9. СПЕКТРОСКОПИЯ СО СВЕРХВЫСОКИМ ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

Одной из важнейших областей применения ультракоротких импульсов стала спектроскопия, впервые позволившая непосредственно наблюдать быстропротекающие микрофизические, а также химические и биологические процессы.

Рис. 9.1. Схема энергетических уровней с излучательными переходами (возбуждение, зондирование пробным излучением, люминесценция), а также безызлучательными переходами. а — возбуждение через поглощение одного фотона; б — возбуждение через двухфотонное поглощение; в — возбуждение вынужденным комбинационным рассеянием.

Методы измерений в спектроскопии со сверхвысоким временным разрешением делятся на два этапа. На первом этапе исследуемый образец возбуждается ультракоротким лазерным импульсом. За время действия импульса энергия передается образцу. Возбуждение образца может происходить с поглощением одного или нескольких фотонов или в результате неупругого рассеяния, фотонов, например комбинационного рассеяния (рис. 9.1). Образец в результате кратковременного взаимодействия с полем излучения переходит из состояния термодинамического равновесия в неравновесное состояние. После действия импульса имеют место лишь выравнивающие процессы, во время которых образец возвращается в первоначальное или

переходит в новое состояние равновесия, а также в квазиравновесное состояние. Такими выравнивающими процессами могут быть различные релаксационные процессы и реакции, процессы передачи энергии и заряда, а также диффузионные процессы. В общем случае во время выравнивающего процесса меняются различные измеряемые параметры образца, что позволяет наблюдать этот процесс. Второй этап спектроскопии со сверхвысоким временным разрешением состоит в измерении временной зависимости этих параметров. В более узком смысле при спектроскопии быстропротекающих процессов измеряется временная зависимость какой-либо оптической величины, например интенсивности люминесценции, коэффициентов спектрального поглощения или отражения или коэффициента преломления. При надлежащем выборе длин волн возбуждающего излучения и отклика оптические методы оказываются весьма эффективными, так как разнообразные физические и химические процессы сопровождаются в общем случае изменяющимся во времени поглощением в определенной части спектра и частично связаны с излучением света характерного спектрального состава.

Некоторые наборы элементов для спектроскопии со сверхвысоким временным разрешением выпускаются Центром научного приборостроения Академии наук ГДР [9.56] и фирмой Applied Photophysics, London [9.57]. Основными элементами наборов являются промышленные лазеры на благородных газах (соответственно комбината VEB Carl Zeiss Jena и фирмы Spectra Physics). Они позволяют собирать люминесцентные и абсорбционные спектрометры с использованием ультракоротких импульсов.

9.1. Методы, основанные на измерении люминесценции

9.1.1. Наносекундные методы

Методы регистрации изменений во времени спектров люминесценции разработаны давно. Применение классических источников света позволило продвинуться при таких измерениях в субнаносекундную область (см., например, [15, 9.1, 9.2]). Появление лазеров представило возможность дальнейшего усовершенствования методов. Простейший принцип измерений проиллюстрирован на рис. 9.2. Импульсный лазер возбуждает образец, начинающий люминесцировать. Излучение регистрируется и разрешается во времени фотоприемником. Сигнал с фотоприемника усиливается и подается на осциллограф. Временное разрешение определяется фотоприемником и электронной схемой. Оно достигает при благоприятных условиях нескольких единиц 10-10 с. Люминесцентное излучение может пропускаться

через монохроматор. Устройство допускает применение стробоскопического метода регистрации. Электронная схема при этом заменяется стробоскопическим запоминающим вольтметром Как отмечалось в гл. 3, стробоскопический метод особенно пригоден для регистрации периодических сигналов. Короткий импульс возбуждения включает стробоскопический вольтметр, который через установленное время задержки регистрирует и запоминает сигнал с фотоприемника, поступающий в течение заданного интервала времени. Время задержки может меняться от импульса к импульсу излучения лазера, что позволяет регистрировать различные части сигнала люминесценции. Применение специальной электронной схемы накопления легко позволяет многократно повторить процесс измерения, провести усреднение и повысить в результате точность. Подчеркнем еще раз, что при использовании стробоскопического метода временное разрешение определяется исключительно фотоприемником и интегратором. Хорошие Вохсаг-интеграторы позволяют регистрировать интервалы времени около 0,1 не [9.3]. В качестве примера реализации стробоскопического метода приведем установку типа Центра научного приборостроения Академии наук ГДР [9.4]. В качестве источника возбуждения люминесценции в установке применяется -лазер, а регистрация производится стробоскопическим запоминающим вольтметром. Установка позволяет получить временное разрешение .

Рис. 9.2. Регистрация процесса затухания люминесценции при помощи электронных приборов. Импульс лазера длительностью возбуждает образец. Излучение люминесценции проходит через монохроматор и поступает на быстродействующий фотоумножитель сигнал с которого подается на осциллограф. Развертка осциллографа запускается импульсами лазера.

Другим весьма удобным способом регистрации в люминесцентной спектроскопии является счет фотонов. Пример реализации этого метода показан на рис. 9.3. В представленной на этом рисунке установке образец накачивается лазером на красителе с синхронной накачкой (см. гл. 5). После фильтрации спектра монохроматором люминесцентное излучение поступает на фотоумножитель. Возбуждение поддерживается на столь низком уровне, что на один импульс лазера с большой вероятностью либо приходится лишь один фотон люминесценции, либо фотон не излучается вовсе. Импульсы, возбуждаемые фотоэлектронами, усиливаются и подаются на дискриминатор,

отбирающий импульсы, амплитуды которых лежат в определенном интервале. Это снижает число паразитных импульсов [9.1]. Пропущенный дискриминатором импульс запускает часы амплитудно-временного преобразователя. Часы останавливаются либо следующим импульсом, либо импульсом, сформированным надлежащим образом в преобразователе при поступлении импульса от тактового генератора.

Рис. 9.3. Установка для регистрации процессов затухания люминесценции методом коррелированного по времени счета фотоиов (см., иапример, [9.5, 9.6]). ОМА — оптический многоканальный анализатор; — блок формирования импульса; — амплитудио-времеииой преобразователь; — блок дискриминатора; — фотоумножитель; — фотодиод для контроля излучения лазера.

Определенный таким путем отрезок времени соответствует после вычитания периода следования возбуждающих импульсов временному интервалу между моментом возбуждения и элементарным актом испускания люминесцентного фотона. Амплитудно-временной преобразователь пропорционально преобразует отмеренные интервалы времени в импульсы напряжения, подаваемые на многоканальный анализатор. При поступлении импульса с амплитудой, лежащей в определенном интервале напряжений многоканальный анализатор повышает на единицу содержание канала, соответствующего этому интервалу, т. е. соответствующему временному интервалу. После поступления достаточно большого числа импульсов люминесценции содержание ячеек анализатора с хорошей точностью фиксирует зависимость вероятности испускания люминесцентного фотона от времени, прошедшего с момента возбуждения. Пример кривой затухания люминесценции, зарегистрированной таким путем, показан на рис. 9.4 [9.5]. Временное разрешение этого метода существенно зависит от флуктуации импульсов во времени, так называемого дробового

эффекта, возникающего в фотоумножителе. Для лучших фотоумножителей временное разрешение составляет в настоящее время Преимуществами метода счета фотонов по сравнению с описанными выше методами измерений являются большое отношение сигнал—шум, высокая точность и широкий динамический диапазон, позволяющий зафиксировать процесс затухания люминесценции на несколько порядков.

Рис. 9.4. Гистограмма процесса затухания люминесценции. По оси ординат отложено число фотонов люминесценции, зарегистрированных в интервале времени (Люминесценция на заданный вращательный уровень в парах тетрацина. Характерное время затухания

При тщательном проведении измерений это позволяет различить и определить характеристики нескольких перекрывающихся процессов затухания, т. е., например, нескольких экспонент с различными показателями.

9.1.2. Пикосекундные методы

Временное разрешение рассмотренных выше методов, использующих в качестве импульсов возбуждения излучение лазеров с синхронизацией мод, в основном определяется фотоэлектрической системой регистрации. Временное разрешение может быть кардинальным образом повышено, если применить вместо фотоумножителя с электронными приборами, представленными на рис. 9.2, скоростной фоторегистратор (см. гл. 3). Отдельный импульс лазера, используемый в качестве возбуждающего, должен одновременно управлять временной разверткой регистратора. Люминесцентное излучение направляется оптической системой на входную щель регистратора и создает на экране изображение, которое фотографируется или заносится в ячейки оптического многоканального анализатора (ОМА). Изображение может быть обработано с временным разрешением до нескольких пикосекунд. На рис. 9.5 6 показана кривая, полученная

в результате денситометрической обработки записанного при помощи скоростного фоторегистратора изображения [9.8]. Как было показано в гл. 3, координата в направлении щели может быть использована для построения спектра. Для этого необходимо поместить между образцом и скоростным фоторегистратором спектрограф.

Люминесцентный спектрометр с временным разрешением, высокой степенью автоматизации с удобством считывания с встроенным фоторегистратором типа (временное разрешение и видиконом в канале регистрации предлагается предприятием VEB Carl Zeiss Jena под названием «Лазерный импульс-спектрометр LIS201» [9.55]. Возбуждение образца осуществляется лазером на красителе с распределенной обратной связью (см. разд. 2.8), накачиваемым азотным лазером. Лазер работает в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм до 265 нм) и генерирует импульсы длительностью Высокая чувствительность прибора обеспечивается регулируемой и высокой энергией возбуждения, светосильной оптикой и спектральным разложением света отражательными голографическими решетками.

Высокое разрешение и относительно большой динамический диапазон могут быть обеспечены при возбуждении излучением лазера с непрерывной накачкой и синхронизацией мод с использованием техники синхронного сканирования. При этом луч фоторегистратора периодически отклоняется с частотой следования импульсов. При строгом сохранении постоянства разности фаз между этими колебаниями и последовательностью возбуждающих импульсов картина распределения интенсивности на экране неподвижна (вызванный флуктуациями разброс отсчета времени может быть снижен до субпикосекундного диапазона выбором соответствующих лазеров для возбуждения и применением высокостабильной электроники). Типовая установка [9.8] показана на рис. 9.5, а.

Кроме скоростного фоторегистратора для регистрации люминесценции применяют нелинейные оптические затворы с временами срабатывания в области пикосекунд и субпикосекунд. При этом стробоскопическим методом, как описывалось в разд. 3.3, измеряется функция корреляции между измеряемым сигналом люминесценции и коротким лазерным импульсом. При условии что длительность лазерного импульса мала по сравнению с характерным временем люминесценции, корреляционная функция непосредственно соответствует кривой затухания люминесценции. В качестве нелинейного оптического элемента для исследования люминесценции часто применяется ячейка Керра.

Экспериментальная установка подобного типа изображена на рис. 3.14, а, б. При проходе через ячейку Керра сигнал ослабляется, что неблагоприятно сказывается на измерении слабых сигналов люминесценции. Этот недостаток можно скомпенсировать, применяя управляемые усилители, в которых используется вынужденное излучение красителей с накачкой [9.9, 9.10] или параметрическое усиление (см., например, [9.11]).

Рис. 9.5. (см. скан) Регистрация процессов затухания люминесценции методом синхронного скаиироваиия. (По [9.8].) а — установка: 1 — генератор на туннельном диоде; 2 — удвоитель частоты; 3 — усилитель; 4 — скоростной фоторегистратор; 5 — образец; 6 — -лазер; 7 — синхронизатор мод; -зеркала; Р — поляризатор; фильтры; ОМА — оптический многоканальный анализатор. Аргоновый лазер с синхронизацией мод осуществляет накачку лазера на красителе им, Люминесценция возбуждается второй гармоникой излучения лазера на красителе нм), генерируемой в кристалле (Коэффициенты отражения зеркал на длине волны 600 нм равны 100%. Кристалл размещается в общем фокусе зеркал. На длине волиы 300 нм коэффициент отражения зеркала равен нулю.) Синусоидальное напряжение развертки синхронного сканирования скоростного фоторегистратора (4) генерируется туннельным диодом. Это напряжение синхронизовано импульсами, поступающими с -фотодиода , на который отводится примерно мощности излучения лазера на красителе. Выходное напряжение с генератора на туннельном диоде усиливается и подается на отклоняющие пластины скоростного фоторегистратора. — представление записанной кривой затухания люминесценции в полулогарифмическом масштабе. (Стильбен, в смеси 85% этанола, 15% глицерола.) Удалось зарегистрировать два процесса затухания. (По [9.8].)

Наибольшее допустимое значение усиления в обоих случаях ограничивается необходимостью предотвратить самовозбуждение усилителя и требованиями линейности его характеристики. Параметры некоторых нелинейных оптических затворов сопоставлены в табл. 9.1. Ячейка Керра, как следует из таблицы, отличается

Таблица 9.1. Регистрация сигналов люминесценции при помощи оптических затворов

особо широкой полосой пропускания, тогда как параметрический усилитель обладает наивысшим временным разрешением.

9.1.3. Применения

9.1.3.1. Красители

Методом временной спектроскопии люминесценции были проведены многочисленные исследования органических красителей. При этом были обнаружены люминесцирующие -уровни с обратными временами жизни, составляющими несколько (см., например, [16—20]). В ряде работ были предприняты попытки найти зависимость обратного времени жизни от структуры молекул, а также взаимодействия с растворителем. Предельно короткие времена жизни были найдены для молекул, которые в состоянии электронного возбуждения меняют пространственное распределение атомов и поэтому могут быстро перейти в в нелюминесцирующее состояние (см., например, [9.12] и цитированную там литературу). Этот конкурирующий процесс сильно снижает квантовый выход люминесценции. Поэтому в качестве активных сред для лазеров на красителях преимущественно применяют такие вещества, в которых подобная изомеризация предотвращается соответствующим образом подобранными присадками.

Рис. 9.6. Кривая затухания люминесценции при передаче энергии от люминесцирующих молекул, являющихся донорами молей в этаноле), быстро релаксирующим акцепторным молекулам (малахитовый зеленый, молей). — характерное время затухания люминесценции молекул в отсутствие акцепторов. Кривая затухания подтверждает временную зависимость Наклон прямой позволяет найти константу С и, согласно (1.35), радиус Фёрстера нм).

Для некоторых типов молекул вероятность перехода от синглетной к триплетной системе может настолько возрасти, что этот процесс окажет существенное воздействие на время жизни люминесцирующего уровня (см., например, [9. 13]).

При добавлении к люминесцирующим растворам красителей соответствующих акцепторов время жизни возбужденных молекул, играющих роль доноров, может сокращаться за счет передачи ими энергии акцепторам. Как было показано в гл. 1, закон затухания в этом случае имеет вид (рис. 9.6).

Кроме того, могут наблюдаться молекулярные реакции, особенно такие, как димеризация и агрегация (см., например, [16, 20], а также [9.55]).

9.1.3.2. Влияние ориентационной релаксации

При исследовании люминесценции в растворах можно заметить, что иногда временная зависимость люминесцентного излучения определяется не только конечным временем протекания процессов, но и дезориентацией возбужденных молекул (см., например, Линейно поляризованный свет возбуждает преимущественно те молекулы, матричный элемент которых составляет с напряженностью электрического поля малый угол (см. (1.68)). В результате этого после возбуждения

Рис. 9.7. Временная зависимость люминесценции молярного раствора родамина в метаноле. (По [9.18].) a - — интенсивности параллельно и перпендикулярно поляризованных по отношению к поляризации излучения накачки составляющих люминесценции; б - - анизотропия люминесценции.

коротким световым импульсом, а затем и в основном состоянии распределение молекул является анизотропным. Если состояния в процессах поглощения и люминесценции идентичны, то эта анизотропия способствует тому, что первоначально люминесцентное излучение поляризовано параллельно поляризации возбуждающего света. Если же молекула в растворе после возбуждения поворачивается, то анизотропия снимается (см., например, рис. 9.7).

Регистрация составляющих поляризованного люминесцентного излучения, параллельной и перпендикулярной поляризации возбуждающего излучения , позволяет поэтому сделать заключение как о процессах, ограниченных временем жизни, так и о переориентации молекул красителя, т. е. об ориентационной релаксации. Более детальная оценка показывает, что временная зависимость величин определяется только процессами, ограниченными временем жизни, а — только реориентаций (см., например, [9.18]). Величину можно непосредственно измерить, регистрируя составляющую люминесцентного излучения с направлением поляризации, составляющим 54,7° с направлением поляризации возбуждающего света. Измерение характеристик процессов реориентации молекул красителя в растворителях позволяет сделать заключения о специфических процессах взаимодействия в растворе. В простейшей модели молекула красителя рассматривается в рамках гидродинамики как тело, вращающееся в смачивающей его жидкости вязкости Время реориентации то молекулы сферической формы объема V равно

На рис. 9.8 представлен пример, с хорошей точностью подтверждающий пропорциональность между Впрочем, найденная пропорциональность еще не дает основания считать принятую модель корректной, так как и различные другие модели могут приводить к такому же результату. Более детально этот вопрос обсуждается, например, в [9.20, 9.21].

Кроме измерения поляризованного света люминесценции для исследования ориентационной релаксации может быть использован оптический эффект Керра. Этот эффект состоит в том, что показатель преломления изменяется под воздействием интенсивного электромагнитного поля. Такое изменение показателя преломления при облучении короткими лазерными импульсами может быть описано соотношением (3.14). Этот эффект позволил измерить время ориентационной релаксации для небольших молекул в маловязких растворителях. Оно составило от единиц до нескольких десятков пикосекунд. Так, например,

для было найдено Недавно эта молекула была еще раз исследована [9.48] с фемтосекундным разрешением. На рис. 9.9 показана измеренная задержка по фазе слабого пробного импульса по отношению к интенсивному импульсу возбуждения длительностью в интерферометре Маха—Цендера.

Рис. 9.8. Характерное время ориентационной релаксации крезилвиолета в зависимости от вязкости растворителя Т]. (По [9.19].)

Измеренный сдвиг пропорционален изменению показателя преломления и зависит от времени задержки Очевидно, что процесс распада состоит из медленного и быстрого процессов реориентации, времена релаксации которых составляют

Рис. 9.9. Измерение времени ориентационной релаксации в посредством спектроскопии с тестовыми импульсами в фемтосекундной области. (По [9,58].)

9.1.3.3. Биологические среды

Исследования, основанные на регистрации люминесценции с пикосекундным разрешением, успешно применяются не только при изучении поведения молекул красителей в растворах, но и

биологических сред. В биологических проблемах большую роль играет высокая чувствительность метода люминесцентной спектроскопии, которая позволяет поддерживать относительно низкий уровень энергии возбуждения. Это выполняется в экспериментах с одиночными импульсами, например при использовании твердотельных лазеров, а также при использовании импульсов с высокой частотой следования, что типично для непрерывных лазеров на красителях с синхронизацией мод. В настоящее время эксперименты концентрируются на исследовании процессов передачи энергии и разделения зарядов при фотосинтезе, первичных реакций в люмиродопсине и гемоглобине при зрительном восприятии, процессов обогащения кислородом и смены различных форм фитохрома и биливердиновых красителей (см., например, [16, 18, 20, 28, 29]).

9.1.3.4. Твердые тела

Применительно к твердым телам методы пикосекундной люминесценции используются для исследования процессов дезактивации в молекулярных кристаллах (см., например, [9.22, 9.23]) дефектов и центров окраски в диэлектриках (см., например, [9.24, 9.25]), а также в полупроводниках [9.24].