Language
Country/Area
No result found
История CARS: почему открытие 1965 года до сих пор так важно?
В научном сообществе многие открытия, хотя им уже десятки лет, по-прежнему оказывают разностороннее влияние на современные технологии и методы исследования. Типичным примером является когерентная антистоксовая рамановская спектроскопия (КАРС). Эта технология была впервые описана двумя исследователями из Ford Motor Company в 1965 году и до сих пор играет важную роль в различных областях, таких как физика, химия и биология. В этой статье мы рассмотрим историческую подоплеку, основные принципы и применение CARS в современной науке. Историческая справка
В 1965 году П. Д. Мейкер и Р. У. Терхьюн опубликовали статью о феномене CARS в Научной лаборатории Ford Motor Company, и это открытие изменило ландшафт молекулярной спектроскопии. Они использовали импульсный рубиновый лазер для проведения экспериментов по многоволновому смешиванию и успешно обнаружили, что когда разность частот между лучом накачки и лучом Стокса совпадала с частотой рамановского резонанса образца, генерировался сильный смещенный в синюю сторону сигнал. Хотя в то время это открытие называлось всего лишь «экспериментом по трехволновому смешиванию», со временем эта технология постепенно стала известна как CARS.
«Сигнал, который мы наблюдали впервые, является не только прорывом в научных исследованиях, но и закладывает основу для развития различных исследовательских технологий в дальнейшем».
Основные принципы
Технология CARS основана на нелинейном оптическом процессе третьего порядка, в котором задействованы три лазерных луча: луч накачки (частота ωp), луч Стокса (частота ωs) и зондирующий луч (частота ωpr). Взаимодействие этих трех лучей создает когерентный оптический сигнал на антистоксовой частоте (ωpr + ωp - ωS). Суть процесса заключается в том, что когда разница частот между накачивающим и стоксовым лучами совпадает с внутренней частотой колебаний обнаруживаемого материала, сила сигнала увеличивается.
«Процесс CARS можно объяснить с помощью квантово-механической модели, которая дает нам более глубокое понимание поведения молекул».
С микроскопической точки зрения процесс CARS включает квантовое состояние молекул, где молекулы подвергаются процессу возбуждения и высвобождения под воздействием света. В ходе этого процесса частота света взаимодействует с вибрационными свойствами молекул, что приводит к усилению светового сигнала, что демонстрирует превосходство технологии CARS.
Сравнение CARS и Рамановской спектроскопии
Технология CARS и традиционная рамановская спектроскопия в некоторых аспектах схожи, но есть и существенные различия. В рамановской спектроскопии захват сигнала основан на спонтанных переходах, тогда как CARS основан на когерентно управляемых переходах. Поскольку сигнал CARS генерируется когерентно, его интенсивность увеличивается квадратично с расстоянием, на котором фокусируется луч, что делает CARS особенно чувствительным к концентрации молекул в образце.
«Это позволяет CARS предоставлять высокочувствительные данные за короткий промежуток времени, что особенно подходит для технологий визуализации».
Применение КАРС
С развитием технологий CARS нашел свое уникальное применение в различных областях. Технология CARS продемонстрировала свои превосходные возможности визуализации, особенно в области биомедицины. Например, микроскопия CARS использовалась для неинвазивного получения изображений липидов в биологических образцах.
«В 2020 году ученые успешно идентифицировали отдельные вирусные частицы с помощью технологии CARS, что имеет большое значение для исследования вирусов».
В диагностике процессов горения спектроскопия КАРС также используется для измерения температуры газов и пламени, поскольку интенсивность ее сигнала зависит от температуры. Это делает его идеальным инструментом для мониторинга химических реакций в условиях высоких температур.
В сфере безопасности технология CARS также использовалась для разработки устройств обнаружения придорожных бомб, что демонстрирует ее многообразие и важность.
Перспективы на будущее
С момента открытия в 1965 году влияние CARS распространилось за пределы научных лабораторий на множество областей применения, таких как биомедицина, материаловедение и технологии безопасности. По мере совершенствования технологий, в частности, развития сверхбыстрой оптики, ожидается, что сфера применения CARS будет продолжать расширяться, что еще больше повысит его ценность в исследовательских и практических приложениях. Будущие исследования могут выявить еще больше неизведанных явлений и открыть новые области применения.
Итак, с развитием науки и техники, как технология CARS будет определять будущее научных исследований и технологических разработок?
