CHƢƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỔ DAO ĐỘNG RAMAM
1.4. Nguyên tắt cấu tạo của máy đo phổ Raman
1.4.1. Các nguồn kích thích
Trƣớc sự phát triển của laser vào những năm 1960, nguồn kích thích cho quang phổ raman thƣờng là đèn thủy ngân, đƣợc gắn với bộ lọc và các hệ thống phức tạp để cung cấp một bƣớc sóng duy nhất và đủ công suất để tạo ra tán xạ Raman. Hồ quang Toronto (thủy ngân) cuối cùng cũng trở thành nguồn kích thích chuẩn cho quang phổ Raman. Chiếc đèn trông rất phức tạp có tổng chiều dài đƣợc cuộn lại khoảng trong đó thủy ngân đƣợc bao phủ bới các điện cực cao áp và cần rất nhiều thời gian để đốt cháy đèn. Sự ra đời của laser đã thúc đẩy sự tán xạ Raman và ứng dụng của phổ Raman vào cuộc tăng lên nhanh chóng.
Trong những năm gần đây ngƣời ta đƣa vào sử dụng các nguồn laser kích thích ở vùng tử ngoại (UV) và cận hồng ngoại (NIR). Các loại laser khí liên tục (CW) thƣờng đƣợc sử dụng cho phổ Raman chẳng hạn nhƣ: , , và gần đây hơn các laser xung nhƣ
Nd:YAG, diode, laser excimer đã đƣợc sử dụng cho phổ Raman cộng hƣởng tia cực tím (UV) và phổ Raman phân giải theo thời gian.
Laser là nguồn kích thích lí tƣởng cho phổ Raman chủ yếu do các đặt tính sau: (1) Công suất lớn, các vạch đơn của laser CW có thể dễ dàng đạt công suất còn laser xung có thể cung cấp công suất cực đại lên đến
(2) Chùm sáng laser có độ đơn sắc cao.
(3) Chùm tia laser có bán kính nhỏ (1-2mm) và có thể giảm xuống còn bằng cách sử dụng hệ thấu kính đơn giản. Do đó, toàn bộ thông lƣợng bức xạ của nguồn kích thích có thể hội tụ lên mẫu có kích thƣớc nhỏ, rất thuận lợi trong việc nghiện cứu các chất lỏng có thể tích rất bé (cỡ ) và các tinh thể (cỡ ). Trong quang phổ micro-Raman ngƣời ta có thể nghiên cứu các mẫu nhỏ có bán kính cỡ . (4) Chùm tia laser thì hầu nhƣ là phân cực hoàn toàn, do đó nó rất lý tƣởng cho việc đo tỷ số phân cực.
(5) Có thể tạo những chùm laser có thể thay đổi bƣớc sóng rộng bằng cách sử dụng laser màu và các thiết bị khác.
1.4.1.1 Laser khí liên tục (CW) a. Nguyên lý cấu tạo
Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo của Laser khí liên tục CW
Hình 1.8 mô tả sơ đồ cấu tạo của laser khí liên tục CW bao gồm các bộ phận chính
(1) Môi trƣờng hoạt tính: là chất khí ví dụ nhƣ khí Ar, Kr… đƣợc chứa trong ống plasma
(2) Buồng cộng hƣởng: gồm 2 gƣơng phản xạ, một gƣơng có hệ số phản xạ lớn, một gƣơng có hệ số phản xạ thấp hơn cho chùm tia laser thoát ra ngoài
(3) Bộ phận kích thích hay nguồn bơm: có vai trò cung cấp năng lƣợng để tạo ra mật độ đảo lộn trong môi trƣờng hoạt tính. Đối với laser thì điện tử đƣợc gia tốc trong điện trƣờng và năng lƣợng đƣợc truyền cho các nguyên tử trong môi trƣờng hoạt tính thông qua quá trình va chạm
(4) Bộ phận của sổ Brewster nghiên một góc đƣợc xác định bởi , trong đó n là chiếc suất của vật liệu làm của sổ. Đối với thạch anh trong vùng khả kiến thì . Ở góc Brewster chùm ra của laser hầu nhƣ phân cực hoàn toàn theo một phƣơng cố định.
b. Nguyên lý hoạt động
Khi cho dòng điện rất cao phóng qua khí Ar và Kr chứa trong ống Plasma. Sự phóng điện này sẽ làm ion hóa chất khí và làm tăng mật độ trạng thái kích thích để phát laser. Các photon phát xạ bị phản xạ bởi hai gƣơng của hai gƣơng của buồng cộng hƣởng và tƣơng tác với các ion đã đƣợc kích thích, sự phát xạ do kích thích tạo ra những photon có năng lƣợng bằng nhau, có pha và phƣơng dao động nhƣ nhau, quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt đƣợc sự cân bằng giữa kích thích và phát xạ, cả hai gƣơng đều đƣợc mạ để phản xạ ánh sáng có bƣớc sóng mong muốn và những ánh sáng có bƣớc sóng khác sẽ đƣợc gƣơng cho truyền qua. Một lăng kính đƣợc đặt giữa hai gƣơng để buộc laser chỉ hoạt động ở bƣớc sóng mong muốn
c. Các loại laser khí
Bảng 1.1: Một số laser khí với các bƣớc sóng hoạt động của nó Laser Bƣớc sóng trong Laser Bƣớc sóng trong
không khí (nm)
Số sóng trong không khí (cm-1)
Công suất điển hình (mW) Ar-ion 351,1-363,8 (UV) 28481,9-27487,6 100-400 454,4 (blue-violet) 22002,1 120 457,9 (blue-violet) 21838,8 350 465,8 (blue) 21468,4 200 472,7 (blue) 21155,1 300 476,5 (blue) 20986,4 750 488,0 (blue) 20491,8 1500 496,5 (blue-green) 20141,0 700 501,7 (green) 19932,2 400 514,5 (green) 19436,3 2000
337,4 (UV) 29638,4 200 350,7 (UV) 28514,4 1200 356,4 (UV) 28058,4 600 Kr-ion 406,7 (violet) 24588,1 900 413,1 (violet) 24207,2 1800 415,4 (violet) 24073,2 275 468,0 (blue) 21367,5 500 476,2 (blue) 20999,6 400 482,5 (blue) 20725,4 400 520,8 (green- yellow) 19201,2 700 530,9 (green- yellow) 18835,9 1500 568,2 (yellow) 17599,4 1100 647,1 (red) 15453,6 3500 676,4 (red) 14784,2 900 752,5 (near-IR) 13289,0 1200 799,3 (near-IR) 12510,9 300 He-Ne 632,8 (red) 15802,2 50 He-Cdd 441,6 (blue-violet) 22644,9 40 325,0 (UV) 30769,2 10
1.4.1.2 Laser Neodymium – YAG
Neodymium – YAG (Nd:YAG) là loại laser rắn, Hoạt chất chứa Yttrium- Aluminum-Garnet (Y3Al5O12) pha tạp thêm 2-5% ion (Neodym) Nd3+. Các tia laser đƣợc tạo ra ở cả hai chế độ CW và xung. Trong phổ FT-Raman, laser Nd:YAG với bƣớc sóng (CW) làm việc ở dạng sóng liên tục, đƣợc sử dụng làm nguồn kích thích, trong chế độ xung, các tần số thứ hai (532nm), thứ ba (355nm), thứ tƣ (266nm) đƣợc sử dụng cho quang phổ Raman cộng hƣởng trong vùng tử ngoại và phổ Raman phân giải theo thời gian, bằng việc kết hợp các tần số này với cac laser màu có thể bao phủ hết toàn bộ vùng phổ từ 185-880 nm không còn một khoảng trống nào.
Laser Neodymium – YAG là loại laser cho ra bức xạ đều, dẫn nhiệt và chịu nhiệt tốt, độ bền cơ học cao và thời gian phục vụ cao. Có thể liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz
Hình 1.9: Sơ đồ cấu tạo laser Nd:YAG
1.4.1.3 Laser Diode
Laser diode là một thiết bị bán dẫn tƣơng tự nhƣ diode phát quang là sự phát xạ quang học tại các điểm tiếp giáp p-n của chất bán dẫn. Có thể thu đƣợc laser diode ở các bƣớc sóng từ màu xanh lam đến vùng hồng ngoại, ngày nay sự triển đã tạo ra đƣợc laser phát ra bƣớc sóng trong vùng tử ngoại. Laser diode đƣợc sử dụng trong nhiều sản phẩm tiêu dùng nhƣ: Trong mạng truyền thông cáp quang, đầu đọc mã vạch, con trỏ laser, đọc hoặc ghi đĩa CD, DVD,… Ƣu điểm chính của những loại tia laser này là hiệu quả cao với công suất và khả năng phát xạ, kích thƣớc nhỏ gọn. Đối với nguồn kích thích Raman, cần phải giảm xu hƣớng thay tự đổi bƣớc sóng để ổn định cấu trúc trúc chế độ. Các cải thiện đã đƣợc thực hiện bằng cách kiểm soát cẩn thận nhiệt độ trong phạm vi bằng cách kết hợp với cách tử và khoang laser để tối đa hóa một chế độ laser cụ thể
1.4.1.4 Laser màu
Laser màu là loại laser mà hoạt chất là các chất hữu có có đặc trƣng là tổ hợp vòng benzen, vòng pyridine, vòng azine,… các dung môi thƣờng đƣợc sử dụng là nƣớc, rthanol, tuluene, glycerine,… độ rộng vạch laser rất hẹp cỡ và sử dụng bơm quang học để tạo mật độ đảo lộn. Hiện nay có tới 200 chất màu dùng làm hoạt chất và dải bƣớc sóng của những chất màu nằm trong miền . Bằng cách chọn chất màu ta có thể thay đổi liên tục bƣớc sóng của laser phát ra. Ngoài ra laser màu dùng để mở rộng khoảng bƣớc sóng để kích thích Raman, có thể làm hẹp
phổ bức xạ laser đồng thời có thể điều chỉnh bƣớc sóng laser phát ra ngƣời ta thƣờng đƣa vào buồn cộng hƣởng các yếu tố lọc nhƣ: lọc sáng, giao thao kế sóng phẳng, lăng kính tán sắc, cách tử nhiễu xạ,… Hình 1.10 trình bày sơ đồ cấu tạo laser có bƣớc sóng điều chỉnh đƣợc.
Về cơ bản, có ba loại laser màu: laser đƣợc bơm bởi laser liên tục, laser đƣợc bơm bằng laser xung, laser đƣợc bơm bằng đèn flash. Hình 1.11 trình bày công suất và bƣớc sóng của laser màu Spectra-physic, model 375 đƣợc bơm bằng các laser khí Ar và laser khí Kr
Hình 1.10: Sơ đồ cấu tạo laser màu
Hình 1.11: Công suất và bƣớc sóng của laser màu Spectra-physic 375
Laser Wavelength Type and typical power Solid state laser
Ruby Xung, lên đến
Nd:YAG (near IR) CW/xung, lên đến
Diode (IR) CW/xung, lên đến 25
Gas laser
Nitrogen (UV) Xung,
Carbon dioxide (IR) CW/xung, lên đến 10
Excimer (XeCl) (UV) Xung, lên đến