Xây dựng mô đun tạo và thu tín hiệu phân cực cho hệ thống phổ đánh dấu phân cực luận văn thạc sỹ vật lý

Tuy nhiên, việc phân giải cấu trúc phổ của các phân tử trong thực tế thường gặp trở ngại vì các mức năng lượng dao động quay sắpxếp rất gần nhau nên với cùng một bước sóng kích thích của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

HOÀNG CÔNG VIÊNG

CHO HỆ THỐNG PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC

VINH , 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

HOÀNG CÔNG VIÊNG

XÂY DỰNG MÔ-ĐUN TẠO VÀ THU TÍN HIỆU PHÂN CỰC

CHO HỆ THỐNG PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Bangiám hiệu Trường Đại học Vinh, Phòng đạo tạo Sau đại học, Ban chủ nhiệmkhoa Vật lý, các thầy cô giáo chuyên ngành Quang học đã tạo điều kiện chotôi được học tập và hoàn thành chương trình cao học

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS NguyễnHuy Bằng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu vàgiúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS TS Đinh Xuân Khoa, PGS TSĐào Xuân Hợi, các bạn học viên chuyên ngành Quang học - cao học 18trường Đại học Vinh, cùng các Nghiên cứu sinh chuyên ngành Quang học đã

có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài Lời cảm ơn chân thành của tác giả cũng xin giành cho người thân, giađình, trong thời gian qua đã cổ vũ, động viên để tác giả hoàn thành luận vănnày

Vinh, tháng 9 năm 2012

Tác giả

Hoàng Công Viêng

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 BƠM QUANG HỌC VÀ CỘNG HƯỞNG KÉP QUANG HỌC 5

1.1 Bơm quang học 5

1.1.1 Sự thay đổi độ cư trú do bơm quang học 6

1.1.2 Bơm quang học với một laser phân cực 8

1.1.3 Sự sắp hàng phân tử trong trường laser 10

1.2 Cộng hưởng kép quang học 11

1.2.1 Nguyên lý cơ bản 12

1.2.2 Các sơ đồ cộng hưởng kép quang học (OODR) 13

Kết luận chương 1 16

Chương 2 KĨ THUẬT PHỔ LASER ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 17

2.1 Nguyên lý phổ laser đánh dấu phân cực 17

2.2 Biên độ của tín hiệu phân cực 20

2.3 Độ nhạy của kĩ thuật phổ phân cực 26

2.4 Cường độ tỉ đối của các vạch phổ 28

Kết luận chương 2 35

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ-ĐUN TẠO VÀ THU TÍN HIỆU PHÂN CỰC CHO HỆ THỐNG PHỔ LASER ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 36

3.1 Sơ đồ và nguyên tắc đo 36

3.2 Mô-đun tạo tín hiệu phân cực 37

3.2.1 Laser 38

3.2.2 Thiết bị tạo mẫu 41

3.2.3 Kính phân cực 42

3.2.4 Bản phần tư bước sóng 43

3.2 Mô-đun thu tín hiệu phân cực 44

3.2.1 Máy đơn sắc 44

3.2.2 Ống nhân quang điện 46

3.2.3 Hệ thống tích hợp, bộ giao diện máy tính và hệ thống kết nối 49

3.2.4 Chương trình điều khiển 51

Kết luận chương 3 54

KẾT LUẬN CHUNG 56

Tài liệu tham khảo 58 PHỤ LỤC a

Phụ lục 1: Thông số kĩ thuật của của laser màu Narrowscan a Phụ lục 2: Thông số kĩ thuật của ống nhân quang điện R2066 b

Danh mục các từ viết tắt

RF Sóng vô tuyến hay là sóng vi ba (Radio Frequency)

OODR Cộng hưởng kép quang học (Optical-Optical Double Resonance)PLS Hệ thống phổ laser đánh dấu phân cực (Polarization Labelling

Spectrocopy)

MC Máy đơn sắc (Monochromator)

PMT Ống nhân quang điện (Motomultiplier Tubes)

P Kính phân cực (Polarizer)

S/N Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise ratio)

cấu trúc nguyên tử nổi tiếng của mình [Nobel Vật lý 1922] Ngày nay, vật lý

lượng tử đã được thừa nhận rộng rãi và là lý thuyết đúng đắn nhất trong việc

mô tả thế giới vi mô Mọi quá trình vĩ mô được sẽ được sáng tỏ nếu biết đượccấu trúc vi mô của các nguyên tử, phân tử Lý thuyết này không chỉ được vậndụng để giải thích các quá trình vật lý mà còn được mở rộng sang cả các quátrình hóa học và sinh học, y học Mấu chốt của vấn đề vẫn là giải quyết bàitoán về cấu trúc phân tử (liên kết giữa các nguyên tử và cấu trúc điện tử) vàmối liên hệ giữa cấu trúc với các quá trình động học của hệ (thường xảy ratrong khoảng thời gian từ femto giây đến hàng chục giờ)

Sự phát triển của ngành phổ học đã tạo nên bước ngặt to lớn kể từ sự ra

đời của các kỹ thuật laser [Nobel Vật lý 1964] Với các tính chất nổi trội của

ánh sáng laser so với ánh sáng của các nguồn kích thích truyền thống, độchính xác của các phép đo phổ về cấu trúc vi mô đã đạt đến mức đáng kinh

ngạc [Nobel Vật lý 1981, 2005] Đặc biệt, gần đây các nhà khoa học đã thành

công khi laser làm lạnh hệ các nguyên tử, phân tử đến gần nhiệt độ khôngtuyệt đối, từ đó tiến đến việc điều khiển chuyển động của từng nguyên tử hoặcphân tử Đây là một trong những hướng nghiên cứu được kỳ vọng sẽ tạo nên

bước đột phá mới về khoa học và công nghệ quang tử tiên tiến [Nobel Vật lý

1997, 2001, 2005]

Sự phát triển và mở rộng không ngừng về đối tượng và phương phápnghiên cứu, cộng với những đóng góp ngày càng lớn vào thực tiễn, phổ họcđang được xem là một trong những lĩnh vực phát triển nhất của Vật lý họchiện đại và có nhiều ảnh hưởng đến các ngành khoa học khác Như đã trìnhbày ở trên, hiện nay các kỹ thuật phổ học không chỉ ứng dụng cho các nghiêncứu trong vật lý mà đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khácnhư hóa học, sinh học, y học Khoa học hiện đại cho rằng, những bí ẩn củacác đối tượng vĩ mô như các thiên thể, các vật liệu, cơ thể sống, động thực vậtđều có thể được giải mã nếu biết được cấu trúc của các đối tương vi mô tạonên chúng (các nguyên tử, phân tử) Hơn thế nữa, người ta còn kỳ vọng vàocác kỹ thuật “điều khiển phân tử” còn có thể “điều khiển” được các tính chấtcủa hệ vĩ mô Có thể thấy các kỹ thuật phổ học ngày nay đã trở thành “côngcụ” quan trọng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng khác nhau

Như vậy, hiểu rõ được bản chất của cấu trúc phân tử là một trongnhững nhiệm vụ quan trọng của vật lý học hiện đại nói chung và chuyênngành phổ học nói riêng Tuy nhiên, việc phân giải cấu trúc phổ của các phân

tử trong thực tế thường gặp trở ngại vì các mức năng lượng dao động quay sắpxếp rất gần nhau nên với cùng một bước sóng kích thích của nguồn sáng(thậm chí với nguồn có độ đơn sắc cao như laser) thì rất nhiều dịch chuyểnphổ có thể bị kích thích đồng thời Để khắc phục khó khăn này, nhóm nghiêncứu của Schawlow ở Stanford đã đề xuất kỹ thuật phổ laser đánh dấu phâncực có nguyên lý hoạt động dựa trên kích thích cộng hưởng kép của hai chùm

tia laser được gọi là chùm dò và chùm bơm [Nobel Vật lý năm 1981] Với

việc lựa chọn tối ưu bước sóng của laser dò thì một lượng rất đáng kể các

dịch chuyển phổ không cần thiết có thể được loại bỏ tức là việc phân tích phổđược thực hiện một cách dễ dàng hơn

Hiện nay, phòng thí nghiệm Quang phổ trường Đại học Vinh đã đượcđầu tư rất nhiều thiết bị phổ học hiện đại Đặc biệt, trong đề tài Nghị định thưhợp tác quốc tế với Hoa Kì (mã số 18/2010 HĐ-NĐT) đã triển khai xây dựng

hệ thống thí nghiệm phổ đánh dấu phân cực Hai công trình nghiên cứu về mô

hình phổ đánh dấu phân cực theo cấu hình kích thích chữ V [14] và cấu hình

bậc thang [13] đã được thiết lập Mấu chốt của kỹ thuật đo phổ này nằm ở môđun “tạo tín hiệu phân cực” và “thu tín hiệu phân cực” Lý thuyết đã chứng tỏ,

tỷ số tín hiệu trên nhiễu (N/S) và độ nhạy của hệ thống phụ thuộc vào chất

lượng của hai mô-đun này

Vì vậy, trên cơ sở tính cấp thiết của lĩnh vực nghiên cứu và để cụ thểhóa các mô hình nghiên cứu trước đây thành hệ thống đo phổ góp phần vàothúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này ở Trường Đại học Vinh, chúng tôi

chọn “Xây dựng mô-đun tạo và thu tín hiệu phân cực cho hệ thống đo phổ laser đánh dấu phân cực” làm đề tài luận văn của mình

Mục đích của đề tài là xây dựng mô-đun tạo và mô đun thu tín hiệuphân cực cho hệ thống đo phổ laser đánh dấu phân cực trên cơ sở các thiết bịhiện có ở phòng thí nghiệm Phổ học laser của Trường đại học Vinh

Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn đượctrình bày trong 3 chương có cấu trúc như sau:

Chương 1, trình bày cơ sở tạo “bất đẳng hướng lọc lựa” của môi

trường khí dưới tác dụng của bơm quang học và kỹ thuật cộng hưởng kép quang học Sự bất đẳng hướng lọc lựa này cùng với cộng hưởng kép quang

học là chìa khóa cho kỹ thuật phổ laser đánh dấu phân cực được trình bày ở

chương tiếp theo Chương 2, trên cơ sở nguyên lý của kỹ thuật phổ đánh dấu

phân cực, chúng tôi dẫn ra biểu thức tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) Tỷ số này

là cơ sở để đánh giá tiêu chí của mô-đun tạo tín hiệu phân cực Ngoài ra,chương này còn trình bày biên độ tỷ đối của phổ đánh dấu phân cực áp dụng

cho trường hợp đo phổ của các phân tử kim loại kiềm hai nguyên tử Tỷ sốnày giúp cho các nhà thực nghiệm đoán biết nhanh sự xuất hiện của trạng tháiđiện tử (hoặc Σ hoặc П) trong phân tử dựa theo sự xuất hiện số vạch phổ bộitương ứng với phân cực tròn hoặc phân cực thẳng của chùm laser bơm.

Chương 3, trình bày thiết kế và lắp ráp mô đun tạo tín hiệu phân cực và

mô-đun thu tín hiệu phân cực theo các trang thiết bị hiện có ở Trường Đại họcVinh

Chương 1 BƠM QUANG HỌC VÀ CỘNG HƯỞNG KÉP QUANG HỌC

1.1 Bơm quang học

Bơm quang học có nghĩa thay đổi độ cư trú N trong các mức bằnghấp thụ bức xạ, gây ra một độ lệch đáng kể từ độ cư trú cân bằng nhiệt Vớivạch cộng hưởng cường độ nguyên tử phát xạ từ đèn catot hoặc từ các đènphóng điện, bơm quang học đã thành công được sử dụng trong một thời giandài trong phổ nguyên tử, ngay cả trước khi phát minh ra laser Tuy nhiên, sự

ra đời của laser là nguồn bơm mạnh với độ rộng vạch hẹp đã tăng lên đáng kểphạm vi ứng dụng của bơm quang học Khả năng điều chỉnh laser để dịchchuyển phân tử mong muốn cung cấp một quá trình bơm chọn lọc và hiệu quảhơn nhiều Vì có cường độ lớn, laser cho phép một sự thay đổi N i N i0  N i

lớn hơn nhiều của mật độ cư trú trong mức đã chọn i từ giá trị chưa bão hòa0

i

N ở trạng thái cân bằng nhiệt với một giá trị không cân bằng N i [2]

Hiệu suất bơm quang học trên một hệ phân tử phụ thuộc vào đặc tínhcủa laser bơm, chẳng hạn như cường độ, băng tần quang phổ, sự phân cực, vàvào độ rộng vạch và xác xuất dịch chuyển của sự dịch chuyển hấp thụ Nếu độ

Hình 1.1 Sơ đồ mức của quá trình dịch chuyển bơm quang học

rộng tần  L của laser bơm lớn hơn so với độ rộng vạch   của dịch chuyểnphân tử, tất cả các phân tử trong mức hấp thụ i có thể được bơm Trongtrường hợp mở rộng Doppler điều này có nghĩa là tất cả các phân tử trongvùng vận tốc toàn phần đồng thời được bơm vào mức k cao hơn Nếu băngtần laser nhỏ so với độ rộng không đồng nhất của một dịch chuyển phân tử,chỉ có một nhóm nhỏ của các phân tử với một tần số hấp thụ phù hợp

0 k v. L

       

được bơm, trong đó  0 là tần số dịch chuyển giữa hai mức i

và k (E k  E i   0), v là vận tốc chuyển động của các nguyên tử, phân tử[2]

1.1.1 Sự thay đổi độ cư trú do bơm quang học

Một vài khía cạnh khác nhau của bơm quang học liên quan đến một số

kỹ thuật phổ dựa trên bơm quang học Khía cạnh đầu tiên liên quan đến sựtăng hoặc giảm độ cư trú ở mức đã chọn Ở cường độ laser đủ cao, sự dịchchuyển phân tử có thể được bão hòa Điều này có nghĩa rằng một sự thay đổitối đa N N is  N i0 của mật độ cư trú có thể đạt được, với N là âm đối vớimức thấp hơn và dương đối với mức trên của dịch chuyển Trong trường hợpcủa dịch chuyển phân tử, chỉ một phần nhỏ của tất cả phân tử kích thích trở lạimức ban đầu i bởi phát xạ huỳnh quang [2]

Vì dịch chuyển huỳnh quang phải tuân theo một quy tắc lọc lựa nhấtđịnh, thường có thể để cư trú trên một mức đã chọn m2 bằng phát xạ huỳnhquang từ mức trên được bơm (Hình 1.1b) Ngay cả với một cường độ bơmyếu, mật độ cư trú lớn trong mức m2 có thể đạt được [2]

Sự lọc lựa của bơm quang học phụ thuộc vào băng tần laser và mật độphổ hấp thụ Nếu một số đường hấp thụ chồng chéo lên nhau do mở rộngDoppler thì chúng có thể bị kích thích đồng thời nếu laser được sử dụng là đamode, có nhiều hơn một quá trình dịch chuyển đồng thời được bơm, có nghĩa

là nhiều hơn một mức trên là được cư trú (hình 1.2) Trong trường hợp này thìphổ hấp thụ trở nên dày đặc, bơm quang học với laser băng tần hẹp trongchùm phân tử lạnh hội tụ có thể được sử dụng để đạt được lọc lựa mong muốncho độ cư trú một mức trên duy nhất [2]

Trường hợp khác nhau khi chùm tia laze đơn mode (độ đơn sắc cao)được sử dụng thì vấn đề tái cư trú sẽ khác đi Xét chùm tia laser đơn mode vớitần số  được gửi theo hướng z qua một tế bào hấp thụ, chỉ những phân tửvới vận tốc nhóm v z    0  /k có thể hấp thụ photon laser   về sự dịchchuyển i  k với E k  E k   0, nghĩa là chỉ các phân tử với vận tốc trongmiền này được kích thích Hệ quả là nếu có thêm một laser dò đơn mode quétqua công tua độ rộng Doppler thì chỉ những phân tử có vận tốc trong miền nóitrên mới tham gia tương tác đồng thời với cả hai trường laser, nghĩa là ta cótín hiệu phổ cộng hưởng kép loại bỏ mở rộng Doppler [2]

Hình 1.2 Chồng chéo lên nhau của một số vạch hấp thụ mở rộng Doppler với cấu

hình vạch laser dẫn tới sự bơm quang học đồng thời ở một số mức.

Các mode laser dọc trục

Cấu hình Dopler của các

Khi một chùm ánh sáng chiếu vào một đám hơi nguyên tử thì xảy quátrình bơm suy giảm độ cư trú Sự suy giảm cư trú xảy ra khi các mức con cơbản hấp thụ ánh sáng mạnh hơn các mức khác vì các nguyên tử dịch chuyểnnhanh hơn từ các mức con hấp thụ mạnh và một độ cư trú dư thừa sẽ được tạo

ra trong các mức con hấp thụ yếu [3] Bơm suy giảm cư trú bởi ánh sáng bấtđẳng hướng được minh họa trong hình 1.3 Ánh sáng không phân cực đi vàomột đám hơi nguyên tử với trạng thái cơ bản có momen góc toàn phần J = 1

và trạng thái kích thích có J = 0 Vì nguyên tử chỉ hấp thụ giữa các mức consuy biến M mà thỏa mãn   1, dịch chuyển không xảy ra với mức con M

= 0 của trạng thái cơ bản Tuy nhiên một nguyên tử mà được kích thích từmức con   1 có xác suất 1/3 rơi trở lại vào mức con cơ bản M = 0 Do đó,tất cả nguyên tử cuối cùng sẽ được bơm vào mức con M = 0 của trạng thái cơbản [3]

1.1.2 Bơm quang học với một laser phân cực

Một khía cạnh quan trọng hơn nữa bơm quang học với một laser phân cựclọc lựa cư trú, suy giảm các mức con suy biến M J M, của một mức vớimômen xung lượng J Những mức con này khác nhau bởi hình chiếu M  của

J lên trục lượng tử hóa Các nguyên tử hay phân tử với mật độ cư trú N(J, M)không đều của các các mức con được định hướng vì momen xung lượng 

H

Nguyên tử

Hình 1.3: Ví dụ đơn giản của bơm suy giảm cư trú Sự không đều cư trú được

tạo ra trong các mức con hấp thụ yếu, và các mức con hấp thụ mạnh

phân bố không gian theo một hướng ưu tiên trong khi trong điều kiện cânbằng nhiệt thì J phân bố vào tất cả các hướng với xác suất bằng nhau, sựphân bố định hướng là đồng nhất Mức cao nhất của định hướng đạt được nếuchỉ có một trong 2J + 1 mức con khả dĩ M được chọn cư trú [2].

Ta hãy minh họa việc khảo sát trên một số ví dụ cụ thể: nếu chùm bơmlan truyền theo hướng z có phân cực   (dịch chuyển cảm ứng ánh sáng phâncực tròn trái M  1), ta chọn hướng của vector k (tức là theo trục z) là trụclượng tử hóa Spin photon   k k/ vào sự định hướng lan truyền và sự hấpthụ của các photon này dịch chuyển cảm ứng với M  1 Đối với một dịchchuyển J   0 J  1 bơm quang học với ánh sáng   chỉ có thể cư trú trênvới mức con M = +l Điều này tạo ra định hướng của các nguyên tử trongtrạng thái cao vì sự tiến động momen xung lượng của chúng xung quanhhướng +z với hình chiếu  (Hình 1.4a) Bơm quang học với ánh sáng  trên một dịch chuyển J   2 J  1 gây sự suy giảm chọn lọc M của trạng tháithấp hơn và do đó định hướng của các phân tử trong trạng thái thấp hơn (Hình1.4c) [2]

Hình 1.4 (a) Định hướng trong các trạng thái trên được tạo ra bởi bơm quang học với một ánh sáng một dịch chuyển (b) mô hình cổ điển của sự định hướng nơi J tiến động trên trục Z với một hình chiếu , (c) định hướng trong trạng thái thấp bởi sự suy giảm một phần cho ví dụ về một dịch chuyển bơm P

1.1.3 Sự sắp hàng phân tử trong trường laser

Bằng cách lựa chọn sự phân cực thích hợp của laser bơm, nó có thể đạtđược mật độ cư trú bằng nhau trong các cặp của mức con M với cùng giátrị của M trong khi các mức có M có thể có độ cư trú khác nhau Trườnghợp này được gọi là sự sắp hàng [2]

Lưu ý rằng định hướng hoặc sự sắp hàng có thể được tạo ra trong trạngthái trên của một dịch chuyển bơm do cư trú lọc lựa mức con M cũng nhưtrong trạng thái thấp hơn vì sự suy giảm lọc lựa mức con M tương ứng (hình1.4)

Bơm quang học với ánh sáng phân cực thẳng (phân cực ) lan truyềntheo hướng-z có thể được coi là sự chồng chất của ánh sáng   và   Điềunày có nghĩa rằng dịch chuyển M  1 có thể đồng thời được bơm với xácsuất bằng nhau Trạng thái trên sẽ trở thành sắp hàng bởi vì cả hai mức con M

= ± 1 đều có giá trị cư trú như nhau (Hình 1.5)

Hình 1.5a-c Sắp xếp trong mức trên của một quá trình dịch chuyển J   0 J  1

bởi một sóng bơm phân cực thẳng: (a) định hướng của E và k (b) sơ đồ mức với trục lượng tử hóa z, và (c) với trục lượng tử hóa x

Lưu ý: Nếu hướng của vector E của ánh sáng phân cực thẳng đượcchọn là trục lượng tử hóa (ta đã chọn làm trục x), các mức với Mz = ±1 bây

giờ biến đổi mức con Mx = 0 (Hình 1.5) Bơm phân cực thẳng dịch chuyểncảm ứng với M x  0 và một lần nữa tạo ra sự sắp hàng vì chỉ thành phần

Mx=0 được cư trú Tất nhiên, việc chọn trục lượng tử hóa không thể thay đổitình huống vật lý mà chỉ để biểu diễn sự mô tả của nó

1.2 Cộng hưởng kép quang học

Sự thay đổi mật độ cư trú N icó thể được dò bằng một sóng thứ hai, cóthể là một trường tần số vô tuyến (RF), hoặc một chùm tia laser Nếu "sóngdò" được điều chỉnh cộng hưởng với một dịch chuyển phân tử chung mộttrong hai mức i và k với dịch chuyển bơm, laser bơm và sóng dò đồng thờicộng hưởng với quá trình dịch chuyển nguyên tử hay phân tử (Hình 1.6) Điềunày được gọi là cộng hưởng quang học RF, hay cộng hưởng quang sóng vi bahay cộng hưởng kép quang học

Trong khi dịch chuyển bơm là luôn luôn gây ra bằng một laser xunghoặc liên tục, trường dò có thể được cung cấp bởi nguồn không liên kết trongvùng RF và -65 mmUV [2]

Sự kết hợp của kỹ thuật phổ laser với chùm phân tử và phổ RF đã mở

rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của sơ đồ cộng hưởng kép quang học RF.Phương pháp cộng hưởng cộng hưởng kép quang học RF đã trở thành một kỹ

Hình 1.6: Sơ đồ cộng hưởng kép quang học

rf .

huỳnh quang sóng bơm

thuật rất mạnh mẽ cho đo chính xác cao momen lưỡng cực điện hoặc từ, các

hệ số Lamde, và chia tách siêu tinh tế trong các nguyên tử và phân tử Do đó,được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm [1]

1.2.1 Nguyên lý cơ bản

Dịch chuyển quang học giữa hai mức khác nhau i và k có thể đượcchia thành các mức con gần nhau i n và k m Một laser băng tần hẹp đượcđiều chỉnh để dịch chuyển giữa các mức con i n và k m , đặc biệt có sự lọclựa làm suy giảm độ cư trú mức i n và tăng độ cư trú mức k m Ví dụ củatrường hợp này là những thành phần siêu tinh tế của hai mức dao động – quaytrong hai trạng thái điện tử khác nhau của một phân tử hoặc các mức conZeeman của trạng thái điện tử nguyên tử (Hình 1.6)

Nếu mẫu bơm quang học được đặt bên trong một trường RF với tần số

rf

 điều chỉnh vào cộng hưởng với dịch chuyển i j  i n giữa các mức củatrạng thái thấp hơn, độ cư trú mức N i n suy giảm bởi bơm quang học sẽ tăngtrở lại, dẫn đến tăng sự hấp thụ của chùm bơm quang học, có thể được theodõi bởi sự tăng tương ứng của cường độ phát xạ huỳnh quang [2] Đo cường

8

3.10

V  ! Vì photon quang học có thể được dò với hiệu suất cao hơn nhiều sovới lượng tử RF, khuếch đại năng lượng riêng này mang lại một sự tăng tươngứng về độ nhạy máy dò [3]

Dịch chuyển RF giữa các mức con của trạng thái trên mang lại một sựthay đổi của sự phân cực và phân bố không gian của huỳnh quang cảm ứngbằng laser Do đó, chúng có thể được dò thông qua bản phân cực ở phía trướccủa ống nhân quang Vì dịch chuyển RF làm suy giảm mức trên bơm quanghọc nên tín hiệu cộng hưởng kép RF tại  2 km j E k j  E k m /

ngược lại so với trạng thái thấp hơn tại  1  in j (Hình 1.7) [2]

1.2.2 Các sơ đồ cộng hưởng kép quang học (OODR)

Kĩ thuật cộng hưởng kép quang học OODR (OODR - optical-optical double-resonance) có cơ sở là sự tương tác đồng thời của một phân tử với hai

sóng được điều hưởng bởi hai dịch chuyển phân tử có chung một mức [1] Cóthể là một mức cao hoặc một mức thấp của sự dịch chuyển bơm Có ba sơ đồ

có thể có của OODR được miêu tả trong hình 1.8

Với cấu hình OODR chữ V (hình 1.8a), thì mức thấp i được chọn lựa

là mức nghèo Các dịch chuyển OODR, được điều khiển thông qua hiệu mật

độ cư trú trong sự hấp thụ của sóng dò khi không có sóng bơm, được bắt đầu

Hình 1.7 Cộng hưởng kép tần số vô tuyến quang học cho mức dưới và trên của

từ mức thấp 1 và kết thúc trong các mức cao m Từ đó cho biết các thông

tin chính về các mức cao Sơ đồ OODR thứ hai (hình 1.8b) biểu diễn sự kíchthích của các mức cao qua một mức chung trung gian 2 , mức cao của sựdịch chuyển bơm là mức thấp của dịch chuyển dò Sơ đồ sau cùng (hình 1.8c),

là sơ đồ OODR cấu hình , biểu diễn một quá trình cộng hưởng Raman kích

thích trong đó các phần tử được dịch chuyển kết hợp từ mức 1 đến mức m

bởi sự hấp thụ của laser và sự phát xạ kích thích do laser dò [2]

Hình 1.8 Các sơ đồ khác nhau cho OODR, (a) OODR cấu hình chữ V; (b) OODR

cấu hình bậc thang; (c) OODR cấu hình 

Phương pháp cộng hưởng kép kiểu chữ V có thể được coi như sựnghịch đảo của phương pháp huỳnh quang cảm ứng (hình 1.9) [5]

Hình 1.9 So sánh giữa OODR cấu hình chữ V và LIF

Với kĩ thuật LIF thì mức kích thích 2 được chọn lựa là mức cư trú.Dẫn đến phổ huỳnh quang phù hợp với tất cả các dịch chuyển quang học được

phép về các mức dưới m Phân tích phổ LIF mang lại các thông tin chính về

trạng thái cao [1]

Kết luận chương 1

Bơm quang học có vai trò quan trọng trong việc làm thay đổi độ cư trúgiữa các mức năng lượng trong các phân tử so với khi chúng ở điều kiện cânbằng nhiệt Đặc biệt, khi sử dụng chùm laser phân cực tròn hoặc phân cựcthẳng làm chùm bơm thì sự thay đổi độ cư trú ở các trạng thái lượng tử suybiến của các phân tử sẽ không đồng đều Lúc đó, môi trường trở nên bất đẳnghướng lọc lựa Cụ thể:

Nếu chùm laser kích thích phân cực tròn, theo quy tắc lọc lựa thì chỉnhững mức con suy biến ở trạng thái trên và trạng thái dưới sai khác nhau mộtđơn vị của số lượng tử hình chiếu mô men quỹ đạo mới tham gia dịch chuyển.Nghĩa là sau một thời gian bơm, độ cư trú giữa các mức con suy biến nàykhông bằng nhau, tương đương với một sự định hướng ưu tiên của véctơmômen quỹ đạo toàn phần của phân tử, nghĩa là có sự bất đẳng hướng

Nếu chùm laser kích thích phân cực thẳng ta có thể xem như chồng chấtcủa hai chùm laser phân cực tròn trái và phải có cùng biên độ Khi đó, quy tắclọc lựa cho thấy các mức suy biến có cùng giá trị hình chiếu ( M ) thì có độ

cư trú như nhau nên các phân tử được xem như là sắp hàng theo phương nào

đó, ta cũng có sự bất đẳng hướng

Khi một phân tử tương tác cộng hưởng với đồng thời với hai sóng đểthực hiện hai dịch chuyển có cùng một mức chung thì xảy ra hiện tượng cộnghưởng kép quang học Sự bất đẳng hướng do bơm quang học và cộng hưởngkép quang học là cơ sở cho kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực

Chương 2

KĨ THUẬT PHỔ LASER ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC

2.1 Nguyên lý phổ laser đánh dấu phân cực

Phương pháp phổ đánh dấu phân cực PLS là sự kết hợp giữa phổ phâncực và cộng hưởng kép quang học Nguyên lí cơ bản của phương pháp này làtách sự thay đổi phân cực của chùm tia laser yếu (gọi là chùm dò) sau khi điqua một mẫu phân tử đã được bơm bởi một chùm tia laser mạnh khác (gọi làchùm bơm) Sơ đồ nguyên lí cơ bản của thí nghiệm về PLS như trên hình 2.1,trong đó mẫu phân tử được đặt giữa hai kính phân cực thẳng P1 và P2 bắt chéonhau [1]

Chùm dò được truyền qua một kính phân cực thẳng P1, qua buồng mẫunguyên tử rồi đến kính phân cực thẳng thứ hai P2 đặt bắt chéo với P1 Khikhông có laser bơm thì mẫu trở nên đẳng hướng và máy thu D đặt sau P2 chỉ

Phân tử

Laser bơmLaser dò

/4

P1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí cơ bản của thí nghiệm cho PLS, P 1 và P 2 là các cặp kính

phân cực thẳng bắt chéo nhau, D là máy thu sự thay đổi tín hiệu của chùm tia dò.

thu được một tín hiệu rất nhỏ được tạo ra bởi sự lan truyền còn dư của kínhphân cực ngược P2 với cường độ bằng khoảng 10-7I1 [2]

Chùm bơm sau khi được truyền qua tấm /4 sẽ tạo nên sự phân cựctròn, nó sẽ đi qua buồng mẫu Khi tần số laser  điều hưởng dịch chuyển

nguyên tử (J”, M”)  (J’, M’), thì các nguyên tử ở mức thấp (J”, M”) có thể

bị hấp thụ bởi sóng bơm Số lượng tử M mô tả hình chiếu của J theo hướng

lan truyền của ánh sáng, thoả mãn quy tắc lọc lựa M = 1 đối với dịch chuyển M” M’ được cảm ứng bởi ánh sáng phân cực tròn + (M”  M’ = M” + 1) Vì sự bão hoà mà các mức con M của mức quay J” trở nên nghèo hoàn toàn Độ nghèo phụ thuộc vào cường độ bơm I2, tiết diện hấp thụ  (J”, M”  J’, M’) và các quá trình tích thoát có thể có về mật độ cư trú của mức

(J”, M”) Tiết diện hấp thụ  phụ thuộc vào J”, M”, J’ và M’ Từ hình 2.2 có

thể thấy rằng trong trường hợp của các dịch chuyển P hoặc R với J = -1 hoặc +1 thì tất cả các mức con của M đều không được bơm Chẳng hạn, từ các mức với M” = +J thì không có dịch chuyển P với M = +1 trong khi đó đối với các dịch chuyển R thì các mức M’ = J’ không có mật độ cư trú Điều này có

nghĩa là các quá trình bơm đã tạo ra sự mất cân bằng bão hoà và làm mật độ

Hình 2.2: Quá trình bơm quang học cho chùm bơm phân cực tròn, tạo ra sự không

đồng đều độ cư trú giữa các mức con suy biến, gây nên sự bất đẳng hướng lọc lựa;

a) Bơm quang học cho chùm bơm phân cực tròn phải dịch chuyển P từ J’’=1 lên

J’=2; b) Bơm quang học cho chùm bơm phân cực tròn trái dịch chuyển R từ J’’=2

lên J’=1

cư trú không đồng đều của các mức con M, cũng có nghĩa là sự phân bố bất đẳng hướng đối với sự định hướng của véc tơ mômen góc J [2].

Như vậy, sự bất đẳng hướng làm cho mẫu trở nên lưỡng chiết đối vớichùm dò phân cực thẳng Mặt phẳng phân cực được quay đi một ít sau khiđược đi qua mẫu bất đẳng hướng Hiệu ứng này rất giống với hiệu ứng

Faraday trong đó sự bất đẳng hướng theo hướng J được tạo bởi từ trườngngoài Trái với hiệu ứng Faraday trong đó tất cả các nguyên tử đều được địnhhướng, thì ở đây chỉ các nguyên tử tương tác đồng thời với sóng bơm và sóng

dò mới tạo ra sự bất đẳng hướng này [2] Đây là một nhóm nhỏ của cácnguyên tử mà có các thành phần véc tơ

0( ) / /

trong đó vz được xác định bởi độ rộng vạch phổ đồng nhất  = 

Khi   0 thì sóng dò truyền qua kính phân cực ngược vào mẫu tươngtác với một nhóm các nguyên tử khác có vận tốc trong khoảng

0(  ) /

v v k , và vì thế sẽ không bị ảnh hưởng bởi sóng bơm.

Do đó, nếu tần số laser  trùng với tần số trung tâm 0 của dịch chuyểnnguyên tử bên trong độ rộng vạch đơn sắc  ( = 0    v z = 0  v z),

cả hai sóng có thể bị hấp thụ bởi các nguyên tử và sóng dò trải qua sự lưỡng

chiết do sự bất đẳng hướng sự phân bố M của các nguyên tử hấp thụ [2].

Chỉ có trường hợp này mặt phẳng phân cực của sóng dò bị quay đi mộtgóc nhỏ  và đầu thu D sẽ thu được một tín hiệu không có hiệu ứng Dopplermỗi khi tần số laser  được điều hưởng qua tâm của nguyên tử hấp thụ tuyếntính [2]

Đối với phổ đánh dấu phân cực thì chùm dò và chùm bơm dịch chuyểncộng hưởng cùng mức dưới hoặc mức của dịch chuyển bơm Như vậy, trong

quá trình đánh dấu phân cực, mặc dù bước sóng chùm bơm được quét liên tụcqua miền phổ nghiên cứu nhưng hình ảnh phổ phân cực lại rất đơn giản vì chỉ

có những dịch chuyển bơm nào có cùng mức chung (còn gọi là mức đượcđánh dấu) với chùm dò mới xuất hiện ở đầu thu Nếu ta chọn chùm dò cóbước sóng thích hợp để kích thích đúng một mức dao động quay trong trạngthái cơ bản lên trên trạng kích thích thì phổ phân cực cũng chỉ xuất phát từmức này lên các mức dao động quay của trạng thái cần nghiên cứu

2.2 Biên độ của tín hiệu phân cực

[ ( /2) ] 0

được tăng lên giữa hai thành phần, cũng như có hiệu số biên độ

Nếu trục truyền dẫn của thiết bị phân tích P2 được nghiêng một góc nhỏ

 << 1 ngược với trục y (Hình 2.3) thì biên độ truyền đi trở thành

Với hầu hết các trường hợp trong thực tế, hiệu số  và n gây bởisóng bơm là rất bé Ngoài ra, hiện tượng lưỡng chiết của cửa sổ mẫu có thể làcực tiểu (ví dụ, bởi bù đắp áp suất khí quyển bằng một máy áp suất được lắpvào biên của cửa sổ) Với

( ) T( ) t t

Thậm chí cho  = 0, kính phân cực chéo có được một sự phát xạ còn dư

rất nhỏ It = I0 (  10-6 tới 10-9) Chúng ta thu được cường độ tới của chùm

dò I0 và viết tắt       2 c b r, cường độ phát xạ

w

w

2 0

Sự thay đổi hệ số hấp thụ  được gây bởi những nguyên tử này trong

khoảng vận tốc vz = 0  s/k, tương thích với sóng bơm và sóng dò Cấu

hình vạch phổ () vì thế tương tự như trong phổ hấp thụ bão hòa với mộtcấu hình Lorentz

0 2

( )

1

x c

Đối với các trường hợp khác chùm bơm là phân cực thẳng, xuất hiệnbiên độ cực đại của tín hiệu phân cực khi mặt phẳng phân cực của chùm bơm

và chùm dò nghiêng một góc 450 [5]

Trong trường hợp này, các vectơ điện của chùm dò có thể được táchthành hai thành phần, thành phần song song và vuông góc với hướng phân cựccủa chùm bơm Sau khi đi qua các mẫu đẳng hướng hai thành phần của cácchùm dò cũng có tính lưỡng chiết và tính lưỡng hướng sắc, được minh hoạtrên hình 2.4.

Cường độ truyền có thể được viết:

2 2

1 3

Các thừa số 1 2

1 x và 2

1

x x

 trong phương trình (2.12) và (2.15) mô tảdạng vạch phổ gồm các đường cong Lorentz và đường cong tán sắc Đườngcong trội hơn có thể được chọn lựa bởi sự cài đặt hợp lí của các điều kiện thínghiệm Nếu θ là nhỏ thì số hạng bậc hai trong phương trình (2.12) và (2.15)

là nguyên nhân chính đối với các tín hiệu và chỉ có các đường cong Lorentzđược thu cho cả hai sự phân cực của chùm bơm

Nếu một trong những bước sóng điều hưởng của chùm dò xảy ra cộnghưởng và giả thiết θ = 0 (kính phân cực chéo hoàn toàn) cả hai phương trình(2.12) và (2.15) được rút gọn

2 0

( ) 16(1 )

( ) 16(1 )

2.3 Độ nhạy của kĩ thuật phổ phân cực

Biên độ của sự tín hiệu tán sắc trong (2.15) xấp xỉ hiệu số

Dưới điều kiện của phòng thí nghiệm sự đóng góp chính cho sự nhiễu

là từ sự thay đổi của cường độ laser dò Mức độ nhiễu chủ yếu tỷ lệ với cường

độ truyền, nó được cho bởi số hạng cuối của phương trình (2.15)

Bởi vì tỉ số tín hiệu trên nhiễu được quy định bởi hệ số dập tắt của haikính phân cực được đặt chéo giữa hai đầu buồng mẫu nên có hệ số tín hiệu

trên nhiễu tốt hơn so với trong phổ hấp thụ bão hòa, ở đây giả thiết toàn bộcường độ của chùm dò được thu.

Hơn nữa trong sự thiếu đi của kính lưỡng chiết quang học (br = bi =

ở đây a là số đo tính ổn định cường độ của chùm dò, tức là I1/a là nhiễu chính

của sóng dò, S0 là tham số bão hòa tại  = 0, và 1

Tỷ số này là một hàm của góc  giữa hai kính phân cực (Hình 2.3) vàgiá trị lớn nhất cho d(S/N)/d = 0 đó là 

LS C S

a N



1 5





1 1

5

3 2 5

J J