CHƢƠNG I : CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC PHI TUYẾN
2.2. SHG từ các hạt nano làm từ vật liệu đối xúng tâm
2.2.3. Các hạt kim loại
Ở đây K là một hằng số và I là cường độ của sóng cơ bản tới. Đối với ánh
sáng họa ba phân cực thẳng đứng, cường độ HRS: Iv
HRS sẽ triệt tiêu đối với γ = 0 và
γ = π/2. Đối với ánh sáng phân cực ngang, cường độ IH
HRS là hằng số với mọi góc tới phân cực lối vào. Chúng ta chú ý rằng do 2 thành phần đóng góp phát sinh từ bậc giống nhau trong khai triển đa cực của a/λ nên 2 thơng số α1 và α2 sẽ có độ lớn tương tự nhau trừ trường hợp cộng hưởng gần do chúng không được tăng cường đối với cùng tần số cộng hưởng.
2.2.3 Các hạt kim loại
Độ lớn của tenxo siêu phân cực của các hạt kim loại nhỏ của vàng và bạc đã được nghiên cứu chi tiết do khả năng cộng hưởng plasmon lớn. Người ta đã quan sát thấy sự tăng cường do cộng hưởng plasmon đối với các quá trình quang phi tuyến bậc hai. Sự tăng cường này cũng xảy ra đối với SHG từ tập hợp các hạt được đặt ở một bề mặt. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sự phá vỡ tính đối xứng bản chất là do chất nền và thậm chí một độ phân cực tĩnh điện nhỏ của hạt cũng dẫn tới một lưỡng cực điện gây ra tín hiệu. Do đó, chúng ta tập trung vào các dung dịch hạt đồng nhất để tránh những rắc rối phát sinh từ chất nền. Trong dung dịch, môi trường bao quanh được coi là đồng nhất và được mô tả bằng hằng số điện môi trung
bình εm. Trong điều kiện này, các giá trị độ lớn của ten xơ siêu phân cực đã được đo đối với các hạt vàng và bạc có bán kính từ 5-35nm.
Các hạt kim loại được nghiên cứu chủ yếu là bạc và vàng do hạt đồng là khơng bền trong dung dịch lỏng. Hạt đồng địi hỏi một trạng thái chống gỉ cẩn thận để làm ổn định dung dịch và ngăn chặn sự tái ơ xy hóa của đồng thành các ion đồng. Người ta đã tìm ra độ lớn của độ siêu phân cực đối với hạt vàng với đường kính 22nm là khoảng 16,6.10-25
esu và các hạt có đường kính 5nm chỉ khoảng 0,6.10-25 esu khi nghiên cứu tần số họa ba trong cộng hưởng với cộng hưởng SP lưỡng cực điện bằng sóng cơ bản 1064nm và bước sóng họa ba 532nm. Trường hợp này cường độ họa ba được đo với các hạt kim loại là mạnh, phù hợp với các dự đốn lí thuyết. Cường độ HRS phụ thuộc vào mẫu. Các hạt có hình dạng khơng đối
xứng tâm phụ thuộc vào a4 và các hạt hình dạng đối xứng tâm (hình cầu hoặc elip)
phụ thuộc vào a6. Ngồi cộng hưởng SP, các thí nghiệm cũng đã được tiến hành và
đo được độ lớn của ten xơ siêu phân cực: ví dụ đối với hạt vàng đường kính 20nm là 11.10-25, đường kính 13nm là 43.10-25 esu ở sóng cơ bản bước sóng 820nm. Trong trường hợp này, tần số họa ba có bước sóng 410nm trong cộng hưởng dịch chuyển dải và khơng có cộng hưởng SP. Các hạt vàng có bán kính 21nm có độ lớn siêu phân cực khoảng 7.10-25
esu. Các hạt platinum khơng cho tín hiệu SH nào, điều này được cho là do khơng có cộng hưởng SP trong vùng kích thích của tần số bức xạ.
Những quan sát gần đây cho thấy độ lớn của siêu phân cực bị ảnh hưởng bởi độ dài các xung laser. Các phép đo cho thấy sự phụ thuộc vào thời gian của độ siêu phân cực của hạt kim loại thu được các thông tin sâu sắc hơn về tính chất phi tuyến.
Do cường độ HRS từ các hạt kim loại có thể được tăng cường thông qua cộng hưởng plasmon, nên các phép đo phụ thuộc vào bước sóng đã được thực hiện. Những thí nghiệm này được kì vọng là giải quyết được bài tốn nguồn gốc của độ phân cực phi tuyến từ các hạt nhỏ. Quả thật, nếu phân cực phi tuyến phát sinh từ sự
tuyến từ bản chất lưỡng cực điện hoặc tứ cực từ thì khi đó cường độ HRS sẽ biểu thị cả cộng hưởng SP lưỡng cực điện và tứ cực từ. Hơn nữa, do có hai đóng góp phát sinh từ một số hạng giống nhau trong khai triển, nên người ta hi vọng rằng cả hai sẽ xuất hiện cùng lúc với cùng cường độ. Các tần số cộng hưởng tương ứng của cộng hưởng lưỡng cực và tứ cực khác nhau do đó có thể quan sát một cách rõ ràng hai cộng hưởng này và phân biệt được giữa hai nguồn gốc. Mặc dù cường độ SHG từ các hạt kim loại phụ thuộc vào bước sóng nhưng ảnh hưởng của chất nền vẫn là quyết định. Sự phụ thuộc vào bước sóng của cường độ HRS tán xạ trong một môi trường đồng nhất đã được thực hiện bởi tác giả E.C Hao đối với các hạt bạc đường kính 32nm. Họ quan sát cả cộng hưởng lưỡng cực và tứ cực và thậm chí có thể thay đổi tỉ số cường độ HRS lớn nhất có được đối với hai cộng hưởng bằng cách thay đổi góc đặc, hình 2.4. Dạng cường độ khác nhau đối với 2 đóng góp tương ứng với tứ cực và lưỡng cực hiệu dụng, phương trình (2.20).
Hình 2.4 và 2.5 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào bước sóng của cường độ HRS đối với các dung dịch lỏng của hạt bạc đường kính 32nm và hạt vàng đường kính 12nm. Mặc dù bản chất của vật liệu khác nhau, hai thí nghiệm này chỉ ra rằng hiệu ứng trễ cũng đóng một vai trị quan trọng. Chỉ cộng hưởng SP lưỡng cực điện được quan sát thấy đối với các hạt vàng nhỏ trong khi hai cộng hưởng được quan sát đối với các hạt bạc. Hiệu ứng trễ đóng góp vào số hạng kế tiếp của khai triển đa cực của cường độ HRS theo tỉ số a/λ. Do đó, số hạng bổ chính thứ nhất là một tứ cực điện.
Hình 2.4: Sự phụ thuộc vào bước sóng của cường độ HRS đối với các dung dịch lỏng của hạt bạc đường kính 32nm đối với một góc khối hình nón [11].
Hình 2.5: Sự phụ thuộc vào bước sóng của cường độ HRS đối với các dung dịch
lỏng của hạt vàng đường kính 12nm đối với một góc khối hình nón [11].