Sum frequency generation spectroscopy
سم فریکوئنسی جنریشن سپیکٹروسکوپی (ایس ایف جی) ایک غیر لکیری لیزر سپیکٹروسکوپی تکنیک ہے جو سطحوں اور انٹرفیس کا تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ اسے لورینٹز آسکیلیٹرز کی سیریز کے مجموعے کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے۔ ایک عام ایس ایف جی سیٹ اپ میں، دو لیزر بیم ایک انٹرفیس پر مل جاتے ہیں اور دو ان پٹ فریکوئنسیز کے مجموعے کے برابر فریکوئنسی کے ساتھ آؤٹ پٹ بیم تیار کرتے ہیں، جو مبینہ طور پر واقع بیم کے ویو ویکٹرز کے مجموعے سے دی گئی سمت میں سفر کرتے ہیں۔ یہ تکنیک 1987 میں یوین-رون شین اور ان کے طالب علموں نے دوسری ہارمونک نسل کے سپیکٹروسکوپی کی توسیع کے طور پر تیار کی تھی اور گیس-ٹھوس، گیس-مائع اور مائع-ٹھوس انٹرفیس پر مالیکیولز کی ساخت، واقفیت کی تقسیم، اور ساختی معلومات کا اندازہ لگانے کے لیے تیزی سے لاگو کی گئی تھی۔ اس کی ایجاد کے فورا بعد، فلپ گیوٹ-سیونیسٹ نے سطحوں پر الیکٹرانک اور کمپن حرکیات کی پہلی پیمائش حاصل کرنے کے لیے تکنیک کو بڑھایا۔ ایس ایف جی کو یک پرت سطح حساس ہونے کی صلاحیت، سیٹو میں انجام دینے کی صلاحیت (مثال کے طور پر آبی سطحوں اور گیسوں میں)، اور الٹرا فاسٹ ٹائم ریزولوشن فراہم کرنے کی صلاحیت میں فوائد حاصل ہیں۔ ایس ایف جی انفراریڈ اور رمن سپیکٹروسکوپی کے لیے تکمیلی معلومات فراہم کرتا ہے۔ تھیوری آئی آر-ویزیبل سم فریکوئنسی جنریشن سپیکٹروسکوپی دو لیزر بیم (ایک اورکت تحقیقات، اور ایک مرئی پمپ) کا استعمال کرتی ہے جو کسی مواد کی سطح پر یا دو ذرائع ابلاغ کے درمیان انٹرفیس پر مقامی اور عارضی طور پر اوورلیپ ہوتی ہے۔ ایک آؤٹ پٹ بیم دو ان پٹ بیموں کے مجموعے کی تعدد پر تیار کیا جاتا ہے۔ دو ان پٹ بیموں کو کافی زیادہ شدت کے ساتھ سطح تک رسائی حاصل کرنے کے قابل ہونا چاہیے، اور آؤٹ پٹ بیم کا پتہ لگانے کے لیے سطح کی عکاسی (یا اس کے ذریعے منتقل) کرنے کے قابل ہونا چاہیے۔ وسیع پیمانے پر، زیادہ تر سم فریکوئنسی سپیکٹرومیٹرز کو دو اقسام میں سے ایک سمجھا جا سکتا ہے، اسکیننگ سسٹم (وہ جو تنگ بینڈوڈتھ پروب بیم کے ساتھ ہیں) اور براڈ بینڈ سسٹم (وہ جو وسیع بینڈوڈتھ پروب بیم کے ساتھ ہیں)۔ سابقہ قسم کے سپیکٹرومیٹر کے لیے، پمپ بیم ایک مرئی طول موج لیزر ہے جو مستقل تعدد پر ہوتا ہے، اور دوسرا (پروب بیم) ایک ٹیون ایبل انفراریڈ لیزر ہے-آئی آر لیزر کو ٹیون کرنے سے، نظام سالماتی گونج کو اسکین کر سکتا ہے اور ایک ٹکڑے ٹکڑے میں انٹرفیسیل ریجن کا کمپن سپیکٹرم حاصل کر سکتا ہے۔ براڈ بینڈ سپیکٹرومیٹر میں، مرئی پمپ بیم کو ایک بار پھر ایک مقررہ تعدد پر رکھا جاتا ہے، جبکہ پروب بیم سپیکٹرلی طور پر چوڑا ہوتا ہے۔ یہ لیزر بیم کسی سطح پر اوورلیپ ہوتے ہیں، لیکن اسکیننگ سپیکٹرومیٹر کے مقابلے میں بیک وقت سالماتی گونج کی وسیع رینج تک رسائی حاصل کر سکتے ہیں، اور اس لیے سپیکٹرا کو نمایاں طور پر تیزی سے حاصل کیا جا سکتا ہے، جس سے انٹرفیسیل حساسیت کے ساتھ وقت سے حل شدہ پیمائش انجام دینے کی صلاحیت حاصل ہوتی ہے۔ غیر لکیری حساسیت کسی دیئے گئے غیر لکیری نظری عمل کے لیے، پولرائزیشن جو آؤٹ پٹ پیدا کرتی ہے اس کے ذریعہ دی جاتی ہے جہاں کے لیے th آرڈر غیر لکیری حساسیت ہے۔ یہ بات قابل غور ہے کہ سینٹروسیمیٹرک میڈیا میں تمام یکساں ترتیب کی حساسیتیں صفر ہو جاتی ہیں۔ اس کا ثبوت درج ذیل ہے۔ آئیے الٹ آپریٹر بنیں، جس کی تعریف کسی صوابدیدی ویکٹر کے لیے کی گئی ہے۔ پھر مندرجہ بالا پولرائزیشن مساوات کے بائیں اور دائیں ہاتھ کی طرف لاگو کرنے سے یہ ملتا ہے کہ اس مساوات کو اصل پولرائزیشن مساوات کے ساتھ جوڑنے سے پھر ملتا ہے جس کا مطلب سینٹروسیمیٹرک میڈیا میں ہوتا ہے۔ ق۔ ای۔ ڈی۔ [نوٹ 1: حتمی مساوات کو ریاضیاتی انڈکشن کے ذریعے ثابت کیا جا سکتا ہے، انڈکٹو مرحلے میں دو صورتوں پر غور کرکے ؛ جہاں عجیب ہے اور یکساں ہے۔] [نوٹ 2: یہ ثبوت اس معاملے کے لیے ہے جہاں برابر ہے۔ سیٹنگ عجیب کیس دیتی ہے اور بقیہ ثبوت ایک ہی ہے۔] دوسرے درجے کے غیر لکیری عمل کے طور پر، ایس ایف جی دوسرے درجے کی حساسیت پر منحصر ہے، جو کہ تیسرے درجے کا ٹینسر ہے۔ یہ محدود کرتا ہے کہ کون سے نمونے ایس ایف جی کے لیے قابل رسائی ہیں۔ سینٹروسیمیٹرک میڈیا میں برقی دو قطبی تخمینہ کے مفروضے کے تحت گیسوں، مائعوں اور زیادہ تر ٹھوس مادوں کا بڑا حصہ شامل ہوتا ہے، جو کثیر قطبوں اور مقناطیسی لمحات سے پیدا ہونے والے سگنل کو نظر انداز کرتا ہے۔ دو مختلف مواد یا دو سینٹروسیمیٹرک میڈیا کے درمیان انٹرفیس پر، الٹا توازن ٹوٹ جاتا ہے اور ایک ایس ایف جی سگنل تیار کیا جا سکتا ہے۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ نتیجے میں آنے والا سپیکٹرم مالیکیولز کی ایک پتلی پرت کی نمائندگی کرتا ہے۔ ایک سگنل اس وقت ملتا ہے جب خالص قطبی سمت ہوتی ہے۔ ایس ایف جی شدت آؤٹ پٹ بیم کو ایک ڈٹیکٹر کے ذریعے جمع کیا جاتا ہے اور اس کی شدت کا حساب اس بات کا استعمال کرتے ہوئے لگایا جاتا ہے کہ دکھائی دینے والی فریکوئنسی کہاں ہے، آئی آر فریکوئنسی کہاں ہے اور ایس ایف جی فریکوئنسی کہاں ہے۔ متناسبیت کا مستقل ادب میں مختلف ہوتا ہے، ان میں سے بہت سے بشمول آؤٹ پٹ فریکوئنسی کے مربع کا پروڈکٹ، اور عکاسی کے زاویے کا مربع سیکنڈ۔ دیگر عوامل میں تین بیموں کے لیے اضطراب کا اشاریہ شامل ہے۔ دوسرے درجے کی حساسیت میں دو شراکت ہوتی ہیں جہاں غیر گونج دینے والی شراکت ہوتی ہے اور گونج دینے والی شراکت ہوتی ہے۔ غیر گونج دینے والی شراکت کو الیکٹرانک ردعمل سے سمجھا جاتا ہے۔ اگرچہ اس شراکت کو اکثر سپیکٹرم پر مستقل سمجھا جاتا ہے، کیونکہ یہ گونج ردعمل کے ساتھ بیک وقت پیدا ہوتا ہے، دونوں ردعمل کو شدت کے لیے مقابلہ کرنا چاہیے۔ یہ مقابلہ گونجنے والی خصوصیات کی موجودگی میں گونجنے والی تخفیف کے ذریعے غیر گونجنے والی شراکت کی تشکیل کرتا ہے۔ چونکہ فی الحال یہ معلوم نہیں ہے کہ غیر گونج مداخلتوں کو مناسب طریقے سے کیسے درست کیا جائے، اس لیے یہ بہت ضروری ہے کہ کسی بھی غیر گونج مداخلت سے گونج کی شراکت کو تجرباتی طور پر الگ کیا جائے، جو اکثر غیر گونج دبانے کی تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے۔ گونجنے والا تعاون کمپن کے طریقوں سے ہوتا ہے اور گونج میں تبدیلیوں کو ظاہر کرتا ہے۔ اسے لورینٹز آسکیلیٹرز کی سیریز کے مجموعے کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے جہاں طاقت یا طول و عرض ہے، گونج تعدد ہے، ڈمپنگ یا لائن چوڑائی گتانک (ایف ڈبلیو ایچ ایم) ہے، اور ہر انڈیکس نارمل (گونج کمپن) موڈ ہے۔ طول و عرض انڈیوسڈ ڈائپول مومنٹ، اور پولرائزیشن کا ایک پروڈکٹ ہے۔ یہ سب مل کر اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ منتقلی آئی آر اور رمن دونوں کے لیے فعال ہونی چاہیے۔ مندرجہ بالا مساوات کو مل کر تشکیل دی جا سکتی ہے جو کہ ویوین نمبرز کی ایک رینج پر ایس ایف جی آؤٹ پٹ کو ماڈل بنانے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ جب ایس ایف جی سسٹم سطح کے مالیکیول کے کمپن موڈ پر اسکین کرتا ہے، تو آؤٹ پٹ کی شدت گونج سے بڑھ جاتی ہے۔ آؤٹ پٹ کی شدت بمقابلہ لہر کی تعداد کے گرافیکل تجزیے میں، اس کی نمائندگی لورینٹزیئن چوٹیوں سے ہوتی ہے۔ نظام پر منحصر ہے، چوٹیوں کے درمیان غیر یکساں توسیع اور مداخلت ہو سکتی ہے۔ لورینٹز پروفائل کو گوسی شدت کی تقسیم کے ساتھ پیچیدہ کیا جا سکتا ہے تاکہ شدت کی تقسیم کو بہتر طریقے سے فٹ کیا جا سکے۔ واقفیت کی معلومات دوسرے درجے کی حساسیت سے، سطح پر مالیکیولز کی واقفیت کے بارے میں معلومات کا پتہ لگانا ممکن ہے۔ یہ بیان کرتا ہے کہ انٹرفیس پر موجود مالیکیول ان پٹ بیم کا کس طرح جواب دیتے ہیں۔ قطبی مالیکیولز کی خالص سمت میں تبدیلی کے نتیجے میں ان کی علامت میں تبدیلی آتی ہے۔ رینک 3 ٹینسر کے طور پر، انفرادی عناصر واقفیت کے بارے میں معلومات فراہم کرتے ہیں۔ ایسی سطح کے لیے جس میں ایزموتھل سمیٹری ہو، یعنی۔ چھڑی کی ہم آہنگی کو فرض کرتے ہوئے، ستائیس ٹینسر عناصر میں سے صرف سات غیر صفر ہیں (چار لکیری طور پر آزاد ہونے کے ساتھ)، جو ہیں اور ٹینسر عناصر کا تعین دو مختلف پولرائزرز کا استعمال کرتے ہوئے کیا جا سکتا ہے، ایک برقی فیلڈ ویکٹر پرپینڈکولر طیارہ آف انسیڈنس کے لیے، جسے S کا نام دیا گیا ہے، اور ایک برقی فیلڈ ویکٹر کے لیے جو طیارہ آف انسیڈنس کے متوازی ہے، جسے P کا نام دیا گیا ہے۔ چار امتزاج کافی ہیں: PPP، SSP، SPS، PSS، کم ہوتے تعدد میں درج حروف کے ساتھ، لہذا پہلا مجموعہ تعدد کے لیے ہے، دوسرا مرئی بیم کے لیے ہے، اور آخری اورکت بیم کے لیے ہے۔ چار امتزاج چار مختلف شدتوں کو جنم دیتے ہیں اور جہاں انڈیکس انٹرفیسیل-پلین کا ہوتا ہے، اور لکیری اور غیر لکیری فریسنل عوامل ہوتے ہیں۔ ٹینسر عناصر کو لے کر اور صحیح تبدیلیوں کو لاگو کرکے، سطح پر مالیکیولز کی سمت معلوم کی جا سکتی ہے۔ تجرباتی سیٹ اپ چونکہ ایس ایف جی ایک دوسرے درجے کا غیر لکیری نظری رجحان ہے، اس لیے تجرباتی سیٹ اپ میں اہم تکنیکی خدشات میں سے ایک واضح چوٹیوں اور تنگ بینڈوتھ کے ساتھ پتہ لگانے کے لیے کافی مضبوط سگنل پیدا کرنے کے قابل ہونا ہے۔ پیکوسیکنڈ اور فیمٹوسیکنڈ پلس چوڑائی لیزر اکثر اعلی چوٹی کے میدان کی شدت کی وجہ سے استعمال ہوتے ہیں۔ عام ذرائع میں ٹی آئی: سیفائر لیزرز شامل ہیں، جو آسانی سے فیمیٹوسیکنڈ نظام میں کام کر سکتے ہیں، یا پیکوسیکنڈ آپریشن کے لیے نیوڈیمیم پر مبنی لیزرز۔ جب کہ چھوٹی دالوں کے نتیجے میں چوٹی کی شدت زیادہ ہوتی ہے، لیزر پلس کی سپیکٹرم بینڈوتھ میں بھی اضافہ ہوتا ہے، جو تجرباتی سیٹ اپ کے آؤٹ پٹ کے سپیکٹرم ریزولوشن پر ایک حد رکھ سکتا ہے۔ اس کی تلافی پمپ پلس کی بینڈوتھ کو تنگ کرکے کی جا سکتی ہے، جس کے نتیجے میں مطلوبہ خصوصیات کے لیے تجارت ہوتی ہے۔ جدید تجرباتی سیٹ اپ میں، پروب پلس کی ٹیون ایبل رینج کو آپٹیکل پیرامیٹرک جنریشن (او پی جی)، آپٹیکل پیرامیٹرک آسلیشن (او پی او)، اور آپٹیکل پیرامیٹرک ایمپلیفیکیشن (او پی اے) سسٹمز کے ذریعے بڑھایا جاتا ہے۔ سگنل کی طاقت کو خصوصی جیومیٹریز کا استعمال کرکے بہتر بنایا جا سکتا ہے، جیسے کہ کل اندرونی عکاسی سیٹ اپ جو زاویے کو تبدیل کرنے کے لیے پریزم کا استعمال کرتا ہے تاکہ وہ اہم زاویے کے قریب ہوں، جس سے ایس ایف جی سگنل کو اس کے اہم زاویے پر پیدا کیا جا سکے، جس سے سگنل میں اضافہ ہوتا ہے۔ عام ڈٹیکٹر سیٹ اپ فلٹر کرنے اور پتہ لگانے کے لیے مونوکرومیٹر اور فوٹو ملٹی پلیئر کا استعمال کرتے ہیں۔ حوالہ جات کمپن سپیکٹروسکوپی سرفیس سائنس