Том 1 (1109661), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Иногда рабочее тело лазера необходимо активировать электрическим разрядом, например, в случае газовых лазеров. В других случаях требуется подвод знергии к лазеру от внешнего источника'излучения, например, импульсной лампы. Принцип действия лазера основан на резонансе излучения, отражаемого зеркалами и многократно пробегающего через активнукз среду. При каждом его проходе испускаются дополнительные фотоны, и лазерное излучение многократно усиливается.
При зтом световой пучок дополнительно фокусируется. Поскольку одно из зеркал является полупроницаемым, лазерное излучение выходит наружу (рис. 3.5). ~~60 Г д. С р . д Возникновение лазерного излучения можно пояснить с помощью понятий «оптического насоса», спонтанного испускания, вынужденного испускания и поглощения света. Эти четыре явления схематически изображены на рис.3.6 для двух электронов, которые могут находиться в основном Е„ и возбужденном Е„ энергетическом состоянии. непараллельное излучение о э поддупроннцаемое зеркало зеркало лазерное излучение Рис.
3.5. Принципиальная схема лазера. Переход частиц рабочего тела из основного в возбужденное состояние осуществляется под действием внешнего источника энергии, называемого «оптическим насосом». Как упоминалось выше, «оптическим насосом» может служить внешний источник излучения или электрический разряд. Возбужденных электронных состояний может быть множество (в частности, на рис,3.6 не показано расщепление уровней энергии вследствие наличия колебательных подуровней).
Следующим элементарным актом является спонтанное ис«Ескание с возвращением в основное состояние. Оно может сопровождаться безызлучательным переходом с возбужденного на основной колебательный подуровень, в результате которого выделяется некоторое количество тепла.
Длина волны спонтанного излучения равна Л = Ьс/(Š— Ея). Отметим, что это излучение распространяется во всех направлениях и неоднородно по фазе, т.е. является некогерентным. Это спонтанное излучение, взаимодействуя с возбужденными частицами, вызывает вынужденное непускание света. Вынужденное излучение характеризуется той же энергией фотонов, равной Еа— Ея.
При этом интенсивность излучения резко усиливается. В отличие от спонтанного, вынужденное лазерное излучение когерентно. Процессом, конкурирующим с вынужденным испусканием, является поглощение излучения невозбужденными частицами и их пе- реход из основного состояния в возбужденное. В результате этого интенсивность лазерного излучения уменьшается. Суммарный эффект — усиление или ослабление лазерного излучения — определяется относительной заселенностью основного и возбужденного электронных уровней, достигаемой в результате действия «оптического насоса».
"оптический насос" ,Ф те — е-. Е, зс Ф спонтанное непускание — о — — ч — Е, .р:. г ь,у:;.~— Е яыиуждеииое испускаиие -к — и- Е, Е, поглощение света Рис. 3.6. Элементарные процессы, приводящие к возникновению вынужденного излучения лазера. и — зч — Е, Е, инверсная заселенность: усиление излучения за счет вынужденного испускания нормальная заселенность: ослабление потока вследствие поглощения Рис. 3.7. Сравнение вероятностей процессов вынужденного испускания и поглощения в случаях инверсной и нормальной заселенности знергетических уровней. б — ЗЭ4б Если число частиц в основном состоянии больше, чем в возбужденном, преобладает процесс поглощения, и интенсивность излучения ослабляется (рис. 3.7). При достижении инверст«вй заселенности уровней, т.е.
когда число возбужденных частиц превышает число невозбужденных, начинает преобладать процесс вынужденного испускания, и интенсивность лазерного излучения возрастает. (162 р р с р. » д В аналитической химии лазеры используются как источники излучения для спектроскопии высокого разрешения и исследования быстрых процессов. Их можно использовать для непосредственного определения следов примесей в атмосфере, в приборах для комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии с фурье-преобразованием.
Наиболее распространенные типы лазеров приведены в табл. 3,3. Таблица 3.3. Наиболее распространенные типы лазеров Л,нм относитетьнвя интен- тип лазера, активная среда сивность по сравнению с наиболее интенсивной линией, % Газовые: Не/Не Аг Кг 38 100 30 40 Твердатеаъныер Рубин 694, 33 (красная) 1064, 8 (ближняя ИК) 530-590 570-650 Разложение светового потока В спектроскопическом анализе, как правило, стараются работать с монохромотичным или, по крайней мере, как можно более узкополосным излучением. Как в абсорбционной, так и в эмиссионной спектроскопии применение монохроматического излучения улучшает селективность, а в абсорбционной, кроме того, и увеличивает чувствительность.
Использование монохроматического излучения в Неодим-иттрий-алю- миниевый гранат (Ъ"зА1вОы) На красараелях: Натрий-флуоресцеин Родамин 6Ж 632, 82 (красная) 514, 53 (зеленая) 501, 72 496,51 487,99 (синяя) 476, 49 676, 44 647, 09 (красная) 568, 19 (желтая) 530, 87 100 17 38 88 3.~. О л 163)) качестве источника возбуждения часто бывает необходимым условием получения линейных зависимостей концентрация сигнал в широком динамическом диапазоне. Для выделения узкополосных световых потоков используют светофильтры или монохроматоры.
Светофиль тры Светофильтры делятся на абсорбиионные и интерферениионные. Они различаются с точки зрения степени пропускания (интенсивности прошедшего света) и спектральной ширины пропускания. Из рис. 3.8 можно оценить сравнительные возможности обоих типов светофильтров в видимой области спектра. бо и 3 о 40 о ~ Р20 500 450 550 600 длина волны, нм Рис. 3.8.
Степень пропускания и эффективная спектральная ширина нн- терференционного и абсорбционного светофильтра. Эффективная спектральная ширина пропускания типичного интерференционного светофильтра составляет около 10нм, а абсорбционного — около 50 нм. Абсорбционные светофильтры, помимо большей спектральной ширины, обычно обладают и значительно меньшей степенью пропускания по сравнению с интерференционными, Для решения многих практических задач спектроскопии светофильтры применяются до сих пор, несмотря на их существенно меньшие возможности по сравнению с монохроматорами. Они относительно недороги и очень удобны в использовании в специализированной и миниатюризированной аппаратуре.
Монохрома торы Монохроматоры состоят из следующих частей: (~б4 Г З.С р *. д ° входная щель, вырезающая узкий прямоугольный пучок из падающего светового потока; е система линз или вогнутых зеркал для получения параллельного светового потока; ° диспергирующий элемент — призма или дифракционнэя решетка; ° фокусирующее устройство для фокусирования потока на выходной щели; вц сл":.'* ° выходная щель, вырезающая из выходного светового потока пучок лучей желаемой спектральной ширины.
Часто в монохроматорах используют и вспомогательные светофильтры для отсечения паразитных световых потоков, приходящих из окружающей среды. Типичные схемы призменных и решеточных монохроматоров приведены на рис. 3.9. В монохроматоре любой конструкции световой поток попадает сначала на входную щель. Затем его превращают в параллельный с помощью системы линз (в призменных монохроматорах, рис.3.9а) или вогнутых зеркал (в решеточных,рис. 3.9б). Ранее основным типом диспергирующих элементов монохроматоров были призмы.
Сейчас большинство спектрометров оснащены решеточными монохроматорами, причем отражательные дифракционные решетки преобладают над прозрачными (работающими на пропускание). После выхода нз диспергирующего устройства лучи различных длин волн (на рис. 3.9 изображены лучи двух длин волн) фокусируют в фокальной плоскости с помощью линз или зеркал. Выходная щель, находящаяся в фокальной плоскости, вырезает световой поток малой спектральной ширины, длина волны которого определяется положением диспергирующего элемента. Дифракционные решетки дешевле призм.
По сравнению с призмами равного размера они обладают лучшим спектральным разрешением, а дисперсия излучения одинакова во всем диапазоне длин волн. В то же время призмы обладают большей светосилой. Пока; затель преломления материала призмы нелинейно зависит от длины волны.
Вследствие этого дисперсия призм неодинакова в различных спектральных областях. В области коротких волн она выше, чем в области длинных. Для кварцевых призм дисперсия в видимой области ниже, чем для стеклянных. Для любого оптического материала наивысшая дисперсия (а, следовательно, и разрешающая способность) достигается вблизи края полосы поглощения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
