Quang phi tuyến - Sự phát sóng hài bậc hai

Second Harmonic Generation (SHG)
GVHD: Lê Thị Quỳnh Anh
HV: Trịnh Thị Quỳnh Như
Lê Duy Nhật


NỘI DUNG
1. Giới thiệu về sóng hài bậc hai
•
Sóng hài bậc 2
•
Nguyên tắc
•
Lịch sử
2. Ứng dụng
•
Laser màu
•
Kính hiển vi SHG
•
Hiệu ứng bề mặt

Sóng hài bậc 2 (SHG)
SHG (hay còn gọi là sự nhân đôi tần số) là quá
trình phi tuyến, trong đó những photon tương tác với
vật liệu phi tuyến, kết quả là tạo ra những photon mới
có năng lượng gấp đôi (do đó tần số gấp đôi và bước
sóng giảm một nửa so với photon ban đầu).
Đây là một trường hợp của sự phát tần số tổng.
SHG

SHG
R
L
ω
2ω

Sóng hài bậc 2 (SHG)
P = ε
0
χ
(1)
E + ε
0
χ
(2)
EE + ε
0
χ
(3)
EEE + …
P: Độ phân cực của môi trường
ε
0
: hằng số điện môi trong chân không
E: cường độ điện trường

χ
(
i)
: hằng số

D =
ε
0
E + P =
ε
E
Trong quang phi tuyến: n
2
= 1 +
χ
(
1)


Sóng hài bậc 2 (SHG)
Sử dụng bước sóng λ = λ
0
thì ánh
sáng ra sẽ có bước sóng λ = λ
0
/2
Tần số nhân đôi ω = 2ω
0
)]exp(Re[
00
tiEEE
light
⋅⋅==
ω
Cường độ điện trường tổng

hợp:
)]2exp(Re[~
0
2
0
)2(2)2(
tiEEP
NL
⋅⋅⋅=
ωχχ
NL
P
tt
E
E
2
2
0
2
2
00
2
∂
∂
+
∂
∂
=∇
µεµ
)exp(),(

111101
tzikyxUEE ⋅−⋅⋅⋅=
ω
)exp(),(
222202
tzikyxUEE ⋅−⋅⋅⋅=
ω
12
2
ωω
=
])2(exp[
21
*
12
1
0
11
zkkiEDEiE
dz
d
−−⋅⋅−=
ε
µ
ω
])2(exp[
2
1
21
2

1
1
0
22
zkkiDEiE
dz
d
−+⋅⋅−=
ε
µ
ω
Rigorous solution:
∑
=
ijk
kjiijk
UUUDD
112
Energy is
conserved

•
Chỉ khi 2k
1
= k
2
thì có hiệu ứng SHG
2k
1
= k

2
2k
1
≠ k
2
~ 100% hiệu ứng SHG có
thể xảy ra nếu có sự
đồng bộ về pha
Điều kiện hợp pha

** Năm 1961, với sự ra đời của tia laser, P.A.Frankin, A.E. Hill,
C.W.Peters và G. Weinreich (đại học Michigan, Ann Arbor) phát hiện
ra hiện tượng phát sóng hài bậc 2.
Lịch sử phát triển
Quartz
Fundamental
Laser Light
694nm
Second
Harmonic
Generation
(SHG)
347nm
Water
** Leslie Loew và Paul Pampagnola (trường đại học Connecticut) đã ứng
dụng SHG để thu ảnh của phân tử.
** Joshua Salafsky đi tiên phong việc sử dụng kỹ thuật trong việc nghiên
cứu phân tử sinh học bằng việc đánh dấu chúng với thẻ hoạt động SH
P. A. Frankin

ỨNG DỤNG

Khoa học vật liệu

Sinh học

Tìm kiếm tinh thể photonic có nguồn
gốc từ vật liệu sinh học

Ảnh của các mô

Hiệu ứng bề mặt

Với Laser Cr:Foxterite1230
SHG ở 615-nm
Trường áp điện tăng
Không cộng hưởng.
Tính chất của vật liệu GaN
Khoa học vật liệu


•
Có thể sử dụng buồng
cộng hưởng để tăng
hiệu ứng SHG.
Bố trí thí nghiệm

KÍNH HIỂN VI
Kính hiển vi:
•

Độ tương phản
•
Độ phân giải
•
Độ xuyên sâu
•
Tính không xâm nhập
KÍNH HIỂN VI CẢI TIẾN
Kính hiển vi trường tối
Kính hiển vi DIC hay PC
Kính hiển vi huỳnh quang
Kính hiển vi hội tụ
Kính hiển vi sóng hài

KÍNH HIỂN VI
Huỳnh quang nhiều photon Sự phát sóng hài
Đều là quá trình phi tuyến
Xuyên sâu cao với bước sóng IR
•Là kính hiển vi không kết hợp
•Làm phai màu ảnh
•Làm hỏng ảnh
•Biến màu
•Phụ thuộc mạnh vào bước sóng
•Là kính hiển vi kết hợp
•Không mất mát năng lượng/Không hấp thu/ làm
phai màu ảnh
•không làm hỏng ảnh
•Nội sinh (Không biến màu)
•Sự chọn bước sóng kém

KÍNH HIỂN VI SHG (SHG microscopy)
Độ suy giảm thấp nhất ở bước sóng
khoảng 1200 đến 1300 nm
Xuyên sâu trong mẫu sinh vật
Có tác dụng trong vùng ánh sáng khả kiến
Giảm huỳnh quang
Không làm hỏng ảnh
Thích hợp với chất xơ, sợi
Không nhạy với đầu thu silic
Vỏ hành
Bì lợn

KÍNH HIỂN VI SHG (SHG microscopy)

Ứng dụng trong sinh học
Tinh thể photonic từ vật liệu sinh học

Sự phân bào bì phôi cá ngựa
SHG:
Tinh thể hóa dãy vi cấu trúc hình ống
Thu nhỏ sau khi vi cấu trúc hình ống phân tán.

SHG của tinh bột

SHG trong sợi gân
SHG từ protein, không phải từ đạm

Độ tương phản tăng lên đáng kể
Độ phân giải: 400nm
Độ xuyên sâu >1.5mm

Tính không xâm nhập
Quan sát được thời kỳ phôi kéo dài
Vẽ nên các tính chất của vật liệu
Thể hiện điện trường 3 chiều
Tìm kiếm tinh thể photonic có nguồn gốc sinh học
Phát triển ngành sinh vật học
(SHG rất nhạy với cấu trúc phân tử)
Nghiên cứu màng mỏng
Động lực học
Hiển thị cường độ điện trường
Đầu dò hiệu ứng nhiệt
Ảnh sâu bên trong của mô
KẾT LUẬN (KÍNH HIỂN VI SHG)

Sự hấp thụ của ion thiocyanate ở lớp phân cách
dodecanol/nước bằng UV SHG
1. Cơ sở lý thuyết:
1.1 Giới thiệu chung
1.2 Hấp phụ và kiểu hấp phụ Langmuir
1.3 Cấu trúc Dodecanol/nước
2. Kết quả và thảo luận
•
Phổ hấp thụ UV của NaSCN
•
Phổ cường độ SHG theo nồng độ
•
Phổ cường độ SHG theo nồng độ NaSCN
•
Phổ cường độ SHG theo nồng độ KSCN
3. Kết luận:

1.1 Giới thiệu chung
Những kết quả thực nghiệm và lý thuyết gần đây đã chứng minh
độ xếp chặt của phân tử được thiết lập do sự sắp xếp cô đặc của các ion
tại bề mặt. Sự liên kết của ion ở bề mặt là quá trình kết hợp phức tạp của
các phân tử (complex molecules). Hiện tượng phát sóng hài bậc 2 cộng
hưởng tử ngoại (resonant UV second harmonic generation) là do các ion
thiocyanate (SCN- ) dao động mạnh (strongly chaotropic) hấp phụ ở lớp bề
mặt giữa nước và lớp đơn dodecanol.
Năng lượng tự do của hấp phụ Gibbs (Gibbs free energy of
adsorption) được xác định là – 6.7 ± 1.1 kJ/mol (NaSCN) and – 6.3 ± 1.8
kJ/mol (KSCN). Sự trùng hợp về giá trị ở trên quyết định (determined) là do
tính chất của thiocyanate (SCN- ) bề mặt giữa không khí và nước.
Nếu nồng độ ≥ 4M thì tín hiệu SHG cộng hưởng sẽ tăng gián
đoạn, chứng tỏ rằng có sự thay đổi cấu trúc ở một vùng ở bề mặt.
Ái lực điện tử của các ion khác nhau ở lớp bề mặt đã được Chen
nghiên cứu bằng cách dùng phổ dao động tần số tổng (vibrational sum
frequency spectroscopy (VSFS))

Hấp phụ là quá trình tụ tập (chất chứa, thu hút…) các phân
tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của chất tan lên bề mặt phân chia
pha. Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn.
Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp
phụ, còn chất mà được tụ tập trên bề mặt phân chia pha được gọi là
chất bị hấp phụ.
Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt của hệ
giảm, nghĩa là ∆G < 0. Đồng thời độ hỗn độn của hệ giảm (do các
tiểu phân của các chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ được
sắp xếp một cách có trật tự) nghĩa là ∆S < 0. Do đó từ phương trình
năng lượng của công thức GIBBS (Thế đẳng áp đẳng tích).

∆G = ∆H – T.∆S < 0.
Từ đó suy ra: ∆H < 0.
Nghĩa là quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt. Điều này hoàn
toàn phù hợp với thực nghiệm. Hiệu ứng nhiệt của quá trình hấp
phụ được gọi là nhiệt hấp phụ.
1.2 Hấp phụ và kiểu hấp phụ Langmuir

Hấp phụ vật lý: Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu
phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên
kết vander walls yếu.
Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các
liên kết hóa học) mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại
trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu(lực vander walls) và liên kết
hiđro. Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch. Nhiệt hấp phụ không lớn.
Hấp phụ hóa học: Có những lực hóa trị mạnh (do các liên kết
bền của liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) liên kết những
phân tử hấp phụ và những phân tử bị hấp phụ tạo thành những hợp chất
hóa học trên bề mặt phân chia pha.
Nói một cách khác hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo
hợp chất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt
phân chia pha (bề mặt pha hấp phụ). Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực
liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết
phối trí…) sự hấp phụ hóa học luôn luôn bất thuận nghịch.
1.2 Hấp phụ và kiểu hấp phụ Langmuir