Оглавление

Предисловие к четвертому изданию

Предисловие к третьему изданию

Предисловие к второму изданию

Предисловие к первому изданию

Часть I

Базовые принципы

Глава 1

Введение

Глава 2

Поглощение и испускание света

2.1. Моды резонатора

2.2. Тепловое излучение и закон Планка

2.3. Поглощение, индуцированное и спонтанное излучение

2.4. Основные фотометрические величины

   2.4.1. Определения

   2.4.2. Облучение протяженных поверхностей2

2.5. Поляризация света

2.6. Спектры поглощения и испускания

2.7. Вероятности переходов

   2.7.1. Времена жизни, спонтанные и безызлучательные переходы

   2.7.2. Полуклассическое описание: основные уравнения

   2.7.3. Приближение слабого поля

   2.7.4. Вероятности перехода при широкополосном возбуждении

   2.7.5. Феноменологическое описание явления релаксации

   2.7.6. Взаимодействие с сильными полями

   2.7.7. Соотношения между вероятностью перехода, коэффициентом поглощения и силой линии

2.8. Когерентные свойства полей излучения

   2.8.1. Временна2я когерентность

   2.8.2. Пространственная когерентность

   2.8.3. Объем когерентности

   2.8.4. Функция когерентности и степень когерентности

2.9. Когерентность атомных систем

   2.9.1. Матрица плотности

   2.9.2. Когерентное возбуждение

   2.9.3. Релаксация когерентно возбужденных систем

Задачи

Глава 3

Ширины и контуры спектральных линий

3.1. Естественная ширина линии

   3.1.1. Лоренцевский контур линии испускаемого излучения

   3.1.2. Соотношение между шириной линии и временем жизни

   3.1.3. Естественная ширина линии перехода с поглощением

3.2. Доплеровская ширина

3.3. Столкновительное уширение спектральных линий

   3.3.1. Феноменологическое описание

   3.3.2. Соотношения между потенциалом взаимодействия, уширением и сдвигом линии

   3.3.3. Сужение линий при столкновениях

3.4. Пролетное уширение

3.5. Однородное и неоднородное уширение линий

3.6. Насыщение и полевое уширение

   3.6.1. Насыщение населенности уровня оптической накачкой

   3.6.2. Уширение из-за насыщения линий с однородно уширенным контуром

   3.6.3. Полевое уширение

3.7. Профили спектральных линий в жидкостях и твердых телах

Задачи

Глава 4

Спектральные приборы

4.1. Спектрографы и монохроматоры

   4.1.1. Основные характеристики

   4.1.2. Призменный спектрометр

   4.1.3. Спектрометр с дифракционной решеткой

4.2. Интерферометры

   4.2.1. Основные понятия

   4.2.2. Интерферометр Майкельсона

   4.2.3. Фурье-спектроскопия

   4.2.4. Интерферометр Маха—Цендера

   4.2.5. Интерферометр Саньяка

   4.2.6. Многолучевая интерференция

   4.2.7. Интерферометр Фабри—Перо с плоскими зеркалами

   4.2.8. Конфокальный интерферометр Фабри—Перо

   4.2.9. Многослойные диэлектрические покрытия

   4.2.10. Интерференционные фильтры

   4.2.11. Двулучепреломляющий интерферометр

   4.2.12. Сканирующие интерферометры

4.3. Сравнение спектрометров и интерферометров

   4.3.1. Разрешающая сила

   4.3.2. Светосила

4.4. Точные измерения длины волны

   4.4.1. Точность и достоверность измерений длин волн

   4.4.2. Современные измерители длин волн

4.5. Детектирование света

   4.5.1. Тепловые приемники

   4.5.2. Фотодиоды

   4.5.3. Фотодиодные матрицы

   4.5.4. Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

   4.5.5. Фотоэмиссионные приемники

   4.5.6. Методы детектирования и электронное оборудование

4.6. Заключение

Задачи

Глава 5

Лазеры как источники света для спектроскопии

5.1. Фундаментальные принципы лазеров

   5.1.1. Основные элементы лазера

   5.1.2. Пороговое условие

   5.1.3. Скоростные уравнения

5.2. Лазерные резонаторы

   5.2.1. Открытые оптические резонаторы

   5.2.2. Пространственное распределение поля в открытых резонаторах

   5.2.3. Конфокальные резонаторы

   5.2.4. Сферические резонаторы общего вида

   5.2.5. Дифракционные потери открытых резонаторов

   5.2.6. Устойчивые и неустойчивые резонаторы

   5.2.7. Кольцевые резонаторы

   5.2.8. Частотный спектр пассивных резонаторов

5.3. Спектральные характеристики лазерного излучения

  5.3.1. Активные резонаторы и моды лазера

5.3.2. Насыщение усиления

5.3.3. Пространственное выгорание дырок

5.3.4. Многомодовые лазеры и конкуренция усиления

5.3.5. Затягивание мод

5.4. Экспериментальная реализация одночастного режима генерации лазеров

5.4.1. Селекция перехода

5.4.2. Подавление поперечных мод

5.4.3. Селекция одной продольной моды

5.4.4. Стабилизация интенсивности

5.4.5. Стабилизация длины волны

5.5. Управляемая перестройка длины волны одночастотных лазеров

5.5.1. Методы непрерывной перестройки

5.5.2. Калибровка длины волны

5.5.3. Захват на смещенную частоту

5.6. Ширины линий излучения одночастотных лазеров

5.7. Перестраиваемые лазеры

5.7.1. Основные принципы

5.7.2. Полупроводниковые диодные лазеры

5.7.3. Перестраиваемые твердотельные лазеры

5.7.4. Лазеры на центрах окраски

5.7.5. Лазеры на красителях

5.7.6. Эксимерные лазеры

5.7.7. Лазеры на свободных электронах

5.8. Методы нелинейного оптического смешения

5.8.1. Физические основы

5.8.2. Фазовый синхронизм

5.8.3. Генерация второй гармоники

5.8.4. Фазовый квазисинхронизм

5.8.5. Генерация суммарной частоты и высших гармоник

5.8.6. Рентгеновские лазеры

5.8.7. Спектрометр разностной частоты

5.8.8. Оптический параметрический генератор

5.8.9. Перестраиваемые лазеры на основе комбинационного рассеяния

5.9. Гауссовы пучки

Задачи

Часть II

Экспериментальные методы

Предисловие ко второй части

Глава 6

Спектроскопия поглощения и флуоресценции, ограниченная доплеровским уширением

6.1. Преимущества лазеров в спектроскопии

6.2. Высокочувствительные методы спектроскопии поглощения

6.2.1. Частотная модуляция

6.2.2. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия поглощения (ICLAS)

6.2.3. Спектроскопия «затухающих колебаний резонатора» (CRDS)

6.3. Прямое детектирование поглощенных фотонов

6.3.1. Спектроскопия возбуждения флуоресценции

6.3.2. Фотоакустическая спектроскопия

6.3.3. Оптотермальная спектроскопия

6.4. Ионизационная спектроскопия

6.4.1. Основы метода

6.4.2. Чувствительность ионизационной спектроскопии

6.4.3. Импульсный и непрерывный режимы работы лазеров для фотоионизации

6.4.4. Резонансная двухфотонная ионизация (RTPI) в комбинации с масс-спектроскопией

6.4.5. Термоионный диод

6.5. Оптогальваническая спектроскопия

6.6. Спектроскопия с модуляцией скорости

6.7. Лазерный магнитный резонанс и штарковская спектроскопия

6.7.1. Лазерный магнитный резонанс

6.7.2. Штарковская спектроскопия

6.8. Лазерно-индуцированная флуоресценция

6.8.1. Молекулярная спектроскопия с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции

6.8.2. Экспериментальные аспекты LIF

6.8.3. LIF многоатомных молекул

6.8.4. Определение распределения заселенностей методом LIF

6.9. Сравнение различных методов

Задачи

Глава 7

Нелинейная спектроскопия

7.1. Линейное и нелинейное поглощение

7.2. Насыщение неоднородной линии

7.2.1. Выжигание дырки

7.2.2. Провал Лэмба

7.3. Спектроскопия насыщения

7.3.1. Экспериментальные схемы

7.3.2. Сигнал пересечения

7.3.3. Внутрирезонаторная спектроскопия насыщения

7.3.4. Стабилизация частоты лазера по провалу Лэмба

7.4. Поляризационная спектроскопия

7.4.1. Основной принцип

7.4.2. Контур линии поляризационного сигнала

7.4.3. Величина поляризационных сигналов

7.4.4. Чувствительность поляризационной спектроскопии

7.4.5. Преимущества поляризационной спектроскопии

7.5. Многофотонная спектроскопия

7.5.1. Двухфотонное поглощение

7.5.2. Многофотонная спектроскопия без доплеровского уширения

7.5.3. Влияние фокусировки на величину двухфотонных сигналов

7.5.4. Примеры двухфотонной спектроскопии без доплеровского уширения

7.5.5. Многофотонная спектроскопия

7.6. Специальные методы нелинейной спектроскопии

7.6.1. Интерференционная спектроскопия насыщения

7.6.2. Наведенные лазером бездоплеровские дихроизм и двулучепреломление

7.6.3. Гетеродинная поляризационная спектроскопия

7.6.4. Комбинация различных нелинейных методов

7.7. Заключение

Задачи

Глава 8

Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния

8.1. Основные принципы

8.2. Экспериментальные методы линейной спектроскопии комбинационного рассеяния

8.3. Нелинейная спектроскопия комбинационного рассеяния

8.3.1. Вынужденное комбинационное рассеяние

8.3.2. Спектроскопия когерентного антистоксова комбинационного рассеяния света

8.3.3. Резонансное КАРС и неколлинеарное КАРС

8.3.4. Гиперкомбинационное рассеяние

8.3.5. Основные выводы по нелинейной спектроскопии комбинационного рассеяния

8.4. Специальные методы

8.4.1. Резонансное комбинационное рассеяние

8.4.2. Комбинационное рассеяние, усиленное на поверхности

8.4.3. КР-микроскопия

8.4.4. Спектроскопия комбинационного рассеяния с временны2м разрешением

8.5. Применения спектроскопии комбинационного рассеяния

Задачи

Глава 9

Лазерная спектроскопия молекулярных пучков

9.1. Уменьшение доплеровской ширины

9.2. Адиабатическое охлаждение в сверхзвуковых пучках

9.3. Формирование и спектроскопия кластеров и ван-дер-ваальсовских молекул в холодных молекулярных пучках

9.4. Нелинейная спектроскопия молекулярных пучков

9.5. Лазерная спектроскопия быстрых ионных пучков

9.6. Применение лазерной спектроскопии быстрых ионных пучков

9.6.1. Спектроскопия радиоактивных элементов

9.6.2. Спектроскопия фотофрагментации молекулярных ионов

9.6.3. Спектроскопия фоторасщепления

9.6.4. Спектроскопия насыщения в быстрых пучках

9.7. Спектроскопия холодных ионных пучков

9.8. Комбинация спектроскопии молекулярных пучков и масс-спектроскопии

Задачи

Глава 10

Оптическая накачка и методы двойного резонанса

10.1. Оптическая накачка

10.2. Метод двойного радиооптического резонанса

10.2.1. Основные положения

10.2.2. Спектроскопия двойного радиооптического резонанса в молекулярных пучках

10.3. Двойной оптико-микроволновый резонанс

10.4. Двойной оптико-оптический резонанс

10.4.1. Упрощение сложных спектров поглощения

10.4.2. Ступенчатое возбуждение и спектроскопия ридберговских состояний

10.4.3. Накачка стимулированного излучения

10.5. Специальные схемы детектирования в спектроскопии двойного резонанса

10.5.1. Поляризационая спектроскопия OOДР

10.5.2. Поляризационные метки

10.5.3. Микроволново-оптическая поляризационная спектроскопия двойного резонанса

10.5.4. Спектроскопия двойного резонанса с выжиганием дырок и ионным провалом

10.5.5. Спектроскопия тройного резонанса

10.5.6. Фотоассоциационная спектроскопия

Задачи

Глава 11

Лазерная спектроскопия с временны2м разрешением

11.1. Генерация коротких лазерных импульсов

11.1.1. Временны2е профили импульсных лазеров

11.1.2. Лазеры с модуляцией добротности

11.1.3. Разгрузка резонатора

11.1.4. Синхронизация мод лазеров

11.1.5. Генерация фемтосекундных импульсов

11.1.6. Сжатие оптических импульсов

11.1.7. Импульсы длительность менее 10 фс при использовании чирпированных лазерных зеркал

11.1.8. Волоконные лазеры и оптические солитоны

11.1.9. Сверхкороткие импульсы с перестраиваемой длиной волны

11.1.10. Управление профилем сверхкоротких световых импульсов

11.1.11. Генерация сверхкоротких импульсов большой мощности

11.1.12. На пути в аттосекундный диапазон

11.1.13. Сводка методов генерации коротких импульсов

11.2. Измерение параметров сверхкоротких импульсов

11.2.1. Стрик-камера

11.2.2. Оптический коррелятор для измерения сверхкоротких импульсов

11.2.3. Метод FROG

11.2.4. Метод SPIDER

11.3. Измерения времен жизни с помощью лазеров

11.3.1. Метод фазового сдвига

11.3.2. Одноимпульсное возбуждение

11.3.3. Метод задержанных совпадений

11.3.4. Измерения времен жизни в быстрых пучках

11.4. Спектроскопия в диапазоне от пикосекунд до аттосекунд

11.4.1. Двухимпульсная спектроскопия столкновительной релаксации в жидкостях

11.4.2. Электронная релаксация в полупроводниках

11.4.3. Фемтосекундная динамика переходных состояний

11.4.4. Наблюдение колебаний в молекуле в реальном времени

11.4.5. Аттосекундная спектроскопия процессов во внутренних оболочках атомов

11.4.6. Методы нестационарной решетки

Задачи

Глава 12

Когерентная спектроскопия

12.1. Спектроскопия пересечения уровней

12.1.1. Классическая модель эффекта Ханле

12.1.2. Квантовомеханическая модель

12.1.3. Экспериментальные установки

12.1.4. Примеры

12.1.5. Нелинейная спектроскопия пересечения уровней

12.2. Спектроскопия квантовых биений

12.2.1. Основные принципы

12.2.2. Экспериментальные методы

12.2.3. Молекулярная спектроскопия квантовых биений

12.3. Метод вынужденного рамановского адиабатического прохождения (STIRAP)

12.4. Возбуждение и детектирование волновых пакетов в атомах и молекулах

12.5. Интерференционная спектроскопия последовательностей оптических импульсов

12.6. Фотонное эхо

12.7. Оптическая нутация и затухание свободной поляризации

12.8. Спектроскопия гетеродинирования

12.9. Корреляционная спектроскопия

12.9.1. Основные соображения

12.9.2. Гомодинная спектроскопия

12.9.3. Гетеродинная корреляционная спектроскопия

12.9.4. Флуоресцентная корреляционная спектроскопия и обнаружение одиночных молекул

Задачи

Глава 13

Лазерная спектроскопия столкновительных процессов

13.1. Высокоразрешающая лазерная спектроскопия столкновительного уширения и сдвига линий

13.1.1. Субдоплеровская спектроскопия столкновительных процессов

13.1.2. Сочетание различных методов

13.2. Измерение сечений неупругих столкновений возбужденных атомов и молекул

13.2.1. Измерения абсолютных сечений тушения

13.2.2. Индуцированные столкновениями ровибронные переходы в возбужденных состояниях

13.2.3. Передача электронной энергии при столкновениях

13.2.4. Перенос энергии на высоковозбужденные уровни при столкновениях

13.2.5. Спектроскопия переходов с переворотом спина

13.3. Спектроскопические методы изучения переходов, индуцированных столкновениями в основном электронном состоянии молекулы

13.3.1. Детектирование инфракрасной флуоресценции с временны2м разрешением

13.3.2. Методы поглощения с разрешением во времени и двойного резонанса

13.3.3. Спектроскопия столкновений с использованием лазеров непрерывного действия

13.3.4. Столкновения с участием молекул в высоковозбужденных колебательных состояниях

13.4. Спектроскопия столкновений, приводящих к реакции

13.5. Спектроскопическое определение дифференциальных сечений столкновений в скрещенных молекулярных пучках

13.6. Перенос колебательной энергии с участием фотонов

Задачи

Глава 14

Новые достижения лазерной спектроскопии

14.1. Оптическое охлаждение и пленение атомов

14.1.1. Фотонная отдача

14.1.2. Измерение сдвига из-за отдачи

14.1.3. Оптическое охлаждение за счет фотонной отдачи

14.1.4. Экспериментальные установки

14.1.5. Трехмерное охлаждение атомов: оптическая патока

14.1.6. Охлаждение молекул

14.1.7. Оптический захват атомов

14.1.8. Пределы оптического охлаждения

14.1.9. Конденсация Бозе—Эйнштейна

14.1.10. Испарительное охлаждение

14.1.11. БЭК молекул

14.1.12. Применения охлажденных атомов и молекул

14.2. Спектроскопия одиночных ионов

14.2.1. Захват ионов в ловушки

14.2.2. Оптическое охлаждение на боковых частотах

14.2.3. Прямое наблюдение квантовых скачков

14.2.4. Образование кристаллов Вигнера в ионных ловушках

14.2.5. Лазерная спектроскопия ионов в накопительных кольцах

14.3. Оптические биения Рамзея

14.3.1. Исходные соображения

14.3.2. Двухфотонный резонанс Рамзея

14.3.3. Нелинейные биения Рамзея с использованием трех разнесенных полей

14.3.4. Наблюдение дублетов отдачи и подавление одной из компонент

14.4. Атомная интерферометрия

14.4.1. Атомный интерферометр Маха—Цендера

14.4.2. Атомный лазер

14.5. Одноатомный мазер

14.6. Спектральное разрешение в пределах естественной ширины линии

14.6.1. Когерентная спектроскопия с временно2й синхронизацией

14.6.2. Когерентное и пролетное сужение

14.6.3. Спектроскопия комбинационного рассеяния с шириной линии меньше естественной

14.7. Абсолютное измерение оптической частоты и оптические стандарты частоты

14.7.1. Микроволново-оптические цепочки стандартов частоты

14.7.2. Оптические частотные гребни

14.8. Сжатие

14.8.1. Флуктуации амплитуды и фазы световой волны

14.8.2. Экспериментальная реализация сжатия

14.8.3. Применение сжатия в детекторах гравитационных волн

Задачи

Глава 15

Применения лазерной спектроскопии

15.1. Применения в химии

15.1.1. Лазерная спектроскопия в аналитической химии

15.1.2. Обнаружение единичных молекул

15.1.3. Лазерно-индуцированные химические реакции

15.1.4. Когерентное управление химическими реакциями

15.1.5. Лазерная фемтосекундная химия

15.1.6. Лазерное разделение изотопов

15.1.7. Лазерная химия: выводы

15.2. Исследование окружающей среды с помощью лазеров

15.2.1. Измерения поглощения

15.2.2. Атмосферные измерения с лидаром

15.2.3. Спектроскопическое обнаружение загрязнений воды

15.3. Приложения к техническим задачам

15.3.1. Спектроскопия процессов горения

15.3.2. Применение лазерной спектроскопии в материаловедении

15.3.3. Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя (СЛИП)

15.3.4. Измерения скорости потока в газах и жидкостях

15.4. Применения в биологии

15.4.1. Перенос энергии в комплексах ДНК

15.4.2. Измерения биологических процессов с временны2м разрешением

15.4.3. Корреляционная спектроскопия движения микробов

15.4.4. Лазерный микроскоп

15.5. Медицинские приложения лазерной спектроскопии

15.5.1. Применение спектроскопии комбинационного рассеяния в медицине

15.5.2. Гетеродинные измерения барабанной перепонки

15.5.3. Диагностика и терапия рака с помощью производной гематопорфирина

15.5.4. Лазерная литотрипсия

15.5.5. Лазерно-индуцированная термография рака мозга

15.5.6. Эмбриональный мониторинг кислорода

15.6. Заключительные замечания

Решения задач