Po co badać linie widmowe?

Badania kształtu atomowych i molekularnych linii widmowych mają kluczowe znaczenie dla wszystkich spektroskopowych metodokreślania składu mieszanin gazów i wykrywania obecności gazu w próbce. Wyniki uzyskane w ramach mojej pracy doktorskiej przyczynią się do rozwoju istniejących baz danych dotyczących linii widmowych (np. HITRAN). Rozwój ten będzie polegał zarówno na uzupełnieniu danych zawartych w istniejących bazach jak i wyznaczeniu znanych już parametrów z większą niż dotychczas precyzją. Znając dokładnie natężenie linii widmowych związanych z emisją bądź absorpcją określonej substancji, można stwierdzić nie tylko obecność substancji w próbce, ale również precyzyjnie określić jej zawartość. Przykładowo znając natężenia linii absorpcyjnych cząsteczki wody, można precyzyjnie określać wilgotność powietrza, co ma kluczowe znaczenie dla wielu procesów technologicznych. Natomiast badania wpływu obecności zaburzaczy na kształt linii widmowych pozwalają ponadto na stwierdzenie, jakie inne gazy i w jakiej koncentracji znajdują się w otoczeniu atomów bądź molekuł badanego gazu. W ten sposób mierząc na przykład kształt linii widmowych tlenu w powietrzu atmosferycznym, przy pomocy nawet stosunkowo mało precyzyjnego spektrometru, i porównując uzyskane wyniki z danymi otrzymanymi w warunkach laboratoryjnych, można monitorować skład atmosfery i określać ilość oraz rodzaj zanieczyszczeń w niej występujących. Przykładowy układ pomiarowy wykorzystywany do monitorowania zanieczyszczeń atmosfery zamontowany jest w Toruniu przy ulicy Żeglarskiej. Prowadzone przeze mnie badania przyczynią się do zwiększenia precyzji i niezawodności tego typu urządzeń.

Prowadzone przeze mnie badania wykonywane są we współpracy z Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) funkcjonującym na terenie naszego województwa. Stanowią również przygotowanie do prac planowanych w ramach działalności powstającego w Toruniu Centrum Optyki Kwantowej oraz tworzącego się Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych, w ramach którego będą pracować między innymi członkowie naszego zespołu badawczego. W ramach prowadzonych badań, zespół w którym pracuję współpracuje z zagranicznymi ośrodkami badawczymi. W chwili obecnej jest to głównie współpraca z National Institute of Standards and Technology (NIST) w USA oraz Institute of Information and Communications Technology (NICT) w Japonii, co przyczynia się do promocji regionu na arenie międzynarodowej.

Ponadto prowadzone przeze mnie badania przyczynią się do podniesienia jakości kształcenia studentów na kierunku fizyka. Studenci ci w ramach pracowni specjalistycznych i prac dyplomowych będą mieli możliwość zetknięcia się z aparaturą, procedurami pomiarowymi i wciąż przez nas rozwijanymi metodami analizy danych pomiarowych, prowadzącymi do uzyskiwania wyników na najwyższym światowym poziomie. Warto zaznaczyć, iż według naszej wiedzy w chwili obecnej spektrometr, który wykorzystuję do prowadzenia badań, jest jedynym układem pomiarowym w Europie umożliwiającym tak precyzyjne badania słabych linii absorpcyjnych. Wiedza którą w naszym laboratorium mogą uzyskać studenci potrzebna jest zarówno przy pracy naukowej, jak i przy wdrażaniu nowych technologii do produkcji oraz kontroli jakości produkcji.

Moja praca doktorska wpłynie na powiększenie stanu naszej wiedzy na temat kształtu linii widmowych, profili wykorzystywanych do ich opisywania oraz rozszerzy istniejące bazy danych dotyczących parametrów kształtów linii. W praktycznych zastosowaniach przełoży się to na rozwój metod identyfikacji substancji i określania ich stężenia, takich jak na przykład LIDAR (metoda wykorzystywana przy monitorowaniu zanieczyszczeń atmosfery). Dane takie wykorzystywane są również przy badaniu atmosfery ziemskiej (np. projekt SCIAMACHY), gdzie szczególnie ważne są informacje dotyczące parametrów słabych linii absorpcyjnych. W dalszej perspektywie badania takie owocują na przykład coraz lepiej sprawdzającymi się prognozami pogody, które jak powszechnie wiadomo mają kluczowe znaczenie chociażby dla lotnictwa czy marynarki. W chwili obecnej konstruuje się już pierwsze przenośne spektrometry typu CRDS, w tym także urządzenia komercyjne, wykazujące się jednak mniejszą precyzją niż układy wykorzystywane w warunkach laboratoryjnych. Wprawdzie moja praca będzie skierowana głównie na zbadanie widma cząsteczkowego tlenu, jednak prace te będą również wiązały się z ciągłym ulepszaniem i modernizowaniem posiadanego przez nas spektrometru oraz z rozwijaniem metod analizy i interpretacji danych uzyskiwanych w eksperymencie, co wpłynie na możliwości rozwoju komercyjnych i przenośnych spektrometrów typu CRDS.