Uniwersytet Jagielloński Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

Transkrypt

1 Uniwrsytt Jagilloński Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanj Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskigo Przmysław Zgoda Wąskopasmowy lasr barwnikowy do badań spktroskopowych cząstczk Praca magistrska wykonana pod kirunkim dra hab. Jarosława Koprskigo, prof. UJ Kraków 008

2 Dziękuję promotorowi prof. dr hab. Jarosławowi Koprskimu za opikę, poświęcony czas i pomoc przy powstawaniu tj pracy, mgr Marcinowi Strojckimu i dr Markowi Ruszczakowi za niocnioną pomoc w laboratorium, żoni i córc za cirpliwość i dodawaną nrgię.

3 Spis trści 1. Wprowadzni Wstęp tortyczny Oscylacj i rotacj Sztywny rotor Nisztywny rotor Oscylujący rotor nisztywny Stany lktronow Struktura izotopowa Wiązka naddźwiękowa Lasr TDL III Pomiar szrokości spktralnj Przstrajani lasra Krzywa mocy Układ doświadczalny Wiązka lasrowa Źródło cząstczk i aparatura dtkcyjna Strowani pomiarm i akwizycja danych Pomiar widm wzbudznia i fluorscncji cząstczk CdAr i Cd Widmo wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr Widmo wzbudznia b0 + u X0 + g cząstczk Cd Widmo fluorscncji b0 + u X0 + g cząstczk Cd Widmo wzbudznia c1 u X0 + g cząstczk Cd Analiza wyników Podsumowani Dodatk procdura justowania lasra TDL III Schmat budowy lasra Quantl TDL III Bibliografia

4 1. Wprowadzni Pirwszy lasr barwnikowy został zbudowany przz Sorokina i Lankarda w 1966r [1]. W tym czasi znanych było już wil innych czynnych lasrowo matriałów, któr znacząco usprawniły badania spktroskopow, dając naukowcom siln, monochromatyczn i spójn światło. Barwniki ni były jdnak koljnym ośrodkim, który nalżało dodać do listy już wynalzionych. Zastosowani ich jako ośrodka czynngo w lasrz było prawdziwą rwolucją. Odtąd, do już znanych zalt prominiowania lasrowgo, można było doliczyć jszcz jdną, dotychczas bardzo ograniczoną: płynną przstrajalność. Pirwsz lasry barwnikow gnrowały prominiowani w okolicach bliskij podczrwini. Intnsywn badania nad nowymi barwnikami i budową takich lasrów prowadzon w drugij połowi lat 60-tych sprawiły, ż na początku koljnj dkady prominiowani z lasrów barwnikowych pokrywało już cał spktrum widzialn. Przz okrślni barwniki rozumi się substancj organiczn (węglowodory i ich pochodn) zawirając sprzężon podwójn wiązania między atomami węgla. Okrślni sprzężon podwójn wiązania odnosi się do układu, w którym atomy węgla wiązan podwójni połączon są wiązanim pojdynczym ( -C=C C=C- ). Barwniki mogą występować w różnych stanach skupinia. Najpraktycznijsz są roztwory w płynach (jak woda, mtanol, tanol i inn), gdyż umożliwiają uzyskani ośrodka o wysokij jakości optycznj, w którym chłodzni zapwnion jst przz jgo przpływ. Co więcj, płynn ośrodki czynn są samonaprawialn w odróżniniu od ośrodków stałych, w których wszlki uszkodznia są zazwyczaj trwał. W chwili obcnj najbardzij popularn są taki związki jak: fluorscina, rodamina, kumaryna. Typowy układ poziomów barwnika przdstawia rysunk 1.1. absorpcja prominiowania proministy powrót do stanu S 0 przjścia bzprominist Rysunk 1.1. Układ poziomów barwnika w roztworz. S 0 pasmo podstawow, S 1 pasmo fluorscncyjn. Ciągł pasma nrgtyczn S 0 i S 1 powstają z układów poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych barwnika w wyniku oddziaływań z cząstczkami rozpuszczalnika. 4

5 Moc wyjściowa lasrów płynno-barwnikowych (zalżna od stężnia barwnika oraz wilkości obszaru czynngo, oba paramtry są właściwi niograniczon) moż być tgo samgo rzędu, co lasrów stałociałowych. Pompowani moż odbywać się przy użyciu dowolngo źródła światła (lampy błyskow, lasr YAG i inn). Dodatkowo koszt płynngo ośrodka czynngo jst zanidbywalni mały w porównaniu do ośrodka stałgo. T wszystki zalty sprawiły, ż lasry barwnikow bardzo szybko stały się podstawowym narzędzim w badaniach spktroskopowych atomów i cząstczk. Clm ninijszj pracy było uruchomini przstrajalngo lasra barwnikowgo TDL III firmy Quantl oraz zbadani paramtrów gnrowango przz nigo prominiowania. Jgo przydatność do badań cząstczk van dr waalsowskich (tym zajmuj się grupa prof. Jarosława Koprskigo, w którj powstawała ta praca) miała zostać sprawdzona poprzz rjstrację widm cząstczk CdAr i Cd. 5

6 . Wstęp tortyczny Równani Schrödingra swobodnj, nirotującj molkuły z N lktronami o masach m i K jądrami o masach M j ma postać N K i m i1 M k j1 k V ( r, R) E( r, R), (.1) gdzi pirwsz dwa człony dają nrgię kintyczną lktronów i jądr, a V ( r, R) jst nrgią potncjalną cząstczki. Nawt dla najprostszgo układu, jakim jst jon wodoru, równani (.1) ni da się rozwiązać analityczni. Przybliżon rozwiązani można uzyskać stosując mtody numryczn lub tż upraszczając modl molkuły. Jdnym z podstawowych przybliżń stosowanych do molkuł dwuatomowych (a taki były badan w ninijszj pracy), pozwalającym na znalzini funkcji falowych i nrgii własnych, jst przybliżni Borna- Oppnhimra. Polga ono na rozsparowaniu szybkich i wolnych stopni swobody funkcji ( r, R ). Inaczj mówiąc zakłada się w nim, iż szybki lktrony podążają natychmiastowo za wolnymi jądrami..1. Oscylacj i rotacj Równani Schrödingra jądrowych funkcji falowych (wolnych stopni swobody) w (0) potncjal E n ( R) można zapisać jako: (0) H ' E n nm Enmnm. (.1.1) (0) Potncjał ( R) E n jst rozwiązanim nizaburzongo równania Schrödingra dla szybkich stopni swobody z ˆ 0 H Tˆ l V. Mała nrgia kintyczna jądr jst traktowana jako zaburzni Hˆ ' Tˆ, a E nm jst nrgią m-tgo poziomu rotacyjno-oscylacyjngo n-tgo nuc stanu lktronowgo. Po przjściu do układu środka masy równani (.1.1) dla molkuły dwuatomowj o masach jądr M 1 i M sprowadza się do 6

7 (0) En ( R) nm( R) Enmnm( R), (.1.) gdzi M M M M 1 to masa zrdukowana, R ( R 1, R ) 1, a R R 1 R jst odlgłością międzyjądrową. W związku z tym, ż (0) E n zalży tylko od odlgłości R, równani (.1.) można wyrazić w współrzędnych sfrycznych ( R,, ) oraz rozdzilić na część radialną i kątową. ( R,, ) S( R) Y(, ). (.1.3) Otrzymujmy wtdy układ równań opisujący oscylacj (r. (.1.4)) i rotacj (r. (.1.5)) jądr: 1 R d dr ds E E dr J( J 1) ( R) R (0) R n S 1 Y 1 Y sin J( J 1) Y 0 sin sin 0 (.1.4) (.1.5) Liczba kwantowa orbitalngo momntu pędu J przyjmuj wartości J=0,1,,, przy czym rguły wyboru zzwalają na przjścia między poziomami o ΔJ=±1... Sztywny rotor Koljnym przybliżnim jst założni, ż odlgłość międzyjądrowa ni zminia się i wynosi R=R =const, a więc ni ma oscylacji jądr atomowych molkuły. Wtdy S(R)=const., E (0) n ( R ) 0 const. i równani (.1.4) upraszcza się, a jgo rozwiązanim jst J ( J 1) E( J ). (..1) R W spktroskopii cząstczkowj przyjęt jst, aby nrgi wyrażać w liczbach falowych (F=E/hc [cm -1 ]). Otrzymuj się wtdy tzw. trmy rotacyjn: F( J) B J( J 1), (..) 7

8 gdzi B (c jst prędkością światła). Widać, ż widmo sztywngo rotora to cr 4 równoodlgł lini (odlgł o B ), bo F( J 1) F( J) B ( J 1). (..3) Po zarjstrowaniu takigo widma można wyznaczyć odlgłość międzyjądrową R..3. Nisztywny rotor W rzczywistości przybliżni sztywngo rotora jst zbyt nidokładn dla wyżj wzbudzonych cząstk. Enrgia rotacji wywołuj pojawini się siły odśrodkowj Fc rotr J 3 ( J 1) / R, która oddala od sibi jądra atomow, w związku z czym odlgłość międzyjądrowa w cząstczkach ni jst stała. Rozciąganiu się molkuły przciwdziała z koli siła lktrostatyczna, która dla małych odkształcń (R R ) wynosi F r / R( E (0) n ( R)) k( R R ). Całkowitą nrgię rotacyjną możmy zapisać jako: E J( J 1) R rot R 1 k( R ), (.3.1) gdzi do nrgii sztywngo rotora dodajmy nrgię potncjalną od odśrodkowgo znikształcnia. Wykorzystując fakt, ż w równowadz obi siły się kompnsują J( J 1) J( J 1) ( R R ) (.3.) 3 3 R k R k i rozwijając 1/R w szrg Taylora, równani (.3.1) sprowadza się do: E rot R 4 J( J 1) k R 6 J ( J 1) 6 k R 10 J 3 ( J 1) 3... (.3.3) Ostatczni trmy rotacyjn wyrażamy jako D 3 3 F( J) B J( J 1) DJ ( J 1) H J ( J 1)..., (.3.4) gdzi stał poprawki pochodząc od siły odśrodkowj wynoszą: 8

9 B 3 D >> 6 4ck R H ck R 5. Uwzględnini pojawiającj się siły odśrodkowj zaburza więc równoodlgłość linii widmowych, jaką przwiduj modl sztywngo rotora..4. Oscylujący rotor nisztywny Z uwagi na zachowani się jądr atomowych, do opisu potncjału cząstczki dwuatomowj ni można użyć symtrycznj funkcji. Dla małych R powinna ona dążyć do niskończoności, dla dużych R musi przyjmować skończoną wartość równą nrgii dysocjacji oraz powinna posiadać minimum w R=R. Dobrym opism jst przybliżni oscylatora anharmoniczngo, a takż szrg analitycznych potncjałów jak potncjały Morsa, Morsa-van dr Waalsa, Lnnarda-Jonsa czy Maitlanda-Smitha. Każdy z nich lpij lub gorzj opisuj różn zakrsy potncjału cząstczki. W dalszj części pracy zajmimy się potncjałm Morsa, który do bardzo dobrgo opisu krzywj nrgii potncjalnj w okolicach położnia równowagi wykorzystuj tylko trzy paramtry. Najczęścij zapisuj się go w postaci: ( RR ) 1 U( R R ) D, (.4.1) gdzi D to głębokość studni potncjału, a β okrśla jgo szrokość. Po rozwiązaniu równania Schrödingra uzyskujmy wzór na nrgi: oraz trmy oscylacyjn: E (.4.) 4 D 1 1 G ( ) x... (.4.3) Gdzi υ=0,1,, jst oscylacyjną liczbą kwantową, 0 Dh częstością c c oscylacji, a x 0 8cD h jst anharmonicznością. 8 c 9

10 10 Ostatczni trmy oscylacyjn i rotacyjn dla potncjału Morsa zapisujmy: 1) ( 1) ( 1 1 ), ( ) ( ), ( J J D J J B x J F G J T (.4.4) Wilkości B υ i D υ sprzęgają oscylacj z rotacjami i wynoszą: x B B B, 1 D D, R a ar D R, B x D R Rysunk.4.1. Przykładowy układ poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych. D 0 jst nrgią dysocjacji molkuły, D jst głębokością potncjału. Rysunk pochodzi z pracy []. D υ D υ D D υ D D

11 .5. Stany lktronow Do płngo opisu stanu cząstczki dwuatomowj, prócz podania stanów rotacyjngo i oscylacyjngo, nizbędn jst takż okrślni stanu lktronowgo T, do którgo odnoszą się wyznaczon trmy ro-oscylacyjn. Wyrażni na trm cząstczki przybira wtdy kompltną formę: T=T +G(υ)+F(υ,J). (.4.5) b c1 u Rysunk.4.. Krzyw nrgii potncjalnych trzch najniższych stanów lktronowych X0 + g, b0 + u i c1 u cząstczki Cd z zaznaczonymi zrowymi poziomami oscylacyjnymi. Rysunk pochodzi z artykułu [3]. Oznaczni trmów lktronowych wynika z analizy sprzężń momntów pędu jaki występują w cząstczc. Gdy atomy molkuły są dalko od sibi mogą być rozważan jako dwa nizalżn układy, z których każdy ma swój własny całkowity orbitalny momnt pędu lktronów, całkowity spin lktronów, całkowity momnt pędu lktronów, spin jądrowy. W czasi zbliżania się do sibi atomy zaczynają czuć pol lktryczn drugigo atomu, któr prowadzi do częściowgo usunięcia dgnracji poziomów. Dotychczasowa symtria sfryczna zostaj utracona, powstaj nowy momnt pędu procsujący wokół osi cząstczki i 11

12 zminiają się rguły wyboru. W zalżności od rodzaju atomów wchodzących w skład układu momnty pędu różni składają się. Można wyróżnić pięć przypadków, nazwanych przypadkami Hunda. Rysunk.4. dotyczy cząstczki kadmu Cd dla którj stosuj się przypadk Hunda c. X oznacza poziom podstawowy. Koljn stany wzbudzon oznacza się koljnymi litrami alfabtu a,b,c,, A, B, C,. Cyfra arabska jst równa rzutowi Ω całkowitgo krętu lktronów na oś cząstczki (oś zawirającą oba jądra). Indks górny prawy mówi o symtrii stanów lktronowych przy odbiciu względm płaszczyzny zawirającj oś międzyjądrową. Gdy funkcja falowa stanu lktronowgo przy odbiciu zachowuj znak, oznacza się to +, gdy znak się zminia,. Indks dolny informuj o parzystości lktronowj funkcji falowj względm zamiany jądr atomowych. Stany parzyst (w języku nimickim grad ) oznaczamy litrką g, niparzyst ( ungrad ) litrką u. Dokładnijsz rozważania na tmat stanów lktronowych zwirają prac [], [4], [5]..6. Struktura izotopowa W przyrodzi każdy pirwiastk chmiczny występuj w wilu odmianach, czyli izotopach, różniących się od sibi liczbą nutronów, a tym samym i liczbą masową (górny lwy indks przy symbolu pirwiastka). W Tabli.6.1 wyszczgólniono stabiln izotopy kadmu wraz z procntową zawartością w przyrodzi. Izotop Występowani Masa [j.m.a.] 106 Cd 1,% 105, Cd 0,88% 107, Cd 1,39% 109, Cd 1,75% 110, Cd 4,07% 111, Cd 1,6% 11, Cd 8,86% 113, Cd 7,58% 115,905 Tabla.6.1. Stabiln izotopy kadmu. Dan zaczrpnięt z [6]. Intuicyjni wiadomo, ż cząstczki zbudowan z różnych izotopów (różn masy jądr, al ta sama chmura lktronowa) będą miały różn częstości oscylacji. Stąd prosty wniosk, ż nrgi trmów oscylacyjnych muszą być różn dla każdj kombinacji izotopów tworzących cząstczkę. Dokładnijsza analiza prowadzi do wzoru na przsunięci izotopow między 1

13 izotopologami tj samj cząstczki, występując w przjściach między dwoma poziomami oscylacyjnymi υ i υ : v ij ' ' 1 '' '' 1 ( ', '') 1 1 ' x ' ' 1 '' x '' '' 1, (.6.1) gdzi j i, oraz μ j i μ i są masami dwóch izotopologów cząstczki. Analizując strukturę izotopową widma zarjstrowango przy przjściu między poziomami o znanych υ można wyznaczyć stał cząstczkow ω i ω x lub odwrotni, znając ω i ω x można wyznaczyć liczby kwantow υ, pomiędzy którymi odbywa się przjści. Na strukturę izotopową nakłada się struktura rotacyjna, dla każdj kombinacji izotopów posiadająca różn stał rotacyjn B υ, D υ,, H υ, (różn μ). Do badań całj struktury potrzbna jst więc wiązka lasrowa o Dυ dostatczni małj szrokości spktralnj. Odlgłości między poziomami oscylacyjnymi w klasi molkuł typu Cd są rzędu 10 cm -1, w strukturz izotopowj wynoszą kilka cm -1, a w strukturz rotacyjnj ok. 0,1 1 cm Wiązka naddźwiękowa Widmo ro-oscylacyjn cząstczki dwuatomowj, którj modl został przdstawiony w tym rozdzial, z względu na mnogość różnych przjść jst nizwykl skomplikowan (a co za tym idzi, bardzo trudn do idntyfikacji) (rys..7.1.b). Jdnym z sposobów jgo uproszcznia jst zastosowani mtody wiązki naddźwiękowj. Ni zagłębiając się w szczgóły, mtoda ta polga na schłodzniu trzch stopni swobody cząstczki: translacyjngo (w kirunku prostopadłym do kirunku propagacji wiązki), rotacyjngo i oscylacyjngo. Ralizuj się to używając pica, w którym uzyskuj się pary dango mtalu pod odpowidnim ciśninim. Pary t są następni uwalnian do próżni przz niwilki otwór o śrdnicy 0,1-0,3mm (rys..7.). W wyniku adiabatyczngo rozprężania wszystki trzy stopni swobody są schładzan. Do pica doprowadza się równiż gaz nośny (np. gaz szlachtny), który zwiększa liczbę zdrzń atomów i tym samym usprawnia cały procs. 13

14 Rysunk.7.1. Widmo wzbudznia cząstczki HgAr, otrzyman po schłodzniu mtodą wiązki naddźwiękowj: (a) zimn : T rot 0,6 K, T ocs 6 K; (b) gorąc : T rot, K, T osc K; Zimn widmo wzbudznia (a) pokazuj tylko przjścia z υ =0 Widmo gorąc zawira tzw. gorąc pasma pochodząc z przjść z υ =1 i. Rysunk pochodzi z [4]. Z względu na różn przkroj czynn na zdrznia lastyczn oraz na zdrznia zminiając stany rotacyjn i oscylacyjn, osiąga się różn stopni chłodznia dla poszczgólnych stopni swobody. Najbardzij malj tmpratura translacyjna T t, a najmnij oscylacyjna T osc. Związk tn można zapisać jako: T t T T (.7.1.) rot osc Przy czym tmpratury t miszczą się w zakrsach: T t : 0,5-0 K, T rot : -50 K, T osc : K. 14

15 Rysunk.7.. Schmatyczny przkrój przz wiązkę naddźwiękową. M liczby Macha: M ff - fktywna, M T graniczna; X odlgłość od dyszy picyka: X ff odlgłość fktywna, X T odlgłość graniczna (początk strfy ciszy ), X M odlgłość do dysku Macha; P 0, T 0, n 0 odpowidnio ciśnini, tmpratura i gęstość składników wiązki w obrębi źródła, D śrdnica otworu wylotowgo pica (dyszy). Rysunk jak i dfinicj na podstawi pracy [4] zaczrpnięt z [6]. Obniżni tmpratur ro-oscylacyjnych powoduj obsadzni poziomów tylko o małych liczbach υ i J. Natomiast chłodzni translacyjn oraz obsrwacja pod kątm prostym do kirunku rozchodznia się wiązki niwluj w znacznym stopniu fkt Dopplra. Ostatczni uzyskuj się możliw do intrprtacji, czytlnijsz widmo jak na rys..7.1.a. Ni można zapominać o jszcz jdnj zalci wyżj wspomnianj mtody. Większość cząstczk van dr waalsowskich ma bardzo małą nrgię dysocjacji i w tmpraturz pokojowj rozpada się. Wychłodzni umożliwia więc wytworzni i badani szrokij gamy nispotykanych w naturz, bardzo słabo związanych cząstczk. 15

16 3. Lasr TDL III Przstrajalny lasr barwnikowy Tunabl Dy Lasr (TDL) III firmy Quantl został przkazany jako dar przz fizyków francuskich (grupa prof. F. Birabna z Laboratorium Kastlra - Brossla w Paryżu). Utrudninim był fakt, ż ni było wiadomo kidy ostatnio był używany, a dołączona do nigo instrukcja w języku francuskim była dość lakoniczna. Po przprowadzonych oględzinach okazało się, ż przypalona była kuwta oscylatora (lmnt O na schmaci zamiszczonym na końcu pracy str. 51). Czyszczni przprowadzono w chromianc, jdnak część zaniczyszcznia pozostała. Problm rozwiązano składając kuwtę tak, aby nadpalona część ni była oświtlana przz lasr pompujący. Już przy pirwszych próbach uruchominia lasra bardzo uciążliwy okazał się brak prcyzyjnj rgulacji jgo lmntów. Tylko lustra (1a,b,c,d, 8,9), dzilniki wiązki (, 3, 4), siatka dyfrakcyjna (9) i jdn z pryzmatów (10b) posiadały dokładną rgulację. Pozostał posiadały tylko rgulację zgrubną. W związku z tym do prawidłowgo wyjustowania układu nizbędn okazały się niżj wyminion modyfikacj wykonan przz autora: Zaprojktowano i zainstalowano szynę (rysunk 3.1) do prcyzyjnj rgulacji położnia soczwki skupiającj oscylatora (6). Poprawiła ona wygodę i dokładność ustawinia ogniskowania wiązki pompującj, al w stopniu niwystarczającym. Planowan jst zainstalowani mocowań z prcyzyjną rgulacją położnia soczwk w dwóch kirunkach i obrotu wokół jdnj z osi (obrót tylko dla soczwki cylindrycznj (6, 14, 15, 16)). Zaprojktowano cztry taki komplty mocowań do układów soczwk oscylatora (6 i 7) i wzmacniaczy (14, 15 i 16). W czasi pisania ninijszj rozprawy wszystki były jszcz w fazi produkcji. Projkt pokazany jst na rysunku

17 6 O 13 Rysunk 3.. Zainstalowana szyna do prcyzyjnj rgulacji położnia soczwki cylindrycznj (6) oscylatora. Po lwj stroni widoczna jst kuwta oscylatora (O) oraz układ pryzmatów (13) służących do zawężnia szrokości spktralnj wiązki lasrowj Rysunk 3.3. Projkt mocowań soczwk oscylatora (6,7) oraz soczwk wzmacniaczy (14,15,16) zapwniających płynną i prcyzyjną rgulację (w kirunkach zaznaczonych czrwonymi strzałkami). Po lwj rzut w kirunku równolgłym do wiązki pompującj (kolor zilony), po prawj w kirunku prostopadłym. Rysunk wykonany wg projktu autora, przz inż. K. Pnę. 17

18 Jdn z pryzmatów zwrotnych (bz jakijkolwik rgulacji kirunku zawracania wiązki) zastąpiono układm dwóch prcyzyjni rgulowanych lustr (10a) co znaczni ułatwiło propagację wiązki z oscylatora przz trzy kuwty wzmacniaczy. 10a Rysunk 3.4. Zainstalowany układ dwóch lustr (10a) zawracających wiązkę lasrową, któr zastąpiły oryginalni mocowany pryzmat (widoczny po prawj stroni). Zaprojktowano inn, pokazan na rysunku 3.4. mocowani kuwty oscylatora (O), pozwalając na prcyzyjną rgulację jj położnia w dwóch kirunkach i obrót wokół osi pionowj. Obcni jst ona ustawiana ręczni poprzz wykorzystani luzu na śrubach mocujących. Elmnty potrzbn do ralizacji tgo projktu zostały zamówion do wykonania po zakończniu pomiarów. kuwta z barwnikim Rysunk 3.4. Projkt mocowania kuwty oscylatora (O) zapwniający prcyzyjną rgulację jj położnia w dwóch kirunkach i obrót wokół osi pionowj. Z lwj rzut w kirunku równolgłym do wiązki pompującj oscylatora, po prawj w kirunku prostopadłym. 18

19 Lasr TDL III był pompowany prominiowanim o długości fali 53 nm pochodzącym z impulsowgo lasra Nd:YAG Continuum Powrlit Jgo częstość rptycji wynosiła 10 Hz, a nrgia impulsu ok. 100 mj (opóźnini między błyskim lampy a akcją lasrową ustalono na 65μs, napięci w zakrsi 1,-1,5kV). W lasrz TDL III jako ośrodka czynngo użyto rodaminy 101 w mtanolu umożliwiającj płynn przstrajani w zakrsi od 61 nm do 658 nm. Do automatyczngo przstrajania lasra wykorzystano dwa silniki krokow z strownikim (prod. Optl). Całość strowana była przz program napisany przz dr M. Ruszczaka. Więcj na tmat przstrajania znajduj się w rozdzial 4. Mimo, iż ni wszystki pożądan lmnty zostały wykonan trminowo, udało się uzyskać akcję lasrową w oscylatorz i wzmocnić ją w wzmacniaczach. Po wykalibrowaniu lasra przprowadzony został szrg pomiarów mających na clu sprawdzni jakości spktralnj mitowango prominiowania, przstrajalności lasra i możliwych jgo zastosowań Pomiar szrokości spktralnj Do oszacowania szrokości spktralnj prominiowania lasra TDL III wykorzystano falomirz WA 4500 (Burligh) oraz szrg talonów (trzy z nich posiadały osobny układ tlskopowy, jdn miał wbudowany) będących intrfromtrami Fabry'go-Prota o różnych grubościach. W falomirzu WA 4500 zainstalowan są dwa talony: talon A o Fr Spctral Rang (FSR)=,5 cm -1 i talon B o FSR=0,5 cm -1. Wykonan nim pomiary przdstawiono na rysunkach i Rysunk Prążki intrfrncyjn pochodząc z talonu A falomirza Burligh WA

20 Rysunk Prążki intrfrncyjn pochodząc z talonu B falomirza Burligh WA Na podstawi tych dwóch pomiarów można oszacować szrokość spktralną wiązki lasrowj, jako dużo mnijszą od FSR talonu A, gdyż prążki na nim obsrwowan były wąski i stabiln. Szrokość spktralna wiązki była tylko niznaczni mnijsza od FSR talonu B poniważ prążki na nim obsrwowan były stosunkowo wyraźn, al ni tak stabiln i z widoczną wilodomowością. W czasi pomiarów z użycim pozostałych talonów (o grubościach 3 mm, 5 mm i 10 mm oraz talonu z wbudowanym układm tlskopowym o grubości 10mm, których FSR wynosiła odpowidnio 1.17 cm -1, cm -1, 0,35 cm -1 i 0, cm -1 ) udało się uzyskać obraz prążków intrfrncyjnych na taloni z wbudowanym układm tlskopowym o FSR=0, cm -1 (widoczny na rysunku ) co przkłada się na 0,008 nm przy długość fali 640 nm. Nistabilność obsrwowanych prążków (obsrwowana na obu talonach o grubości 10 mm) wskazuj, ż rzczywista szrokość spktralna lasra jst jdnak większa, zawira się w przdzial od 0,35 cm -1 do 0,5 cm -1 (10,5-15 GHz). 0

21 Rysunk Zdjęci prążków intrfrncyjnych (z jdngo strzału lasra) pochodzących z talonu o FSR=0, cm -1. Pwna nisymtryczność okręgów jst wynikim ustawinia obiktywu aparatu obok prominia lasra. 3.. Przstrajani lasra Koljnym krokim była obsrwacja zachowania prążków podczas przstrajania lasra. Do tgo clu użyto podłączonj do oscyloskopu fotodiody i talonu o grubości 5mm (bz użycia układu rozciągającgo wiązkę przstrznni) o tortyczni wyliczonj FSR=0,717 cm -1. Wartość tę uzyskano stosując wzór: FSR [ cm 1 ] 1 n d, gdzi n jst współczynnikim załamania ośrodka jakim wypłniony jst talon (dla badango talonu n=1.395), d jst grubością talonu. Lasr przstrajany był za pomocą silników strowanych programm komputrowym. Wykonano pomiary przy użyciu skali1, przstrajalnj w zakrsi od 400 nm do 950 nm (pomiar z krokim 0,01 nm) jak i skali, przstrajalnj w zakrsi 10 nm (pomiar z krokim 0,001 nm). Zarjstrowany sygnał przdstawia rysunk Przyglądając się bliżj prążkom intrfrncyjnym widać ich nirównoodlgłość. 1

22 Natężni (j. u.) Natężni (j. u.) (nm) (nm) Rysunk Prążki intrfrncyjn pochodząc z talonu o FSR=0,718cm -1. Widać dwa osobn pomiary. Jdn na skali1 (krok 0,01nm) zaznaczony kolorm czarnym, drugi zrobiony na skali (krok 0,001nm) zaznaczony kolorm czrwonym. Kolorm nibiskim i zilonym zaznaczon jst zarjstrowan na dalszym tapi prac widmo Cd (zilon) i CdAr (nibiski). Efkt tn, spowodowany ograniczoną prcyzją mchanizmu przstrajającgo, jst dużo silnijszy w przypadku stosowania skali1 (kolor czarny). Dokładnij pokazują to pomiary odlgłości między prążkami intrfrncyjnymi w przdzial od 635,5nm do 636,nm. Dla skali1 wynosi ona 0,637±0,06 cm -1, natomiast dla skali 0,704±0,01cm -1. Jak widać, na podstawi pomiarów wykonanych przy użyciu skali1 otrzymano wynik nipoprawny z dwa razy większym błędm, w porównaniu do poprawngo wyniku uzyskango za pomocą

23 przstrajania przy użyciu skali (FSR = 0,717cm -1 została wyznaczona na podstawi obliczń dla idalngo talonu). Różnic w dokładności mchanizmów przstrajania obu skal bardzo dobrz ilustruj tż rysunk 3... c b a skala skala1 Rysunk 3... Rozrzut różnic nrgii między koljnymi prążkami intrfrncyjnymi z talonu 5mm. Po lwj wyniki dla skali, po prawj dla skali1; a wartość śrdnia; b przdział bz 5% najwyższych i 5% najniższych pomiarów; c - przdział bz 1% najwyższych i 1% najniższych pomiarów Z rysunku 3.. wywnioskować można, ż jśli mchanizm przstrajania robi przypadkow błędy, rozkład różnic nrgii powinin dążyć do rozkładu normalngo. Wtdy obszar b powinin lżć mnij więcj na środku obszaru c. Sprawdza się to tylko w przypadku skali. Przy przstrajaniu przy użyciu skali1 sam rozrzut jst symtryczni większy w porównaniu do skali, natomiast widać tndncję do zagęszczania prążków po czym następuj większa przrwa Krzywa mocy Do pomiaru krzywych mocy w funkcji długości fali, odpowiadającj częstości podstawowj i drugij harmonicznj, użyto dwóch fotodiod połączonych z oscyloskopm (fotodioda mirząca drugą harmoniczną stanowiła część Autotrackra czyli podwajacza częstości firmy Radiant Dys Lasr & Accsoris GmbH, opisango szrzj w pkt. 4.1.). Wykonano trzy pomiary pokazan na rysunku Dwa odpowiadają częstości podstawowj prominia po wyjściu z oscylatora bz udziału wzmacniaczy (kolor czrwony i 3

24 Natężni (j. u.) czarny), trzci częstości podwojonj z udziałm wzmacniaczy nizbędnych do jj wydajnj gnracji (kolor nibiski). 0, ,08 0,06 0,06 0,04 0,04 0,0 0,0 0, (nm) 0,00 Rysunk Krzyw mocy dla podstawowj (kolor czarny i czrwony) i drugij harmonicznj (kolor nibiski) częstości lasra. Prostokątami zaznaczon są obszary intrsując z punktu widznia późnij wykonanych pomiarów. Lokaln minimum krzywj mocy drugij harmonicznj, widoczn w okolicy 317 nm, ni pojawiło się w czasi późnijszj rjstracji widm. Mimo faktu, iż pomiary krzywj mocy w funkcji częstości podstawowj były robion koljno, bz żadnych zmian w układzi, widać spadk mocy wiązki lasrowj (o ok. 10%). Efkt tn ni znalazł wytłumacznia, nimnij kształt krzywych dla obu pomiarów jst idntyczny (w obszarz pokrywania się krzywych). Przyczyną tgo, ż wiązka lasra barwnikowgo z czasm traci moc (moc lasra Nd:YAG jst stała), moż być ogrzwani się układu lub nasycani się barwnika. Praca w niższych tmpraturach (powitrz ok. 16 o C, barwnik ok. 0 o C) i jj kontrolowani ni zlikwidowało ani ni wyjaśniło problmu. Efkt tn kompnsować można zwiększając moc wiązki pompującj (poprzz zwiększni napięcia lampy błyskowj lasra Nd:YAG). Kształt krzywj mocy dla drugij harmonicznj powinin mnij więcj oddawać kształt dla częstości podstawowj jdnak, jak widać z rysunku 3.3.1, tak ni jst. Przyczyną moż być zł ustawini układów soczwk (18, 19, 0) ogniskujących wiązkę pompującą na wzmacniaczach i pojawini się dodatkowj fluorscncji zamiast wzmocninia. Gomtria 4

25 układu sprawia, ż odsparowani od tj fluorscncji wiązki lasrowj jst bardzo trudn (o il w ogól możliw) i ni zostało zralizowan. Sytuację prawdopodobni poprawi zainstalowani prcyzyjnj kontroli położnia soczwk (18, 19, 0) i dobr wyjustowani wzmacniaczy. Być moż uda się wtdy całkowici wyliminować nipożądaną fluorscncję. Nistty w czasi pisania tj pracy zamówion lmnty były jszcz w fazi produkcji, a pomiary wykonywan były z ręczni ustawionymi soczwkami. Porównując wyniki z oryginalną instrukcją [7] (str. 3 dla częstości podstawowj i str. 9 dla drugij harmonicznj) widać przsunięci o ok. 10nm w kirunku dłuższych fal. Inny jst tż kształt i położni maksimum (oryginalni ok. 630nm, traz ok. 650nm). Wynikać to moż z faktu, iż do jj rjstracji ni użyto wzmacniaczy. Przsunięcia tgo ni widać jśli porównamy wyniki dla drugij harmonicznj, gdzi potrzbn było użyci wzmacniaczy (tu natomiast kształt jst zupłni inny). 5

26 4. Układ doświadczalny Możliwości praktyczngo zastosowania lasra TDL III zostały zwryfikowan pomiarami widma wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr, pomiarami widm wzbudznia przjść b0 + u X0 + g, c1 u X0 + g oraz pomiarm widma fluorscncji przjścia b0 + + u X0 g cząstczk Cd. Jako, ż pomiary widm wzbudznia i widma fluorscncji były robion różną tchniką, różniły się tż trochę układy ksprymntaln. Widma wzbudznia były rjstrowan przy użyciu aparatury przdstawionj schmatyczni na rysunku 4.1, natomiast widma fluorscncji przy użyciu aparatury przdstawionj na rysunku 4.. Rysunk 4.1. Schmat układu wykorzystango do pomiaru widm wzbudznia z wykorzystanim przjścia B1 X0 + cząstczk CdAr oraz przjść b0 u + X0 g + i c1 u X0 g + cząstczk Cd. 6

27 Rysunk 4.. Schmat układu wykorzystango do pomiaru widma fluorscncji b0 u + X0 g + cząstczk Cd Wiązka lasrowa Lasr barwnikowy TDL III, tak jak opisano to w rozdzial 3, pompowany był impulsowym lasrm Nd:YAG o częstości rptycji wynoszącj 10Hz, a ośrodkim czynnym była Rodamina 101. Wiązka lasrowa gnrowana w oscylatorz (O) i wzmocniona wzmacniaczami (W.I, W.II i W.III) lasra TDL III trafiała do podwajacza częstości Autotrackr firmy Radiant Dys Lasr & Accsoris GmbH, którgo schmat budowy przdstawia rysunk

28 Rysunk Schmat budowy podwajacza częstości Autotrackr firmy Radiant Dys Lasr & Accsoris GmbH. Rysunk pochodzi z pracy doktorskij M. Ruszczaka [5]. Po wjściu do podwajacza wiązka lasrowa przchodziła przz kompnsator i kryształ niliniowy. Oba lmnty, obracan wokół osi O1 i O, synchroniczni wraz z zmianą długości fali wiązki lasrowj, zapwniały gnrację drugij harmonicznj bz zmiany kirunku propagacji wiązki. Podstawowa częstość była następni liminowana w sparatorz Pllin-Broka, tak ż na wyjściu otrzymano wiązkę drugij harmonicznj propagującą w tym samym kirunku co wchodząca wiązka z lasra TDL III. Dodatkowo w urządzniu tym zainstalowano fotodiody, do automatyczngo dostrajania się urządznia do długości fali wchodzącj wiązki. W ksprymnci jdnak służyły on tylko do kontrolowania natężnia gnrowanj wiązki a obroty kompnsatora i kryształu niliniowgo wykonywan były na podstawi wczśnij wykonanj kalibracji. 4.. Źródło cząstczk i aparatura dtkcyjna W ksprymnci posługiwano się mtodą wiązki naddźwiękowj. Wiązkę tę prostopadl przcinała wiązka drugij harmonicznj lasra TDL III. Źródłm cząstczk był pic o pracy ciągłj, którgo schmat zamiszczony jst na rysunku Do produkcji cząstczk CdAr i Cd nizbędn było uzyskani, w wypłnionym kadmm picu, tmpratury rzędu K. 8

29 Rysunk Schmat budowy źródła cząstczk; a) komora próżniowa z schmatyczni zaznaczonym picykim; b) picyk; WM wiązka cząstczkowa. Rysunk pochodzi z pracy []. Po rozgrzaniu do tj tmpratury i doprowadzniu do pica gazu nośngo (argonu) pod odpowidnio dużym ciśninim (wynoszącym ok. 10 bar), pary cząstczk kspandowały do komory próżniowj (ciśnini ok mbar) przz dyszę o śrdnicy 0, mm. Wytworzona w tn sposób wiązka naddźwiękowa była krzyżowana, w zalżności od badango widma, w odlgłościach X ff = 4 mm, X ff = 6 mm i X ff = 6,5 mm od dyszy (odlgłości okrślono na podstawi danych z pracy [4]), z wiązką drugij harmonicznj lasra TDL III. Fluorscncję z obszaru oddziaływania skupiano układm soczwk na katodzi fotopowilacza 9893QB/350 firmy Elctron Tubs (pomiary widm wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr i b0 + + u X0 g oraz c1 u X0 + g cząstczk Cd, schmat na rysunku 4...) lub tż na szczlini spktrografu (typu Czrny-Turnr) Digikrom 480 firmy Spctral Products i kamry CCD PI-MAX: 51 firmy Spctral Products (pomiary widma fluorscncji b0 + u X0 + g cząstczk Cd, schmat na rysunku 4..3.). 9

30 osłona optyczna Rysunk 4... Schmat układu dtkcyjngo zastosowango do pomiaru widm wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr i b0 u + X0 g + oraz c1 u X0 g + cząstczk Cd. Rysunk pochodzi z pracy []. Fotopowilacz (katoda fotopowilacza była czuła w zakrsi od 00nm do 500nm) jak i spktrograf (z siatką o d=1mm/100) rozciągający widmo na matrycę CCD (51x51 piksli) kamry, zostały ustawion w kirunku prostopadłym do płaszczyzny wyznaczonj przz wiązkę naddźwiękową i wiązkę lasra. spktrograf kamra CCD Rysunk Schmat układu dtkcyjngo zastosowango do pomiaru widma fluorscncji b0 u + X0 g + cząstczk Cd. Sygnał z fotopowilacza wykorzystywany był do dokładngo dostrojnia wiązki lasrowj do pożądango przjścia. Lkko zmodyfikowany rysunk pochodzi z pracy []. 30

31 4.3. Strowani pomiarm i akwizycja danych Płynn przstrajani długości fali prominiowania lasrowgo zapwniały, zamontowan do lasra TDL III za pomocą przgubów miszkowych, dwa dwufazow silniki krokow 4BYGH (rysunk 4.3.1) o momnci obrotowym wynoszącym ok. 0,5Nm i kąci jdngo kroku równym 1,8 ±5%. Oba silniki były kontrolowan za pomocą dwuosiowgo strownika 00 USB firmy OPTEL. Strownik tn pozwalał na obrót silników zgodni lub przciwni do kirunku obrotu wskazówk zgara z 1/8, 1/4, 1/ lub 1 krokim. Rysunk Dwa silniki krokow 4BYGH zamontowan z użycim przgubów miszkowych do lasra TDL III. Całość podłączona była do komputra PC z zainstalowanym systmm Windows XP poprzz port USB i strowana programm Lasr3Win napisanym przz dr M. Ruszczaka. Główn okno programu pokazan jst na rysunku a b c d f g h Rysunk Okno programu Lasr3Win; a przycisk zapisu pomiaru; b wybór między pomiarm z użycim lasra lub monochromatora (opcja niużywana); c ustawini zakrsu i kroku z jakim odbywał się pomiar d - przyciski kontroli pomiaru (zatrzymani, uruchomini, krok w przód, pauza, przwinięci); otworzni okna QuantlViw; f- otworzni okna TDS10 strującgo oscyloskopm; g otworzni okna RsultPlot wizualizującgo zbiran dan; h wstawini komntarza do pomiaru 31

32 Ustawini i synchronizacja przy pomocy programu Lasr3Win pozycji obu skal lasra TDL III odbywało się po wciśnięciu przycisku i otworzniu okna QuantlViw (rysunk ). Okno to pozwala na nijdnoczsn przstrajani obu skal lasra poprzz podani odpowidnij długości fali częstości podstawowj (albo drugij harmonicznj), lub/i poprzz zadani odpowidnigo położnia na skalach. Skala1 Skala długość fali częstości podstawowj i drugij harmonicznj wydani silnikom polcnia przjścia do zadanj pozycji kontrolka stanu pracy silników (pracują/ni pracują) Rysunk Okno QuantlViw służąc do przstrajania lasra TDL III. Po ustawiniu żądanj pozycji na skali1 lub skali i okrślniu zakrsu przstrajania oraz kroku z jakim to przstrajani ma się odbywać (przycisk c) układ był gotowy do rozpoczęcia pomiaru. W czasi pomiarów sygnały z fotopowilacza (używany był takż w czasi pomiarów widma fluorscncji do kontroli wzbudznia cząstczk Cd, ni został zaznaczony na rysunku 4..) i fotodiody podwajacza częstości Autotrackr akumulowan były z użycim cztrokanałowgo oscyloskopu TDS046B firmy Tktronix. Jako sygnału wyzwalającgo użyto sygnału z lasra Nd:YAG. Oscyloskop podłączony był złączm GPIB do komputra PC wyposażongo w kartę GPIB firmy Agilnt Tchnologis. Okno kontrolując pracę oscyloskopu (rysunk 4.3.4) otwiran było przyciskim f programu Lasr3Win. Przyciskim d, uruchamiającym pomiar, rozpoczynano zbirani danych. Automatyczni otwiran okno komntarza do dango pomiaru można było w każdj chwili przywołać przyciskim h. Zbiran dan wizualizowało się (natężni sygnału w funkcji długości fali) używając przycisku g, a do zapisywania danych służył przycisk a. 3

33 a b c Rysunk Okno TDS 10 służąc do kontroli pracy oscyloskopu; Ch 1 sygnał z fotopowilacza; Ch sygnał z fotodiody; Ch 3 sygnał wyzwalający z lasra Nd:YAG; Ch 4 kanał niużywany; PM obszar całkowania sygnału z fotopowilacza; PMZro obszar całkowania sygnału zrowgo z fotopowilacza; PD obszar całkowania sygnału z fotodiody (zaznaczony dwoma pionowymi nibiskimi liniami - kursorami) ; PDZro obszar całkowania sygnału zrowgo z fotodiody; a przyciski do skalowania obrazu; b przycisk aktywujący obsługę kursorów, c przyciski bzpośrdnigo kopiowania, zapisu i drukowania danych W czasi pomiaru widma fluorscncji strowani pracą kamry CCD i zbirani danych odbywało się z użycim dodatkowgo komputra PC z programm WinSpc/3 w wrsji Program Lasr3Win służył jdyni do prcyzyjngo ustawinia lasra na żądanj długości fali oraz do kontroli natężń drugij harmonicznj i fluorscncji. 33

34 5. Pomiar widm wzbudznia i fluorscncji cząstczk CdAr i Cd Pomiar widma wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr miał na clu sprawdzni poprawności przyjętj mtody doświadczalnj oraz prawidłowj pracy lasra TDL III. W porównaniu z pracą [8] oczkiwano zatm zgodności wyników. Natomiast przy badaniu widm b0 + u X0 + g,, c1 u X0 + g i b0 + u X0 + g cząstczk Cd, których krzyw nrgii potncjalnych pokazano na rysunku.4., ni spodziwano się dokładngo potwirdznia wyników z prac [3] i [9] (przd wszystkim wartości R ). Do zbranych danych ksprymntalnych dopasowano widma wysymulowan programm LEVEL 7.7 [10], który do symulowania widm wzbudznia i fluorscncji używać moż szrokij gamy potncjałów analitycznych. W przprowadzonych symulacjach posługiwano się potncjałm Morsa. Na podstawi dopasowania widm wysymulowanych do widm ksprymntalnych, okrślono wartości stałych D, R i stanów, pomiędzy którymi odbywały się przjścia. Znając wartości tych trzch stałych, wyznaczono koljn:, x, B i B υ potrzbn do symulowania struktury rotacyjnj. Do jj odtworznia użyto programów Rotational Spctra Simulator v.1.5 (dla CdAr) oraz Rotational Spctra Simulator v.1.6 (dla Cd ). Oba zostały napisan przz mgr M. Strojckigo. Uwzględnia się w nich, prócz już wyminionych stałych, strukturę izotopową, tmpraturę rotacyjną i ilość składowych rotacyjnych. Widok okna programu przdstawia rysunk 5.1. Wszystki pokazan dalj widma wzbudzń zostały uzyskan poprzz podzilni sygnału z fotopowilacza przz sygnał fotodiody kontrolującj natężni drugij harmonicznj. Dzięki tmu zabigowi praktyczni wyliminowano problm zaburzania widma nistabilnością mocy wiązki lasrowj podczas pomiaru. 34

35 Rysunk 5.5. Okno programu Rotational Spctra Simulator v1.5 przdstawiając symulację widma wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr. 5.1 Widmo wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr Zarjstrowan widmo wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr pokazano na rysunku Wykonano dwa pomiary dla różnych warunków ksprymntalnych. W jdnym większ natężni mają składow widma wzbudznia cząstczk Cd (rysunk (a) ). W drugim, wykonanym z większym ciśninim argonu i o 0,5 mm bliżj dyszy picyka, większ natężni mają składow widma cząstczk CdAr (rysunk (b) ). W obu ni widać rozdzilonj struktury rotacyjnj, al pojawia się tzw. rd shading (ciniowani w kirunku czrwonym, czyli w kirunku mnijszych nrgii). Efkt tn związany jst z rgułami wyboru zmiany liczby kwantowj J, przy czym rozróżnia się trzy tzw. gałęzi przjść: gałąź P dla J=-1, gałąź Q dlaj=0 i gałąź R dla J=1. Ni wnikając w szczgóły [], pasma dla których B υ <B υ (wtdy R >R ) są ciniowan w kirunku czrwonym, natomiast gdy B υ >B υ (wtdy R <R ) ciniowani jst w kirunku wyższych nrgii, tzw. blu shading. 35

36 Natężni (j.u.) X0 + g "=0 Cd : b0 + u' CdAr: B1 ' X0 + "=0 linia atomowa 5 3 P S 0 (a) (b) (c) (d) (nm) Rysunk Widmo wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr z widocznym widmm wzbudznia b0 u + X0 g + cząstczk Cd i linią 5 3 P S 0 atomów kadmu; (a) pomiar z krokim 0,00 nm, ciśnini argonu 7 bar, ciśnini w komorz próżniowj 3, mbar, śrdnica dyszy d=0, mm, X ff =6,5 mm; (b) pomiar z krokim = 0.00 nm, ciśnini argonu 1 bar; ciśnini w komorz próżniowj, mbar; śrdnica dyszy d=0. mm; X ff = 6 mm; (c) symulacja widma B1 X0 + υ =0 wykonana programm Rotational Spctra Simulator v.1.5 dla T rot =5 K; (d) symulacja widma B1 X0 + υ =0 wykonana programm LEVEL 7.7 [10], linią nibiską pokazana symulacja dla przjścia b0 u + X0 g + υ =0 cząstczk Cd Jak widać z rysunku oba pomiary są zgodn, tzn. odpowidni składow oscylacyjn mają t sam położnia w obu zarjstrowanych widmach. Symulacja widma B1 υ X0 + υ =0 przprowadzona programm LEVEL 7.7 [10] i pokazana na rysunku (d) zgadza się z ksprymntm. Na jj podstawi wyznaczono stał stanu podstawowgo: D =106,8 ± 0,8 cm -1, R =4,31 ± 0.0 Å, =1,77 ± 0,010 ˣ10 8 Å -1 oraz stał stanu B1: D = 56,8 ± 1 cm -1, R = 5,00 ± 0,0 Å, = 0,939 ± 0,030ˣ10 8 Å -1, R =0,69 ± 0,04 Å. Uwzględnini struktury rotacyjnj pokazan na rysunku (c) dobrz oddało widmo doświadczaln dla stałych = 19,8 ± 0,1 cm -1, x = 0,9 ± 0,01 cm -1, B = 0,0307 ± 0,0004 cm -1, =11,3 ± 0, cm -1, x = 0,56 ± 0,03 cm -1, B = 0,08 ± 0,0004 cm -1 i T rot =5K. Wyniki t, tak jak oczkiwano, są w większości zgodn lub bliski wynikom z pracy [8]. 36

37 Natężni (j. u.) 5. Widmo wzbudznia b0 + u X0 + g cząstczk Cd Widmo zanalizowan w punkci 5.1 pod kątm wzbudznia cząstczk CdAr zostało następni przanalizowan pod kątm przjścia b0 + u X0 + gcząstczk Cd. Powtórzono całą procdurę symulacyjną i otrzymano następując wyniki. Dla stanu podstawowgo X0 + g: : D = 39,8 ± 0,5 cm -1, R = 3,76 ± 0,0 Å, = 1,085 ± 0,00 ˣ10 8 Å -1, a stąd: = 1,6 ± 0,4 cm - 1, x = 0,35 ± 0,01 cm -1, B = 0,01 ± 0,0004 cm -1, B υ=0 = 0,010 ± 0,0004 cm -1. Dla stanu b0 + u : D = 59,8 ± 0,9 cm -1, R = 4,01 ± 0,0 Å, = 1,073 ± 0,040 ˣ10 8 Å -1, R = 0,5 ± 0,04 Å oraz = 18,8 ± 0,6 cm -1, x = 0,34 ± 0,0 cm -1, B = 0,0187 ± 0,0004 cm -1, B υ=0 = 0,0183 ± 0,0004 cm -1. Porównując z wynikami zawartymi w pracy [9], widać pwn rozbiżności (patrz Tabla 6.1.). Przd wszystkim dla stanu b0 + u inn (mnijsz o ok. 0,3 Å) jst położni minima potncjału R, natomiast R jst taki samo. Mnijsz są tż i x. Symulacj pokazan są na rysunku Strukturę rotacyjną wysymulowano przy założniu T rot =7 K X0 + g "=0 b0 + u' B1 ' X0 + "=0 linia atomowa (a) 5 3 P S 0 (b) (c) (d) (nm) Rysunk Widmo wzbudznia B1 X0 + cząstczk CdAr z widocznym widmm wzbudznia b0 u + X0 g + cząstczk Cd i linią atomową przjścia 5 3 P S 0 atomów kadmu; (a) i (b) tak jak w opisi rysunku (c) symulacja widma b0 u + X0 g + υ =0 wykonana programm Rotational Spctra Simulator v.1.6 dla T rot =7 K; (d) symulacja widma b0 u + X0 g + υ =0 wykonana programm LEVEL 7.7 [10], linią nibiską pokazana symulacja dla widma B1 X0 + υ =0 cząstczk CdAr. 37

38 5.3. Widmo fluorscncji b0 + u X0 + g cząstczk Cd Wykorzystani kamry CCD pozwoliło w dość łatwy i szybki sposób zarjstrować widmo fluorscncji b0 + u X0 + g cząstczk Cd. Cząstczki Cd zostały koljno wzbudzon do pięciu najniższych poziomów oscylacyjnych stanu b0 + u, a kamra rjstrowała przchodzącą przz spktrograf fluorscncję do stanu X0 + ġ (rysunk ). W wyniku otrzymano widma struktury oscylacyjnj stanu X0 + ġ pokazan na rysunku Rysunk Zdjęci widma fluorscncji b0 + u υ =3 X0 + g wykonan kamrą CCD PI-MAX: 51 firmy Spctral Products. 38

39 Natężni (j. u.) () "= '=4 (d) "= '=3 (c) "= '= (b) '=1 "= (a) "= '= (nm) Rysunk Widma fluorscncji cząstczk Cd mitowanj z koljnych poziomów oscylacyjnych stanu b0 u +. Pomiary wykonywan były przy ciśniniu argonu 13 bar, ciśniniu w komorz próżniowj 3, mbar, śrdnicy dyszy d=0, mm, X ff =6 mm i tmpraturz pica T=686 K. Czrwon pionow słupki są wynikim symulacji programm LEVEL 7.7 [10], na ich podstawi, używając programu Convolutions, narysowano widmo (równiż kolorm czrwonym). Przrywaną, pionową krską zaznaczono położni gorącgo piksla kamry CCD. 39

40 Do uzyskanych danych przprowadzono symulacj programm LEVEL 7.7 [10] (czrwon, pionow słupki na rysunku ) przy użyciu tych samych wartości stałych (w granicach błędu), któr zostały wyznaczon w pkt. 5.. Na podstawi tych symulacji przdstawiono widma (kolorm czrwonym) używając napisango przz mgr M. Strojckigo programu Convolutions. Jak widać, pomiar tn jst potwirdznim wyników uzyskanych w pkt. 5., gdyż widma wysymulowan bardo dobrz zgadzają się z widmami ksprymntalnymi. Po uważnijszj obsrwacji wyników każdgo z pomiarów można dostrzc wzrost natężnia na długości ok. 35,38nm (mijsc zaznaczon pionową, przrywaną linią). Najbardzij prawdopodobną przyczyną tgo faktu jst, lżący w tym mijscu, gorący piksl kamry CCD Widmo wzbudznia c1u X0 + g cząstczk Cd Ostatnim z zarjstrowanych widm było widmo wzbudznia c1 u X0 + g cząstczk Cd przdstawion na rysunku (a). Dla poprawinia słabgo kontrastu uśrdniono cztry pomiary. Podobni jak poprzdnio, tu równiż struktura rotacyjna ni jst rozdzilona. a widoczny jst jdyni rd shading. Prócz przjść z υ =0 zarjstrowano takż przjścia gorąc z υ =1 i υ =. W wyniku symulacji, przprowadzonych analogiczni do tych z pkt i 5.., a pokazanych na rysunku (b), uzyskano następując wartości stałych dla stanu c1 u : D = 73,8 ± 3 cm -1, R = 3,86 ± 0,07 Å, = 0,915 ± 0,075 ˣ10 8 Å -1, R = 0,10 ± 0,09 Å oraz = 7,0 ±,3 cm -1, x = 0,5 ± 0,05 cm -1, B = 0,001 ± 0,0007 cm -1, B υ=0 = 0,000 ± 0,0007 cm -1. Wartości stałych dla stanu podstawowgo X0 + g były idntyczn z tymi z pkt. 5.. W granicach błędu uzyskan wyniki zgadzają się z wynikami przdstawionymi w pracy [3]. 40

41 Natężni (j.u.) " = " = 1 1 " = (a) (b) (nm) Rysunk Widmo wzbudznia c1 u X0 g + cząstczk Cd ; (a) wynik uśrdninia cztrch pomiarów z krokim 0,004 nm, ciśninim argonu 10 bar, ciśninim komory próżniowj, mbar, śrdnicą dyszy d=0, mm, X ff =4 mm; prócz widma pochodzącgo z wzbudznia z poziomu υ =0 widoczn są takż pasma gorąc pochodząc z wzbudzń z poziomów υ =1 i υ =; (b) symulacja widma c1 u X0 g + wykonana programm Rotational Spctra Simulator v.1.6 dla T rot =10 K; oraz symulacja wykonana programm LEVEL 7.7 [10] (pionow słupki), 41

42 6. Analiza wyników Rzultaty pomiarów widm B1 X0 + cząstczk CdAr oraz widm b0 + u X0 + g,, c1 u X0 + g i b0 + u X0 + g cząstczk Cd przdstawionych w rozdzial 5 zostały już częściowo zintrprtowan. Podsumowani wyznaczonych wilkości zawira Tabla 6.1. cząstczka: CdAr CdAr (a) Cd (a) Cd stan podstawowy: X0 + X0 + X0 + g X0 + g D " (cm -1 ) 106,8 ± 0,8 106,7 ± 0,7 39,8 ± 0,5 330,5 R " (Å) 4,31 ± 0.0 4,31 ± 0,0 3,76 ± 0,0 3,76 ± 0,04 " (ˣ10 8 Å -1 ) 1,77 ± 0,010 1,75 1,085 ± 0,00 - " (cm -1 ) 19,8 ± 0,1 19,8 1,6 ± 0,4 3 ± 0, x " (cm -1 ) 0,9 ± 0,01 0,93 0,35 ± 0,01 0,40 ± 0,01 B " (cm -1 ) 0,0307 ± 0,0004 0,0306 0,01 ± 0,0004 0,009 ± 0,0005 B υ " = 0 (cm -1 ) 0,0300 ± 0,0003-0,010 ± 0,0004 0,006 ± 0,0005 stan wzbudzony: B1 B1 b0 + u b0 + u D ' (cm -1 ) 56,8 ± 1,0 59,7 ± 1,5 59,8 ± 0,9 60 ± 1 R ' (Å) 5,00 ± 0,0 5,01 ± 0,0 4,01 ± 0,0 4,33 ' (ˣ10 8 Å -1 ) 0,939 ± 0,030 0,998 1,073 ± 0,040 - ' (cm -1 ) 11,3 ± 0, 11,8 ± 0,1 18,8 ± 0,6 18,50 ± 0,0 x ' (cm -1 ) 0,56 ± 0,03 0,57 ± 0,0 0,34 ± 0,0 0,330 ± 0,005 B ' (cm -1 ) 0,08 ± 0,0004-0,0187 ± 0, B υ ' = 0 (cm -1 ) 0,03 ± 0,0003-0,0183 ± 0, R (Å) 0,69 ± 0,04 0,70 ± 0,0 0,5 ± 0,04 0,6± 0,03 stan wzbudzony: c1 u c1 u D ' (cm -1 ) 73,8 ± 3 73 ± 10 R ' (Å) 3,86 ± 0,07 3,93 ± 0,.05 ' (ˣ10 8 Å -1 ) 0,915 ± 0,075 - ' (cm -1 ) 7,0 ±,3 8,9 ± 0,5 x ' (cm -1 ) 0,5 ± 0,05 0,60 ± 0,006 B ' (cm -1 ) 0,001 ± 0, B υ ' = 0 (cm -1 ) 0,000 ± 0, R (Å) 0,10 ± 0,09 0,17 ± 0,0 Tabla 6.1. Podsumowani wyznaczonych stałych opisujących stan podstawowy X0 + i stan wzbudzony B1 cząstczki CdAr oraz stałych opisujących stan podstawowy X0 + g i stany wzbudzon b0 + u,, c1 u cząstczki Cd ; (a) - wyniki z prac [3], [8], [9] (zstawion w pracy [4]) oraz z pracy [11]. 4

43 Enrgia (cm -1 ) W mtodzi przdstawionj w ninijszj pracy korzystano z potncjału Morsa (wzór.4.1), który najlpij opisuj dno potncjału cząstczki (obsrwowano przjścia między małymi υ, a więc blisko dna potncjału). W związku z tym mtoda ta powinna dobrz wyznaczyć mijsc minimum potncjału R (a stąd R i B ). Potncjał Morsa zalży równiż od stałj związanj z anharmonicznością x i odpowidzialnj za szrokość potncjału. Poniważ z wzrostm odlgłości od R stała ma coraz większ znaczni dla kształtu krzywj potncjału to, mimo najlpszgo dopasowania symulacji do badanych widm, wyznaczon wartości stałych x i mogą różnić się od wartości rzczywistych. Dla cząstczk CdAr wyniki opisując stan podstawowy X0 + są praktyczni idntyczn z uzyskanymi w pracy [8], a dla stanu wzbudzongo B1 t różnic są minimaln. Ta zgodność świadczy o poprawności zastosowanj mtody analizy widma oraz o właściwj pracy lasra TDL III i rszty układu ksprymntalngo. Na rysunku 6.1. pokazano krzyw nrgii potncjalnj narysowan na podstawi wyników uzyskanych przz autora (kolor czarny) oraz krzyw nrgii potncjalnj narysowan na podstawi pracy [8] (kolor czrwony) B Cd(5 3 P 1 )+Ar(3 1 S 0 ) X0 + 0 Cd(5 1 S 0 )+Ar(3 1 S 0 ) R(Ǻ) Rysunk 6.1. Krzyw nrgii potncjalnj stanów X0 + i B1 cząstczk CdAr; wyznaczon przz autora - kolor czarny; narysowan na podstawi pracy [8] - kolor czrwony. 43

44 Enrgia (cm -1 ) Dużo cikawij przdstawiają się wyniki analizy widm dla cząstczki Cd. O il głębokości potncjałów zgadzają się dla wszystkich trzch badanych stanów, w stosunku do wyników prac [3] i [9], to położni minimum stanu wzbudzongo b0 + u jst przsunięt o ok. -0,31 Å. Wynik tn, otrzymany na podstawi analizy widma wzbudznia i pięciu widm fluorscncji, wydaj się wiarygodny. Za jgo poprawnością przmawia tż fakt, iż uzyskano dokładni tę samą wartość R jak w pracy [9], mając jdnoczśni zgodność z pracą [11], w którj wyznaczono bzwzględną wartość R. Pozostał wyznaczon wartości stałych stanu podstawowgo X0 + g, były równ lub bardzo bliski wynikom z prac [9] i [11]. Badani stanu 1 u ni pokazało, w granicach błędu, różnic z wynikami z pracy [3]. Krzyw nrgii potncjalnj narysowan na podstawi wyznaczonych stałych pokazan są na rysunku Cd(5 3 P )+Cd(5 1 S 0 ) c1 u Cd(5 3 P 1 )+Cd(5 1 S 0 ) b0 + u X0 + g Cd(5 1 S 0 )+Cd(5 1 S 0 ) R(Ǻ) Rysunk 6.. Krzyw nrgii potncjalnych stanu podstawowgo X0 + g oraz stanów wzbudzonych b0 + u i c1 u cząstczki Cd ; wyznaczon przz autora - kolor czarny; narysowan na podstawi prac [3], [9] i [11] - kolor czrwony i nibiski. 44

45 Krzyw narysowan na podstawi danych z prac [3], [9] i [11] wg wzoru.4.1. różnią się od tych z rysunku.4., poniważ w pracy [3] do narysowania krzywj nrgii potncjalnj stanu c1 u użyto potncjału Lnnarda-Jonsa. 45

46 7. Podsumowani Lasr barwnikowy TDL III ni jst przyjazny w użytkowaniu, tzn. jgo budowa ni przwiduj samodzilngo ustawiania takich lmntów jak kuwty, pryzmaty czy soczwki. Długi czas spędzony przy pracy nad nim zaowocował zmodyfikowaną w stosunku do oryginału [7] procdurą justowania (rozdział 8), a w clu ułatwinia pracy z lasrm autor zaprojktował następując lmnty: szynę do kontroli położnia soczwki cylindrycznj oscylatora (6). Elmnt został wykonany i zainstalowany (rysunk 3.1). mocowani układów soczwk oscylatora (6,7) i układów soczwk wzmacniaczy (14, 15, 16) zapwniając płynną rgulację ich położnia (rysunk 3.) lustro zawracając wiązkę lasrową (10a). Elmnt został wykonany, zastąpił fabryczni instalowany pryzmat (rysunk 3.3). mocowani kuwty oscylatora zapwniając płynną rgulację jj położnia (rysunk 3.4). mocowani silników krokowych za pomocą przgubów miszkowych. Elmnt został wykonany i zainstalowany (rysunk 4.3.1). W czasi wykonywania pomiarów lasr TDL III ni był idalni wyjustowany właśni z względu na brak prcyzyjnj rgulacji niktórych jgo lmntów (ni wszystki projkty zostały zralizowan na czas). Szrokość spktralna gnrowango przz nigo prominiowania ni pozwalała na rozdzilni struktur rotacyjnych przjść B1 X0 + w CdAr oraz przjść b0 + u X0 + g,, c1 u X0 + g w Cd. Instrukcja [7] okrśla tę szrokość na ok. 0,115 cm -1 dla długości fali wiązki podstawowj wynoszącj 65 nm. Uzyskano wprawdzi prążki na taloni o FSR=0, cm -1 al ich nistabilność i praca wilomodowa spowodowały, ż rzczywista zdolność rozdzilcza lasra była gorsza i wynosiła ok. 0,35-0,5 cm -1. Dodatkowo gnrowaną przz lasr TDL III wiązkę charaktryzowała nistabilność mocy, przjawiająca się gwałtownym rozbłyskiwanim i przygasanim. Wg instrukcji [7] wahania nrgii gnrowanj wiązki mogą wynosić ±5%, natomiast obsrwowana nistabilność sięgała kilkudzisięciu procnt. Sytuację powinno poprawić zainstalowani wszystkich lmntów zaprojktowanych przz autora, opisanych szrzj w rozdzial 3. Mimo wyminionych wyżj mankamntów, lasr TDL III okazał się przydatnym narzędzim w badaniach 46

47 spktroskopowych cząstczk. Za jgo pomocą zbadano widma wzbudznia i fluorscncji B1 X0 +, b0 + u X0 + g,, c1 u X0 + g i b0 + u X0 + g w cząstczkach CdAr i Cd. Uzyskan wyniki dla cząstczk CdAr, zgodn z wczśnijszymi pracami na tn tmat, potwirdziły dobrą pracę lasra. Badając widma cząstczk Cd potwirdzono wyniki prac [3] i [11] oraz wyznaczono nową wartości R stanu b0 + u, świadczącą o krótszym wiązaniu cząstczk Cd niż wskazywała to praca [9]. 47

48 8. Dodatk procdura justowania lasra TDL III Poniższa procdura justowania lasra TDL III firmy Quantl została opracowana na podstawi oryginalnj francuskij instrukcji oraz własnych, prawi dwultnich doświadczń. Ni ma pwności czy jst ona optymalna i czy ni zmini się po zainstalowaniu lmntów opisanych w rozdzial 3. Nimnij powinna być pożytczną wskazówką dla przyszłych użytkowników lasra TDL III. Dla pompowania długością fali wynoszącą =53nm soczwka sfryczna oscylatora (7) powinna być usunięta. W czasi prac z lasrm TDL III ni rozstrzygnięto koniczności stosowania soczwki korygującj big wiązki (11). Zalca się aby najpirw próbować justować bz jj pomocy. Można jj użyć gdy ni udaj się przprowadzić gnrowanj wiązki przz wszystki trzy wzmacniacz. 1. Włączyć obigi z barwnikim oscylatora i wzmacniaczy (źródło pompując jst wyłączon).. Ustawić lasr H-N w mijscu wyjścia wiązki z lasra TDL III wysokość wiązki z H-N, w odnisiniu do powirzchni stołu, powinna wynosić 43mm, odlgłość od brzgu stołu 78mm gdy lasr H-N będzi już ustawiony, jgo wiązka powinna przchodzić dokładni przz środk kuwty wzmacniacza III (W. III). Jśli tak ni jst nalży odpowidnio ustawić kuwtę wzmacniacza III. 3. Ustawić koljn wzmacniacz (W.II i W. I) tak aby wiązka z lasra H-N propagowała przz środki kuwt i trafiała w lustra nawracając (10a). Koniczn moż być tż odpowidni ustawini pryzmatu nawracającgo (10b). 4. Skirować wiązkę lustrami nawracającymi (10a) na oscylator (O). Powinna przchodzić przz środk kuwty oraz padać na układ pryzmatów (13) w taki sposób, aby oświtlona była pod kątm ślizgowym możliwi największa część siatki dyfrakcyjnj (9). Jśli tak ni jst, nalży przstawić oscylator (O) i odpowidnio pokirować wiązkę lustrami (10a). 5. Gdy siatka dyfrakcyjna (9) będzi już prawidłowo oświtlona, nalży ustawić lustro zwrotn (9) tak, aby dokładni zawracało wiązkę z H-N (widoczn jst to na powirzchni siatki dyfrakcyjnj). 48

49 6. Ustawić lustro wyjściow tak, aby promiń lasra H-N odbity od jgo powirzchni pokrywał się z prominim padającym. 7. Ustawić długość wiązki na skalach na 63,8nm. Etap tn jst zalżny od tgo czy skala1 i skala dobrz oddają rzczywistą długość fali prominiowania gnrowango przz TDL III. Synchronizacja z wskazaniami skal odbywa się przz pomiar długości fali gnrowanj przz oscylator i taką manipulację śrubami umijscowionymi z tyłu siatki dyfrakcyjnj, aby odpowiadała ona wskazaniom skali1 i skali. W chwili pisania tj instrukcji siatka była dobrz ustawiona i wskazania obu skal prawidłow. 8. Włączyć źródło prominiowania pompującgo i skirować jgo wiązkę przz środk dzilnika wiązki () oraz lustra (1a). 9. Ustawić lustra (1a), (1b) (1c) tak, aby wiązka pompująca przchodziła przz środki dzilników wiązk (3) i (4) i trafiała w środk lustra (5). 10. Zasłonić wiązkę pompującą za dzilnikim wiązki () 11. Lustrm () skirować wiązkę pompującą na kuwtę oscylatora (O) 1. Ustawić soczwkę cylindryczną oscylatora (6) tak, aby odpowidnio skupiała wiązkę pompującą na kuwci (rysunk 8.1.) Rysunk 8.7. Prawidłow ogniskowani wiązki pompującj na kuwci. 13. Poprawność oświtlnia kuwty moż być zwryfikowana obsrwacją kształtu fluorscncji po obu stronach kuwty (rysunk 8..). 49

50 (a) (b) (c) Rysunk 8.8. Kształty fluorscncji z (a), (b) źl i (c) poprawni oświtlanj kuwty. 14. W poprawni oświtlonj kuwci powinna zainicjować się akcja lasrowa. 15. Wiązka lasrowa z oscylatora powinna pokrywać się z wiązką z H-N. Jśli tak ni jst, prawdopodobni źl jst ustawiona kuwta oscylatora. Wtdy nalży ją przstawić tak, aby akcja pojawiła się dobrym mijscu (zwracając jdnoczśni uwagę na dobrą propagację przz oscylator wiązki z lasra H-N (kontrola lustrami (10a)). 16. Uzyskana w tn sposób wiązka lasrowa z oscylatora powinna propagować przz środki kuwt wzmacniaczy (W.I, W.II, W.III). Gdy tak ni jst, nalży ją odpowidnio pokirować lustrami (10a) oraz pryzmatm (10b). Przydatna moż okazać się tż instalacja lub dzinstalacja soczwki korygującj big wiązki (11). W ostatczności można ręczni przstawić wzmacniacz (al traci się wtdy pwność, ż są ustawion współliniowo). 17. Patrząc na gnrowaną wiązkę, dojustować lustra oscylatora (8,9). 18. Wyłączyć lasr H-N. 19. Po poprawnym wyprowadzniu wiązki gnrowanj przz oscylator nalży zasłonić kuwtę oscylatora (O) i powtórzyć procdurę z punktów dla koljnych wzmacniaczy i układów soczwk (14, 15, 16) (w czasi ustawiania soczwk dango wzmacniacza pozostał wzmacniacz powinny być zasłonięt). 0. Odsłonić kuwtę oscylatora (O) i obsrwować wzmocnini wiązki na koljnych wzmacniaczach. Gdy ni ma wzmocninia, nalży przstawić odpowidni dla dango wzmacniacza soczwki (14, 15 lub 16) (autorowi nigdy ni udało się uzyskać wzmocninia na wzmacniaczu III). 50