Một số tính chất phổ của laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt luận văn tốt nghiệp đại học

Trong đó Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ được pha những dung môi thích hợp, với nhiều ưu điểm là có thể phát xung ngắn, công suất cao, dải phổ rộng, đặc biệt là

Trờng đại học vinh

Khoa vật lý

===  ===

CAO THỊ THANH TÂM

MộT Số TíNH CHấT PHổ CủA LASER MàU Có BUồNG CộNG hởng dập tắt

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYấN NGÀNH: QUANG HỌC QUANG PHỔ

Vinh, 2011

Trờng đại học vinh

Khoa vật lý

===  ===

MộT Số TíNH CHấT PHổ CủA LASER MàU Có BUồNG CộNG hởng dập tắt

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYấN NGÀNH: QUANG HỌC QUANG PHỔ

Cán bộ hớng dẫn: TS Đoàn Hoài sơn

Sinh viên thực hiện: cao thị thanh

tâm

Vinh, 2011

LỜI CẢM ƠN!

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý Đại học Vinh, nơi có bề dày truyền thống hơn 50 năm xây dựng và trưởng thành Tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các Thầy giáo, Cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh Tôi xin được bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận tâm và có trách

nhiệm của các Thầy, Cô giáo… đặc biệt là Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn

Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu đáo cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Vật

lý đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất Xin cảm ơn tập thể lớp 48B - Vật lý đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập

Và cuối cùng, tôi xin gửi cảm ơn tới gia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù tôi đã cố gắng hết sức song do năng lực bản thân còn hạn chế nên bản luận văn này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, giúp

đỡ và góp ý của quý Thầy cô và các bạn để bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 05 năm 2011

Tác giả CAO THỊ THANH TÂM

MỤC LỤC

Trang Lời cảm ơn

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU XUNG

I Chất màu laser

I.1 Cấu trúc hoá học của chất màu

I.2 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học

I.3 Quang phổ của phân tử màu

55710

II Laser màu phát xung ngắn sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt 12

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ TÍNH CHẤT PHỔ CỦA LASER MÀU

PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG DẬP TẮT

2.1 Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai

BCH lên phổ laser tích phân

2.2 Ảnh hưởng của mức bơm lên phổ laser tích phân

2.3 Ảnh hưởng của thông số BCH Q - cao lên phổ laser tích phân

2.3.1 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương.

2.3.2 Ảnh hưởng của chiều dài BCH.

2.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ laser tích phân

2122

2324242425

3 Tiến trình phổ cuả laser màu xung ngắn có BCH dập tắt 26

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationBCH: buồng cộng hưởng

BCH Q – cao: buồng cộng hưởng Quenching – cao

BCH Q - thấp: buồng cộng hưởng Quenching - thấp

PM567: Pyrromethene 567

Ngày nay, những thành tựu của Vật lý, công nghệ Laser và Quang học phi tuyến đã cho phép phát các xung laser cực ngắn trên toàn miền phổ (vùng cực tím, khả kiến và hồng ngoại) Trong đó Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ được pha những dung môi thích hợp, với nhiều

ưu điểm là có thể phát xung ngắn, công suất cao, dải phổ rộng, đặc biệt là khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ rộng từ vùng hồng ngoại gần đến vùng tử ngoại gần nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật

Những năm gần đây, laser màu xung ngắn đã và đang được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ Đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian các quá trình vật lý, hóa học, sinh học như: Kiểm soát các phản ứng hóa học nhờ sử dụng các xung cực nhanh thích hợp; Khảo sát tương tác giữa vật chất và ánh sáng; Kích thích các nguyên tử và phân tử; Trong các hiệu ứng quang phi tuyến laser màu xung ngắn còn là nguồn sáng lý tưởng cho các nghiên cứu động học, các quá trình

và các hiện tượng xảy ra cực nhanh

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu Vật lý laser nói chung hay laser màu xung ngắn nói riêng được tiến hành ở các phòng thí nghiệm Quang học quang phổ

ở các Viện nghiên cứu và một số trường Đại học Người ta đã quan tâm đến

một số phương pháp phát xung ngắn picô-giây (ps), có tính khả thi cao như:

phương pháp Mode-locking, laser màu phản hồi phân bố (DFDL), phương pháp lọc lựa thời gian phổ (sts), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (BCH - quenching)… Tuy nhiên, với mỗi một phương pháp người ta có thể thu được các loại xung laser ngắn với những ưu, nhược điểm khác nhau.

Trong luận văn này chúng tôi tìm hiểu một số tính chất phổ của loại Laser phát xung ngắn nhờ sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity - QC) hay còn gọi là Laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt (BCH - Quenching) Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là dựa trên sự cạnh tranh năng lượng tích trữ trong môi trường hoạt chất giữa hai BCH của hai laser cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất Đây là phương pháp có cấu hình đơn giản, có thể phát xung ngắn trên một dải phổ rộng và do đó có thể điều chỉnh liên tục bước sóng Mặt khác nhờ những thành tựu về khoa học – công nghệ Vật liệu, các vật liệu màu rắn, chất màu mới với những đặc tính

ưu việt và thuận tiện đã giúp cho cấu hình của hệ laser này càng trở nên đơn giản, gọn nhẹ và việc chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng các hệ laser màu ngày càng có tính khả thi cao trong điều kiện ở nước ta

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài “Một số tính chất phổ của Laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt” gồm các vấn đề sau:

- Tìm hiểu và nguyên cứu tổng quan về vật lý và công nghệ các chất màu hữu cơ, về cấu hình laser của các laser màu phát xung ngắn, trong đó đặc biệt chú ý đến laser màu BCH dập tắt

- Tìm hiểu hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học phát xung laser màu có BCH dập tắt trên toàn miền phổ rộng

- Tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết một số tính chất của phổ laser màu

có BCH dập tắt Đây là nội dung chính của bản luận văn

Cấu trúc của bản luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung được trình bày trong 2 chương:

Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về Vật lý và công nghệ laser màu xung ngắn

Tìm hiểu và tập hợp những thông tin về vật liệu màu hữu cơ, về vật lý

và Công nghệ của phương pháp phát xung laser ngắn có sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt

Chương 2: Một số tính chất phổ của laser màu xung ngắn có BCH dập tắt

Tìm hiểu và trình bày hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô

tả động học phổ của laser màu có BCH dập tắt Tìm hiểu về các ảnh hưởng của các thông số khác nhau của BCH chất lượng cao: góc lệch quang trục giữa hai BCH, hệ số phản xạ gương dập tắt, chiều dài BCH; các thông số của chất màu: nồng độ chất màu, chiều dài hoạt chất và các thông số nguồn bơm: cường độ bơm… lên tính chất phổ của Laser màu có BCH dập tắt

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

I Chất màu laser

I.1 Cấu trúc hoá học của phân tử màu

Laser màu là laser sử dụng các hợp chất màu hữu cơ làm hoạt chất, được nghiên cứu lần đầu vào 1966 Những chất màu được cấu tạo từ những phân tử hữu cơ đa nguyên tử rất phức tạp, hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích ở vùng tử ngoại và trong vùng ánh sáng khả kiến Cấu trúc hoá học của chúng được đặc trưng bởi các nguyên tử C, N, O, S, F, H,… Các nguyên tử này sắp xếp theo cấu trúc mà khung của phân tử là các nguyên tử C, N, O, S nằm trên một mặt phẳng Đặc điểm cơ bản của các phân tử cấu trúc chất màu là có chứa các liên kết đơn (σ) và các liên kết đôi liên hợp (π) xen kẽnhau Điện tử π xen

kẽ với điện tử σ (liên kết đơn), điện tử π nằm trên các liên kết đôi C - C hoặc trên các điện tử liên kết C - N, C - O… Điện tử π trong liên kết liên hợp không định xứ, nó có thể di chuyển trên toàn bộ mạch của phân tử, giải tỏa đều trên toàn khung phân tử Vì vậy, các phân tử hữu cơ nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài Để kích thích các điện tử π yêu cầu cần ít năng lượng hơn so với điện tử σ Sự khác nhau này cho phép các điện tử π dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích luỹ Cấu trúc hoá học của các phân tử màu là tổ hợp của các vòng Bezen (C6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng pzine (C4H4N2) hoặc vòng piron (C4H5N) và những vòng hợp chất khác Những vòng này có thể nối trực tiếp với nhau hoặc qua một nguyên tử trung hoà C, N, hoặc một nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH = CH (polien) hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc phân tử Pyrromethene 567 (C18 H 25 N 2 BF 2 )

và các đồng phân P5Ac (C 24 H 35 O 2 N 2 BF 2 ); P10Ac (C 29 H 45 O 2 N 2 BF 2 )

Ảnh hưởng chủ yếu lên tính chất của những chất màu là các gốc (-CH3)

và (-C2H5) Ngoài ra trong chất màu còn có các nhóm mang màu hay nhóm trợ màu như nhóm azo, nhóm -OH, -NO2,… Vì thế các chất màu có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách chọn lọc

Phân tử màu được chia thành các hợp chất ion và trung hoà, nó có tính chất vật lý và hoá học khác nhau Các chất màu dạng trung hoà điển hình như Butadiene CH2 = CH - CH = CH2 và các hợp chất thơm như Pyrene, Perylene…

I.2 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học

Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủ trong dung dịch lỏng Trong dung dịch lỏng, thường quan sát được hiện tượng huỳnh quang tức thời vì thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích trong dung dịch lỏng rất bé 10-9s

Các phân tử màu có rất nhiều trạng thái là các tổ hợp phức tạp các trạng thái điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay, dẫn đến tạo ra các vùng năng lượng Do vậy không thể xác định chính xác các mức năng lượng của chất màu Các chuyển dời chủ yếu trong các phân tử màu được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dời quang học của phân tử màu

Trong đó:

+ Các mũi tên liền nét biểu thị các chuyển dời quang học

+ Các mũi tên không liền nét biểu thị các chuyển dời không bức xạ.+ S0, S1, S2… là các trạng thái đơn điện tử (singlet)

+ T1, T2 là các trạng thái điện tử bội ba (triplet) tương ứng với số lượng

tử spin toàn phần s = 0 và s = 1

Thông thường, khoảng cách giữa các mức dao động là 1400 - 1700 cm-1

còn khoảng cách giữa các mức quay nhỏ hơn khoảng 100 lần Do trong chất lỏng cơ chế mở rộng vạch mạnh hơn nhiều so với trong chất khí nên những mức quay trong chất lỏng sẽ không phân giải được, dẫn tới phổ hầu như liên tục giữa các mức quay Do va chạm liên kết nội phân tử và tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận trong dung môi mà vạch dao động được mở rộng Các mức quay thì luôn mở rộng do va chạm nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt độ phòng sẽ cho các phổ băng rộng

Ở nhiệt độ phòng, khi chưa bị kích thích, các phân tử màu chủ yếu ở trạng thái cơ bản S00 theo phân bố Boltzmann Sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích, theo quy tắc lọc lựa (∆s = 0) nên sẽ xảy ra sự dịch chuyển giữa các mức đơn, còn dịch chuyển giữa mức đơn và mức bội ba là bị cấm → các phân tử màu chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái đơn kích thích S1, S2 Do xác suất dịch chuyển S0 - S1 lớn nên sau khi kích thích quang học, các phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S1, cụ thể là dịch chuyển lên các trạng thái kích thích dao động S1 υ Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu, ở trạng thái này sự khử kích hoạt của các phân tử màu diễn ra theo nhiều cách

* Sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử từ các trạng thái

S1 υ về trạng thái S10 trong thời gian rất ngắn cỡ 10-12s Trạng thái S10 có thời

gian sống tương đối dài (10-9 - 10-8s) và từ đây các phân tử chuyển xuống trạng thái cơ bản: S1 υ → S0 υ Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ huỳnh quang băng rộng của phân tử màu.

* Bức xạ laser được hình thành như sau: Thực tế, ở nhiệt độ phòng các mức S1 υ là trống do sự phân bố của các phân tử tuân theo phân bố Boltzmann, khi cường độ bơm đủ mạnh thì độ tích luỹ phân tử trên S10 lớn hơn ở các mức

S0 υ → môi trường là nghịch đảo độ tích luỹ Do vậy, chỉ cần nghịch đảo mật

độ tích luỹ không quá lớn trên mức S10 cũng đủ để phát laser nhờ các dịch chuyển S10 → S0 υ Do vậyta thấy rằng vùng phổ của laser màu chỉ có thể nằm trong vùng phổ huỳnh quang của phân tử màu

Khi phân tử ở mức thấp nhất của trạng thái S1, nó cũng có thể thực hiện các quá trình chuyển dời khác như quá trình hấp thụ S1 → S2, hay các dịch chuyển nội không bức xạ giữa các trạng thái không cùng bội: S - T gọi là sự dịch chuyển do tương tác chéo nhau trong nội hệ Trạng thái bội ba T1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống τ cỡ 10-6 - 10-5s) nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích, sự tương tác của nó với S1 sẽ ảnh hưởng bất lợi cho các hoạt động laser màu vì

+ Sự chuyển dời của phân tử từ trạng thái đơn S1 đến trạng thái Triplet

T1 sẽ làm giảm độ tích luỹ của trạng thái laser trên

+ Các phân tử trên mức T10 có thể hấp thụ bức xạ bơm hoặc bức xạ laser dẫn đến tăng mất mát năng lượng do hấp thụ Triplet - Triplet Khi kích thích bằng nguồn laser xung có thời gian xung nhỏ hơn 20 ns thì dịch chuyển Singlet - Triplet có thể bỏ qua

Do vậy có thể xem laser màu hoạt động theo sơ đồ bốn mức năng lượng như sau

I.3 Quang phổ của phân tử màu

Các phân tử màu có phổ hấp thụ trải từ vùng tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các phân tử màu là phổ băng

rộng (cỡ 30nm - 100nm), ít cấu trúc và không trùng lặp

Trên hình 1.4 đưa ra phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Pyrromethene

567 trong nền rắn Phổ hấp thụ băng rộng ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các mức dao động của trạng thái đơn kích thích S1 Sự hấp

thụ ứng với dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái bội ba là bị cấm về spin Sự dịch chuyển của phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock - Lumen, nghĩa là toàn bộ phổ huỳnh quang và cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó Đường cong của phổ hấp thụ giảm nhanh ở phía sóng dài và giảm chậm ở phía sóng ngắn Ngược lại, đường cong của phổ huỳnh quang giảm nhanh ở phía sóng ngắn, giảm chậm ở phía sóng dài Với thông lượng bức xạ nhỏ hơn 1026 photon.cm-

2.s-1 các phổ hấp thụ và phát xạ của phân tử màu có thể được coi là mở rộng đồng nhất

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử và phổ huỳnh quang và hấp thụ của pyrromethene 567

Huỳnh quang của các phân tử màu được đặc trưng bởi hai đại lượng đó

là thời gian tắt huỳnh quang và hiệu suất quang lượng tử Phát xạ huỳnh quang của phân tử màu có thời gian tắt dần 1 ÷ 10ns Hiệu suất huỳnh quang

lượng tử được định nghĩa là e

a

N N

η = trong đó N e là số photon phát xạ và N a là

số photon hấp thụ Các phân tử màu có hiệu suất huỳnh quang lượng tử khá cao η ~1

II Laser màu phát xung ngắn sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt (cavity

có chiều dài lớn hơn BCH thứ nhất và quang trục của nó lệch đi chút ít so với BCH thứ nhất

Nếu hai BCH này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của từng

BCH Q - thấp hoặc Q - cao đều là các xung laser dài cỡ ns (hình 1.6) Tuy

nhiên khi hai BCH này cùng hoạt động đồng thời và sử dụng chung một môi trường hoạt chất thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích trữ trong môi trường hoạt chất, do vậy hoạt động của laser có BCH Q - cao chiếm hầu

hết khả năng khuếch đại (gain) trong môi trường hoạt chất Do đó sự phát laser (BCH Q - thấp) chỉ cho phép phát một xung ngắn ở lối ra hình 1.7

Phương pháp phát xung laser ngắn từ BCH dập tắt là đơn giản Chúng ta

có thể kiểm soát được độ rộng của xung laser lối ra từ BCH Q - thấp bằng việc khống chế các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH, thông số BCH Q - cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất màu Đây là ưu điểm của phương pháp BCH dập tắt