Trường ĐH KHTN TPHCM

Bộ môn VẬT LÍ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành QUANG HỌC

CHƢƠNG II :

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

1

NỘI DUNG

2.1 – Các bộ phận chính của quang phổ kế Raman 2.2 – Nguồn kích thích 2.3 – Kích thích mẫu 2.4 – Máy đơn sắc

2

2.1 – Các bộ phận chính của quang phổ kế Raman

 Nguồn kích thích  Hệ chiếu sáng mẫu và thu ánh sáng tán xạ

 Giá đỡ mẫu  Máy đơn sắc hay quang

phổ kế

 Hệ thống đo

3

2.2 – Nguồn kích thích

 Thường dùng laser sóng liên tục : Ar+ (351.1nm – 514.5nm) ,

Kr+ (337.4nm – 676.4nm) , He – Ne (632.8nm)

 Laser xung : Nd:YAG, diode, laser excimer ( dùng cho phổ Raman cộng hưởng UV và phổ Raman phân giải theo thời gian.

Tại sao laser là nguồn kích thích lý tưởng của phổ Raman ? Do chùm laser có : 1. Công suất lớn.

2. Độ đơn sắc cao. 3. Đường kính tia nhỏ. 4. Là ánh sáng phân cực thẳng 5. Có thể tạo ra những chùm laser có

khoảng cách thay đổi bước sóng rộng bằng cách sử dụng laser màu và các thiết bị khác.

4

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.1 – Laser khí liên tục - Laser khí chủ yếu hoạt động trong vùng phổ khả kiến.

- Các vạch phổ của laser khí rất nét ( độ rộng vạch rất hẹp :

) và nằm khá tách biệt nhau.

Sơ đồ của một laser khí hiếm điển hình

5

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.1 – Laser khí liên tục Tác dụng của cửa sổ Brewster :  Khi đo tỷ số phân cực ta cần một nguồn kích thích được

phân cực hoàn toàn.

 Ở góc Brewster, chùm ra của laser hầu như được phân

cực hoàn toàn theo một phương cố định.

6

Tại sao dùng cửa sổ Brewster ?  Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng sẽ lớn nhất khi

mặt phân cực vuông góc với mặt tới :

 Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng sẽ nhỏ nhất khi

mặt phân cực trùng với mặt tới

 .

7

Các laser khí trong vùng khả kiến

8

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.2 – Laser màu  Môi trường hoạt chất là dung dịch của chất màu hữu cơ (có đặc trưng là tổ hợp vòng benzen, vòng pyridine, vòng azine..) trong dung môi như nước hay rượu etyl và rượu metyl.

 Tính chất của laser màu : tần số biến đổi được, hệ số

khuếch đại lớn.

.

 Độ rộng vạch phát khá lớn  Sử dụng bơm quang học để tạo mật độ đảo lộn.  Hiện nay có tới 200 chất màu dùng làm hoạt chất và dải bước sóng của những chất màu năm trong miền 300 - 1300nm. Bằng cách chọn chất màu thích hợp ta có thể thay đổi liên tục bước sóng phát ra trong vùng này.

9

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.2 – Laser màu  Laser màu dùng để mở rộng vùng bước sóng cho sự

kích thích tán xạ Raman.

 Về cơ bản có ba loại laser màu điển hình : o Laser màu được bơm bằng laser khí liên tục. o Laser màu được bơm bằng laser xung. o Laser màu được bơm bằng đèn flash.

10

Sơ đồ laser màu có bƣớc sóng điều chỉnh đƣợc

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.2 – Laser màu

Công suất và bước sóng của laser màu Spectra – Physics Model 375 được bơm bằng laser ion Argon và laser ion Krypton

11

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.3 – Các loại laser khác - Laser rắn Nd:YAG (Neodymium-doped yttrium aluminum garnet)  Có thể làm việc ở chế độ xung hoặc liên tục.  Ở nhiệt độ phòng (300K), với công suất ngưỡng bơm là 1370W thì

laser này cho công suất phát bức xạ 1064nm là 10W.

 Với bước sóng 1064nm hoạt động ở chế độ liên tục được sử dụng

làm nguồn kích thích trong hệ FT – Raman.

 Trong chế độ xung , các họa tần thứ hai 532nm, thứ ba 355nm, thứ tư 266nm được sử dụng cho phổ Raman cộng hưởng trong vùng tử ngoại và phổ Raman phân giải theo thời gian.

- Các laser khác : laser diode, laser excimer, laser Nitơ…

12

2.2 – Nguồn kích thích 2.2.3 – Các loại laser khác

Một số đặc trưng của laser ND:YAG và của một vài laser khác

13

2.3 – Hệ chiếu sáng mẫu

 Tại sao phải cần có hệ kích thích và thu nhận ánh sáng từ mẫu ?

Do tán xạ Raman yếu Yêu cầu : 1. Chùm laser phải được hội tụ chính xác vào mẫu. 2. Thu nhận có hiệu quả nhất bức xạ tán xạ.

14

2.3 – Hệ chiếu sáng mẫu

 Giới thiệu một vài cấu hình quang học của hệ kích thích và

thu nhận bức xạ tán xạ

* Cấu hình tán xạ ngược (135o, 180o) được dùng phổ biến nhất vì :

+ Tránh được hiện tượng hấp thu ở các mẫu dung dịch màu.

+ Có thể đo đồng thời tán xạ Raman và Cấu hình tán xạ 900 hấp thu trong vùng UV – khả kiến.

Cấu hình tán xạ 1800

+ Có thể thu được phổ Raman đơn tinh thể của các tinh thể nhỏ mà chỉ cần một mặt tốt trên tinh thể cho mỗi hướng.

Cấu hình tán xạ dùng gƣơng

15

+ Có thể thu được phổ ở nhiệt độ thấp với mẫu rất nhỏ. Hạn chế: Tiếng ồn do sự tán xạ Raman do bản thân thủy tinh của lớp bọc hay cuvét chứa mẫu.

2.3 – Hệ chiếu sáng mẫu

* Hệ thu nhận bức xạ tán xạ : dùng hệ thống thấu kính tiêu sắc

 Khả năng hội tụ ánh sáng của thấu kính được đặc trưng

bởi số F :

f

: tiêu cự của thấu kính

D : đường kính của thấu kính

 F càng nhỏ thì khả năng hội tụ của thấu kính càng lớn.

16

Máy đơn sắc Czerny-Turner

2.4 – Máy đơn sắc  Máy đơn sắc đơn

Nhược điểm :

Khó có thể loại trừ hết ánh sáng nhiễu có nguồn gốc từ ánh sáng không bị nhiễu xạ mà tán xạ trên bề mặt cách tử.

Ánh sáng tán xạ Raman rất yếu bị ánh sáng nhiễu che lấp.

17

2.4 – Máy đơn sắc  Máy đơn sắc đôi

18

2.4 – Máy đơn sắc  Máy đơn sắc ba

19

2.4 – Máy đơn sắc

 D là bán kính gương chuẩn trực : ( L là cạnh của cách tử hình vuông )

f nhỏ

 độ phân giải của quang phổ kế giảm

 Để F nhỏ 

D lớn

 cách tử lớn, đắt tiền

 Năng suất phân giải R của cách tử :

hay

k : hằng số cách tử ( số vạch trên một đơn vị chiều dài, hay số vạch khắc trên 1mm)

m : bậc của quang phổ.

20

* Cách tử :

 Cấu tạo : gồm đế quang học với một số lớn các rãnh song song cách

đều nhau.

 Có cách tử nhiễu xạ, cách tử truyền qua

 Phương trình của cách tử nhiễu xạ :

(d : chu kỳ cách tử là khoảng cách giữa hai vạch liên tiếp của cách tử)

21

2.4 – Máy đơn sắc

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải phổ :

• Độ rộng khe của cách tử • Tốc độ của cách tử (khoảng cách giữa các điểm lấy dữ liệu ). • Hằng số cách tử • Khe hở của các bánh răng của bộ phận ghi phổ • Nhiệt độ của máy đơn sắc

22

2.4 – Máy đơn sắc  Ảnh hưởng của độ rộng khe (SW) Giữ khoảng cách giữa các điểm lấy dữ liệu không đổi, phổ được quét ở các dải qua BP 1, 2, 3, 4 cm-1 - Khi tăng BP thì hình dạng phổ bị

thay đổi.

- Cường độ tín hiệu tăng khi SW tăng nên cường độ được điều chỉnh cho thích hợp bằng cách hạ từ từ Po.

23

2.4 – Máy đơn sắc  Tốc độ cách tử

Giữ BP không đổi.

Tốc độ quét có ảnh hưởng đến hình dạng phổ.

Tốc độ quét quá nhanh sẽ làm biến đổi dạng phổ.

24

Tài liệu tham khảo

1.

2.

3.

4.

5.

Huỳnh Thành Đạt, „„Quang phổ Raman ‟‟. NXB đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2004 John R. Ferraro, Kazuo Nakamoto, „„Introductory Raman Spectroscopy Vật lý Laser ‟‟ Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn, „„Vật lý Laser‟‟. NXB đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2002 Trần Đức Hân (chủ biên), Nguyễn Minh Hiển, “Cơ sở kỹ thuật laser ”. Tái bản lần thứ nhất. Nhà xuất bản giáo dục 2005. http://mientayvn.com/

6.

7.

8.

http://www.rp-photonics.com/brewster_windows.html http://en.wikipedia.org/wiki/Monochromator http://www.analyticalspectroscopy.net/ap4-2.htm

25