49
Hình 2.10 Sơ đồ quang học hệ đo tín hiệu tần số tổng [10]
Laser Nd:YAG hoạt động ở chế độ khóa mode, có độ rộng xung 30 ps, tần số 50 Hz phát ra bức xạ cơ bản ở bước sóng 1064 nm được bơm cho bộ phát họa ba H500. Bức xạ họa ba bậc hai (532 nm) và bức xạ cơ bản (1064 nm) từ bộ nhân tần H500 được bơm đến bộ phát tham số quang PG501/DFG. Tia hồng ngoại IR ở đầu ra của PG501/DFG mà chúng tôi sử dụng trong quá trình thực nghiệm có bước sóng nằm trong phạm vi điều chỉnh 2,3-10 µm là kết quả của quá trình phát tần số hiệu khi pha trộn sóng đệm của quá trình phát tham số quang với bức xạ 1064 nm của laser. Quá trình lọc phổ và không gian của các chùm tia phát bởi quá trình OPG cung cấp bức xạ hồng ngoại có độ rộng dải hẹp và độ phân kì thấp. Chùm tia hồng ngoại sau khi ra khỏi PG501/DFG đi vào một bộ tách chùm chùm tia BS2 (tấm BaF2 không được bọc phủ), một phần được đưa ra photodiode PD2 để kiểm soát liên tục năng lượng chùm tia hồng ngoại, một phần đi vào gương M5 (xác định phân cực S của chùm tia hồng ngoại) hoặc gương M5’(xác định phân cực P của chùm tia hồng ngoại). Gương M5 (hoặc gương M5’) cùng với M10, M11 hướng
50
chùm tia hồng ngoại tới mẫu. Thấu kính L11có nhiệm vụ hội tụ bức xạ hồng ngoại trên bề mặt mẫu.
Chùm tia khả kiến 532 nm cho thí nghiệm tần số tổng là họa ba bậc hai của bức xạ cơ bản của laser, đi ra từ một cửa khác của bộ phát họa ba H500, rồi đi qua bộ lọc F2. Bộ lọc quay F2 bao gồm bộ lọc KS - 18 và SZS - 25 dùng để cắt những ánh sáng tán xạ từ bộ phát họa ba H500. Bộ lọc KS 18 dùng để truyền 1064nm và chặn 532nm, còn bộ lọc SZS 25 truyền 532 nm và chặn 1064nm. Bản nửa bước sóng HWP1 và lăng kính Glan GP1 cho phép tối ưu hóa năng lượng chùm tia khả kiến dùng cho từng thí nghiệm cụ thể. Bằng cách quay bản nửa bước sóng HWP1, ta có thể điều chỉnh năng lượng của chùm tia khả kiến liên tục từ giá trị cực tiểu tới cực đại. Để thay đổi phân cực của chùm tia khả kiến, ta quay bản nửa bước sóng HWP2 một góc 450. Mũi tên bên cạnh S hoặc P chỉ chính xác phân cực của chùm tia khả kiến. Chùm tia khả kiến đi qua bộ lọc không gian được tạo bởi các thấu kính L3, PH, và thấu kính L4 để đảm bảo cấu hình Gauss. Đường làm trễ để đảm bảo chùm tia khả kiến và chùm tia hồng ngoại chồng chập về mặt thời gian, được tạo bởi gương M7 và gương M8, lăng kính P1. Ta có thể điều chỉnh đường làm trễ này thông qua máy tính. Vị trí của lăng kính P1 có thể được thiết lập đến mm hoặc micro bước. Để kiểm soát liên tục năng lượng chùm tia khả kiến, bộ lọc chùm tia BS1 hướng một phần của bức xạ của chùm tia khả kiến tới photodiode PD1. Chùm tia khả kiến đi qua ID2, được gương M12 và gương M13 hướng tới bề mặt mẫu.
Chùm tia khả kiến và chùm tia hồng ngoại được hướng đến bề mặt mẫu với góc φVIS = 600 và φIR = 550. Khi hai chùm tia chồng chập về mặt thời gian và không gian thì sẽ phát tần số tổng. Khi quét bước sóng hồng ngoại trong phạm vi 2,3 – 10 μm, ta thu được tín hiệu tần số tổng với góc phản xạ 59,70
± 0,350. Tín hiệu tần số tổng được hướng trực tiếp tới máy đơn sắc bằng các gương M14, M15. Lăng kính Glan GP2 dùng để lựa chọn phân cực tín hiệu tần số tổng đồng thời loại bỏ các ánh sáng tán xạ không mong muốn. Các bộ lọc F1 và F4 dùng để cắt ánh sáng tán xạ
51
532nm và các ánh sáng tán xạ khác. Thấu kính L7 hội tụ chùm tia tần số tổng vào khe máy đơn sắc.
Các thông số của laser và bộ PG501/DFG được điều chỉnh sao cho phù hợp với nhau. Giá trị của độ khuếch đại Ampl trong đầu phát laser được điều chỉnh sao cho giá trị của đầu vào bộ PG501/DFG chùm tia khả kiến 532nm và chùm tia hồng ngoại 1064nm không vượt quá giới hạn cho phép (tương ứng với 9 mJ và 7 mJ).
Dưới đây là một số giá trị thích hợp năng lượng của hai xung bơm (E1 và E2) tương ứng với các độ khuếch đại trong các thí nghiệm của chúng tôi:
E1(%) E2(%) Ampl(a.u) EIR(mJ) EVIS(mJ)
117.2 77.3 85 6.4 8.2
119.2 77.9 84 6.5 8.2
126.7 79.1 82 6.5 8.4
Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật thực nghiệm của xung bơm khả kiến và hồng ngoại.
Máy đơn sắc lọc tín hiệu SFG và các ống nhân quang điện được dùng để phát hiện tín hiệu này. Tín hiệu SFG quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện trong ống nhân quang điện và đưa tín hiệu ra máy tính. Khi đó ta thu được phổ SFG và các dữ liệu của mẫu đang nghiên cứu. Phổ của tín hiệu tần số tổng có thể biểu thị dưới dạng phụ thuộc thời gian, phụ thuộc vào số sóng hoặc phụ thuộc vào góc phương vị. Tất cả các thành phần của hệ như laser PL2251, bộ phát họa ba H500, bộ phát tham số quang PG 501/DFG, đường làm trễ, máy đơn sắc và photodector đều được kết nối với bộ DAQ, rồi kết nối với bằng máy tính hiển thị qua phần mềm LabVIEW.
Năng lượng của chùm tia khả kiến và hồng ngoại đến mẫu được giám sát liên tục thông qua giản đồ năng lượng hiển thị qua phần mềm máy tính. Trong thí nghiệm của chúng tôi, các chùm tia khả kiến và hồng ngoại có các giá trị năng lượng tương ứng khoảng 600 μJ và 100 μJ trong vùng phổ CHx, khoảng 600 μJ và 10 μJ trong vùng phổ COO- và C=O. Đối với mỗi phép đo, đơn lớp AA được chuẩn
52
bị mới hoàn toàn. Thời gian thực hiện đối với một phổ khoảng 20 phút, phạm vi phép đo dải phổ 1300 – 1900 cm-1
và 2800- 3600 cm-1, bước 2 cm-1
. Mẫu đơn lớp Langmuir được đặt trên bệ đỡ, có thể di chuyển theo chiều ngang x, y hoặc theo chiều dọc z. Thí nghiệm được tiến hành trong phòng duy trì nhiệt độ khoảng 18- 250C và độ ẩm < 70%.
53 2800 3000 3200 3400 3600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 OH liquid - like (3450) OH ice - like (3200) CH2as(2920) CH3as(2960) CH3Fr(2935) CH3ss(2875) CH2ss (2855) SSP PPP PSP
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các phép đo tín hiệu tần số tổng (SF) được thực hiện trên hệ đo EKSPLA – SF41 tại phòng thí nghiệm laser xung pico giây, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. Các kết quả đo được là bảng dữ liệu cường độ tín hiệu SF thay đổi theo bước sóng hồng ngoại, sau đó dùng phần mềm Origin 8.5.1 để xử lý phổ phục vụ cho các phân tích, thảo luận về vấn đề quan tâm.