Hiệu ứng tán xạ tổ hợp Raman

1. 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

2. MỘT SỐ THÔNG TIN CẦN THIẾT
• TÀI LIệU QUANG PHI TUYếN:
HTTP://MIENTAYVN.COM/CAO%20HOC%20QUANG%20DIEN%20TU/SEM
• HTTPS://DRIVE.GOOGLE.COM/FOLDERVIEW?ID=0B2JJJMZJBJCWAJNXZ

3. HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TÁN XẠ
RAMAN
I. LỊCH SỬ QUANG PHỔ HỌC RAMAN.
II. HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢPÁNH
SÁNG.
III. LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ
HỢP KÍCH THÍCH
IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ TRONG
RAMAN
V. ỨNG DỤNG

4. 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.

5. 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.

6. II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG
Bản chất tán xạ tổ hợp: hệ gồm nhiều hạt không có momen dipole
riêng , trong đó xét thêm đến chuyển động của cả điện tử và hạt nhân
Lý thuyết cổ điển
ar
r


vị trí điện tử
vị trí hạt nhân
U(r,ra) khai triển quanh vi trí cân bằng:
0)()(
0
==
∂
∂
∂
∂
== r
U
r
U
a ra
or

7. Biểu thức khai triển:
Lực đàn hồi tác động lên điện tử: fe
Lực đàn hồi tác động lên hạt nhân:fa
2
65
2
42 2
),(
rarrarara
r
rrU
f aaa
a
a
a −−−−=
∂
∂
−=
aa
a
a
a
rrarra
rara
raKr
UrrU
2
6
2
5
3
4
3
3
2
2
2
3
1
3
1
22
)0,0(),(
++
++++=
aa
a
e
rrararaKr
r
rrU
f 6
2
5
2
3 2
),(
−−−−=
∂
∂
−=
II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

8. Lực đàn hồi của hạt nhân và điện tử được viết lại:
2
62 raraf aa −−=
ae rraKrf 62−−=
Phương trình chuyển động của điện tử:
eE ff
dt
rd
m +=2
2 thay
eErraK
dt
rd
m a =++ )2( 62
2
Nhân (1) với
(1)
m
Ne
Với P=Ner ; K(ra)=K+2a6ra
m
ra
m
K
m
rK aa 62)(
+=
(2)E
m
Ne
m
PrK
dt
pd a
2
2
2
)(
=+
II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

9. 2
0ω=
m
Kđặt
m
ra
m
rK aa 62
0
2)(
+= ω (3)
Thay (3) vào (2): p
m
ra
E
m
Ne
p
dt
pd a6
2
2
02
2
2
−=+ ω
Thay P=χ(ω)E vào phương trình trên:
E
m
ra
E
m
Ne
p
dt
pd a
)(
2 6
2
2
02
2
ωχω −=+ (I)
Phơng trình chuyển động của hạt nhân:
2
622
2
raraf
dt
rd
M aa
a
−−== (1’
)
II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

10. Chia (1’
) cho M và đặt:
M
a
v
22
=ω
262
2
2
r
M
a
r
dt
rd
av
a
−=+ ω
Trườngđiện tử ngoài yếu(2’
)
(2’
)
Phương trình(3’)
02
2
2
=+ av
a
r
dt
rd
ω
)cos(0
avaa trr ϕω += (4’
)
Thay (4’
)vao (I) và đặt E=E0cosωt
II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

11. [ ]{
[ ] }av
av
a
t
t
m
Era
tE
m
Ne
P
dt
Pd
ϕωω
ϕωω
ωω
+−+
++−
=+
)(cos
)(cos
cos
0
0
6
0
2
2
02
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

12. nguồn bức xạ công suất lớn-laser
Phương trình (2’
) trở thành(II):
P=Ner; 22
2
6
2
6
NMe
Pa
M
ra
−=−
22
2
62
2
2
NMe
Pa
r
dt
rd
av
a
−=+ ω
Độ phân cực P (II) chứa các số hạng
điều hoà :
ω vωω +2 2 vωω −2

13. -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 vớitần số và
với n là số nguyên
vnωω + vnωω −

14. II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG
Phân tử nhận năng lượng Trạng thái kích thích
Mất năng lượngTrạng thái cơ bản
Phát photon tán xạ

15. )( vωω +
)( vωω −
ω
ωωω
V=0
V=1
 
ω

ω
vωω + vωω −
II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG

16. II.HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TỔ HỢP ÁNH SÁNG
hầu hết các phân tử đều
ở trạng thái cơ bản
Cường độ vạch stokes lớn
hơn vạch anti-stokes

17. II. LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH THÍCH
Phương trình chuyển động của của một dao động tử
khối lượng
Lực kích thích
→
Nếu độ phân cực vi phân khác 0 thì dao động phân tử có thể được kích
thích bằng điện trường
Mật độ năng lượng chứa trong điện trường:
Mà
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)

18. 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:

19. III. LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH
THÍCH
Nếu X(z,t) có dạng:
(2.8)
→
(2.9)
Phương trình chuyển động đối với X(z,t) có dạng:
(2.10)
(2.12)
(2.11)

20. III. LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH
THÍCH
Độ phân cực phi tuyến trong dạng
(2.13)
(2.14)
(2.15)
Đưa công thức (2.12) vào công thức (2.14)
(2.16)

21. III. LÝ THUYẾT VĨ MÔ VỀ TÁN XẠ TỔ HỢP KÍCH
THÍCH
ta được:
(2.17)
Với
(2.18)
Nghiệm đối với tọa độ dao động:
(2.19)

22. IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

23. 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.

24. IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ
2 Hi u ng Raman đ o ng c:ệ ứ ả ượ
• 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

25. mυ
).
mυ ).
IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ
3. Raman kích thích

26. 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:
ae rraKrf 62−−= → ae rraraKrf 6
2
3 2−−−=
2
62 raraf aa −−=
Có thành phần r2
dẫn đến có thành phần P2
trong phương trình chuyển động electron
nên sẽ xuất hiện các tần số 2ω, 2ω-ωv, 2ω+ ωv , 2ω-2ωv, 2ω+ 2ωv
Phương trình chuyển động của hạt nhân:
2
2
62
2
2
P
MeN
a
r
dt
rd
av
a
−=+ω
IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ

27. 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

28. IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ
4. Ph Raman đ i Stokes k t h p (CARS):ổ ố ế ợ
• 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

29. IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ
5. Ph Raman đ i Stokes k t h p (CARS):ổ ố ế ợ
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).

30. IV. CÁC HIỆU ỨNG TÁN XẠ
6. Ph Raman âm quang (PARS):ổ
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.

31. 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.

32. V. ỨNG DỤNG
Bộ khuyếch đại raman
Phát laser b m có b c sóng th p h n b c sóng tín hi n c n khu ch đ iơ ướ ấ ơ ướ ệ ầ ế ạ  nguyên t c aử ủ
s i quang b kích thích chuy n lên m c cao h nợ ị ể ứ ơ  tín hi u đ n, các nguyên t b kích thíchệ ế ử ị
chuy n t m c năng l ng cao sang m c năng l ng th p h nể ừ ứ ượ ứ ượ ấ ơ  gi i phóng năng l ng cóả ượ
cùng b c sóng và cùng pha v i tín hi uướ ớ ệ  tín hi u đ c khu ch đ i.ệ ượ ế ạ
Công th c tính t n s ánh sáng b m và t n s ánh sáng đ c khu ch đ iứ ầ ố ơ ầ ố ượ ế ạ
Fb=(E3-E1)/h
Fkd= (E2-E1)/h

33. 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

34. CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG
NGHE