Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu cơ pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ MỸ AN NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT LASER MÀU HỮU CƠ PHA TẠP HẠT NANO VÀNG DÙNG CHO LASER PHẢN HỒI PHÂN BỐ PHÁT XUNG NGẮN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9440110 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Đỗ Quang Hòa Người hướng dẫn khoa học 2: TS Nghiêm Thị Hà Liên Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Laser màu phát xung ngắn trở thành công cụ thiếu phòng thí nghiệm ngồi nước Mặc dù vậy, nghiên cứu phát triển môi trường hoạt chất có khả hoạt động laser chủ đề hấp dẫn phòng thí nghiệm quang học quang tử Bên cạnh đó, thành tựu nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano mang lại nhiều ứng dụng khoa học đời sống Đặc biệt, hạt nano vàng có kích thước khác đối tượng hấp dẫn nhờ đặc điểm bật Ý tưởng nghiên cứu, chế tạo môi trường hoạt chất lý tưởng cho buồng cộng hưởng (BCH) laser màu từ hỗn hợp chất màu laser với hạt kim loại có kích thước nano-mét thực Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo khảo sát tính chất quang môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng polymer PMMA để sử dụng hiệu tạo laser màu phản hồi phân bố có xung ngắn picô-giây Nội dung nghiên cứu: Để đạt mục tiêu trên, nội dung sau nghiên cứu: - Nghiên cứu chế tạo môi trường hoạt chất laser màu lai tạp nano vàng trạng thái rắn - Khảo sát tính chất quang học mơi trường chất màu laser pha tạp nano vàng - Xây dựng mơ hình tính tốn động học tiến trình phát xạ laser xung phản hồi phân bố sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp - Thử nghiệm hệ laser màu xung ngắn sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU, CHẤT MÀU HUỲNH QUANG HỮU CƠ, HẠT NANO VÀNG 1.1 Laser màu Laser màu hữu laser sử dụng phân tử màu hữu làm môi trường hoạt chất Các chất màu chứa liên kết đơi liên hợp với nhóm chức định có khả hấp thụ mạnh ánh sáng vùng tử ngoại vùng nhìn thấy Luận án lựa chọn chất màu DCM (4-(Dicyanomethylene)-2methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran) để nghiên cứu tính chất đặc biệt như: Phân tử màu loại vừa mang đặc tính chất cho (donor) vừa mang đặc tính chất nhận (acceptor) nên có dải phổ phát quang rộng (~ 100 nm) vùng phổ nhìn thấy Chất màu DCM có phổ hấp thụ mạnh vùng bước sóng ngắn bước sóng cộng hưởng plasmon hạt nano vàng, phù hợp với nghiên cứu môi trường hỗn hợp chất màu hạt nano vàng Mặt khác, laser có yếu tố lọc lựa bước sóng dễ dàng lựa chọn cách liên tục bước sóng theo yêu cầu vùng phổ phát xạ DCM 1.2 Tính chất quang vật liệu nano kim loại, nano vàng Các vật liệu có cấu trúc nano-mét có đặc tính đặc biệt Với kích thước (nhỏ bước sóng ánh sáng tử ngoại – khả kiến), qui luật quang học cổ điển để giải thích tượng cầm giữ ánh sáng, tán xạ khơng thỏa mãn Sự dao động cộng hưởng đám mây điện tử bề mặt hạt nano (plasmon bề mặt SPR) áp dụng để giải thích giam giữ lượng tử hiệu ứng lượng tử vật liệu nano Tại bề mặt tiếp giáp vật liệu kim loại cấu trúc nano-mét với môi trường điện từ, hiệu ứng plasmon bề mặt tồn không gian nhỏ nhiều so với vật liệu quang học thông thường Mặt khác, hạt nano kim loại lại có khả tác động mạnh lên tính chất quang mơi trường “anten” thu - phát Ví dụ, hạt nano kim loại q có đường kính 10 nm có hệ số tắt cỡ 107 M-1cm-1, có giá trị khoảng lớn hai bậc so với giá trị điển hình chất màu laser hữu 1.3 Laser màu xung ngắn 1.3.1 Cơ chế hoạt động laser màu Laser màu hoạt động mơi trường có hai mức lượng laser – có độ rộng lớn phát băng rộng 1.3.2 Một số cấu hình laser màu phát xung pico-giây: mục giới thiệu số cấu hình phát xung laser màu pico-giây 1.3.3 Laser màu phản hồi phân bố Laser phản hồi phân bố (DFB) có buồng cộng hưởng không gương phản xạ mà dựa hiệu ứng phản xạ Bragg Hiện tượng cộng hưởng quang học chùm sáng lan truyền mơi trường có chu kỳ biến điệu độ khuếch đại chiết suất phù hợp với bước sóng phản xạ tạo nên xạ laser Các đặc điểm laser DFDL * Khả điều chỉnh liên tục bước sóng * Độ đơn sắc cao * Phát xung laser ngắn p p   Hệ vân giao thoa Laser L Biến điệu gain L Laser Laser z Laser L  n  n(t )   T (t )  T   Sơ đồ nguyên laser DFB Hình 1.1: Sơlí hoạt đồđộngnguyên lý hoạt động laser màu DFDL CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT CHO LASER MÀU Sự khác độ linh động thành phần môi trường hoạt chất cho phép khảo sát đặc trưng hiệu ứng quang học xảy tương tác chúng, mơi trường chất laser màu dạng lỏng (trong dung môi ethanol) môi trường rắn (trong PMMA) chuẩn bị, chế tạo để nghiên cứu 2.1 Nguyên vật liệu thiết bị sử dụng 2.1.1 Nguyên vật liệu Chất màu hữu DCM, hạt nano vàng dạng hình cầu (d  20 nm), Methyl methacrylate (MMA), Azobisisobutyronitrile (AIBN), 2.1.2 Thiết bị sử dụng Máy rung siêu âm ELMASONIC S30, lò ủ nhiệt (< 200 oC), máy li tâm,… 2.1.3 Chế tạo nano vàng gắn kết HS-PEG-COOH Hạt nano vàng dạng cầu chế tạo phương pháp Turkevich 2.1.4 Chuyển đổi môi trường hạt nano vàng Các hạt nano vàng phân tán nước phân tán lại dung môi MMA để loại bỏ nước nước khơng hòa tan MMA, đồng thời nước làm phân tử màu DCM dễ bị phân hủy 2.2 Môi trường hoạt chất dạng lỏng cho laser màu 2.2.1 Chuẩn bị dung dịch DCM Bảng 2.1: Nồng độ chất màu DCM dung dịch ethanol Mẫu Nồng độ DCM (M) Mẫu 3.0×10-5 Mẫu 1.0×10-5 Mẫu 5.0×10-6 Mẫu 1.0x10-6 Bảng 2.2: Nồng độ chất màu DCM dung dịch MMA Mẫu Nồng độ DCM (M) Mẫu 2.5×10-6 Mẫu 2.0×10-6 Mẫu 1.5×10-6 Mẫu 2.0×10-7 Mẫu 5.0 10-7 2.2.2 Môi trường chất màu dạng lỏng pha tạp hạt nano vàng (DCM/GNPs) Bảng 2.3: Nồng độ chất màu DCM GNPs dung dịch ethanol Nồng độ DCM Dung tích GNPs (mol/L) (hạt/ml) Mẫu 1.0x10-4 M 5.0x109 Mẫu 1.0x10-4 M 1.0x1010 Mẫu 1.0x10-4 M 1.5x1010 Mẫu 1.0x10-4 M 2.0x1010 Mẫu Bảng 2.4: Nồng độ chất màu DCM GNPs dung dịch MMA Mẫu Nồng độ DCM Dung tích GNPs (M) (hạt/ml) Mẫu 3.0x10-5 Mẫu -5 3.0x10 1.0x1010 Mẫu 3.0x10-5 1.5x1010 Mẫu 3.0x10-5 2.0x1010 Mẫu 3.0x10-5 3.3x1010 2.3 Chế tạo môi trường hoạt chất laser màu dạng rắn pha tạp hạt nano vàng (DCM/GNPs/PMMA) 2.3.1 Môi trường laser màu PMMA Môi trường hoạt chất laser màu rắn chế tạo phương pháp polimer hóa đơn phân tử MMA 2.3.2 Khn dùng cho chế tạo mẫu Môi trường hoạt chất dạng rắn tạo khn hình chữ nhật có kích thước 1x1x2,5 cm3 (tương tự cuvet) cho trình tổng hợp polymer thực nhiệt độ khoảng 50 oC (Hình 2.1) Hình 2.1 Khn sử dụng chế tạo môi trường hoạt chất rắn 2.3.3 Chế tạo môi trường hoạt chất pha tạp dạng rắn Môi trường hoạt chất dạng rắn chế tạo phương pháp polymer hóa MMA pha tạp nano vàng với tâm màu DCM 2.2.3.1 Chế tạo môi trường hoạt chất DCM/PMMA a) Chế tạo mẫu trắng Vật liệu sử dụng: monomer MMA xúc tác AIBN Dung dịch MMA cho mẫu thí nghiệm 2000 µl Thực nghiệm mẫu với phụ gia đóng rắn AIBN thay đổi Bảng 2.5: Vật liệu hàm lượng tương ứng chế tạo mẫu trắng Mẫu AIBN (mg) MMA (µl) T1 1mg 2000 T2 2mg 2000 T3 3mg 2000 T4 4mg 2000 T5 5mg 2000 Mẫu rắn chế tạo với hàm lượng AIBN mg cho đồng cao, không tạo bọt, đạt chất lượng tốt sử dụng thí nghiệm luận án b) Chế tạo mơi trường hoạt chất DCM/PMMA Mục tiêu: Chế tạo mẫu màu rắn để khảo sát tính chất mơi trường hoạt chất dạng rắn nồng độ chất màu thay đổi Bảng 2.6: Vật liệu hàm lượng chế tạo mẫu DCM/PMMA Mẫu DCM/MMA (M) DCM/MMA (µl) AIBN (mg) D1 1x10-2 2000 D2 5x10-3 2000 D3 1x10-3 2000 D4 5x10-4 2000 D5 1x10-4 2000 D6 3x10-5 2000 D7 1x10-5 2000 Hình 2.1: Mơi trường hoạt chất DCM phân tán PMMA cho laser 2.2.3.2 Chế tạo mẫu PMMA/DCM pha tạp nano vàng Hạt nano vàng Au@PEG-COOH sử dụng phân tán MMA đưa vào mẫu công đoạn đầu Bảng 2.7: Mẫu DCM/GNPs/PMMA với nồng độ DCM 10-3 M DCM GNPs/MMA DCM/MMA AIBN (mol/l) (µl) (µl) (mg) DA1 10-3 2000 DA2 10-3 2000 DA3 10-3 2000 DA4 10-3 12 2000 DA5 10-3 20 2000 Mẫu Bảng 2.8: Mẫu DCM/GNPs/PMMA với nồng độ DCM 10-4 M DCM Au/MMA DCM/MMA AIBN (mol/l) (µl) (µl) (mg) DA6 10-4 2000 DA7 10-4 2000 DA8 10-4 2000 DA9 10-4 12 2000 DA10 10-4 20 2000 Mẫu 2.4 Các thông số mẫu cần xác định kỹ thuật sử dụng Phần giới thiệu phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang, độ rộng xung laser kích thước, hình dạng nano thiết bị sử dụng giải thích tương tác yếu phân tử chất màu dung mơi hòa tan khơng làm mở rộng thay đổi trạng 1.4 Cường độ hấp thụ (đ.v.t.y) thái mức lượng mức phân tử DCM 3.1.2.2 Phổ hấp thụ chất màu DCM PMMA Trong rắn PMMA, 1.2 -5 1x10 M/L -5 3x10 M/L -4 1x10 M/L 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 phân tử DCM linh động 300 400 500 600 Bước sóng (nm) hơn, phổ hấp thụ thu bị Hình 3.3: Phổ hấp thụ DCM mở rộng nhiều phía sóng PMMA dài (Hình 3.3) 3.1.3 Phổ huỳnh quang phân tử DCM pha tạp GNPs dung dịch ethanol (DCM/GNPs/ethanol) Cường độ huỳnh quang Cường độ huỳnh quang (đ.v.t.y) đạt giá trị cực đại với tỷ lệ GNPs (dung dịch 1x1010 hạt/ml GNPs d ≈ 16 nm) DCM (trong dung dịch 1x10 M) 1:20 Khi tăng -4 nồng độ GNPs (> 1x10 10 hạt/ml), cường độ đỉnh 450 (2) 400 (3) (1) 350 300 (1) (2) (3) (4) (5) -4 DCM 1x10 M DCM+5x10 hat/ml 10 DCM+1x10 hat/ml 10 DCM+1,5x10 hat/ml 10 DCM+2,0x10 hat/ml (5) 250 (4) 200 150 100 50 450 500 550 600 650 700 Bước sóng (nm) phổ huỳnh quang tăng chậm sau giảm Điều có Hình 3.6: Phổ huỳnh quang thể giải thích DCM/GNPs dung dịch ethanol tượng tăng cường huỳnh quang tương tác trường gần GNPs phân tử chất màu đạt tới giá trị bão hòa sau dập tắt huỳnh quang truyền lượng Foster SET chiếm ưu 10 3.1.4 Tính chất quang DCM pha tạp GNPs PMMA 3.1.4.1 Phổ hấp thụ DCM/GNPs/PMMA Nồng độ DCM 1×10-4 M, nồng độ GNPs thay (đ.v.t.đ) độ hấp thụ(a.u) CườngAbsorbance DCM tăng nhẹ nồng độ GNPs pha tạp tăng từ l/ml tới 20 l/ml (tương ứng với 0,5x10 10 hạt/ml  2x1010 hạt/ml) (Hình 3.7) Ở 1,0 10 3 đổi Cường độ hấp thụ DCM+1.0x10 hat/mLGNPs 10 DCM+1.5x10 hat/mLGNPs 10 DCM+2.0x10 hat/mLGNPs 0,5 0,0 350 nồng độ GNPs thấp, ta quan 400 450 500 550 600 sát có tăng trưởng Hình 3.7: Phổ hấp thụ mơi huỳnh quang nhẹ Điều trường hoạt chất giải thích có DCM/GNPs/PMMA xuất 650 Wavelength (nm) Bước sóng (nm) tương tác trường gần Một số phân tử DCM kết đám bề mặt GNPs dẫn đến thiết diện hấp thụ DCM cao hấp thụ riêng phần GNPs chất màu Khi tăng nồng độ GNPs, cường độ hấp thụ mẫu tăng lên 3.1.4.2 Huỳnh quang chất màu DCM/GNPs/PMMA Phổ huỳnh quang DCM/GNPs/PMMA (nồng độ DCM 3x10-4 M) với nồng độ GNPs thay đổi kích thích bước sóng 472 nm trình bày Hình 3.8 Từ hình vẽ ta thấy cường độ huỳnh quang DCM tăng tới giá trị cực đại với nồng độ GNPs 1,5x1010 hạt/ml (đường 2), sau giảm với tăng nồng độ GNPs (đường 3, 4) 11 Điều giải thích linh động rắn nên nồng độ GNPs cao, khoảng cách trung bình GNPs DCM Cường độ huỳnh quang (đ.v.t.y) phân tử DCM 40 10 1x10 hat/ml 10 1,5x10 hat/ml 10 2x10 hat/ml 10 2,5x10 hat/ml 20 nhỏ hiệu ứng SET 500 600 700 800 Bước sóng (n m) rõ Đặc điểm GNPs ứng dụng Hình 3.8: Phổ huỳnh quang để điều khiển phát quang DCM/GNPs/PMMA kích thích tâm màu lân cận bước sóng 472 nm (nồng độ DCM 3x10-4 M) GNPs thể anten phát hay thu nhận xạ điện từ trường Ở nồng độ GNPs thấp, có xạ kích thích huỳnh quang, GNPs đóng vai trò phát lượng dẫn tới việc truyền lượng từ GNPs tới phân tử DCM Ở nồng độ GNPs cao hơn, dập 300 tắt huỳnh quang từ phân tử bước sóng 532 nm, quan sát dập tắt huỳnh quang (Hình 3.9) Điều (a.u) Intensity (đ.v.t.y) độ huỳnh quang CườngFluorescence DCM xảy Khi kích thích 200 250 10 DCM+1.0x10 hat/ml GNPs 10 DCM+1.5x10 hat/ml GNPs 10 DCM+2.0x10 hat/ml GNPs 150 100 50 giải thích 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) Bước sóng (nm) bước sóng kích thích gần với đỉnh hấp thụ cộng hưởng Hình 3.9: Phổ huỳnh quang plasmon GNPs dẫn đến DCM/GNPs/PMMA kích thích tẩy quang tức thời bước sóng 532 nm (nồng độ DCM 3x10-5 M) phân tử DCM định xứ 12 bề mặt GNPs Kết khác với trường hợp mẫu dung dịch DCM pha tạp GNPs 3.1.5 Thời gian sống huỳnh quang phân tử DCM/GNPs/PMMA Đối với trường hợp DCM dễ bị tác động phân cực môi trường LnI (đ.v.t.y) mẫu lỏng, phân tử Do đó, thời gian sống huỳnh quang DCM có khác biệt rõ sử dụng dung mơi hòa tan khác vật liệu pha tạp khác (Hình 3.10) Thời gian (ns) Hình 3.10: Thời gian sống huỳnh quang DCM pha tạp loại GNPs khác dung dịch Trong đó, thời gian sống huỳnh quang DCM PMMA với nồng độ GNPs khác (từ tới 33 l dung dịch GNP 1x1011 hạt/ml) trình bày Hình 3.11 Tính chất phát quang phân tử DCM tự 1096,63316 phát, khả chuyển dời giản đồ lượng không bị biến đổi Do đó, vật liệu rắn chứa LnI (đ.v.t.y) từ mức lượng cao 148,41316 54,59815 20,08554 7,38906 2,71828 DCM pha tạp GNPs dạng dung dịch 10 15 20 Thời gian (ns) sử dụng làm môi trường hoạt chất laser tồn 10 GNP 0,6x10 hat/ml 10 GNP 0,9x10 hat/ml 10 GNP 1,5x10 hat/ml 10 GNP 3,3x10 hat/ml 403,42879 Hình 3.11: Thời gian sống huỳnh quang DCM/GNPs/PMMA 13 3.2 Sự ảnh hưởng hiệu ứng biến đổi nhiệt GNPs lên phân tử DCM 3.2.1 Sự biến đổi nhiệt hiệu ứng plasmon GNPs Hiệu ứng chuyển đổi nhiệt hạt GNPs với môi trường xung quanh mơ lý thuyết Mie Mơ hình lý thuyết áp dụng để giải thích kết thực nghiệm ghi nhận sử dụng hạt GNPs đường kính d ~ 16 nm pha tạp môi trường laser màu rắn DCM 3.2.2 Sự suy giảm huỳnh quang DCM/GNPs/PMMA Hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ mơi trường hoạt chất DFDL Hình 3.13 biểu diễn mức độ suy giảm cường độ huỳnh quang tích phân theo thời gian môi trường hoạt chất laser DCM/GNPs/PMMA kích thích hòa Cường độ huỳnh quang (d.v.t.y) ba bậc hai laser Nd:YAG 6000 -3 1x10 mol/l DCM 10 DCM/2x10 GNPs (TP) DCM/2x10 GNPs (T4C) 10 4000 2000 0 1000 Số xung 2000 (x102) Hình 3.13: Sự suy giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian môi trường hoạt chất DCM/GNPs/PMMA nhiệt độ phòng làm lạnh 14 3.2.3 Sự suy giảm cường độ xạ laser màu Độ ổn định DFDL mô tả Hình 3.15 nhiệt độ phòng nhiệt độ 4oC Tại nhiệt độ phòng, suy giảm cường độ laser tương tự suy giảm huỳnh quang Khi môi trường laser nhiệt độ ± 1°C, cường độ laser ổn định thời gian dài Cường độ laser (đ.v.t.y) o at C room temp 9000 6000 3000 0 500 1000 Số xung 1500 2000 2500 (x102) Hình 3.15: Sự suy giảm cường độ laser DFDL (532 nm, 140J, 5,6 ns, 10Hz) CHƯƠNG LASER MÀU PHẢN HỒI PHÂN BỐ (DFDL) SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT MÀU RẮN PHA TẠP NANO VÀNG - Nghiên cứu thiết lập mơ hình lí thuyết cho laser màu rắn DFDL sử dụng DCM/GNPs/PMMA Lập chương trình ngơn ngữ Matlab để mơ q trình động học DFDL - Bằng công cụ phần mềm, nghiên cứu ảnh hưởng thông số laser lên tính chất chùm tia laser nhằm thu thơng số hoạt động tối ưu DFDL 15 - Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng số thông số laser màu rắn DFDL lên tính chất chùm tia laser - Các kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhằm định hướng cho việc xây dựng thiết bị laser DFDL đưa vào ứng dụng thực tiễn 4.1 Nghiên cứu lý thuyết laser màu rắn DFDL 4.1.1 Hệ phương trình tốc độ hai thành phần Giả thiết hoạt động laser màu biểu diễn hai mức lượng rộng (tương ứng hệ laser bốn mức lượng) (Hình 4.1) S1 GNP p e 00 GNP S0 Hình 4.1: Sơ đồ mức lượng hoạt động laser pha tạp GNPs Để mô tả chuyển mức lượng hệ chất màu lai tạp hạt nano vàng, hệ phương trình tốc độ bao gồm hệ phương trình mơ tả trình động học phát xạ laser DFDL với yếu tố dập tắt nội tại: 𝑑𝑛𝐴𝑢 𝑑𝑡 = (𝐼𝑝 𝜎𝑝𝐴𝑢 + 𝜎𝑎𝐴𝑢 𝑐𝐼𝑎𝑖 (𝑡))(𝑛0𝐴𝑢 − 𝑛𝐴𝑢 (𝑡)) − 𝑛𝐴𝑢 (𝑡) −𝑛𝐴𝑢 [∑𝑘𝑖=1 𝜎𝑎𝑖𝐴𝑢 𝐸𝑖 (𝑡)], 𝜏𝐴𝑢 𝑑𝐸𝑖 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝜎𝑠𝐴𝑢 𝑐 𝑛𝑎𝑢 (𝑡)𝐸𝑖 (𝑡) 𝜂 − (4.1) 𝐸𝑖 (𝑡) , 𝜏𝐴𝑢 16 (4.2) 𝑑𝑛𝑎 𝑑𝑡 = 𝐼𝑝 (𝑡)𝜎𝑝𝑎 [𝑁𝑎 − 𝑛𝑎 (𝑡)] + 𝐾𝑠 𝜎𝑎𝐴𝑢𝑎 𝑛𝐴𝑢 𝑐𝐸𝑖 𝜂 − 𝜎𝑒𝑎 𝑐𝑛𝑎 (𝑡)𝐼𝑎 (𝑡) − 𝜂 𝑛𝑎 (𝑡) 𝜎 𝑐[𝑁 −𝑛 (𝑡)]𝐼 (𝑡) + 𝑎𝑎𝑙 𝑎 𝑎 𝑎 , 𝜏𝑎 𝜂 𝑑𝐼𝑎𝑖 (𝑡) 𝑑𝑡 = (𝜎𝑒𝑎𝑖 −𝜎𝑎𝑎𝑖 )𝑐 𝜂 (4.3) 𝑛𝑎 (𝑡)𝐼𝑎𝑖 (𝑡) − 𝐼𝑎𝑖 (𝑡) Ω𝑛 (𝑡) 𝐾 𝜎 𝑐𝐼 (𝑡) + 𝜏𝑎 − 𝐹 𝑎𝐴𝑢𝜂 𝑎𝑖 , 𝜏𝑐 (𝑡) 𝑎 (4.4) n0Au, na mật độ phân tử GNP DCM 1cm ; nAu(t), na(t) mật độ trung bình tức thời GNPs DCM mức lượng 1cm3; τc - thời gian sống photon BCH tương đương, cho biểu thức sau: 𝜏𝑐 = 𝜂𝐿3 [𝑛𝑎𝑖 (𝑡)𝜎𝑒𝑎𝑖 𝑉]2 8𝑐 𝜋2 𝜂𝐿3 𝜋 = 2𝑐 𝜋2 [(𝜆 ∆𝜂(𝑡)) + ( 𝑛𝑡ℎ = 𝜎 𝑖 𝑒𝑎𝑖 𝛾𝑖 (𝑡) ) ] (4.5) 𝜋 ( ) 𝐿 𝑉 (4.6) Phương trình (4.1) mơ tả tốc độ biến đổi GNPs trạng thái kích thích lượng bơm lượng xạ laser phân tử DCM Sự thay đổi lượng plasmon bề mặt cộng hưởng GNPs phương trình (4.2) Sự truyền lượng từ/tới phân tử chất màu DCM mơ tả phương trình (4.3) với KF Ks hệ số truyền lượng Nó dương lượng truyền từ GNPs tới phân tử chất màu âm theo hướng ngược lại Tốc độ thay đổi mật độ photon BCH phương trình (4.4) 4.1.2 Ảnh hưởng tốc độ bơm Tại mức bơm xấp xỉ ngưỡng ta thu đơn xung Khi tăng dần tốc độ bơm r/rth theo từ 1,5 đến lần ngưỡng phát độ rộng xung hẹp dần xuất xung thứ cấp thứ hồi phục độ tích lũy mức (Hình 4.2) 17 Hình 4.2: Tiến trình phổ DFDL thay đổi tốc độ bơm 4.1.3 Ảnh hưởng nồng độ GNPs Khi nồng độ GNPs tăng lên, tương tác truyền lượng từ phân tử DCM đến GNPs tăng lên làm dập tắt xạ thứ cấp chuỗi xung laser dao động hồi phục tích lũy mức laser (Hình 4.3) Hình 4.3: Tiến trình phổ xạ laser thay đổi nồng độ GNPs mức bơm cao ngưỡng lần 18 4.2 Laser màu phản hồi phân bố điều chỉnh bước sóng (DFDL) 4.2.1 Cấu hình DFDL thực nghiệm Bơm khuếch đại cơng suất Nd:YAG laser 532 nm, 10 Hz, 5.6 ns Bơm khuếch đại M6 160 J BS L2 M CM M L4 M5 M1 L3 M M M7 M C2 M1 M M2 M2 M M C3 M 560 – 610 nm 12 ps, mJ M M5 M3 DC M4 Hình 4.8: Sơ đồ hệ laser màu phản hồi phân bố bao gồm: khối dao động, khối khuếch đại lần truyền khuếch đại công suất 4.2.2 Cấu hình điều chỉnh bước sóng Bộ điều khiển bước sóng gồm hệ điện tử ghép nối với máy tính để điều khiển mô-tơ bước qua hệ dẫn truyền quay gương điều chỉnh cho việc lựa chọn bước sóng Tín hiệu điều khiển hoạt động motor kiểm soát từ phần mềm máy tính 4.2.3 Một số kết đo thực nghiệm 4.2.3.1 Độ rộng xung Khảo sát ảnh hưởng nồng độ pha tạp GNPs môi trường laser lên độ rộng xung laser (Hình 4.10) Ta thấy xuất đỉnh sắc nét hai đỉnh mờ vết tín hiệu tự tương quan xung laser mơi trường kích hoạt laser khơng có GNP nồng độ GNP thấp Điều cho thấy có chồng chập xung thứ cấp vết đo tự tương quan Khi tăng dần nồng độ hạt nano 19 vàng đến 2,5×1010 hạt/mL ta thấy xung hẹp xung dao động thứ cấp dập tắt Cuối thu đơn xung với nồng độ 2,5×1010 hạt/mL a) Cường độ (chuẩn hóa) 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0 b) 1.0 30 60 30 60 30 60 1.0 1.0 c) d) 0.5 0.5 0.0 0.0 30 60 Thời gian trễ (ps) Hình 4.10: Vết tự tương quan cường độ xung laser: a) nồng độ GNPs 2,5×109 hạt/cm3; b) 5×109 hạt/cm3; c) 1×1010 hạt/cm3; d) 2,5×1010 hạt/cm3 4.2.3.2 Khảo sát biến thiên cường độ laser theo nồng độ GNPs Cường độ đỉnh xạ laser thay đổi theo nồng độ GNPs mơi trường hoạt chất DCM/PMMA biểu diễn Hình 4.12 Khi nồng độ GNPs tăng cường độ cực đại xạ laser tăng nhẹ nồng độ 5×109 hạt/cm3 Khi tăng nồng độ GNPs cường độ laser giảm dần 20 1.0 0.4 0.2 0.0 Cường độ (đ.v.t.y) 2x10 5x10 10 1x10 10 1.5x10 10 2x10 Cường độ (a.u) (a.u) laser (đ.v.t.y) đỉnh laser độđỉnh Cườngđộ Cường 0.6 600 620 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.00E+000 640 Bước sóng (nm) 1.00E+010 2.00E+010 Nồng độ GNPs (hạt/ml) Bước sóng (nm) Nồng độ GNPs (hạt/mL) Hình 4.12: Cường độ đỉnh xạ laser DCM bước sóng 626 nm thay đổi nồng độ GNPs 4.2.3.3 Khoảng điều chỉnh bước sóng Khoảng điều chỉnh laser DCM gần không thay đổi (590– 620 nm) nồng độ pha tạp GNPs khoảng 2.5 × 109 - 2.5 × 1010 hạt/cm3 (Hình 4.13) 1: GNPs 2: GNPs 3: GNPs 4: GNPs Intensity Normalized hóa độ chuẩn Cường 1,0 2,5x109 hạt/mL 5x109 hạt/mL 1x1010 hạt/mL 2,5x1010 hạt/mL 0,5 0,0 570 580 590 600 610 620 630 640 Wavelength (nm) Bước sóng (nm) Hình 4.13: Dải điều chỉnh bước sóng laser sử dụng phân tử màu DCM pha tạp GNPs 21 KẾT LUẬN Luận án “Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn” trình bày số kết nghiên cứu lĩnh vực phát triển môi trường hoạt chất laser màu lai nano vàng dạng cầu polymer PMMA nghiên cứu trình động học thời gian – phổ laser phản hồi phân bố sử dụng môi trường chế tạo Các kết luận án là: 1.1 Xây dựng quy trình chế tạo thành cơng môi trường hoạt chất laser màu pha nano vàng dạng cầu polymer PMMA Các kết khảo sát cho thấy để hạt nano vàng đạt đơn phân tán môi trường PMMA cần phải tách nano vàng khỏi môi trường nước phân tán dung dịch MMA có nồng độ DCM cần nghiên cứu Các mẫu chế tạo có độ đồng quang học cao hạn chế phá hủy tâm màu DCM 1.2 Khảo sát thu tính chất quang học quan trọng môi trường hoạt chất laser màu chế tạo Cụ thể, cường độ huỳnh quang phổ hấp thụ phân tử DCM PMMA có pha tạp GNPs giảm tăng nồng độ GNPs thời gian sống huỳnh quang phân tử DCM không thay đổi Đặc biệt, tăng cường huỳnh quang quan sát thấy bước sóng kích thích gần đỉnh phổ hấp thụ phân tử DCM (khoảng 470 nm) xa đỉnh phổ hấp thụ plasmon GNPs (530nm) 1.3 Khảo sát cho thấy độ ổn định laser DFDL sử dụng môi trường hoạt chất DCM/GNPs/PMMA cải thiện hệ số dẫn nhiệt cao GNPs kết hợp với cấu kiểm soát nhiệt pin Peltier 1.4 Xây dựng mơ hình tính tốn cho q trình động học phổ môi trường lai DCM/GNPs môi trường rắn (độ linh động kém) 22 Quá trình truyền lượng hai chiều hai thành phần mơ hình lý thuyết trình truyền lượng môi trường hoạt chất DCM/GNPs 1.5 Các đơn xung laser picơ-giây ghi nhận tốc độ bơm cao ngưỡng cấu hình DFDL với mơi trường hoạt chất DCM/PMMA/GNPs Các xung thứ cấp bị dập tắt trình truyền lượng từ phân tử DCM đến GNPs xung không bị tác động 1.6 Thu kết thực nghiệm sử dụng cấu hình DFDL gần với kết tính tốn Cụ thể, độ rộng xung laser (122) ps đo kỹ thuật tự tương quan cường độ độ dài thể tích hoạt động 0,5 cm Khoảng điều chỉnh bước sóng laser DFDL không bị thay đổi môi trường hoạt chất DCM/PMMA/GNPs 1.7 Thử nghiệm thành công hệ laser DFDL sử dụng mơi trường hoạt chất DCM/GNPs/PMMA có khả điều chỉnh liên tục bước sóng điều khiển phần mềm sử dụng ngôn ngữ Labview Các kết thực nghiệm cho thấy hệ hoạt động ổn định, có độ lặp lại cao đảm bảo tin cậy 23 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Kết luận án công bố trong: + 03 báo SCI: N.T.M AN, N.T.H LIEN, N.D HOANG, and D.Q HOA, “Improving the performance of gold-nanoparticle-doped solid-state dye laser using thermal conversion effect”, Journal of Electronic Materials 47, pp 2237–2240 (2018) SCI Q2 N.T.M An, N.T.H Lien, N.T Nghia, and D.Q Hoa, “Spectral evolution of distributed feedback laser of gold nanoparticles doped solid-state dye laser medium”, Jourrnal of Applied Physics 122, pp 133110 (2017) SCI Q2 D Q Hoa, N T H Lien, V T T Duong, V Duong & N T M An, “Optical features of spherical gold nanoparticle-doped solidstate dye laser medium”, Journal of Electronic Materials 45, pp 24842489 (2016) SCI Q2 + báo quốc gia uy tín, Nghiem Thi Ha Lien, Do Thi Hue, Nguyen Thi My An, Do Quang Hoa, Nguyen Trong Nghia, Tran Hong Nhung, “Biofunctionalization of gold nanoshells monitored by surphase plasmon resonance”, Vietnam Journal of Science and Technology 56, pp 604-611 (2018) Nguyen Thi My An, Nghiem Thi Ha Lien, Vu Duong, Nguyen Thanh Thuy, Do Quang Hoa, “A short pulse, narrow band distributed feedback dye laser using nanoparticle-doped dye solution active medium”, Communications in Physics 24, pp.24-28 (2014) + Và 07 kỷ yếu hội nghị khoa học ... bước sóng laser sử dụng phân tử màu DCM pha tạp GNPs 21 KẾT LUẬN Luận án Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn trình... nghiệm hệ laser màu xung ngắn sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU, CHẤT MÀU HUỲNH QUANG HỮU CƠ, HẠT NANO VÀNG 1.1 Laser màu Laser màu hữu laser sử dụng phân. .. sát tính chất quang học môi trường chất màu laser pha tạp nano vàng - Xây dựng mơ hình tính tốn động học tiến trình phát xạ laser xung phản hồi phân bố sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp - Thử