatorze, q - liczbą naturalną, n -współczynnikiem załamania ośrodka wypełniającego rezonator. Kwant światła, odbijając się wielokrotnie od zwierciadeł przechodzi przez dany układ, wywołując w nim dalsze akty emisji wymuszonej.

W jaki sposób osiągnąć inwersję obsadzeń, która jest konieczna do realizacji równania (9,1)? Dokonanie tego w ramach schematu dwóch poziomów energetycznych jest trudne. W warunkach równowagi poziom 2. ma znacznie mniejsze obsadzenie niż poziom 1. (rys. 9.1). Pompowanie

Rys. 9.1. Schemat poziomów energetycznych układów: dwu-, trój- i czteropo-ziomowych