Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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).
Coherent anti Stokes Raman spectroscopy, also called Coherent anti Stokes Raman scattering spectroscopy (CARS), is a form of spectroscopy used primarily in chemistry, physics and related fields. It is sensitive to the same vibrational signatures of molecules as seen in Raman spectroscopy, typically the nuclear vibrations of chemical bonds. Unlike Raman spectroscopy, CARS employs multiple photons to address the molecular vibrations, and produces a coherent signal. As a result, CARS is orders of magnitude stronger than spontaneous Raman emission. CARS is a third order nonlinear optical process involving three laser beams: a pump beam of frequency ωp, a Stokes beam of frequency ωS and a probe beam at frequency ωpr. These beams interact with the sample and generate a coherent optical signal at the anti Stokes frequency (ωpr+ωp ωS). The latter is resonantly enhanced when the frequency difference between the pump and the Stokes beams (ωp ωS) coincides with the frequency of a Raman resonance, which is the basis of the technique's intrinsic vibrational contrast mechanism. Coherent Stokes Raman spectroscopy (CSRS pronounced as "scissors") is closely related to Raman spectroscopy and lasing processes. It is very similar to CARS except it uses an anti Stokes frequency stimulation beam and a Stokes frequency beam is observed (the opposite of CARS).
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.
In 1965, a paper was published by two researchers of the Scientific Laboratory at the Ford Motor Company, P. D. Maker and R. W. Terhune, in which the CARS phenomenon was reported for the first time. Maker and Terhune used a pulsed ruby laser to investigate the third order response of several materials. They first passed the ruby beam of frequency ω through a Raman shifter to create a second beam at ω ωv, and then directed the two beams simultaneously onto the sample. When the pulses from both beams overlapped in space and time, the Ford researchers observed a signal at ω+ωv, which is the blue shifted CARS signal. They also demonstrated that the signal increases significantly when the difference frequency ωv between the incident beams matches a Raman frequency of the sample. Maker and Terhune called their technique simply 'three wave mixing experiments'. The name coherent anti Stokes Raman spectroscopy was assigned almost ten years later, by Begley et al. at Stanford University in 1974. Since then, this vibrationally sensitive nonlinear optical technique has been commonly known as CARS.
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.
The CARS process can be physically explained by using either a classical oscillator model or by using a quantum mechanical model that incorporates the energy levels of the molecule. Classically, the Raman active vibrator is modeled as a (damped) harmonic oscillator with a characteristic frequency of ωv. In CARS, this oscillator is not driven by a single optical wave, but by the difference in frequency (ωp ωS) between the pump and the Stokes beams instead. This driving mechanism is similar to hearing the low combination tone when striking two different high tone piano keys: your ear is sensitive to the difference in the frequencies of the high tones. Similarly, the Raman oscillator is susceptible to the difference in frequency between two optical waves. When the difference of frequency ωp ωS approaches ωv, the oscillator is driven very efficiently. On a molecular level, this implies that the electron cloud surrounding the chemical bond is vigorously oscillating with the frequency ωp ωS. These electron motions alter the optical properties of the sample, i. e. there is a periodic modulation of the refractive index of the material. This periodic modulation can be probed by a third laser beam, the probe beam. When the probe beam is propagating through the periodically altered medium, it acquires the same modulation. Part of the probe, originally at ωpr will now get modified to ωpr+ωp ωS, which is the observed anti Stokes emission. Under certain beam geometries, the anti Stokes emission may diffract away from the probe beam, and can be detected in a separate direction. While intuitive, this classical picture does not take into account the quantum mechanical energy levels of the molecule. Quantum mechanically, the CARS process can be understood as follows. Our molecule is initially in the ground state, the lowest energy state of the molecule. The pump beam excites the molecule to a virtual state. A virtual state is not an eigenstate of the molecule and it can not be occupied but it does allow for transitions between otherwise unoccupied real states. If a Stokes beam is simultaneously present along with the pump, the virtual state can be used as an instantaneous gateway to address a vibrational eigenstate of the molecule. The joint action of the pump and the Stokes has effectively established a coupling between the ground state and the vibrationally excited state of the molecule. The molecule is now in two states at the same time: it resides in a coherent superposition of states. This coherence between the states can be probed by the probe beam, which promotes the system to a virtual state. Again, the molecule cannot stay in the virtual state and will fall back instantaneously to the ground state under the emission of a photon at the anti Stokes frequency. The molecule is no longer in a superposition, as it resides again in one state, the ground state. In the quantum mechanical model, no energy is deposited in the molecule during the CARS process. Instead, the molecule acts like a medium for converting the frequencies of the three incoming waves into a CARS signal (a parametric process). There are, however, related coherent Raman processes that occur simultaneously which do deposit energy into the molecule.
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.
CARS is often compared to Raman spectroscopy as both techniques probe the same Raman active modes. Raman can be done using a single continuous wave (CW) laser whereas CARS requires (generally) two pulsed laser sources. The Raman signal is detected on the red side of the incoming radiation where it might have to compete with other fluorescent processes. The CARS signal is detected on the blue side, which is free from fluorescence, but it comes with a non resonant contribution. The differences between the signals from Raman and CARS (there are many variants of both techniques) stems largely from the fact that Raman relies on a spontaneous transition whereas CARS relies on a coherently driven transition. The total Raman signal collected from a sample is the incoherent addition of the signal from individual molecules. It is therefore linear in the concentration of those molecules and the signal is emitted in all directions. The total CARS signal comes from a coherent addition of the signal from individual molecules. For the coherent addition to be additive, phase matching must be fulfilled. For tight focusing conditions this is generally not a restriction. Once phase matching is fulfilled the signal amplitude grows linearly with distance so that the power grows quadratically. This signal forms a collimated beam that is therefore easily collected. The fact that the CARS signal is quadratic in the distance makes it quadratic with respect to the concentration and therefore especially sensitive to the majority constituent. The total CARS signal also contains an inherent non resonant background. This non resonant signal can be considered as the result of (several) far off resonance transitions that also add coherently. The resonant amplitude contains a phase shift of π/2 radians over the resonance whereas the non resonant part does not. The spectroscopic line shape of the CARS intensity therefore resembles a Fano profile which is shifted with respect to the Raman signal. To compare the spectra from multi component compounds, the (resonant) CARS spectral amplitude should be compared to the Raman spectral intensity. Theoretically Raman spectroscopy and CARS spectroscopy are equally sensitive as they use the same molecular transitions. However, given the limits on input power (damage threshold) and detector noise (integration time), the signal from a single transition can be collected much faster in practical situations (a factor of 105) using CARS. Imaging of known substances (known spectra) is therefore often done using CARS. Given the fact that CARS is a higher order nonlinear process, the CARS signal from a single molecule is larger than the Raman signal from a single molecule for a sufficiently high driving intensity. However, at very low concentrations, the advantages of the coherent addition for the CARS signal are reduced and the presence of the incoherent background becomes an increasing problem. Since CARS is such a nonlinear process there are not really any 'typical' experimental numbers. One example is given below under the explicit warning that just changing the pulse duration by one order of magnitude changes the CARS signal by three orders of magnitude. The comparison should only be used as an indication of the order of magnitude of the signals. 200 mW average power input (CW for the Raman), in a 0.9NA objective with a center wavelength around 800 nm, constitutes a power density of 26 MW/cm,2 (focus length = 1.5 micrometre, focus volume = 1.16 micrometre3, photon energy = 2.31×10−19 J or 1.44 eV). The Raman cross section for the vibration of the aromatic ring in toluene around 1000 cm−1 is on the order of 10−29cm2/molecule·steradian. Therefore, the Raman signal is around 26×10−23 W/molecule·steradian or 3.3×10−21 W/molecule (over 4π steradians). That is 0.014 photon/sec·molecule. The density of toluene = 0.8668×103 kg/m3, molecular mass = 92.14×10−3 kg/mol. Therefore, the focal volume (~1 cubic micrometre) contains 6×109 molecules. Those molecules together generate a Raman signal in the order of 2×10−11 W (20 pW) or roughly one hundred million photons/sec (over 4π steradians). A CARS experiment with similar parameters (150 mW at 1064 nm, 200 mW at 803.5 nm, 15ps pulses at 80 MHz repetition frequency, same objective lens) yields roughly 17.5×10−6 W (on the 3000 cm−1 line, which has 1/3 of the strength and roughly 3 times the width). This CARS power is roughly 106 higher than the Raman but since there are 6×109 molecules, the signal per molecule from CARS is only 4×10−25 W/molecule·s or 1.7×10−6 photons/molecule·s. If we allow two factors of three (line strength and line width) then the spontaneous Raman signal per molecule still exceeds the CARS per molecule by more than two orders of magnitude. The coherent addition of the CARS signal from the molecules however yields a total signal that is much higher than the Raman. The sensitivity in many CARS experiments is not limited by the detection of CARS photons but rather by the distinction between the resonant and non resonant part of the CARS signal.
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).
Coherent Stokes Raman spectroscopy (CSRS pronounced as "scissors") is a form of spectroscopy used primarily in chemistry, physics and related fields. It is closely related to Raman spectroscopy and lasing processes. It is very similar to Raman spectroscopy, but involves a lasing process that dramatically improves the signal. It is very similar to the more common CARS except it uses an anti Stokes frequency stimulation beam and a Stokes frequency beam is observed (the opposite of CARS).
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.
CARS spectroscopy can be used for temperature measurements; because the CARS signal is temperature dependent. The strength of the signal scales (non linearly) with the difference in the ground state population and the vibrationally excited state population. Since the population of states follows the temperature dependent Boltzmann distribution, the CARS signal carries an intrinsic temperature dependence as well. This temperature dependence makes CARS a popular technique for monitoring the temperature of hot gases and flames.
Басқа қолданбалар
КӨЛІКТЕГІ жол жиегіндегі миналарды анықтауға арналған құрылғылар жасалуда.
CARS based detectors for roadside bombs are under development.