Hiệu ứng tán xạ tổ hợp Ramana

LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH THÍCH IV.. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ TRONG RAMAN V... - Trường của nguồn bức xạ kết hợp định pha bức xạ của các phân tử riêng biệt,do đó bức xạ của tán

Sinh viên thực hiện:

1.Trần Kim Tuấn Anh

2.Trần Minh Châu

3.Trần Ngọc Phương Uyên 4.Nguyễn Hồ Bảo Anh

5.Tạ Huy Phương

MỘT SỐ THÔNG TIN CẦN THIẾT

• TÀI LIệU QUANG PHI TUYếN:

HTTP://MIENTAYVN.COM/CAO%20HOC%20QUANG%20DIEN%20TU/SEMINA%20TREN%20LOP/SEMINAR.HTML#6

• HTTPS://DRIVE.GOOGLE.COM/FOLDERVIEW?ID=0B2JJJMZJBJCWA

JNXZWPZDGRTB1MTRXDRN0HRZFHIQQ&USP=SHARING

HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TÁN XẠ

RAMAN

I LỊCH SỬ QUANG PHỔ HỌC RAMAN.

II HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG.

III LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH THÍCH

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ TRONG

RAMAN

V ỨNG DỤNG

I LỊCH SỬ QUANG PHỔ HỌC RAMAN.

- Năm 1928

chandrasekhra vekata Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ raman.

- Vào những năm 1930,

nguồn kích thích là đèn thủy ngân

I LỊCH SỬ QUANG PHỔ HỌC RAMAN.

1962, laser ra đời

Hiện tượng huỳnh quang

được loại trừ

Hiện tượng tán xạ raman được quan sát rõ ràng hơn.

a ra

o r

Biểu thức khai triển:

Lực đàn hồi tác động lên điện tử: fe

Lực đàn hồi tác động lên hạt nhân:fa

2 6 5

2 4

) ,

(

r a rr

a r

a r

a r

r r

a

a a

r r a rr

a

r a r

a

r a

Kr U

r r

U

2 6

2 5

3 4

3 3

2 2

2

3

1 3

1 2

2

) 0 , 0 ( )

, (

+ +

+ +

+ +

=

a a

a

r

r r U

2 5

2

) ,

Lực đàn hồi của hạt nhân và điện tử được viết lại:

26

K m

Ne m

P r

K dt

II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

2 0

r

0

2 )

m

Ne p

dt

p

2 0 2

−

= + ω

Thay P= χ ( ω )E vào phương trình trên:

E m

r

a E

m

Ne p

dt

p

) (

2 6

2 2

0 2

2

ω χ

Phơng trình chuyển động của hạt nhân:

262

2

2

r a r

a

f dt

r

d

II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

2 2

2

r M

a r

dt

r

d

a v

0

a v

[ ]

{

a v

a

t

t m

E r

a

t

E m

Ne P

dt

P d

ϕ ω

ω

ϕ ω

ω

ω ω

+

− +

+ +

−

= +

) (

cos

) (

cos

cos

0

0 6

0

2 2

0 2

2

Sóng tới ω làm xuất hiện ω + ωv và ω - ωv là sóng tán xạ tổ hợp

II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

nguồn bức xạ công suất lớn-laser

Phương trình (2’) trở thành(II):

P=Ner;

22

26

26

N Me

P

a M

2 6

2 2

2

N Me

P

a r

dt

r

d

a v

- Trường của nguồn bức xạ kết hợp định pha bức

xạ của các phân tử riêng biệt,do đó bức xạ của tán xạ tổ hợp sẽ trở nên kết hợp gọi là tán xạ tổ hợp kích thích

-Với tán xạ tổ hợp kích người ta quan sát được các lượng tử với tần số và

với n là số nguyên v

n ω

II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

Phân tử nhận năng lượng Trạng thái kích thích

Mất năng lượng Trạng thái cơ bản

Phát photon tán xạ

) ( ω + ω v



) ( ω − ω v

hầu hết các phân tử đều

ở trạng thái cơ bản

Cường độ vạch stokes lớn hơn vạch anti-stokes

II LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH THÍCH

Phương trình chuyển động của của một dao động tử

III LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH

THÍCH

Trường tổng cộng là tổng của trường bức xạ laser và stokes

(2.6) (2.5)

Độ phân cực phân tử:

(2.7)

Số hạng cần lưu ý:

III LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH

III LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH

III LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

1 Hiệu ứng Raman tinh tế:

Hình: Sơ đồ mức của tán xạ của tán xạ Rayleigh tinh tế và tán xạ Raman tinh tế.

• Tán xạ raman được gây ra bởi 2 photon tới (υ)

• Khi chiếu vào mẫu bằng 1 xung khổng lồ (tần số υ)

• → bức xạ bị tán xạ 2υ ± υm (tán xạ raman tinh tế stokes và đối stokes kết hợp)

• Υm là tần số của một dao động chuẩn của phân tử

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

2 Hiệu ứng Raman đảo ngược:

• Máy laser phát tần số υ đồng thời với vùng tần số liên tục từ υ → υ + 3500 cm-1

• Hấp thụ tại υ + υm trong vùng tần số liên tục và phát xạ υ

• Năng lượng hấp thụ h(υ + υm) được sử dụng cho

sự kích thích (h υm) và phát xạ năng lượng dư

(hυ).

• Dịch chuyển lên là hiệu ứng raman đảo ngược vì dịch chuyển đối stokes trong phổ raman tuyến tính xảy ra đi xuống

Lúc này chúng ta không thể bỏ qua các thành phần r2 trong lực tác dụng lên hạt nhân cũng như lực tác dụng lên điện tử:

a

e Kr a rr

f = − − 2 6 → fe = − Kr − a3r2 − 2 a6rra

2 6

2r a r a

fa = − a −

nên sẽ xuất hiện các tần số 2ω, 2ω-ω v , 2ω+ ω v , 2ω-2ω v , 2ω+ 2ω v

Phương trình chuyển động của hạt nhân:

2 2

6

2 2

2

P MeN

a r

dt

r

d

a v

a + ω = −

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

Hình: trình bày một thiết bị thông thường được sử dụng cho việc quan sát hiệu ứng Raman kích thích

(cái slide này để giải thích hình tròn đồng tâm ^^)

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

4 Phổ Raman đối Stokes kết hợp (CARS):

• 2 chùm laser năng lượng cao với tần số υ1

và υ2 (υ1 > υ2)

• Một cách kết hợp tạo ánh sáng tán xạ mạnh tại tần số 2υ1 – υ2

• Điều kiện cộng hưởng: υ2 = υ1 – υm với υm là một tần số của mode hoạt động raman của mẫu

• 2υ1 – υ2 = 2υ1 – (υ1 – υm ) = υ1 + υm

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

5 Phổ Raman đối Stokes kết hợp (CARS):

Hình : thiết bị ban đầu cho việc đo lường phát xạ đối stokes là sử dụng laser nd: yag (tần số kép) để bơm laser màu có tần số kép l là thấu kính có tiêu cự ngắn (3 – 4 cm) i là mống mắt để lọc 2 chùm tia kích thích f là bộ lọc giao thoa dải rộng d là detectơ (thường là một pin diode) m là máy đơn sắc (thường không cần thiết)

IV CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

6 Phổ Raman âm quang (PARS):

Biểu đồ thể hiện quá trình PARS

Chiếu đồng thời 2 chùm laser (chùm bơm υp

và chùm stokes υs ) vào mẫu khí Kết quả, chùm stokes được khuếch đại và chùm bơm tắt dần

V ỨNG DỤNG

Bộ khuyếch đại raman

Cấu trúc của bộ khuyến đại raman

sợi quang: nơi xảy ra quá trình khuếch đại

- fiber coupler: ghép các bước sóng tín hiệu vào với bước sóng bơm

- laser bơm: cung cấp năng lượng để các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích (laser phát ánh sáng có tần số thích hợp tùy thuộc vào vùng bước sóng cần khuếch đại)

- filter: (đặt ở 2 đầu bộ khuếch đại) ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ

khuếch đại và loại trừ nhiễu gây ảnh hưởng tín hiệu đầu vào

V ỨNG DỤNG

Bộ khuyếch đại raman

Phát laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng tín hiện cần khuếch đại  nguyên tử của sợi quang bị kích thích chuyển lên mức cao hơn  tín hiệu đến, các nguyên tử bị kích thích chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn  giải phóng năng lượng có cùng bước sóng và cùng pha với tín hiệu  tín hiệu được khuếch đại.

Công thức tính tần số ánh sáng bơm và tần số ánh sáng được khuếch đại

Fb=(E3-E1)/h

Fkd= (E2-E1)/h

V ỨNG DỤNG

Bộ khuyếch đại raman

Ưu nhược điểm của khuếch đại raman

ƯU ĐIỂM:

- Tạp âm nhiễu thấp

- Cấu trúc bộ khuếch đại đơn giản,

không cần sợi quang đặc biệt

- Có thể chọn băng tần để khuếch đại

- Có thể đạt được băng thông rộng nhờ

kết hợp nhiều laser hơn

NHƯỢC ĐIỂM:

- Xuyên âm giữa các kênh tính hiệu do hiện tượng SRS làm ảnh hưởng đến chất lượng toàn hệ thống

- Hệ số khuếch đại thấp

- Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA nên cần đến một công suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi

CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG

NGHE