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

Ph-ơng pháp buồng cộng h-ởng dập tắt Quenching- Cavity 11 Ch-ơng II : Động học của Laser màu phát xung ngắn có BCH Quenching 13 II.. Ch-ơng II: Động học của Laser màu phát xung ngắn có

Tr-êng §¹i häc vinh

Mục lục

Trang

Mở đầu 1

Ch-ơng I : Tổng quan về laser màu phát xung ngắn 3

2 Cấu trúc năng l-ợng và các dịch chuyển quang học 4

4 Điều kiện phát- ng-ỡng phát, nguyên tắc hoạt động của Laser màu 8

5 Ph-ơng pháp buồng cộng h-ởng dập tắt (Quenching- Cavity) 11

Ch-ơng II : Động học của Laser màu phát xung ngắn có BCH

Quenching 13

II Các đặc tr-ng phát xạ của Laser màu xung ngắn có BCH Quenching 18

1 ảnh h-ởng của thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH 18

3 ảnh h-ởng của các thông số BCH Q- cao lên phát xạ Laser màu 21

III Phổ của phát xạ Laser màu xung ngắn có BCH Quenching 26

1 ảnh h-ởng của thể tích hoạt chất dùng chung giữ hai BCH lên phổ Laser tích

Mở đầu

Laser (Light Amplification by Stimulaled Emission of Radiation):

“Khuếch đại ánh sáng bºng bức xạ cưỡng bức” Nó không phải là một

nguồn sáng tự nhiên hay một nguồn nhân tạo thông th-ờng mà là sản phẩm

của quá trình khuếch đại của các phát xạ c-ỡng bức “l¯ hiện tượng trong đó

bức xạ đ-ợc phát ra do quá trình chuyển dời của các hạt: nguyên tử, phân

tử, điện tử,… từ mức năng l-ợng cao xuống mức năng l-ợng thấp hơn d-ới

tác dụng trường ngo¯i”

Ngày nay Laser đ-ợc sử dụng rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật, y tế,

đời sống bởi khả năng tạo ra các xung cực ngắn Loại Laser này chủ yếu là

Laser màu.Ph-ơng pháp buồng cộng h-ởng Quenching là một trong những

ph-ơng pháp hữu hiệu nhằm thu đ-ợc xung Laser ngắn.Trong khoá luận

này chúng tôi muốn nâng cao tầm hiểu biết của mình về loại nguồn sáng

đặc biệt có nhiều ứng dụng này

Bản khóa luận ngoà i phần mở đầu và kết luận còn có 2 ch-ơng:

Ch-ơng I: Khái quát hóa về Laser màu phát xung ngắn Phần này

trình bày một số vấn đề chung về Laser màu nh- : phân tử chất màu, sơ đồ

mức năng l-ợng, phổ của Laser màu và các ph-ơng pháp phát xung Laser

cực ngắn

Ch-ơng II: Động học của Laser màu phát xung ngắn có buồng cộng

h-ởng (BCH) Quenching Đây là phần trình bày chính của bản khóa luận

Trong đó tìm hiểu hệ ph-ơng trình tốc độ mở rộng cho đa b-ớc sóng của

Laser màu phát xung ngắn có buồng cộng h-ởng Quenching Từ hệ ph-ơng

trình tốc độ nghiên cứu các đặc tr-ng phát xạ của Laser màu xung ngắn có

BCH Quenching, phổ và động học phổ của Laser màu xung ngắn có buồng

cộng h-ởng Quenching

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

1 Cấu trúc hoá học của chất màu

Cấu trúc hóa học của phân tử màu là tổ hợp của các vòng Benzene (C6H6), vòng pyridine (C6H5N), vòng azin (C4H4N2) hoặc vòng pyron (C4H5N) 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 vẽ 1.1 trình bày cấu trúc hoá học của một chất điển hình là Rhodamine 6G, chất này thuộc nhóm Xanthene có cấu trúc trên cơ sở các vòng benzene, nó đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất

2 Cấu trúc năng l-ợng và các dịch chuyển quang học

Các phân tử màu có rất nhiều trạng thái là những tổ hợp phức tạp các trạng thái điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay, dẫn đến tạo ra các vùng năng l-ợng Vì vậy không thể xác định chính xác các mức năng l-ợng của chất màu

Các chuyển dời chủ yếu của phân tử màu đ-ợc thể hiện qua hình 1.2

Hình 1.1: Cấu trúc hoá học của Rhodamine 6G

Trong đó các mũi tên liền nét liền biểu thị các chuyển dời quang học, các mũi tên không liền nét biểu thị các chuyển dời không bức xạ; còn S0, S1,…là các trạng thái điện tử đơn (singlet) đ-ợc đặc tr-ng bởi mômen spin toàn phần S = 0 và T1, T2 là các trạng thái điện tử bội ba (triplet) ứng với S = 1

Trong phân tử có các chuyển dời sau:

ở nhiệt độ phòng khi ch-a bị kích thích các phân tử màu chủ yếu ở trạng thái cơ bản S00 theo phân bố Boltzman Sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích, các phân tử màu chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên 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 (trạng thái kích thích

S1v) Quá trình này t-ơng ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu

 Sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử từ các trạng thái S1v về trạng thái S10 trong thời gian ngắn cỡ 10-12s Trạng thái S10 có thời gian sống t-ơng đối dài 10-9 - 10-8s và từ đây các phân tử chuyển xuống trạng thái cơ bản S10 S0v Quá trình này t-ơng ứng với sự tạo thành phổ

Hình 1.2: Cấu trúc các mức năng l-ợng và các chuyển dời quang học

của phân tử màu

huỳnh quang băng rộng của phân tử màu

 Từ mức S1 phân tử cũng có thể thực hiện các chuyển dời khác nhau: quá trình hấp thụ S1 lên S2, các dịch chuyển nội không bức xạ giữa các trạng thái không cùng bội Singlet - Triplet gọi là dịch chuyển do t-ơng tác chéo nhau trong nội hệ Trạng thái bội ba T1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống cỡ 10-6- 10-3s) nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích, sự t-ơng tác của nó với S1 gây ảnh h-ởng bất lợi cho các hoạt động của Laser màu vì :

* Sự chuyển dời của phân tử từ trạng thái đơn S1 lên trạng thái Triplet 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 màu dẫn đến tăng mất mát năng l-ợng do hấp thụ Triplet

- Triplet Khi kích thích bằng nguồn Laser xung có thời gian nhỏ hơn 20 ns thì dịch chuyển Singlet - Triplet có thể bỏ qua

Bức xạ Laser đ-ợc hình thành nh- sau :

ở nhiệt độ phòng theo phân bố Boltzman các mức S10 là trống, khi c-ờng độ bơm đủ lớn thì độ tích lũy phân tử trên S10 lớn hơn các mức S0V , môi tr-ờng là nghịch đảo độ tích lũy Do vậy, chỉ cần nghịch đảo mật độ tích lũy không quá lớn trên mức S10 cũng đủ để phát Laser nhờ các dịch chuyển S10 xuống S0V Qua đó ta thấy phổ của Laser màu chỉ có thể nằm trong vùng phổ huỳnh quang của phân tử màu

T a có thể xem Laser màu hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng l-ợng:

3 Quang phổ của phân tử màu

4.Điều kiện phát-ng-ỡng phát, nguyên tắc hoạt động của Laser

5 Ph-ơng pháp buồng cộng h-ởng dập tắt (Quenching - Cavity)

Kỹ thuật BCH Quenching tạo ra xung Laser ngắn picô-giây (ps) từ Laser bơm với độ rộng xung cỡ nanô-giây (ns) đã đ-ợc sử dụng đầu tiên cho Laser màu

Môi tr-ờng chất màu đ-ợc dùng trong cuvette thạch anh là những

dung dịch chất màu có kích th-ớc 1cm1cm3cm Ng-ời ta tạo ra hai BCH Laser khác nhau cùng sử dụng chung một môi tr-ờng hoạt chất BCH thứ nhất có độ phẩm chất thấp đ-ợc tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai thành cuvette làm hai g-ơng phản xạ (gọi là BCH chất l-ợng thấp) BCH thứ hai có độ phẩm chất cao đ-ợc tạo nên bằng việc sử dụng g-ơng có hệ số phản xạ cao (làm g-ơng thứ nhất) và một thành cuvette (g-ơng thứ hai) gọi

là BCH chất l-ợng cao BCH chất l-ợng cao (BCH Q– cao) có chiều dài lớn hơn BCH chất l-ợng thấp (BCH Q- thấp) và quang trục lệch đi một ít so với BCH chất l-ợng thấp (Hình 1.6)

Hình 1.3: Sơ đồ laser phân tử màu với hai mức năng l-ợng

Nếu hai buồng cộng h-ởng 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 1.7) Tuy nhiên khi hai BCH này hoạt động đồng thời và sử dụng chung một môi tr-ờng hoạt chất thì giữa chúng sẽ có sự cạnh tranh năng l-ợng tích lũy trong môi tr-ờng hoạt chất, hoạt động của Laser BCH chất l-ợng cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại trong môi tr-ờng hoạt chất

Do đó sự phát Laser ở buồng cộng h-ởng chất l-ợng thấp nhanh chóng bị dập tắt chỉ cho phép tạo ra xung ngắn cỡ ps ở lối ra (Hình 1.8)

Ph-ơng pháp buồng cộng h-ởng Quenching là ph-ơng pháp có cấu hình đơn giản tuy nhiên nó lại có hiệu quả cao trong việc phát xung Laser ngắn Vì vậy ph-ơng pháp này đ-ợc sử dụng phổ biến để tạo ra các xung Laser ngắn

Hình 1.4: Cấu hình của BCH Quenching

Hình 1.5: Xung laser ở BCH- Q thấp

ch-a đ-ợc quenching

Hình 1.6: Xung laser ngắn (1) ra ở BCH- Q thấp

và ở BCH- Q cao (2) khi có quenching

CHƯƠNG II

động học phổ Laser màu xung ngắn có buồng

cộng h-ởng Quenching

Phổ phát xạ Laser màu là phổ băng rộng nên để nghiên cứu về động học

phổ của Laser màu có BCH- Quenching một cách đầy đủ và chính xác ta không chỉ nghiên cứu hoạt động Laser tại một tần số mà xét ảnh h-ởng qua lại và sự cạnh tranh giữa các tần số trong phổ băng rộng

ở đây, chúng tôi nghiên cứu động học phổ của Laser màu trạng thái rắn (PM567/Polymer) có BCH- Quenching, với nguồn bơm là Laser Nd: YAG có b-ớc sóng 532 nm, độ rộng xung 5 ns dựa trên hệ ph-ơng trình tốc độ mở rộng cho tất cả các b-ớc sóng

I Hệ ph-ơng trình tốc độ cho Laser màu cú BCH - Quenching

Qua quá trình tìm hiểu biến đổi và tính toán ta thu đ-ợc hệ ph-ơng trình tốc độ:

0 1

, , 0

, 1 , ,

1 ,

, 0

, 1 ,

1 1

ê 0

1 1

) (

2

) (

2

1 ) (

N N N

N A L

N N

t

N A L

N N

t

N N

I P t

i i h

i h i h h i a i

e i

h

i l

i i l i a i

e i

n

hi li i n

ai i

 l là chiều dài của môi tr-ờng khuếch đại;

  là thời gian sống của huỳnh quang chất màu ;

 l và h là thời gian sống của photon trong BCH Q- thấp, BCH Q- cao;

 li, hi là mất mát trong một chu trình BCH Q- thấp, BCH Q- cao tại b-ớc sóng i;

 Ai: hằng số phát xạ tại b-ớc sóng i;

 ai và ei là hệ số hấp thụ và hệ số phát xạ tại b-ớc sóng i;

 No và N1 là độ tích lũy trạng thái diện tử cơ bản S0 và trạng thái kích thích S1

giải hệ ph-ơng trình tốc độ có ý nghĩa rất quan trọng Khi ta cho một trong các thông số trên thay đổi ta có thể khảo sát đ-ợc ảnh h-ởng của các thông số lên sự phát Laser màu từ BCH Q- thấp Từ đó điều chỉnh đ-ợc b-ớc sóng của Laser màu trong những điều kiện vật lý khác nhau để thu

đ-ợc xung ngắn có chất l-ợng cao và ổn định Đây là -u điểm nổi bật của Laser màu phát xung ngắn có BCH Quenching so với các loại Laser khác Tất cả các kết quả lý thuyết thu đ-ợc từ việc giải hệ ph-ơng trình tốc

độ (2.17) mở rộng cho nhiều b-ớc sóng cho chất màu PM567/ Polymer trên máy tính bằng ch-ơng trình Matlab 6.0 và sử dụng thuật toán Runge-Kutta

đến việc phát xung ngắn từ BCH Q- thấp Sự thay đổi của phần thể tích

hoạt chất dùng chung V giữa 2 BCH thông qua góc  giữa 2 trục của

 > 2.60 thì Laser ra khỏi BCH Q- thấp không còn ở chế độ đơn xung

2 ảnh h-ởng của mức bơm

Xét ảnh h-ởng của mức bơm lên phát xạ Laser màu từ BCH Q- thấp

đ-ợc nghiên cứu dựa trên hệ ph-ơng trình tốc độ (2.17) cho chất màu PM

Hình 2.1: ảnh h-ởng của góc giữa hai trục BCH lên phát xạ laser từ BCH- Q

cm -3

567/Polymer với các thông số  =20, Lk= 0.5 cm; l = 1cm; R3= 1; R1= R2= 0.04; N= 1018cm-3, độrộng xung bơm 5 ns với các mức bơm khác nhau Kết quả chỉ ra rằng khi bơm gần ng-ỡng với

1

(Pth là ng-ỡng bơm lý thuyết) thì phát xạ Laser từ BCH Q- thấp ở chế độ đơn xung

và ngắn, còn bơm rất cao trên ng-ỡng thì hoạt động của Laser từ BCH Q- thấp là đa xung Kết quả tính toán đ-ợc thể hiện trên hình 2.2

3 ảnh h-ởng của các thông số BCH Q - cao lên phát xạ của Laser từ BCH Quenching

a ảnh h-ởng của hệ số phản xạ g-ơng

Xuất phát từ hệ ph-ơng trình tốc độ chúng tôi khảo sát sự ảnh h-ởng của hệ số phản xạ g-ơng BCH Q- cao lên hoạt động Laser có BCH Quenching cho chất màu PM567/Polymer với các thông số  = 20; l =1 cm;

Lh= 0.5 cm; r = 10; R1= R2= 0.04; N=1018cm-3, hệ số phản xạ g-ơng BCH Q- cao đ-ợc giảm từ 1 đến 0.6 Kết quả thu đ-ợc trình bày trên hình 2.3

R3 =1; R1=R2= 0.04; N=10 18 cm -3

Kết quả chỉ ra rằng hoạt động Laser ở chế độ xung ngắn từ BCH Q- thấp chỉ thu đ-ợc với những g-ơng của BCH Q- cao có hệ số phản xạ lớn hơn 70% Ng-ợc lại hệ số phản xạ g-ơng của BCH Q- cao nhỏ hơn 70% thì hoạt động của Laser từ BCH Q- thấp không còn là chế độ đơn xung nữa

b ảnh h-ởng của chiều dài BCH.

Để nghiên cứu sự ảnh h-ởng của chiều dài BCH Q- cao lên hoạt động Laser xung ngắn từ BCH Q- thấp chúng tôi cũng tiến hành giải hệ ph-ơng trình tốc độ (2.17) cho chất màu PM567/Polymer với các thông số (nồng độ chất màu N =1018cm-3;  =20; l =1cm; r =1; độ rộng của xung bơm 5 ns; R3

=1; R1=R2= 0.04), trong đó chiều dài BCH Q- cao Lh đ-ợc tăng từ 1.5 cm 

4 cm bằng cách tăng khoảng cách giữa g-ơng sau của BCH Q- thấp và g-ơng sau của BCH Q- cao, các kết quả thu đ-ợc thể hiện qua hình vẽ 2.4

Trên hình vẽ 2.4 kết quả chỉ ra rằng trong điều kiện hoạt động đã cho thì hoạt động Laser từ BCH Q- thấp chỉ ở chế độ đơn xung khi độ dài BCH Q- cao nhỏ hơn hoặc bằng 2.5cm, còn khi chiều dài BCH Q- cao lớn hơn

2.5cm thì Laser từ BCH Q-thấp là đa xung

Hình 2.3: ảnh h-ởng của hệ số phản xạ g-ơng của BCH Q- cao lên phát xạ laser của BCH

4 ảnh h-ởng của nồng độ phân tử màu

Để nghiên cứu ảnh h-ởng của nồng độ phân tử màu lên hoạt động Laser xung ngắn từ BCH Q-thấp, chúng tôi cũng tiến hành giải hệ ph-ơng trình tốc độ (2.17) cho chất màu PM 567/Polymer với các thông số sau:

=20; Lh= 0.5 cm; l =1cm; r =10; R3=1; R1= R2= 0.04 Kết quả đạt đ-ợc trình bày trên hình 2.5

Kết quả thu đ-ợc cho thấy trong điều kiện Laser nhất định khi ta tăng nồng độ phân tử màu PM567 từ 5.1017 cm-3 đến 1019cm-3 thì hoạt động Laser của BCH Q- thấp chỉ thu đ-ợc xung ngắn với ng-ỡng nồng độ phân

tử màu nhỏ hơn 1018cm-3, với những nồng độ quá cao thì không thể thu

đ-ợc xung Laser ngắn từ BCHQ-thấp

Hình 2.4: ảnh h-ởng của chiều dài BCH Q–cao lên phát xạ laser của BCH Q–

thấp  = 20; r = 10; R1= R2= 0.04; R3 = 1; N=1018cm-3

III Phổ của phát xạ Laser màu xung ngắn có BCH Quenchin

1 ảnh h-ởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH lên phổ Laser tích phân

Để nghiên cứu sự ảnh h-ởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai buồng cộng h-ởng lên phổ Laser màu tích phân băng rộng từ BCH Q- thấp, chúng tôi cũng giải hệ ph-ơng trình tốc độ (2.17) cho chất màu PM567/Polymer, với các thông số Lh= 0.5 cm; r = 10; l =1 cm; N=1018cm-3;

R1=R2= 0.04; R3 =1 Kết quả thu đ-ợc trình bày trên hình vẽ 2.6 Ta thấy khi tăng góc giữa hai quang trục của buồng cộng h-ởng từ 0.50 đến 2.50 thì phổ Laser tích phân có xu h-ớng bị hẹp lại và đỉnh phổ dịch chuyển về phía sóng ngắn tuy nhiên sự ảnh h-ởng này là không đáng kể

2 ảnh h-ởng của mức bơm lên phổ Laser tích phân

Để nghiên cứu ảnh h-ởng của mức bơm lên phổ tích phân của Laser màu xung ngắn băng rộng từ BCH Quenching ta xét cho chất màu PM567/Polymer với các thông số =20; l =1cm; Lh=1.5cm; R1=R2= 0.04;

R3=1; N=1018cm-3; với việc thay đổi mức bơm từ 10 đến 90 lần trên ng-ỡng

Hình 2.5: ảnh h-ởng của nồng độ lên phát xạ laser xung ngắn từ BCH Q-thấp với các

; Lh = 0.5cm; r = 10; R1= R2= 0.04; R3 = 1