CHẾ tạo MÀNG GIỚI hạn QUANG OIL RED o bảo vệ DETECTOR

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.15 CHẾ TẠO MÀNG GIỚI HẠN QUANG OIL RED O BẢO VỆ DETECTOR Trần Thị Thúy Oanh, Châu Huy, Bùi Thị Cẩm Tú, Nguyễn Thanh Lâm Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM TÓM TẮT Chúng chế tạo thành công màng giới hạn quang Oil red O phương pháp polime hóa gốc tự dạng khối, chiều dày màng khoảng 0.25mm với giá thành thấp Các đặc tính quang màng khảo sát phương pháp Z-scan Kết cho thấy, màng Oil red O có tính hạn chế cường độ ánh sáng đầu ngưỡng định, gọi giới hạn quang Tính giúp bảo vệ thiết bị quang học nhạy cảm detector trước hủy hoại ánh sáng laser cường độ cao GIỚI THIỆU Nguồn Laser thiết bị sử dụng nhiều lĩnh vực, từ đời sống, y học, khoa học kỹ thuật, quân sự, đến thí nghiệm quang học Trong phòng thí nghiệm, laser sử dụng vùng hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại công suất khoảng vài mW đến vài MW Tuy nhiên, việc sử dụng laser trực tiếp thường xuyên tìm ẩn nhiều nguy hiểm, gây hư hại đến mắt người cảm biến quang học bên detector Vì việc chế tạo thiết bị giới hạn quang để bảo vệ trước xạ laser cần thiết cấp bách Có nhiều sản phẩm kính lọc có khả làm giảm cường độ laser, nhiên giá thành cao hoạt động khoảng bước sóng định Chúng tự chế tạo màng giới hạn quang có tính tương tự để phục vụ cho trình nghiên cứu Màng có khả hoạt động khoảng bước sóng rộng, giá thành thấp, phương pháp chế tạo đơn giản Giới hạn quang trình quang phi tuyến hệ số truyền qua vật liệu giảm cường độ ánh sáng tới tăng Tính chất giới hạn quang vật liệu xảy hấp thụ phi tuyến bậc III chủ yếu dựa chế: hấp thụ photon, hấp thụ bão hoà hấp thụ bão hoà ngược Vì vậy, vật liệu quang phi tuyến có tính chất giới hạn quang [1] Thiết bị giới hạn quang hoạt động dựa hiệu ứng giới hạn quang: hạn chế cường độ ánh sáng đầu ngưỡng định, cường độ ánh sáng đầu vào tiếp tục tăng cường độ ánh sáng đầu giữ nguyên không đổi Vật liệu sử dụng để chế tạo màng bảo vệ quang học phải có tính chất như: cho ánh sáng qua, bền học, không bị laser phá huỷ quan trọng phải giới hạn cường độ sáng qua ánh sáng vùng khả kiến, vùng gần hồng ngoại cận hồng ngoại [2] Những năm đầu kỷ 21, tính chất giới hạn quang dựa chế hấp thụ bão hoà ngược phát chất hữu phi tuyến [3] Cho đến nay, chất hữu phi tuyến đối tượng nghiên cứu hàng đầu thời gian đáp ứng phi tuyến nhanh mà giá thành lại rẻ [4], [5] Bên cạnh đó, có khó khăn việc tìm kiếm vật liệu tốt để chế tạo màng bảo vệ quang học có chất lượng cao Một số vật liệu khả tồn dạng màng rắn, số vật liệu không thật bền với tác dụng laser cường độ cao, số vật liệu bị tính chất giới hạn quang sử dụng thời gian dài Cũng có số vật liệu chế tạo màng bảo vệ quang học không ổn định phẩm chất, sử dụng để đo đạc liệu ghi nhận bị sai lệch [6] Vì vậy, việc tìm kiếm vật liệu tốt để chế tạo màng giới hạn quang có phẩm chất tốt, ổn định với thời gian bền vấn đề nan giải Rất nhiều công trình tác giả tập trung khảo sát tính chất phi tuyến vật liệu hữu quang phi tuyến, điển công trình tác giả Rekha cộng vào năm 2009 chế tạo khảo sát đặc tính phi tuyến hiệu ứng giới hạn quang màng hữu Oil red O [7] Ở đây, ông nghiên cứu Laser Nd-YAG liên tục với bước sóng 532nm, công suất đầu 5mW Hiện nay, nước chưa có nhóm nghiên cứu tính chất quang phi tuyến bậc ba chất hữu khai thác ứng dụng Trong báo này, tiến hành chế tạo màng polymer thuốc nhuộm Oil red O có bề dày 0.25mm, khảo sát chiết suất phi tuyến n2, hệ số hấp thụ phi tuyến, tính chất giới hạn quang Oil red O nguồn laser liên tục bước sóng 532nm, công suất tối đa 14mW Dụng cụ sử dụng để đo đạc detector Laser Beam Profiler (LBP) có kết nối với máy tính qua cổng USB Phương pháp sử dụng phương pháp Z-scan đo bán kính chùm kết hợp với thuật toán lập trình Matlab ISBN: 978-604-82-1375-6 53 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM THỰC NGHIỆM Vật liệu Oil Red O lysochrome, thuộc họ thuốc nhuộm azo, sử dụng để nhuộm màu trung tính Nó thuốc nhuộm có màu đỏ với hấp thụ tối đa bước sóng 518 nm 359 nm Oil Red O cấu trúc phân tử biểu diễn hình Thông số Oil Red O mô tả bảng Oil red O có thể hòa tan nước tan nhanh Ethanol Thuốc nhuộm ứng dụng chủ yếu vào nghiên cứu sinh học lĩnh vực quang phi tuyến Trong nghiên cứu này, Methymethacrelate (MMA) chọn monomer để tổng hợp màng mỏng polymer pha tạp thuốc nhuộm Sự điều chỉnh vật liệu polymer dung môi phụ gia tăng cường ngưỡng phá hủy laser Acetonitrile mức quang phổ chọn chất phụ gia kết hợp hòa tan tốt thuốc nhuộm oil red O Benzoyl peroxide sử dụng chất khơi màu Bảng Thông số Oil red O Ứng dụng Tỉ lệ thuốc nhộm Khối lượng phận tử Trạng thái Công thức phân tử Bảo quản Số đăng ký Là thuốc nhuộm hữu ích cho trình nghiên cứu sinh học ≥ 75% 408,49 Rắn C26H24N4O Nhiệt độ phòng 215-295-3 C26H24N4O Hình Cấu trúc phân tử công thức hóa học Oil red O Tổng hợp màng mỏng polymer thuốc nhuộm Oil red O Quy trình tổng hợp màng polymer Oil red O gồm bước sau: Bước 1: Đầu tiên trộn 40ml MMA với 10ml Acetonitrile để tạo thành 50ml dung môi khơi màu Sau trộn 0.001g bột Oil red O vào dung dịch khơi màu, khuấy từ không gia nhiệt 10 phút, kết thu dung dịch màu đỏ gọi dung dịch hỗn hợp (Oil red O, Acetonitrile, MMA) Bước 2: Điều chế hỗn hợp tạo màng từ Belzoyl Peroxide MMA Trộn 0,5g Belzoyl Peroxide vào 100ml MMA khuấy từ không gia nhiệt 30 phút, kết thu dung dịch nhớt suốt màu vàng nhạt gọi dung dịch tạo màng polymer Bước 3: Lấy dung dịch hỗn hợp thu bước trộn với dung dịch tạo màng polymer bước theo tỉ lệ 3:2 cho vào lọ nhỏ, ta hỗn hợp tạo màng polymer Oil red O Khuấy từ gia nhiệt 85oC vòng 60 – 90 phút Kết thu dung dịch sệt màu đỏ (do có giãn nhở nhiệt nên không đổ đầy lọ) Bước 4: Đổ hỗn hợp sệt màu đỏ thu bước đĩa petri thuỷ tinh Đổ tay cách chậm rãi từ tâm đĩa petri hỗn hợp lan từ từ hai bên, cho bề dày mẫu 1mm Để yên không di chuyển đĩa petri khoảng từ 15 – 20 phút không khí cho hỗn hợp nguội bớt đặc lại Trong giai đoạn này, màng bị nhăn chưa khô, khô kết thành màng polymer, màng không nhăn Sau đó, dùng giấy nhựa bịt kín đĩa petri cất nơi khô nhiệt độ phòng thời gian – ngày Bước 5: Lấy sản phẩm khỏi khuôn Tráng ngâm sản phẩm từ 2-3 phút qua nước sạch, sau lấy Kết thu màng polymer Oil red O có dạng hình tròn đáy đĩa petri nồng độ 0,05mM bề dày 0.25mm ISBN: 978-604-82-1375-6 54 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Màng Polymer thuốc nhuộm Oil red O Phổ truyền qua Phổ truyền qua Oil red O nồng độ 0.05 mM nghiên cứu cách sử dụng máy quang phổ UVVIS (PERKIN-ELMER LAMDA 35) hình Hình Máy UV-VIS HALO RB-10 dùng để đo phổ truyền qua Các nghiên cứu phi tuyến Dùng kỹ thuật Z-scan xác định chiết suất phi tuyến Phương pháp Z-scan xây dựng Sheik-Bahae cộng sử dụng để xác định tính chất quang phi tuyến thuộc nhuộm azo Nó dựa tượng chiết suất phụ thuộc cường độ liên quan đến thay đổi chiết suất hàm theo cường ánh sáng tới mẫu: n = n0 + n2I Ở n chiết suất, n0 chiết suất tuyến tính, n2 chiết suất phi tuyến, I cường độ Nó ứng với phần thực [3] khai triển Taylor độ phân cực vật liệu Chúng sử dụng laser công suất 14 mW bước sóng 532nm làm nguồn kích thích cho kỹ thuật Z-scan Laser biên dạng Gauss hội tụ thấu kính hội tụ tiêu cự f = 50 mm, cường độ cổ chùm I0 = 13.1 mWcm-2 bán kính cổ chùm 0 cỡ 26 m Bố trí thí nghiệm Z-scan bán kính chùm biểu diễn hình Một cuvette độ dày 1mm chứa thuốc nhuộm Oil red O hòa tan dung môi với nồng độ 0.05mM dịch chuyển quanh cổ chùm dọc theo trục hướng chùm laser lan truyền Bán kính chùm trường xa đo laser beam profiler (LBP) Trong phép đo Z-scan khe mở Z-scan bán kính chùm, LBP thu toàn laser truyền qua mẫu Phương pháp tương tự lặp lại cho màng mỏng polymer ISBN: 978-604-82-1375-6 55 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Thí nghiệm Z-scan bán kính chùm (1) LBP, (2) mẫu cần đo, (3) thấu kính, (4) laser Kỹ thuật giới hạn quang Hiệu ứng giới hạn quang thuốc nhuộm Oil red O nghiên cứu laser liên tục công suất 14 mW bước sóng 532nm Bố trí thí nghiệm nghiên cứu giới hạn quang tương tự thí nghiêmh Z-scan công suất laser điều chỉnh biến trở hình Màng polymer pha tạp Oil red O giữ vị trí cổ chùm Chúng sử dụng biến áp biến trở để thay đổi điện áp vào laser từ thay đổi công suất đầu laser Sau chùm ló từ mẫu đến LBP Cường độ laser đầu vào thay đổi cách có hệ thống giá trị cường độ đầu tương ứng đo LBP Ta thực thí nghiệm cách thay đổi công suất laser hai trường hợp mẫu có mẫu Cuối thu thay đổi công suất đầu (lúc có mẫu) theo công suất đầu vào (lúc mẫu) Hình Biến trở Chương trình mô Matlab hỗ trợ phương pháp Z-scan Trái với phương pháp Z-scan hệ số truyền qua, phương pháp Z-scan bán kính chùm đơn giản mặt thực nghiệm lại phức tạp mặt tính toán Để đơn giản hóa trình tính toán phương pháp này, nhóm xây dựng chương trình xử lý liệu Z-scan tự động Matlab Mathematic Từ cần đo đạc liệu thực nghiệm R(z), không cần thực tính toán, chương trình tự động xuất kết tính toán tham số phi tuyến cần tìm hình ISBN: 978-604-82-1375-6 56 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Kết chạy chương trình mô tính toán tham số phi tuyến KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Độ truyền qua hệ số hấp thụ tuyến tính Trên hình phổ truyền qua dung dịch Oil red O 0.05mM màng polymer Oil red O 0.05mM, qua thấy độ truyền qua màng polymer lớn độ truyền qua dung dịch tương ứng Nguyên nhân bề dày màng dung dịch khác Từ phổ truyến qua bề dày thực mẫu L, ta xác định hệ số truyền qua T hệ số hấp thụ tuyến tính  bề dày hiệu dụng Leff màng Oil Red O nồng độ 0.05mM khảo sát bước sóng 532nm Hình Phổ truyền qua dung dịch Oil red O 0.05mM màng polymer Oil red O 0.05mM Khi đo máy quang phổ UV-Vis, bề dày thực cuvette chứa dung dịch 10mm, bề dày màng polymer 0.25 mm Đối với màng polymer tính toán theo công thức sau:   ln T ; Leff    exp( L ) L  Đối với dung dịch thuốc nhuộm: Leff    exp( L ')  Trong đó, L’ bề dày thực mẫu dung dịch, L’ = mm ISBN: 978-604-82-1375-6 57 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Kết tính toán từ phổ truyền qua dung dịch màng Oil red O Kết Dung dịch (0.05mM) Màng polymer (0.05 mM) Hệ số truyền qua T Hệ số hấp thụ tuyến tính  (mm-1) Bề dày hiệu dụng mẫu Leff(mm) 0.0047 0.5360 0.7741 0.5698 2.2499 0.1912 Hệ số hấp thụ phi tuyến chiết suất phi tuyến Chiết suất phi tuyến hệ số hấp thụ phi tuyến dung dịch màng tính toán từ liệu thu phép đo Z-scan chương trình mô Matlab Đường cong hấp thụ bão hòa thuốc nhuộm dung môi màng mỏng pha tạp thuốc nhuộm Oil red O biểu diễn đường cong Z-scan khe mở hình Hình Đường cong Z-scan khe mở thuốc nhuộm Oil red O dạng dung dịch (a) polymer pha tạp (b) Trong Z-scan khe đóng, hấp thụ bão hòa làm cho đường cong Z-scan có dạng bất đối xứng Tọa độ peak đường cong cho biết dấu chiết suất phi tuyến Đây hiệu ứng tự phân kì thay đổi chiết suất cục theo cường độ Hiệu ứng tự phân kì thuốc nhuộm dung môi màng mỏng polymer biểu diễn hình (a) (b) Hình Đường cong Z-scan khe đóng thuốc nhuộm Oil red O dang dung dịch (a) màng polymer (b) Đại lượng rp-v khác peak chuẩn hóa thung lũng chuẩn hóa Chiết suất phi tuyến túy n2 thu cách chia liệu R(z) cho liệu Z-scan khe mở Các đường cong Z-scan chiết suất phi tuyến túy biểu diễn hình ISBN: 978-604-82-1375-6 58 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Đường cong chiết suất phi tuyến túy thuốc nhuộm Oil red O dạng dung dịch (a) màng polymer (b) Từ hình ta nhận thấy giá trị rp-v tăng màng mỏng polymer thuốc nhuộm so với dung dịch thuốc nhuộm Điều giải thích phân tán nhiệt môi trường chất lỏng nhanh so với môi trường chất rắn Các tính toán đưa bảng Bảng Hệ số hấp thụ phi tuyến  chiết suất phi tuyến bậc n2 Kết Hệ số hấp thụ phi tuyến  (mm/W) Chiết suất phi tuyến bậc ba n2 (x10-6mm2/W) Dung dịch (0.05mM) Màng polymer (0.05mM) 0.0262 0.0587 -6.6447x10-6 -3.5765x10-6 Giá trị n2 màng mỏng polymer thuốc nhuộm lớn trường hợp thuốc nhuộm dung môi định xứ Anderson photon Quãng đường tự trung bình tán xạ photon chất rắn nhỏ chất lỏng, có định xứ điện trường mạnh bên chất rắn dẫn đến chiết suất phi tuyến tăng trường hợp màng mỏng polymer Nguồn sử dụng để khảo sát tính chất phi tuyến laser liên tục, phi tuyến quang học thuốc nhuộm quan sát có nguồn gốc nhiệt Pha chùm lan truyền bị méo ảnh hưởng nhiệt Đồng thời khoảng cách peak thung lũng lớn khoảng Rayleigh cho thấy tồn thành phần nhiệt Giới hạn quang Các đường cong giới hạn quang thuốc nhuộm với laser bước sóng 532 nm biểu diễn hình 10 Công suất đầu vào công suất đầu chuẩn hóa cách chia giá trị công suất thực tế với giá trị công suất đầu vào nhỏ Hình 10 Đường cong giới hạn quang Oil red O dạng dung dịch màng polymer Kết cho thấy giai đoạn đầu, công suất đầu tăng công suất đầu vào tăng Tuy nhiên kể từ giá trị 0.480 công suất đầu vào công suất đầu gần không đổi Trong đường cong giới hạn quang màng polymer thuốc nhuộm gần đường thẳng nằm ngang hiệu ứng quang xảy dung dịch ISBN: 978-604-82-1375-6 59 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM không hoàn toàn thẳng Từ ta thấy màng polymer có tính chất giới hạn quang ổn định thuốc nhuộm dung môi KẾT LUẬN Chúng khảo hệ số hấp thụ chiết suất phi tuyến thuốc nhuộm hữu Oil red O cho dung dịch màng mỏng trạng thái rắn cách dùng kỹ thuật Z-scan với chùm tia laser liên tục bước sóng kích thích 532nm, đặc biệt nhóm xây dựng chương trình xử lý liệu Z-scan tự động Matlab Mathematic giúp đơn giản hóa trình tính toán phương pháp Z-scan bán kính chùm Điều đáng ý báo cáo việc chế tạo màng polymer rắn phương pháp polymer hóa khối gốc tự Các màng giúp bảo vệ detector thí nghiệm với laser cường độ cao chứng minh thuốc nhuộm Oil red O chất hữu đáp ứng số yêu cầu vật liệu phi tuyến: chất lượng quang học tốt, tính ổn định cao, nguyên liệu dễ tìm mua chế tạo đơn giản Đây kết khả quan ứng dụng tiềm thiết bị quang phi tuyến FABRICATION OF OIL RED O OPTICAL LIMITING FILM ABSTRACT We have successfully fabricated Oil Red O optical limiting film with a thickness of about 0.25mm by low-cost fabrication process, called thermal bulk free-radical polymerization The optical properties of the films are investigated using Z-scan method Results showed that Oil Red O films limit output light intensity at a certain threshold, optical limitting properties This feature helps to protect sensitive equipment such as optical detector from the destruction of high-intensity laser light TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Elsa Garmire “Overview of Nonlinear Optics” Dartmouth College (2012) [2] Mary J Miller, Andrew G Mott, and Brian P Ketchel “General Optical-Limiting Requirements” Army Research Laboratory (1999) [3] F E Hernández, S Yang, V Dubikovsky, W Shensky III, E W Van Stryland, D J Hagan “High Performance Optical Limiter” Nonlinear Opt (2001) [4] Zidan, M D., et al "Optical limiting behavior of acid blue 29 under a low power CW He-Ne laser irradiation." Acta Physica Polonica-Series A General Physics 115.5 (2009) [5] R.KH Manshad, Q.M.A Hassan “Optical limiting properties of magenta doped PMMA under CW laser illumination” Pelagia Research Library (2012) [6] Richard Lepkowicz, Andrey Kobyakov, David J Hagan, and Eric W Van Stryland “Picosecond optical limiting in reverse saturable absorbers: a theoretical and experimental study” Journal of the Optical Society of America B (2001) [7] Rekha, R.K & Ramalingam, A “Nonlinear characteristic and optical limiting effect of oil red O azo dye in liquid and solid media” Journal of Modern Optics, 56(9), 1096-1102 (2009) ISBN: 978-604-82-1375-6 60