ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Люминесцентный анализ из "Оптика " Очень важной особенностью люминесценции является возможность наблюдения свечения при чрезвычайно малых концентрациях вещества. Концентрации порядка 10 г/см оказываются нередко вполне достаточными так как для удобного наблюдения можно ограничиться объемом в несколько десятых кубического сантиметра, то достаточно располагать 10 г флуоресцирующего вещества, чтобы иметь возможность обнаружить его по характерному свечению. Особенно удобно наблюдение при концентрациях 10 —10 г/см . Эта чрезвычайная чувствительность люминесцентных наблюдений делает возможным применение люминесцентного анализа для решения многих важных практических задач. [c.766] В настоящее время нередко применяют люминесцентный анализ. Флуоресценция нефти или содержащихся в ней примесей весьма значительна. Этим пользуются для быстрой разведки при закладке буровых скважин. Исследуя на флуоресценцию кусочки извлеченной при бурении породы, содержащие следы нефти, получают возможность судить о близости нефтеносных слоев и нередко о качестве нефти. [c.766] Эти и многие другие качественные определения не исчерпывают всех возможностей люминесцентного анализа. Возможно применение его и для количественных исследований. Для этой цели подыскивают реактив, вступающий в характерную реакцию с изучаемым веществом, дающую флуоресцирующие продукты, и обнаруживают последние при помощи люминесцентного анализа. Благодаря чрезвычайной чувствительности люминесцентного метода можно ограничиться ничтожными количествами исходного вещества. Подобным методом удалось, например, исследовать содержание озона в воздухе даже на больших высотах, причем пробы воздуха объемом в 10—20 л забирались при пролетах стратостатов на большой высоте, где давление не превышало 15—20 мм рт. ст. Таким образом, в распоряжении исследователя было всего около 0,5 г воздуха. Содержащийся в этом количестве озон был надежно измерен, хотя его содержание было меньше 0,00001%. [c.768] Для источников света, традиционных в оптической области спектра, характерна некогерентность излучения, а именно, излучение источника в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами источника, — атомами, молекулами, ионами, свободными электронами. Примерами некогерентного излучения могут служить свечение газового разряда, тепловое излучение искусственных и естественных источников, люминесценция при различных способах ее возбуждения и т. д. [c.769] В начале 60-х годов были созданы источники света иного типа, получившие название оптических квантовых генераторов или лазеров. В противоположность некогерентным источникам, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентными между собой. В этом отношении квантовые генераторы вполне аналогичны источникам когерентных радиоволн. [c.769] В данной главе излагаются основные сведения о физических принципах, лежащих в основе работы оптических квантовых генераторов, и о свойствах излучения последних. [c.770] Оптические квантовые генераторы оказали и, несомненно, будут оказывать в дальнейшем значительное влияние на развитие оптики. Изучение свойств самих лазеров существенно обогатили наши сведения о дифракционных и интерференционных явлениях (см. 228—230). Распространение мощного излучения, испущенного оптическим квантовым генератором, сопровождается так называемыми нелинейными явлениями. Некоторые из них — вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, вынужденное рассеяние крыла линии Рэлея и вынужденное температурное рассеяние — описаны в главе XXIX выше упоминались также многофотонное поглощение и многофотонная ионизация (см. 157), зависимость коэффициента поглощения от интенсивности света (см. 157), нелинейный или многофотонный фотоэффект (см. 179), многофотонное возбуждение и диссоциация молекул (см. 189), эффект Керра, обусловленный электрическим полем света (см. 152) сведения о других будут изложены в 224 и в гл. ХК1. Совокупность нелинейных явлений составляет содержание нелинейной оптики и нелинейной спектроскопии, которые сформировались в 60-е годы и продолжают быстро развиваться. [c.770] Оптические приборы и оптические методы исследования широко применяются в самых разнообразных областях естествознания и техники. Напомним, например, об изучении структуры молекул с помощью их спектров излучения, поглощения и рассеяния света, а также о применении микроскопа в биологии, об использовании спектрального анализа в металлургии и геологии. Оптические квантовые генераторы неизмеримо расширяют возможности оптических методов исследования. Приведем несколько примеров, иллюстрирующих положение дела. Один из новых методов — голография — подробно описан в главе XI. Изучение атомно-молекулярных процессов, протекающих в излучающей среде лазеров, а также рассеяния света и фотолюминесценции с применением лазеров позволило получить большой объем сведений в атомной и молекулярной физике, равно как и в физике твердого тела. Оптические квантовые генераторы заметно изменили облик фотохимии с помощью мощного лазерного излучения могут производиться разделение изотопов и осуществляться направленные химические реакции. Благодаря монохроматичности излучения оптических квантовых генераторов оказывается сравнительно простыми измерения сдвига частоты, возникающего при рассеянии света вследствие эффекта Допплера этот метод широко используется в аэро- и гидродинамике для излучения поля скоростей в потоках газов и жидкостей. [c.770] В области индустрии отметим применения лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях. Следует подчеркнуть, что постоянно расширяется сфера применений оптических квантовых генераторов. [c.771] Перечисленные примеры наглядно иллюстрируют установившееся мнение о подлинной революции в оптике и оптических методах исследования, произошедшей благодаря изобретению оптических квантовых генераторов. [c.771] Обратимся к противоположному предельному случаю полной когерентности волн, испускаемых различными атомами. Результат интерференции N волн существенно зависит от взаимного расположения излучающих атомов и от того конкретного закона, которому подчинены фазы еру. Рассмотрим простой случай, имеющий непосредственное отношение к свойствам оптических квантовых генераторов. Пусть источник имеет форму прямоугольного параллелепипеда (рис. 40.2) с длинами ребер а, Ь к L, светящиеся атомы заполняют его вполне равномерно, и амплитуды волн (точнее, коэффициенты Aj в выражении (222.1)) одинаковы. Пусть, далее, расстояние между соседними атомами значительно меньше длины волны, и поэтому суммирование по / в (222.2) можно заменить интегрированием по объему источника. Будем писать поэтому г х, у, г ) вместо Гу. [c.772] Предположим, наконец, что все атомы, находящиеся в плоскости, перпендикулярной к оси Оа, испускают волны с одинаковыми фазами Ф (/ ) иными словами, ф(/ ) зависит только от а, а от х иг/ не зависит. При выполнении перечисленных условий поле, создаваемое атомами, расположенными в какой-либо плоскости z = = onst, подобно полю в случае дифракции монохроматической волны, падающей параллельно оси Оа на экран с отверстием в виде прямоугольника со сторонами а и Ь роль вторичных волн Френеля в дифракционной задаче играют теперь реальные волны, испускаемые атомами, которые расположены в пределах этого отверстия , — поперечного сечения источника плоскостью а = onst. На рис. 40.2 показано одно из таких сечений. [c.772] Суммирование волн, приходящих в точку наблюдения от всех поперечных сечений светящегося объема, выражено интегралом по г в формуле (222.3). Результат этого суммирования определяется соотношением между фазой ф(г ) и фазой fe, отражающей различие расстояний между точкой наблюдения и положениями разных атомов. Если ф(г ) не зависит от г, то волны, приходящие в точку наблюдения от слоев источника, отстоящих на расстояние половины длины волны, будут гасить друг друга в этом случае максимальное значение интеграла в (222.3) оказывается равным ./я, причем достигается оно, очевидно, тогда, когда на длине источника L укладывается нечетное число полуволн. [c.773] Таким образом, в данном случае амплитуда поля, излучаемого источником в целом, равна сумме амплитуд волн, исходящих от всех атомов. Условие, выражаемое равенством (222.4), называется условием пространственной синфазности ). [c.773] если излучение атомов, составляющих макроскопический источник света, когерентно и, кроме того, выполняется условие пространственной синфазности, то излучение источника в целом сосредоточено в малом дифракционном угле и амплитуда вблизи оси пучка в N раз больше амплитуды волны, испускаемой отдельным атомом. Отмеченные особенности характерны для оптических квантовых генераторов, т. е. рассмотренная схема представляет собой модель квантового генератора. [c.774] Из условия пространственной синфазности (222.4) видно, что фазы ф/ волн SJ должны изменяться в зависимости от положения излучающегося атома по такому же закону, по которому изменяется фаза в световой волне. Это означает, что агентом, фазирующим излучение атомов, должна быть световая же волна. Вместе с тем, в гл. XXXIII указывалось, что для микроскопического описания спектральных свойств теплового излучения А. Эйнштейн ввел представление о вынужденном испускании. Одно из основных свойств вынужденного испускания состоит в том, что волны, излучаемые атомом в этом процессе, имеет такую же частоту и такую же фазу, что и действующая на атом волна. Благодаря указанному свойству, как будет показано в 223, фазнровка излучения удаленных атомов может обеспечиваться вынужденным испусканием. [c.774] Соотношение между концентрациями атомов, соответствующее неравенству NJgm N Jgn, называют инверсной заселенностью энергетических уровней т, п. [c.775] Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней, обеспечивающую усиление распространяющегося в ней излучения, принято называть активной средой. [c.775] Инверсную заселенность уровней можно образовать в газовом разряде при помощи некоторых химических реакций, оптического возбуждения и т. д. О нескольких способах создания активной среды будет сказано ниже ). [c.775] До сих пор речь шла об энергетической стороне вопроса. Как подчеркивалось в 211, электромагнитные волны, возникающие в результате вынужденных переходов, когерентны с волной, вызывающей эти переходы. В частности, если поле, взаимодействующее с атомами, представляет собой плоскую монохроматическую волну, то и вынужденно испущенные фотоны образуют также плоскую монохроматическую волну с той же частотой, поляризацией, фазой и с тем же направлением распространения. В результате вынужденного испускания (равно как и поглощения) изменяется только амплитуда падающей волны. [c.775] Вернуться к основной статье