Spettroscopia ottica
di sistemi disordinati
R. Eramo
Laboratori LENS:
Laboratorio Raman
Dip. Fisica
Disordered systems (HD-TG),
Ultrafast Spectroscopy (OKE)
(High-Res Raman)
(Brillouin)
1 PO, 4 R, 1 PD, 1 D, 2 L
Andrea Taschin PD
Paolo Bartolini R
Jacopo Malfanti L
Riccardo Cucini L
Roberto Eramo R
Fabrizio Barocchi PO
Marilena Ricci R
Carolina Ziparo D
Renato Torre R
Sistemi
9Acqua Pura (sottoraffreddata)
9Soluzioni saline/zuccherate
9Acqua confinata (vycor)
9Microemulsioni (PFPE, AOT)
Tecniche sperimentali
✗Heterodyne Detected Transient Grating
✗Optical Kerr Effect Spectroscopy
✗High Resolution Raman Spectroscopy
NON-LINEAR SPECTROSCOPY
Time-resolved four wave mixing
E1
∆χ
Epr
Es
E2
Excitation
Probing
Time
τ
The pressure waves
modulate the grating
amplitude at the
sound frequency
Decay of the sound
HD-TG data on PFPE
water-in-oil microemulsions
Decay of the grating
by thermal diffusivity
δε
Due to water O-H ir
overtone absorbtion W/S/O
has δTo driving term
• Processi Acustici,
• Termici
Without water: no thermal
absorbtion (just electrostictive
force is driving the grating)
• Strutturali
9 Dati di elevata qualita’ per lo
studio della Dinamica delle
Fluttuazioni di Densita’
9 Accesso ad una Finestra
temporale estesa (6 decadi)
9da fast (nsec) a slow (msec)
Time-resolved Optical Kerr Effect
Esignal
polarizer
9 Studio della Dinamica Rotazionale (e
sample
Eex
4
Traslazionale per polar. Isotropa)
9 Accesso ad una finestra Temporale
estesa (4 decadi)
9Dinamica Veloce ~50 fs
9Dinamica lenta (con sonda CW) ~ 1 ms
τ
Eprobe
LS data
295 K
OKE data
3
280 K
280 K
χ''(ω)
✗Il
rumore interviene in
regioni spettrali diverse
per le due tecniche: utile
avere entrambe
Time
Domain
2
290 K
273 K
1
300 K
m-toluidine
Frequency
Domain
0
1
10
100
Frequency [GHz]
1000
Attivita’ recente e futura
✗ Effetti di rilassamento: memorie caratteristiche della risposta di
sistemi vetrosi o sottoraffreddati (acqua, glicerolo,
metatoluidina), effetti di confinamento
✗ Microemulsioni: è possibile osservare effetti di percolazione con
le nostre misure? Esistono effetti di confinamento di acqua per
questo tipo microemulsioni? (PFPE acqua-in-olio, AOT)
✗ Spectroscopia di Effetto Kerr: messa a punto di un sistema a
range temporale esteso presso il LENS (CW/Pulse probing: 1
ms-1 fs)
✗ Possibilità di misure ad alta pressione (~ 1 KBar) di acqua
sottoraffreddata
✗ Integrazione tra le misure OKE e la spettroscopia Raman ad alta
risoluzione (spettrometro Sopra, presso il Dip. di fisica)
Fine
Range Misure OKE
Liquid polymer
glass-former example
A standard OKE set-up allows to
investigate a time range nearly coincident
with the light scattering one (it is necessary
to stretch the pulses at longer times)
✗ By adding a CW probing capability(*) (eg.
VERDI as probe, fast pd+ digital
oscilloscope, as in a TG experiment) the
OKE set-up overlaps the photo-correlation
spectroscopy range
✗
(*) Faier
Our goal
Supercooled and glass dynamics
Photo-correlation
spectroscopy
log(t)
Ligth scattering
1 ms
1 µs
1 ns
1 ps
1 fs
Impulsive Time-Resolved Spectroscopy
CW probing-pulsed
excitation
Pulsed probing-pulsed
excitation
Nuova facility OKE al LENS
Ti:Sa, Kerr lens, Mode-Locked
80 Mhz, 0.5 W (5 nJ, 20 fs)
CW pump
Millennia 5W,
532 nm
Oscillator
Stretcher
Amplifier
Compressor
1 Khz 800 nm
(500 µJ, 50 fs)
KHz pump
1 Khz 800 nm
(500 µJ, 50 fs)
Nd:YAG,
diode-pumped
Q-switched,
1 Khz, 10 W
Set-up per la misura di Effetto Kerr Ottico
con rivelazione eterodina
BOXCAR
DPD
P2
NDF
SAMPLE
PC
L1
ODL
λ/4
P1
P0
BS1
Pump
Probe
BS2
Torre, Bartolini, Righini
Nature (2004)
Chopper
Reticolo Transiente (HD)
Es
9 Dati di elevata qualita’ per lo
q
θ
V
Eex
studio della Dinamica delle
Fluttuazioni di Densita’
9 Accesso ad una Finestra
temporale estesa (6 decadi)
9da fast (nsec) a slow (msec)
H
o-ter-phenyl
Eex
• Processi Acustici,
TG Signal
Epr
T = 283 K
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
• Termici
• Strutturali
0
200
400
Time [µs]
600
800
Set-up per la misura di Reticolo Transiente
con Riveazione eterodina
M
λ=532 nm
CW probe
CL1
DM
CW single-mode Laser
Chopper
λ=1064 nm, ∆t=100 ps
Regenerative Amplifier
M
Pulsed Excitation
CL2
Nd-YAG Mode-locked
Laser
Phase Control
Neutral Filter
Interferential
Filter
Eex
El
Epr
El+ES
Epr
M
Phase Grating
AL1
Eex
Sample
AL2
Digital
Oscilloscope
M
APD
Misure sui parametri critici dell’acqua
sottoraffreddata
Is it experimentally posssible to
undercool water in the high pressure
cell?
✗ Can a water OKE (or a High
Resolution Light Scattering)
measurement @ 100 Mpa put in
evidence new effects on Ts, τ and β?
✗
Spettrometro Hiresuv
About 45m path length !!
He athmosphere required !
Cella HP
Pressure range: 3 Kbar
• Buffer gas: He
• Sample Cell: Qv 4x4x7 mm
•
G. Pratesi, R. Ballerini (LENS)
Confronto OKE/Raman
Confronto OKE/ scattering Raman
Depolarizzato
✗The
experimental noise affects
different spectral ranges for the two
tecniques: usefull to have both
measurements