Кіріспе

Когерентті анти-Стокс Раман спектроскопиясы, сонымен қатар Когерентті анти-Стокс Раман шашырауы спектроскопиясы (CARS) деп аталады, химия, физика және осымен байланысты салаларда негізгі қолданысқа ие спектроскопия түрі. Ол молекулалардың Раман спектроскопиясында байқалатын тербеліс сипаттамаларына, әдетте химиялық байланыстардың ядролық тербелістеріне сезімтал. Раман спектроскопиясынан өзгешелігі, CARS молекулалық тербелістерді қоздыру үшін бірнеше фотонды қолданады және когерентті сигнал тудырады. Осының нәтижесінде CARS, спонтанды Раман шығарылымынан бірнеше есе күшті. CARS – үш лазер сәулесін қатыстыратын үшінші реттік сызықтық емес оптикалық процесс: ωp жиілігіндегі сорғы сәулесі, ωS жиілігіндегі Стокс сәулесі және ωpr жиілігіндегі зонд сәулесі. Бұл сәулелер сынамамен өзара әрекеттесіп, анти-Стокс жиілігінде (ωpr+ωp-ωS) когерентті оптикалық сигнал жасайды. Соңғысы, сорғы мен Стокс сәулелері арасындағы жиілік айырмашылығы (ωp-ωS) Раман резонансы жиілігімен сәйкес келгенде резонанстық түрде күшейтіледі, бұл техниканың ішкі тербеліс контрасты механизмінің негізін құрайды. Когерентті Стокс Раман спектроскопиясы (CSRS, «қарақ» деп айтылады) Раман спектроскопиясымен және лазерлік процестермен тығыз байланысты. Ол CARS-ке өте ұқсас, бірақ анти-Стокс жиілігіндегі қоздыру сәулесін пайдаланады және Стокс жиілігіндегі сәуле байқалады (CARS-ке кері).

Тарих

1965 жылы Ford Motor Company ғылыми зертханасының екі зерттеушісі П. Д. Мейкер мен Р. В. Терхуне CARS құбылысын алғаш рет сипаттады. Мейкер мен Терхуне бірнеше материалдардың үшінші реттік жауабын зерттеу үшін импульсті рубин лазерін пайдаланды. Олар біріншіде ω жиілігіндегі рубин сәулесін Раман түрлендіргіші арқылы өткізіп, ω-ωv жиілігінде екінші сәуле жасады, содан кейін екі сәулені бір уақытта сынамаға бағыттады. Екі сәуленің импульстары кеңістікте де, уақытта да беттескенде, Форд зерттеушілері ω+ωv жиілігіндегі сигналды байқады, ол көк түсті CARS сигналы. Сондай-ақ, кіріс сәулелер арасындағы жиілік айырмашылығы ωv сынаманың Раман жиілігімен сәйкес келгенде сигналдың күрт артатынын көрсетті. Мейкер мен Терхуне өз әдісін қарапайым "үш толқынды араласу тәжірибесі" деп атады. Когерентті анти-Стокс-Раман спектроскопиясы деген атауды шамамен он жылдан кейін, 1974 жылы Стенфорд университетінде Бегли және әріптестері берді. Содан бері бұл тербеліске сезімтал, сызықты емес оптикалық әдіс CARS деп белгілі.

Принцип

CARS процесін классикалық тербеліс моделімен немесе молекуланың энергия деңгейін қамтитын кванттық механикалық модельмен физикалық тұрғыдан түсіндіруге болады. Классикалық түрде Раман белсенді тербелісі ωv сипаттамалық жиілігі бар (өлшеуленген) гармоникалық тербеліш ретінде моделенеді. CARS-та бұл тербелісті бір ғана оптикалық толқын емес, сорғы және Стокс сәулелері арасындағы жиілік айырмашылығы (ωp – ωS) қозғалтады. Бұл қозғалту механизмі екі түрлі жоғары дыбысты фортепиано пернесін соққан кезде еститін төменгі комбинациялық дыбысқа ұқсас: сіздің құлағыңыз жоғары дыбыстардың жиіліктерінің айырмашылығына сезімтал. Сол сияқты, Раман тербелісі екі оптикалық толқын арасындағы жиілік айырмашылығына бейімделеді. Жиілік айырмашылығы ωp – ωS, ωv-ге жақындағанда тербеліс тиімді жұмыс істейді. Молекулалық деңгейде бұл химиялық байланысты қоршап тұрған электрон бұлтының ωp – ωS жиілігімен күшті тербелісін білдіреді. Бұл электрондық қозғалыстар үлгінің оптикалық қасиеттерін өзгертеді, яғни материалдың сындыру көрсеткішінің периодтық модуляциясы пайда болады. Бұл периодтық модуляцияны үшінші лазерлік сәуле, яғни зонд сәулесімен тексеруге болады. Зонд сәулесі периодты түрде өзгеретін орта арқылы өтетін кезде, ол сол модуляцияны қабылдайды. Зондтың бастапқыда ωpr жиілігінде болған бөлігі қазір ωpr + ωp – ωS жиілігіне өзгереді, бұл байқалатын анти-Стокс сәулеленуі. Белгілі бір сәуле геометриясында анти-Стокс сәулесі зонд сәулесінен ауытқуы мүмкін және оны бөлек бағытта анықтауға болады. Бұл классикалық көрініс интуитивті болғанымен, молекуланың кванттық механикалық энергия деңгейін ескермейді. Кванттық механикада CARS процесін келесідей түсінуге болады. Біздің молекуламыз бастапқыда негізгі күйде, молекуланың ең төменгі энергиялы күйінде болады. Сорғы сәулесі молекуланы виртуалды күйге көтереді. Виртуалды күй молекуланың өзіндік күйі емес және оны толыққанды түрде иеленуге болмайды, бірақ басқа жағдайда иеленілмейтін нақты күйлер арасындағы ауысуларға мүмкіндік береді. Егер Стокс сәулесі сорғымен бірге бір мезгілде болса, виртуалды күй молекуланың тербеліс өзіндік күйіне жедел кіруге мүмкіндік береді. Сорғы мен Стокс сәулелерінің бірлескен әрекеті молекуланың негізгі күйі мен тербеліс күйі арасында байланысты тиімді түрде орнатады. Молекула бір уақытта екі күйде болады: ол күйлердің когерентті суперпозициясында болады. Бұл күйлер арасындағы когеренттілік зонд сәулесімен тексеріледі, ол жүйені виртуалды күйге көтереді. Тағы да, молекула виртуалды күйде тұра алмайды және анти-Стокс жиілігінде фотон шығару арқылы бірден негізгі күйге оралады. Молекула енді суперпозицияда емес, қайтадан бір күйде, яғни негізгі күйде болады. Кванттық механикалық модельде CARS процесінде молекулаға энергия түспейді. Оның орнына молекула үш кіретін толқынның жиіліктерін CARS сигналына (параметрлік процесс) түрлендіруге арналған орта ретінде әрекет етеді. Алайда, бір мезгілде болатын және молекулаға энергияны жинақтайтын, байланысты когерентті Раман процестері де бар.

Раман спектроскопиясымен салыстыру

CARS жиі Раман спектроскопиясымен салыстырылады, себебі екі техника да бірдей Раман белсенді режимдерін зерттейді. Раманды бір үздіксіз толқынды лазер (CW) қолдана отырып жасауға болады, ал CARS (әдетте) екі импульсті лазерлік көзді қажет етеді. Раман сигналы келіп түскен сәулелердің қызыл жағында анықталады, онда ол басқа флуоресценттік процестермен бәсекелесуі мүмкін. CARS сигналы көк жағында анықталады, ол флуоресценциядан бос, бірақ резонанс емес үлесімен келеді. Раман мен CARS сигналдарының айырмашылығы (екі техниканың да көптеген нұсқалары бар) негізінен Раманның спонтанды түрде өтуіне сүйенгенімен, CARS когерентті түрде қоздырылатын өтуіне сүйенеді. Үлгіден жиналған жалпы Раман сигналы – жеке молекулалардан алынған сигналдың бірізді емес қосылуы. Сондықтан бұл молекулалардың концентрациясына сызықтық және сигнал барлық бағытта таралады. CARS сигналының жалпы саны жеке молекулалардың сигналын когерентті түрде қосу арқылы алынады. Когерентті қосудың аддитивті болуы үшін фазалық сәйкестік орындалуы тиіс. Қатаң фокус жағдайларында бұл, әдетте, шектеу емес. Фазалық сәйкестендіру орындалғаннан кейін сигнал амплитудасы қашықтыққа қарай сызықтық түрде өседі, сондықтан қуат квадраттық түрде өседі. Бұл сигнал бір-бірімен байланысқан сәуле түзеді, сондықтан оны оңай жинауға болады. CARS сигналының қашықтықта квадраттық болуы концентрацияға қатысты квадраттық және сондықтан көпшілік құрамдас бөлігіне ерекше сезімтал. CARS сигналының жалпы көлеміне сәйкес резонанссыз фон да болады. Бұл резонанссыз сигналды (бірнеше) алыс резонанстық ауысулардың нәтижесі ретінде қарастыруға болады, олар да үйлесімді түрде қосылады. Резонанстық амплитудада резонанс үстінде π/2 радиандық фазалық ауытқу бар, ал резонанстық емес бөлікте жоқ. Сондықтан CARS интенсивтілігінің спектроскопиялық сызық пішіні Раман сигналына қатысты ауыстырылған Фано профиліне ұқсайды. Көп компонентті қосылыстардың спектрлерін салыстыру үшін (резонанстық) CARS спектрлік амплитудасын Раман спектрлік интенсивтілігімен салыстыру керек. Теориялық тұрғыдан алғанда, Раман спектроскопиясы мен CARS спектроскопиясы бірдей сезімтал, өйткені олар бірдей молекулалық ауысуларды қолданады. Алайда, кіру қуатының (зақым шегі) және детектор шуының (интеграциялау уақыты) шектерін ескере отырып, CARS-ті қолдану арқылы бір ауысудан шыққан сигналды практикалық жағдайларда (105 есе) әлдеқайда жылдам жинауға болады. Сондықтан белгілі заттардың (таныс спектрлердің) суреттелуін CARS арқылы жиі жүргізеді. CARS жоғары деңгейдегі сызықтық емес процесс болғандықтан, CARS сигналы бір молекуладан бір молекуладан келетін Раман сигналынан жоғары болады. Алайда, өте төмен концентрацияларда CARS сигналы үшін үйлесімді қосудың артықшылықтары азаяды және үйлесімсіз фонның болуы күшейіп келе жатқан проблемаға айналады. CARS – сызықтық емес процесс болғандықтан, тәжірибелік сандар жоқ. Бір мысал төменде келтірілген, импульс ұзақтығын бір шамамен өзгерту CARS сигналын үш шамамен өзгертеді деген нақты ескертуде келтірілген. Салыстыруды сигналдардың шамасының ретін көрсету үшін ғана қолдану керек. Орташа қуаты 200 мВт (Раман үшін CW), орта толқын ұзындығы 800 нм шамасындағы 0,9 NA объективінде қуат тығыздығы 26 МВт/см2 (фокус ұзындығы = 1,5 микрометр, фокус көлемі = 1,16 микрометр3, фотондардың энергиясы = 2,31×10−19 Дж немесе 1,44 эВ). Толуолдағы ароматтық сақинаның 1000 см-1 шамасындағы тербелісі үшін Раман қимасы 10−29 см2/молекула·стерадиан шамасында. Сондықтан Раман сигналы шамамен 26×10−23 Вт/молекула·стерадиан немесе 3,3×10−21 Вт/молекула (4π-ден астам стерадиан). Бұл 0,014 фотоны/сек. молекула. Толуолдың тығыздығы = 0,8668×103 кг/м3, молекулалық массасы = 92,14×10−3 кг/моль. Сондықтан, фокустық көлемде (~1 текше микрометр) 6×109 молекула бар. Бұл молекулалар бірге 2×10−11 Вт (20 пВт) шамасындағы Раман сигналын немесе шамамен бір жүз миллион фотоны/сек (4π стердианнан астам) шығарады. CARS эксперименті ұқсас параметрлермен (1064 нм-де 150 мВт, 803,5 нм-де 200 мВт, 80 МГц қайталау жиілігінде 15 секунд импульстер, бірдей объективті линза) шамамен 17,5×10−6 Вт береді (3000 см-1 сызықта, оның күші 1/3 және ені шамамен 3 есе). Бұл CARS қуаты шамамен 106 раманнан жоғары, бірақ 6×109 молекула болғандықтан, CARS-тен молекулаға арналған сигнал 4×10−25 Вт/молекула·с немесе 1,7×10−6 фотондары/молекула·с ғана. Егер біз үштен екі факторды (сызық беріктігі мен сызық ені) рұқсат етсек, онда молекулаға арналған спонтандық Раман сигналы әлі де молекулаға арналған CARS-тен екі еседен артық. Алайда, CARS сигналынан алынған молекулалардың когерентті қосылуы жалпы сигналды Раманнан әлдеқайда жоғары етеді. Көптеген CARS эксперименттеріндегі сезімталдық CARS фотондарының анықталуымен шектелмейді, бірақ CARS сигналының резонанстық және резонанссыз бөлігін ажыратумен шектеледі.

Когерентті Стокс-Раман спектроскопиясы

Когерентті Стокс-Раман спектроскопиясы (CSRS, "қарақ" деп айтылады) – химия, физика және осымен байланысты салаларда негізгі қолданысқа ие спектроскопия түрі. Ол Раман спектроскопиясымен және лазерлік процестермен тығыз байланысты. Бұл Раман спектроскопиясына өте ұқсас, бірақ сигналды күрт күшейтетін лазерлік процесті қамтиды. Бұл CARS-қа өте ұқсас, алайда anti-Stokes жиілігімен стимуляциялық сәуле қолданылады және Stokes жиілігіндегі сәуле байқалады (CARS-қа кері).

Жанар диагностикасы

CARS спектроскопиясы температураны өлшеуге қолданылуы мүмкін, себебі CARS сигналы температураға тәуелді. Сигналдың күші негізгі күйдегі популяция мен дірілдеу күйіндегі популяция арасындағы айырмашылыққа пропорционал (сызықты емес). Күйлердің популяциясы температураға тәуелді Болцман таралымын қанағаттандыратындықтан, CARS сигналы да ішкі температуралық тәуелділікке ие. Осы температуралық тәуелділік CARS-ты ыстық газдар мен жалындардың температурасын бақылау үшін танымал техникаға айналдырады.

Басқа қолданбалар

КӨЛІКТЕГІ жол жиегіндегі миналарды анықтауға арналған құрылғылар жасалуда.