Tìm hiểu khả năng thay đổi bước sóng và nâng cao độ đơn sắc của laser màu xung

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====oOo==== BÙI HỒNG ANH TÌM HIỂU KHẢ NĂNG THAY ĐỔI BƯỚC SÓNG VÀ NÂNG CAO ĐỘ ĐƠN SẮC CỦA LASER MÀU XUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60. 44. 01. 09 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đoàn Hoài Sơn VINH - 2012 LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đoàn Hoài Sơn. Nhân dịp này, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy trong suốt hai năm qua của trường Đại học Vinh và trường Đại học Sài Gòn. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Đoàn Hoài Sơn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đầy trách nhiệm trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này. Tác giả cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu trường nơi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân và bạn bè, đã quan tâm, động viên giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Sài gòn, tháng 9 năm 2012 Tác giả Bùi Hồng Anh 2 DANH MC CC K HIU c: Vận tốc ánh sáng : Bớc sóng T i : Trạng thái bội ba (triplet) S i : Trạng thái điện tử đơn N 0 : Độ tích luỹ ở trạng thái cơ bản N I : Độ tích luỹ ở trạng thái kích thích E 0 : Năng lợng ở trạng thái cơ bản E I : Năng lợng ở trạng thái kích thích i : Thời gian sống ở mức i của nguyên tử ph : Thời gian bức xạ lân quang từ trạng thái triplet xuống trạng thái cơ bản F : Thời gian tắt dần bức xạ huỳnh quang L: Chiều dài buồng cộng hởng R: Hệ số phản xạ gơng l: Chiều dài môi trờng hoạt chất w 0 : Đờng kính của tiết diện chùm sáng w : Đờng kính chùm nhiễu xạ a: Hằng số cách tử : Góc tới o : Góc tới ca tia trung tõm : Góc nhiễu xạ m: Bậc nhiễu xạ N: Tổng số vạch của cách tử 3 DANH MC CC HèNH V Hình 1.1 Cấu trúc hoá học của Rhodamine 6G. 4 Hình 1.2 . Cấu trúc các mức năng lợng và các chuyển dời quang học của phân tử màu . 4 Hỡnh 1.3. S laser mu vi hai mc nng lng rng. 6 Hình 1.4.: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất mầu Rh6G / ethanol 7 Hình 1.5 : Cỏc s bm cho laser mu 8 Hỡnh 1.6. Ph phỏt quang ca mt s cht mu laser 10 Hình 1.7. Cu hỡnh bung cng hng lng kinh 12 Hỡnh 1.8. Khỳc x ỏnh sỏng qua lng kớnh 12 Hỡnh 1.9. Cu hỡnh bung cng hng cỏch t Littrow 13 Hỡnh 1.10. Mụ phng mt cỏch t v quang l tia sỏng 13 Hỡnh 1.11. Cu hỡnh bung cng hng lc la bc súng 16. Hỡnh 1.12. Bung cng hng cha lc la bc súng 17 Hình 2.1. Độ giãn chùm của cách tử góc là . 22 Hình 2.2. Buồng cộng hởng laser màu sử dụng cách tử góc là . 25 Hớnh 2.3. Cu trỳc tng th ca h laser . 28 Hỡnh 2.4. Bung cng hng cỏch t 29 Hỡnh 2.5. Cỏch t Hologram v h thng c khớ iu chnh 30 Hỡnh 2.6. Gng iu chnh 31 Hỡnh 2.7. Cu-vet mu . 32 Hỡnh 2.8. Gng ra v giỏ iu chnh gng 32 Hình 2.9. Sơ đồ hệ laser màu cách tử góc là và với bộ tiền khuyếch đại 34 Hỡnh 2.10. S thit b o rng vch ph . 35 Hình 2.11. H vân giao thoa thu đợc trong thực nghiệm với Fabry-Perot tại bớc sóng laser 576 nm 35 4 MỤC LỤC Mở đầu……………………………………………………………………. 1 Chương 1. Tổng quan về laser màu……………………………………… 3 1.1. Hoạt chất laser màu……………………………………………… . 3 1.2. Các phương pháp điều chỉnh bước sóng bức xạ laser màu 9 1.3. Kết luận chương 1 . 18 Chương 2. Hệ laser màu xung đơn sắc cao, điều chỉnh liên tục bước sóng . 19 2.1. Sự chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng . 19 2.2. Nguyên tắc tạo bức xạ đơn sắc trong buồng cộng hưởng . 20 2.3. Cách tử nhiễu xạ . 21 2.4. Cách tử góc là . 22 2.5. Buồng cộng hưởng laser sử dụng cách tử góc là . 25 2.6. Cấu hình thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc là………………………………………………………… 28 2.7. Hoạt động của hệ laser màu băng hẹp cách tử góc là………………. 33 2.8. Khảo sát độ rộng phổ bức xạ laser cách tử góc là………………… 34 2.9. Kết luận chương 2………………………………………………… 36 Kết luận chung………………………………………………………… 37 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 38 5 MỞ ĐẦU Laser là một trong những phát minh lớn của thế kỉ XX. Hơn 50 năm qua kể từ khi laser Ruby đầu tiên ra đời do Maiman chế tạo (1960) công nghệ laser đã phát triển như vũ bảo không những trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mà cả trong ứng dụng thực tiển. Nó có ảnh hưởng to lớn và trực tiếp đến nhiều lĩnh vực khác nhau trong khoa học công nghệ và cuộc sống. Laser sử dụng vật liệu màu hữu cơ gọi là laser màu là một loại “máy khuếch đại lượng tử ánh sáng” mà môi trường hoạt chất là các vật liệu màu hữu cơ pha trong dung môi hay nền rắn thích hợp. Laser màu có thể hoạt động tại bất kì bước sóng nào, từ vùng tử ngoại gấn 311nm đến vùng hồng ngoại gần 1300nm, ở chế độ băng rộng hoặc chế độ băng hẹp và có thể phát bức xạ đơn sắc (10 -4 A 0 ). Sự ra đời của laser màu đã đánh dấu một bước ngoặc vô cùng quan trọng trong nghiên cứu và phân tích quang - quang phổ hiện đại. Có thể nói, laser màu là một công cụ nghiên cứu mơ ước trong lĩnh vực quang phổ. Với các khả năng phát bức xạ có tính kết hợp cao về không gian và thời gian; mật độ công suất lớn và nhất là khả năng điều biến trong một khoảng phổ rộng cùng với khả năng điều chỉnh tinh tế bước sóng, laser màu trở thành một nguồn sáng lí tưởng thay thế các nguồn sáng quang phổ thông thường khác (như đèn Halogen, đèn Xenon…) Laser màu có thể hoạt động ở hai chế độ liên tục và dạng phát xung (xung ngắn, xung cực ngắn) với công suất cao. Mặc dù, với kiểu hoạt động liên tục bức xạ laser ổn định và đạt được độ đơn sắc cao ( Dn < 10MHz). Tuy nhiên, trong những nghiên cứu yêu cầu nguồn laser có công suất đỉnh và công suất lớn để thực hiện các phân tích quang phổ phi tuyến hay để thực hiện các dịch chuyển cảm ứng giữa các trạng thái kết hợp tương tác trường mạnh, nguồn kích thích phải là các nguồn laser màu phát xung. Laser xung ngắn và điều chỉnh liên tục bước sóng đang được chú ý nghiên cứu và phát triển vì đó là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu Khoa học và Công nghệ. Ngày nay, các phương pháp nghiên cứu và phân tích hóa học mới, dựa trên các nguồn laser (phương pháp điều khiển kết hơp - control coherent) chỉ ra rằng, các laser xung đặc chủng có thể điều khiển các chế độ động học của hệ nguyên tử. Các phép phân tích hóa học này thực hiện theo cơ chế giao thoa lượng tử (quantum interference), hệ lượng tử 6 phải được áp đặt bởi một trường bức xạ có tính kết hợp cao. Do đó, ngoài yêu cầu về độ đơn sắc cao, laser trong các ứng dung này phải phải hoạt động ở chế độ đơn mode. Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, việc sử dụng các tổ hợp cách tử, gương, lăng kính, thấu kính, giao thoa kế nhiều cấu hính laser khác nhau đã được các nhà khoa học nghiên cứu để nâng cao hiệu suất laser và đạt được độ đơn sắc cao nhất phục vụ cho những nghiên cứu và ứng dụng khác nhau. Trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao hoạt động ở chế độ đơn mode, có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng với yếu tố tán sắc là cách tử hoạt động ở chế độ góc là (cách tử được chiếu ở một góc tới ~ 90 0 ) kết hợp với gương điều chỉnh, không sử dụng yếu tố giãn chùm nào trong buồng cộng hưởng. Nội dung của luận văn “Tìm hiểu khả năng thay đổi bước sóng và nâng cao độ đơn sắc của laser màu xung ” gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về laser màu. Phần này trình bày một số nét về cấu trúc hóa học, quang phổ, cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học của chất màu. Bơm quang học cho laser màu và một số phương pháp điều chỉnh bước sóng bức xạ laser màu. Chương 2: Nghiên cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc là điều chỉnh liên tục bước sóng. Trình bày một số nghiên cứu lý thuyết và tính toán về cách tử, phần tử chính quyết định độ đơn sắc của bức xạ laser, buồng cộng hưởng laser sử dụng cánh tử làm việc ở chế độ góc là. Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc là. 7 Chng 1 TNG QUANG V LASER MU Cũng nh các loại laser khác, laser màu cũng gồm ba bộ phận chính: môi trờng khuếch đại (hoạt chất), buồng cộng hởng quang học và nguồn bơm. + Hoạt chất dùng trong laser màu là các chất màu laser hoà tan trong các dung môi thích hợp với nồng độ thờng từ 10 -3 đến 10 -5 M/L. + Buồng cộng hởng quang học gồm hai gơng quang hc cú h s phn x nht nh t i din vi nhau và các phần tử quang học cho lọc lựa bớc sóng . + Laser màu thng đợc bơm quang học bằng các nguồn sáng liên tục hay xung từ các đèn flash hay các laser thích hợp nh laser Ar, laser Nitơ, laser excimer, các hoà ba của Nd -YAG, ruby, laser diode . 1.1. Hot cht laser mu 1.1.1. Cht mu Chất mu bao gồm các phân tử hữu cơ đa nguyên tử (khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối liên kết liên hợp (liên kết đơn và kép) hấp thụ mạnh các bức xạ từ vùng tử ngoại đến vùng khả kiến. Mỗi một màu (một loại bột) có phổ huỳnh quang nằm trong vùng màu đó, nên laser với hoạt chất này gọi là laser màu (Dye Laser). Cấu trúc hoá học của các chất màu đợc đặc trng bởi sự tổ hợp cuả vòng Benzen (C 6 H 6 ), Pridin (C 5 H 5 N), Azin (C 4 H 4 N 2 ) hay vòng Piron (C 4 H 5 N). Các vòng này có thể nối tiếp với nhau hoặc có thể qua một nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm Polien (CH=CH) n hoc qua mt s nguyờn t trung hũa C, N. Cỏc cht mu hu c cú hiu sut phỏt quang rt cao v c nghiờn cu dựng lm mụi trng hot tớnh laser. Ngi ta phõn cỏc phõn t mu thnh nhiu nhúm húa cht khỏc nhau nh: Comarin, Xanthen, Oxazin, Polymethin v mt s cht hu c phỏt quang mnh nh Polyphenyl, Furace, v.v 8 Để trở thành hoạt chất của laser màu, các chất màu này đợc hoà tan trong một số dung môi (Etanol, Glicerin, Metanol, Nớc, v.v ) và sự liên kết giữa các phân tử chất màu với dung môi đã tạo nên sự mở rộng các mức dao động và mức quay. Đây chính là u điểm các hoạt chất màu để có thể tạo ra laser bớc sóng thay đổi. 1.1.2. Cu trỳc nng lng v cỏc dch chuyn quang hc 9 S 1 Singlet Triplet nr ps IR ns T 2 T 1 Huỳnh quang F ns S 2 S2 S 0 Lân quang ph às Hp th Bc x Hình 1.2. Cấu trúc các mức năng lượng và các chuyển dời quang học của phân tử màu. S 0,1,2 - trng thỏi n; T 0,1,2 - trng thỏi Triplet; nr , F , ph thi gian tớch thoỏt ca cỏc trng thỏi. Hình 1.1 Cấu trúc hoá học của Rhodamine 6G O COOC 2 H 5 CH 3 CH 3 (NHC 2 H 5 )Cl - C 2 H 5 HN Cu trỳc mc nng lng ca phõn t cht mu rt phc tp, bao gm nhiu nguyờn t c c trng bi nhiu trng thỏi lng t nh: trng thỏi in t, trng thỏi dao ng v trng thỏi quay. Do ú, vic mụ t trng thỏi ca phõn t mu ch mang tớnh gn ỳng theo mt mụ hỡnh n gin nh hỡnh 1.2. Trong cỏc ú mi tờn lin nột biu th cỏc chuyn di quang hc, cỏc mi tờn khụng lin nột biu th cỏc chuyn di khụng bc x. Mi trng thỏi in t ca phõn t bao gm nhiu mc dao ng v rt nhiu mc quay chng cht nhau, do vy to ra cỏc vựng nng lng. Bình thờng khoảng cách giữa các mức dao động 1400 ữ1700 cm -1 , còn các mức quay cỡ hai bậc nhỏ hơn. Ta ch quan tâm đến phổ giữa các mức dao động bởi vì trong chất lỏng cơ chế gây ra sự làm hẹp vạch mạnh hơn trong chất khí nên các mức quay trong chất lỏng không đề cập tới. Ta gọi S 0 là trạng thái cơ bản, S i và T i (i =1, 2) là các trạng thái điện tử kích thích của hệ đơn (Singlet) và bội ba (Triplet). nhit phũng cỏc phõn t mu luụn trng thỏi dao ng c bn S 00 theo phõn b Boltzmann. Khi nhn c nng lng bm (kớch thớch) cỏc phõn t mu chuyn t trng thỏi in t c bn S 0 lờn cỏc trng thỏi in t kớch thớch S 1 , S 2 . Do xỏc sut dch chuyn S 0 - S 1 ln nờn sau khi kớch thớch quang hc, cỏc phõn t ch yu dch chuyn lờn trng thỏi S 1 , c th l dch chuyn lờn cỏc mc dao ng S 1i kớch thớch. Quỏ trỡnh ny tng ng vi s to thnh ph hp th bng rng ca phõn t mu. Sau ú mt khong thi gian ngn nguyờn t tớch thoỏt khụng bc x vi thi gian khong 10 -12 s xung mc dao ng thp nht ca trng thỏi S 10 l trng thỏi kớch thớch n cú thi gian sng 1ữ10ns. Từ mức này phân tử có thể chuyển dời xuống các mức dao động S 0i nào đó của trạng thái điện tử S 0 và kèm theo sự bức xạ ánh sáng (huỳnh quang). Đây là quá trình phát laser mà ta quan tâm. Qua ú ta thy, vựng ph ca laser mu ch cú th nm trong vựng ph hunh quang ca phõn t mu. Ngoi cỏc chuyn di trờn, trong phõn t mu cũn hu c cũn tn ti cỏc chuyn di khỏc nh: chuyn di S 1 - S 2 do cỏc in t mc kớch thớch S 1 tip tc nhn c nng lng kớch thớch thớch hp v chuyn lờn mc nng lng kớch thớch S 2 ; chuyn di khụng bc x t S 1 - T 1 do s va chm gia hai phõn t và đợc gọi là quá trình dịch chuyển tổ hợp S -T với xác xuất K ST . Tơng tự, do va chạm có s dịch chuyển từ mức T 1 về mức S 0 . Dịch chuyển này gọi là dịch chuyển lân quang. õy l cỏc chuyn di gõy mt mỏt nng lng vỡ chỳng cnh tranh nng lng ca kờnh chuyn di laser S 1 - S 0 . 10