Động học laser màu phát xung ngắn có buồng cộng hưởng quenching

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -LÊ THỊ NGỌC TÚ

ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ

BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

VINH, 2008

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -LÊ THỊ NGỌC TÚ

ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC

Mã số: 62 44 11 01

Người hướng dẫn: TS Đoàn Hoài Sơn

VINH, 2008

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu sau đại học tại trường Đại học Vinh, tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và 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 đặc biệt là Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn, Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu đáo

và dành nhiều công sức cũng như cả sự ưu ái cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo: PGS.TS Nguyễn Đình Huân, PGS.TS Hồ Quang Quý, PGS.TS Đinh Xuân Khoa, TS Vũ Ngọc Sáu, TS Đinh Phan Khôi, Th.S Nguyễn Viết Lan đã đóng góp, chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo Sau Đại học đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất

Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 14-Quang học đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập

Với tình cảm trân trọng, tôi xin gửi 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

Vinh, tháng 10 năm 2008

Tác giả

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Mục lục

Mở đầu1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Đại cương về chất màu 4

1.1.1 Phân tử chất màu 4

1.1.2 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học trong phân tử chất màu 6

1.1.2 Quang phổ của phân tử chất màu 8

1.2 Laser màu 10

1.2.1 Nguyên tắc và điều kiện hoạt động của Laser màu 10

1.2.2 Tính chất của Laser màu 13

1.3 Một số phương pháp phát xung ngắn 13

1.3.1 Phương pháp kích thích sóng chạy (TWE) 13

1.3.2 Phương pháp lọc lựa thời gian-phổ (STS) 15

1.3.3 Phương pháp phản hồi phân bố (DFDL) 16

1.3.4 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (QCDL) 18

1.4 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING 2.1 Hệ phương trình tốc độ cho Laser màu BCH Quenching 21

2.2 Động học Laser màu phát xung ngắn BCH Quenching 26

Trang

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

BCH 27

2.2.2 Ảnh hưởng của mức bơm 30

2.2.3 Ảnh hưởng của thông số BCH chất lượng cao 32

2.2.3.1 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương R4 32

2.2.3.2 Ảnh hưởng của chiều dài BCH chất lượng cao 33

2.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất màu 35

2.3 Kết luận chương 2 36

CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHỔ LASER MÀU BCH QUENCHING 3.1 Khảo sát phổ của phát xạ Laser màu rắn có BCH Quenching 38

3.1.1 Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH lên phổ Laser tích phân 38

3.1.2 Ảnh hưởng của mức bơm lên phổ Laser tích phân 39

3.1.3 Ảnh hưởng của thông số BCH chất lượng cao lên phổ Laser tích phân 41

3.1.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ Laser tích phân 43

3.2 Tiến trình phổ của xung Laser màu BCH Quenching 44

3.3 Kết luận chương 3 47

Kết luận chung 48

Các công trình nghiên cứu .49

Tài liệu tham khảo 50

Phụ lục 51

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của Laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng trong Thế kỷ XX Trong những năm gần đây, Công nghệ Laser đã phát triển mạnh mẽ và có những ảnh hưởng to lớn trực tiếp lên các lĩnh vực khác nhau của Khoa học và đời sống xã hội

Laser màu với môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ được pha những dung môi thích hợp, với nhiều ưu điểm nổi bật là có thể phát xung ngắn, công suất cao, dải phổ rộng, có thể điều chỉnh liên tục bước sóng nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật

Nhờ những thành tựu về Khoa học Vật liệu, ngày càng có nhiều chất màu, chất màu rắn với những đặc tính ưu việt và thuận tiện hơn cho việc chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng Laser màu

Trong những năm gần đây Laser màu xung ngắn đã và đang được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng trên nhiều lĩnh vực Khoa học và Công nghệ Đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian các quá trình lý, hóa, sinh học: 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 phân tử và trong các hiệu ứng quang phi tuyến nó còn là nguồn sáng lý tưởng cho các nghiên cứu động học, các quá trình và các hiện tượng xảy ra cực nhanh [5]

Ở Việt Nam việc nghiên cứu Vật lý Laser màu xung ngắn 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 như:

1 Phương pháp kích thích sóng chạy (TWE)

2 Phương pháp lọc lựa thời gian-phổ (STS)

3 Phương pháp phản hồi phân bố (DFDL)

4 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (QCDL)

Mỗi một phương pháp này, người ta có thể thu được các xung Laser ngắn với những ưu, nhược điểm khác nhau Ở đây chúng tôi quan tâm đến phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity - QC) hay còn gọi là Laser màu buồng cộng hưởng Quenching (BCH Quenching) Nguyên lí hoạt động của phương pháp này là dựa trên nguyên tắc 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 Công nghệ Vật liệu, các vật liệu màu rắn, chất màu mới đã giúp cho cấu hình của hệ Laser này càng trở nên đơn giản, gọn nhẹ và việc xây dựng các hệ Laser ngày càng có tính khả thi cao trong điều kiện ở nước ta

Nhận thức được những vấn đề trên về tính cấp thiết và khả thi của việc xây dựng và phát triển các cấu hình phát Laser màu xung ngắn có thể đóng góp cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn Chúng tôi đặt vấn đề tìm hiểu và nghiên cứu đề tài:

“Động học Laser màu phát xung ngắn có buồng cộng hưởng Quenching” Nội dung nghiên cứu của đề tài là:

- Tìm hiểu và nguyên cứu về Vật lý và Công nghệ của một số cấu hình Laser phát xung Laser ngắn, trong đó có Laser màu BCH Quenching

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

- Nghiên cứu lý thuyết quá trình động học phát xung Laser ngắn và

động học phổ của Laser màu BCH Quenching

Các kết quả nghiên cứu về đề tài "Động học Laser màu phát xung ngắn có

BCH Quenching” nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân và góp một phần nhỏ

trong sự phát triển của một lĩnh vực khoa học Laser màu xung ngắn đang được

quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

Cấu trúc của bản luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về Laser màu phát xung ngắn

Tìm hiểu và tập hợp những thông tin Vật liệu màu hữu cơ, về Vật lý và Công nghệ của một số phương pháp phát xung Laser ngắn, trong đó chú ý đến phương pháp phát xung ngắn sử dụng BCH Quenching

Chương 2: Động học Laser màu phát xung ngắn BCH Quenching

Trình bày hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học Laser màu BCH Quenching Nghiên cứu ảnh hưởng thông số của BCH chất lượng cao: góc lệch quang trục giữa hai BCH, hệ số phản xạ gương Quenching, 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 quá trình động học phát xung Laser ngắn từ BCH chất lượng thấp

Chương 3: Động học phổ Laser màu BCH Quenching

Nghiên cứu ảnh hưởng thông số của BCH chất lượng cao: góc lệch quang trục giữa hai BCH, hệ số phản xạ gương Quenching, 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 động học phổ của Laser màu có BCH Quenching

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

Trong chương này chúng tôi trình bày một số đặc điểm và tính chất lý-hóa nổi bật trong hoạt động Laser của phân tử màu Tìm hiểu một số phương pháp phát xung Laser màu ngắn đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng Những thông tin này là cơ sở để định hướng và phát triển các nội dung nghiên cứu trong các chương 2 và chương 3

1.1 Đại cương về chất màu

1.1.1 Phân tử chất màu

Hoạt chất của Laser màu là các phân tử màu hữu cơ đa nguyên tử (có khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối liên kết đôi kết hợp (hai liên kết đôi cách nhau bởi một liên kết đơn), hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy, giới hạn bước sóng hấp thụ dài nhất và ngắn nhất của hợp chất này là hồng ngoại gần và tử ngoại gần Các phân tử này được cấu tạo từ những nguyên tử C, N,

O, S, F, H,…, các nguyên tử này sắp xếp theo cấu trúc mà khung của phân tử này là các nguyên tử C, N, O, S nằm trên cùng một mặt phẳng [1,2] Các phân

tử này có đặc trưng giống nhau là gồm có các liên kết đôi - điện tử π xen kẽ với liên kết đơn - điện tử σ Điện tử π nằm trên các liên kết đôi C=C hoặc trên các liên kết đơn C-N, C-O,… Điện tử π trong liên kết không định xứ, có thể duy chuyển trên toàn mạch của phân tử, giải tỏa đều trên khung phân tử Vì vậy các phân tử này nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài và để kích thích chúng yêu cầu ít năng lượng hơn so với các điện tử σ Sự khác nhau này cho phép các điện

tử π dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy

Các phân tử màu bao gồm các nhóm hóa chất khác nhau: Hydrocarbon, Oxazole, Coumarin, Xanthene và Cyamine Cấu trúc hóa học của các chất này

là sự tổ hợp của các vòng Benzene (C6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng Pzine

(C4H4N2) hoặc vòng Piron (C4H5N) Những vòng này có thể nối trực tiếp với nhau hoặc qua một nguyên tử trung hòa C, N hoặc một nhánh thẳng gồm một

số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH (Polien) Bước sóng hấp thụ của phân tử màu tăng khi số liên kết đôi liên hợp tăng, các phân tử màu có khối lượng lớn thì chúng có thể hấp thụ mạnh trong vùng nhìn thấy

Phân tử màu được chia thành các hợp chất ion và trung hòa, nó có tính chất vật lý và hóa học khác nhau Phân tử màu dạng trung hòa điển hình như Butadiene CH2=CH-CH=CH2 và các hợp chất thơm như: Pyrene, Perylene,…điểm nóng chảy của nhóm này là thấp, độ hòa tan lớn trong các dung môi không phân cực như Benzene, Octan, Xyclohexane, Chloroform,… Ngược lại, các phân tử màu ion có độ nóng chảy cao, hòa tan mạnh trong các dung môi có cực như cồn

Độ bền nhiệt và độ bền quang hóa của chất màu là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng sử dụng chất màu làm hoạt chất cho Laser Các đặc tính này thay đổi rất nhiều theo cấu trúc hóa học của chất màu

và không theo một quy luật tổng quát nào

Ngày nay, nhờ những thành tựu Khoa học Vật liệu đã có trên 200 chất màu đang được sử dụng để nghiên cứu phát xạ Laser Chất màu được sử dụng phổ biến nhất trong Laser màu là Pyrromethene 567 và Rhodamin 6G Hình 1.1 trình bày cấu trúc phân tử của Pyrromethene 567 và Rhodamin 6G

1.1.2 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học trong phân tử chất màu

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 [1,2] Các chuyển dời chủ yếu của các phân tử chất màu được thể hiện trên hình 1.2

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 Kí hiệu Si và Ti (i

= 1, 2, 3,…) là các trạng thái điện tử đơn (singlet) và 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

Hình 1.2 Sơ đồ các mức năng lượng và các dịch

chuyển quang học của phân tử chất màu

cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai bậc nên 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 năng lượng dao động trung bình là E ≈ 0.125 eV, mà khoảng cách giữa các mức dao động cỡ ∆E ≈ 0.125 eV, nên ở nhiệt độ phòng hầu hết các điện tử đều ở trạng thái cơ bản S00 theo phân bố Boltzmann, khi

nhiệt độ tăng lên sẽ có các điện tử ở các mức dao động cao hơn của trạng thái

S 0 Sau khi hấp thụ ánh sáng các phân tử màu chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên

các trạng thái kích thích S1 , S 2 ,…Do xác suất dịch chuyển S 0→S 1 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 S1i 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 S1i về

trạng thái đơn S10 trong thời gian rất ngắn cỡ 10 -12 s Trạng thái S 10 có thời gian

sống tương đối dài (khoảng 10 -9÷10 -8 s) và từ đây các phân tử chuyển xuống

trạng thái cơ bản S10 → S 0i Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ

huỳnh quang băng rộng của phân tử màu

Trong trường hợp các phân tử màu được kích thích bằng nguồn bơm có cường độ mạnh (Laser hoặc đèn chớp), các phân tử màu được kích thích rất mạnh để chuyển lên các mức cao hơn của trạng thái đơn kích thích Sự hồi

phục dao động về trạng thái S10 cũng diễn ra như đã nói ở trên và hình thành

nghịch đảo độ tích lũy giữa trạng thái S10 và S0i Thực tế, ở nhiệt độ phòng các mức S0i là trống do sự phân bố của các phân tử tuân theo phân bố Boltzmann,

do vậy chỉ cần mật độ tích lũy không quá lớn trên mức S10 cũng đủ để phát

Laser nhờ các dịch chuyển S10 → S 0i Do vậy ta thấy rằng vùng phổ của Laser

màu chỉ có thể nằm trong vùng phổ huỳnh quang của phân tử chất màu

Bên cạnh các dịch chuyển bức xạ còn có các dịch chuyển không bức xạ Các quá trình dịch chuyển không bức xạ bao gồm sự tích thoát giữa các trạng thái cùng bội: singlet–singlet, triplet–triplet gọi là sự dịch chuyển nội (internal conversion) và dịch chuyển không bức xạ giữa các trạng thái khác bội: singlet–triplet gọi là dịch chuyển tương tác chéo nhau trong hệ (intersystem crossing)

Sự dịch chuyển nội từ S2 (hoặc từ trạng thái đơn kích thích cao hơn) về S1 xảy

ra rất nhanh khoảng 10 -11 s Trạng thái bội ba T 1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống khoảng 10 -7→10 -6 s), nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích và sự

tương tác của nó với S1 sẽ ảnh hưởng bất lợi cho các hoạt động của Laser màu

vì:

 Sự chuyển dời của phân tử từ trạng thái đơn S1 đến trạng thái bội ba T1 sẽ

làm giảm độ tích lũy 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 bơm Laser xung có thời gian xung nhỏ hơn 0.1 µs thì

dịch chuyển singlet – triplet có thể bỏ qua

Như vậy, ta có thể xem Laser màu hoạt động theo sơ đồ bốn mức năng

lượng: mức 1 là mức cơ bản S00, mức 2 là mức Laser dưới gồm các mức dao động S0i, mức 3 là mức Laser trên S10 và mức 4 là mức kích thích gồm các mức dao động S1i.

1.1.3 Quang phổ của phân tử chất màu

Các phân tử chất 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 30 nm–100 nm), ít cấu trúc và không trùng lặp Trên hình 1.3 đưa ra

phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Pyrromethene 567 trong nền rắn Hình vẽ cho thấy 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 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 Với thông lượng bức xạ nhỏ hơn 10 26 photon cm -2 s -1 thì phổ hấp thụ và phát xạ của phân tử màu có thể được coi là mở rộng đồng nhất [4]

Huỳnh quang của các phân tử màu được đặc trưng bởi hai đại lượng, đó là: thời gian tắt dần huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang lượng tử Phát xạ

huỳnh quang của phân tử màu có thời gian tắt dần 1÷10 ns Hiệu suất huỳnh

quang lượng tử được định nghĩa là

1.2 Laser màu

1.2.1 Nguyên tắc và điều kiện hoạt động của Laser màu

Như đã trình bày ở phần 1.1.2 hoạt động của Laser màu có thể được mô tả theo sơ đồ 4 mức năng lượng, trong đó mức 1 và mức 2 nằm ở trạng thái điện

tử S0, mức 3 và mức 4 nằm ở trạng thái điện tử kích thích đơn S1 Do vậy ta có thể xem Laser màu hoạt động trên hai mức rộng: mức điện tử đơn S0 và mức điện tử đơn kích thích S1 [1,3] Trên hình 1.4 trình bày sơ đồ năng lượng với hai

mức rộng

Sự tồn tại của các mức triplet (có thời gian sống khá dài) nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích là không có lợi cho hoạt động của Laser màu Thứ nhất sự chuyển dời từ trạng thái kích thích đơn S1 tới trạng thái triplet T1 sẽ làm giảm độ tích lũy ở trạng thái kích thích, do đó làm thu nhỏ hệ số khuếch đại; thứ hai sự chuyển dời đó làm tăng độ tích lũy của mức triplet dẫn đến làm tăng mất mát do hấp thụ triplet – triplet

Giả sử mật độ thông lượng bức xạ tăng chậm tới giá trị P [photon.s

-1.cm-2], tiết diện ngang hấp thụ của phân tử là σ [cm2], hiệu suất lượng tử của quá trình tích lũy mức triplet là φτ, thời gian sống của mức triplet là τT, N0 [cm-3]

và NT [cm-3] là độ tích lũy của mức cơ bản và mức triplet Nồng độ tổng cộng

khi bỏ qua mật độ nhỏ của trạng thái kích thích là N = N0 + N T Chế độ

dừng sẽ đạt được khi tốc độ tích lũy mức triplet bằng tốc độ giảm độ tích lũy:

PσN0φT =N T / τT (1.1)Như vậy tỷ lệ số phân tử ở mức triplet so với số phân tử toàn phần sẽ là:

N T /N = PσφTτT /(1 +PσφTτT) (1.2)Giả sử σ = 10 -16 cm 2, φτ = 0.1 (tương ứng với giá trị của hiệu suất huỳnh

quang lượng tử ∼ 90%) và τT = 10 -4 s Khi đó công suất để giữ được 50% số phân tử ở mức triplet sẽ là P1/2 = 10 21 photon.s -1 cm -2 , tương ứng với độ rọi 0.5

kW.cm -2 trong vùng phổ nhìn thấy Do vậy nếu kích thích chất màu bằng một xung bơm có thời gian tăng dài thì đa số số phân tử sẽ chuyển sang trạng thái triplet Trái lại, mật độ tích lũy của trạng thái triplet sẽ được giữ ở giá trị nhỏ tùy ý nếu mật độ thông lượng bơm tăng đủ nhanh, sao cho đạt được giá trị

ngưỡng trong khoảng thời gian tτ (thời gian tăng công suất bơm từ 0 đến giá trị ngưỡng) thỏa mãn điều kiện tτ <<1/Kst Với giá trị điển hình Kst =10 7 s -1, thì thời

gian tăng tτ cần phải nhỏ hơn 100 ns Điều này có thể dễ dàng đạt được khi bơm Laser màu bằng các Laser thích hợp có thời gian xung ngắn hơn 20 ns Như

vậy trong các hệ Laser màu bơm bằng Laser ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng triplet

Khi hấp thụ ánh sáng bơm ở số sóng ν ~p với tiết diện ngang hấp thụ σp, các phân tử nhảy từ trạng thái cơ bản (độ tích lũy N0) lên trạng thái dao động cao hơn S1i của trạng thái điện tử kích thích đơn S1 hoặc S2 (độ tích lũy N1 hoặc

N 2) Do sự chuyển dời không bức xạ về mức dao động thấp nhất S10 xảy ra rất nhanh nên độ tích lũy N1 là rất nhỏ, do vậy phân bố độ tích lũy trên trạng thái điện tử S1 có thể coi là phân bố Boltzmann Bức xạ cưỡng bức sẽ xảy ra giữa mức S10 và các mức dao động cao S0i của trạng thái điện tử S0 Tiếp đó các phân

tử hồi phục nhanh về mức dao động thấp nhất S00.

Bây giờ ta xét điều kiện dao động cho Laser màu: Ở trường hợp đơn giản

nhất, một Laser màu bao gồm một quy-vet dài L chứa dung dịch màu có nồng

độ là N [cm-3] đặt giữa hai gương song song có hệ số phản xạ là R Có N1 phân tử/cm 3 được kích thích lên mức S1, Laser màu sẽ bắt đầu dao động ở số sóng ν~, nếu hệ số khuếch đại toàn phần lớn hơn hoặc bằng đơn vị:

Đối với các chất màu Laser thì phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang là đối xứng gương với nhau, ta giả sử các giá trị cực đại của tiết diện ngang hấp thụ

và tiết diện ngang phát xạ là bằng nhau Lấy lôgrarit biểu thức (1.3) và sắp xếp lại ta thu được điều kiện thuận tiện hơn cho việc xem xét ảnh hưởng của các thông số :

( )

( )ν σ ( ) ( )ν γ νσ

≤ +

+

a e

a

N S

Đại lượng S ở vế trái của biểu thức (1.4) chỉ ra các mất mát xảy ra trong buồng

cộng hưởng (chiều dài L, hệ số phản xạ R) Giá trị γ( )ν~ biểu thị số phân tử ít

nhất cần phải được kích thích lên mức S1 để đạt ngưỡng dao động Từ phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của dung dịch có nồng độ N và giá trị S đã cho của

buồng cộng hưởng ta có thể tính toán hàm γ( )ν~ và tìm được tần số ứng với cực tiểu của hàm này Tần số này cũng có thể được xác định bằng cách lấy vi phân (1.4) và đặt dγ( )ν~ /dν~= 0 Kết quả là:

( )

( ) ( ) ( ) ( ( ) ) N

S

a e

a e

ν σ ν σ

'

Trong biểu thức (1.5) dấu phẩy biểu thị vi phân theo ν~ Biểu thức (1.5) cho phép xác định tần số mà tại đó Laser bắt đầu xuất hiện

1.2.2 Tính chất của Laser màu

- Một trong những tính chất lý thú nhất của loại Laser này là biến đổi được tần số Bằng cách chọn chất màu, ta có thể nhận được độ dài sóng phát bất kỳ trong khoảng từ miền hồng ngoại gần đến miền cực tím gần của phổ

- Một đặc tính khác của Laser màu là hệ số khuếch đại rất lớn, có thể bằng

hệ số khuếch đại của Laser rắn Điều đó có thể được giải thích như sau: mặc dù mật độ phân tử chất màu trong dung dịch thường nhỏ thua mật độ trong chất rắn khoảng nghìn lần, nhưng tiết diện dịch chuyển chất màu lại lớn hơn trong chất rắn khoảng nghìn lần

- Laser màu có một ưu việt lớn là việc tạo ra môi trường hoạt tính không phức tạp nhờ những tiến bộ của Khoa học Vật liệu

1.3 Một số phương pháp phát xung ngắn

1.3.1 Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)

Kích thích sóng chạy (TWE) là một phương pháp đơn giản song lại khá hữu hiệu để phát xung cực ngắn cỡ picô-giây hoặc ngắn hơn [1] Trong Laser

sử dụng chất màu làm môi trường truyền sóng bức xạ và được kích thích kiểu sóng chạy, pha không gian của một xung bơm sẽ được xử lí bằng cách tạo ra một nhóm xung trễ đều theo chiều ngang đường kính của chùm bơm hội tụ tuyến tính (hình 1.5) Việc bơm ngang quy-vet khuếch đại như vậy có thể tạo nên một sự khuếch đại chuyển động về phía trước trong quy-vet màu có cùng vận tốc nhóm với các bức xạ cưỡng bức Khi chùm bơm “chạm” vào môi

Hình 1.6 Sơ đồ một Laser màu xung ngắn

sử dụng bơm kích thích sóng chạy

trường Laser, một bức xạ cưỡng bức đầu tiên sẽ phát ra tại một đầu quy-vet và bắt đầu chuyển động về phía đầu kia của quy-vet và liên tiếp được khuếch đại (tức là trong quy-vet màu, bức xạ Laser đi tới vị trí nào thì xung kích thích cũng vừa kịp tới vị trí đó).

Thiết bị quan trọng nhất trong cấu hình Laser này chính là cách tử, để tạo nên một sự trễ không gian liên tục dọc theo chùm bơm đã bị nhiễu xạ (sao cho xung bơm và các xung bức xạ tự phát sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên thể tích màu được kích hoạt) Khi chùm bơm chiếu vào bề mặt cách tử, chùm phản

xạ (có mặt đầu sóng bị nghiêng đi khi truyền đến quy-vet) được chia thành N

kênh truyền sóng bơm khác nhau có độ trễ quang học của mỗi một kênh chạy của cách tử là λp (λp: bước sóng bơm; N: số vạch cách tử/mm) và độ trễ tổng

cộng của kênh đầu so với kênh cuối là:

Độ trễ = N λp.

Như vậy sẽ có một sự trễ không gian liên tục dọc theo chùm bơm đã bị

nhiễu xạ Nếu thỏa mãn điều kiện: tan γ = n g, trong đó γ là góc giữa mặt đầu

xung và quy-vet, n g là chiết nhóm của dung dịch chất màu tại bước sóng phát, thì xung bơm và các xung bức xạ tự phát sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên

Hình 1.5 Sơ đồ một Laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy

thể tích màu được kích hoạt và như vậy có nghĩa là các bức xạ khuếch đại được kích thích sóng chạy.

Kỹ thuật TWE thường được sử dụng với các chất màu có hiệu suất lượng

tử thấp, tuổi thọ ngắn và chúng chỉ tạo ra các xung ngắn chất lượng thấp Hệ số nén xung thấp, cao nhất chỉ cỡ 2 lần Thông thường nguồn bơm là các xung Laser cỡ picô-giây hay femto-giây Tuy nhiên, Laser TWE có cấu trúc phổ đám gồm vô số các vạch hẹp cỡ 0.5 ÷ 1 Å Như vậy, việc lọc lựa các vạch phổ hẹp trong băng phổ của Laser màu kích thích sóng chạy có thể cho phép phát được các xung Laser picô-giây băng hẹp, điều chỉnh được bước sóng

1.3.2 Phương pháp lọc lựa thời gian – phổ (Spectro Temporal Selection)

Phương pháp lọc lựa thời gian phổ (STS) còn được gọi là phương pháp lọc lựa không gian–thời gian, cho phép phát trực tiếp các xung ngắn từ nguồn bơm Laser nanô-giây Nguyên lí của phương pháp này dựa trên tiến trình phổ rất nhanh của bức xạ Laser màu băng rộng [2,5]

Bước sóng (nm)

Thời gian (ns)

Việc nghiên cứu tiến trình phổ được phát ra từ một BCH ngắn, độ phẩm chất thấp được bơm bằng xung nanô-giây cho thấy, tại thời điểm ban đầu nó bức xạ ra một phổ Laser rất rộng, ngay sau đó một sự làm hẹp phổ rất nhanh xảy ra, đồng thời cực đại phổ dịch về vùng bước sóng dài, kèm với sự kéo dài thời gian xung [6] Điều này có nghĩa là có sự dập tắt dao động rất nhanh ở phía sóng ngắn của phổ hấp thụ Laser Nếu lọc lựa một băng phổ hẹp (<

1 nm) ở phía bước sóng ngắn của phát xạ Laser băng rộng, ta sẽ thu được xung

Laser ngắn với hệ số nén xung cỡ 102 lần

Tuy nhiên phương pháp phát xung ngắn bằng kỹ thuật STS còn tồn tại một nhược điểm là chúng ta chỉ thu được xung ngắn trong một vùng phổ hẹp

1.3.3 Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback)

Phương pháp phản hồi phân bố sử dụng một nguồn bơm nanô-giây để bơm cho Laser màu [1] Cơ chế làm ngắn xung của phương pháp này là do sự tự biến điệu độ phẩm chất của môi trường hoạt chất màu Điều này là kết quả trực tiếp của sự hồi phục gây ra bởi môi trường khuếch đại Laser màu bị biến điệu

về không gian khi nó bị bơm bằng hai chùm giao thoa Sự hình thành xung ngắn được trình bày trên hình 1.8

M1

M2

Nguồn bơm (ns)

Trong cấu hình Laser DFDL này, khi chùm bơm đến cách tử có bậc nhiễu

xạ là +1 và -1 thì hai chùm tia nhiễu xạ từ cách tử giao thoa với nhau ngay trong quy-vet chất màu sau khi phản xạ qua hai gương Do tính kết hợp, các chùm này giao thoa tạo ra sự biến đổi có chu kỳ về không gian của chất màu (cách tử Bragg) Khoảng cách giữa các vân giao thoa thỏa mãn công thức

= , trong đó λ là bước sóng của Laser, λp là bước sóng của Laser bơm,

n là chiết suất của môi trường chất màu, M là bậc nhiễu xạ Bragg, α là góc

Laser tới Kết quả là tạo nên sự biến điệu không gian của môi trường khuếch đại để tạo ra xung ngắn Bước sóng của Laser ra có thể thay đổi bằng cách điều

chỉnh góc Laser tới hoặc biến đổi chiết suất n và độ dài xung Laser DFDL có

thể biến đổi bằng cách điều chỉnh độ rộng vùng bơm nhờ thay đổi độ rộng khe giới hạn tiết diện vùng bơm và điều chỉnh vị trí hai gương phản xạ

Phương pháp này có thể tạo ra xung ngắn picô-giây (ps), tuy nhiên cấu hình tương đối phức tạp và độ ổn định không cao

1.3.4 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity)

Hình 1.8 Sơ đồ bơm Laser màu phản hồi phân bố

với hai gương phản xạ và một cách tử

Kỹ thuật buồng cộng hưởng dập tắt (hay còn gọi là BCH Quenching-QC) tạo ra xung ngắn picô-giây từ Laser bơm với độ rộng xung cỡ nanô-giây và được sử dụng đầu tiên cho Laser màu [8] Trong cấu hình của một Laser màu

có BCH dập tắt bơm ngang như ở hình 1.9 Người ta tạo ra hai BCH khác nhau nhưng sử dụng chung một môi trường hoạt chất BCH thứ nhất có độ phẩm chất thấp (BCH Q-thấp) được tạo nên bởi hai mặt mẫu của chất màu BCH thứ hai có độ phẩm chất cao (BCH Q-cao) được tạo nên bởi hai gương phẳng phản

xạ đặt bên ngoài mẫu, có chiều dài lớn hơn BCH thứ nhất và quang trục của nó lệch đi chút ít so với quang trục của 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 nanô-giây Tuy nhiên khi hai BCH này 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 Bức xạ Laser trước tiên được phát ra từ BCH Q-thấp, sau đó mới tới BCH Q-cao phát Laser với một độ trễ nhất định do có chiều dài dài hơn BCH Q-thấp Hoạt động của Laser BCH Q-cao, muộn hơn này chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gian) trong môi trường hoạt chất Kết quả là sự tổ hợp của hai BCH này chỉ cho phép phát ra một xung Laser ngắn cỡ 100 picô-giây (ps) ở lối

ra (Hình 1.10.a,b) Ưu điểm của phương pháp BCH Quenching là đơn giản mà

có thể thu được xung picô-giây trên vùng phổ rộng [9,10]

100ps

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này, chúng tôi đã tìm hiểu và tập hợp một số thông tin về tính chất của phân tử màu như là: đặc điểm cấu trúc, quang phổ của phân tử chất màu, cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học trong phân tử chất màu

Đã trình bày được nguyên tắc, điều kiện hoạt động và một số tính chất của Laser màu Môi trường hoạt chất của các phân tử màu là môi trường mở rộng đồng nhất, có phổ khuếch đại rộng Đây là một ưu điểm của Laser màu trong việc phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng

Chúng tôi cũng đã tập hợp và tìm hiểu về một số phương pháp phát xung Laser ngắn Các kết quả cho thấy phương pháp BCH Quenching là có cấu hình khá đơn giản, việc phát triển phương pháp này có tính khả thi trong điều kiện hiện nay ở nước ta

Để nghiên cứu động học Laser màu phát xung ngắn có BCH Quenching, chúng tôi tìm hiểu hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học phát xạ Laser, nghiên cứu các quá trình động học phát xung ngắn, động học phổ phát xạ Laser màu BCH Quenching với hoạt chất màu rắn PM567 Đây là nội dung chính của luận văn sẽ được trình bày trong chương 2 và chương 3

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING

Những nghiên cứu trước đây cho hoạt động của Laser màu có BCH Quenching chủ yếu dựa trên hệ phương trình tốc độ mô tả quá trình động học của Laser tại một tần số, chưa phản ánh được động học phát xạ Laser BCH Quenching trên toàn miền bước sóng

Trong chương này chúng tôi trình bày hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng để mô tả quá trình động học phát xạ trên toàn miền phổ phát xạ, nghiên cứu động học phát xung ngắn của Laser màu QC Nội dung trình bày gồm các vấn đề sau:

- Hệ phương trình tốc độ mở rộng cho Laser màu xung ngắn QC

- Sử dụng hệ phương trình tốc độ này, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: thể tích dùng chung giữa hai BCH (thông qua góc lệch giữa hai quang trục của hai BCH), mức bơm, thông số BCH Q-cao (hệ số phản xạ gương, chiều dài) và nồng độ chất màu lên động học phát đơn xung của Laser màu QC

Các nghiên cứu động học được thực hiện nhờ việc giải số hệ phương trình tốc độ mở rộng, trên phần mềm Matlab và áp dụng cho chất màu rắn Pyrromethene 567/Polymer (PM567/Polymer) Các thông số của chất màu được lấy trong [9,10], với nguồn bơm là Laser Nd: YAG bước sóng 532 nm,

độ rộng xung bơm 5 ns

2.1 Hệ phương trình tốc độ cho Laser màu BCH Quenching

Các nghiên cứu lý thuyết về đặc trưng phổ, tiến trình phổ của các Laser phân tử màu trong dung dịch cũng như trong nền rắn đều dựa vào hệ phương

trình tốc độ Hệ phương trình tốc độ cho Laser màu QC đã được xây dựng dựa vào hệ phương trình tốc độ cho Laser phân tử màu trong dung dịch [3,4,7] Cấu hình BCH Quenching được xây dựng bởi môi trường hoạt chất và bốn gương

phẳng như trên hình 2.1.

Giả sử sự kích thích quang học là dọc theo trục của BCH và đồng nhất Thông lượng bức xạ trong BCH tại một thời điểm nào đó được mô tả bằng trung bình của hai thông lượng ±( )x

ν

φ lan truyền theo hai hướng ngược nhau

Giả sử rằng tổng số phân tử trên các mức năng lượng ở thời điểm bất kỳ luôn bằng tổng số phân tử ban đầu trong hệ, tức là:

N(x)=N1 (x)+N 0 (x) (2.1)

Sự thay đổi độ tích lũy N1 (x) của trạng thái kích thích tại tọa độ x theo thời

gian được mô tả bởi phương trình:

e h

l

0 0

ν

τ ν

φ φ

( ) ( ) ( )

( )x ( )x x

x x

x

h h

h

l l

l

− +

− +

ν

ν ν

ν

φ φ

φ

φ φ

φ

) (

P: là tốc độ bơm (s-1);

σa (ν) và σe (ν) : là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ tương ứng [cm2];

τ : là thời gian sống của phân tử ở mức kích thích [s];

Sự thay đổi mật độ thông lượng phổ φν±( )x trong không gian của môi

trường khuếch đại được mô tả bởi phương trình :

( ) ( ) ( )x x

dx

x d

l l

0 2

1 exp 2 , ,

0 4

3 exp 2 , ,

Trong đó T là thời gian ánh sáng đi được một vòng trong BCH, lấy logarithm

cả hai vế của (2.6) và chuyển vế ta được:

( )

0

ln ,

2 ,

,

t x

T t

2 ,

,

t x

T t

φ

ν ν

Khai triển φl±ν(x,t+T l) và φh±ν(x,t+T h) thành chuỗi Taylor:

2

, ,

2 2

+

∂

∂ +

∂

∂ +

t

t x T

t x T

t

l l

( ) ( ) ( ) ( ),

2

, ,

2 2

+

∂

∂ +

∂

∂ +

t

t x T

t x T

t

h h

Giả sử sự tăng thông lượng sau một chu trình là nhỏ, tức là ∆ φν±( )x << φν±( )x

và sự thay đổi tốc độ bơm có thể bỏ qua trong khoảng thời gian T Thay (2.8)

vào (2.7) và lấy gần đúng bậc nhất ta được:

( ) ( ) ( ) ( )

l l

l l

T

x R

R dx

x t

ln ,

h h

l h

T

x R

R dx x t

ln ,

2

Nếu có những mất mát phi phân tử trong BCH, ta có thể thay vào (2.9) các số

hạng tổng quát αl (ν) có chứa số hạng –ln(R 1 R 2 ) và α h (ν) có chứa số hạng – ln(R 3 R 4 ) và khi đó (2.9) được viết lại dưới dạng như sau:

( ) ( ) ( ) ( )

l l l

l l

T

x dx

x t

l h

T

x dx

x t

Tích phân (2.2) trên chiều dài l của môi trường khuếch đại ta thu được phương trình cho độ tích lũy N1:

0

0 0

1 P (v)( )dv N 1 (v)( )dv N

t

hv lv e

l

hv lv

v

γ

γ φ

hv

l

lv lv

T v l

v t

T v l

v t

φ α γ

φ

φ α γ

φ

) ( )

( 2

) ( ) (

Để đơn giản việc tính toán cũng như thống nhất cách biểu diễn sau này ta thay dấu tích phân bằng dấu tổng, thay thông lượng φ bằng đại lượng tỷ lệ với

cường độ I Bổ sung đại lượng Ai N 1 vào (2.16) để tính đến sự đóng góp của phát xạ tự phát cho quá trình phát Laser Giá trị của Ai có thể lấy như nhau cho

mọi bước sóng do nó ít bị ảnh hưởng bởi các bước sóng khác nhau Khi đó hệ phương trình (2.15) và (2.16) trở thành: