Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

6. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "6. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben."— Előadás másolata:

1 6. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben Leggyakrabban fluoreszkáló szerves színezékeket használnak aktív anyagként

2 Rodamin B

3 A festéklézerek hangolhatók (azaz a lézerfény hullámhossza folytonosan változtatható ). Ok: a lézerátmenet alsó szintje széles (a rezgési és belső forgási energianívók összeolvadnak).

4 Jablonski-diagram

5 Egyszerűsített Jablonski-diagram S0S0 S1S1 S2S2 T1T1 T2T2

6 14,00016,00018,000 Hullámszám / cm F l u o r e s z c e n c i a i n t e n z i t á s ( S á v m a x i m u m r a n o r m á l v a ) I F M o l á r i s a b s z o r p c i ó s t é n y e z ő / l m o l c m   Rodamin-B abszorpciós és emissziós szinképe metanolos oldatban Hullámhossz / Å 20,00022, ,000 40,000 60,000 80,  s

7 Impulzuslézer - folytonos lézer Az S 1 állapot élettartama ~10 ns, ezért intenzív pumpálás kell. Pumpálás: villanólámpa impulzuslézer folytonos lézer

8 Átfolyó küvettás festéklézer

9 hangoló ék stop kollimátor R = 100% pumpáló tükör R = 100% vég tükör R = 100% R = 85% T = 15% festéksugár (jet) Folyadéksugaras festéklézer

10 pumpáló fény T T T T festéksugár (jet) „optikai dióda” hangoló elemek Gyűrűlézer (ring laser)

11 Hullámhossz [nm] Tipikus lézersugár energia [W] Polyphenyl 1 Stilben C450 C490 C530 Sodium fluorescein R6G R101 Oxazine 1 DEOTC-P HITC-P Festéklézer működési tartománya különböző festékekkel

12 Felhasználás: ahol hangolható fényforrás kell. Spektroszkópia Fotokémia Gyógyászat Izotóp elválasztás

13 7. A lézersugár tulajdonságai és modulációja 7.1. Vonalszélesség 7.2. Polarizáció 7.3. A lézersugár fényessége, intenzitása 7.4. Q-kapcsolás 7.5. Móduscsatolás 7.6. Frekvencia-kettőzés 7.7. Parametrikus oszcilláció

14 7.1. Vonalszélesség A klasszikus optikai spektroszkópiában polikromatikus fényforrás van monokromátor határozza meg a felbontást. A Fourier-transzformációs spektroszkópiában a max. opt. útkülönbség határozza meg a felbontást. A lézer-spektroszkópiában a lézer vonalszélessége határozza meg a felbontást.

15 Axiális módusok távolsága: c/2L L = m /2  = 2L / m = c/

16 Pl. He-Ne lézer = 632,8 nm, ha L = 15 cm: A félhullámok száma a rezonátoron belül:

17 A sáv alakját és szélességét 3 tényező határozza meg 1. Ütközési kiszélesedés 2. Doppler-kiszélesedés 3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció

18 1. Ütközési kiszélesedés (nyomás-kiszélesedés) A molekulák közötti ütközés során perturbálódik az elektron-felhője, ami az energiaszintek kismértékű eltolódásához vezet. A sáv alakját Lorentz-görbe írja le. Félérték- szélessége arányos a nyomással.  c : az ütközések közötti átlagos idő (a közepes szabad úthossz és az átlagsebesség hányadosa)

19 2. Doppler kiszélesedés A frekvencia függ a kibocsájtó és az észlelő egymáshoz viszonyított sebességétől. A sáv alakját Gauss-görbe írja le: 0 : frekvencia 0 sebesség esetén v : az atom (molekula) sebességének az optikai tengely irányába eső komponense

20 3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció Álló helyzetű és a környezetével nem kölcsönható atom vagy molekula által kibocsájtott fény sávszélessége: természetes sávszélesség. Heisenberg: a hely és az impulzus egyidejű mérésének korlátja:

21 Hasonló összefüggés írható fel az energiára és az időre: Ha a gerjesztett állapot élettartama véges, az energiája nem adható meg pontosan. Mivel  E = h  Természetes sávkiszélesedésnek hívjuk (Fourier- limit). A sáv alakját Lorentz-görbe írja le.

22 Példa: tipikus He-Ne lézer Nyomás-kiszélesedés: 0,64 MHz Doppler-kiszélesedés: 1700 MHz Fourier-limit: 20 MHz Átszámítás frekvencia és hullámszám között: 1cm -1  30 GHz

23 7.2. Polarizáció A lézerek fénye általában polarizált. Ok: a rezonátorban van olyan elem, (pl. ablak) amelynek a reflexiója eltérő a kétféle (függőleges és vízszintes ) polrizációs síkú fényre nézve. Nézzük meg nem-polarizált beeső fény szétválását dielektrikum határfelületén. E p : a beesési síkba eső komponens E s : a beesési síkra merőleges komponenns

24 EsEs a) A beeső fény a saját rezgési síkjában indukál dipólusokat, tehát a síkra merőleges komponens (E s ) megőrzi polarizációs irányát.

25 EpEp b) Az E p komponens a megtört sugár irányára merőleges dipólusokat indukál. Ebből a visszavert sugárrba relatíve kisebb hányad kerül, mint E s -ből, mivel kicsi a terjedési irányra merőleges hozzájárulás.

26 Speciális eset, ha a visszavert és megtört sugár egymásra merőleges. Ekkor a visszavert sugárnak nem marad E p komponense. A visszavert sugár teljesen polarizált. EpEp c) Brewster-szög Ha csak E p komponense van a beeső fénynek, akkor a visszavert sugár intenzitása 0, azaz nincs reflexió

27 Lézercső (v. lézerrúd) alakja: Vagy: Ilyenkor a lézerfény a papír síkjában polarizált.

28 A Brewster-szög kiszámítása: Snellius-Descartes törvény:  =  sin  = cos   

29 7.3. A lézersugár fényessége, intenzitása Fényesség:egységnyi felületen és egységnyi térszögben kisugárzott teljesítmény: W/(m 2 sterad) Gömbfelület: 4R 2  Körfelület:r 2  = R 2  sin 2  Kis szögek esetén: Térszög = (körfelület/ gömbfelület)*4  = ( sin 2  R r   : divergencia (széttartás) szöge

30 Példa: He-Ne lézer, teljesítmény: 3 mW, divergencia-szög: 3*10 -3 fok nyalábsugár: 0,3 mm = 3*10 -4 m A nap fényessége: 1,3·10 6 W/(m 2 sr)

31 Intenzitás-eloszlás: Ha a lézer TEM 00 transzverzális módusban működik, akkor a keresztmetszet mentén a fókuszált lézernyaláb intenzitás-eloszlása Gauss- függvénnyel írható le: z r w0w0 w

32 I: felületi teljesítménysűrűség w: nyalábsugár (az a sugár, amelynél a térerősség e-ed részére csöken) w 0 : nyalábsugár a fókuszsíkban w és w 0 : kapcsolata:

33 8. Abszorpciós lézerspektroszkópia Érdemes-e lézereket használni fényforrásnak? Kereskedelmi készülékekben nem lézer a fényforrás (kivéve Raman).

34 Kétsugaras UV/látható spektrométer:

35 Lézeres abszorpció-mérés: Nem alkalmazzák gyakran, mert a hagyományos módszerek érzékenyebbek. (A lézerek „zajosak”)

36 Kis koncentrációk mérése (a lézersugár kollimált- ságát használjuk ki). a)Többszörös reflexiójú mérőcella Nagyfelbontású spektroszkópia (lásd későbbi).

37 b) Hosszú kapilláris

38 Speciális technikák 5.1. Differenciális abszorpció 5.2. Rezonátoron belüli abszorpció

39 8.1. Differenciális abszorpció Két esetben a hagyományos abszorpciós spektroszkópiát nem tudjuk eredményesen alkalmazni. a) Túl kicsi koncentráció b) Nem tudjuk a mintát egy küvettába csalogatni. Pl. légkör szennyezőit akarjuk mérni.

40 Két egymáshoz nagyon közeli frekvenciájú lézerfényt használunk. Az egyiken elnyel, a másikon átereszt az anyag. Rayleigh szórás stb. közel azonos a két fénysugárra. Jól használható az atmoszféra összetevőinek mérésében: ózon, CO 2, CO, OH, SO 2, CH 4, stb. LIDAR: LIght Detection And Ranging

41 Megfelelő -jú lézer impulzust az ég felé kilövünk. Egy része visszaszóródik. (Mie-szórás pl. vízcseppeken, Rayleigh-szórás molekulákon). Ugyanakkor részben elnyelődik, ha a hullámhossza megegyezik a vizsgált molekula elnyelési hullám- hosszával. 10 ns-os impulzusokkal ~3 m-es térbeli felbontás érhető el.

42 LIDAR

43 Kapunyitás: A két jel különbségéből az R és R+  R közötti elnyelésre következtethetünk. R RR Légszennyezési térképet lehet készíteni pl. NO 2 ppm tartományban 5 km magasságig.

44 8.2. Rezonátoron belüli abszorpció „Intracavity absorption” Minta a rezonátor belsejében - megnő az érzékenység. Négy tényező okozhat érz. növekedést

45 a) A lézer-rezonátorban sokkal nagyobb a fényintenzitás, mint azon kívül. Pl. kilépő tükör R = 98 % végtükör R = 100 % 50-szeres fényintenzitás a rezonátorban - 50-szer annyi foton nyelődik el. (egy foton átlagosan 50-szer megy végig a rezonátoron)

46 b) A lézer-küszöb közelében extra érz.-növekedés.

47 c) Módusok versengése. Ennek a módusnak az intenzitása jelentősen lecsökken Az össz-telj. nem változik

48 d) Gyűrű-lézerben kétirányú oszcilláció. Ha az egyik irányban kicsit megnő a veszteség, nagyon lecsökken a telj.

49 Hänsch és mtsai (1972) szeres érz. növekedést értek el molekula/cm 3 

50 9. Lézerindukált fluoreszcencia 9.1. Készüléktípusok 9.2. Az érzékenység becslése 9.3. Felhasználás

51 9.1 Készüléktípusok folytonos lézer monokro- mátor PMT lock-in regiszt- ráló minta fényszag- gató a)

52 b) Fotonszámlálás

53 c) Impulzuslézer

54 Becsüljük meg az elérhető érzékenységet lézer- gerj. fl. esetén Az érzékenység becslése n a : mp-enként abszorbeált fotonok száma  x úthosszon (1/s).  ik : abszorpciós hatáskeresztmetszet (m 2 ) N I : molekulasűrűség (1/m 3 ) n L : az időegység alatt belépő lézerfotonok száma

55 A másodpercenként emittált fl. fotonok száma:  K : fl. kvantumhatásfoka k NR : sugárzásmentes átmenetek sebesség állandója (IC, ISC) k R : sugárzásos átmenet sebességi állandója Egységnyi fl. kv.hatásfok: ha az emittált fotonok száma megegyezik az abszorbeált fotonokéval.

56 Sajnos nem minden emittált fotont tudunk össze- gyűjteni.  sztérikus tényezővel vesszük figyelembe. Max. 0,1 körüli érték. Fotokatód kv. hatásfoka  ph : fotonok hányad része produkál fotoelektronokat. Tipikus érték 0,2. A fotoelektronok mp-enkénti száma:

57 Fotonszámlálás: hűtött PMT-vel n PE =100 (beütés/s) esetén 1 s időállandóval S/N ~ 8-at érhetünk el. n a = 5·10 3 1/s (ennyi abszorbeált foton mérhető kvantitatíve)

58 Pl. 1W-os lézertelj. = 500 nm-en n L =3·10 18 fotont sugároz ki másodpercenként. Tehát alatti relatív abszorpciót lehet mérni. Ha közvetlenül az abszorpciót mérjük, akkor os relatív absz. jelenti az elvi limitet.

59 Fairbanks és mtsai 1975-ben /cm 3 tartományban tudták mérni Na 2 molekulák koncentrációját lézerindukált fluoreszcenciával. (Hangolható festéklézer: =604 nm környezetében.) Detekt. limit:szórt fény „Single molecule detection” „Single molecule spectroscopy”

60 9.3. Felhasználás Analitikai alkalmazás: kis konc. Szerkezetkutatásban: spektrum asszignáció. Keskeny sávú gerjesztés. Megnöveljük egy kiválasztott gerjesztett szint populációját. Igy sokkal egyszerűbb spektrumok. Nagy lézerintenzitással nagymértékben betölthetünk egy egy gerjesztett állapotot. Olyan átmenetek is megfigyelhetők, amelyek különben nagyon gyengék.

61 Molekuláris paraméterek meghatározása Átmeneti valószínűségek meghatározása Molekuláris állapotok eloszlásának meghatározása (ha eltér az egyensúlyitól) Pl. kémiai reakcióban A B + C  AC * + B N AC* (v, J) meghatározása hasznos információ a reakció mechanizmusára.

62 10. Időfelbontásos lézerspektroszkópia Három csoport Impulzus módszer: egy fényimpulzus gerjeszti a mintát, és a fluoreszcencia lecsengését vizsgáljuk az időben Fázismodulációs módszer: szinuszos intenzitá-s modulációt alkalmazunk, és a szintén szinuszos intenzitás eloszlású fluoreszcencia fázis- eltolódását vizsgáljuk Pumpa-próba módszer: külön tárgyaljuk (tulajdonképpen az impulzusos módszerhez tartozik). A pikoszekundumos és femtoszekundumos időtartományban

63 10.1. Impulzus módszer Ha egy fluorofort rövid fényimpulzussal besugározunk, bizonyos számú molekula gerjesztett állapotba kerül. A gerj. molekulák visszakerülnek az alapállapotba. Ált. 1. rendű kinetika: N(t): gerj. fluoroforok száma a besug. után t idővel k R : sugárzásos átmenet seb. állandója k NR : sugárzásmentes átmenet seb. állandója

64 Integrálva: Exponenciális lecsengés A fluoreszcencia-intenzitás arányos N-nel.

65 t  I 0 /e I0I0 I gerj. imp. Fluoreszcencia-intenzitás az idő függvényében a) Az impulzus rövid a lecseng. időáll.-hoz képest

66 t lnI  tg  = -t/ 

67 b) Az impulzus hossza összemérhető a lecseng. időáll.-val Négyszög-impulzus (folyt. lézerből fényszaggatóval) lézer-intenzitás N(t)

68 Viszonylag hosszú időállandók (ms) meghatáro- zására alkalmas: foszforeszcencia ritka földfémek emissziója Folytonos lézer + fényszaggató vagy elektrooptikai modulátor vagy akusztooptikai modulátor

69 Berendezés folytonos lézer monokro- mátor PMT boxcar regiszt- ráló minta fényszag- gató

70 A boxcar mellett más mintavételezési technikák Pl. a mintát forgó hengerbe tesszük, amelyen rések vannak rés változtatható pozíciójú detektor

71 Másik lehetőség: fix poziciójú detektor, a forgás frekvenciáját változtatjuk. Az időfelbontást a mech. mozgás sebessége határozza meg. Elsősorban foszforeszcencia ritka földfémek emissziója

72 Időkorrelációs egyfoton-számlálás “Time correlated single photon counting” A fényforrás impulzuslézer Az impulzus egy részét fényosztóval kicsatoljuk. Fotodetektorra kerül, ez adja az indítóimpulzust (A lézerimpulzus másik része a mintára kerül) Az indítóimpulzus az idő-amplitúdó átalakítón elindít egy feszültség-növekedést.

73 U t stop start Idő-amplitúdó átalakító

74 A mintából eredő lumineszcencia PMT-re kerül Úgy állítjuk be a gerj. fény intenzitását, hogy egyetlen foton váltson ki áramot a fotokatódon. Amikor a PMT-ből származó impulzus eléri az idő-amplitúdó átalakítót, megáll U növekedése. A kialakult jel arányos az eltelt idővel (a fluoreszc. időkésésével). Nagyon sok impulzust átlagolunk. Többcsatornás impulzus-analizátorral dolgozzuk fel.

75 idő- amplitúdó átalakító sokcsa- tornás impulzus- analizátor PMT-ből szárm. impulzus indító impulzus U Időkorrelációs egyfoton-számlálás

76 gyakoriság csatornaszám (idő)

77 A fluoreszc. élettartama ált. összemérhető a lézerimp. hosszával  Dekonvolúció E(t): a lézerimp. és a készülék együttes profilja F(t): a fl. lecsengése L(t): a mért görbe (az előző kettő konvolúciója)

78 I(t) t E(t) L(t)

79 10.2. Fázismodulációs módszer Folytonos lézer amplitúdóját színuszosan moduláljuk.  fluoreszcencia    = tg  Int. t

80 Folytonos lézer ModulátorM Monokromátor PMT Lock-in ( fázisérzékeny detektor) Referencia jel szűrő Fázismodulációs mérőrendszer

81 10.3. Pumpa-próba módszer Elsősorban impulzuslézerrel. A mintára intenzív impulzust bocsátunk (pumpaimp.). Molekulák egy része gerj. állapotba kerül. A később érkező próbaimpulzus „észleli” a változást. Időkésleltetés: optikai úthossz megnövlésével. A fény 1 ns alatt 30 cm-t 1 ps alatt 0,3 mm-t tesz meg.

82 Pumpa-próba mérés egy lézerrel

83 tt Próbanyaláb intenzitása

84 Pumpa- próba mérés két lézerrel

85 Níluskék metanolos oldatának tranziens abszorpciója pumpa-próba módszerrel mérve ( pumpa = 586 nm)

86 Níluskék tranziens absz. lecsengése vizes oldatban pumpa- próba módszerrel mérve ( pumpa = 586 nm, próba = 647 nm)

87 11. Lézer-Raman spektroszkópia A Raman-effektus már a lézerek felfedezése előtt ismert volt Brillouin Fény és hanghullámok kölcsönhatása 1923 Smekal Raman-szórás elmélete 1928 Raman Kísérleti igazolás

88 11.1. Hagyományos Raman-spektroszkópia Rezonancia-Raman effektus Felületerősített Raman-szórás Hiper Raman-effektus Stimulált Raman-effektus Raman erősítési spektroszkópia Koherens anti-Stokes Raman-spektroszkópia Spektrumok TARTALOM

89 A Raman-spektrum az IR és mikrohull. spektrum kiegészítője. Főleg rezgési és forgási spektrumok mérésére 11.1 Hagyományos Raman-spektroszkópia

90 A lézerek előtt a R-spektroszkópia fejlődését gátolta, hogy nem volt intenzív monokromatikus fényforrás. Főleg higanygőzlámpát használtak (a 254 nm-es vonalát). A lézerek elterjedése - minőségi ugrás

91 R-szórás: a foton rugalmatlan ütközése a molekulával. s b a L s b a L StokesAnti-Stokes

92 Készülék: lásd fluoreszcencia-spektroszkópia. Monokromátor: két rács (nagyobb felbontás kell) Fourier-transzformációs Raman: monokromátor helyett interferométer

93 Raman és infra összehasonlítása Raman előnyei Vizes oldatok Optika üvegből Kisebb minta (fókuszálás) Detektor gyorsabb Raman-spektrum egyszerűbb Szimm. rezgések R-aktívak Polarizációs mérések Intenzitás arányos konc.-val Raman hátrányai Drágább R-spektrum készülékfüggőbb Infra érzékenyebb Fluoreszcencia zavaró hatása Infra több információt ad

94 11.2. Rezonancia-Raman effektus Ha a Raman-átmenet felső szintje nem virtuális, hanem valóságos, akkor a Raman-intenzitás megnő. Speciális Raman-módszerek Ha a minta fluoreszkál, nehéz detektálni a Raman- jelet.

95 11.3. Felületerősített Raman-szórás (Surface Enhanced Raman Scattering - SERS) Érdes felületen adszorbeált molekulák Raman- intenzitása nagyságrendekkel nőhet.. Először Ag felületén adszorbeált piridinen észlelték 1974-ben. 6 nagyságrend érz. növekedés is elérhető. Akkor lép fel, ha a mintára lépő foton energiája megegyezik egy, a fémben lévő vezetési elektronenergia-átmenetével.

96 11.4. Hiper Raman-effektus: két foton egyidejű rugalmatlan ütközése b a L L b a AS L L Stokesanti-Stokes  E = 2h L -h S

97 Frekvencia-kettőzés : hiper-Rayleigh szórás A hiper Raman-effektus nehezen észlelhető - nagy lézer-intenzitás kell. Mások a kivál. szabályok, mint a normál Ramanban. Olyan átmenetek is tanulmányozhatók, amelyek infra- és Raman-inaktívak.

98 11.5. Stimulált Raman-effektus virtuális E szint h L h S a b 2h S

99 Véletlenül fedezték fel. Woodbury és Ng Rubinlézer Q-kapcsolását tanulmányozták. Nitrobenzolt tart. cella Kevesebb piros (694,3 nm) fény jött ki, mint várták. 766 nm-es koherens fényt találtak. A különbség megfelel a nitrobenzol 1350 cm -1 rezg. frekv.-jának.

100 Magyarázat: a kezdetben spontán Raman- emisszióval keletkező Stokes-fotonok a sugárzás irányában újabb Stokes-fotonokat váltanak ki. h L h S

101 A Stimulált Raman-effektuson alapul több nem- lineáris Raman-spektroszkópiai módszer. Önmagában nem terjedt el. Csak a legerősebb Raman-átmenetek figyelhetők meg - versengés.

102 oszcillátor L L S generátor S tükör "Raman lézer" S S L L er ősítő modell L gyengül, S erősödik Kísérleti megvalósítások Erősítő: nincs küszöb, a teljes spektrumot mérhetjük

103 11.6. Raman erősítési spektroszkópia „Stimulated Raman gain”: S -t mérjük Inverz Raman: L -t mérjük lézer S S L L detektor Dikroikus tükör minta

104 Előny: nem kell monokromátor (az egyik lézert hangoljuk). Felbontást a lézerek sávszélessége határozza meg. Inverz Raman: a nagyobb frekv. fényt detektáljuk - fluoreszcencia zavarásának kiküszöbölése Felhasználás: nagyfelbontású Raman spektroszkópia

105 11.7. Koherens anti-Stokes Raman-spektroszkópia „Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy” CARS Négy foton vesz részt a folyamatban Kettőt elnyel, kettőt kibocsát a molekula Visszajut a kiind. energiaállapotba.

106 CARS alapkísérlet Imp.lézer L L L, S AS folyadék

107 Nómenklatúra: L  1 AS  3 S  2

108 L AS L Termdiagram Energia-megmaradás: 2 1 = S a b

109 Indexillesztés: Kondenzált fázisban a törésmutatók különböznek (  függvényében) Ha kollineáris sugarakat használunk, a jel nagyon gyenge. Impulzus-megmaradás törvényének is teljesülnie kell. Hullámvektor: Hullámszám az anyagban

110 Folyadék- fázisban Gázfázisban

111 A lézersugarakat a mintára fókuszáljuk

112 Berendezés vázlata

113 Spontán Raman és CARS összehasonlítása Spontán RamanCARS foton kell egy szórt foton előállításához foton elég Inkoherens, csak egy részét gyűjtjük össze Koherens, 90 %-os hatás- fokkal összegyűjthető Felbontást a mono- kromátor limitálja Jel ~ I 1 2 ·I 2 ·c 2 Jel ~ I L ·c Felbontást a lézerek sáv- szélessége limitálja

114 11.8. Spektrumok A kloroform Raman(a) és IR (b) spektruma

115 C 60 FT-Raman spektruma

116 Kétatomos molekula rotációs energianívói: A spektroszkópiában gyakran cm -1 -ben fejezik ki az energia-külöbségeket: Itt a fénysebességet cm/s-ban kell behelyettesíteni. B: rotációs konstans

117 J  J B 2 6B 312B 420B Kiválasztási szabályok:  J = 0,  2

118 Kétatomos molekula rotációs energia-nívói és a Raman-átmenetek

119 Kétatomos molekula Raman-spektruma

120 O 2 tiszta rotációs inverz Raman- spektruma

121 O 2 rezgési-forgási Q- ágának nagyfelbontású Raman-erősítési spektruma

122 SF 6 rezgési-forgási Q-ágának nagyfelbontású Raman- erősítési spektruma

123 12. Fototermikus módszerek 1. Vagy kisugározzák: fluoreszcencia foszforencia A fényabsz. okozta hőhatás közvetett detektálálásán alapul. Fényabsz: a molekulák magasabb energ. áll.-ba kerülnek Fotoakusztikus spektroszkópia 2. A rendszer term. energiája nő, a minta melegszik A melegedés nyomás-növekedéssel jár.

124 Ha a lézer intenzitását hangfrekv.-val moduláljuk, a periodikus nyomásváltozás hanghullámokat eredményez. Detektor: érzékeny mikrofon piezoelektromos érzékelő Vizsgálhatók: gázok folyadékok szilárd minták

125 Készülék gázok vizsgálatára lock-in hangolható lézer mintafényszag- gató kijelző mikrofon x y ref. jel Folyadékokra is hasonló berendezés

126 Szilárd minták vizsgálata mikrofon szilárd minta közvetítő gáz lézerfény

127 Folytonos lézer: lock-in (kapcs. erősítő) Impulzuslézer: boxcar integrátor) Nagyon érzékeny módszer. Gázok: CH 4, NO, NO 2, SO 2 : 0,1-10 ppb

128 a) U(IV) vizes oldatának abszorpciós spektruma Konc.: ~8*10 -3 mol/l b) U(IV) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve. Konc.: ~8*10 -3 mol/l Kimutatási határ 8*10 -7 mol/l

129 Pu(IV), Pu(VI) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve.Konc.: 2*10 -5 mol/l. Kimutatási határ 3*10 -8 mol/l, ill. 7*10 -8 mol/l.

130 Am(III) vizes oldatának fotoakusztikus spektruma impulzus-festéklézerrel mérve. Konc.: 1,6*10 -5 mol/l. Kimutatási határ 2*10 -8 mol/l

131 b) Ho(III) vizes oldatának fotoakusztikus spekruma impulzus-festéklézerrel mérve. Konc.: 1,3*10 -5 mol/l. Hőmérséklet: 90 o C.

132 Metán nagyfelbontású fotoakusztikus spektrum- részlete A) 100 K-en B) 298 K-en Egy rezgési felhang ( ) rotációs szerkezete

133 12.2.Termikus lencse spektroszkópia Szintén a hőhatás közvetett detektálálásán alapul. Fényabsz.  melegedés  törésmutató vált.  negatív (szóró) lencse alakul ki a mintában Vizsgálhatók: gázok folyadékok Készülékek: egy lézerrel két lézerrel.

134 Egy lézerrel: hangolható lézer minta “pinhole” detektor erősítő kijelző Ha a lézer hullámhosszát egy abszorpciós sávra hangoljuk, az elnyelt energia miatt kialakul a termikus lencse.

135 Nő az érzékenység, ha két nyalábot használunk Az egyik kialakítja a termikus lencsét - pumpanyaláb A másik lézer fényét detektáljuk - próbanyaláb pumpa próba nincs absz. van absz. A két nyaláb eredhet egy lézerből vagy két lézerből.

136 Nagyobb érzékenység érhető el, mint abszorpciós spektroszkópiával. Készülék próba pumpa lock- in kijel- ző detektor fényszaggató referencia x y

137 Nd(III) termikus lencse spektruma különböző hőmérsékleteken. Konc.: 1*10 -3 mol/l. (PDS: Photothermal Deflection Spectrum)

138 13. Nagyfelbontású spektrosz- kópia Megfelelő méréstechnikát alkalmazva a készülék spektrális felbontását a lézer sávszélessége határozza meg. A rezonátorban elhelyezett interferencia-szűrők segítségével: egyetlen axiális módus: „Single frequency ” Impulzus-lézerek esetében az impulzus hossza határozza meg az elérhető legkisebb sávszélességet.

139 Gázok nagyfelbontású spektroszkópiája: 1. Doppler-kiszélesedés 2. Nyomás-kiszélesedés (Ütközési kiszélesedés) 3. Természetes vonalszélesség (gerj. áll. élettar- tamával kapcsolatos Nyomáskiszélesedés csökkentése: kis nyomású gázt vizsgálunk. Azokkal a módszerekkel foglalkozunk, amelyek elsősorban a Doppler-kiszélesedést csökkentik. „Sub-Doppler Spectroscopy”

140 13.1. Telítési spektroszkópia Tegyük fel, hogy egy gáz elnyelési sávjának centruma 0. Ekkor a gáz 0 (1  v/c) frekvencián nyel el. (v a molekulák fénysugár irányába eső sebessége) Absz. 0

141 Bocsássunk a gázmintára intenzív, 0 frekvenciájú lézerfényt (pumpanyaláb). Csak azok a molekulák gerjesztődnek, amelyeknek az axiális seb. komponense 0. Ha elég intenzív a lézerfény, akkor a 0 sebességű molekulák jelentős része (közel fele) gerj. állapotba kerül. A minta átlátszóvá válik a 0 frekvenciájú fény számára. („Bleaching” - fakulás)

142 Absz. 0 Lamb-dip Két azonos frekvenciájú, hangolható lézernyalábot bocsátunk a mintára ellentétes irányban. A kevésbé intenzívnek detektáljuk az elnyelését (próbanyaláb).

143 Jelentősége: A Doppler-kiszélesedés miatt összeolvadó sávokat felbonthatunk Absz. 1 Lamb-dip 2

144 Készülék próba lézer lock- in kijel- ző detektor fényszaggató referencia x y pumpa fényosztó A valóságban két közel párhuzamos, ellentétes irányú nyalábot használunk.

145 13.2. Szuperszonikus molekulasugár-spektroszkópia „Supersonic jet spectroscopy” A Joule-Thomson effektust használjuk ki: A gáz fojtáson át kiterjedve lehűl. Szobahőfokon: elektrongerj. Alapállapot rezgési alapállapot sok rotációs nívó be van töltve Az elektrongerjesztési spektrum bonyolult. A transzlációs mozgás Doppler- kiszélesedést okoz.

146 Megfelelő vivőgázzal (pl. He) keverve, nagy nyomásról fojtáson át kiterjesztve egy irányban ~500 m/s sebességgel halad a gáz. Effektív hőmérséklete néhány K. Nagyon leegyszerűsödik a spektrum.

147 a) NO 2 fluoreszcencia- gerjesztési spektruma 300 K-en. Nyomás 0,04 torr b): Tiszta NO 2 spektruma szuperszonikus molekulasugárban. c): Ugyanaz argon- vivőgázban (NO 2 tartalom: 5%)

148 a) Cs 2 fluoreszcencia- gerjesztési spektruma gázcellában mérve b) Cs 2 fluoreszcencia-gerjesz- tési spektruma szuperszonikus molekulasugárban mérve Egy elektron-átmenet rezgési-forgási szerkezetét látjuk. Egymódusú Ar-ion lézerrel vették fel 488 nm környezetében hangolva. (30 GHz megfelel 1 cm -1 -nek.)


Letölteni ppt "6. Festéklézerek Folyadék-lézerek előnyei: Az aktív közeg homogén - szemben a szilárd lézerrel Könnyebb hűteni Nagyobb az aktív anyag sűrűsége, mint gázlézerekben."

Hasonló előadás


Google Hirdetések