طیف سنجی لیزری
تعریف: روش هایی که در آن‌ها برهمکنش لیزر با ماده مورد استفاده قرار می گیرد.
طیف سنجی روش هایی را که در آن از برهمکنش نور با ماده استفاده می شود، ارائه می دهد. در بسیاری از موارد، لیزرها به عنوان منبع نور برای طیف سنجی استفاده می شوند که به آن طیف سنجی لیزری گفته می شود. به معنای وسیع‌تر، طیف سنجی لیزری را می توان به استفاده از منابع شبه لیزر، که نه تنها شامل لیزرهای واقعی، بلکه نوسانگرهای پارامتری نوری[۱] یا خروجی سایر دستگاه های تبدیل فرکانس غیرخطی از قبیل فرکانس دو برابر شده[۲] یا میکسرهای اختلاف فرکانس[۳] توصیف نمود.
روش های طیف سنجی لیزری
روش های طیف سنجی لیزری شامل موارد زیر می شود:
- طیف سنجی جذبی لیزری
- طیف سنجی شانه فرکانسی
- طیف سنجی رامان
- طیف سنجی فوتوآکوستیک
- طیف سنجی فوق سریع لیزری
- طیف سنجی فروشکست القایی لیزری[۴]
طیف سنجی جذبی لیزر: در این روش یک لیزر قابل تنظیم با عرض باریک (یک لیزر تک فرکانس) از طریق بازه ای از طول موج ها تنظیم می شود و جذب نور در برخی از نمونه ها به عنوان تابعی از آن طول موج اندازه گیری می شود. ویژگی های جذب همیشه مستقیماً با اندازه گیری میزان جذبِ وابسته به طول موج، مورد بررسی قرار نمی گیرند. در عوض، ممکن است از اثرات نامحسوس روی پرتوهای لیزر مدولار (طیف سنجی مدولاسیون فرکانس) یا شناسایی امواج صوتی ناشی از پالس های لیزری (طیف سنجی فوتوآکوستیک) استفاده شود.
طیف سنجی شانه فرکانسی: برخی از تکنیک های طیف سنجی لیزری مدرن از شانه های فرکانس استفاده می کنند که توسط لیزرهای مد قفل شده[۵] ایجاد می شود. از آنجا که شانه فرکانس حاوی تعدادی خطوط مساوی در طیف است، اگر فقط دو پارامتر فاصله شانه (مربوط به آهنگ تکرار پالس) و فرکانس انحراف پوش حامل ثابت[۶] باشند، تمام اجزای فرکانس آن (به جز برخی اختلال ها) شناخته می شوند. بنابراین، شانه های فرکانس می توانند در صورت استفاده از پهنای باند اپتیکی بالا (گاهی اوقات بیشتر از اکتاو پوششی[۷]) و با تثبیت فرکانس مناسب، برای اندازه گیری فرکانس بسیار دقیق در محدوده طول موج گسترده کاربرد داشته باشند.
طیف سنجی رامان: در طیف سنجی رامان، از این پدیده استفاده می شود که یک نور لیزر موج پیوسته که با پهنای باند باریک تابش شده، نه تنها در همان فرکانس نوری (پراکندگی ریلی)، بلکه بخشی نیز با فرکانس های کمی کاهش یافته (پراکندگی رامان) پراکنده می شود. بررسی جابجایی کوچک رامان در طیف نوری که ناشی از اتلاف فوتون در محیط و برانگیختن مدهای ارتعاشی و چرخشی است اطلاعاتی در مورد این مدها و دمای محیط به دست می دهد. طیف سنجی رامان کاربردهای زیادی در زیست شناسی، پزشکی، سنجش توزیع شده دما در فیبر اپتیکی، تجزیه و تحلیل کارهای هنری و شناسایی مواد منفجره دارد.
طیف سنجی فوتوآکوستیک: جذب وابسته به طول موج نوری در یک نمونه، معمولاً از طریق کاهش توان اپتیکی پرتوی نوری که از درون نمونه عبور می کند، اندازه گیری می شود. با این حال، طیف سنجی فتوآکوستیک مبتنی بر روشی متفاوت است: تشخیص امواج صوتی که با جذب شدید پالس های لیزر برانگیخته می شوند. اینگونه پالس‌ها می توانند یک گاز نمونه یا مواد جامد را گرم کنند؛ برای مثال باعث ایجاد یک اشعه فشار ضعیف می شوند که با میکروفون قابل شناسایی است. با پردازش سیگنال میکروفون با یک تقویت کننده قفل شونده می توان به حساسیت بالایی دست یافت.
شکل ۱- طیف سنجی فوتوآکوستیک مبتنی بر سیستم حسگر Co2
طیف سنجی فوق سریع لیزری: گرچه بیشتر روش های طیف سنجی لیزری مبتنی بر لیزرهای موج پیوسته است، روش های متنوعی وجود دارد که در آن از لیزر مد قفل شده استفاده می شود؛ برای مثال: طیف سنجی گذار جذبی یا طیف سنجی فوتوالکترونی برپایه زمان[۸].
طیف سنجی فروشکست القایی لیزری: پالس های لیزری قوی می توانند مواد را تبخیر و یونیزه کنند، که شامل اثر فروشکست القایی می شود. فلاش نوری که از مواد تبخیرشده ناشی می شود، می تواند با طیف سنج مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد و از اثر انگشت های طیف سنجی می توان برای شناسایی اتم های خاص استفاده کرد.
لیزرها در طیف سنجی
با توجه به تنوع روش های مورد استفاده در طیف سنجی لیزری گستره وسیعی از منابع مختلف لیزر مورد استفاده قرار می گیرند، مانند:
لیزر دیودهای تک فرکانس: این لیزرها منابع فشرده با قابلیت تنظیم طول موج هستند و طول موج آن‌ها با کمک جریان درایور قابل تنظیم است.
انواع لیزرهای حالت جامد:
- لیزر حالت جامد قابل تنظیمی مانند لیزر تیتانیوم سافایر از جمله منابع لیزری پهن باند قابل تنظیم است که در طیف سنجی استفاده می شود. در بعضی موارد عملکرد Q سوئیچ با تولید پالسهای نانوثانیه برای طیف سنجی مفید است و در طیف سنجی فروشکست القایی لیزری و لیدار کاربرد دارد.
- لیزرهای حالت جامد با طول موج مشخص برای طیف سنجی رامان که پهنای خط باریک اهمیت دارد استفاده می شود.
- لیزرهای قفل شده مدی نوع دیگری از لیزرهای حالت جامد هستند که با ایجاد قطاری از پالس های فوق کوتاه با فرکانس های نوری پایدار، برای ایجاد شانه فرکانسی استفاده می شود.
- لیزرهای آبشار کوانتومی[۹]: این لیزرها برای تولید تابش میانی فروسرخ و تابش تراهرتز استفاده می شوند و گستره بسیار وسیعی از طول موج ها را در دسترس قرار می دهند.
لیزرهای رنگینه ای نیز در ناحیه وسیعی از طول موج ها از طول موج های فروسرخ نزدیک تا فرابنفش نزدیک، خصوصاً طول موج های مرئی تابش دارند. این لیزرها دارای حالت های موج پیوسته، پالسی و قفل شده مدی هستند.
نوسانگرهای پارامتری نوری و تولید ابرپیوستار روش های دیگری هستندکه در طیف سنجی کاربرد دارند.
کاربردهای طیف سنجی لیزری
روش های طیف سنجی لیزری بیشتر برای تشخیص ترکیب مواد و اندازه گیری کمی غلظت ها کاربرد دارد. به عنوان مثال:
- اندازه گیری غلظت رگه های گازهای موجود در جو با روش های رادار لیزری (لیدار[۱۰]) در جهت نظارت بر محیط زیست، تشخیص آلاینده ها در آب، غلظت مواد فعال دارویی و …
- تجزیه و تحلیل آثار هنری به منظور آشکار کردن سن و بررسی صحت آن‌ها
- نظارت بر فرآیندهای صنعتی و کنترل کیفی
- در تحقیقات بنیادی؛ به عنوان مثال تشخیص فرآیند احتراق
- کاربردهای امنیتی مانند کشف مواد منفجره و مواد مخدر
[۱] Optical Parametric Oscillators
[۳] Difference Frequency Mixers
[۷] Octave Spanning
[۸] Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy
[۱۰] LIDAR