Thiết kế hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực cấu hình kích thích chữ v

MỞ ĐẦU Hiện phần lớn hiểu biết cấu trúc phân tử dựa phép đo phổ học cách quan sát phổ phát xạ hấp thụ chúng Dựa vào số liệu phổ quan sát (bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ) ta biết thông tin cấu trúc hay nói cách khác trạng thái lượng tử phân tử (trạng thái điện tử, trạng thái dao động, trạng thái quay) tham gia vào dịch chuyển phổ Hiểu biết tập hợp trạng thái cho phép ta tiên đoán tính chất vật lí hóa học phân tử tính chất môi trường tạo nên từ phân tử Đồng thời, biết cấu trúc ta tiên đoán trình động học phân tử điều kiện môi trường khác (điều kiện kích thích, môi trường bao quanh) Nghiên cứu cấu trúc phân tử đóng vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực Vật lí, Hóa học, Sinh học Bên cạnh đó, phân tử có đặc trưng riêng cấu trúc phổ chúng nên lợi dụng tính chất vào nghiên cứu môi trường (dò tìm có mặt phân tử môi trường), hóa học phân tích (dò tìm nhóm chức) v.v Nghiên cứu cấu trúc phân tử thường gặp nhiều khó khăn tính phức tạp tương tác điện tử với hạt nhân nguyên tử Trên phương diện lí thuyết, toán hệ nhiều hạt giải phương pháp gần Rất nhiều phương pháp tính toán (các phương pháp ab initio, phương pháp bán thực nghiệm) đề xuất để nghiên cứu cấu trúc tính chất hệ phân tử Việc thiết lập mô hình tính toán thường phải xuất phát từ hệ phân tử đơn giản (các phân tử hai nguyên tử) sau mở rộng cho hệ phức tạp Vì thế, phân tử hai nguyên tử đối tượng quan trọng cho việc thiết lập kiểm chứng mô hình tính toán lí thuyết cấu trúc phân tử Theo logic xem phân tử kim loại kiềm đối tượng thuận tiện tiếp sau phân tử H cấu trúc điện tử đơn giản chúng (chỉ có hai điện tử hóa trị chuyển động xung quanh lớp điện tử lấp đầy) Trên phương diện thực nghiệm phân tử kim loại kiềm thu hút nhiều quan tâm nhà phổ học không cấu trúc đơn giản mà phổ điện tử nằm miền UV – VIS Điều cho phép sử dụng kĩ thuật phổ laser có độ phân giải cao để nghiên cứu Đặc biệt, đời kĩ thuật làm lạnh nguyên tử phân tử kim loại kiềm thời gian gần mở nhiều hướng nghiên cứu có triển vọng ứng dụng Nghiên cấu trúc phân tử thực nghiệm thường thực thông qua phép đo phổ Tuy nhiên việc phân giải cấu trúc phổ chúng thường gặp khó khăn mức lượng dao động quay xếp gần nên với bước sóng kích thích nguồn sáng (thậm chí với nguồn có độ đơn sắc cao laser) nhiều dịch chuyển phổ bị kích thích đồng thời Để khắc phục khó khăn này, nhóm nghiên cứu Schawlow Standford đề xuất kĩ thuật đánh dấu phân cực [5] dựa kích thích cộng hưởng kép hai chùm tia laser (được gọi chùm dò chùm bơm) Kĩ thuật sau phát triển nhóm nghiên cứu Jastrzebski Warsaw để loại bỏ tín hiệu nhiễu trình tán xạ ánh sáng huỳnh quang lò nung tạo mẫu gây [8] Bằng cách lựa chọn tối ưu bước sóng laser dò cho kĩ thuật phổ đánh dấu phân cực lượng đáng kể dịch chuyển phổ không cần thiết loại bỏ mặt phận ghi nhận phổ, nghĩa việc phân tích phổ thực dễ dàng Ở Việt Nam, việc ứng dụng kĩ thuật phổ laser vào nghiên cứu cấu trúc tính chất phân tử tiến hành số trung tâm viện nghiên cứu trường đại học Đặc biệt, lần hệ thống thiết bị thí nghiệm đại Quang học - Quang phổ đầu tư Đại học Vinh Đây hội thuận lợi cho việc triển khai nghiên cứu lĩnh vực Vì vậy, lựa chọn “Thiết kế hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực cấu hình kích thích chữ V” làm đề tài luận văn nghiên cứu Mục đích luận văn việc tìm hiểu sở nguyên lí kĩ thuật phổ đánh dấu phân cực luận văn đề xuất thiết kế hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực cho phân tử kim loại kiềm sở thiết bị có Đại học Vinh Luận văn trình bày bao gồm phần mở đầu, phần nội dung phần kết luận chung Phần nội dung gồm có ba chương: - Chương 1: Chúng trình bày tổng quan sở kĩ thuật phổ phi tuyến: Tìm hiểu bơm quang học (tương tác trường laser lên phân tử), nguyên lí kĩ thuật phổ phân cực cộng hưởng kép quang học - Chương 2: Chúng tìm hiểu kĩ thuật phổ laser đánh dấu phân cực: Đưa nguyên lí kĩ thuật phổ đánh dấu phân cực, thiết lập công thức tính cường độ tỉ đối tín hiệu phân cực tín hiệu để từ tính toán cụ thể tỉ lệ vẽ đường minh hoạ tín hiệu phân cực thu cấu hình kích thích chữ V - Chương 3: Trên sở thiết bị thí nghiệm đầu tư phòng thí nghiệm Quang học – Quang phổ trường Đại học Vinh, thiết kế hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực cho phân tử kim loại kiềm Chương SƠ LƯỢC VỀ CÁC KỸ THUẬT PHỔ PHI TUYẾN 1.1 Bơm quang học Bơm quang học kích thích quang học làm thay đổi mật độ cư trú mức lượng nguyên tử phân tử Khi sử dụng laser làm nguồn bơm, cường độ laser lớn nên có thay đổi lớn mật độ cư trú ∆N i = N i − N i trạng thái i từ giá trị ban đầu Ni0 (ở trạng thái cân nhiệt) đến giá trị không cân Ni Sự thay đổi ∆Ni mật độ cư trú dò chùm laser khác chùm dò điều hưởng kích thích dịch chuyển có mức mức bơm quang học Ảnh hưởng bơm quang học vào hệ phân tử phụ thuộc vào đặc trưng laser bơm, cường độ, độ rộng dải phổ, phân cực độ rộng vạch phổ xác suất dịch chuyển hấp thụ Nếu độ rộng dải phổ ∆ωL laser bơm lớn độ rộng vạch phổ ∆ω dịch chuyển phân tử tất phân tử mức hấp thụ i bơm Trong trường hợp mà độ mở rộng Doppler vượt trội, có nghĩa phân tử nằm vùng vận tốc toàn phần bơm đồng thời lên mức cao k Nếu độ rộng dải laser nhỏ so với độ mở rộng không đồng dịch chuyển nguyên tử rr với tần số hấp thụ thoả mãn ω − ω0 = kν = ω L bơm, ω tần số hấp thụ, ω0 tần số trung tâm ωL tần số laser Một vài phương diện khác bơm quang học liên quan đến số kĩ thuật phổ dựa vào bơm quang học Đầu tiên liên quan đến tăng hay giảm mật độ cư trú mức chọn Từ cường độ laser đủ lớn dịch chuyển phân tử đạt bão hoà Nghĩa thay đổi cực đại ∆N = N is − N i mật độ cư trú đạt được, ∆N âm mức thấp dương mức cao dịch chuyển Trong trường hợp dịch chuyển phân tử, mà có phần nhỏ phân tử kích thích trở trạng thái ban đầu i phát huỳnh quang, mức hoàn toàn rỗng không Vì dịch chuyển huỳnh quang tuân theo quy tắc lọc lựa, thường dịch chuyển mức chọn m trình phát huỳnh quang nhờ laser bơm lên mức Mặc dù cường độ bơm yếu mật độ cư trú mức m đạt giá trị lớn Với nguồn bơm laser đạt mật độ cư trú lớn, so sánh với trạng thái hấp thụ Điều mở vài tiềm cho kĩ thuật thí nghiệm mới: * Các mức phân tử kích thích lọc lựa phát phổ huỳnh quang đơn giản nhiều so với phát xạ phóng điện chất khí, số mức đạt mật độ cư trú Phổ huỳnh quang cảm ứng laser cho phép xác định số phân tử tất mức trạng thái thấp * Mật độ cư trú trạng thái đủ lớn cho phép đo phổ hấp thụ dịch chuyển từ trạng thái lên mức cao Vì tất dịch chuyển hấp thụ mức chọn nên phổ hấp thụ đơn giản nhiều so với phóng điện chất khí Sự lọc lựa bơm quang học phụ thuộc vào độ rộng dải laser vào đường mật độ phổ hấp thụ Nếu vài vạch phổ hấp thụ chồng lên vùng độ rộng Doppler với đường cong phổ laser lớn dịch chuyển bơm đồng thời, nghĩa mật độ cư trú mức lớn mức (hình 1.1) Cư ờn g độ las er k1 Độ rộng phổ laser đa mode đường cong Doppler phân tử hấp thụ 1,5 GHz Hệ số hấ p th ụ k2 mode laser i2 i1 Tần số ν Hình 1.1 Sự chồng lên vài vạch hấp thụ mở rộng Doppler với đường cong vạch phổ laser dẫn đến bơm quang học đồng thời mức Trong trường hợp phổ hấp thụ dày đặc bơm quang học với laser có độ rộng nhỏ Các chùm phân tử lạnh sử dụng để đạt lọc lựa mong muốn mật độ cư trú mức cao Nếu chùm laser đơn mode có tần số ω phát theo hướng trục z qua buồng hấp thụ, có phân tử có vận tốc nhóm khoảng vz = (ω - ω0 ±γ)/k hấp thụ photon laser hω dịch chuyển i → k với Ek − Ei = hω Như vậy, có phân tử có vận tốc nhóm khoảng kích thích Điều có nghĩa hấp thụ laser dò có dải hẹp điều hưởng phân tử kích thích để tạo tín hiệu cộng hưởng kép Doppler - tự Một khía cạnh quan trọng bơm quang học, với laser phân cực lọc lựa mật độ cư trú làm trống rỗng mật độ cư trú mức suy biến M J , M mức có mômen góc J Các mức khác hình chiếu M h J lên trục lượng tử hoá Các nguyên tử phân tử với mật độ cư trú không đồng N(J,M) mức định hướng mômen góc J ưu tiên phân bố đặc biệt, điều kiện cân nhiệt J định hướng theo tất hướng với xác suất nhau, tức phân bố ưu tiên đẳng hướng Việc chọn phân cực thích hợp laser bơm đạt cân mật độ cư trú bên cặp mức ±M với giá trị M Trong đó, mức với M khác có mật độ cư trú khác Đây gọi định hướng song song Chú ý rằng, định hướng định hướng song song tạo hai trạng thái dịch chuyển bơm chọn lọc mật độ cư trú M trạng thái thấp chọn lọc mật độ cư trú làm nghèo tương ứng với M (hình 1.2) J ‘= M ‘= -1 σ+ J “= M “=-2 σ+ -1 +1 -1 σ+ +1 -2 +2 σ- σ- -1 +1 σ- +1 +2 (b) (a) Hình 1.2 Sự tích lũy (làm nghèo) mức trạng thái (trạng thái dưới) bơm quang học J”= lên J’=1 Hình (a) ứng với phân cực tròn phải, hình (b) ứng với phân cực tròn trái Đối với việc nghiên cứu định lượng bơm quang học, khảo sát trình bơm làm dịch chuyển mức J1M → J M Khi trường tất mức (2J+1) M bị suy biến mật độ cư trú chúng trạng thái cân nhiệt laser bơm +J N (J ) N ( J ) = N 0(J , M ) N (J , M ) = với ∑ 2J + M =− J (1.1) Sự giảm N1 ( J , M ) bơm quang học P12 = P ( J1M → J M ) mô tả phương trình tốc độ: d N1 ( J1 , M ) = ∑ P12 ( N − N1 ) + ∑ ( Rk N k − R1k N1 ) dt M k (1.2) Kể có bơm quang học (bao gồm phát xạ hấp thụ) tất trình tích thoát mà làm bù vào mức từ mức khác k làm nghèo mức Xác suất bơm quang học là: ur ur P12 µ J1M D.E J M 2 (1.3) Từ (1.3) ta thấy xác suất bơm quang học tỉ lệ với bình phương phần tử ur ur ma trận dịch chuyển phụ thuộc vào tích vô hướng D.E phần tử ur ur mômen lưỡng cực dịch chuyển D vào véc tơ điện trường E , tức phụ thuộc vào phân cực chùm laser bơm Các phân tử định hướng với ur mômen lưỡng cực song song với véc tơ E có xác suất bơm quang học cao Khi cường độ laser đủ cao hiệu mật độ cư trú giảm tới giá trị bão hoà là: ∆N ∆N = 1+ S S (1.4) Trong đó, S thông số bão hòa S= B12 ρν B12 Iν = * R* RC (1.5) Công thức (1.5) cho biết tỉ số xác suất dịch chuyển cảm ứng B12ρ với xác suất tích thoát trung bình R* Từ xác suất dịch chuyển cho biết thông số bão hoà S có giá trị cực đại ur ur phân tử mà D P E , mật độ cư trú N giảm cường độ laser ur ur ur ur tăng phân tử mà D PE phân tử mà D ⊥ E Điều có nghĩa mức độ định hướng giảm bão hoà tăng (hình 1.3) Hình 1.3 (a) Sự giảm sút định hướng phân tử với việc tăng cường độ bơm từ bão hoà trạng thái thấp cao hơn; (b) Sơ đồ theo dõi truyền qua phân cực P0 huỳnh quang cảm ứng laser (c) Tốc độ bơm P ( N − N1 ) = σ 12 N ph ( N − N1 ) (1.6) Tốc độ bơm tỉ lệ với tiết diện hấp thụ σ12 tốc độ dòng photon Nph [số photon/cm2.s] Tiết diện hấp thụ viết tích hai hệ số σ ( J1M , J M ) = σ J J C ( J1M , J M ) (1.7) Tiết diện σ J J không phụ thuộc vào định hướng phân tử tích xác suất dịch chuyển điện tử với hệ số Franck-Condon với hệ số HönlLondon Hệ số thứ hai gọi hệ số Clebsch-Gordan C ( J1M , J M ) phụ thuộc vào số lượng tử quay vào định hướng phân tử hai mức dịch chuyển bơm Trong trường hợp phân tử định hướng bị hạn chế phần quay Mức độ định hướng đạt cực đại phụ thuộc vào định hướng véc tơ lưỡng cực dịch chuyển với ưu tiên theo trục quay phân tử khác dịch chuyển P, Q, R Đối với phân tử định hướng đạt cực đại nhỏ nguyên tử 1.2 Kĩ thuật phổ phân cực Trong phổ bão hoà ghi lại giảm hệ số hấp thụ chùm dò tạo sóng bơm có tính lọc lựa bị thiếu mức hấp thụ, tín hiệu phổ phân cực trở nên chủ yếu từ thay đổi trạng thái phân cực chùm laser dò cảm ứng chùm laser bơm phân cực Vì trình bơm quang học mà sóng bơm gây thay đổi chiết suất n hệ số hấp thụ α Nguyên lí kỹ thuật phổ phân cực hiểu đơn giản hình 1.4 Hình 1.4 Phổ phân cực (a) sơ đồ mức cho dịch chuyển P từ J"=2→ J'=1; (b) Sơ đồ cài đặt thí nghiệm; (c) Sóng dò phân cực thẳng chồng chất hai thành phần σ+ σ - Tín hiệu từ laser đơn sắc điều hưởng tách thành chùm dò yếu có cường độ I1 chùm bơm mạnh có cường độ I2 Chùm dò truyền qua kính phân cực thẳng P1, qua buồng mẫu phân tử đến kính phân cực thẳng thứ hai P2 đặt ngược với P1 Khi laser bơm mẫu 10 Sơ đồ thí nghiệm PLS bố trí sau: Các chùm laser bơm laser dò điều chỉnh đồng thời truyền qua lò nung tạo mẫu cho miền xen phủ hai chùm lò tạo mẫu lớn Trước sau lò có hai kính phân cực Glan-Thomson (P1, P2) đặt đường truyền chùm dò Các kính phân cực đặt giá quay, cho phép tinh chỉnh góc quay chúng xung quanh chùm tia laser dò Để đo bước sóng chùm dò, tách chùm sử dụng để tách lượng nhỏ chùm dò dẫn tới máy đo bước sóng loại Wavemaster (hình 3.2) Để thay đổi trạng thái phân cực (tròn hay thẳng) chùm bơm λ/4 (loại fresnel rhomb) sử dụng thêm vào đường truyền chùm bơm Hình 3.2 Máy đo bước sóng Wavemaster hãng Coherent Tín hiệu PLS sau kính phân cực P2 thu ống nhân quang điện Tuy nhiên, để hạn chế nhiễu (do phát huỳnh quang từ lò tạo mẫu ánh sáng tán xạ) trước ống nhân quang điện đặt máy đơn sắc thành phần bước sóng chùm dò truyền qua Tín hiệu phổ phân cực từ ống nhân quang điện chuyển đến tích hợp boxcar (Bxc.3) để đồng hóa với tín hiệu khác trước lưu trữ vào máy tính Để định cỡ phổ phân cực sử dụng đèn hollow cathode giao thoa kế Trong trình scan bước sóng, phần nhỏ chùm bơm tách 33 dẫn tới giao thoa kế Fabry-Perot đèn hollow cathode Các vân giao thoa thu photodiode chuyển vào boxcar (Bxc.1) vạch phổ optogalvanic thu lại boxcar khác (Bxc.2) Chi tiết quy trình định cỡ phổ trình bày mục 3.5 Cần nhấn mạnh rằng, tất tín hiệu từ ống nhân quang điện, đèn Hollow cathode giao thoa kế đồng hóa boxcar trước đưa vào máy tính Cả boxcar kết nối với máy tính thông qua giao diện máy tính computer interface (hình 3.3) Từ máy tính, chương trình điều khiển viết điều khiển trình scan bước sóng laser điều khiển thời gian đóngmở cổng boxcar Các tín hiệu từ ống nhân quang điện, từ đèn Hollow cathode, giao thoa kế Fabry-Perot đồng hóa qua ba tích phân boxcar loại SR 250 hãng Standford Rerearch Systems (hình 3.3) Hình 3.3 Các boxcar (model RS 245) giao diện máy tính (model RS 250) hãng Standford Research System 3.2 Các nguồn laser 3.2.1 Laser bơm 34 Laser bơm (hình 3.4) laser màu phát xung, model Narrowscan hãng Radiant (Đức) Laser hoạt động theo chế độ dao động - khuếch đại (Ossilator-Amplifier) Sự lọc lựa bước sóng thực dao động nhờ hệ thống cách tử kết hợp với gương quay điều khiển mô tơ điện Hệ cung cấp chùm laser xung có lượng cỡ 30 mJ Thông số kĩ thuật laser trình bày chi tiết phụ lục Hình 3.4 Laser màu Narrowscan hãng Randiant sử dụng tạo chùm bơm hệ thống PLS Nguồn laser điều hưởng miền 380 -780 nên sử dụng để tạo chùm bơm kỹ thuật PLS cho tất phân tử kim loại kiềm 3.2.2 Laser dò 35 Laser dò (hình 3.5) sử dụng cho hệ PLS laser màu mini, model DL Compact A hãng ESTLA Đó hệ laser có buồng phát dao động laser (cấu hình Littrow) buồng khuếch đại Hệ laser với laser Narrowscan kích thích đồng thời laser rắn phát xung trình bày mục 3.2.3 Laser dò có độ rộng phổ cỡ 0.2 cm -1, độ rộng xung 45ns, độ lặp xung 10 Hz lượng xung tối đa cỡ vài mJ Hình 3.5 Laser dò laser màu DL compact A hãng ESTLA Laser có miền điều hưởng cỡ 400 - 750 nm nên sử dụng làm nguồn dò cho tất phân tử kim loại kiềm kích thích theo dải 11Σ → 21Σ, 11Σ → 11Π 11Σ → 31Σ Trong bảng đây, tính bước sóng tối ưu cho laser dò ứng với trường hợp phân tử NaLi Để tính toán điều này, sử dụng số phân tử trạng thái 11Σ trạng thái kích thích 21Σ từ công trình [1] [2] Chi tiết dịch chuyển dò trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Các vạch laser dò cho phân tử NaLi 36 Vạch laser dò Dịch chuyển dò (ν’, J’) ← (ν”, J”) 15293,3 cm-1 21Σ+(8,20) ← 11Σ+(1,21) 15413,0 cm-1 21Σ+(9,28) ← 11Σ+(0,29) 15440,2 cm-1 21Σ+(9,24) ← 11Σ+(1,25) 21Σ+(9,20) ← 11Σ+(1,21) 15463,8 cm-1 21Σ+(11,55) ← 11Σ+(1,56) 21Σ+(9,16) ← 11Σ+(1,17) 15484,2 cm-1 21Σ+(8,29) ← 11Σ+(0,30) 21Σ+(10,39) ← 11Σ+(1,40) 15486 cm-1 21Σ+(9,22) ← 11Σ+(1,21) 15493,5 cm 21Σ+(8,24) ← 11Σ+(0,25) -1 21Σ+(9,11) ← 11Σ+(1,10) 21Σ+(8,20) ← 11Σ+(0,21) 15544,8 cm-1 21Σ+(8,17) ← 11Σ+(0,18) 15560,6 cm-1 21Σ+(9,44) ← 11Σ+(0,45) 21Σ+(9,16) ← 11Σ+(0,17) 15565,4 cm-1 Chú y: Nhìn vào bảng ta thấy có trường hợp có nhiều mức bị đánh dấu laser dò có độ rộng phổ cỡ 0.2 cm -1 nên kích thích đồng thời số mức dịch chuyển dò 3.2.3 Laser kích thích cho laser màu Nguồn kích thích cho hai laser màu (laser bơm laser dò) hệ thống PLS laser rắn Nd: YAG model NL303 HT hãng EKSPLA 37 (hình 3.6) sử dụng chế độ nhân tần bậc hai (tương ứng với bước sóng 532 nm) nhân tần bậc ba (tương ứng với bước sóng 355 nm) Hình 3.6 Laser rắn NL 303HT hãng EKSPLA sử dụng nguồn kích cho laser màu kỹ thuật PLS Hệ thống cung cấp chùm laser có độ lặp 10 Hz, độ rộng xung ns lượng xung cỡ 350 mJ (ứng với bước sóng 532nm) 3.3 Đầu thu Trong sơ đồ thiết kế hệ PLS, đầu thu tín hiệu dùng hai loại Thứ ống nhân quang điện để thu khuếch đại tín hiệu phổ phân cực Loại thứ hai photodiode thu tín hiệu giao thoa kế Fabry-Perot 3.3.1 Ống nhân quang điện Để thu khuếch đại tín hiệu phân cực sau qua kính phân cực P2 dùng ống nhân quang điện model R2066 hãng Hamamatsu (Nhật) (hình 3.7) 38 Hình 3.7 Ống nhân quang điện R2066 hãng Hamamatsu sử dụng để thu tín hiệu phân cực chùm dò sau qua kính phân cực P Ống nhân quang điện có đường kính 38mm, dài 11,6cm, với miền đáp ứng phổ 300 - 900nm, sử dụng 10 diode với độ khuếch đại 2,5.10 Ống hoạt động nhiệt độ cho phép từ -300C đến 500C thời gian dịch chuyển điện tử nhỏ 40ns Ống hoạt động hiệu điện 1700V nhờ nguồn điện chiều model PS 310 hãng Stanford Research Systems (hình 3.8) Hình 3.8 Nguồn điện chiều PS 310 hãng Stanford Research Systems 3.3.2 Photodiode Để thu vân giao thoa tạo giao thoa kế Fabry-Perot dùng photodiode model FDS010 hãng Thorlabs (Mỹ) (hình 3.9) 39 Hình 3.9 Photodiode FDS010 hãng Thorlabs Photodiode có miền đáp ứng phổ 200-1100nm, độ nhạy cực đại 720nm, điện áp ngược nhỏ 12 VDC Để cho photodiode hoạt động bình thường đòi hỏi nhiệt độ phải từ -40 0C đến 800C công suất laser chiếu vào phải ngưỡng phá huỷ 100mW/cm2 3.4 Các linh kiện quang học 3.4.1 Kính phân cực Trước sau lò nung, trục quang học chùm dò đặt hai kính phân cực chéo P1 P2 model GTH 10M hãng Thorlabs (Thụy Điển) (hình 3.10) Hình 3.10 Kính phân cực GTH 10M hãng Thorlabs Hai kính phân cực thuộc loại Glan-Thompson có chất liệu lớp phủ MgF2, có tỉ số tắt 1:100000 có độ 10x10mm Nó hoạt động miền bước sóng 350nm – 2,3µm với ngưỡng phá huỷ 200W/cm2 40 Để tinh chỉnh trục quang học kính phân cực cần đặt kính phân cực giá điều khiển (hình 3.10) Hình 3.10 Giá quay PR1 hãng Thorlabs Các giá quay có khe đặt buồng chứa kính phân cực với đường kính 25,4mm Nó có phận tinh chỉnh góc quay buồng chứa kính phân cực viớ độ xác góc điều chỉnh 10 3.3.2 Bản phần tư bước sóng Hình 3.11 Bản λ/4 (Fresnel Rhomb) FR600 QM hãng Thorlabs Để thay đổi tính phân cực (tròn hay thẳng) chùm bơm dùng λ/4 model FR600 QM hãng Thorlabs (Thụy Điển) (hình 3.11) Bản λ/4 loại Fresnel Rhomb làm chất liệu BK7 đặt buồng chứa hình trụ tròn có đường kính 25,4mm Nó hoạt động miền bước sóng 400-1550nm với ngưỡng phá huỷ 2W/cm 3.5 Định cỡ phổ 41 Vì trình scan bước sóng chùm bơm bước sóng xác laser ta biết được, nghĩa chưa biết bước sóng phổ phân cực Để khắc phục điều ta phải xây dựng hệ thống định cở phổ Hệ thống sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot đèn Hollows cathode Ar (như giải thích mục 3.1) Hình 3.12 Minh họa cho tín hiệu thu từ hệ PLS theo sơ đồ hình 3.1 Các vạch phổ optogalvanic (đã biết từ [4]) vân giao thoa giao thoa kế sử dụng để xác định bước sóng tuyệt đối phổ PLS Cơ sở vấn đề sau: trình đo, máy tính ghi nhận đồng thời tín hiệu từ đèn Holow cathode, giao thoa kế Fabry-Perot ống nhân quang điện (thông qua boxcar nói 3.1) Các số liệu ghi lại theo “bước” mô tơ điện điều khiển bước sóng laser Do đó, ta có ba file số liệu chứa tín hiệu từ đèn catot fHC(step), vân giao thoa fFP(step) tín hiệu phân cực fMOL(step), step = 1, 2, 3…N Cần ý khoảng cách FSR (FSR-free spectral range) vân giao thoa kế 42 không đổi trình scan bước sóng, vạch optogalvanic biết (vạch chuẩn) [4] nên ta đối chiếu vạch với vân giao thoa kế để tính FSR từ đơn vị “step” mô tơ điều khiển sang số sóng (cm-1) tương ứng Khi đó, đối chiếu FSR (vừa tính theo cm -1) với phổ PLS phân tử ta xác định bước sóng (tần số) tuyệt đối phân tử theo công thức (hình 3.12): ωnFP [cm −1 ] = ω1FP [cm −1 ] + FSR.n (3.5)  ω JHC [ step] − ωnFP [ step ]  ω [cm ] = ω [cm ] + FSR  n + FP ÷ ωn+1[ step ] − ωnFP [ step]   (3.6) HC j ω MOL i −1 FP −1 ωiMOL [ step] − ωnFP [ step] [cm ] = ω [cm ] + FSR FP , ωn+1[ step] − ωnFP [ step] −1 FP n −1 (3.7) FP FP ωn [ step ] ωn+1 [ step ] vị trí vân giao thoa thứ n n+1 nằm hai phía điểm cần tính ωi MOL [ step] Hình 3.12 Minh họa cho tính toán bước sóng công thức (3.6) 43 Giải hệ phượng trình tuyến tính (3.5)-(3.6) ta tính FSR and ω1FP [cm −1 ] Từ đó, ta tính số sóng phổ PLS theo công thức (3.7) Ta tóm tắt quy trình định cỡ phổ sau: FP • Xác định vị trí vân giao thoa ωn [ step ] hàm bước laser bơm FP −1 • Nghiệm công thức (3.6) để xác định FSR ω1 [cm ] • Định cỡ vạch phổ phân tử theo phương trình (3.7) 44 KẾT LUẬN Với mục đích tìm hiểu nghiên cứu cấu trúc phổ phân tử phương pháp kĩ thuật phổ đánh dấu phân cực, luận văn thực số vấn đề sau: • Đã trình bày sở kĩ thuật phổ phi tuyến: tìm hiểu bơm quang học, kĩ thuật phổ phân cực kĩ thuật phổ cộng hưởng kép quang học • Đã trình bày nguyên lí phổ đánh dấu phân cực cấu hình kích thích chữ V Từ đó, thiết lập biểu thức tính cường độ tỉ đối cường độ tín hiệu phân cực cường độ • Với thiết bị có phòng thí nghiệm Quang học - Quang phổ Đại học Vinh thiết kế sơ đồ lắp đặt hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực theo cấu hình kích thích chữ V Những kết tìm hiểu nghiên cứu luận văn tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn sinh viên học viên cao học nghiên cứu kĩ thuật phổ đồng thời làm sở cho việc lắp đặt hệ thống thí nghiệm Đại học Vinh 45 PHỤ LỤC Thông số kĩ thuật của laser màu Narrowscan + Nguồn bơm: - bước sóng 355nm / 532nm, 10Hz từ laser Nd:YAG (model NL 303 HT hãng EKSPLA) - Năng lượng bơm: 20 mJ 1000 mJ + Buồng cộng hưởng: sử dụng cách tử 2400 l/mm gương phản xạ + Độ rộng vạch phổ: < 0.06cm-1 580 nm + Hệ trang bị hai cuvet để làm nhiệm vụ tạo dao động khuếch đại ánh sáng laser + Miền điều hưởng bước sóng: 380-740nm + Hiệu suất: 28% chất màu Rhodamine 6G bơm 532 nm + Thời khoảng xung: - 8ns + Độ phân kỳ: 0.5mrad + Đường kính chùm tia: 3-6 mm + Độ ổn định hướng chùm tia: ± 50 μrad + Điện áp: pha, 220 V/ 3A / 50 Hz + Độ phân cực: > 98% + Độ ổn định bước sóng: < 0.001 nm /0C Hệ thống chứa luân chuyển chất màu (dye circulator system) Gồm luân chuyển chất màu, model: RD250FC20 RD1000FC40 hãng Radiant Trong hai cung cấp chất màu cho cuvet buồng cộng hưởng lại cung cấp chất màu cho cuvet khuếch đại laser 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.E Fellows: The NaLi 11Σ +(X) electronic ground-state dissociation limit, J Chem Phys., 94 (1991) 5855-5864 [2] C.E Fellows: The NaLi A(2) Σ + electronic state: first high-resolution spectroscopic study, J Mol Spectrosc, 136 (1989) 369-379 2007 [3] R Ferber, W Jastrzębski, and P Kowalczyk: Line Intensities in V-type Polarization Labelling Spectroscopy of Diatomic molecules, J Quant Spectros Radiat Transfer, 58 (1997) 53-60 [4] R Strianov and G A Odincova: Tablicy Spektralnych Linii Atomov i Ionov (Energoizdat, Moscow 1982) [5] R Teets, R Feinberg, T W Hansch, and A L Schawlow: Simplification of spectra by Polarization Labelling, Phys Rev Lett., 37 (1976) 683 [6] W Demtröder: Molecular physics, Wiley VCH, 2003 [7] W Demtröder: Laser spectroscopy, 3rd, Springer, 2003 [8] W Jastrzebski and P Kowalczyk Polarization labelling spectroscopy of 31Πu- X1Σ+g and 31Σ+u - X1Σ+g transitions in K2, Chem Phys Lett., 206 (1993) 69 [9] Đinh Xuân Khoa: Bài giảng Cấu trúc phổ nguyên tử, Trường ĐH Vinh, 2007 47 [...]... thậm chí có ∆α rất nhỏ v n có thể thu được trong máy thu V độ nhạy của quang phổ phân cực là lớn hơn 2÷3 lần so v i phổ bão hòa 22 2.3 Các sơ đồ kích thích Có năm loại sơ đồ kích thích có thể đóng góp v o tín hiệu phổ phân cực được minh họa trong hình 2.5 đến hình 2.9 Hình 2.5 (loại 1) Cấu hình kích thích chữ V Trong hình 2.5, là cấu hình kích thích chữ V, dịch chuyển của chùm bơm v chùm dò cùng mức... v v i các phân cực khác nhau của chùm bơm 31 Chương 3 THIẾT KẾ HỆ PHỔ LASER ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 3.1 Thiết kế thí nghiệm Hiện nay, phòng thí nghiệm quang học-quang phổ của đại học Vinh đã được trang bị các thiết bị nghiên cứu hiện đại v lĩnh v c quang phổ học laser Trên cơ sở các thiết bị hiện có, chúng tôi thiết kế một hệ thống đo phổ của các phân tử kim loại kiềm bằng kĩ thuật phổ laser đánh dấu phân. .. Bơm phân cực thẳng Hình 2.11c Bơm 1Σ ← 1Σ, dò 1Π ← 1Σ Bơm phân cực tròn 3/20 Dò Q Bơm phân cực thẳng Hình 2.11d Bơm 1Σ ← 1Σ, dò 1Π ← 1Σ 3/32 Bơm phân cực tròn Dò P,R 3/40 3/160 Bơm phân cực thẳng Hình 2.11e Bơm 1Π ← 1Σ, dò 1Π ← 1Σ Bơm phân cực tròn Dò Q 3/10 3/40 Bơm phân cực thẳng Hình 2.11f Bơm 1Π ← 1Σ, dò 1Π ← 1Σ Hình 2.11a-f Cường độ tỉ đối của tín hiệu PLS v i cấu hính kích thích chữ V đối v i... ứng (hình 1.6) 13 Hình 1.6 So sánh giữa OODR cấu hình chữ V và LIF V i kĩ thuật LIF thì mức kích thích 2 được chọn lựa là mức cư trú Dẫn đến phổ huỳnh quang phù hợp v i tất cả các dịch chuyển quang học được phép v các mức dưới m Phân tích phổ LIF mang lại các thông tin chính v trạng thái cao 14 Chương 2 KỸ THUẬT PHỔ LASER ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 2.1 Nguyên lí cơ bản Phương pháp phổ đánh dấu phân cực PLS... trái v phân cực thẳng 16 Kết quả là mẫu phân tử trở thành bất đẳng hướng cho chùm dò V v y, khi chùm dò kích thích quá trình dịch chuyển v cùng mức dưới hoặc mức trên v i sự dịch chuyển của chùm bơm thì sự phân cực của chùm dò bị thay đổi v chùm dò sẽ đi qua kính phân cực P2 v đến được máy thu D Như v y, trong quá trình đánh dấu phân cực, mặc dù bước sóng chùm bơm được quét liên tục qua miền phổ. .. điều hưởng, v v y hình ảnh PLS cho thấy cấu trúc dao động quay của trạng thái điện tử khi dịch chuyển của chùm dò đã kết thúc dò bơm Hình 2.7 ( loại 3) Cấu hình kích thích bậc thang Trong hình 2.7, được gọi là cấu hình kích thích bậc thang, xảy ra khi các phân tử ở mức cao của sự dịch chuyển bởi chùm bơm, đã hấp thụ photon của chùm dò v bị kích thích đến mức cao hơn Hình ảnh PLS thể hiện cấu trúc dao... loại V và loại bậc thang được ưu tiên sử dụng cho trạng thái điện tử kích thích v trạng thái Rydberg 2.4 Cường độ tỉ đối của các v ch phổ Trong các nghiên cứu phổ phân tử, cường độ tuyệt đối của các v ch phổ thường khó xác định Phần lớn người ta sử dụng cường độ độ tỉ đối giữa các v ch phổ được quan sát Mục này dẫn ra các các biểu cho cường độ tỉ đối giữa các v ch phổ trong cấu hình kích thích chữ V. .. dò Sơ đồ sau cùng (hình 1.5c), là sơ đồ OODR cấu hình Λ, biểu diễn một quá trình cộng hưởng Raman kích thích trong đó các phần tử được dịch chuyển kết hợp từ mức 1 đến mức m bởi sự hấp thụ của laser v sự phát xạ kích thích do laser dò Hình 1.5 Các sơ đồ khác nhau cho OODR, (a) OODR cấu hình chữ V; (b) OODR cấu hình bậc thang; (c) OODR cấu hình Λ Phương pháp cộng hưởng kép kiểu chữ V có thể được coi... dò biến thành phân cực elip, còn v i trường hợp lưỡng chiết thì v ctơ phân cực thẳng của chùm dò bị quay một góc nào đó Trong cả hai trường hợp này, thành phần theo phương y của v ctơ phân cực của chùm dò sẽ đi qua được kính phân tích P2 (như trong hình 2.1) v chuyển tới đầu thu 19 V cường độ tín hiệu phổ phân cực S(ω) tỉ lệ v i bình phương biên độ điện trường truyền qua nên ta có thể viết: S (ω )... laser dò được cố định trong khi đó của laser bơm được điều hưởng trên phạm vi quang phổ, phổ phân cực thể hiện cấu trúc dao động quay của trạng thái trên của điện tử, khi dịch chuyển của chùm bơm đã kết thúc Hình 2.6 ( loại 2) Cấu hình kích thích Λ Trong hình 2.6, được gọi là cấu hình kích thích Λ, dịch chuyển của chùm bơm v chùm dò cùng chung mức trên của mức dao động quay Chùm bơm làm mức dao động ... thuận lợi cho việc triển khai nghiên cứu lĩnh v c V v y, lựa chọn Thiết kế hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực cấu hình kích thích chữ V làm đề tài luận v n nghiên cứu Mục đích luận v n việc tìm... hiệu phân cực cường độ • V i thiết bị có phòng thí nghiệm Quang học - Quang phổ Đại học Vinh thiết kế sơ đồ lắp đặt hệ thống đo phổ đánh dấu phân cực theo cấu hình kích thích chữ V Những kết tìm... so v i phổ bão hòa 22 2.3 Các sơ đồ kích thích Có năm loại sơ đồ kích thích đóng góp v o tín hiệu phổ phân cực minh họa hình 2.5 đến hình 2.9 Hình 2.5 (loại 1) Cấu hình kích thích chữ V Trong hình