SpettroscopiaSpettroscopia otticaotticadidi sistemisistemi disordinatidisordinati

R. R. EramoEramo

Laboratorio RamanDip. Fisica

(High-Res Raman)

(Brillouin)

Laboratori LENS:

Disordered systems (HD-TG), Ultrafast Spectroscopy (OKE)

Andrea Taschin PD Paolo Bartolini R Marilena Ricci R

Jacopo Malfanti L Riccardo Cucini L Carolina Ziparo D

Renato Torre RFabrizio Barocchi PORoberto Eramo R

1 PO, 4 R, 1 PD, 1 D, 2 L

Sistemi

Acqua Pura (sottoraffreddata) Soluzioni saline/zuccherateAcqua confinata (vycor)Microemulsioni (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

E2

∆χ

EprEs

Time

ExcitationProbing

τ

HDHD--TG data on PFPE TG data on PFPE waterwater--inin--oil oil microemulsionsmicroemulsions

Without water: no thermal absorbtion (just electrostictive

force is driving the grating)

The pressure waves modulate the grating

amplitude at the sound frequency Decay of the sound

Decay of the grating by thermal diffusivity

δεDue to water O-H ir

overtone absorbtion W/S/O has δTo driving term

Dati di elevata qualita’ per lo studio della Dinamica delle Fluttuazioni di Densita’

Accesso ad una Finestratemporale estesa (6 decadi)

da fast (nsec) a slow (msec)

• Processi Acustici,

• Termici

• Strutturali

Time-resolved Optical Kerr Effect

τEprobe

Eex

Esignal

polarizer

sample

Time Domain

Frequency Domain 1 10 100 1000

0

1

2

3

4

m-toluidine

290 K

280 K

300 K

LS data295 K

OKE data280 K

273 K

Frequency [GHz]

χ''(ω)

Studio della Dinamica Rotazionale (eTraslazionale per polar. Isotropa)

Accesso ad una finestra Temporaleestesa (4 decadi)

Dinamica Veloce ~50 fsDinamica lenta (con sonda CW) ~ 1 ms

✗Il rumore interviene in regioni spettrali diverse per le due tecniche: utile avere entrambe

✗ Effetti di rilassamento: memorie caratteristiche della risposta disistemi 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 acquasottoraffreddata

✗ Integrazione tra le misure OKE e la spettroscopia Raman ad altarisoluzione (spettrometro Sopra, presso il Dip. di fisica)

Attivita’ recente e futura

FineFine

Photo-correlationspectroscopy

Ligth scattering

Supercooled and glass dynamics

Impulsive Time-Resolved Spectroscopy

CW probing-pulsed excitation

Pulsed probing-pulsed excitation

log(t) 1 ms 1 µs 1 ns 1 ps 1 fs

Our goal

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

Range Misure OKE

Millennia 5W, 532 nm

Ti:Sa, Kerr lens, Mode-Locked80 Mhz, 0.5 W (5 nJ, 20 fs)

Nd:YAG, diode-pumpedQ-switched, 1 Khz, 10 W

CW pump

Oscillator

Compressor

Amplifier

Stretcher

KHz pump

1 Khz 800 nm (500 µJ, 50 fs)

1 Khz 800 nm (500 µJ, 50 fs)

Nuova facility OKE al LENS

Set-up per la misura di Effetto Kerr Ottico con rivelazione eterodina

Chopper

SAMPLE

BOXCAR

NDF

λ/4

L1

P0

Pump BS1

BS2

Probe

ODL

P1

P2

PC

DPD

Torre, Bartolini, RighiniNature (2004)

Reticolo Transiente (HD)

Epr

Es

Eex

Eex

V

H

q

θ

10-2 10-1 100 101 102 103

T = 283 K

TG S

igna

l

0 200 400 600 800 Time [µs]

o-ter-phenyl

• Processi Acustici,

• Termici

• Strutturali

Dati di elevata qualita’ per lo studio della Dinamica delle Fluttuazioni di Densita’

Accesso ad una Finestratemporale estesa (6 decadi)

da fast (nsec) a slow (msec)

Set-up per la misura di Reticolo Transiente con Riveazione eterodina

CW single-mode Laser

Regenerative Amplifier

Phase Grating

APD

Sample

InterferentialFilter

CW probe

AL2

CL1

DigitalOscilloscope

Pulsed Excitation

Nd-YAG Mode-locked Laser

AL1

CL2

El

Epr

Phase Control Neutral Filter

Chopper

El+ES

DM

Eex

Eex

Epr

λ=532 nm

λ=1064 nm, ∆t=100 ps M

M

M

M

✗ 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?

Misure sui parametri critici dell’acqua sottoraffreddata

Spettrometro Hiresuv

About 45m path length !!

He athmosphere required !

• Pressure range: 3 Kbar• Buffer gas: He• Sample Cell: Qv 4x4x7 mm

G. Pratesi, R. Ballerini (LENS)

Cella HP

Confronto OKE/Raman

Confronto OKE/ scattering Raman Depolarizzato

✗The experimental noise affects different spectral ranges for the two tecniques: usefull to have both measurements