كتب optical second harmonic generation

لأن الوسط الذي يملك تماثلا انعكاسيا لا يملك القدرة على توليد ضوء توافقي ثانٍ، فإن الأسطح والأسطح الفاصلة أصبحت محط اهتمام دراسات التوليد التوافقي الثاني. ففي الواقع، ينحاز التوليد التوافقي الثاني والترددات الجمعية ضد الإشارات الصادرة عن الأوساط المتكتلة، مما أدخلهما ضمن تصنيف التقنيات السطحية. في عام 1982، برهن ت. هينز ور. شين لأول مرة على إمكانية استخدام التوليد التوافقي الثاني كتقنية تصوير مجهري لسبر الطبقات الجزيئية الأحادية الممتزة على الأسطح. قام هينز وشين بامتزاز صبغة الرودامين على سطح مستو من السيليكا المنصهرة، ومن ثم أطلقا ليزر نانوثانية فائق السرعة على السطح المطلي. بعد ذلك، تم قياس ضوء التوليد التوافقي الثاني الذي يملك الخصائص الطيفية للجزيئات الممتزة، وتم حساب الانتقالات الإلكترونية كانعاس عن السطح، وبرهنت على أن هناك اعتماد تربيعي على قوة ليزر الضخ.

عند استخدام التوليد التوافقي الثاني في الطيفي، فإننا نركز على قياس ضعف التردد الساقط (2ω) مع أخذنا المجال الكهربي في الاعتبار من أجل تحصيل المعلومات عن السطح المراد دراسته. وبشكل بسيط، فالمعادلة التي تصف استقطاب التوليد التوافقي الثاني المستحث خلال وحدة الحجوم يمكن التعبير عنها كما يلي:

حيث تعرف على أنها موتر القابلية اللاخطية، وهي خاصية مميزة لمواد الأسطح الفاصلة المراد دراستها.المجال الكهربي المتولد والموتر المقابل أظهرا أن بإمكانهما الكشف عن معلومات تخص توجه الجزيئات الموجودة على السطح أو الأسطح الفاصلة وكذلك التفاعلات الكيميائية التي تحدث على الأسطح الفاصلة، كما تم استخدامهما في الكيمياء التحليلية للأسطح الفاصلة.

من الأسطح المستوية

كانت التجارب الأولى في هذا المجال تجرى على الأسطح المعدنية. لكن تم استخدام التوليد التوافقي الثاني لاحقا لفحص السطح الفاصل للماء والهواء، مما أتاح معلومات مفصلة عن التوجه والنظام الجزيئي لواحد من أكثر الأسطح شيوعا. تتضح العوامل الخاصة بـ : كما يلي:

حيث Ns هي كثافة المُمتَز، θ هي زاوية التي يصنعها المحور الجزيئي z مع Z العمودي على السطح، و هي العامل الرئيسي المؤثر في الاستقطاب اللاخطي لجزيء يقطع على السطح الفاصل، ويسمح بتقدير الزاوية θ مع إحداثيات (x, y, z) المعملية كمعطيات. باستخدام هذه الطريقة لتحديد عوامل هذه، أظهرت قياسات التوجه الجزيئي أن مجموعة الهيدروكسيل في الفينول، على السطح الفاصل بين الماء والهواء، تتجه نحو الماء (كما هو متوقع، نظرا لقدرة مجموعات الهيدروكسيل على تكوين روابط هيدروجينية). إضافة إلى ذلك، كشفت هذه التقنية عن فروق الـ pKa والحركات الدورانية للجزيئات المتموضعة على الأسطح الفاصلة.

من الأسطح غير المستوية

يمكننا توليد ضوء توافقي ثان من أسطح تكون مستوية بشكل محلي، لكنها قد تملك تماثلا انعكاسيا على مستوى أكبر. أثبتت نظرية حديثة أن إنتاج التوليد التوافقي الثاني من جسيمات كروية صغيرة (على مقياس ميكرومتر أو نانومتر) ممكن عبر إحداث تبعثر ريلييه مناسب. ينكسر التماثل الانعكاسي على سطح الكرات الصغيرة، مما يسمح بإنتاج توليد توافقي ثان ودرجات أخرى من التوافقيات. يتم حساب إشارة التوليد التوافقي لنظام غروي قليل التركيز من الجسيمات الميكروية كالآتي:

حيث هي مجال التوليد التوافقي الثاني الناجم عن الجسيم رقم j، وn هي كثافة الجسيمات. يكون ضوء التوليد التوافقي الثاني الناجم عن كل جسيم مترابطا، لكنه يصبح غير مترابط عندما يضاف إلى ضوء التوليد التوافقي الثاني الناجم عن الجسيمات الأخرى (عندما تكون الكثافة صغيرة بما يكفي). وبذلك، فإن التوليد التوافقي الثاني يتولد من أسطح فاصلة لجسيمات كروية فحسب، ويكون مستقلا عن التآثرات بين الجسيمات وبعضها البعض. وقد وجد أيضا أن المجال الكهربي يتناسب مع مكعب نصف قطر الجسيم (a3).

إلى جانب الجسيمات الكروية، أجريت دراسات على جسيمات صغيرة أخرى مثل القضبان النانوية باستخدام التوليد التوافقي الثاني. كما أمكن إجراء دراسات على الجسيمات الصغيرة في الأنظمة الغروية وكذلك الجامدة. فقد تضمنت التجارب الأخيرة لاستخدام التوليد التوافقي الثاني للأنظمة غير المستوية نقلا للطاقة الحركية عبر جدران الخلايا الحية وتم استخدامه أيضا مع المواد النانوية المعقدة.