Phương pháp phổ đánh dấu phân cực PLS là sự kết hợp giữa phổ phân cực và kỹ thuật cộng hưởng kép quang học. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tách sự thay đổi phân cực của chùm tia laser yếu (gọi là chùm dò) sau khi đi qua một mẫu phân tử đã được bơm bởi chùm tia laser mạnh khác (gọi là chùm bơm). Sơ đồ nguyên lý cơ bản của thí nghiệm về PLS như trên hình 2.1, trong đó mẫu phân tử được đặt giữa hai kính phân cực P1 và P2 được đặt bắt chéo nhau [12].
Hình 2.1. Sơ đồ của phương pháp PLS: P1 và P2 là cặp kính phân cực được đặt bắt chéo nhau, D là đầu thu tín hiệu phổ phân cực.
Khi không có laser bơm, các mẫu phân tử là đẳng hướng quang học, bởi vì nó không có hướng ưu tiên cho mômen góc toàn phần Jr
của từng phân tử. Cụ thể, đối với một giá trị của số lượng tử J có 2J+1 mức con Zeeman bị suy biến, đối với cùng một trọng số thống kê. Mỗi mức con tương ứng với một giá trị của số lượng tử MJ mà một số lượng tử của hình chiếu của Jr
trên trục Laser dò Laser bơm bản λ/4 P1 Phân tử P2 D
truyền của chùm bơm. Do đó, sự phân cực thẳng của chùm dò là không thay đổi sau khi đi qua mẫu phân tử, nên chùm dò không đến được máy thu D.
Khi có chùm bơm với bước sóng đã được điều hưởng để kích thích sự dịch chuyển của phân tử J" →J'. Khi đó , chùm bơm làm giảm sự hấp thụ phân tử ở mức thấp J"và làm tăng chúng tại mức trên J'. Điều này cho biết độ giảm mật độ cư trú của mức dưới ( hoặc tăng cho mức trên )thì không giống nhau đối với mỗi mức con Zeeman bởi vì có hai lí do sau đây. Một là các qui tắc chọn lọc cho quá trình dịch chuyển giữa các mức con Zeeman:
∆M = 0,+1 hoặc -1 cho phân cực thẳng, tròn phải , hoặc tròn trái tương ứng. Lí do thứ hai là sự phụ thuộc phần tiết diện ngang hấp thụ của trị MJ , được minh họa trên hình 2.2.
Hình 2.2. Sự phụ thuộc tiết diện hấp thụ vào MJ [3] đối với các dịch chuyển P, Q, R. Các giá trị σ+, σ-, và σ0 tương ứng cho phân cực tròn phải, tròn trái và
Kết quả là mẫu bắt đầu trở nên bất đẳng hướng đối với chùm dò. Vì vậy, khi chùm dò kích thích sự dịch chuyển và cùng mức dưới hoặc mức trên với sự dịch chuyển của chùm bơm thì sự phân cực của chùm dò thay đổi và chùm bơm sẽ đi qua kính phân cực P2 và tới được máy thu
Trong phiên bản gốc của kỹ thuật PLS, bước sóng của laser dò là được điều hưởng trong khi laser bơm lại cố định. Kết quả là phổ PLS cho biết cấu trúc dao động quay của trạng thái điện tử trên dịch chuyển gây bởi chùm dò.
Trong phiên bản hiện nay, laser dò được cố định bước sóng trong khi laser được điều khiển thay đổi bước sóng qua miền phổ nghiên cứu. Do đó, phổ PLS cho biết cấu trúc dao động quay của trạng thái điện tử trên của dịch chuyển bơm.
Trong cả hai phiên bản PLS, khi chùm bơm và chùm dò cùng kích thích từ một mức dao động quay ở trạng thái điện tử cơ bản thì sự phân cực của chùm dò thay đổi. Kết quả là sự phân cực của chùm dò thay đổi nên nó đi qua được thấu kính phân cực P2 và đi tới đầu thu. Vì vậy, phổ PLS đơn giản hơn rất nhiều so với kỹ thuật phổ hấp thụ thông thường.
2.2. Bố trí thí nghiệm
Trong thực tế, việc tạo các phân tử NaLi (ở thể hơi) từ các khối chất rắn Na và Li tương đối khó khăn do nhiệt độ nóng chảy của mỗi chất khác nhau(180,540C đối với Li và 97,80C đối với Na). Để khắc phục khó khăn này, người ta sử dụng lò nung ba ngăn có cấu trúc được mô tả ngắn gọn dưới đây (hình 2.3).
Hình 2.3. Lò nung ba ngăn dùng để tạo mẫu NaLi [12].
Lò nung được làm từ ống thép không rỉ, được bao xung quanh bởi ba nguồn nung kết nối với các nguồn điện xoay chiều bên ngoài. Nhiệt độ của mỗi phần của ống được đo bởi cặp nhiệt điện được đặt giữa nguồn nhiệt và thành của lò nung. Hai đầu lò nung được lắp hai cửa sổ quang học bằng thủy tinh pha tạp và được giữ bởi các vít có thể điều chỉnh được độ nén. Giữa các cửa sổ này với lò nung được đặt một vòng cao su và khi vặn các vít điều chỉnh ta có thể bù trừ được lưỡng chiết của các cửa sổ quang học này. Hai cửa sổ quang được định vị nằm nghiêng so với trục ống để triệt tiêu sự đa phản xạ chùm sáng laser qua lại giữa chúng. Gần hai đầu của lò nung có các ống kết nối với hệ thống chân không để cho khí trơ Ar phục vụ cho quá trình tạo phân tử NaLi. Tại mỗi đầu của lò nung còn được trang bị ống làm mát bằng nước để hạ nhiệt độ lò nung ở 2 phía đến nhiệt độ phòng. Bên trong lò nung có ba lớp lưới thép đóng vai trò làm nguồn thẩm thấu để chuyển các nguyên tử từ vùng ngưng tụ (gần vị trí làm mát bằng nước) về trung tâm lò nung. Trước khi nung, các khối kim loại Li và Na được đặt tại điểm giữa (tương ứng với nguồn nhiệt T1) và hai bên (tương tứng với vị trí nguồn nhiệt T2). Khoảng 4 Torr của Helium được cho vào trong lò nung để làm khí đệm trong quá trình tạo mẫu.
Thực tế cho thấy, các phân tử NaLi được tạo ra khi nhiệt độ các nguồn nung T1 = 6500C và T2 = 3900C. Các phân tử NaLi được tạo ra chủ yếu ở vùng giữa của ống và có thể được duy trì trong vài giờ.
Laser bơm là một hệ thống phát thông số OPO/OPA được nhân đôi tần
số bởi bộ nhân tần SHG. Toàn hệ được kích (bơm) bởi một laser rắn Nd:YAG phát xung có độ lặp 10 Hz. Chùm laser bơm có năng lượng xung khoảng 2 mJ, độ rộng xung 8 ns và độ rộng phổ 0,075 cm-1. Hệ laser bơm được điều chỉnh để quét qua miền phổ của trạng thái 61Π của phân tử NaLi.
Laser dò hoặc là một ion Ar+ laser đa mode tại 496.5 nm(Carl Zeiss ILA 120) hoặc là một laser màu tự chế theo cấu hình Littman (được bơm bởi laser Excimer 308). Laser màu tự chế có năng lượng xung khoảng 0,03 mJ/xung và được điều hưởng bước sóng để kích thích dịch chuyển phân tử NaLi trong miền phổ 21Ʃ+←11Ʃ+. Chi tiết bước sóng của laser dò ứng với các mức đánh dấu được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Bước sóng laser dò và các mức đánh dấu tương ứng Laser dò Mức đánh dấu (v, J) Laser dò Mức đánh dấu (v,J) 15433.42 cm-1 (0, 3) 15544.80 cm-1 (0, 21) 15083.76 cm-1 (0, 5) 15463.80 cm-1 (1, 21), (1, 56) 15435.14 cm-1 (0, 6) 15390.05 cm-1 (0, 22) 15074.04 cm-1 (0, 7) 15385.30 cm-1 (0, 23) 15594.71 cm-1 (0, 9) 15427.50 cm-1 (0, 24) 15425.10 cm-1 (0, 12) 15521.20 cm-1 (0, 25), (1, 10) 15401.00 cm-1 (0, 15) 15440.20 cm-1 (1, 25)
15565.40 cm-1 (0, 17) 15493.50 cm-1 (0, 29), (0, 47) 15484.20 cm-1 (1, 17) 496.5 nm (0, 30)
15560.60 cm-1 (0, 18), (0, 45) 15357.16 cm-1 (2, 30)
15402.96 cm-1 (0, 19) 15303.60 cm-1 (2, 33), (1, 46) 15303.60 cm-1 (1, 19) 15357.16 cm-1 (1, 36)
Sơ đồ thí nghiệm đo phổ được sắp xếp như trong hình 2.4. Laser bơm và laser dò đi qua gần như cộng tuyến qua lò nung. Trước và sau lò nung, hai kính phân cực Glan-Thomson (P1 ,P2) được đặt trên quang trình của laser dò. Các kính phân cực được gắn trên hai giá đỡ có điều khiểu góc quay sau cho quang trục của chúng vuông góc với nhau (bắt chéo). Để đo được bước sóng của laser dò, một phần chùm dò được tách ra và đưa tới máy đo bước sóng WS5. Sự chuyển đổi phân cực (tròn hoặc thẳng) của laser bơm trước khi vào lò nung sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng bản phần tư bước sóng (loại λ/4 Frenel rhomb). Tín hiệu PLS sau kính phân cực P2 được ghi lại với ống nhân quang điện. Trước ống nhân quang điện, một máy đơn sắc được sử dụng để loại bỏ ánh sáng tán xạ và huỳnh quang đi ra ngoài từ lò nung. Tín hiệu của ống nhân quang điện được đo bằng bộ tích hợp SR 250 của hãng Stanford.
Hình 2.4. Bố trí thí nghiệm PLS cấu hình V, trong đó: F-Fresnel hình thoi, P-
kính phân cực , MC- máy đơn sắc, PMT -ống nhân quang, W – máy đo bước sóng, FP- giao thoa kế Fabry-Pérot, PD – photodiode, bxc – bộ tích hợp, HC- đèn hollow catot, C- máy vi tính [12].
KẾT LUẬN
Kỹ thuật phổ laser đánh dấu phân cực là công cụ rất hữu hiệu trong phân giải phổ phân tử ở trạng thái khí. Do sự liên kết đồng thời của hai chùm laser dò và laser bơm có cùng một mức chung mới cho tín hiệu phổ phân cực nên hình ảnh phổ thu được là rất đơn giản so với kỹ thuật phổ hấp thụ thông thường. Với trạng thái 61Π của NaLi, chúng tôi đã thực hiện phép đo với nhiều mức đánh dấu khác nhau để thu được nhiều số liệu phổ (tương ứng với nhiều trạng thái quay và trạng thái dao động).
CHƯƠNG 3