ПРОГРАММА
курса лекций "Лазерная химия"
для магистрантов Химического факультета

Основные представления в лазерной химии

Лазерное излучение.
Лазерный синтез и лазерное управление химическими реакциями:
 а)инициирование реакций и изменение их параметров,
б)детектирование и исследование промежуточных и конечных продуктов,
с)механизмы и элементарные акты химических реакций.

Лазер – источник мощного, монохроматического излучения

Введение. Энергетические состояния атомов и молекул, систематика состояний и правила отбора. Спектры поглощения, спонтанного и вынужденного испускания. Вероятности переходов. Коэффициенты Эйнштейна и сечения переходов. Силы осцилляторов. Безызлучательные переходы. Времена жизни возбужденных состояний. Механизмы уширения спектральных линий.

Принципы работы лазеров. Активные лазерные среды. Методы создания инверсии населенностей лазерных сред. Лазерные резонаторы. Перестройка частоты генерации лазера. Методы модуляции добротности резонатора. Режимы работы лазеров (непрерывный, импульсный). Перестройка частоты лазерного излучения. Применение нелинейных кристаллов (удвоение частоты, оптический параметрический генератор).

Основные характеристики лазерного излучения (интенсивность, монохроматичность, когерентность, поляризация, направленность). Сравнение лазерных и традиционных (долазерных) источников света.

Типы лазеров. Твердотельные (неодимовый, рубиновый, титан-сапфировый, полупроводниковый); жидкостные (на растворах органических красителей); газовые (гелий-неоновый, ионные, азотный, CO₂ лазер, медный, эксимерные). Кольцевые лазеры. Фемтосекундные лазеры. Химические лазеры.

Техника безопасности при работе с лазерами.

Взаимодействие лазерного излучения с атомами и молекулами

Насыщение оптического перехода. Многофотонные переходы и многофотонная ионизация. ИК резонансная, селективная фотохимия молекул (колебательный квази-континуум, стохастизация колебательной энергии, фотоионизация и фотодиссоциация молекулы в мощном электромагнитном поле). Взаимодействие молекул с лазерным излучением фемтосекундной длительности (волновые пакеты, динамика молекулярных колебаний и элементарные акты химической реакции).

Применение лазеров

Лазеры в химии. Селективность возбуждения атомов и молекул в многокомпонентной среде. Процессы потери селективности и методы ее повышения. Лазерная искра.

ИК лазерная фотохимия (межмолекулярная селективная химия, разделение изотопов). Глубокая очистка веществ. Лазерная термохимия (тепловое стимулирование химических реакций). Создание высокотемпературных гомогенных сред (без участия стенок реактора). Импульсный фотолиз.

Взаимодействие мощного излучения с поверхностью твердого тела (лазерная абляция и синтез функциональных материалов). Лазерная обработка материалов. Синтез мелкодисперсных порошков и наночастиц.

Химия плазмы, индуцированной мощным лазерным излучением.

Фемтохимия. Кинетика сверхбыстрых реакций. Когерентное управление химическими реакциями.

Лазеры в спектроскопии. Результаты применения лазеров в спектроскопии (улучшение отношения регистрируемых сигналов к шуму, достижение сверхвысокого разрешения в спектрах, реализация новых спектроскопических методов, возможность исследования сверхбыстрых процессов в химических системах, получение прецизионной информации о строение атомов и молекул).

Лазеры в аналитической химии Результаты применения лазеров в аналитической химии (реализация высокоселективных и сверхчувствительных методов определения элементов и соединений в различных объектах).

Применение лазеров в биологии и медицине.

Рекомендуемая литература:
Звелто О. Принципы лазеров. Изд.4-е. Спб.: Лань, 2008.
Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. Изд. 2-е. М.: УРСС, 2001.
Летохов В.С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М.: Физматгиз, 1983.
DemtroderW. Laser spectroscopy. 4^th Edition. Berlin: Springer Verlag, 2008.
Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия // Усп. химии. 2001. Т.70. №6. С.515—538.
Telle H. H., Gonzalez A., Donovan R. J. Laser Chemistry: Spectroscopy, Dynamics and Applications. John Wiley, 2007.

Дополнительная литература:
Молин Ю.Н., Панфилов В.Н., Петров А.К. Инфракрасная фотохимия. Новосибирск: Наука, 1985.
Laser Processing of Materials. Fundamentals, Applications and Developments. Ed. by P. Schaaf. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2010.
Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. М.: Физматлит., 2009.
Lasers in Chemistry. Ed. by M.Lackner. Wiley-Interscience, 2008.

Курсы по выбору

Лазерная спектроскопия высокого и сверхвысокого разрешения. Лазерно-индуцированная и столкновительно-индуцированная флуоресценция, методы двойного (оптического, радиочастотного) резонанса, многофотонная спектроскопия, спектроскопия насыщения, лазерный магнитный резонанс, внутрирезонаторная и поляризационная спектроскопия. Фотоионизационная лазерная спектроскопия. Лазерная масс-спектрометрия. Перестраиваемая диодная абсорбционная спектроскопия. Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР). Вынужденное КР. Когерентное антистоксовское КР. Фемтосекундная спектроскопия. Динамика молекулярных колебаний. Волновые пакеты.
Методы формирования и обработки спектральных сигналов. Форма и ширина спектральных линий. Аппаратная функция спектрального прибора. Определение вероятностей оптических и безызлучательных переходов (интенсивности, времена жизни, коэффициенты ветвления).
Определение строения молекул в газовой фазе. Использование молекулярных пучков для исследования промежуточных продуктов реакций. Спектроскопия столкновительных процессов. Спектроскопия ридберговских состояний. Теория квантового дефекта. Спектры "нежестких" молекул. Комплексный неадиабатический анализ электронно-возбужденных состояний. Тестирование фундаментальных физических теорий и манипулирование ультрахолодными молекулярными ансамблями.

Рекомендуемая литература:
Demtroder W. Laser Spectroscopy. 4^th Edition. Berlin: SpringerVerlag, 2008.
Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. Изд. 2-е. М.: УРСС, 2001.
Герцберг Г. Спектры и строение простых свободных радикалов.М.: Мир, 1974.
Lefebvre-Brion H., Field R. W. The Spectra and Dynamics of Diatomic Molecules. Elsevier Press: New York, 2004.

Дополнительнаялитература:
W. S. Stwalley, and B. Friedrich, Taylor and Francis, Boca Raton, Cold Molecules: Theory, Experiment, Applications, edited by R. Krems FL, 2009.
Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. М.: Изд-во иностр. лит., 1959.
Лазерная спектроскопия атомов и молекул. Под. ред. Г.Вальтера. М.: Изд. Мир, 1979

ЛАЗЕРНАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Введение в лазерную аналитическую спектроскопию. Лазеры как высокоэнергетические источники излучения. Свойства лазерного излучения. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Высокоэнергетическое и селективное воздействие.

Методы, основанные на взаимодействии лазерного излучения с твердыми веществами. Лазерная искровая эмиссионная спектроскопия, физические основы, аппаратурное оформление. Спектры поглощения и испускания пробы при лазерной атомизации. Лазерный пробоотбор и его сочетание со спектроскопическими методами анализа. Применения: локальный анализ, анализ поверхностей и микропроб, послойный анализ, анализ удаленных, в том числе, токсичных, радиоактивных и высокотемпературных объектов.

Лазерная десорбция и абляция в масс-спектрометрии.

Методы, основанные на селективном воздействии лазерного излучения, их физические основы, аппаратурное оформление, области применения и метрологические характеристики. Мешающие влияния в различных методах.

Лазерная атомно-флуоресцентная спектроскопия, лазерная атомно-ионизационная спектрометрия. Механизмы возбуждения и ионизация атомов лазерным излучением. Резонансная ионизационная спектроскопия. Детектирование единичных атомов. Атомизаторы, химические равновесия в атомизаторах различного типа, оптимизация условий определения. Лазерные и классические атомизаторы твердых проб.

Оптическое возбуждение молекул. Лазерная молекулярная флуориметрия, оптико-акустическая и оптико-рефрактометрическая спектроскопия, комбинационное рассеяние света. Сочетание методов лазерной молекулярной аналитической спектроскопии с методами разделения (хроматографическим и электрофоретическим). Спектроскопия комбинационного рассеяния света. Применение спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света для анализа поверхности (метод Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS).

Методы лазерного дистанционного зондирования, их физические основы и области применения. Рэлеевское, Ми-, комбинационное и резонансное рассеяние, молекулярная флуоресценция, поглощение, дифференциальное поглощение и рассеяние.

Лидары и принципы их устройства. Основные элементы лазерного датчика параметров окружающей среды. Примеры лазерного дистанционного зондирования объектов окружающей среды: контроль чистоты окружающей среды, лазерное зондирование атмосферы, идентификация нефтяных пленок в море, контроль качества воды, изучение распределения хлорофилла в природе.

Статистическая обработка результатов измерений. Систематические и случайные погрешности определения. Шумы и  чувствительность измерений. Коррекция аналитического сигнала в различных лазерных методах с помощью обычного и корреляционного нормирования.

Рекомендуемая литература:
Аналитическая лазерная спектроскопия / Под ред. Н. Оменетто. М.: Мир, 1982.
Лазерная аналитическая спектроскопия / Под ред. В.С. Летохова. М.: Наука, 1986.
Сверхчувствительная лазерная спектроскопия / Под ред. Д. Клайджера. М.: Мир, 1986.
Кузяков Ю.Я., Семененко К.А., Зоров Н.Б. Методы спектрального анализа. М.: Изд. МГУ, 1990.
Кремерс Д., Радзиемски Л. Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия. М.: Техносфера, 2009.
Demtroder W. Chapt. 10. Applications of laser spectroscopy / in Laser Spectroscopy. Vol.2. 4^th Edition. Berlin: Springer Verlag, 2008. P. 541-592.

Дополнительная литература:
Степанов Е.В. Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров. М.: Физматлит, 2009.
Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986.
Гришко В.И., Гришко В.П., Юделевич И.Г. Лазерная аналитическая термолинзовая спектроскопия. Новосибирск. Изд. Ин-та неорг. химии СО РАН, 1992.
Козинцев В. И., Белов М. Л., Городничев В. А., Федотов Ю. В. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей. М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003.
Агишев Р.Р. Лидарный мониторинг атмосферы. М.: Физматлит, 2009.
Moenke-Blankenburg L. Laser Microanalysis. N.Y.: John Wiley &Sons, 1989.
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Eds. By A.W. Miziolek, V. Palleschi, I. Schechter. Chembridge Univ. Press, 2006.
Lasers in Chemistry: Probing and Influencing Matter. Vol.1. Ed. by Lackner M. Wiley-Interscience. 2008.
Зоров Н.Б., Кузяков Ю.Я., Новодворский О.А., Чаплыгин В.И. Оптогальванический эффект в пламенах атмосферного давления. В сб. Химия плазмы. Вып.13. / Под. ред. Б.М. Смирнова. М.: Энергоатомиздат, 1987.

ТЕХНИКА ЛАЗЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Традиционные (долазерные) источники оптического излучения (непрерывные, импульсные). Лампы накаливания, банд-лампы, водородная, дейтериевая лампы, ксеноновые лампы. Спектральные и энергетические характеристики источников оптического излучения.

Лазерные источники оптического излучения (непрерывные, импульсные). Конструкции основных типов лазеров. Конструктивные особенности оптических резонаторов. Рабочие тела лазеров, методы формирования инверсных населенностей. Преобразователи частоты лазерного излучения. Техника перестройки частоты лазерного излучения (параметрический генератор и лазеры на красителях, получение гармоник).

Измерения энергетических, оптических, временных и пространственных характеристик излучения лазеров. Измерения энергетического распределения и расходимости лазерного пучка. Фотодетекторы, пироэлектрические, оптоакустические преобразователи. Характеристики измерительных приборов.

Основные принципы построения лазерных экспериментальных установок.

Устройства для управления пространственными характеристиками лазерного излучения (оптические системы): фокусирующие, сканирующие, проекционные, распределительные. Оптические материалы для аппаратуры, работающей с излучением в УФ, видимой, ИК-областях спектра. Отражающие материалы: зеркальные металлические, диэлектрические, просветляющие покрытия. Световоды. Светофильтры. Требования к материалам для лазерной оптики. Оптико-механические компоненты лазерных установок: оптические столы, держатели, рельсы, диафрагмы. Мощное излучение и материалы, требования к чистоте лабораторных помещений. Юстировка лазерной аппаратуры.

Основы вакуумной техники. Типы вакуумных насосов:
механические, пароструйные, турбомолекулярные, магниторазрядные, сорбционные. Техника измерения вакуума. Принципы построения вакуумных систем. Вакуумные уплотнения. Методы обнаружения мест натекания в вакуумных системах.

Примеры применения полученных знаний к созданию экспериментальных установок, использующих: а) метод молекулярных пучков для лазерных исследований промежуточных продуктов химических реакций, б) лазерную абляцию твердых тел для синтеза функциональных материалов методом импульсного лазерного осаждения.

Рекомендуемая литература:
Рабек Я. Экспериментальные методы фотохимии и фотофизики. М.: Мир, 1995.
Жигалов В. С. Лазерные технологии. Красноярск: Изд-во САА, 1998.
Бруннер В. Справочник по лазерной технике. М.: Энергоатомиздат, 1991.
Pulsed Laser Deposition of Thin Films: Applications-Led Growth оf Functional Materials. Ed. by R. Eason. Wiley, 2007.

Программу составили:

д.х.н. проф. Зоров Н.Б., к.х.н. доц. Горбатенко А.А.,  д.х.н. проф. Кузяков Ю.Я., к.х.н. доц. Путилин Ф.Н.,
д.ф-м.н. вед.н.с. Столяров А.В., к.х.н. ст.н.с. Шатохин А.Н., редактор - д.х.н. проф. Кузяков Ю.Я.