LASER VÀ KĨ THUẬT ĐO QUANG PHỔ

LÊ CÔNG NHÂN Tài liệu tham khảo : VÀ Đại học Sài Gòn Giới thiệu tổng quan Quang phổ ngành khoa học thực nghiệm chuyên nghiên cứu tính chất, tượng vật lí, thành phần hoá học dựa phân tích phổ ánh sáng Về mặt lịch sử, ngôn từ „phổ‟ (spectrum) dùng để kết tách thành phần (các màu) ánh sáng khả kiến phát từ vật nghiên cứu (phổ phát xạ) hấp thụ, tán xạ vật nghiên cứu (phổ hấp thụ, phổ tán xạ) Ngày nay, nguyên lí vận dụng để phát triển kĩ thuật thực nghiệm chuyên dụng cho hầu hết lĩnh vực khoa học có liên quan đến vật lí : vật lí sinh học, hoá học, thiên văn, vật lí nguyên tử, vật lí hạt nhân, vật lí plasma, vật lí chất rắn, học, âm thanh…Các phổ quang học dùng để phân tích không vùng ánh sáng khả kiến mà tất tần số sóng điện từ, từ tần số tia gama tới tần số radio Tùy vào đối tượng mục đích cần nghiên cứu mà ta chọn khoảng bước sóng hay tần số thích hợp: cực tím, khả kiến, hồng ngoại trung bình, THz Cần lưu ý rằng: đề cập tới kĩ thuật phổ, phương tiện nghiên cứu không bị giới hạn việc sử dụng sóng điện từ Thật vậy, việc sử dụng ánh sáng người ta sử dụng âm thanh, chùm hạt… để thực phép đo tương tự Ví dụ phổ âm thanh, phổ khối lượng…Tuy nhiên giới hạn quang phổ phương tiện sử dụng sóng điện từ Ưu điểm kĩ thuật quang phổ thực phép đo ta thu kết nhanh chóng phép đo không làm hỏng mẫu thử, không thay đổi trạng thái hệ cần đo Thậm chí thực phép đo mà ta triển khai phòng thí nghiệm Ví dụ như: xác định nhiệt độ nồng độ thành phần hoá học đuôi tên lửa bay hay Tuỳ theo chất mẫu vật (vô cơ, hữu cơ, sinh học) thể (rắn, lỏng, khí, plasma), vấn đề phân tích định tính, định lượng, ta thu nhận thông tin động lực điện tử (các dịch chuyển điện tử trạng thái, chuyển giao điện tích phân tử…), động lực cấu trúc (vận động bó sóng, phân ly, chuyển biến cấu hình phân tử…) Bên cạnh đó, thông tin môi trường chứa mẫu vật xác định nhờ vào tính chất quang học tuyến tính (năng suất lượng tử, dịch chuyển bước sóng phát xạ, hấp thụ), tính chất bị điều chỉnh tương tác môi trường (pH, nồng độ ion, độ nhớt, khả dẫn nhiệt, nhiệt độ…) Mục đích sách trình bày cách ngắn gọn nội dung quang phổ để bạn đọc nắm bắt kiến thức tổng quan cách nhanh chóng Tác giả tóm tắt cách cô đọng sở lí thuyết giới thiệu bốn phương pháp đo quang phổ: phổ hấp thụ, phổ phát xạ, phổ tán xạ, phổ phân giải theo thời gian Trên sở bốn phép đo này, tác giả giới thiệu tiến kĩ thuật vài ví dụ ứng dụng nghiên cứu khoa học phát triển vòng 20 năm trở lại Bố cục sách chia thành sáu chương Theo sau phần mở đầu, kiến thức ánh sáng cần nắm để vận dụng vào kĩ thuật quang phổ trình bày chương chương hai Nội dung chương ba tập trung vào giới thiệu nguyên lí vận hành laser Chương bốn dành để giới thiệu loại đầu thu cách hạn chế độ ồn nhiễu thực phép đo Ở chương năm, mức lượng phân tử tượng quang lý trình tương tác ánh sáng vật chất trình bày Chương cuối dành để giới thiệu bốn phương pháp đo phổ biến thí nghiệm quang phổ Sau cùng, tác giả mong nhận ý kiến phản hồi từ bạn đọc chân thành cảm ơn bạn đọc dành thời gian cho tài liệu Sài Gòn, ngày tháng năm 2012 Mục lục Mở đầu Chương I NGUỒN SÁNG I.1 Tổng quan ánh sáng I.2 Nguồn sáng tự nhiên nguồn sáng Laser 10 Chương II PHỔ VÀ TRẠNG THÁI PHÂN CỰC 14 II.1 Cách tách màu xác định bước sóng ánh sáng .14 II.2 Kiểm soát tính phân cực, cường độ sáng kính phân cực kính trễ pha 21 Chương III LASER 29 III.1 Lịch sử đời ứng dụng laser 29 III.2 Cấu tạo laser .30 III.3 Số mức lượng cần thiết môi trường hoạt tính 34 III.4 Xếp hạng mức độ nguy hiểm laser 41 Chương IV ĐẦU THU BỨC XẠ .43 IV.1 Đầu thu nhiệt 45 IV.2 Đầu thu photon 45 Chương V CÁC MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ 48 V.1 Liên kết phân tử 48 V.2 Các mức lượng phân tử: Điện tử, Dao động, Quay 50 V.3 Giản đồ Jablonski 51 Chương VI KĨ THUẬT ĐO QUANG PHỔ 54 VI.1 Quang phổ hấp thụ 54 VI.2 Quang phổ phát xạ 57 VI.3 Quang phổ phân giải theo thời gian 62 Phụ lục: Các từ tiếng Anh chuyên ngành quang phổ học .74 Tài liệu tham khảo 78 Mở đầu Tùy vào đối tượng mục đích nghiên cứu mà hệ đo quang phổ xây dựng theo cách khác Về có bốn phương pháp kĩ thuật: quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ, quang phổ tán xạ quang phổ phân giải theo thời gian Trong đấy, ba phương pháp đầu cho phép xác định: phổ ánh sáng truyền qua (sau bị hấp thụ phần mẫu vật), phổ ánh sáng huỳnh quang (ánh sáng phát từ mẫu vật bị kích thích) phổ ánh sáng sau bị tán xạ lên mẫu vật Nếu ba loại phổ mà đo cách dựa vào chế bơm quét quang học [1-3] cách đo cuối cùng, phổ phân giải theo thời gian Như vậy, phương pháp cuối bao gồm ba kĩ thuật có tên gọi là: quang phổ hấp thụ phân giải theo thời gian, quang phổ phát xạ phân giải theo thời gian quang phổ tán xạ phân giải theo thời gian Mặc dù hệ đo quang phổ khác nguyên lí có điểm chung mặt kĩ thuật tất cấu tạo hai phần chính: tạo tín hiệu (nguồn sáng + mẫu vật), Hình 0-1, thu nhận tín hiệu (hệ tán sắc + đầu thu xạ), Hình 0-2 Hình 0-1 Ánh sáng phát từ nguồn tương tác với mẫu vật Dẫn đến: mẫu vật hấp thụ ánh sáng làm thay đổi cường độ truyền qua, mẫu vật bị kích thích phát xạ ánh sáng huỳnh quang (λ>λo), mẫu vật tán xạ ánh sáng tới làm đổi hướng chúng kèm theo biến đổi bước sóng(λ = λo ±Δλ) Để đo ba loại phổ Hình 0-1 (phổ truyền qua, phổ huỳnh quang, phổ tán xạ) ta cần gửi chùm sáng vào phận thu nhận tín hiệu, Hình 0-2 Hình 0-2 Hệ tán sắc đầu thu Ánh sáng sau vào hệ tán sắc tách màu cách tử phản xạ Các màu khác hội tụ lên vị trí khác đầu thu camera, cho phép camera xác định phổ (sự phân phối cường độ sáng theo bước sóng) Phổ thu thực phép đo kết tương tác ánh sáng mẫu vật Chính mà kĩ thuật quang phổ cho phép ta xác định tính chất hoá lí mẫu vật, thông số trạng thái (nhiệt độ, áp suất…) hệ cần đo Để hiểu tương tác ánh sáng vật chất kiến thức cấu trúc phổ nguyên tử phân tử quan trọng Các kiến thức giới thiệu ngắn gọn chương V, trình bày chi tiết tài liệu [4, 5] Về mặt kĩ thuật, ba linh kiện thiếu xây dựng hệ đo quang phổ là: nguồn sáng, hệ tán sắc, hệ thu xạ Chức linh kiện trình bày chi tiết chương một, chương hai, chương bốn Để nắm kĩ xây dựng hay vận hành thí nghiệm quang phổ cần có hiểu biết vững kiến thức vật lí liên quan đến ba thành phần Chương I NGUỒN SÁNG I.1 Tổng quan ánh sáng Ánh sáng gì? Theo Maxwell, người xem đưa lý thuyết hoàn chỉnh ánh sáng nay, ánh sáng sóng điện từ Vì sóng điện từ nên ánh sáng bao gồm hai thành phần, điện trường từ trường Trong trình truyền sóng, hai vectơ điện trường E từ trường B vuông góc với chúng vuông góc với phương truyền sóng vectơ k, Hình 1-1 Lời giải phương trình Maxwell cho phép xác định vectơ E, B điểm không gian từ xác định biên độ, phân cực sóng ánh sáng tất điểm trình lan truyền Hình 1-1 Mô hình sóng điện từ λ bước sóng, E vectơ điện trường, B vectơ từ trường, k vectơ sóng Tuy nhiên tính chất mà ánh sáng thể diễn tả cách đơn giản thông qua hai mô hình cổ điển mô hình vật lí lượng tử: Tia, Sóng Hạt Cả ba mô hình có ưu điểm khác Nếu để giải thích vấn đề tạo ảnh, truyền sáng, phản xạ, khúc xạ… mô hình Tia phù hợp Nếu để diễn tả tượng giao thoa, nhiễu xạ hay phân cực ánh sáng cần phải xem ánh sáng Sóng ngang Còn để giải thích kết tương tác ánh sáng vật chất (hấp thụ, phát xạ, tán xạ…) cần xem ánh sáng Hạt, lượng tử lượng Vì vậy, đề cập tới tính chất vật lí ánh sáng người ta thường cho thể lưỡng tính sóng – hạt Cần lưu ý là, lúc quan sát nhìn thấy tính chất sóng ánh sáng (nhiễu xạ, giao thoa) Còn lúc thực phép đo lại nhận thấy tính chất hạt (cường độ dòng điện phụ thuộc vào số lượng photon) Trong ngôn ngữ vật lí, từ „ánh sáng‟ thường dùng cho xạ điện từ có bước sóng khoảng 10 nm tới 1000 µm Đối với vùng ánh sáng khả kiến (mắt người nhìn thấy), phổ có bước sóng trải dài từ 380 nm đến 780 nm Đây phạm vi qui ước vùng phổ khả kiến (visible: VI) mà tài liệu vật lí đại thống với Các bước sóng vùng từ 780 nm đến 10 µm xem vùng hồng ngoại gần (near infrared: NIR), bước sóng dài nằm vùng hồng ngoại xa (far infrared: FIR) Ngược lại, vùng bước sóng ngắn từ 200 nm đến 380 nm gọi cực tím hay tử ngoại gần (ultraviolet: UV) Với vùng bước sóng ngắn từ 200 nm đến 10 nm gọi cực tím sâu tử ngoại xa (deep ultraviolet: DUV) Như vậy, tuỳ theo khoảng tần số hay bước sóng mà sóng điện từ có tên gọi khác Toàn cảnh tranh minh họa Hình 1-2 Hình 1-2 Tên gọi vùng sóng điện từ Hình 1-2 cho thấy rằng, độ rộng quang phổ mà mắt xác định trực tiếp chiếm khoảng bé (Δλ = 400 nm) dải sóng điện từ Do giới hạn độ phân giải màu mắt nên ánh sáng khả kiến cảm nhận với khoảng bảy màu khác nhau: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ Mắt người không nhạy cảm với màu chàm, có bước sóng khoảng 420 đến 440 nm, nên nhiều người nhận thấy khác biệt màu chàm với hai màu lam, tím Vì vậy, tài liệu nói đến màu sắc màu chàm thường nhắc đến Lý màu chàm Newton đưa vào ánh sáng có đủ bảy màu (tương tự tuần có ngày hay nhạc có nốt) Để có ý tưởng tương ứng màu sắc bước sóng (xem minh họa Hình 1-3), trình bày vài vạch laser mà thường chọn làm chuẩn phân biệt màu sắc 0,364 μm UV không nhìn thấy 0,407 μm tím 0,430 μm chàm 0,488 μm xanh lam 0,514 μm xanh lục 0,530 μm xanh lục 0,574 μm vàng 0,590 μm vàng 0,620 μm cam 0,647 μm đỏ 0,790 μm đỏ mức độ khó nhận thấy Hình 1-3 Phạm vi bước sóng tương ứng với màu sắc cảm nhận mắt người (các số liệu có giá trị tương đối) Không giới thiệu màu chàm, 420-440 nm, màu khó phân biệt với hai màu lam, tím Sự cảm nhận màu thông qua tế bào hình que (nhạy cảm với ba màu: đỏ, vàng, xanh lục) nên màu sắc mà ta nhìn thấy kết pha trộn màu Ví dụ, nhìn thấy màu vàng chưa ánh sáng đơn sắc màu vàng tạo nên mà kết pha trộn ánh sáng có màu xanh ánh sáng màu đỏ Trong trình phát triển khoa học, hiểu biết chất ánh sáng qua mốc lịch sử lớn Việc tổng kết điểm bật lịch sử ngành quang cho phép tóm tắt cách nhanh chóng kiến thức quang học Những mốc lịch sử quang học Định luật Snell (1621): không công bố đại chúng Descartes (1637): phản xạ, khúc xạ sóng phẳng bề mặt phân cách hai môi trường Fermat (1657): ánh sáng truyền theo đường mà quang trình cực trị Hooke (1665): quan sát thực kính hiển vi kính viễn vọng Newton (1666): ánh sáng trắng phân tách được, khái niệm màu sắc Römer (1675): vận tốc giới hạn ánh sáng Huygens (1678): tất điểm không gian, mà ánh sáng qua, đóng vai trò nguồn sóng thứ cấp Khái niệm phân cực sóng ngang ánh sáng a) b) c) d) e) Hình 6-8 Các hình thức tương tác khác photon điện tử phân tử Đấy nguồn gốc biến thiên độ hấp thụ Bơm – Quét quang học: a) hấp thụ photon bơm, b) khả hấp thụ, c) phát xạ cưỡng bức, d) hấp thụ từ trạng thái kích thích, e) hấp thụ từ sản phẩm Tín hiệu tạo từ khả hấp thụ giảm mật độ trạng thái N (t )  Vì  0, j ( )  , nên tín hiệu hấp thụ lấy giá trị âm, dấu xác định tích  0, j ( )N (t ) Ba tín hiệu khác kết gia tăng nồng độ N i (t )  Tuy nhiên có hai tín hiệu, hấp thụ từ trạng thái kích thích từ sản phẩm mới, cho giá trị dương hệ số dập tắt chúng  i , j ( )  , tín hiệu xạ cưỡng lấy giá trị âm  i , j ( )  Về mặt thực nghiệm tất loại tín hiệu trộn lẫn với tạo nên biến thiên độ hấp thụ A theo thời gian 65 Hình 6-9 Minh họa biến thiên độ hấp thụ ΔA, thời điểm, (đường liền nét) với đóng góp ba tín hiệu: khả hấp thụ (Ground State Bleaching: GSB), hấp thụ từ trạng thái kích thích (Exited State Absorption: ESA), phát xạ cưỡng (Stimulated Emission: SE) Giản đồ mức lượng tương ứng trình bày bên phải Để minh bạch vấn đề, xét ví dụ thực nghiệm tín hiệu Bơm – Quét phân tử Malachit Green dung môi ethanol, Hình 6-10 Dữ liệu thu sau bơm vào dung dịch xung laser 50 femto giây, bước sóng 420 nm (S0S2) quét với xung ánh sáng trắng có bước sóng từ 460 nm đến 1050 nm [1] Nếu kết hợp với Hình 6-11A, (xem phổ hấp thụ phát xạ) ta xác định cách định tính tín hiệu như: khả hấp thụ (tại 620 nm), hấp thụ S2 Sn (từ 680 nm đến 1050 nm khoảng thời gian t < 0,2 ps), phát xạ cưỡng S1 S0 (từ 700 nm đến 900 nm, khoảng thời gian 0,2 ps < t < 0,7 ps), hấp thụ từ sản phẩm (từ 640 nm đến 730 nm, khoảng thời gian t > 2ps) 66 600 700 800 900 nm 1000 500 A -20x10 -3 ps 10 -10 Hình 6-10 Biến thiên độ hấp thụ trình hồi phục sau kích thích dung dịch Malachit Green/ ethanol từ S0 -> S2 xung laser bơm có bước sóng 420 nm Hình ảnh 3D với độ hấp thụ biễu diễn khác màu sắc Để dễ quan sát biến thiên độ hấp thụ theo thời gian ta xem lát cắt 681 nm, Hình 6-11B Bước sóng nằm chân băng hấp thụ phát xạ S1, xem Hình 6-11A Điều cho phép quan sát hai tín hiệu: khả hấp thụ phát xạ cưỡng Hình 6-11 A) Phổ hấp thụ, phát xạ Malachit Green B) Biến thiên độ hấp thụ hình thức khác (xem giải thích b, c, d, e Hình 6-8.), đường chấm tròn thực nghiệm, đường liền nét hiệu chỉnh theo hàm tổng exponentiel để xác định thời gian sống trạng thái 67 VI.3.3 Cấu trúc chi tiết thí nghiệm phân giải thời gian cực nhanh với phổ rộng Cấu trúc hệ đo quang phổ femto giây, sử dụng để làm thí nghiệm Malachit Green, trình bày Hình 6-10 Hệ đo xây dựng sở buồng cộng hưởng laser Titane:saphir Laser phát xung có độ dài thời gian 50 fs, tần số phát xung 27 MHz, lượng xung cỡ 13 nJ, bước sóng trung tâm 800 nm, với độ rộng phổ 25 nm Tia laser phát từ nguồn tách làm hai gương bán mạ S 20 % lượng hội tụ vào đoạn dây quang học phi tuyến, có chiều dài mm, để tạo xung ánh sáng trắng [11] nhằm phục vụ việc Quét 80% lượng lại hội tụ vào tinh thể BBO có bề dài mm để nhân đôi tần số (Second Harmonic Greneration: SHG), nhằm phục vụ việc Bơm Khoảng lệch thời gian Δt xung Bơm xung Quét kiểm soát hệ thống thay đổi quãng đường quang học ΔL Việc hội tụ hai tia Bơm, Quét vào vị trí mẫu thí nghiệm đảm bảo gương parabol (P) có tiêu cự 25 mm Ưu điểm gương parabol so với thấu kính tránh giãn xung tán sắc Sau qua mẫu, có tia Quét gửi vào phổ kế, màu khác tia Quét tách cách tử hội tụ đầu thu camera CCD Để đo biến thiên độ hấp thụ, camera CCD phải thu hai phổ: phổ tia Quét xuất tia bơmTia Bơm phổ tia Quét với xuất tia Bơm Điều giải cách thêm vào đường hai tia Bơm – Quét phận điều chế cho phép ngắt mở hai tia với tần số tia Quét lớn hai lần so với tần số tia Bơm Tần số phận điều chế kết nối với camera CCD cho phép phân biệt đâu tia Quét qua hệ trạng thái kích thích (có tia Bơm ) đâu tia Quét qua hệ trạng thái (không có tia Bơm) 68 Hình 6-12: Sơ đồ phổ kế femto giây S : bán mạ ; M : gương ; λ/2 : nửa bước sóng ; P1P3 : parabole ; OM : thấu kính hội tụ kính hiển vi ; PCF : sợi quang học phi tuyến; SHG : nhân đôi tần số ; E : échantillon; ΔL : kiểm soát thời gian ; F : kính lọc màu BG39 VI.3.4 Quang phổ dịch quang phân giải theo thời gian Trong phần đo độ biến thiên hấp thụ Bơm – Quét thấy liệu thí nghiệm thu bị chồng chéo bốn loại tín hiệu Nên việc xác định thời gian sống trạng thái thích thích khó khăn, đặc biệt vùng bước sóng mà tín hiệu khả hấp thụ chiếm ưu Sẽ thuận lợi việc xác định thời gian sống trạng thái kích thích ta đo thời gian dịch quang Nghĩa đo thời gian mà mẫu vật phát xạ ánh sáng (không xét tới lân quang) sau bị kích thích Việc đo thực đơn giản ta dùng Streak cameras [6] Là loại đầu thu phản ứng nhanh, cho phép đo trực tiếp phân bố cường độ theo thời gian xung ánh sáng có thời gian kéo dài từ vài chục pico giây trở lên Tuy nhiên phương pháp không áp dụng cho đối tượng mà thời gian dịch quang vào khoảng vài chục femto đến pico giây Trong trường hợp này, ta phải dùng đến phương pháp đo phân giải theo thời gian cách gián tiếp qua tín hiệu tổng hợp hai tần số (up-converstion fluorescence) Mô hình thí nghiệm phương pháp giới thiệu Hình 6-13 69 Hình 6-13 Sơ đồ thí nghiệm đo phổ dịch quang phân giải theo thời gian từ tín hiệu tổng hợp hai tần số (up-converstion fluorescence) Xung laser phát từ nguồn tách làm hai: phần thứ nhất, gọi xung Bơm (p), phần thứ hai gọi là xung „Tạo tín hiệu‟ (g) Xung Bơm kích thích mẫu vật phát dịch quang (f) Ánh sáng phát gom lại hệ parabol hội tụ vào tinh thể phi tuyến BBO Khi photon xung „Tạo tín hiệu‟ photon dịch quang gặp tinh thể BBO, với điều kiện hợp pha đảm bảo, tín hiệu tổng hợp hai tần số sinh ra: (6.6) Hướng photon tín hiệu phát không phương với tia g f yếu tố bảo toàn động lượng, ks = kg + kf Còn bước sóng ngắn mối liên hệ: (6.7) Do ánh sáng dịch quang f có phổ rộng nên muốn tạo tín hiệu tổng hợp hai tần số (6.6) cho tất bước sóng ta phải quay tinh thể BBO đo Ứng với giá trị Δt, độ lệch thời gian xung Bơm xung „Tạo tín hiệu‟, ta thực phép đo phổ tín hiệu tổng hợp hai tần số Như vậy, tập hợp chuỗi 70 phép đo theo Δt ta có phổ Tín hiệu theo thời gian Từ phổ Tín hiệu ta suy phổ dịch quang phân giải theo thời gian mối liên hệ (6.7) VI.3.5 Quang phổ tán xạ phân giải theo thời gian Khác với tượng phản xạ khúc xạ, tán xạ ánh sáng có nhiều nguồn gốc vật lí khác Vì tượng có nhiều tên gọi Để đơn giản vấn đề phân biệt người ta thường chia làm hai nhóm Nhóm thứ tán xạ đàn hồi (không trao đổi lượng ánh sáng vật chất), gồm có : tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie Nhóm thứ hai tán xạ không đàn hồi (có trao đổi lượng ánh sáng vật chất), gồm có : tán xạ Brillouin, tán xạ Raman, tán xạ tia X, tán xạ Compton Trong đó, tán xạ Raman, gắn liền với tên tuổi nhà vật lí ấn độ, quan sát thực nghiệm vào năm 1928 Với công trình nghiên cứu tán xạ, Raman trao giải Nobel vào năm 1930 So với loại tán xạ khác Raman có nhiều ứng dụng Đặt biệt khả chẩn đoán nhiệt độ, xác định thành phần hóa học tỷ lệ thành phần hỗn hợp…Trong môn nhiệt học ta biết, mức lượng dao động quay phân tử phụ thuộc mạnh vào yếu tố nhiệt độ Phổ tán xạ Raman chứa đựng thông tin mức lượng Chính mà với kĩ thuật đo phổ tán xạ Raman nhiệt độ chẩn đoán xác Hơn phương pháp đo gián tiếp nên thực phép đo điều kiện khó khăn, ví dụ đo nhiệt độ tên lửa bay hay xác định nhiệt độ mặt trời Trong giới hạn chuyên mục ta thử tìm hiểu kĩ thuật đo phổ tán xạ kết hợp Anti-Stockes Raman phân giải theo thời gian (time resolved coherent AntiStockes Raman spectroscopy: CARS), xem Hình 6.14 71 A) B) Hình 6.14 A) Xung Bơm xung Stokes gặp hệ đưa hệ lên trạng thái kích thích dao động-quay, cách truyền cho hệ phần lượng độ chênh lệch lượng hai photon Bơm Stockes Xung quét tới với độ trễ thời gian Δt làm sinh xung tín hiệu (Anti-Stockes), theo hướng hợp pha Xung tín hiệu có tần số : ωAnti-Stockes = ωbơm + ωquét - ωstockes B) Cách bố trí tia laser theo cấu hình Boxcars [2] Đối với phổ CARS, người ta thường quan tâm đến thông số sau : hình dáng, cường độ, độ rộng vị trí điểm cực đại Đấy thông số chứa đựng thông tin vĩ mô hệ nhiệt độ nồng độ chất bên hệ Hình 6-15, giới thiệu ví dụ tín hiệu phổ phân giải theo thời gian CARS hỗn hợp 50% H2, 50% N2, 296 oK 72 Hình 6-15, giới thiệu ví dụ tín hiệu phổ phân giải theo thời gian CARS hỗn hợp 50% H2, 50% N2, 296 oK [3] 73 Phụ lục Các từ tiếng Anh chuyên ngành quang phổ học Absorption (n): the process by which a substance or object takes in a liquid, gas, waves, or chemical and makes it a part of itself Using a special numerical procedure, they calculated the absorption spectrum (the range of light waves that are left when some have been absorbed by something that they passed through) Hấp thụ Beam (n): a line of light that shines from a bright object Tia sáng Birefringence (n): double refraction Lưỡng chiết Coefficient (n): a number or symbol that is written in front of and multiplies another number or symbol; A coefficient is also a number that is used to measure the characteristics of a substance Hệ số Diagram (n): simple plan which represents a machine, system or idea, etc., often drawn to explain how it works Sơ đồ nguyên lí Diffusion (n): Diffusion is also the way light spreads when it is reflected from a rough surface or passed through a translucent substance (substance that allows only some light to pass through) Khuếch tán Dispersion (n): the separation of light into different colors Tán sắc Diffraction (n): to break up light or sound waves by making them go through a narrow space or across an edge Nhiễu xạ Emission (n): when gas, heat, light, etc is sent out Sự phát Excitate (v): to make someone have strong feelings of happiness and enthusiasm Kích thích 74 Excitation (n): In physics there is a specific technical definition for energy level which is often associated with an atom being excited to an excited state Sự kích thích Excited state: is any state with energy greater than the ground state Trạng thái kích thích Excited-state lifetime: is equal to the mean time during which molecules remain in the excited state Thời gian sống trạng thái kích thích Electromagnetic force: is the form of energy that causes all reactions between particles (extremely small pieces) of matter, which have either positive or negative electrical characteristics Lực điện từ Fluorescent (adj): Fluorescent colours are very bright and can be seen in the dark Tính dịch quang Fluorescence (n): giving off light (from singlet state) Sự dịch quang Fluorescence quantum yield: is defined by the rate of „photons emitted/photons absorpbed‟ Hiệu suất lượng tử dịch quang Interference (n): Interference between two waves happens when they have the same frequency and produce a force that is either stronger or weaker than one wave alone Giao thoa Internal conversion: is a transition from a higher to a lower electronic state in a molecule or atom It is sometimes called "radiationless de-excitation", because no photons are emitted Sự dịch chuyển từ trạng thái bội đơn cao trạng thái bội đơn thấp mà không kèm theo xạ photon Intersystem crossing: when a singlet state nonradiatively transitions to a triplet state, or conversely a triplet transitions to a singlet, that process is known as intersystem crossing Sự dịch chuyển từ trạng thái bội đơn sang trạng thái bội ba, ngược lại, mà không kèm theo xạ photon 75 Orbital (n): the path that an electron or electrons take around the nucleus (central part) of an atom Đám mây điện tử Laser (n): is a device that produces a powerful, highly controlled, narrow beam of light LASER is acronym for „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’ Máy phát Laser Lifetime (n): the period of time during which someone lives or something exists Thời gian sống Light (n): the brightness that comes from the sun, fire, etc and from electrical devices, and that allows things to be seen Ánh sáng Molecule (n): the simplest unit of a chemical substance, usually a group of two or more atoms Phân tử Momentum (n): the force or speed of an object in motion, or the increase in the rate of development of a process Momen Monochromatic (adj): containing or using only one color Đơn sắc Quantum (n): the smallest amount of energy that can be measured Lượng tử Ground state: is lowest-energy state Trạng thái Quenching (n): refers to any process which decreases the fluorescence intensity of a given substance A variety of processes can result in quenching, such as excited state reactions, energy transfer, complex-formation and collisional quenching Sự tắt, giảm cường độ dịch quang Polarization (or polarisation) (n): is a property of certain types of waves that describes the orientation of their oscillations Phân cực ánh sáng Phophorescence (n): giving off light (from trilet state) after radiation has hit it Lân quang Photoluminescence (n): is a process in which a substance absorbs photons (electromagnetic radiation) and then re-radiates photons Quang huỳnh quang 76 Polarity (n): the quality in an object that produces opposite magnetic or electric charges Phân cực Phase (n): A phase is one of the forms in which matter can exist, such as solid, liquid, or a gas; A phase is also one of the stages or points in a repeating process measured from a specific starting point Pha Prism (n): a transparent object, often glass, that separates white light into different colors Lăng kính Radiation (n): energy in the form of waves or particles (any of the smallest pieces of matter that make up atoms) Bức xạ Refraction (n): When water or glass, etc refracts light or sound, etc., it causes it to change direction or to separate when it travels through it The glass prism refracted the white light into the colours of the rainbow Khúc xạ Reflection (n): the image of something in a mirror or on any reflective surface Phản xạ Sample (n): a small amount of a substance that a doctor or scientist collects in order to examine it Mẫu thử Scattering (n): is a general physical process where some forms of radiation, such as light, sound, or moving particles, are forced to deviate from a straight trajectory by one or more localized non-uniformities in the medium through which they pass Tán xạ Solution (n): a liquid in which other substances have been mixed and dissolved Dung dịch Solvent (n): a liquid in which another substance can be dissolved Dung môi Spectroscopy (n): Spectroscopy is the study of the interaction between matter and radiated energy Quang phổ học Spectrum (n): the set of colors into which a beam of light can be separated Phổ ánh sáng 77 Spectral light: the set of colours into which a beam of light can be separated Phổ ánh sáng Stimulate (v): to encourage something to grow, develop, or become active Kích thích Second harmonic generation: is a nonlinear optical process, in which photons interacting with a nonlinear material are effectively "combined" to form new photons with twice the energy, and therefore twice the frequency and half the wavelength of the initial photons It is a special case of sum frequency generation Nhân đôi tần số Torsion (n): the act of twisting, the force which causes twisting, or the state of being twisted Sự xoắn Transparent (adj): If a substance or object is transparent, you can see through it very clearly Trong suốt Wavelength (n): the distance between two waves of energy Bước sóng Tài liệu tham khảo [1] J Léonard et all., Broadband ultrafast spectroscopy using a photonic crystal fiber: application to the photophysics of malachite green, Optics Express, 15 (2007), 16124–16129 [2] F Chaussard et all., Spectroscopie Raman Anti-Stokes Cohérente femtoseconde (DRASC – fs): expériences et modélisation dans le cas du mélange H2 – N2 basse pression, Journal de Physique IV, 135 (2006), 155–156 78 [3] H Tran et all., Femtosecond time resolved coherent anti-Stokes Raman spectroscopy of H2–N2 mixtures in the Dicke regime: Experiments and modeling of velocity effects, Journal of Chemical Physics, 131 (2009), 174310–174315 [4] J R Albani, Absorption et fluorescence - Principes et applications Tech.& Doc, 2001 th [5] J.M.Hollas, Modern Spectroscopy, Wiley, 2004 [6] N Đại Hưng, P Văn Thích, Thiết bị Linh kiện Quang học, Quang phổ, Laser NXB Đại học quốc gia Hà nội, 2005 [7] C Rulliere, Femtosecond Laser Pulses Springer, 2010 [8] N Thế Bình, Quang phổ học thực nghiệm NXB Giáo dục, 2006 [9] R A Robert, The Supercontinuum laser source Springer-Verlag, 1989 [10] Special Issue on Supercontinuum Generation, Applied Physics B 77, 2003 [11] J M Dudley, G Genty, S Coen, Supercontinuum generation in photonic crystal fiber Reviews of modern physics, 78: 1135-1184, 2006 [12] W Demtroder, Laser spectroscopy, 3rd Springer, 2005 [13] J.G.Sole, L.E Bausa, D Jacque, Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids Wiley, 2004 [14] H Abramczyk, Introduction to Laser Spectroscopy ELSEVIER, 2005 [15] P Hannaford (Ed), Femtosecond Laser Spectroscopy Springer, 2005 [16] C.E Webb, J D C Jones (Eds), Handbook of Laser Technology and Applications, Vol 2: Laser Design and Laser Systems IOP, 2004 [17] P Văn Thích, N Đại Hưng, Huỳnh quang NXB Đại học quốc gia Hà nội, 2004 79 [...]... phổ rộng và liên tục Tuy nhiên tính chất phổ này (phổ rộng hay hẹp, liên tục hay gián đo n) còn phụ thuộc vào vật liệu phát sáng: nguyên tố gì và là đơn nguyên tố hay là pha tạp nhiều nguyên tố Những điểm khác nhau cơ bản giữa nguồn sáng tự nhiên và nguồn sáng laser có thể được tóm tắt một cách ngắn gọn như trong Bảng 1-1 Bảng 1-1 Sự khác nhau cơ bản giữa laser và nguồn sáng tự nhiên 13 Chương II PHỔ... nghiệm ở Hình 2-8 Việc kiểm soát 23 hướng phân cực và trạng thái phân cực được ứng dụng rất nhiều trong các công nghệ quang học hiện đại như: kĩ thuật laser, quang phi tuyến, màn hình tinh thể lỏng, điều biến tần số, xử lí hình ảnh, van quang học…, và đặc biệt là các phép đo liên quan đến tính bất đẳng hướng của môi trường, ví dụ như đo phổ phân cực huỳnh quang Hình 2-8 Sơ đồ thí nghiệm kiểm soát tính... biệt của nguồn sáng laser Nhờ vậy mà laser phát ra công suất rất lớn so với nguồn sáng tự nhiên và nó có khả năng tạo ra các hiện tượng quang phi tuyến hay các môi trường plasmas… Cần lưu ý, thường thì ánh sáng phát ra từ laser có bước sóng cố định và độ đơn sắc cao Nhưng đấy chỉ đúng với laser liên tục còn đối với laser xung thì nó có một độ rộng phổ nhất định Độ rộng phổ này và bước sóng trung tâm... tán sắc Với laser phát xung ngắn [7], ví dụ femto giây, thì bên trong buồng cộng hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laser hoặt động theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ của laser rất rộng, độ rộng phổ này lên tới 30 nm đối với laser femto) Nhờ vào yếu tố xung cực ngắn mà công suất cực đại và khả năng phân giải theo thời của laser femto là rất cao Laser femto... tính còn được dùng để gọi tên laser theo phân nhóm về mặt kĩ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu (môi trường hoạt tính là chất màu: hợp chất hữu cơ, đa phần ở thể lỏng), laser bán dẫn, laser sợi quang học Nguồn bơm Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính kể trên phải ở trong trạng thái kích thích Điều đấy được thực hiện bằng cách đưa năng lượng vào môi trường hoạt tính thông... y sinh…Ứng dụng của laser vào khoa học và công nghệ thì rất phong phú Nhiều laser thế hệ mới, phát ra bước sóng ngắn, tia X, hay xung cực ngắn, attosecond , và các ứng dụng của nó cũng đang trên đà nghiên cứu, phát triển III.2 Cấu tạo của laser Về nguyên lý, máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chính là: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng cộng hưởng quang học Vai trò của... hàng loạt laser khác nhau đã ra đời Để đơn giản trong cách gọi tên, chúng thường được phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lí của môi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học… Hoặc dựa vào đặc tính bức xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung Hoặc dựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện… Sự xuất hiện của laser sau những năm 1960 đã đưa ngành quang học... sự phân bố gián đo n các bước sóng (phổ gián 18 đo n) Khi nhìn trực tiếp bằng mắt trần vào ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng trên, ta chỉ có thể nhận thấy được sự khác nhau về màu của nguồn sáng chứ không thể phân biệt được đâu là phổ liên tục, đâu là phổ gián đo n Sự phân biệt này sẽ rất rõ ràng khi quan sát ánh sáng qua hệ tán sắc, xem Hình 2-4 Hình 2-4 Sự phân bố các bước sóng gián đo n (trên), liên... với trường hợp phổ rộng thì để đo được toàn bộ phổ người ta cần phải thực hiện từ hai lần đo trở lên và phải quay hệ tán sắc giữa hai lần đo (tương ứng với dịch chuyển đầu thu theo không gian) Vì vậy, ứng với mỗi góc quay của hệ tán sắc thì ta cần thiết lập mối liên hệ giữa bước sóng và vị trí pixel tương ứng Hình 2-5 Ví dụ minh họa phương pháp so sánh với một nguồn sáng chuẩn để xác định phổ Số liệu... thỏa mãn điều kiện (2.7) thì chúng không được phân giải và chỉ xuất hiện như một vạch Tóm lại, độ phân giải càng cao khi quan sát phổ với số khe cách tử càng lớn, ở bậc nhiễu xạ càng cao, và bước sóng càng ngắn II 1.3 Phổ liên tục và phổ gián đo n Các nguồn sáng như Mặt trời, dây tóc bóng đèn… phát ra ánh sáng chứa một phân bố liên tục các bước sóng (phổ liên tục), còn các loại đèn chứa khí Hidro, hơi ... dùng để gọi tên laser theo phân nhóm mặt kĩ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu (môi trường hoạt tính chất màu: hợp chất hữu cơ, đa phần thể lỏng), laser bán dẫn, laser sợi quang học Nguồn... tạo thành dãy diode quang  Diode thác lũ (Avalanche diodes) : diode khuếch đại dòng quang điện  Tế bào quang điện : đầu thu photon hoặt động dựa hiệu ứng quang điện  Nhân quang điện (Photomultipliers)... MASER Maiman (1960): Ra đời laser Alexey Ekimov (1980): Quantum dot Rusell (1991): Sợi quang học cấu trúc micro (sợi quang học tinh thể) I.2 Nguồn sáng tự nhiên nguồn sáng laser Nguồn sáng tự nhiên