激光光谱 Laser spectroscopy

2022-11-10 13:40:08 浏览:307

定义

利用激光与物质相互作用的方法。

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光谱学表示利用光与物质相互作用的方法。 在许多情况下,激光被用作光谱学的光源,然后称为激光光谱法(或有时激光光谱法)。

从广义上讲,激光光谱学可以理解为使用类似激光的光源,不仅包括真正的激光器,还包括光学参量振荡器(OPO)或其他非线性变频设备(如倍频器或差分混频器)的输出。

有关更一般的方面,请参阅有关光谱学的文章。

激光器的相关特性

激光在光谱学中具有巨大的应用潜力 - 在几个方面:

  • 它们可以表现出非常大程度的时间一致性。 这与窄线宽有关——在精密光谱学的极端情况下,使用亚赫兹线宽。 请注意,较窄的线宽不仅有助于提高测量分辨率,还有助于提高灵敏度。 例如,如果与特定吸收线相关的吸收应用于所有探针光,而不仅仅是其光谱内容的一部分,则更容易看到。
  • 激光的空间相干性通常非常高,这导致了进一步的改进。 例如,可以使用多通道气室,其中只有使用具有低光束发散的准直光束才能实现大量往返。
  • 激光波长通常可以调谐(→可调谐激光器)。这可用于光学跃迁的高精度扫描。 一些激光器可以非常快速地调谐(→波长扫描激光器),以便快速采集光谱。
  • 一些激光器可以提供相当高的光功率;特别是脉冲激光器可以产生非常高的峰值功率。 例如,这与激光诱导击穿光谱学有关。
  • 超快激光器可以产生超短脉冲,这也具有光谱学的各种有趣特性。 例如,它们允许以极高的时间分辨率进行时间分辨光谱测量。 此外,还可以基于频率梳进行极其精确的频率测量。

在下文中,我们考虑了一系列不同的激光光谱技术,它们利用了激光的不同特性。 然而,请注意,激光光谱学是一个巨大的研究和应用领域,因此很难提供完整的概述。

激光光谱学方法

激光吸收光谱

一种常用的方法是激光吸收光谱法,其中可调谐窄线宽激光器(通常是单频激光器)通过某个波长范围进行调谐,并且测量某些样品中的光吸收(即探针光束的光功率降低)作为该波长的函数。

显然,光谱分辨率受到激光线宽的限制,因此通常通过合适的激光设计将其最小化。 在光学频率计量领域需要并实现极高的精度,例如实现极其精确的光学时钟。

吸收特征并不总是通过测量波长依赖性吸收来直接研究。 相反,人们可以利用对调制激光束(频率调制光谱)[6]或检测激光脉冲引起的声波(光声光谱,见下文)的更微妙的影响。

激光吸收光谱有许多变体,通常是为了进一步提高灵敏度而开发的。 有关更多详细信息,请参阅有关激光吸收光谱的文章。

频率梳光谱

现代激光光谱学的一些技术采用锁模激光器产生的频率梳[12]。 由于这样的频率梳在频谱中包含一定数量的完全相同等距的线,如果只有两个参数是固定的(可能通过一些反馈技术稳定),则其所有频率分量都是已知的(除了一些噪声):梳状间距,这与脉冲重复率有关,以及载波包络偏移频率。 因此,频率梳可以在宽波长范围内用于极其精确的频率测量,如果它们以高光带宽(有时超过倍频程跨度)和适当的频率稳定生产。

频率梳谱[19]在频率计量学(特别是超精密光学时钟)和其他领域有各种重要应用。

拉曼光谱

在拉曼光谱中,人们利用了这样一种现象,即用窄带连续波激光照射的介质不仅以相同的光学频率散射光(瑞利散射),而且部分散射频率略低(拉曼散射)。 相应的光子能量损失停留在介质中;它导致振动或旋转模式的激励。 通过分析弱拉曼移位光的光谱(用陷波滤光片抑制瑞利散射光后),可以检索有关介质振动或旋转模式的信息,以及其温度的信息。

拉曼光谱具有广泛的应用,例如在生物学和医学、光纤中的分布式温度传感、艺术品分析和爆炸物检测。

光声光谱

样品中光的波长依赖性吸收通常通过降低穿过样品的光束的光功率来测量。 然而,光声光谱学基于一种不同的方法:一种检测由强烈激光脉冲吸收激发的声波。 例如,这种脉冲可以加热样品气体或固体材料,引起微弱的压力波,可以用麦克风检测到。 用锁相放大器处理麦克风信号,可以实现高灵敏度。

超快激光光谱

尽管可能大多数激光光谱技术都是基于连续波激光器,但也有多种使用锁模激光器的方法,这些方法会产生超短脉冲序列。 一些例子:

  • 有泵浦探头测量,允许人们在超短时间尺度上测量系统的时间演变。 在简单的情况下,不会获得光谱信息。 但是,当使用宽带探头脉冲时,也可以获得时间分辨的光谱信息。 这称为瞬态吸收光谱。
  • 有时间分辨光电子能谱的方法,其中第一个激光脉冲激发正在研究的样品,第二个激光脉冲使材料电离。 然后测量来自该过程的光电子动能分布,在泵浦和探头脉冲之间的不同时间延迟下。

激光诱导击穿光谱

强烈的激光脉冲可以使材料汽化和电离,涉及激光诱导击穿的影响。 从汽化材料中产生的闪光可以用光谱仪进行分析,然后可以使用光谱指纹来识别某些原子。

对于这种光谱方法,激光脉冲的波长并不是特别重要,因为激光仅用于集中传输能量。 波长分辨率仅在光检测侧获得。

光谱学激光器

由于激光光谱学的方法非常广泛,因此也有各种不同的激光源用于以下目的:

  • 小型单频激光二极管可用作廉价且紧凑的波长可调光源。 发射波长通常只需通过改变驱动电流来调节,这会影响温度。 更精细的方案涉及包含波长选择光学元件的外部激光谐振器。 这种外腔二极管激光器具有更高的性能。
  • 一些宽带可调谐固态激光器,如钛蓝宝石激光器、硒化铬锌和硫化物激光器(Cr2+:ZnSe, Cr2+:ZnS ,参见掺铬激光增益介质),Cr4+:MgSiO4 (镁铝矿)激光器和掺铒光纤激光器可以覆盖数十至数百纳米的波长范围,并且通常还提供可观的输出功率和低激光噪声。 在某些情况下,产生纳秒脉冲的Q开关操作是有用的;重要的例子是激光诱导击穿光谱和激光雷达。 高脉冲能量与窄线宽(通常在单频操作中)相结合通常是令人感兴趣的。
  • 拉曼光谱中使用具有相对高功率的固定波长固态激光器。 窄线宽很重要。
  • 量子级联激光器可以产生中红外辐射和太赫兹辐射,通常比以前常用的铅盐激光器提供更好的性能和更高的便利性。 使用此类光源可以访问非常宽的波长区域。
  • 锁模激光器,通常以固态激光器的形式,发射超短脉冲序列,用于产生频率梳(见上文),通常具有高度稳定的光学频率。
  • 染料激光器可以进入宽波长区域,特别是在可见光谱范围内,也可以在近紫外和近红外范围内。 有连续波、脉冲和锁模版本。
  • 光学参量振荡器在连续波操作中用各种类型的激光器泵浦,具有纳秒、皮秒或飞秒脉冲,通常可以在非常宽的波长区域进行调谐,并且可以访问激光器无法直接进入的光谱区域。 通过倍频和总和频率生成等方法可以扩展到较短的波长,而差频生成是一种产生长波长(通常是中红外甚至太赫兹)辐射的方法。
  • 超连续体产生可用作某些光谱测量所需的产生宽带光的方法。 这种方法提供了非常广泛的光谱,通常与高空间相干性和显着的光功率相结合。

此激光源列表不完整;有时甚至使用奇特类型的激光器和非线性源来满足光谱应用的某些要求。

低水平的激光噪声对于精密光谱学通常很重要。 各种类型的噪声,如强度噪声、相位噪声(与有限光带宽有关)或时序抖动,都可能与此相关。 因此,经常采用或多或少复杂的低噪声操作和激光稳定方案。 就频率稳定而言,这些本身通常涉及光谱学技术。 在极端情况下,线宽低于 1 Hz。

激光光谱的应用

激光光谱方法通常用于检测材料的成分,通常包括浓度的定量测量。 一些例子:

  • 例如,在环境监测的背景下,使用激光雷达(LIDAR)方法测量大气中痕量气体的浓度。 同样,可以在水中检测到污染物,并且可以测量医疗活性物质的浓度。 基于激光诱导荧光分析的光谱设备甚至部分用于太空,例如用于监测植被和优化农业。
  • 生物学,医学和化学可以从精确和快速的材料分析方法中受益,这些方法部分是非破坏性的。
  • 典型的安全应用包括爆炸物和毒品的检测。
  • 可以分析绘画等艺术品的详细构图,例如揭示其年龄并检查其真实性。
  • 在工业过程监控和质量控制以及基础研究中有许多应用,例如燃烧过程的诊断。
  • 在各种情况下,光谱学可用于基于水平群体的温度依赖性的温度测量。

参考文献

[1] W. R. Bennett, Jr., “Hole burning effects in a He–Ne optical maser”, Phys. Rev. 126 (2), 580 (1962), doi:10.1103/PhysRev.126.580
[2] P. W. Smith and R. Hänsch, “Cross-relaxation effects in the saturation of the 6328-Å neon-laser line”, Phys. Rev. Lett. 26 (13), 740 (1971), doi:10.1103/PhysRevLett.26.740
[3] T. W. Hänsch, M. D. Levenson and A. L. Schawlow, “Complete hyperfine structure of a molecular iodine line”, Phys. Rev. Lett. 26 (16), 946 (1971), doi:10.1103/PhysRevLett.26.946
[4] C. K. N. Patel, E. G. Burkhardt, and C. A. Lambert, “Spectroscopic measurements of stratospheric nitric oxide and water vapor” (an early demonstration of Lidar), Science 184, 1173 (1974)
[5] J. N. Eckstein, A. I. Ferguson, and T. W. Hänsch, “High-resolution two-photon spectroscopy with picosecond light pulses”, Phys. Rev. Lett. 40 (13), 847 (1978), doi:10.1103/PhysRevLett.40.847
[6] G. C. Bjorklund et al., “Frequency-modulation spectroscopy”, Appl. Phys. B 32 (3), 145 (1983), doi:10.1007/BF00688820
[7] T. W. Hänsch and B. Couillaud, “Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity”, Opt. Commun. 35 (3), 441 (1980), doi:10.1016/0030-4018(80)90069-3
[8] E. S. Polzik et al., “Spectroscopy with squeezed light”, Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3020 (1992), doi:10.1103/PhysRevLett.68.3020
[9] K. J. Boller and T. Schroeder, “Demonstration of broadband intracavity spectroscopy in a pulsed optical parametric oscillator of beta-barium borate”, J. Opt. Soc. Am. B 10 (9), 1778 (1993), doi:10.1364/JOSAB.10.001778
[10] A. Kachanov et al., “Intracavity laser spectroscopy with vibronic solid-state lasers: I. Spectro-temporal transient behaviour of a Ti:sapphire laser”, J. Opt. Soc. Am. B 11 (12), 2412 (1994), doi:10.1364/JOSAB.11.002412
[11] A. Garnache et al., “High-sensitivity intracavity laser absorption spectroscopy with vertical-external-cavity surface-emitting semiconductor lasers”, Opt. Lett. 24 (12), 826 (1999), doi:10.1364/OL.24.000826
[12] R. Holzwarth et al., “Optical frequency synthesizer for precision spectroscopy”, Phys. Rev. Lett. 85 (11), 2264 (2000), doi:10.1103/PhysRevLett.85.2264
[13] C. Haisch and R. Niessner, “Light and sound – photoacoustic spectroscopy”, Spectroscopy Europe 14/5, 10 (2002), http://www.spectroscopyeurope.com/images/stories/ArticlePDfs/PAS14_5.pdf
[14] J. Mandon et al., “Fourier transform spectroscopy with a frequency comb”, Nature Photon. 3, 99 (2009), doi:10.1038/nphoton.2008.293
[15] D. W. Ball, “Photoacoustic spectroscopy”, Spectroscopy 21 (9) (2009)
[16] F. Adler et al., “Mid-infrared Fourier transform spectroscopy with a broadband frequency comb”, Opt. Express 18 (21), 21861 (2010), doi:10.1364/OE.18.021861
[17] D. D. Arslanov et al., “Continuous-wave optical parametric oscillator based infrared spectroscopy for sensitive molecular gas sensing”, Laser & Photon. Rev. 7 (2), 188 (2013), doi:10.1002/lpor.201100036
[18] D. W. Hahn and N. Omenetto, “Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), part II: review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields”, Appl. Spectroscopy 66 (4), 347 (2012)
[19] N. Picqué and T. W. Hänsch, “Frequency comb spectroscopy”, Nature Photon. 13, 146 (2019), doi:10.1038/s41566-018-0347-5
[20] N. Modsching et al., “High-power dual-comb thin-disk laser oscillator for fast high-resolution spectroscopy”, Opt. Express 29 (10), 15104 (2021), doi:10.1364/OE.424317
[21] W. Demtröder, Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation, 3rd ed. (Springer, 2003)
[22] D. A. Cremers and L. J. Radziemski, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, John Wiley & Sons, New York (2006)
[23] T. Rieger and T. Volz, “Doppler-free saturation spectroscopy”, http://www.mpq.mpg.de/4992695/saturation_spectroscopy.pdf

光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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