Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng quenchinh trong laser màu chọn lọc thời gian phổ luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH THÁI THỊ VŨ ANH PHÁT XUNG LASER NGẮN, BĂNG HẸP NHỜ KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING TRONG LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Phân tử laser màu .5 1.1.1 Cấu trúc hoá học chất màu 1.1.2 Cấu trúc lượng dịch chuyển quang học 1.1.3 Quang phổ phân tử màu 1.2 Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) 11 1.2.1 Lý thuyết phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora Selection) .11 1.2.2 Các khả hoạt động khác laser picô giây STS .13 1.2.2.1 Khả điều chỉnh bước sóng phát xung pico giây vùng phổ 380nm-860nm 13 1.2.2.2 Khả phát xung STS ngắn 14 1.2.3 Phát xung picô-giây có độ rộng phổ giới hạn .15 1.3 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity Quenching) .15 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 17 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LASER MÀU BCH QUENCHING .18 2.1 Lý thuyết laser màu có BCH quenching 18 2.1.1 Hệ phương trình tốc độ 18 2.1.2 Đặc trưng phát xạ laser màu xung ngắn có BCH quenching 23 2.1.2.1 Ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH 23 2.1.2.2 Ảnh hưởng mức bơm 25 2.1.2.3 Ảnh hưởng thông số BCH Q - cao lên phát xạ laser từ BCH Quenching 27 2.1.2.4 Ảnh hưởng nồng độ phân tử màu 30 2.2 Khảo sát phổ phát xạ laser màu xung ngắn có BCH Quenching .31 2.2.2 Ảnh hưởng mức bơm lên phổ laser tích phân 32 2.2.3 Ảnh hưởng thông sớ BCH Q - cao lên phổ laser tích phân 33 2.2.3.1 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương .33 2.2.3.2 Ảnh hưởng chiều dài BCH .34 2.2.4 Ảnh hưởng nồng độ chất màu lên phổ laser tích phân 35 2.3 Đợng học phổ laser màu xung ngắn có BCH quenching 36 KẾT LUẬN CHƯƠNG II .40 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING CHO LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ 41 3.1 Kết quả lý thuyết: 41 3.2 Kết quả thực nghiệm 42 3.2.1 Cấu hình thực nghiệm 42 3.2.2 Một số kết quả thực nghiệm 44 3.2.2.1 Độ rộng phổ laser khả điều chỉnh bước sóng: 44 3.2.2.2 Năng lượng laser Quenching STS 45 3.2.2.3 Khả phát đơn xung QC – STS toàn miền bước sóng 46 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 49 KẾT LUẬN CHUNG 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .51 MỞ ĐẦU Hơn nửa kỉ sau laser đời, chứng kiến một sự tiến triển sôi động lĩnh vực khoa học công nghệ ứng dụng laser, khơng chỉ thực nghiệm mà cịn cả lí thuyết, khơng chỉ ngành khoa học bản mà khoa học ứng dụng Ngoài ứng dụng laser lĩnh vực khoa học khác nhau, phạm vi sử dụng laser đa dạng Từ đời đến nay, thiết bị laser yếu tố định cho tiến bợ có tính cách mạng quang học, quang phổ có thể nói chúng đưa vào lĩnh vực một sự cách tân gần hoàn toàn Trước hết, ứng dụng khoa học quan trọng laser xung cực ngắn quang phổ phân giải thời gian Các xung laser điều chỉnh bước sóng phạm vi rộng cho phép thực hiện nghiên cứu phân giải thời gian phân giải động học phân tử Hiện nay, nhờ khả có thể phát xung có thời gian ngắn thời gian làm lệch pha đồng đều nhiều hệ nên hiện tượng kết hợp nghiên cứu thường xuyên Khả ứng dụng phân giải thời gian cao đời thường cịn diễn lĩnh vực thơng tin xử lí tín hiệu quang tớc đợ bit siêu cao, điện tử tớc đợ cao xử lí ảnh cổng thời gian Ngồi ra, khả tách chiết mợt cách kết hợp một thời gian ngắn một lượng lượng cao tích trữ hệ khuêchs đại tạo hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất cao, lên tới vài chục têta oát Chúng ứng dụng nhiều thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát chùm tia X cực chói Có nhiều phương pháp phát xung cực ngắn khác nghiên cứu phát triển năm thập kỉ qua Tuy nhiên, phương pháp lại có nhược điểm riêng cần khắc phục Với phương pháp laser chọn lọc thời gian phổ (STS – spectro temporal selection) ta có thể thu xung laser ngắn với hệ số nén xung cao, nhược điểm nó lại chỉ thu xung ngắn, một vùng phổ hẹp Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity quenching) một phương pháp đơn giản, có thể kiểm sốt đợ rợng xung laser lới từ buồng cộng hưởng Q- thấp việc khống chế thông số hoạt động laser Với phương pháp người ta có thể thu xung laser ngắn một miền phổ rộng hàng chục nm Vì đặt vấn đề “Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ” để có thể thu xung laser ngắn, băng hẹp, có công suất ổn định có thể điều chỉnh liên tục bước sóng một miền phổ rộng Nội dung luận văn trình bày ba chương: Chương I: Tổng quan laser màu phát xung ngắn Trong chương này, trình bày một cách tổng quan về phân tử laser màu: cấu trúc hóa học, cấu trúc lượng, quang phổ phân tử màu; phương pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt Cavity Quenching Chương II: Lý thuyết laser màu có BCH Quengching Xây dựng hệ phương trình tốc độ Qua đó, tìm hiểu sự phụ thuộc đặc trưng phát xạ, phổ phát xạ laser màu xung ngắn có BCH Quenching vào yếu tố : phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH; mức bơm; thông số BCH Q – cao; hệ số phản xạ gương; chiều dài BCH; nồng độ chất màu… Chương III: Nghiên cứu kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ Nghiên cứu đưa cấu hình thực nghiệm kết hợp hiệu ứng Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ Các đặc trưng về lượng, phổ thời gian loại laser trình bày CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Phân tử laser màu 1.1.1 Cấu trúc hố học chất màu Hình1.1 Cấu trúc phân tử P5Ac (C24 H35O2N2BF2); P10Ac (C29 H45O2N2BF2) Phân tử màu chia thành hợp chất ion trung hoà, nó có tính chất vật lý hố học khác Các chất màu dạng trung hoà điển hình Butadiene CH2 = CH – CH = CH hợp chất thơm Pyrene, Perylene… Phân tử màu dùng cho laser phân tử hữu đa nguyên tử phức tạp, phân tử chứa liên kết đơn () liên kết đôi liên hợp (), hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích vùng tử ngoại vùng nhìn thấy Cấu trúc chúng đặc trưng nguyên tử C, N, O, S, F, H,…, nguyên tử sắp xếp theo cấu trúc mà khung phân tử nguyên tử C, N, O, S nằm một mặt phẳng Điện tử  xen kẽ với liên kết đơn - điện tử , điện tử  nằm liên kết đôi C - C điện tử liên kết C - N, C O… Điện tử  liên kết liên hợp không định xứ, nó có thể di chuyển tồn bợ mạch phân tử, giải tỏa đều toàn khung phân tử Vì vậy, phân tử hữu nhạy cảm với nhiễu loạn bên ngồi Để kích thích điện tử  u cầu cần lượng so với điện tử  Sự khác cho phép điện tử  dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo đợ tích luỹ Cấu trúc hoá học phân tử màu tổ hợp vòng Bezen (C 6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng pzine (C4H4N2) vòng piron (C4H5N) Những vịng có thể nới trực tiếp với qua mợt ngun tử trung hồ C, N, mợt nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH = CH (polien) hình 1.1 1.1.2 Cấu trúc lượng dịch chuyển quang học Các phân tử màu có nhiều trạng thái tổ hợp phức tạp trạng thái điện tử, trạng thái dao động trạng thái quay, dẫn đến tạo vùng lượng Do khơng thể xác định xác mức lượng chất màu Các chuyển dời chủ yếu phân tử màu thể hiện hình 1.2 Trong đó mũi tên liền nét biểu thị chuyển dời quang học, mũi tên không liền nét biểu thị chuyển dời không xạ, S 0, S1, S2….là trạng thái đơn điện tử (Singlet), trạng thái điện tử bội ba (triplet) T1, T2, tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S = S = Thông thường, khoảng cách mức dao động 1400 - 1700 cm -1 khoảng cách mức quay nhỏ hai bậc nên phổ liên tục mức quay Do va chạm liên kết nội phân tử tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận dung môi mà vạch dao động mở rộng Các mức quay thì mở rộng va chạm nên dịch chuyển điện tử nhiệt đợ phịng cho phổ băng rợng S2 T2 nrps S1 nrns Hấp thụ T1 Huỳnh quang S0 nhs Lân Quang Hình1.2 Cấu trúc mức lượng chuyển dời quang học phân tử màu nhiệt đợ phịng, chưa bị kích thích, phân tử màu chủ yếu trạng thái bản S00 theo phân bố Boltzmann Sau hấp thụ ánh sáng kích thích, phân tử màu chuyển từ trạng thái bản S lên trạng thái đơn kích thích S1, S2 Do xác suất dịch chuyển S0 - S1 lớn nên sau kích thích quang học, phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S 1, cụ thể dịch chuyển lên trạng thái kích thích dao đợng S 1 Q trình tương ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng phân tử màu, trạng thái sự khử kích hoạt phân tử màu diễn theo nhiều cách  Sự hồi phục dao động không xạ phân tử từ trạng thái S 1 về trạng thái S10 thời gian ngắn cỡ 10-12s Trạng thái S10 có thời gian sống tương đối dài (10-9 - 10-8s) từ phân tử chuyển xuống trạng thái bản: S1  S0 Quá trình tương ứng với sự tạo thành phổ huỳnh quang băng rộng phân tử màu  Bức xạ laser hình thành sau: Thực tế, nhiệt đợ phịng mức S1 trớng sự phân bố phân tử tuân theo phân bố Boltzmann, cường độ bơm đủ mạnh thì độ tích luỹ phân tử S 10 lớn mức S0, mơi trường nghịch đảo đợ tích luỹ Do vậy, chỉ cần nghịch đảo mật đợ tích luỹ không lớn mức S10 đủ để phát laser nhờ dịch chuyển S10  S0 Do ta thấy vùng phổ laser màu chỉ có thể nằm vùng phổ huỳnh quang phân tử màu Từ mức S1 phân tử có thể thực hiện trình chuyển dời khác trình hấp thụ S1  S2, dịch chuyển nội không xạ trạng thái không cùng bội: S - T gọi sự dịch chuyển tương tác chéo nội hệ Trạng thái bội ba T trạng thái siêu bền (thời gian sống  cỡ 10-6 - 10-5s) nằm thấp so với mức điện tử kích thích, sự tương tác nó với S1 ảnh hưởng bất lợi cho hoạt động laser màu vì  Sự chuyển dời phân tử từ trạng thái đơn S đến trạng thái Triplet T1 làm giảm đợ tích luỹ trạng thái laser  Các phân tử mức T 10 có thể hấp thụ xạ bơm xạ laser dẫn đến tăng mát lượng hấp thụ Triplet - Triplet Khi kích thích nguồn laser xung có thời gian xung nhỏ 20 ns thì dịch chuyển Singlet - Triplet có thể bỏ qua Do ta có thể xem laser màu hoạt động theo sơ đồ bốn mức lượng sau Mức 1: Là mức bản S00 Mức 2: Là mức laser dưới gồm mức dao động S0 Mức 3: Là mức laser S10 Mức 4: Là mức kích thích gồm mức dao đợng S1 S1 p e 0 S0 Hình 1.3: Sơ đồ laser phân tử màu với hai mức lượng rộng Trong đó mức mức nằm trạng thái điện tử S0, mức mức nằm trạng thái điện tử kích thích đơn S1 Từ lý đó mà có thể nói laser màu hoạt động hai mức rộng mức điện tử đơn S mức điện tử kích thích đơn S1 1.1.3 Quang phổ phân tử màu Các phân tử màu có phổ hấp thụ trải từ vùng tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang phân tử màu phổ băng rợng (cỡ 30nm - 100nm), cấu trúc không trùng lặp Trên hình 1.4 đưa phổ hấp thụ phổ huỳnh quang Pyrromethene 567 nền rắn Phổ hấp thụ băng rộng ứng với dịch chuyển từ trạng thái bản S lên mức dao đợng trạng thái đơn kích thích S1 Sự hấp thụ ứng với dịch chuyển từ trạng thái bản S0 lên trạng thái bội ba bị cấm về spin Sự dịch chuyển phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock - Lumen, nghĩa tồn bợ phổ huỳnh quang cực đại nó dịch chuyển về phía sóng dài so với tồn bộ phổ hấp thụ cực đại nó Đường cong phổ hấp thụ giảm nhanh phía sóng dài giảm chậm phía sóng ngắn Ngược lại, 10 ... hàng chục nm Vì đặt vấn đề ? ?Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ? ?? để có thể thu xung laser ngắn, băng hẹp, có công suất ổn định có... chất màu? ?? Chương III: Nghiên cứu kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ Nghiên cứu đưa cấu hình thực nghiệm kết hợp hiệu ứng Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ. .. Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) 1.2.1 Lý thuyết phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora Selection) Một kỹ thuật nhằm tạo xung ngắn từ laser bơm cỡ nano giây phương pháp chọn