1.3. Зачем изучать спектр?

Составляющие предмет книги приборы предназначены для анализа спектра оптического излучения. Подразумевается – фурье-спектр. Почему? Меня этот вопрос занимал еще в студенческие годы и как-то я его задал С.Э.Фришу. Ответ был и простым, и полным: «Потому что приближенно-гармонические колебательные процессы чаще всего встречаются в жизни, и для их описания разработан удобный и относительно простой математический аппарат». Действительно, в природе имеется множество примеров процессов, начиная от колебаний простых систем и устройств (например, ног шагающего человека, или маятника) и кончая бегущими морскими волнами, которые можно рассматривать как почти гармоническое колебание.

От себя добавлю, что и «простота», и «удобство» – понятия относительные, во многом связанные с привычкой и объемом знаний, полученных при изучении математики. Спектральный анализ вообще – понятие математическое, и наборы функций, по которым производится разложение в спектр, могут быть очень различными. Целесообразность выбора того или иного вида функций, с моей точки зрения, прежде всего, обуславливается «компактностью» полученного спектра. Оптические спектры простых систем атомного масштаба оказываются простыми (компактными) при разложении по гармоническим функциям в силу относительной простоты строения системы квазистационарных энергетических состояний. Эта простота описывается связью между энергией испущенного (поглощенного) кванта и разностью энергии таких состояний:

(1.1)

Здесь - квант энергии, - энергии начального и конечного состояний, - постоянная Планка, - частота излученного (поглощенного) электромагнитного излучения.

Сегодня, однако, известно множество процессов, спектры которых в фурье-представлении оказываются весьма сложными, например, спектры солитонов, или спектры импульсов, используемых летучими мышами, дельфинами и другими китами для эхо-локации. Будучи очень разветвленным (и в обывательском, представлении – сложным) в рамках гармонического спектрального анализа, спектр сигнала дельфина становится компактным (простым), если применить его разложение по экспоненциальным вейвлетам. Думаю, что немногие из взявших в руки эту книгу, знакомы с вейвлет-анализом, он в ходу у довольно узкого круга специалистов, а вот элементы фурье-анализа знают почти все.

Основной смысл всех этих рассуждений состоит в том, что пока и поскольку мы изучаем простые системы (атомы, небольшие молекулы), постольку разложение электромагнитного излучения на гармонические составляющие вполне оправданно, но как только мы переходим к более сложным системам, пускай и малого размера, содержащим тысячи и миллионы атомов, например, белковым молекулам, необходимо иметь тщательное обоснование применения именно гармонического анализа, а не только использовать при их изучении классический спектральный прибор потому что «другого нет в наличии».

Во второй половине ХХ века в физике произошла революция, о которой сегодня почему-то почти не упоминают – появились лазеры. Создание лазеров, источников оптического когерентного излучения, в том числе лазеров большой мощности, изменило не только технику оптических исследований, но, что куда более важно, само сознание физиков-оптиков. Если к началу 60-х годов ХХ века многие понятия и методы оптики проникли и утвердились в радиофизике, то лазеры дали впервые возможность массам физиков «почувствовать», что электромагнитное излучение оптического диапазона действительно является всего лишь коротковолновым вариантом радиоволн. Мгновенно появилась техника манипуляции оптическим излучением полностью аналогичная (по результатам, но не по принципам) технике радиотехнических методов. Одновременно, простота методов пространственного преобразования и концентрации (фокусировки, в частности) световых волн явилась основой стремительного прогресса в изучении физики нелинейного взаимодействия света с веществом в различных фазовых состояниях.

Настал момент, когда сравнивая световые и радио электромагнитные волны, необходимо определить, что же будет пониматься в этой книге под собственно оптическим излучением. Любые точные границы провести невозможно, но специфика генерации излучения и его взаимодействия с веществом позволяет поместить длинноволновую границу в диапазоне 0,1 – 1 мм, а коротковолновую – в области мягкого рентгеновского излучения 1 – 0,1 нм. Границы, конечно, условны. При длине волны более 1 мм преобладают методы генерации и детектирования, характерные для радиоволн, а за областью «мягкого рентгена» меняется характер рассеяния света на атомах, причем преобладают процессы фотоионизации. Так или иначе, оптический диапазон составляет не менее 5-6 порядков изменения длины волны. Необходимо иметь в виду, что каждому из этих порядков характерны свои особенности взаимодействия с веществом, свои методы регистрации излучения, своя техника его транспортировки и исследования спектра. Тем не менее, принципиальные идеи спектроскопических методов остаются общими.

Перед оптической спектроскопией, в целом, стоят две основные задачи – определение частоты электромагнитного излучения (или поглощения) и измерение распределения абсолютной или относительной спектральной плотности энергии по частоте или длине волны. Две эти задачи находятся в тесной взаимосвязи, и полностью разделить их невозможно. Как в любой задаче измерения, все зависит от той априорной информации о спектре, которой мы располагаем на предварительном этапе. Приведенное выше соотношение (1.1) показывает, что спектр несет информацию об энергетическом строении исследуемого объекта (или вещества). Чтобы подчеркнуть особую важность этой задачи сошлюсь на три примера. Изучение спектра атома водорода явилось одной из важнейших предпосылок создания квантовой механики. Спектроскопические свидетельства постоянства тонкой структуры во всех известных уголках Вселенной доказывают единство физических законов «управляющих» ею (правда, время от времени появляются сообщения о том, что и эта постоянная не постоянна). Наконец, «красное смещение» - изменение частоты спектральных линий, испускаемых звездами, принадлежащих различным галактикам, по мере увеличения их расстояния от Нашей галактики (закон Хаббла) – позволило не только измерять расстояние до других звездных систем, но и определить «возраст» Вселенной.

Первые спектроскопические эксперименты, вероятно, следует связать с именем Ньютона. Несомненно, разложение солнечного света и света свечи в серию радужных цветов наблюдали и раньше, однако, именно Ньютон провел серию целенаправленных экспериментов и именно ему принадлежит обобщающий теоретический вывод о сложности процесса, который мы называем белым светом.

Развитие оптических инструментов, требовавшее измерения дисперсии показателя преломления стекол, прозрачных для видимого излучения, привело к созданию методов измерения показателя преломления стекла и, попутно, открытию линий поглощения в спектре солнечного излучения. Вероятно, это открытие 1802 года можно считать началом того пути, который и привел к созданию квантовой механики. Этот путь простых и утонченных физических опытов, путь развития математического аппарата и глубокого теоретического обобщения результатов опыта, путь разработки и усовершенствования приборной базы эксперимента, путь сомнений и ярких идей, привел человечество к тому состоянию повседневной сегодняшней жизни, когда лазер стал инструментом каменщика, а понятие «квантовая точка» – одной из основ современной электроники.

В книге я не буду описывать историю развития спектроскопических инструментов – для этого имеются специальные издания, а множество интереснейшей информации читатель почерпнет, при желании, в Интернете. Более того, некоторые компоненты современных спектральных приборов будут описаны совершенно схематически, чтобы иметь возможность сосредоточиться на главных, по мнению автора, моментах.

Первым из таких моментов являются происходящие в современной спектроскопии процессы принципиальной важности: если раньше время непосредственного взаимодействия излучения с устройством-анализатором спектрального прибора всегда намного превосходило период колебаний волны и время распространения волны в приборе, то создание фемто- и аттосекундных импульсов изменило все: пространственная протяженность сигнала в направлении его распространения стала существенно меньше размеров любого элемента самого прибора. Соответственно, теоретическое рассмотрение работы оптических устройств, в том числе и спектрометров, обязательно должно учитывать нестационарность процессов. Здесь и самому автору, и, я надеюсь, читателю тоже большую помощь окажет опубликованная в 1962 году книга А.А.Харкевича «Спектры и анализ» (она переиздана в 2009 году [2]). Немного найдется книг, где автору удалось так спокойно, детально, просто и, одновременно, строго рассказать о сложных эффектах, сопровождающих фурье-анализ колебательных процессов. Вторая книга А.А.Харкевича, «Борьба с помехой» [6], будет тоже мною цитироваться, так как в ней принципиальные вопросы выделения сигнала из помех и измерений в присутствии помех описаны на доступном любому студенту уровне.

Вторым моментом, теснейшим образом связанным с первым, является прогресс в теоретическом описании нестационарных процессов взаимодействия излучения с оптическими системами. Начиная с 90-х годов прошлого века количество публикаций по этой тематике нарастало лавинообразно, было описано множество конкретных вариантов взаимодействия ультракороткого импульса с различными устройствами преобразования пространственно-временной структуры волны. Однако все они относились именно к конкретным случаям, что не позволяло абстрагироваться от тех или иных деталей и составить общее представление о качественных особенностях исследуемых процессов и сопровождающих их явлений. Используя представление о дельта-волнах, заложенное работами профессора Г.И.Макарова с учениками в 1961 году [7], нам удалось расширить поле применения соответствующего математического аппарата и, получив конкретные решения для классических простых оптических объектов, внести уточнения и исправления в книжку 1976 года.