مقدمه
در بیناب نمایی
برهمکنش نور با ماده بررسی می‌شود و بدین طریق اطلاعات زیادی از ساختمان
تراز انرژی اتمها و یا مولکولهای تشکیل دهنده ماده بدست می‌دهد. در بیناب نمایی جذبی ، برای مثال ، تابش نور تقریبا تکفام از نمونه عبور می‌کند و مقدار جذب شده بر حسب طول موج تابش اندازه گیری می‌شود. تابش وقتی به شدت جذب می‌شود که انرژی فوتون برابر با بعضی اختلافات ترازهای انرژی ماده مورد مطالعه باشد. راه ساده برای بدست آوردن تابش تکفام استفاده از یک چشمه نوری با شدت زیاد و پهنای باند زیاد (مانند لامپ هالوژنه کوارتز و یا لامپ زنون با فشار بالا) به همراه یک تکفام کننده است. فاکتورهای اساسی برای چنین ترتیبی پهنای باند و قدرت تابش خروجی از تکفام کننده است. برای
توری تکفام کننده پهنای باند v∆ در فرکانس v را می‌توان به صورت زیر نوشت:
N∆v = v/q
که N تعداد خطوط توری و q مرتبه بیناب است. برای تابش مرئی Hz1014v~ و با فرض 3= q و 150000=N بدست می‌آوریم. GHz 2~∆v. توانهای در دسترس از چنین دستگاههایی معمولا nW1 است. این اعداد را با مقادیر مربوط به یک
لیزر تک مد هلیوم نئون مقایسه می‌کنیم، که پهنای خط کمتر از MHz1 با توان حدود mW 1 دارد. متأسفانه لیزر He-Ne می‌تواند روی یک ناحیه فرکانسی باریک حدود MHz1500 تنظیم شود، که برابر با پهنای طیفی خط است.
سایر لیزرها پدیده دوپلر
البته
لیزرهای دیگری که بر روی ناحیه وسیعتری از
فرکانسها قابل تنظیم هستند در دسترس می‌باشند. برای مثال ،
لیزرهای رنگی و
لیزرهای نمک سرب ، گر چه این لیزرها عموما پهنای خط وسیعتری را نسبت به لیزر He-Ne دارند. بنابراین افزایش توان چشمه و پهنای کوچکتر باند لیزرها را افزایش دقت و حساسیت چندین برابر در مقایسه با روشهای بیناب نمایی سنتی را به همراه دارد. اما پهنای خط چشمه ، تنها عامل محدود کننده در گذشته نبوده است. جذب خطوط در گازها به دلیل
اثر دوپلر ناشی از حرکت حرارتی اتمها و یا مولکولهای جذب کننده نور ، پهن‌تر است. گر چه هر اتم و یا مولکول تابش را در ناحیه باریکی از فرکانسها جذب می‌کند (پهنای خط طیفی) ، اگر نسبت به ناظر با سرعت نسبی در حال حرکت باشد v
r در حال دور شدت باشد، به نظر می‌رسد که در 'v جذب می‌کند که:
(v' = v (1 - vr/c
v فرکانس جذبی طبیعی و c
سرعت نور است.
کاهش پهن شدگی دوپلری
در دمای اتاق پهن شدگی دوپلری در حدود GHz است. متقابلا اگر با استفاده از لیزر دقت زیادی را بخواهیم، بهتر است به طریقی پهن شدگی را کاهش دهیم. یک روش این است که گاز را تا دماهای زیر دمای اتاق سرد کنیم و این کار عملی است، ولی تأثیر چندانی ندارد. آنطور که در آغاز به نظر می‌رسد، روشهای دیگری برای این منظور بکار برده شده است که موفقیت آمیز بوده است و در ذیل مختصرا به شرح آن می‌پردازیم.
بیناب نمایی پرتو - مولکولی
در این روش
اتمها و یا
مولکولهای مورد بررسی به صورت پرتوی جمع می‌شوند و نور کاوه بطور عمود بر امتداد حرکت آنها می‌تابد. ذرات در پرتو مؤلفه کوچکی از سرعت در امتداد پرتو کاوه دارند و از این رو پهن شدگی دوپلر بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد.
بیناب نمایی اشباع
در این روش خروجی لیزر به دو پرتو تقسیم می‌شود که از دو جهت مخالف وارد ماده هدف می‌شوند. یکی از این پرتوها (پرتو اشباع کننده) خیلی شدیدتر است از دیگری (پرتو کاوه) است و مدوله شده است (دامنه). وقتی که فرکانس پرتو اشباع کننده با فرکانس گذار داخل ماده یکسان باشد باعث جذب و نهایتا مساوی شدن جمعیتهای حالتهای پایه و تحریکی می‌شود. در صورتی که پرتو اشباع کننده و پرتو کاوه هر دو به یک دسته از مولکولها برخورد کنند ماده برای پرتو کاوه شفاف می‌شود. این پدیده فقط وقتی اتفاق می‌افتد که فرکانس لیزر دقیقا برابر مرکز گذار باشد. وقتی که خروجی لیزر توسط مولکولهایی که دارای مؤلفه سرعت صفر در امتداد پرتو هستند، جذب شوند، در این شرایط پرتو کاوه به صورت دامنه مدوله می‌شود. وقتی لیزر از حالت تنظیم روی فرکانس مرکزی خارج می‌شود، پرتو کاوه نمی‌تواند با این دسته از مولکولها که توسط پرتو اشباع کننده اشباع شده از برهمکنش انجام دهد و از این رو پرتو کاوه مدوله نمی‌شود.
بیناب نمایی دو فوتونی
مانند بیناب نمایی اشباعی در بیناب نمایی دو فوتونی از دو پرتو یک لیزر که در دو جهت مخالف یکدیگر به ماده وارد می‌شوند، استفاده می‌شود. اما ، در این حالت دو پرتو دارای شدتهای یکسان هستند. اگر یک مولکول خاصی را در نظر بگیریم، دو پرتو دارای فرکانسهای ظاهری
(v (1 - vr/c و
(v (1 + vr/c هستند که
vr مؤلفه سرعت مولکول در امتداد پرتو است. اگر مولکول بتواند
فوتونی را بطور همزمان از دو پرتو جذب کند، آنگاه انرژی موج فقط 2hv که به v
r غیر وابسته است. اگر چنین جذبی اتفاق نیفتد می‌توان آن را توسط کنترل میزان جذب یکی از پرتوها و یا مشاهده پدیده فلوئورسانس القائی توسط گسیل ملاحظه نمود. این نوع بیناب نمایی با بیناب نمایی اشباع از این نظر که تمام اتمهایی که در ناحیه برهمکنش وجود دارند پرتو را جذب می‌کنند، متفاوت است. به علاوه این فرآیند امکان می‌دهد تا نواحی قابل دسترسی توسط تابش لیزر بیشتر باشد، چرا که انرژی فوتون لیزر بطور مؤثری دو برابر است.
طیف نمایی رامان
علاوه بر بیناب نمایی جذبی معمولی ، بسیاری روشهای دیگر بیناب نمایی با استفاده از چشمه لیزر انجام می‌شود. یک مورد قابل اشاره ، "
طیف نمایی رامان" است. در این روش نمونه با یک پرتو پر توان تکفام مورد تابش قرار می‌گیرد. بخشی از این تابش ، پس از جابجایی فرکانس توسط نمونه پراشیده می‌شود. بطوری که فرکانس آن برابر
v ± ∆vs می شود.
vs∆ به بعضی گسیلها در داخل ماده مربوط است. این پدیده
اثر رامان نامیده می‌شود. نتیجه این که انرژی فوتون فرودی توسط جمع و یا کم شدن انرژی موجود ماده ، افزایش و کاهش می‌یابد. وقتی که انرژی فوتون کاهش می‌یابد (یعنی v = v - ∆vs) بیناب خطی حاصل "
خط استوکس" نامیده می‌شود. متقابلا افزایش انرژی به "
خط آنتی - استوکس" منجر می‌شود.
اثر رامان معمولا برای بررسی ترازهای انرژی ارتعاشی و چرخشی مولکول بکار می‌رود و بطوری که vs∆ معمولا نسبتا کوچک است. راندمان پخش رامان کم است، اما با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد، در شرایط مساوی استفاده از طول موج های کوتاه تا حد امکان بهتر است. پهنای بیناب تابش تحریک کننده حداقل مقدار
vs∆ را که می‌توان مشاهده کرد و همچنین میزان دقت را بدست می‌دهد. منبع کلاسیک بیناب نمایی رامان خط 8/435 نانومتر لامپ جیوه با فشار بالاست. این خط پهنای حدود MHz 600 دارد، ولی پهنای خط لیزر به مراتب کوچکتر است.علاوه بر این لیزرها منابع قوی‌تری هستند که جهت
قطبش آنها قابل کنترل است.
یکی از معروفترین منابع رامان
لیزر یونی آرگون است، ولی امکان دسترسی به منابع با
طول موجهای دیگر از مزیتهای لیزر است، چرا که می‌توان طول موجی را که نمونه مورد آزمایش جذب نمی‌کند، انتخاب کرد. برای نمونه از
لیزر Nd:YAG برای بررسی بسیاری از مواد نیمه هادی مانند GaAs که در طول موجهای کوتاه‌تر جاذب است بکار می‌رود. جالب است بدانیم که تابشهای پخش ده رامان نیز
همدوس است، بطوری که امکان ایجاد طول موجهای جدید همدوس با این روش نیز وجود دارد. از کاربردهای تجاری که اساسا روش بیناب نمایی است، استفاده از
لیزر در غنی سازی اورانیوم است.
مباحث مرتبط با عنوان
