La espectroscopia Raman coherente anti-Stokes , también llamada espectroscopia de dispersión Raman coherente anti-Stokes ( CARS ), es una forma de espectroscopia utilizada principalmente en química , física y campos relacionados. Es sensible a las mismas firmas vibracionales de las moléculas que se ven en la espectroscopia Raman , típicamente las vibraciones nucleares de los enlaces químicos. A diferencia de la espectroscopia Raman, CARS emplea múltiples fotones para abordar las vibraciones moleculares y produce una señal coherente . Como resultado, CARS es órdenes de magnitud más fuerte que la emisión Raman espontánea. CARS es un proceso óptico no lineal de tercer orden que involucra tres rayos láser : un rayo de bombeo de frecuencia ω p , un rayo de Stokes de frecuencia ω S y un rayo de sonda a frecuencia ω pr . Estos rayos interactúan con la muestra y generan una señal óptica coherente a la frecuencia anti-Stokes (ω pr +ω p -ω S ). Este último se mejora resonantemente cuando la diferencia de frecuencia entre la bomba y los haces de Stokes (ω p -ω S ) coincide con la frecuencia de una resonancia Raman , que es la base del mecanismo de contraste vibracional intrínseco de la técnica. [1] [2]
La espectroscopia Raman coherente de Stokes ( CSRS, que se pronuncia como "tijeras") está estrechamente relacionada con la espectroscopia Raman y los procesos láser. Es muy similar a CARS, excepto que utiliza un haz de estimulación de frecuencia anti-Stokes y se observa un haz de frecuencia de Stokes (lo opuesto a CARS).
En 1965, dos investigadores del Laboratorio Científico de la Ford Motor Company , PD Maker y RW Terhune, publicaron un artículo en el que se informaba por primera vez del fenómeno CARS. [3] Maker y Terhune utilizaron un láser rubí pulsado para investigar la respuesta de tercer orden de varios materiales. Primero pasaron el haz rubí de frecuencia ω a través de un desplazador Raman para crear un segundo haz en ω-ω v , y luego dirigieron los dos haces simultáneamente sobre la muestra. Cuando los pulsos de ambos haces se superpusieron en el espacio y el tiempo, los investigadores de Ford observaron una señal en ω+ω v , que es la señal CARS desplazada al azul. También demostraron que la señal aumenta significativamente cuando la frecuencia de diferencia ω v entre los haces incidentes coincide con una frecuencia Raman de la muestra. Maker y Terhune llamaron a su técnica simplemente "experimentos de mezcla de tres ondas". El nombre de espectroscopia Raman anti-Stokes coherente fue asignado casi diez años después, por Begley et al. en la Universidad de Stanford en 1974. [4] Desde entonces, esta técnica óptica no lineal sensible a las vibraciones se conoce comúnmente como CARS.
El proceso CARS se puede explicar físicamente utilizando un modelo de oscilador clásico o utilizando un modelo mecánico cuántico que incorpora los niveles de energía de la molécula. Clásicamente, el vibrador activo Raman se modela como un oscilador armónico (amortiguado) con una frecuencia característica de ω v . En CARS, este oscilador no es impulsado por una sola onda óptica, sino por la diferencia de frecuencia (ω p -ω S ) entre la bomba y los rayos de Stokes. Este mecanismo de accionamiento es similar a escuchar el tono de combinación baja al tocar dos teclas de piano de tono alto diferentes: su oído es sensible a la diferencia en las frecuencias de los tonos altos. De manera similar, el oscilador Raman es susceptible a la diferencia de frecuencia entre dos ondas ópticas. Cuando la diferencia de frecuencia ω p -ω S se acerca a ω v , el oscilador es impulsado de manera muy eficiente. A nivel molecular, esto implica que la nube de electrones que rodea el enlace químico oscila vigorosamente con la frecuencia ω p -ω S . Estos movimientos de electrones alteran las propiedades ópticas de la muestra, es decir, hay una modulación periódica del índice de refracción del material. Esta modulación periódica puede ser analizada por un tercer haz láser, el haz de sonda. Cuando el haz de sonda se propaga a través del medio alterado periódicamente, adquiere la misma modulación. Parte de la sonda, originalmente en ω pr ahora se modificará a ω pr +ω p -ω S , que es la emisión anti-Stokes observada. Bajo ciertas geometrías de haz, la emisión anti-Stokes puede difractarse lejos del haz de sonda y puede detectarse en una dirección separada.
Aunque intuitiva, esta imagen clásica no tiene en cuenta los niveles de energía mecánicos cuánticos de la molécula. Desde el punto de vista mecánico cuántico, el proceso CARS puede entenderse de la siguiente manera. Nuestra molécula se encuentra inicialmente en el estado fundamental , el estado de energía más bajo de la molécula. El haz de bombeo excita la molécula a un estado virtual. Un estado virtual no es un estado propio de la molécula y no puede estar ocupado, pero permite transiciones entre estados reales que de otro modo estarían desocupados. Si hay un haz de Stokes presente simultáneamente junto con la bomba, el estado virtual puede utilizarse como una puerta de entrada instantánea para abordar un estado propio vibracional de la molécula. La acción conjunta de la bomba y el haz de Stokes ha establecido efectivamente un acoplamiento entre el estado fundamental y el estado vibracionalmente excitado de la molécula. La molécula se encuentra ahora en dos estados al mismo tiempo: reside en una superposición coherente de estados. Esta coherencia entre los estados puede ser sondeada por el haz de sondeo, que promueve el sistema a un estado virtual. De nuevo, la molécula no puede permanecer en el estado virtual y retrocederá instantáneamente al estado fundamental bajo la emisión de un fotón en la frecuencia anti-Stokes. La molécula ya no está en una superposición, ya que reside de nuevo en un estado, el estado fundamental. En el modelo mecánico cuántico, no se deposita energía en la molécula durante el proceso CARS. En cambio, la molécula actúa como un medio para convertir las frecuencias de las tres ondas entrantes en una señal CARS (un proceso paramétrico). Sin embargo, existen procesos Raman coherentes relacionados que ocurren simultáneamente y que sí depositan energía en la molécula.
La espectroscopia CARS se compara a menudo con la espectroscopia Raman, ya que ambas técnicas analizan los mismos modos activos de Raman. La espectroscopia Raman se puede realizar utilizando un único láser de onda continua (CW), mientras que la CARS requiere (por lo general) dos fuentes de láser pulsado. La señal Raman se detecta en el lado rojo de la radiación entrante, donde podría tener que competir con otros procesos fluorescentes. La señal CARS se detecta en el lado azul, que está libre de fluorescencia, pero tiene una contribución no resonante. Las diferencias entre las señales de Raman y CARS (existen muchas variantes de ambas técnicas) se deben en gran medida al hecho de que la Raman se basa en una transición espontánea, mientras que la CARS se basa en una transición impulsada de manera coherente. La señal Raman total recopilada de una muestra es la adición incoherente de la señal de las moléculas individuales. Por lo tanto, es lineal en la concentración de esas moléculas y la señal se emite en todas las direcciones. La señal CARS total proviene de una adición coherente de la señal de las moléculas individuales. Para que la adición coherente sea aditiva, se debe cumplir la coincidencia de fases. En condiciones de enfoque estrecho, esto no suele ser una restricción. Una vez que se cumple la coincidencia de fase, la amplitud de la señal crece linealmente con la distancia, de modo que la potencia crece cuadráticamente. Esta señal forma un haz colimado que, por lo tanto, se recoge fácilmente. El hecho de que la señal CARS sea cuadrática en la distancia la hace cuadrática con respecto a la concentración y, por lo tanto, especialmente sensible al constituyente mayoritario. La señal CARS total también contiene un fondo no resonante inherente. Esta señal no resonante puede considerarse como el resultado de (varias) transiciones lejanas fuera de resonancia que también se suman de forma coherente. La amplitud resonante contiene un desplazamiento de fase de π/2 radianes sobre la resonancia, mientras que la parte no resonante no lo contiene. Por lo tanto, la forma de la línea espectroscópica de la intensidad CARS se asemeja a un perfil Fano que se desplaza con respecto a la señal Raman. Para comparar los espectros de compuestos multicomponentes, la amplitud espectral CARS (resonante) debe compararse con la intensidad espectral Raman.
En teoría, la espectroscopia Raman y la espectroscopia CARS son igualmente sensibles, ya que utilizan las mismas transiciones moleculares. Sin embargo, dadas las limitaciones de la potencia de entrada (umbral de daño) y el ruido del detector (tiempo de integración), la señal de una única transición se puede recoger mucho más rápido en situaciones prácticas (un factor de 10 5 ) utilizando CARS. Por lo tanto, la obtención de imágenes de sustancias conocidas (espectros conocidos) se realiza a menudo utilizando CARS. Dado que CARS es un proceso no lineal de orden superior, la señal CARS de una única molécula es mayor que la señal Raman de una única molécula para una intensidad de excitación suficientemente alta. Sin embargo, a concentraciones muy bajas, las ventajas de la adición coherente para la señal CARS se reducen y la presencia del fondo incoherente se convierte en un problema cada vez mayor.
Dado que CARS es un proceso no lineal, en realidad no existen números experimentales "típicos". A continuación se ofrece un ejemplo con la advertencia explícita de que simplemente cambiando la duración del pulso en un orden de magnitud cambia la señal CARS en tres órdenes de magnitud. La comparación solo debe usarse como una indicación del orden de magnitud de las señales. Una entrada de potencia promedio de 200 mW (CW para el Raman), en un objetivo de 0,9NA con una longitud de onda central de alrededor de 800 nm, constituye una densidad de potencia de 26 MW/cm2 ( longitud de foco = 1,5 micrómetros, volumen de foco = 1,16 micrómetros 3 , energía del fotón = 2,31×10 −19 J o 1,44 eV). La sección eficaz Raman para la vibración del anillo aromático en tolueno alrededor de 1000 cm −1 es del orden de 10 −29 cm 2 /molécula·estereorradián. Por lo tanto, la señal Raman es de alrededor de 26×10 −23 W/molécula·estereorradián o 3,3×10 −21 W/molécula (sobre 4π estereorradián). Es decir, 0,014 fotones/seg·molécula. La densidad del tolueno = 0,8668×10 3 kg/m 3 , masa molecular = 92,14×10 −3 kg/mol. Por lo tanto, el volumen focal (~1 micrómetro cúbico) contiene 6×10 9 moléculas. Esas moléculas juntas generan una señal Raman del orden de 2×10 −11 W (20 pW) o aproximadamente cien millones de fotones/seg (sobre 4π estereorradián). Un experimento CARS con parámetros similares (150 mW a 1064 nm, 200 mW a 803,5 nm, pulsos de 15 ps a una frecuencia de repetición de 80 MHz, misma lente objetivo) produce aproximadamente 17,5 × 10 −6 W (en la línea de 3000 cm −1 , que tiene 1/3 de la fuerza y aproximadamente 3 veces el ancho). Esta potencia CARS es aproximadamente 10 6 mayor que la Raman, pero como hay 6 × 10 9 moléculas, la señal por molécula de CARS es solo 4 × 10 −25 W/molécula·s o 1,7 × 10 −6 fotones/molécula·s. Si permitimos dos factores de tres (fuerza de línea y ancho de línea), entonces la señal Raman espontánea por molécula aún excede a la CARS por molécula en más de dos órdenes de magnitud. Sin embargo, la adición coherente de la señal CARS de las moléculas produce una señal total que es mucho más alta que la Raman.
La sensibilidad en muchos experimentos CARS no está limitada por la detección de fotones CARS, sino más bien por la distinción entre la parte resonante y no resonante de la señal CARS.
La espectroscopia coherente Stokes Raman (CSRS, que se pronuncia como "tijeras") es una forma de espectroscopia que se utiliza principalmente en química, física y campos relacionados. Está estrechamente relacionada con la espectroscopia Raman y los procesos láser . Es muy similar a la espectroscopia Raman, pero implica un proceso láser que mejora drásticamente la señal.
Es muy similar al CARS más común excepto que utiliza un haz de estimulación de frecuencia anti-Stokes y se observa un haz de frecuencia de Stokes (lo opuesto a CARS). [2] Esto es desventajoso porque los procesos anti-Stokes deben comenzar en un estado excitado menos poblado.
CARS se utiliza para la microscopía selectiva de especies y el diagnóstico de combustión. La primera explota la selectividad de la espectroscopia vibracional. Más recientemente, la microscopía CARS se ha utilizado como método para la obtención de imágenes no invasivas de lípidos en muestras biológicas, tanto in vivo como in vitro . Además, RP-CARS , una implementación particular de la microscopía de espectroscopia Raman anti-Stokes coherente, se utiliza para estudiar la mielina y las mielopatías . En 2020, Scully y su equipo utilizaron técnicas espectroscópicas adaptativas de femtosegundos a través de CARS para identificar partículas virales individuales . [5]
La espectroscopia CARS se puede utilizar para mediciones de temperatura, ya que la señal CARS depende de la temperatura. La intensidad de la señal varía (de manera no lineal) con la diferencia entre la población de estados fundamentales y la población de estados vibracionalmente excitados. Dado que la población de estados sigue la distribución de Boltzmann dependiente de la temperatura , la señal CARS también tiene una dependencia intrínseca de la temperatura. Esta dependencia de la temperatura hace que CARS sea una técnica popular para monitorear la temperatura de gases y llamas calientes.
Se están desarrollando detectores de bombas en las carreteras basados en CARS . [6] [7]
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