Большая Советская Энциклопедия (СП) - БСЭ БСЭ

  Первые серьёзные лазерные эксперименты в спектроскопии были осуществлены после создания достаточно мощных лазеров видимого диапазона, излучение которых имеет фиксированную частоту. Они были использованы для возбуждения спектров комбинационного рассеяния света. Принципиально новые возможности С. л. открылись с появлением лазеров с перестраиваемой частотой. С. л. позволила решить или приступить к решению важных задач, перед которыми спектроскопия обычных источников света практически бессильна.

  Высокая монохроматичность излучения лазеров с перестраиваемой частотой даёт возможность измерять истинную форму спектральных линий вещества, не искажённую аппаратной функцией спектрального прибора. Это особенно существенно для спектроскопии газов в инфракрасной области, где разрешение лучших промышленных приборов обычного типа составляет 0,1 см-1, что в 100 раз превышает ширину узких спектральных линий (см. Ширина спектральных линий).

  Временная и пространственная когерентность лазерного излучения, лежащая в основе методов нелинейной С. л., позволяет изучать структуру спектральных линий, скрытую обычно доплеровским уширением, вызываемым тепловым движением частиц в газе.

  Благодаря высокой монохроматичности и когерентности излучение лазера переводит значительное число частиц из основного состояния в возбуждённое. Это повышает чувствительность регистрации атомов и молекул — в 1 см3 вещества удаётся регистрировать включения, состоящие из 102 атомов или 1010 молекул. Разрабатываются методы регистрации отдельных атомов и молекул.

  Короткие и ультракороткие лазерные импульсы дают возможность исследовать быстропротекающие (~10-6—10-12 сек) процессы возбуждения, девозбуждения и передачи возбуждения в веществе. С помощью импульсов направленного лазерного излучения можно исследовать спектры рассеяния и флуоресценции атомов и молекул в атмосфере на значительном расстоянии (~ 100 км) и получать информацию о её составе, а также осуществлять контроль загрязнения окружающей среды.

  Фокусируя лазерное излучение, можно исследовать состав малых количеств вещества (имеющих размеры порядка длины волны). Это успешно применяется в локальном эмиссионном спектральном анализе.

  Приборы, применяемые в С. л., принципиально отличаются от обычных спектральных приборов. В приборах, использующих лазеры с перестраиваемой частотой, отпадает необходимость в разложении излучения в спектр с помощью диспергирующих элементов (призм, дифракционных решёток), являющихся основной частью обычных спектральных приборов. Иногда в С. л. применяют приборы, в которых излучение разлагается в спектр с помощью нелинейных кристаллов (см. рис. 4 в ст. Нелинейная оптика).

  Лит.: Летохов В. С., Чеботаев В. П., Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, М., 1975; Менке Г., Менке Л., Введение в лазерный эмиссионный микроспектральный анализ, пер. с нем., М., 1968; Летохов B. C., Проблемы лазерной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1976, т. 118, в. 2.

  В. С. Летохов.

Спектрофотометр

Спектрофото'метр (от спектр и фотометр), спектральный прибор, который осуществляет фотометрирование — сравнение измеряемого потока с эталонным (референтным) для непрерывного или дискретного ряда длин волн излучения. С. обеспечивает отсчёт или автоматическую регистрацию результатов сравнения в соответствующей двумерной шкале: абсцисса — длина волны, ордината — результат фотометрирования на этой длине волны. С. также называют аналитические приборы, которые не измеряют спектров, а определяют концентрации элементов в пробе по линиям абсорбции (или эмиссии) атомов в пламени (атомно-абсорбционные или пламенные С.) или определяют концентрации компонент в смесях веществ по характеристическим полосам поглощения (например, двуволновые инфракрасные С. или С.-анализаторы). Основные типы С. описаны в ст. Спектральные приборы.

Спектрофотометрия

Спектрофотоме'трия, область измерительной техники, объединяющая спектрометрию, фотометрию и метрологию и занимающаяся разработкой системы методов и приборов для количественных измерений спектральных коэффициентов поглощения, отражения, излучения, спектральной яркости как характеристик сред, покрытий, поверхностей, излучателей (см. также Спектральные приборы).

Спектры испускания

Спе'ктры испуска'ния, спектры оптические, испускаемые источниками света.

Спектры кристаллов

Спе'ктры криста'ллов (оптические) по структуре разнообразны. Наряду с узкими линиями они содержат широкие полосы (отношение частоты n к скорости света с от долей до нескольких тыс. см-1) и сплошные области спектра, простирающиеся на десятки тыс. см-1 (см. Спектры оптические). В инфракрасной области спектров поглощения наблюдаются полосы, связанные с квантовыми переходами между энергетическими уровнями, обусловленными колебательными движениями частиц кристалла, которым сопутствуют изменения электрического дипольного момента: поглощается фотон и рождается квант колебаний кристаллической решётки — фонон. Процессы, сопровождающиеся рождением нескольких фононов, «размывают» и усложняют наблюдаемый спектр. В реальном кристалле обычно есть дефекты структуры (см. Дефекты в кристаллах), вблизи них могут возникать локальные колебания, например внутренние колебания примесной молекулы. При этом в спектре появляются дополнительные линии с возможными «спутниками», обусловленными связью локального колебания с решёточными. В полупроводниках некоторые примеси образуют центры, в которых электроны движутся на водородоподобных орбитах. Они дают спектр поглощения в инфракрасной области, состоящий из серии линий, заканчивающихся непрерывной полосой поглощения (ионизация примеси). Поглощение света электронами проводимости и дырками в полупроводниках и металлах начинается также в инфракрасной области (см. Металлооптика). В спектрах магнитоупорядоченных кристаллов аналогично фононам проявляют себя магноны (см. Спиновые волны).

  В спектре рассеянного света из-за взаимодействия света с колебаниями решётки, при которых изменяется поляризуемость кристалла, наряду с линией исходной частоты no появляются линии, сдвинутые по обе стороны от неё на частоту решёточных колебаний, что соответствует рождению или поглощению фононов (см. Комбинационное рассеяние света, рис. 1). Акустические решёточные колебания приводят к тому, что при рассеянии света на тепловых флуктуациях у центральной (не смещенной) релеевской линии также появляются боковые спутники, обусловленные рассеянием на распространяющихся флуктуациях плотности (см. Рассеяние света).

  Большинство неметаллических кристаллов за инфракрасной областью в определённом интервале частот прозрачно. Поглощение возникает снова, когда энергия фотона становится достаточно велика, чтобы вызвать переходы электронов из верхней заполненной валентной зоны в нижнюю часть зоны проводимости кристалла. Спектр этого интенсивного собственного поглощения света отображает структуру электронных энергетических зон кристалла и простирается дальше в видимый диапазон, по мере того как «включаются» переходы между др. энергетическими зонами. Положение края собственного поглощения определяет окраску идеального кристалла (без дефектов). Для полупроводников длинноволновая граница области собственного поглощения лежит в ближней инфракрасной области, для ионных кристаллов — в ближней ультрафиолетовой области. Вклад в собственное поглощение кристалла наряду с прямыми переходами электронов дают и непрямые переходы, при которых дополнительно рождаются или поглощаются фононы. Переходы электронов из зоны проводимости в валентные зоны могут сопровождаться рекомбинационным излучением.

  Электрон проводимости и дырка благодаря электростатическому притяжению могут образовать связанное состояние — экситон. Спектр экситонов может варьироваться от водородоподобных серий до широких полос. Линии экситонного поглощения лежат у длинноволновой границы собственного поглощения кристалла (рис. 2). Экситоны ответственны за электронные спектры поглощения молекулярных кристаллов. Известна также экситонная люминесценция.