Thông tin tài liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ****0o0**** Nguyễn Tuấn Anh ĐỘNG HỌC PHỔ CỦA LASER MÀU RẮN BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.11.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. Đoàn Hoài Sơn Tp.HCM, năm 2013 1 Trong sut qu trnh hc tp, nghiên cứu v hon thnh lun văn, tôi đ nhn đưc s hưng dn, gip đ qu bu ca cc thy cô, cc anh chị v cc bn. Vi lng knh trng v bit ơn sâu sc tôi xin đưc by t li cm ơn chân thnh ti: Ban gim hiu trường Đi hc Vinh, Phng đo to sau đi hc, Khoa Vt l đ to mi điu kin thun li gip đ tôi trong qu trnh hc tp v hon thnh lun văn. Tin s Đon Hoi Sơn, người thy đ ht lng gip đ, dy bo, đng viên v to mi điu kin thun li cho tôi trong sut qu trnh hc tp v hon thnh lun văn tt nghip. Cc thy, cô gio trong khoa Vt l, tổ b môn Quang hc-quang phổ đ tn tnh truyn dy kin thức cho tôi trong sut qu trnh hc tp. Cui cùng, Tôi xin by t lng bit ơn ti gia đnh v tất c bn bè đ gip đ đng viên tôi rất nhiu trong qu trnh hc tp v nghiên cứu. Tp. HCM, thng 06 năm 2013 Hc viên Nguyễn Tuấn Anh 2 MỤC LỤC Danh mục hình vẽ - bảng biểu – chữ cái viết tắt 3 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU RẮN 8 A. VẬT LIỆU MÀU HỮU CƠ 8 1.1. Cấu trúc hoá học của phân tử màu 8 1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học 9 B. VẬT LIỆU CHO LASER MÀU RẮN 13 1.4. Các họ phân tử màu điển hình 13 1.5. Các loại nền rắn điển hình cho laser màu rắn. 16 C. LASER MÀU 25 1.6. Điều kiện để phát laser màu 25 1.7. Bơm quang học cho laser màu 29 1.8. Buồng cộng hưởng laser màu 31 CHƯƠNG II. ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC PHỔ CỦA LASER MÀU RẮN BĂNG RỘNG 33 2.1. Hệ phương trình tốc độ 33 2.2. Đặc trưng động học phổ của Laser màu rắn băng rộng 38 2.2.1. Động học phổ trong phát xạ laser phân tử màu rắn băng rộng 38 2.2.2. Động học phổ trong phát xạ laser màu rắn băng rộng từ BCH ngắn, Q thấp 43 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 3 Danh mục hình vẽ - bảng biểu – chữ cái viết tắt Danh mục hình vẽ Hình 1. 1. Cấu trc ca cc chất mu điển hnh thuc nhóm chnh 9 Hình 1. 2. Cấu trc mức năng lưng v cc chuyển dời 10 Hình 1. 3. Sơ đồ laser phân tử mu vi hai mức năng lưng rng 11 Hình 1. 4. Phổ hấp thụ v phổ huỳnh quang ca phân tử mu Rhodamine 6G (Rh6G) trong ORMSIL 12 Hình 1. 5. Sơ đồ cấu trc phân tử ca phân tử mu Rh6G 13 Hình 1. 6. Sơ đồ cấu trc phân tử Coumarin 540A 13 Hình 1. 7. Cấu trc hóa hc ca phân tử mu a) KF 241 ; b) KF 856 15 Hình 1. 8. Phổ huỳnh quang v hấp thụ ca hai phân tử mu perylene. 15 Hình 1. 9. Cấu trc phân tử, phổ huỳnh quang, phổ hấp thụ ca PM 567 16 Hình 1. 10. Phổ h s hấp thụ ca cc polymer 19 Hình 1. 11. Phổ truyn qua ca mu thy tinh Sol – gel không pha màu. 22 Hình 1. 12. Phổ truyn qua nn ormosil. 24 Hình 1. 13. Cấu hnh bơm laser mu, b. Sơ đồ bơm dc 30 Hình 2. 1. Sơ đồ BCH laser mu rn …………………………………… 33 Hình 2. 2. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca PM 567/polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =5 39 Hình 2. 3. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca PM 567/polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =20 40 Hình 2. 4. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca PM 567/polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =30 40 Hình 2. 5. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca PM 567/polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =45 41 Hình 2. 6. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca Rhodamine 6G/polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r = 6 41 Hình 2. 7. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca Rhodamine 6G /polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =15 42 Hình 2. 8. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca Rhodamine 6G /polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =30 42 Hình 2. 9. Tin trnh phổ trong pht x laser mu ca Rhodamine 6G /polymer BCH L=10cm,l = 1cm, R 1 =1, R 2 =0.1, N = 6 x10 17 cm -3 , r =60 43 Hình 2. 10. Tin trnh phổ ca pht x laser mu rn PM567/polymer từ BCH có r=5, L=2 cm, R 1 = R 2 = 0,04 45 Hình 2. 11 Tin trnh phổ - thời gian ca pht x laser mu rn PM567/polymer từ BCH có L = 2cm, r= 8, R 1 = R 2 =0.04. 46 Hình 2. 12. Tin trnh phổ - thời gian ca pht x laser mu rn PM567/ polymer từ BCH có L=2 cm, r =10, R 1 =R 2 =0.04. 46 Hình 2. 13. Tin trnh phổ - thời gian ca pht x laser mu rn PM567/ polymer từ BCH có L=2 cm, r= 15, R 1 =R 2 =0.04 47 4 Hình 2. 14. Tin trnh phổ ca pht x PM 567/polymer vi mức bơm r=30 ln trên ngưng 47 Hình 2. 15. Tin trnh phổ ca pht x PM 567/polymer vi mức bơm r=50 ln trên ngưng 48 Hình 2. 16. Đ rng xung laser ca cc xung đơn ti ba bưc sóng khc nhau ở trong vùng song ngn ca phổ laser mu rn PM567/polymer (N = 2. 10 18 /cm3, L = 2cm, r = 15, R 1 =1, R 2 =0.1) 49 Danh mục bảng biểu Bảng 1. H s khch đi ca C490 trong cc môi trường 14 Danh mục chữ viết tắt Buồng cộng hưởng BCH 5 MỞ ĐẦU Sự ra đời của Laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng trong thế kỷ 20, laser được xem là một trong mười thành tựu khoa học công nghệ lớn nhất của thế kỷ. Hơn 30 năm qua, vật lý và công nghệ laser đã phát triển rất nhanh chóng, không ngừng, có ảnh hưởng to lớn và trực tiếp đến các lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ. Lịch sử phát triển laser màu (có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ) đã trải qua những sự kiện quan trọng. Năm 1966 lần đầu tiên người ta đã phát hiện hiệu ứng laser màu bơm bằng laser ruby và đèn xung. Năm 1970 nhờ sự phát hiện của vật lý và công nghệ laser đã cho phép thu được những bức xạ laser màu đơn sắc cao, có thể điều chỉnh liên tục bước sóng trên miền phổ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần. Ngày nay các loại laser nói chung và lase màu nói riêng là những thiết bị không thể thiếu được để phát triển các phương pháp nghiên cứu quang phổ laser hiện đại trong lĩnh vực vật lý, hoá học, khoa học vật liệu và y sinh học Do vậy việc nghiên cứu và phát triển vật lý công nghệ laser luôn luôn là nhu cầu thực tiễn có ý nghĩa khoa học và ứng dụng cao. Như ta biết trong công nghệ laser do có phổ huỳnh quang băng rộng (từ 50 đến 100 nm) các vật liệu màu hữu cơ đã đem đến một đặc tính nổi trội nhất của laser màu, đó là khả năng thay đổi bước sóng. Một laser sử dụng một vật liệu màu có thể dễ dàng thay đổi bước sóng laser trong một miền rộng. Việc sử dụng hỗn hợp các vật liệu màu có thể cho phép mở rộng thêm vùng quét phổ cho bước sóng laser màu. Bên cạnh đó, đặc điểm về phổ phát xạ huỳnh quang băng rộng của vật liệu màu hữu cơ cũng tạo ra ưu thế lớn trong việc phát các xung quang học cực ngắn. Một ưu điểm lớn nổi bật của laser màu là khả năng phát được nhiều bước sóng khác nhau và có thể điều chỉnh liên tục được trong giải quang phổ rộng (khoảng hàng trăm A). Nhờ có những ưu điểm này mà laser màu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. 6 Đối với laser màu dạng lỏng đã được sử dụng từ lâu và có các đặc tính nổi bật như bước sóng thay đổi được liên tục từ vùng tử ngoại gần cho tới hồng ngoại gần nhờ có các tâm màu khác nhau. Tuy nhiên để loại trừ các hiệu ứng không có lợi cho hoạt động laser sinh ra từ môi trường hoạt phân tử như: Hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng thấu kính, sự thoái hoá của các phân tử màu, người ta phải dùng hệ thống luân chuyển phân tử màu trong khi hoạt động laser( chất màu trong môi trường lỏng phải được bơm liên tục qua buồng cộng hưởng). Điều này làm cho hệ thống laser trở nên kém gọn nhẹ. Phân tử màu và dung môi hữu cơ sử dụng thường gây độc, gây cháy. Sau một thời gian vận hành nhất định, dung dịnh màu phải loại bỏ sẽ gây ra vẫn đề phân tử thải độc hại cho môi trường. Trong quá trình làm việc nếu yêu cầu bước sóng ở ngoài vùng phổ phát xạ của phân tử màu đang dùng thì phải được thay thế bằng một phân tử màu mới. Việc làm sạch cả hệ thống để thay thế phân tử màu mới khá phức tạp. Để khắc phục những nhược điểm trên chúng ta phải tìm một môi trường khác để thay thế môi trường lỏng. Môi trường đó phải đáp ứng yêu cầu: Trong suốt và đồng nhất về mặt quang học, khả năng phân tán tâm màu cao, truyền nhiệt tốt và bền về mặt cơ học. Ngoài ra môi trường còn phải có công nghệ chế tạo ở nhiệt độ nhỏ hơn 200C vì đây là ngưỡng phá huỷ nhiệt của các loại tâm màu. Việc đưa tâm màu vào nền rắn sẽ giảm nhẹ các vấn đề trên. Các lase màu rắn không có hệ thống luân chuyển phân tử màu đi kèm, bộ dao động laser sẽ gọn nhẹ hơn, nhờ đó mà việc ứng dụng bên ngoài phòng thí nghiệm sẽ dễ dàng hơn. Sự độc hại là không đáng kể. Trong khi đó laser màu rắn vẫn giữ nguyên các ưu thế của laser màu trong dung dịch (laser màu lỏng). Do đó laser màu rắn đang trở thành một hướng nghiên cứu khá hấp dẫn và hy vọng rằng trong tương lai laser màu rắn sẽ thay thế laser màu dạng lỏng. Ở Việt nam nghiên cứu vật lý laser màu rắn đã bắt đầu vào cuối những năm 1970. Hiện nay các nghiên cứu trong lĩnh vực này không chỉ dừng lại ở nghiên cứu cơ bản mà thực sự gắn liền với yêu cầu cấp thiết để phát triển công nghệ laser và phương pháp quang phổ laser hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt nam. Trong 7 những năm gần đây, các hệ laser màu rắn băng rộng, laser màu băng hẹp điều chỉnh bước sóng và những laser màu phát xung ngắn picô – giây được bơm bằng laser nitơ, laser ruby, laser Nd:YAG, đã được chế tạo thành công và đưa vào sử dụng hiệu quả ở các phòng thí nghiệm quang học quang phổ của các viện nghiên cứu chuyên nghành Nội dung của luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm: “Động học phổ của Laser màu rắn băng rộng”. Việc nghiên cứu các đặc trưng phổ của laser màu rắn băng rộng cho phép chúng ta biết được tiến trình phổ trong quá trình phát xạ của một xung laser. Nó giúp ích cho việc tối ưu hoá hoạt động và công nghệ laser cũng như tạo điều kiện để sử dụng cho các ứng dụng khác. Nội dung chính của luận văn được trình bày trong hai chương: Chương I: Tổng quan về laser màu rắn Chương này trình bày khái quát về công nghệ vật liệu màu rắn: tính chất của phân tử chất màu, sơ đồ mức năng lượng, quang phổ của chất màu, đặc điểm của các loại vật liệu màu trạng thái rắn, điều kiện phát laser màu và bơm quang học cho laser màu rắn. Những kiến thức này làm cơ sở cho việc tìm hiểu và nghiên cứu các nội dung chương 2. Chương II: Đặc trưng động học phổ của laser màu rắn băng rộng Trình bày hệ phương trình tốc độ của laser màu. Nghiên cứu động học phổ trong quá trình phát xạ của một xung laser phân tử màu băng rộng trong nền rắn. Sự phụ thuộc của động học phổ laser màu rắn băng rộng vào các thông số phân tử, thông số buồng cộng hưởng (BCH) và thông số bơm. Động học phổ laser trong buồng cộng hưởng (BCH) ngắn, Q thấp. 8 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU RẮN A. VẬT LIỆU MÀU HỮU CƠ 1.1. Cấu trúc hoá học của phân tử màu Hoạt chất của laser màu là các phân tử hữu cơ đa nguyên tử. Cấu trúc hoá học các chất màu là sự tổ hợp các vòng Benzen (C 6 H 6 ), vòng piridin (C 5 H 5 N), vòng Azin (C 4 H 4 N 2 ) hoặc vòng Piron (C 4 H 5 N). 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). Chất màu được chia thành các hợp chất ion và trung hoà. Nó có tính chất vật lý và hoá học khác nhau. Chất màu dạng trung hoà điển hình như Butadiene CH 2 =CH-CH=CH 2 và các hợp chất thơm như Pyrene, perylene Điểm nóng chảy của nhóm này là thấp, độ hoà tan lớn trong các dung môi không phân cực như benzen, octan, cyclohexane, chloroform Ngược lại, các chất màu ion có điểm nóng chảy cao, hoà tan mạnh trong các dung môi có cực như cồn. Trong dung dịch, đa số các chất màu bị phân ly thành ion. Tuỳ theo độ pH của dung dịch, nghĩa là độ axit hay độ kiềm mà các ion của chất màu là anion hay cation. a) N O C 6 H 5 C 6 H 5 N O b) O O N CH 3 c) O + NHEt CH 3 CO 2 Et EtNH CH 3 Cl - d) 9 Et O N + O N Et (CH=CH) 3 CH e) O O CO 2 - Me 2 N NH 4 + g) Hình 1. 1. Cấu trc ca cc chất mu điển hnh thuc nhóm chnh a) p-Terphenyl; b) POPOP; c) Coumarin; d) Rhodamine 6G; e) DOTC; g) xanthenone (rhodamone) 1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học Hình 1.2 trình bày cấu trúc các mức năng lượng chung của phân tử chất màu. Ký hiệu S i và T i (i = 0,1,2 ) biểu diễn các trạng thái điện tử đơn và bội ba tương ứng số lượng tử spin toàn phần S = 0 và S = 1. Ở nhiệt độ phòng hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản S 00 , 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 thu ánh sáng các phân tử chất màu chuyển từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái đơn kích thích S 1 , 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 S 1 , cụ thể là dịch chuyển lên các trạng thái kích thích dao động S 1i . Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ hấp thu băng rộng của phân tử màu. Ở các trạng thái này, sự khử kích hoạt của các phân tử chất màu diễn ra theo nhiều cách. [...]... tính chất ưu việt của nó để dần dần thay thế các vật liệu màu trạng thái lỏng 32 CHƯƠNG II ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC PHỔ CỦA LASER MÀU RẮN BĂNG RỘNG 2.1 Hệ phương trình tốc độ Chúng tôi đã sử dụng hệ phương trình tốc độ mở rộng cho một mô hình hoạt động laser màu hai mức rộng sau đây để có thể mô tả các quá trình động học trong các laser màu xung băng rộng và đặc biệt chú ý tới sự tham gia của các bước sóng... thường sử dụng họ phân tử màu pyromethene như họ màu rhodamine trong môi trường dung dịch Hình 1 9 Cấu trúc phân tử, phổ huỳnh quang, phổ hấp thụ của PM 567 1.5 Các loại nền rắn điển hình cho laser màu rắn 1.5.1 Yêu cầu của một nền rắn pha phân tử màu cho laser màu rắn 16 Những nền rắn cho laser phân tử màu phải đạt được những yêu cầu như đối với dung môi cho laser phân tử màu trạng thái lỏng, đó là:... đắt 1.8 Buồng cộng hưởng laser màu Do phổ huỳnh quang của chất màu rộng, nên trong laser màu băng rộng mỗi một chất màu có thể bức xạ trên một khoảng rộng từ 20nm đến 50nm Vì vậy, khi đưa vào BCH các yếu tố tán sắc như cách tử, giao thoa kế Fabry- Perot, lăng kính ta sẽ thu được các bức xạ laser có độ rộng phổ hẹp và có thể điều chỉnh được tần số phát Nguyên tắc làm hẹp băng laser là do các yếu tố... biệt do laser màu là môi trường mở rộng đồng nhất nên khi thu hẹp độ rộng băng thì mật độ năng lượng phổ được gia tăng, vì hầu như toàn bộ năng lượng laser băng rộng sẽ chỉ phát trên một kênh hẹp Độ rộng phổ của một laser màu phát ra từ một BCH lọc lựa là 1 d d Với (1.21) d là độ tán sắc toàn phần tạo ra bởi các thành phần quang học trong BCH d là độ phân kì của chùm laser. .. rằng laser màu hoạt động trên hai mức rộng: mức điện tử đơn S0 và mức điện tử kích thích đơn S1 1.3 Các đặc điểm về phổ hấp thụ và bức xạ 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 11 30nm – 100nm), ít cấu trúc và không trùng lặp Trên hình 1.4 đưa ra phổ hấp thụ và huỳnh quang của Rh6G trong nền rắn. .. và công nghệ laser màu hữu cơ nói chung và vật liệu cho laser phân tử màu trạng thái rắn nói riêng Các kết quả đã làm sáng tỏ những tính lý – hóa của các phân tử màu, các các đặc điểm về phổ hấp thụ và bức xạ của các họ phân tử màu điển hình Đã tìm hiểu về các loại nền rắn điển hình, cũng như các phương pháp chế tạo vật liệu màu trạng thái rắn, các kết quả cho thấy vật liệu màu trạng thái rắn đang được... 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 10 26 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 (nghĩa là phổ hấp thu và phổ huỳnh quang của mỗi phân tử màu trùng với phổ tương ứng của cả hệ phân tử màu) Huỳnh quang của các phân tử màu được đặc trưng bởi hai đại... sóng của bức xạ bơm phải nằm trong vùng phổ hấp thu của chất màu và tốt nhất là ở bước sóng có hệ số hấp thu là cực đại Hiện nay người ta thường dùng bức xạ hòa bậc 2 của các loại laser rắn biến điệu độ phẩm chất như laser ruby, laser Nd: YAG hoặc các loại laser khí N2, Kr, Xe để bơm cho laser màu Các phương pháp bơm bằng laser chủ yếu là bơm dọc và bơm ngang như trình bày trên hình dưới đây 29 Laser. .. bơm Laser màu R = 100% R = 10% a Sơ đồ bơm ngang Laser bơm Laser màu Rlaser màu = 100% R = 10% Rlaser bơm = 0% Hình 1 13 Cấu hình bơm laser màu, b Sơ đồ bơm dọc M1 : gương phản xạ 100%; M2: gương bán mạ; DC: cuvét màu; L: thấu kính 1.7.1 Cấu hình bơm ngang Trong cấu hình bơm ngang, bức xạ bơm vuông góc với quang trục của BCH laser màu Phương pháp này tạo nên sự nghịch đảo tích lũy trong dung dịch màu. .. LASER MÀU 1.6 Điều kiện để phát laser màu Hoạt động của laser màu có thể 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 4 nằm ở trạng thái điện tử kích thích đơn S1 Do vậy ta có thể nói rằng laser màu hoạt động trên hai mức rộng: Mức điện tử đơn S0 và mức điện tử kích thích đơn S1 Trên hình 1.3 trình bày sơ đồ năng lượng với hai mức rộng có độ bán rộng . laser màu 31 CHƯƠNG II. ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC PHỔ CỦA LASER MÀU RẮN BĂNG RỘNG 33 2.1. Hệ phương trình tốc độ 33 2.2. Đặc trưng động học phổ của Laser màu rắn băng rộng 38 2.2.1. Động học phổ trong. nghành Nội dung của luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm: Động học phổ của Laser màu rắn băng rộng . Việc nghiên cứu các đặc trưng phổ của laser màu rắn băng rộng cho phép. học phổ của laser màu rắn băng rộng Trình bày hệ phương trình tốc độ của laser màu. Nghiên cứu động học phổ trong quá trình phát xạ của một xung laser phân tử màu băng rộng trong nền rắn. Sự phụ
Ngày đăng: 19/07/2015, 19:01
Xem thêm: Động học phổ của laser màu rắn băng rộng
