SFG спектрометр (система для измерения колебательных свойств поверхности)

Колебательный спектрометр SFG-VS со сложением частоты является мощным и универсальным средством для исследования поверхностей и границ раздела на рабочем месте (метод in-situ).

Колебательный SFG спектрометр компании Ekspla построен на основе пикосекундного лазера накачки и оптического параметрического генератора (OPG) с усилением разности генерации частот (DFG). В данном спектрометре используется твердотельный Nd: YAG лазер с синхронизацией мод, отличающийся большой длительностью импульса и стабильностью энергии. Основное излучение лазера разделяется на два канала с помощью специального устройства. Эти два луча используются для накачки OPG и DFG. Небольшая часть лазерного излучения, обычно с удвоенной частотой (532 нм), направляется в видимый (VIS) канал SFG спектрометра. ИК (IR) канал спектрометра накачивается лучом, выходящим из DFG.

Все компоненты данной системы специально разработаны, чтобы работать как единое целое. Размеры отдельных компонентов, положения апертур и высоты проходящих лучей подобраны специальным образом. В результате, SFG спектрометр занимает очень мало места. Стандартная версия такого спектрометра обычно помещается на оптическом столе размерами 1000 × 2400 мм. При этом ни один луч не выходит за пределы оптического стола. Например, луч, направляемый в VIS канал, проходит через OPG только для того, чтобы снизить риск случайного повреждения лазерным излучением высокой интенсивности. Данная особенность делает наш спектрометр абсолютно безопасным по сравнению с самодельными SFG-VS установками. Помимо прочего, такие параметры, как диаметр пучка, энергия импульса, задержка между импульсами и т.д. превосходно подобраны.

Мы также проектировали наш спектрометр с учетом удобства работы с ним. Большинство компонентов системы автоматизированы и управляются через компьютер. Оптико-механические держатели, которые необходимо часто поворачивать в большинстве экспериментов, расположены в области, в которую помещается исследуемый образец. Это делает доступ к данным держателям очень простым и избавляет от необходимости обходить систему и оптический стол в ходе различных измерений. В зависимости от требований конечного пользователя, уровень автоматизации может быть различным, начиная самой простой механической установкой и заканчивая сложными, полностью моторизованными установками.

Система регистрации состоит из монохроматора с низким уровнем рассеянного света и ФЭУ для регистрации сигналов. Особенностью такой системы является возможность проведения исследований при комнатном освещении. В качестве опции доступна установка второго детектора на дополнительный канал монохроматора. Все компоненты системы контролируются специальным программным обеспечением. Данное ПО содержит много полезных инструментов для автоматической записи SFG сигналов, мониторинга процесса, картографирования образцов в плоскости XY, азимутального сканирования и контроля параметров системы.

Наша компания предлагает три стандартных версии колебательного спектрометра SFG-VS для классической пикосекундной колебательной спектроскопии и несколько специализированных моделей для самых требовательных пользователей. Стандартные модели: Classic SFG, Advanced SFG, Double resonance SFG. Эти модели отличаются диапазоном перестройки IR луча и доступным диапазоном в VIS канале (см. характеристики). Другие модели: Phase-sensitive SFG и SFG microscope обладают уникальными особенностями (см. описание ниже).

Области применения

• Исследование поверхности твердых, жидких веществ, полимеров, биомембран и других систем
• Изучение структуры поверхности, химического состава и ориентации молекул
• Исследование влияния атмосферы на поверхность и ее динамики, катализа
• Изучение эпитаксиального роста, электрохимии и экологических проблем
• Дистанционное зондирование в агрессивных средах

• SFG спектрометр с одним/двумя лучами видимого диапазона с одним/двумя каналами для регистрации – стандартная комплектация
• Двухрезонансный SFG спектрометр (Double resonance SFG) – позволяет исследовать вибрационные состояния, объединяя их с электронными состояниями на поверхности
• SFG спектрометр чувствительный к изменению фазы (Phase-sensitive SFG) – позволяет измерять сложные спектры нелинейных поверхностей
• SFG микроскоп (SFG microscope) – дает возможность получать спектральную и пространственную информацию о поверхности с микронным разрешением

Модель Double resonance SFG

В данной модели излучение как в канале IR, так и канале VIS может быть перестроено. Данный метод 2D-спектроскопии более избирателен по сравнению с однорезонансной SFG и может применять даже для исследования образцов с сильной флуоресценцией. В Double resonance SFG спектрометре используется второй OPG, чтобы создать возможность генерации VIS луча с перестройкой в УФ и видимом диапазонах спектра.

Рис. 2. Внешний вид двухрезонансного SFG спектрометра.

Модель SFG microscope

SFG-VS спектроскопия, объединенная с микронным пространственным разрешением, представляет уникальную возможность исследования пространственных и химических изменений вдоль поверхности как функцию времени. В качестве примера такого исследования можно привести опыт получения изображений образования коррозии со временем. SFG микроскопия показывает наличие высоко скоординированных сложных молекулярных структур при определенной стадии описанного выше процесса.
Данный SFG спектрометр использует технологию формирования изображения в дальнем поле. Освещенная область на поверхности образца значительно больше, чем в обычном SFG-VS спектрометре. Используя дифракционную решетку и уникальный дизайн оптической системы, изображение плоской поверхности переносится на матрицу ПЗС камеры с электро-оптическим затвором (ICCD). Таким образом, это позволяет регистрировать распределение SF сигнала на отдельных длинах волн. Для получения полной спектральной и пространственной информации об образце необходимо записывать несколько изображений поверхности на различных длинах волн. Встроенное программное обеспечение предоставляет возможность визуализировать измеренные данные путем получения различных поперечных сечений: зависящие от положения, длины волны или времени.

Рис. 4. Внешний вид модели SFG microscope.

Модель Phase-sensitive SFG

В обычных SFG-VS спектрометрах измеряется SF сигнал. Он пропорционален квадрату нелинейной восприимчивости второго порядка ISF ~ |χ⁽²⁾|². Однако, χ⁽²⁾ является комплексной величиной и для получения всех информации необходимо знать как амплитуду, так и фазу. Это помогает определить точное направление связей и охарактеризовать их угол наклона относительно поверхности.

Для измерения фазы оптической волны требуется интерференционная схема. Скрещивание исследуемой волну с опорной с известной фазой приводит к интерференции данных волн, в результате чего потом можно вычислить фазу интересующей волны.

На практике, данная экспериментальная установка включает в себя два образца, генерирующих SF сигнал одновременно. Один образец имеет хорошо известный и плоский спектральный отклик. Второй – исследуемый образец. Сначала возбуждающее излучение направляется на первый образец, на котором генерируется SFG луч. После этого, все три луча переносятся на второй образец, на котором генерируется другой SFG луч. Благодаря когерентности электромагнитных волн оба SFG луча интерферируют. Установка имеет фазовый модулятор, расположенный на пути SFG луча между двумя образцами. Вращая этот модулятор можно изменять фазу SFG луча. Таким образом записывается двумерная интерферограмма со сдвигами длины волны и фазы вдоль осей X и Y. Используя специальные алгоритмы, можно вычислить значения амплитуды и фазы SF сигнала.

Рис. 5. Спектроскопический модуль модели Phase-sensitive SFG: вид внутри (слева), 3D модель (справа).

Рис. 6. Окно программы Phase-sensitive SFG, показывающее интерферограммы AZO (azophenylcarbazole) красителя на поверхности золота и отличающиеся SF спектры амплитуды и фазы.

• Пикосекундный Nd:YAG лазер с синхронизацией мод
• Устройство деления и переноса основного излучения лазера
• Пикосекундный оптический параметрический генератор/усилитель/генератор разностной частоты (OPG/OPA/DFG)
• Спектроскопический модуль
• ФЭУ
• Монохроматор
• Система сбора данных
• Программное обеспечение для управления системой

Рис. 7. Схематическое изображение элементов спектрометра SFG Classic. 

• Одиночный или двойной луч:  532 нм и/или 1064 нм
• Один или два канала детектирования: главный сигнал и опорный
• Опция спектроскопии поверхности с помощью ГВГ (генерация второй гармоники)
• Опция высокого разрешения – до 2 см^-1
• Моторизированная система регулировки VIS и IR лучей