Исследователи из США увеличили расстояние, на котором могут быть идентифицированы химические вещества, до одного километра, превратив изучаемые образцы в лазеры [1].

Инициировав эмиссию яркого рамановского лазерного излучения, Мэрлан Скалли (Marlan Scully) и Владислав Яковлев (Vladislav Yakovlev) успешно распознали химический состав нескольких близких белых порошков. Стоимость такого дистанционного аналитического инструмента составила всего 25000 долларов США.

Исследователи отмечают, что

даже первичное доказательство возможностей системы показало, что такая аналитическая методика превосходит существующие методы дистанционного анализа как точностью измерения, так и расстоянием, на котором это измерение может быть осуществлено. Новый подход позволит определять концентрации удобрений в атмосфере при их применении с помощью сельскохозяйственной авиации, а также фиксировать области загрязнения или зоны с повышенной концентрации взрывчатых веществ.

В аналитической химии уже применяется рамановское рассеивание, основанное на том, что молекулы могут поглощать фотоны и рассеивать часть их энергии, испуская при этом фотоны с другой длиной волны (другого цвета). Различие в «цветах» поглощенного и рассеянного фотона может содержать бесценную информацию о строении анализируемого материала, однако для того, чтобы без проблем извлечь эту информацию, необходимо решить фундаментальную задачу – усилить эффект рассеивания. Это необходимо, так как рассеивается лишь один фотон из 10–10.

Лазеры, обеспечивающие большое количество монохроматических фотонов, уже помогали в дистанционном определении веществ с помощью рамановского рассеивания – например, проведенное теми же Скалли и Яковлевым обнаружение антракса в закрытом конверте [2]. Такжев начале этого года исследователи из группы Яковлева адаптировали стоящую в самом начале своего развития технологию «рандомного лазера» (random laser) для использования в спектроскопии КР [3].

В обычных ловушках для фотонов являются зеркала, которые стимулируют эмиссию фотонов, увеличивают их число, в результате чего и создается мощный монохроматический лазерный луч. Для рандомных лазеров не требуется наличие зеркал – там лазеры накачки освещают светорассеивающие материал, что инициирует эмиссию с помощью своеобразного «оптического пинбола», приводящего к тому, что фотоны отскакивают от отражающих поверхностей и распространяются по всем направлениям.

Яковлев предположил, что если источником какого-то из этих «пинбольных» фотонов является рамановское рассеяние, рандомный лазер усилит также и их сигнал.

Такой подход позволит обеспечить увеличить получение фотонов рамановского рассеивания примерно в 100 миллионов раз. Исследователи первоначально доказали это, облучая порошок сульфата бария зеленым лазером. В результате облучения порошок испускал рандомное лазерное излучение во всех направлениях, в котором смешивалось красное рамановское излучение и зеленое излучение, использованное для стимуляции.

Ну и наконец, для демонстрации возможностей применения рандомных лазеров в химическом анализе исследователи использовали красный лазер для получения детальной информации об аналитах. Новая методика позволила различить шесть неорганических и три органических порошка.

Источники:

[1] Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2014, DOI: 10.1073/pnas.1412535111;

[2] Nat. Commun., 2014, 5, 4356 (DOI:10.1038/ncomms5356);

[3] Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, 109, 1151 (DOI: 10.1073/pnas.1115242108).