Spektroskopia
Pomiar i badanie widma światła nazywane jest spektroskopią optyczną. Pierwotnie spektroskopia dotyczyła głównie badania światła widzialnego
i jego dyspersji długości fal, ale później koncepcja ta została rozszerzona na badanie interakcji między materią a promieniowaniem elektromagnetycznym o dowolnej częstotliwości. Dzięki spektroskopii optycznej możliwe jest scharakteryzowanie materiału w sposób nieinwazyjny
i nieniszczący.
Spektroskopia w podczerwieni (spektroskopia IR lub spektroskopia wibracyjna) to pomiar interakcji promieniowania podczerwonego z materią poprzez absorpcję, emisję lub odbicie. Jest to technika zwykle stosowana w chemii analitycznej i charakteryzacji materiałów, a także w chemii fizycznej do badania wiązań chemicznych. Jest to prosta i niezawodna technika szeroko stosowana zarówno w chemii organicznej, jak i nieorganicznej, w badaniach i przemyśle. Gdy promieniowanie podczerwone jest absorbowane przez cząsteczkę, przechodzi ona z podstawowego stanu wibracyjnego do wzbudzonego stanu wibracyjnego: jeśli materiał nie jest całkowicie przezroczysty, nastąpi absorpcja, a w konsekwencji przejścia między wibracyjnymi poziomami energii. W tym drugim przypadku zarejestrowane widmo będzie charakteryzowało się szeregiem pików
o różnej intensywności dla każdego przejścia.
Spektroskopia Ramana jest techniką spektroskopową zwykle stosowaną do określania modów wibracyjnych cząsteczek, chociaż można również obserwować tryby rotacyjne i inne tryby niskiej częstotliwości układów. Analiza Ramana jest szeroko stosowana w badaniach materiałów, zarówno w stanie stałym lub ciekłym, jak i w fazie gazowej. Jest to nieniszcząca technika, która daje odpowiedzi w krótkim czasie, nie wymaga specjalnych warunków do przeprowadzenia pomiaru i może być przeprowadzona bezpośrednio na próbce bez żadnego przygotowania.
Spektroskopia THz to specjalna technika spektroskopii oparta na promieniowaniu THz, zwanym również promieniowaniem submilimetrowym. Spektroskopia THz zapewnia szczególnie skuteczną metodę rozwiązywania i kontrolowania indywidualnych przejść między różnymi stanami wielu ciał. Różne wzbudzenia elektronowe w półprzewodnikach są już szeroko stosowane w laserach, komponentach elektronicznych i komputerach. Spektroskopia THz na półprzewodnikach jest istotna w ujawnianiu zarówno nowych potencjałów technologicznych nanostruktur, jak i w badaniu podstawowych właściwości układów wielu ciał w kontrolowany sposób.
CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) to rodzaj spektroskopii wykorzystywanej głównie w chemii, fizyce i dziedzinach pokrewnych. Opiera się ona, podobnie jak spektroskopia Ramana, na drganiach jądrowych wiązań chemicznych. W przeciwieństwie do spektroskopii Ramana, CARS wykorzystuje wiele fotonów do wyboru drgań molekularnych i wytwarza spójny sygnał.
SRS (stymulowana spektroskopia Ramana) jest techniką podobną do CARS. W SRS, podobnie jak w CARS, zarówno fotony pompy, jak i fotony Stokesa padają na próbkę: jeśli różnica częstotliwości (pompa - Stokes) odpowiada wibracji molekularnej, następuje stymulowane wzbudzenie przejścia wibracyjnego.
Spektroskopia czasowo-rozdzielcza to badanie dynamicznych procesów zachodzących w materiałach lub związkach chemicznych przy użyciu technik spektroskopowych. Zazwyczaj procesy są badane po oświetleniu materiału, ale w zasadzie technika ta może być stosowana do każdego procesu, który prowadzi do zmiany właściwości materiału. Dzięki zastosowaniu laserów o ultrakrótkich impulsach możliwe jest badanie procesów zachodzących w skali czasowej od 10 do 16 sekund. Najpopularniejszymi technikami spektroskopii czasowo-rozdzielczej są:
Spektroskopia przejściowej absorpcji
Czasowo-rozdzielcza spektroskopia w podczerwieni
Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna
Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisji
Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów dwufotonowych (2PPE)
W spektroskopii lasery są wykorzystywane jako precyzyjne i przestrajalne źródła światła do analizy składu, struktury i właściwości materiałów. Najczęściej stosowane lasery w spektroskopii obejmują lasery diodowe, przestrajalne lasery barwnikowe, lasery Nd:YAG i kwantowe lasery kaskadowe, które dobierane są w oparciu o wymagany zakres spektralny, rozdzielczość i czułość.
Lasery diodowe są szeroko stosowane w technikach takich jak spektroskopia absorpcyjna i Ramana. Oferują one doskonałą kontrolę długości fali i są idealne do kompaktowych, opłacalnych systemów, zwłaszcza podczas badania gazów lub cieczy o dobrze zdefiniowanych właściwościach absorpcyjnych.
Przestrajalne lasery barwnikowe zapewniają szeroki i regulowany zakres długości fal, dzięki czemu idealnie nadają się do spektroskopii fluorescencyjnej i badań molekularnych o wysokiej rozdzielczości. Ich elastyczność pozwala na skanowanie wielu różnych długości fal i wykrywanie subtelnych sygnatur spektralnych.
Lasery Nd:YAG to silne lasery impulsowe powszechnie stosowane w spektroskopii rozpadu indukowanego laserem (LIBS) i spektroskopii Ramana. Dostarczają one światło o wysokiej intensywności, umożliwiając analizę materiałów stałych, składu powierzchni i pierwiastków śladowych.
Kwantowe lasery kaskadowe są wykorzystywane głównie w spektroskopii w średniej podczerwieni, idealnej do wykrywania drgań molekularnych i wiązań chemicznych. Są one przydatne w monitorowaniu środowiska, diagnostyce medycznej i kontroli procesów przemysłowych ze względu na ich zdolność do celowania w określone pasma absorpcji.
Wybór lasera w spektroskopii zależy od regionu spektralnego, rodzaju próbki oraz pożądanej czułości i rozdzielczości. Lasery diodowe są powszechnie stosowane w kompaktowych i precyzyjnych systemach, lasery barwnikowe oferują szeroką przestrajalność, lasery Nd:YAG zapewniają impulsy o wysokiej energii dla silnych sygnałów, a kwantowe lasery kaskadowe są kluczowe dla zastosowań w średniej podczerwieni.