Кіріспе
Спектроскопиялық техника. Резонанстық күшейтілген көп фотонды иондау (REMPI) – атомдар мен кіші молекулалардың спектроскопиясына қолданылатын техника. Іс жүзінде, өзгертілетін лазерді қолданып, қозған аралық күйге қол жеткізуге болады. Екі фотон немесе басқа көп фотонды фотосіңіруге байланысты таңдау қағидалары, бір фотонды ауысу үшін қолданылатын таңдау қағидаларынан өзгеше. REMPI техникасы әдетте, электрондық түрде қозған аралық күйге резонанстық бір немесе бірнеше фотонды сіңіруді қамтиды, одан кейін атомды немесе молекуланы иондайтын тағы бір фотон пайда болады. Типтік көп фотонды ауысуды жүзеге асыру үшін қажетті жарық интенсивтілігі, әдетте, бір фотонды фотосіңіруді жүзеге асыру үшін қажетті жарық интенсивтілігінен едәуір жоғары. Осы себепті, келесі фотосіңіру жиі болады. Егер фотондар жүйенің иондану шегінен артық энергия берсе, ион мен бос электрон пайда болады. Көп жағдайларда REMPI, бір фотонды спектроскопиялық әдістермен қол жеткізуге болмайтын спектроскопиялық ақпаратты ұсынады, мысалы, молекулалардың айналу құрылымын осы техникамен оңай көруге болады. REMPI әдетте, шағын көлемді плазма құру үшін фокусталған, жиілігі өзгертілетін лазерлік сәулемен жасалады. REMPI-де, алдымен m фотон атом немесе молекуламен бір мезгілде сіңіріліп, оны қозған күйге жеткізеді. Содан кейін n фотон сіңіріліп, электрон мен ион жұбын жасайды. m+n REMPI деп аталатын бұл процесс – сызықтық емес оптикалық процесс, ол лазерлік сәуленің фокусы ішінде ғана жүзеге асуы мүмкін. Лазерлік фокус аймағының жанында шағын көлемді плазма пайда болады. Егер m фотонның энергиясы ешқандай күйге сәйкес келмесе, ΔE энергия тапшылығымен резонанссыз ауысу болуы мүмкін, бірақ электрон сол күйде қалуы өте аз ғана мүмкін. Үлкен детонация үшін ол тек Δt уақытында ғана болады. Белгісіздік принципі Δt үшін орындалады, мұнда ћ = h/2π және h – Планк тұрақтысы (6.6261 × 10⁻³⁴ Дж·с). Мұндай ауысулар мен күйлер нақты, ұзақ өмір сүретін күйлерге ауысулардан айырмашылығы, виртуалды деп аталады. Нақты ауысу ықтималдығы виртуалды ауысудан әлдеқайда жоғары, бұл резонанстық күшейту эффектісі деп аталады.
Resonance enhanced multiphoton ionization (REMPI) is a technique applied to the spectroscopy of atoms and small molecules. In practice, a tunable laser can be used to access an excited intermediate state. The selection rules associated with a two photon or other multiphoton photoabsorption are different from the selection rules for a single photon transition. The REMPI technique typically involves a resonant single or multiple photon absorption to an electronically excited intermediate state followed by another photon which ionizes the atom or molecule. The light intensity to achieve a typical multiphoton transition is generally significantly larger than the light intensity to achieve a single photon photoabsorption. Because of this, subsequent photoabsorption is often very likely. An ion and a free electron will result if the photons have imparted enough energy to exceed the ionization threshold energy of the system. In many cases, REMPI provides spectroscopic information that can be unavailable to single photon spectroscopic methods, for example rotational structure in molecules is easily seen with this technique. REMPI is usually generated by a focused frequency tunable laser beam to form a small volume plasma. In REMPI, first m photons are simultaneously absorbed by an atom or molecule in the sample to bring it to an excited state. Other n photons are absorbed afterwards to generate an electron and ion pair. The so called m+n REMPI is a nonlinear optical process, which can only occur within the focus of the laser beam. A small volume plasma is formed near the laser focal region. If the energy of m photons does not match any state, an off resonant transition can occur with an energy defect ΔE, however, the electron is very unlikely to remain in that state. For large detuning, it resides there only during the time Δt. The uncertainty principle is satisfied for Δt, where ћ=h/2π and h is the Planck constant (6.6261×10^ 34 J∙s). Such transition and states are called virtual, unlike real transitions to states with long lifetimes. The real transition probability is many orders of magnitude higher than the virtual transition one, which is called resonance enhanced effect.
Ридберг штаттары
Жоғары фотон интенсивтілігімен жүргізілетін эксперименттерде фотон энергиясының толық еселіктерімен сіңірілуге жататын көп фотонды процестер кездесуі мүмкін. Көп фотонды резонансқа қатысты эксперименттерде аралық күй көбінесе төменгі жатқан Ридберг күйі болады, ал соңғы күйі көбінесе ион болып табылады. Жүйенің бастапқы күйі, фотон энергиясы, бұрыштық момент және басқа да таңдау ережелері аралық күйдің мәнін анықтауға көмектеседі. Осы тәсіл резонанстық күшейтілген көп фотонды иондау спектроскопиясында (REMPI) қолданылады. Бұл техника атомдық және молекулалық спектроскопияда кеңінен қолданылады. REMPI техникасының артықшылығы – иондарды дерлік толық тиімділікпен анықтауға және олардың массасы бойынша уақыт бойынша да анықтауға болады. Сондай-ақ, осы эксперименттерде босатылған фотоэлектронның энергиясын зерттеу арқылы қосымша ақпарат алуға болады.
Микротолқынды анықтау
REMPI-мен индукцияланған плазмалық жіпшелердегі электрондардың когерентті микротолқындық шашырауы, физикалық зерттеулер немесе электродтарсыз концентрация профильдерін анықтауға мүмкіндік беретін жоғары кеңістіктік және уақыттық ажыратымдылығы бар таңдамалы иондалған түрлерді өлшеу қабілетін қосады. Ол аргон, ксенон, азот оксиді, көміртек оксиді, атомдық оттегі және метил радикалдары сияқты түрлерді жабық камераларда, ашық ауада және атмосфералық жалындарда анықтау үшін қолданылған. Микротолқындық детекция гомодиндік немесе гетеродиндік технологияларға негізделген. Олар шуды жою арқылы детекция сезімталдығын айтарлықтай арттыра алады және наносекундтық плазманың пайда болуын және эволюциясын қадағалай алады. Гомодиндік детекция әдісі анықталған микротолқынды электр өрісін өзінің көзімен араластырып, екеуінің көбейтіндісіне пропорционалды сигнал жасайды. Сигнал жиілігі ондаған гигагерцтен бір гигагерцке дейін төмендетіледі, бұл сигналды стандартты электрондық құрылғылармен күшейтіп, бақылауға мүмкіндік береді. Гомодиндік детекция әдісімен байланысты жоғары сезімталдық, микротолқынды аймақта фондық шудың болмауы және лазерлік импульспен синхронды детекциялық электрониканың уақыттық қақпасының мүмкіндігіне байланысты, тіпті милливатттық микротолқынды көздермен де өте жоғары SNR-ға қол жеткізуге болады. Бұл жоғары SNR микротолқынды сигналдың уақытша мінез-құлқын наносекундтық уақыт шкаласында бақылауға мүмкіндік береді. Осылайша плазмадағы электрондардың өмір сүру мерзімін тіркеуге болады. Микротолқынды циркуляторды пайдалану арқылы бір микротолқынды мүйізді трансивер құрылды, бұл экспериментальдық орнатуды едәуір жеңілдетеді. Микротолқынды аймақтағы детекция оптикалық детекцияға қарағанда көптеген артықшылықтарға ие. Гомодиндік немесе гетеродиндік технологияларды қолдану арқылы қуат емес, электр өрісі анықталады, сондықтан шуды жақсырақ жоюға болады. Оптикалық гетеродиндік әдістерден айырмашылығы, эталонды туралау немесе режимді сәйкестендіру қажет емес. Микротолқындардың ұзын толқын ұзындығы лазерлік фокус көлеміндегі плазмадан тиімді нүктелік когерентті шашырауға әкеледі, сондықтан фазалық сәйкестік маңызды емес және кері шашырау күшті. Бір электроннан көптеген микротолқынды фотондар шашырауы мүмкін, сондықтан микротолқынды таратушының қуатын арттыру арқылы шашырау амплитудасын арттыруға болады. Микротолқынды фотондардың төмен энергиясы көзге көрінетін аймаққа қарағанда энергия бірлігіне мыңдаған фотондарға сәйкес келеді, сондықтан ату шуы күрт төмендейді. Іздік түрлер диагностикасына тән әлсіз иондану үшін өлшенген электр өрісі, іздік түрлердің концентрациясына тікелей пропорционал электрондар санының сызықтық функциясы болып табылады. Сонымен қатар, микротолқынды спектр аймағында күн сәулесі немесе басқа табиғи фондық сәулелену өте аз.