Ảnh hưởng của quan hệ giữa hấp thụ một photon và hấp thụ hai photon trong hoạt động của laser màu bơm 2 photon

TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON mở đầu Trong công nghệ laser hiện nay, laser màu nói chung và laser màu bơm hai photon nói riêng đang đợc các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu mạnh mẽ. Laser màu là laser dùng hoạt chất là các chất màu hữu cơ, ngoài các đặc tính của một nguồn sáng laser thông thờng nh tính đơn sắc, tính kết hợp, tính định h- ớng và mật độ phổ năng lợng cao, nó còn là một nguồn sáng laser thay đổi đợc liên tục bớc sóng trong một vùng phổ rộng với độ tinh chỉnh cao. Ngay từ khi ra đời đầu tiên năm 1966, laser màu đã đợc a chuộng ngay và thu hút đợc sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhà khoa học và nhiều ngành khoc học, dẫn đến cho ra đời nhiều loại laser màu khác nhau hoạt động trên những chế độ đặc biệt, mau chóng chiếm u thế trong nhiều lĩnh vực. Hệ phơng trình động học cho laser màu đã đợc xây dựng thành công dựa vao lý thuyết cổ điển, bán cổ diển và lợng tử. Từ đó ảnh hởng của các thông số cơ bản của hoạt chất, buồng cộng hởng, nguồn bơm lên hoạt động của laser màu đã đợc khảo sát [1],[2], [3]. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã giúp các nhà vật lý thực nghiệm xây dựng thành công nhiều loại laser màu khác nhau hoạt động trên hàng trăm chất màu hữu cơ khác nhau tạo nên sự đa dạng rộng của phổ laser cả ở các chế độ xung và liên tục. Chẳng hạn với laser màu sử dụng buồng cộng hởng lọc lựa, bức xạ phát ra có thể thay đổi đợc bớc sóng trong nhiều vùng khác nhau, trải trong một vùng rộng với độ đơn sắc cao (10 -4 A 0 ) [4], [5]. Do phổ khuyếch đại của laser màu rộng, mỗi chất màu cho phép phát laser trên băng rộng đến 200-300A 0 , hơn nữa lại có hành trăm chất màu có khả năng phát laser nên họ laser màu có thể phát ở bất kỳ bớc sóng nào giữa 320nm đến 1200nm. Chất màu giá rẻ lại dễ kiếm nên laser màu dễ chế tạo, giá thành thấp lại có công dụng rộng rãi nên đợc a chuộng đặc biệt. Đặc trng cơ bản của laser màu là có đợc sự mở rộng đồng nhất của các mức laser nên khi thu hẹp độ rộng băng phát thì mật độ phổ năng lợng tăng lên rất nhiều, vì hầu nh toàn bộ năng lợng của băng rộng tập trung vào một băng phổ hẹp. Nhờ tính chất điều chỉnh liên tục đợc bớc sóng và độ đơn sắc cao nên laser màu có ứng dụng lí tởng cho kích thích lọc lựa và nghiên cứu cấu trúc vi mô, cấu trúc 8 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON siêu tinh tế nguyên tử, phân tử. Nó là nguồn sáng lý tởng cho quang phổ hấp thụ nguyên tử và quang phổ huỳnh quang nguyên tử, những nghiên cứu này có thể thực hiện bên trong hoặc bên ngoài buồng cộng hởng laser. Do miền phát laser rộng của các vật liệu laser màu, và các mức laser mở rộng đồng nhất nên laser màu đặc biệt thích hợp với quang phổ hấp thụ trong buồng cộng hởng . Laser màu xung ngắn nano giây và pico giây là công cụ đắc lực cho quang phổ hấp thụ điện tử điện tử phân giải thời gian. Năng suất phân giải cao nhất đạt đợc là 10 -13 s. Trong phép đo huỳnh quang phân giải thời gian, kích thích nguyên tử bằng laser màu xung nano giây hay dới nano giây cho phép trong quang phổ nguyên tử nghiên cứu tiêu tán năng lợng của trạng thái kích thích, thời gian c trú và thời gian sống kết hợp. Còn trong quang phổ phân tử sẽ nghiên cứu thời gian sống của các phân tử chất màu. Ngoài ra laser màu còn đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh: Tách đồng vị phóng xạ, kích thích đột biến gen, tạo nên những biến đổi sinh hoá trong cấu trúc ADN, kích thích sinh trởng, xúc tác các quá trình quang hoá, quang lý Hầu hết các laser màu đều sử dụng nguồn bơm là các laser hồng ngoại mà phổ hấp thụ của chất màu lại nằm trong vùng cực tím hay nhìn thấy nên trong quá trình bơm phải dùng kỹ thuật quang phi tuyến để tạo hoà âm bậc hai hay bậc ba của tần số laser bơm , kéo theo sự phiền toái về điều kiện hợp pha. Để tránh phiền phức này, năm 1966 lần đầu tiên chiếc laser màu có hoạt chất hấp thụ hai photon ra đời. Laser màu có hoạt chất hấp thụ hai photon ( hay gọi tắt là laser màu bơm hai photon ), là loại laser dùng hoạt chất là hợp chất màu (hầu hết thuộc loại thuốc nhuộm) có khả năng hấp thụ năng lợng của hai photon của ánh sáng chiếu tới, sau đó bức xạ ra photon có bớc sóng dài hơn , thay vì hấp thụ một photon là hoạ hai hay hoạ ba dùng kỹ thuật quang phi tuyến. Tuy nhiên, khi chúng ta đã có laser màu hấp thụ hai photon thì trở ngại mới lại sinh ra khiến ta phải đối mặt với khó khăn mới mang thuộc tính bản chất buộc ta phải chọn hay không chọn cái chất mà ta định chọng làm hoạt chất cho laser màu loại này. Đó là, sau khi hấp thụ hai photon để chuyển lên mức cao (E 4 ), một số nguyên tử chuyển tiếp lên mức cao hơn nữa (E 5 ) thông qua hấp thụ một photon cùng loại, là photon bơm hay là sản 9 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON phẩm của dịch chuyển laser trớc. Kết quả là làm giảm c trú ở mức laser , tiêu hao độ nghịch đảo c trú và nh vậy hiệu suất phát của laser bị kéo tụt xuống. Đã có rất nhiều công trình đề cập đến việc nâng cao công suất phát, trên quan điểm lợng tử, bán lợng tử, quan tâm đến chất màu hấp thụ, mà các thông số cơ bản là xác suất dịch chuyển giữa các mức, phân bố các mức, tiết diện hấp thụ và tán xạ hiệu dụng các thông số buồng cộng h ởng nh hệ số mất mát, hệ số phẩm chất của g- ơng, và không kém quan trọng là các thông số nguồn bơm cờng độ bơm và thơid gian xung bơm Một số đặc tr ng cho chế độ phát không ổn định của laser màu bơm xung pico giây, nano giây theo lý thuyết bán cổ điển, lý thuyết lợng tử cho chế độ không ổn định hay ảnh hởng của hấp thụ một photon và sự cạnh tranh giữa hấp thụ hai photon và hấp thụ một photon . Gần đây nhất , một số công trình đã đề cập và giải quyết những vấn đề nêu trên [6],[7], tuy nhiên các công trình này cha giải quyết đợc trọn vẹn vấn đề ảnh h- ởng của hấp thụ một photon và sự cạnh tranh giữa xác suất hấp thụ hai photon và xác suất hấp thụ một photon . Chính vì vậy mục đích nghiên cứucủa luận văn này là: 1/.Khảo sát bài toán tơng tác giữa trờng laser và hệ nguyên tử cho chế độ ổn định và không ổn định trên cơ sở lý thuyết bán lợng tử. 2/.Khảo sát ảnh hởng của hấp thụ một photon lên hiệu suất phát laser màu. 3/.Xét sự cạnh tranh giữa hấp thụ một photon và hấp thụ hai photon trong quá trình phát laser . Do bản thân mới tiếp xúc với công tác nghiên cứ khoa học, hơn nữa thời gian học tập và nghiên cứu không nhiều, cơ sở vật chất cũng nh tài liệu tham khảo không đủ, hầu hết đợc viết bằng tiếng Anh và tiếng Nga. Vì vậy luận văn đã hoàn thành một khối lợng công việc khá lớn với mục đích nghiên cứu đã đặt ra, nhng không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả hy vọng nội dung luận văn là phần đóng góp nhỏ vào những nghiên cứu khoa học về laser màu-một trong những nghiên cứu đang đợc quan tâm trong sự phát triển chung của công nghệ laser hiện nay. 10 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON CHệễNG I TONG QUAN VE LASER MAỉU VAỉ LASER MAỉU BễM HAI PHOTON I.1. Tổng quan về Laser màu I.1.1 Laser màu Laser có môi trửờng hoạt là dung dịch các phân tửỷ chất màu hữu cơ đửợc gọi là laser màu. Ngoài các đặc tính thông thửờng của một nguồn sáng laser nhử tính định hửớng cao, tính kết hợp không gian, tính kết hợp thới gian và mật độ phổ năng lửợng lớn, chúng còn có một ửu điểm riêng nổi bật khác nữa, là có khả năng điều chỉnh liên tục bửớc sóng trên một vùng phổ rộng từ vùng tửỷ ngoại đến vùng hồng ngoại gần. Những ửu diểm nổi bật đó khiến chúng đửợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và chiếm một ửu thế đặc biệt, nhử nghiên cứu vi cấu trúc vật chất, phân tích quang phổ hấp thụ trong quang phổ học và thiên văn học, điều khiển cơ chế biến đổi cấu trúc ADN trong di truyền học. Hoạt chất của laser màu hầu hết là những chất màu hữu cơ thuộc họ thuốc nhuộm có pha thêm các dung một thích hợp. Đó là môi trửờng hoạt có độ khuyếch đại lớn, độ đồng nhất quang học cao. Những đặc điểm này cho phép laser đạt đửợc hiệu suất biến đổi cao và hoạt động đửợc ở những chế độ rất khác nhau. Do vậy chúng ta có một nguồn sáng có khả năng điều chỉnh liên tục đửợc độ dài bửớc sóng trên một miền phổ rộng. Đó là ửu ủiểm nổi bật của laser màu so với các nguồn laser thông thửờng. Lịch sửỷ phát triển của laser màu đã trải qua nhiều sự kiện quan trọng. Năm 1966, lần đầu tiên ngửời ta phát hieọn ra hiệu ứng laser màu bởi laser Rubi và đèn xung. Năm 1970 lần đầu tiên laser màu hoạt động ở chế độ liên tục đửợc nghiên cứu. Sau nhửng năm 70, sự phát triển của vật lý và công nghệ laser đã 11 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON cho phép thu đửợc những bức xạ laser màu đơn sắc cao, có thể điều chỉnh đửợc liên tục bửớc sóng trên miền phổ rộng từ tửỷ ngoại đến hồng ngoại gần. Giữa những năm 80, bằng kỹ thuật Mode-Locking, laser màu có thể phát đửợc các xung laser màu cực ngắn, cỡ femtô giây [8] . Hieọn nay do sự đa dạng của các kiểu loại laser sửỷ dụng các chất màu khác nhau, miền phát của chúng có thể mở rộng từ 0.2àm đến 1.8àm mà vẫn còn điều hửởng đửợc bửớc sóng. I.1.2 Sơ đồ mức năng lửợng của các phân tửỷ chất màu Lý thuyết về laser màu sẽ trở nên tổng quát và chặt chẽ hơn nếu nhử tính đến cả hấp thụ Triplet [9] vì rằng các hoạt chất của laser màu đặc trửng quan trọng là các mức năng lửợng bội ba đặc trửng cho trạng thái giả bền Triplet. Khi này một mô hình sáu mức năng lửợng đửợc đửa ra tỏ ra đơn giản nhất và thích hợp để mô tả hoạt động của laser màu có tính đến cả mật mát động học (dinamical losse) gây ra do sự ảnh hửởng của trạng thái Triplet nói trên. Tuy nhiên khi mà thoả mãn một điều kieọn nào đó , quá trình hấp thụ Triplet có thể bỏ qua thì mô hình mức năng lửợng mô tả hoạt động của laser màu lúc này chỉ còn bốn mức. Sơ đồ mức năng lửợng đặc trửng cho các phân tửỷ chất màu đửợc trình bày trên sơ đồ hình 1-gồm một hệ đơn (singlet) với độ bội một (spin đối song) và hệ bội ba (Triplet) với độ bội ba (spin song song). Một trạng thái đửợc tạo bởi một loạt các trạng thái dao động (vạch đậm) và các trang thái quay (vạch nhạt). Phân tửỷ khoảng 50 nguyên tửỷ có khoảng 150 dao động liên kết với các dịch chuyển điện tửỷ. Bình thửờng khoảng cách giữa các mức dao động cỡ 1 17001400 ữ cm [15] còn các mức quay cỡ hai lần nhỏ hơn. Vì trong chất lỏng cơ chế gây ra sự làm hẹp vạch mạnh hơn chất khí nên các mức quay trong chất lỏng không đề cập tới mà chỉ quan tâm đến phổ giữa các mức dao động. Ta gọi S 0 là trạng thái cơ bản, 12 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON S i và T i (i=1,2, ) là các trạng thái điện t ửỷ kích thích của hệ đơn và hệ bội ba. Do va chạm , liên kết nội phân tửỷ và tửơng tác tĩnh ủieọn với phân tử lân cận (dung môi) mà vạch dao động đửợc mở rộng, các mức quay thì luôn mở rộng vì chịu tác dụng của va chạm, do vậy chuyển dời giữa các mức điện tửỷ ở nhiệt độ phòng sẽ xuất hiện phổ băng rộng vì năng lửợng dao động trung bình ở nhiệt độ phòng cỡ eVE 125.0 = mà khoảng cách giữa các mức dao động là eVE 125.0 = nên ở nhiệt độ phòng các phân tửỷ, nguyên tửỷ luôn ở trạng thái cơ bản s 00 theo phân bố Bolzmann. ở nhiệt độ cao hơn thì có mức dao động cao hơn dẫn tới mở rộng băng điện tửỷ. [10]. Hình 1 Sơ đồ mức năng lửợng của chất màu. Trong đó iii SSS 210 ; là các trạng thái đơn; 21 ,TT là các trạng thái Triplet; HT-dịch chuyển hấp thụ; BX- dịch chuyển bức xạ; T-T-dịch chuyển Triplet-Triplet; 1 ST K - xác xuất dịch chuyển tổ hợp; T -thời gian tích thoát của trạng thái Triplet [16] Khi kích thích phân tửỷ chất màu chuyển từ trạng thái cơ bản 0 S lên trạng thái kích thích i S 1 ; điều này tửơng ứng với phổ hấp thụ băng rộng của phân tửỷ chất màu. Sau một khoảng thời gian rất ngắn phân tửỷ tích thoát (không bức xạ, cỡ s 12 10 ) xuống mức dao động thấp nhất của trạng thái 10 S là trạng thái đơn có thời gian sống cỡ 1 ns10 ữ . Từ mức 10 S phân tửỷ có thể chuyển xuống các mức dao dộng i S 0 nào đó của trạng thái điện tửỷ 0 S và kèm theo bức xạ ánh sáng 13 20 21 S S TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON huỳnh quang, sau đó hồi phục không bức xạ xuống mức dao dộng thấp nhất 00 S . Chú ý tới nguyên tắc lọc lựa 0 = S ta thấy dịch chuyển Singlet-Triplet bị cấm. Song mỗi phân tửỷ nằm ở trạng thái i S 1 cũng có thể dịch chuyển xuống trạng thái T 1 , quá trình này xảy ra do va chạm gọi là dịch chuyển tổ hợp S-T. Tửơng tự nhử vậy, cũng do va chạm có dịch chuyển từ T 1 dến 0 S và từ 02 ST , đôi khi các dịch chuyển này xảy ra nhử dịch chuyển có bức xạ tạo ra ánh sáng, gọi là lân quang. Nhử vậy hoạt động của laser màu có thể coi là hoạt động của Laser sáu mức: mức 1 là mức 00 S ; mức hai là mức laser dửới i S 0 ; mức ba là mức laser trên 10 S ; mức bốn gồm các mức i S 1 hay cao hơn; mức năm là 1 T ; mức sáu là 2 T . Dịch chuyển S-T có thể bỏ qua khi kích thích bằng xung ngắn nhửng lại đáng kể khi kích thích băng xung dài nhử đèn chớp hoặc laser kênh CW. Những phân tửỷ chất màu trên trạng thái Triplet T 1 không tham gia vào kênh laser mà còn hấp thụ năng lửợng bơm hay hấp thụ bức xạ laser để chuyển lên trạng thái triplet T 2 tửơng ứng với phổ hấp thụ Triplet-Triplet, đó là quá trỡnh bất lợi cho hoạt động của laser. Cấu trúc năng lửợng của dung dịch chất màu trên đây sẽ quyết định tính chất phổ hấp thụ và bức xạ của nó. phổ hấp thụ S-S; T-T và phổ phát xạ đửợc ta khảo sát tổng quát sau đây. I.1.3 Quang phổ của chất màu Các phân tửỷ chất màu hấp thụ những bức xạ quang học nằm giữa vùng phổ từ tửỷ ngoại đến vùng hồng ngoại gần. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của laser là băng rộng ( 00 1000300 AA ) ít cấu trúc và không trùng chập nhau. Phổ huỳnh quang đối xứng với phổ hấp thụ và độ dài bửớc sóng huỳnh quang lớn hơn độ dài bửớc sóng cực đại hấp thụ gần nhất. Hai cực đại này cách nhau bởi dịch chuyển Stock 14 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON Huỳnh quang của chất màu đửợc đặc trửng bởi hai đại lửợng đó là thời gian tắt dần huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang lửợng tửỷ. Nói chung hai đại lửợng này phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ và tạp chất. Hiệu suất huỳnh quang lửợng tửỷ đửợc định nghĩa là tỉ số giữa số photon phát xạ huỳnh quang và số photon hấp thụ trong dung dịch. Đối với các dung dịch màu laser có hiệu suất huỳnh quang lửợng tửỷ khá cao 1 Hình 2: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu Rd 610 s -tiết diện hấp thụ Singlet ; T -Tiết diện hấp thụ Triplet; f E -Hiệu suất huỳnh quang lửợng tửỷ [16] Sự tắt dần huỳnh quang (thời gian tắt dần cỡ khoảng s 9 10.101 ữ ) và hiệu suất huỳnh quang lửợng tửỷ có thể đửợc biểu diễn theo các hằng số hồi phục phân tửỷ nhử sau [15] : ( ) 1 321 ++= KKK và ( ) 1 3211 ++= KKKK (1-1) Trong đó 1 K và 2 K là các hằng số hồi phục phân tửỷ đặc trửng cho các dịch chuyển bức xạ S 1 -S 0 và các biến đổi nội hệ , 3 K là hằng số hồi phục phân tửỷ đặc trửng cho dịch chuyển tổ hợp giữa S 1 -T 1 . Các hằng số này có thứ nguyên nghịch đảo thời gian (s -1 ). 15 2.4 1.6 0.8 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON Tuỳ thuộc cấu trúc phân tửỷ mà các chuyển dời quang học trong chất màu naốm trong khoảng 200-1200 nm ( ứng với dải năng lửợng 6.2 eV-10 eV). Giới hạn phía sóng ngắn là do độ bền quang hoá của phân tửỷ màu ( năng lửợng liên kết phân tửỷ). Giới hạn phía sóng dài phụ thuộc vào độ bền nhiệt của phân tửỷ. Trong vùng phổ hoạt động laser của chất màu, xác suất phát xạ có thể lớn hơn nhiều bậc so với xác suất hấp thụ, điều này cho phép thu đửợc hiệu ứng laser ngay cả khi nghịch đảo mật độ tích lũy giữa trạng thái S 1 và S o chỉ thấp cỡ vài phần trăm [15] . Từ các điểm nói trên, laser màu hoạt động chủ yếu với bửớc sóng huỳnh quang. Ngoài vùng này thì dung dịch tửụng đối trong suốt bởi vì tần số bức xạ thấp hơn tần số hấp thụ. ẹiều này thể hiện ở phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu trên đồ thị hình 2. Tính chất đáng quan tâm nhất của laser màu là có thể thay đổi đửợc bửớc sóng. Nếu dùng buồng cộng hửởng lọc lựa thì bửớc sóng có thể thay đổi trong phạm vi của phổ huỳnh quang. Một ửu điểm thứ hai là hệ số khuyếch đại lớn, tửơng đửơng với laser rắn. Do dịch chuyển Singlet-Triplet nên làm nghèo mật độ mức laser trên (S 1 ) và gây sự hấp thụ Triplet-Triplet. Một điều đáng tiếc là dịch chuyển T-T trùng với bửớc sóng huỳnh quang (xem hình 3). Do ảnh hửởng nên khi thời gian sống của mức Triplet lớn thì laser màu chỉ có thể làm việc khi nguồn bơm xung và thời gian tăng xung ( sửờn trái xung) phải nhỏ hơn một giá trị nào đó phù hợp với các thông số của hoạt chất. Những điều đó càng rõ hơn khi ta nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của laser màu . I.1.4 Nguyên tắc hoạt động của laser màu Hoạt động của laser màu dựa trên một mô hình 6 mức năng lửợng: 16 E 3 E 4 E 2 E 1 a 41 a 23 a 53 a 34 a 56 a 15 a 16 a 12 E 6 E 5 TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON Hình 3- Sơ đồ 6 mức năng lửợng của các hoạt chất laser màu Dựa trên sơ đồ này ngửời ta đã giải thích rất tốt hoạt động của laser màu phù hợp với thực nghiệm , sơ đồ này đợc lấy làm cơ sở cho mọi nghiên cứu kế tiếp. Trong sơ đồ này E 1 ,E 3 ,E 5 ,E 6 là các trạng thái điện tửỷ-dao động không kích thích ; E 2 ,E 4 là các trạng thái dao động kích thích ; E 1 , E 2 ,E 3 , E 4 là các trạng thái Singlet ; E 5 ,E 6 là các trạng thái Triplet; a ij (K) là xác suất dịch chuyển E i -E j . dịch chuyển E 2 -E 3 là dịch chuyển laser . Dịch chuyển từ E 5 -E 6 là dịch chuyển hấp thụ T-T, w=a 41 đửợc gọi là thông số bơm là số dịch chuyển cửờng bức trên một đơn vị thời gian [2] . hệ laser màu là một hệ vật lý mở do các ảnh hửởng của môi trửờng xung quanh( surrounding) [7][8] . Quá trình tiến triển theo thời gian của hệ mở có thể mô tả bởi phửơng trình tổnh quát hoá Von- Neumann : [ ] LH i dt d += , (1-2) Trong đó là ma trận mật độ của hệ; H là toán tửỷ Hamiltonial của hệ; L là toán tửỷ mô tả ảnh hửởng của môi trửờng xung quanh , đó laser mất mát do buồng cộng hửởng , qua trình hồi phục của hệ các nguyên tửỷ (phân tửỷ) và của cơ chế bơm. 17 . TổNG QUAN Về LASER MàU và laser màu HấP THụ HAI PHOTON mở đầu Trong công nghệ laser hiện nay, laser màu nói chung và laser màu bơm hai photon nói. chiếc laser màu có hoạt chất hấp thụ hai photon ra đời. Laser màu có hoạt chất hấp thụ hai photon ( hay gọi tắt là laser màu bơm hai photon ), là loại laser