Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất phổ tích phân của laser màu hữu cơ băng rộng

bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Vinh -------------------------- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng lên tính chất phổ tích phân của laser màu hữu cơ băng rộng Chuyên ngành : quang học Mã số: 62 44 11 01 luận văn thạc sĩ vật lý Vinh - 2007 1 bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Vinh ------------------------- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng lên tính chất phổ tích phân của laser màu hữu cơ băng rộng Chuyên ngành : quang học Mã số: 62 44 11 01 luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: Ts. Hoàng Hữu Hà Vinh - 2007 2 Lời cảm ơn Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS Hoàng Hữu Hòa, thầy đã giúp tôi định hớng đề tài, chỉ dẫn tận tình, chu đáo và dành nhiều công sức cũng nh cả những sự u ái cho tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy giáo: PGS.TS Đinh Xuân Khoa, PGS.TS Hồ Quang Quý, TS Vũ Ngọc Sáu, PGS.TS Nguyễn Huy Công đã góp ý chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lí, Ban chủ nhiệm khoa đào tạo Sau Đại Học đã tạo cho tôi môi trờng học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Vinh, tháng 10 năm 2007 Tác giả Trần Cao Cờng 3 Mục lục Trang Lời cảm ơn 1 Mục lục 2 Mở đầu 3 Chơng I: Tổng quan về chất màu và laser màu 5 1.1 Chất màu 5 1.1.1 Cấu trúc của chất màu 5 1.1.2 Quang phổ của chất màu 6 1.1.3 Cấu trúc mức năng lợng và các dịch chuyển quang học 7 1.2 Laser màu 10 1.2.1 Điều kiện để phát laser 10 1.2.2 Bơm quang học cho laser màu 14 Chơng II : Nghiên cứu lý thuyết về phổ tích phân của laser màu băng rộng 17 2.1 Hệ phơng trình tốc độ của laser màu 17 2.2 Một số tính chất chung của phổ laser tích phân 21 2.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng lên phổ tích phân của laser màu băng rộng 26 2.3.1 ảnh hởng của nồng độ lên phổ laser tích phân 27 2.3.2 ảnh hởng của mức bơm lên phổ laser tích phân 29 2.3.3 ảnh hởng của chiều dài buồng cộng hởng lên phổ laser tích phân 30 2.3.4 ảnh hởng của hệ số phản xạ gơng lên phổ laser tích phân 32 Chơng III : một vài kết quả rút ra từ thch nghiệm 34 3.1 Sơ đồ thí nghiệm 34 3.2 Phổ tích phân của các laser màu C47, C30, Rh6G theo nồng độ khác nhau 35 Kết luận 41 Tài liệu tham khảo 42 Phụ lục 43 4 Mở đầu ự ra đời của laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng của thế kỷ 20. Hơn bốn mơi năm qua, vật lý và công nghệ laser đã phát triển rất nhanh chóng, không ngừng có ảnh hởng to lớn và trực tiếp đến các lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ. Lịch sử phát triển laser màu (có môi trờng hoạt chất là các chất màu hữu cơ) đã trải qua những sự kiện quan trọng. Năm 1966, lần đầu tiên ngời ta đã phát hiện hiệu ứng laser màu bơm bằng laser ruby và đèn xung. Năm 1970, nhờ sự phát triển của vật lý công nghệ laser đã cho phép thu đợc những bức xạ laser màu đơn sắc cao, có thể điều chỉnh liên tục bớc sóng trên miền phổ từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần. Giữa những năm 80, bằng kỹ thuật mode - locking ng- ời ta thu đợc các xung laser màu cực ngắn, kỷ lục xung ngắn hiện nay là 5 femto - giây. Ngày nay, các loại laser nói chung và laser màu nói riêng là những thiết bị không thể thiếu đợc để phát triển các phơng pháp nghiên cứu quang phổ laser hiện đại trong lĩnh vực vật lý, hóa học, khoa học vật liệu và y sinh - học . Do vậy, việc nghiên cứu và phát triển vật lý - công nghệ laser luôn luôn là nhu cầu thực tiễn có ý nghĩa khoa học và ứng dụng cao. Nghiên cứu các đặc trng phổ của laser là vấn đề luôn đợc quan tâm. Ngay từ thập kỷ 60, sau khi xuất hiện laser ngời ta đã chú ý vào lĩnh vực này. Các laser màu xung băng rộng là kiểu hình laser ra đời sớm, hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm cho rất nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào laser tích phân theo thời gian, các buồng cộng hởng (BCH) laser có độ phẩm chất cao (high Q), các laser băng hẹp có chứa yếu tố tán sắc (cách tử, lăng kính .) hay phin lọc giao thoa trong BCH. Những nghiên cứu lý thuyết chủ yếu dựa trên hệ hai phơng trình tốc độ để miêu tả quá trình động học laser tại một tần số, . do vậy, vai trò ảnh hởng của các thông số phân tử, thông số bơm, thông số BCH lên phổ laser tích phân vẫn cha đợc nghiên cứu có hệ thống. Điều này dẫn đến việc cha tận dụng và phát hiện hết một số hiệu ứng và đặc tính lý thú của các laser màu xung nhằm góp phần phát triển và hoàn thiện công nghệ laser . S 5 ở Việt Nam, nghiên cứu vật lý laser màu đã bắt đầu vào cuối những năm 1970. Hiện nay các nghiên cứu trong lĩnh vực này không chỉ dừng lại ở nghiên cứu cơ bản mà thực sự gắn liền với yêu cầu cấp thiết để phát triển công nghệ laser và phơng pháp quang phổ laser hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Trong những năm gần đây, các hệ laser màu băng rộng, laser màu băng hẹp điều chỉnh bớc sóng và những hệ laser màu phát xung ngắn pico-giây . đợc bơm bằng laser nitơ, laser ruby, laser Nd: YAG, đã đợc chế tạo thành công và đa vào sử dụng có hiệu quả ở các phòng thí nghiệm quang học, quang phổ của các Viện nghiên cứu chuyên ngành. Nội dung của luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về các ảnh hởng lên phổ laser màu tích phân băng rộng hoạt động ở những điều kiện vật lý khác nhau. Xuất phát từ hệ phơng trình tốc độ đợc mở rộng cho tất cả các bớc sóng laser, chúng tôi đã nghiên cứu và tờng minh đợc vai trò, mức độ và cơ chế ảnh hởng của các mức bơm, thông số BCH laser (độ dài BCH, hệ số phản xạ gơng trong BCH) và nồng độ của phân tử màu lên phổ laser tích phân của laser màu Rhogamine 6G (Rh6G), Coumarin 30 (C30). Nhờ những kết quả nghiên cứu trên, có thể sử dụng cho việc phát triển và hoàn thiện công nghệ laser màu và khả năng tối u năng lợng cũng nh mở rộng miền phổ laser của các laser màu xung. Luận văn bao gồm 3 chơng: Ch ơng 1 : Tổng quan về chất màu và laser màu. Chơng này trình bày những đặc trng hóa - lý cơ bản của chất màu laser và vật lý laser màu có liên quan trực tiếp đến các nghiên cứu trong những chơng sau. Ch ơng 2 : Trình bày hệ phơng trình tốc độ đợc mở rộng cho laser màu và nghiên cứu các tính chất phổ tích phân của laser màu xung băng rộng. Nghiên cứu lý thuyết về các ảnh hởng của nồng độ phân tử, các thông số bơm và các thông số BCH laser (độ dài BCH, hệ số phản xạ gơng) lên phổ laser màu tích phân. Ch ơng 3: Trình bày một vài kết quả rút ra từ thực nghiệm. 6 Chơng I Tổng quan về chất màu và laser màu 1.1. Chất màu 1.1.1. Cấu trúc của chất màu Hoạt chất của laser màu là các phân tử màu hữu cơ đa nguyên tử (điển hình có khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối đôi liên hợp (2 liên kết đôi cách nhau bởi một liên kết đơn), hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy, giới hạn bớc sóng hấp thụ dài nhất và ngắn nhất của hợp chất này là hồng ngoại gần và tử ngoại gần. Các phân tử này bao gồm các nhóm hóa chất khác nhau: Hydrocarbon, Oxazole, Coumarin, Xanthene và Cyamine. Cấu trúc hóa học các chất này là sự tổ hợp các vòng benzen (C 6 H 6 ), vòng Piridin (C 5 H 5 N), vòng Azin (C 4 H 4 N 2 ) hoặc vòng Piron (C 4 H 5 N). Những vòng này có thể nối trực tiếp với nhau hoặc qua 1 nguyên tử trung hòa C, N, hoặc một nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH (Polien). Chất màu đợc chia thành các hợp chất ion và trung hòa, nó có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Chất màu dạng trung hòa điển hình nh Butadien CH 2 = CH-CH = CH 2 và các hợp chất thơm nh Pyrene, Perylene . điểm nóng chảy của nhóm này là thấp, độ hòa tan lớn trong các dung môi không phân cực nh Benzen, Octan, Xyclohexane, Chloroform . Ngợc lại, các chất màu ion có điểm nóng chảy cao, hòa tan mạnh trong các dung môi có cực nh cồn. Trong dung dịch, đa số các chất màu bị phân ly thành ion. Tùy theo độ pH của dung dịch, nghĩa là độ axit hay độ kiềm mà các ion của chất màu là anion hay cation. Ngày nay, tồn tại trên 200 chất màu đợc sử dụng để nghiên cứu phát xạ laser. Chất màu thờng đợc sử dụng phổ biến nhất trong laser màu đó là Rhodamine6G(Rh6G) thuộc nhóm Xanthene. Hình 1.1 công thức cấu tạo của Rhodamine6G (Rh6G) và Coumarin30 (C30) 7 Hình 1.1 ảnh hởng chủ yếu lên tính chất của của chất màu là các gốc CH 3 hay C 2 H 5 mà chúng về cơ bản xác định sự hấp thụ của vật chất. Ngoài ra trong chất màu còn có những nhóm mang màu hay nhóm trợ màu nh : nhóm Azô-N=N-, nhóm Nitơ-NO 2 , nhóm-OH, nhờ đó các chất màu có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách chọn lọc. 1.1.2. Quang phổ của chất màu Sự hấp thụ ánh sáng của các phân tử chất màu có thể mô tả bán định lợng bằng mẫu điện tử tự do. Theo mẫu này, tất cả các nguyên tử cùng nằm trên một mặt phẳng, liên kết với nhau bằng các điện tử . Các điện tử (có vai trò trong hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và tử ngoại) tạo ra đám mây điện tích nằm trên mặt phẳng đó. Theo nguyên tắc Pauly, mỗi trạng thái chỉ có 2 điện tử. Giả sử phân tử có N điện tử (N chẵn) thì ở trạng thái cơ bản của phân tử sẽ có nhiều nhất N/2 trạng thái đợc lấp đầy. Hai điện tử cùng một mức sẽ có spin đối song, nên spin tổng cộng S = 0, tơng ứng là trạng thái đơn (singlet). Khi một trong hai điện tử này nhảy lên mức trống cao hơn, sự sắp xếp spin song song sẽ dẫn đến spin tổng cộng S = 1, tơng ứng là trạng thái bội 3 (triplet). Thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái bội ba thờng thấp hơn thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái đơn. Chất màu hữu cơ là một phân tử đa nguyên tử nên mỗi mức năng lợng tồn tại nhiều mức con dao động và mức quay. Mặt khác, mỗi mức dao động còn có 8 (NHC 2 H 5 )Cl - C 2 H 5 HN H 3 C CH 3 COOC 2 H 5 Rh6G C30 các mức quay. Do đó, các phổ hấp thụ ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S o lên các mức dao động của trạng thái đơn kích thích S 1 , S 2 , . sẽ là băng rộng (sự hấp thụ ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S o lên các trạng thái bội 3 là bị cấm theo spin). Các phân tử chất màu hấp thụ bức xạ quang học nằm trong vùng phổ từ tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu là các băng rộng cỡ 30 - 100nm. Sự dịch chuyển huỳnh quang tuân theo định luật Stock-Lomen "toàn bộ phổ huỳnh quang và cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó, phổ huỳnh quang đối xứng gơng với phổ hấp thụ". Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Rhodamine 6G đợc trình bày trên hình1.2. Đờng cong của phổ hấp thụ (a) giảm nhanh về phía sóng dài, giảm chậm về phía sóng ngắn, ngợc lại, đờng cong của phổ huỳnh quang (b) giảm nhanh ở phía sóng ngắn, giảm chậm ở phía sóng dài. Hình 1.2 : Phổ hấp thụ và huỳnh quang của Rh6G 1.1.3. Cấu trúc mức năng lợng và các dịch chuyển quang học Ký hiệu S n và T n (n = 0, 1, 2 .), biểu diễn các trạng thái điện tử đơn và bội ba, tơng ứng số lợng tử spin toàn phần S = 0 và S = 1. ở nhiệt độ phòng, hầu hết 9 0.45 0.50 0.55 0.60 (àm) (a) (b) I các điện tử ở trạng thái cơ bản S 00 , khi nhiệt độ tăng lên sẽ có các điện tử ở các mức dao động cao hơn của trạng thái S 0 . Hình 1.3 : Trình bày sơ đồ mức năng lợng và các dịch chuyển quang học của phân tử chất màu Sau khi hấp thụ ánh sáng, các phân tử chất màu chuyển từ trạng thái cơ bản S 0 lên các trạng thái đơn kích thích S 1 , S 2 , . Do xác suất dịch chuyển S 0 -> S 1 lớn nên sau khi kích thích quang học, các phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S 1 , cụ thể là dịch chuyển lên các trạng thái kích thích dao động S 1i . Quá trình này tơng ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu. ở các trạng thái này, sự khử kích họat của các phân tử chất màu diễn ra theo nhiều cách: Sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử S 1i về trạng thái đơn S 10 trong thời gian rất nhanh cỡ 10 -12 s. Trạng thái S 10 có thời gian sống tơng đối dài (thời gian sống từ 10 -9 s đến 10 -8 s), và đây chính là trạng thái 10 S 00 S 10 S 20 T 1 T 2 Lân quang Huỳnh quangHấp thụ nr =1ps ph =1às F =1ns S 1i S 2i S 0i