Khảo sát sự thay đổi bước sóng phát xạ của laser màu

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ THỊ HUẾ HẢO KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI BƢỚC SÓNG PHÁT XẠ CỦA LASER MÀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: SƠ LƢỢC VỀ CHẤT NHUỘM MÀU VÀ LASER MÀU I.1 Sơ lược chất màu I.1.1 Sơ lược chất nhuộm màu I.1.2 Một số tính chất vật lý chất màu I.2 Sơ lược Laser màu 11 I.2.1 Hệ phương trình động học laser màu 11 I.2.2 Điều kiện phát xạ laser màu………………………………………11 I.2.3 Bước sóng phát xạ thay đổi bước sóng phát xạ laser… 17 CHƢƠNG II: SỰ THAY ĐỔI BƢỚC SÓNG PHÁT XẠ CỦA LASER MÀU II.1 Nguyên nhân đưa đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu 22 II.1.1 Sự tích tụ hạt mức siêu bền 22 II.1.2 Sự tích tụ hạt mức (2) nguyên nhân đưa đến thay đổi bước sóng phát xạ 30 II.2.1 Tóm tắt phương pháp R.A.Karamaliev A.M.Xamxôn 31 II.2.2 Áp dụng phương pháp R.A.Karamaliev để khảo sát thay đổi tần số phát xạ laser màu 33 II.3 Sự thay đổi bước sóng phát xạ laser màu phản hồi phân bố 38 II.3.1 Cấu trúc tuần hồn mơi trường hoạt 38 II.3.2 Một số phương pháp tạo cấu trúc tuần hồn mơi trường hoạt 40 II.3.3 Sự thay đổi bước sóng phát xạ laser màu phản hồi phân bố (DFDL) 41 II.3.4 Sự thay đổi bước sóng nhiệt 43 KẾT LUẬN CHUNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 LỜI CẢM ƠN Hồn thành luận văn này, tơi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo: PGS-TS Đào Xuân Hợi Người thầy tận tình, chu đáo dành nhiều công sức dẫn cho q trình làm luận văn Tơi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sau Đại Học, khoa Vật Lý, thầy cô giáo giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, tạo điều kiện cho tơi thời gian hồn thành luận văn Vinh tháng 10 năm 2011 Lê Thị Huế Hảo MỞ ĐẦU Laser (Light Amplication by Stimulaled Emission of Radiation ) „„khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng bức‟‟ phát minh mà nhiều nhà khoa học thực quan tâm nghiên cứu nhằm hồn thiện phát triển để phục vụ nhu cầu người Hơn 50 năm phát triển, có nhiều loại laser đời Ngày nay, cơng nghệ chế tạo laser ngày đại, kinh tế có nhiều bước tiến Laser màu (dye laser) laser dùng hoạt chất chất màu hữu cơ, ngồi đặc tính thơng thường tính đơn sắc, tính kết hợp, tính định hướng mật độ phổ lượng cao Nó cịn laser thay đổi liên tục bước sóng vùng phổ rộng với độ tinh chỉnh cao Ngay từ đời năm 1966, laser màu ưa chuộng thu hút quan tâm đặc biệt nhiều nhà khoa học nhiều ngành khoa học Sự thay đổi bước sóng laser màu chủ đề thường xuyên thu hút quan tâm nhà chuyên môn nhiều quốc gia khác Trong có thành viên nhóm “quang lượng tử” trường Đại Học Vinh Chính vậy, tơi chọn đề tài luận văn : “Khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu” Mục tiêu đề tài làm rõ nguyên nhân dẫn đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu.Từ khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu hệ laser màu phản hồi phân bố Đề tài nghiên cứu phương pháp động học phương pháp đồ thị Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm có chương: Chương I: Nội dung chương chúng tơi trình bày tổng quan chất màu laser màu.Tìm hiểu vài nguyên nhân phương pháp thay đổi bước sóng laser Nội dung chương sở lý thuyết để khảo sát thay đổi bước sóng laser màu Chương II: Trong chương tìm hiểu nguyên nhân đưa đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu Từ đấy, khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu hệ laser màu phản hồi phân bố.Tiếp theo khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt độ.Và đưa phương án khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu phản hồi phân bố CHƢƠNG I: SƠ LƢỢC VỀ CHẤT NHUỘM MÀU VÀ LASER MÀU I.1 Sơ lƣợc chất màu I.1 Sơ lƣợc chất nhuộm màu Hoạt chất laser màu phân tử màu hữu đa ngun tử (điển hình có khoảng 50 ngun tử) chứa mối liên kết đôi kết hợp (hai liên kết đôi cách liên kết đơn), hấp thụ mạnh ánh sáng vùng nhìn thấy, giới hạn bước sóng hấp thụ dài ngắn hợp chất hồng ngoại gần tử ngoại gần Các phân tử cấu tạo từ nguyên tử C, N, O, S, F, H,…, nguyên tử xếp theo cấu trúc mà khung phân tử nguyên tử C, N, O, S nằm mặt phẳng Các phân tử có đặc trưng giống gồm có liên kết đôi - điện tử xen kẽ với liên kết đơn- điện tử σ Điện tử nằm liên kết đôi C=C liên kết đơn C- N, C-O,…Điện tử liên kết khơng định xứ di chuyển toàn mạch phân tử, giải tỏa khung phân tử Vì phân tử nhạy cảm với nhiễu loạn bên để kích thích chúng yêu cầu lượng so với điện tử σ Sự khác cho phép điện tử dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy[5] Các phân tử màu bao gồm nhóm hóa chất khác : hydrocacbon, oxazole, coumarin, xanthene cyamine Cấu trúc hóa học chất tổ hợp vòng Benzene (C6H6), vòng pyridine (C6H5N), vòng Ocxazil vòng piron (C4H5N) Cấu trúc vòng minh họa sau [2] N N Vòng benzen Vòng odil Vòng pyridin O o N Vòng ocxazil N vòng pyron Những vịng nối trực tiếp với qua nguyên tử trung hòa C, N nhánh thẳng gồm số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH (polien) Phân tử màu chia thành hợp chất ion trung hịa, có tính chất vật lý hóa học khác Phân tử màu dạng trung hịa điển Butadiene CH2=CH-CH=CH2 hợp chất thơm như: pyrene, perylene… điểm nóng chảy nhóm thấp, độ hịa tan lớn dung mơi khơng phân cực Benzene, Octan, Xyclohexane… Ngược lại, phân tử màu ion có độ nóng chảy cao, hịa tan mạnh dung mơi có cực cồn Trong dung dịch, đa số chất màu bị phân hủy thành ion Tùy theo độ pH dung dịch mà ion chất màu anion cation Ngày nay, có khoảng 200 chất màu sử dụng để nghiên cứu phát xạ laser Chất màu sử dụng phổ biến laser màu Rhodamin6G thuộc nhóm Xanthene Tính chất chất màu bị ảnh hưởng chủ yếu gốc CH3 hay C2H5, chất màu cịn có nhóm mang màu hay trợ màu như: nhóm Azơ (–N=N–), nhóm (–NO2), nhóm (–OH) Nhờ đó, chất màu có khả hấp thụ ánh sáng cách chọn lọc.[2] Để trở thành hoạt chất laser màu, chất màu hịa tan dung mơi (Etanol, Glicerin, Metanol, Nước,…) Khi phân tử màu dung dịch tạo nên mở rộng mức dao động mức quay, tạo nên ưu điểm trội laser màu 4 Hình 1.1 mơ tả cấu trúc phân tử Rhodamin 6G C2H5HN (NHCH2)Cl- CH3 H3C COOCH2 Hình 1.1 : Cấu trúc hóa học Rhodamine 6G [3] I.1.2 Một số tính chất vật lý chất màu Vì phân tử chất màu có cấu trúc phức tạp nên chất màu có số tính chất khác với tính chất khác Ví dụ : hấp thụ ánh sáng chất màu hữu có liên quan chặt chẽ tới cấu trúc phân tử, đa số chất màu có khả phát quang Ngồi ra, chất màu cịn có số tính chất quan trọng Ví dụ: phổ hấp thụ phát xạ chất màu vùng nhìn thấy thường rộng Đồng thời laser màu, tiết diện khuếch đại lớn, cho phép ta thu khuếch đại đáng kể mật độ hạt mức không lớn [2] Các phân tử màu có phổ hấp thụ trải từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang phân tử màu phổ băng rộng (cỡ 30nm – 100nm) , cấu trúc khơng trùng lặp Hình 1.2 đưa phổ hấp thụ huỳnh quang Rh6G rắn lai vô cơ- hữu Organically modified silicate glasses ( ORMOSIL) Phổ hấp thụ băng rộng ứng với dịch chuyển từ trạng thái S0 lên mức dao động trạng thái đơn kích thích S1 Sự hấp thụ ứng với dịch chuyển từ trạng thái S0 lên trạng thái bội ba bị cấm Spin Sự di chuyển phổ huỳnh quang tuân theo định luật StockLumen, nghĩa toàn phổ huỳnh quang cực đại dịch chuyển phía sóng dài so với tồn phổ hấp thụ cực đại Cường độ phổ hấp thụ giảm nhanh phía sóng dài, giảm chậm phía sóng ngắn Ngược lại, cường độ phổ huỳnh quang giảm nhanh phía sóng ngắn, giảm chậm phía sóng Cường độ chuẩn hóa dài 0.8 Hấp thụ 0.6 Huỳnh quang 0.4 0.2 300 350 400 450 500 550 Bước sóng (nm) 600 650 700 Hình 1.2: Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang Rhodamin6G/methanol [5] Huỳnh quang phân tử màu đặc trưng hai đại lượng: thời gian tắt dần huỳnh quang hiệu suất huỳnh quang lượng tử Phát xạ huỳnh quang phân tử màu có thời gian tắt dần 110 ns Hiệu suất huỳnh quang lượng tử định nghĩa tỷ số photon phát xạ photon hấp thụ Các phân tử màu hữu có hiệu suất huỳnh quang lượng tử cao ~1[5] 10 I 1.3 Sơ đồ mức lƣợng chất màu Đối với chất màu, mức lượng có số lớn mức dao động nằm sát nhau, ứng với giá trị lượng dao động khác Khác với laser rắn laser khí, chất màu ta chưa có mẫu xác sơ đồ mức lượng phân tử chất màu gồm nhiều ngun tử ta khó tìm hàm sóng tổng quát Mặt khác, phân tử chất màu nhận số lớn trạng thái Cho nên hầu hết tài liệu, toán sơ đồ mức lượng chất màu giải gần cách xem phân tử chất màu tương đương phân tử nguyên tử Trong mơ hình này, chất màu có hệ mức lượng: - Hệ thứ xây dựng từ mức đơn (singlet), ký hiệu số lẻ:1,3,… - Hệ thứ hai xây dựng từ mức bội (Triplet) ký hiệu số chẵn: 2,4,… Dưới tác dụng trường bơm quang học, chất màu hấp thụ ánh sáng, hạt thực phép chuyển mức từ lên Sau thời gian ngắn (10-9s) hạt lại chuyển mức kèm theo phát xạ photon Đồng thời từ hạt chuyển mức đơn kích thích khác, dịch chuyển dẫn đến hấp thụ đóng vai trị mát laser màu [2] 40 II.3.2 Một số phƣơng pháp tạo cấu trúc tuần hoàn mơi trƣờng hoạt Trên thực tế, có nhiều phương pháp khác để thu cấu trúc tuần hoàn Trong luận văn này, xin giới thiệu số phương pháp (sơ đồ) phổ biến nhất, tác giả [13] giới thiệu: a) Ống đựng chất màu 2θ Lăng kính Chùm tia bơm 3 b) Nguồn bơm 2 Thấu kính Gương bán phản xạ Gương phản xạ 4 Ống đựng chất màu 2 c) Nguồn bơm 2,3 Các thấu kính 2 Gương phản xạ Cuvet đựng chất màu Hình 2.6 a,b,c : Các phương pháp tạo cấu trúc tuần hoàn [13] 41 II.3.3 Sự thay đổi bƣớc sóng phát xạ laser màu phản hồi phân bố (DFDL) Theo [10], bước sóng phát xạ DFDL xác định từ điều kiện Bragg: (2.22) Ở đây: λp : bước sóng phát xạ λb : bước sóng bơm n1 : Hệ số khúc xạ dung dịch màu n2 : Hệ số khúc xạ vật liệu làm lăng kính θ : góc hội tụ tia bơm Như vậy, từ biểu thức (2.22), ta nhận thấy bước sóng phát xạ DFDL thay đổi ta làm thay đổi đại lượng số: λb, n1, n2 góc θ Xung quanh biểu thức (2.22), có số tác giả nghiên cứu thực nghiệm, tìm phụ thuộc λp vào n1 λb Cụ thể : tác giả [11] rằng, phụ thuộc có tính tuyến tính Ở cần lưu ý rằng, trình làm thực nghiệm, khảo sát phụ thuộc λb vào đại lượng coi đại lượng cịn lại cơng thức (2.22) không đổi theo thời gian Cụ thể, tác giả [11] cố định λb , n2, θ, tìm phụ thuộc λp vào n1 Kết thực nghiệm thể hình 2.7(a) Tiếp theo, cố định n1, n2 θ, tìm phụ thuộc λp vào λb Kết thực nghiệm thể hình 2.7(b) p(nm) a) n1 42 p(nm) b) λb Hình 2.7: (nm) a, Sự phụ thuộc bước sóng phát xạ vào n1 [11] b, Sự phụ thuộc bước sóng phát xạ vào bước sóng bơm [11] Từ hình 2.7(a,b) ta nhận thấy phụ thuộc λp vào n1 λb phụ thuộc tuyến tính Kết hồn tồn phù hợp với biểu thức lý thuyết (2.22) Tiếp theo tác giả [12], khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ λp vào nhiệt độ môi trường Kết thực nghiệm [12] thể hình 2.8 p(nm) T0K Hình 2.8: Sự phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt độ [12] 43 II.3.4 Sự thay đổi bƣớc sóng nhiệt II.3.4.1 Cơ sở tính tốn lý thuyết Dưới tác dụng trường bơm, nhiệt độ môi trường hoạt thay đổi Và toán khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt độ số tác giả nghiên cứu [7] Trong luận văn này, chúng tơi khảo sát tốn sau: Dưới tác dụng trường bơm, hệ số khúc xạ dung dịch màu thay đổi theo quy luật [7]: (2.23) Ở đây: n0: hệ số khúc xạ dung dịch màu bơm chưa tác dụng : hệ số biến đổi nhiệt hệ số khúc xạ dung dịch màu ΔT: độ biến đổi nhiệt độ dọc theo trục môi trường tác dụng trường bơm Trong biểu thức (2.23), dấu (-) nói lên rằng: nhiệt độ tăng hệ số khúc xạ giảm Thay (2.23) vào (2.22), ta có: (2.24) Từ biểu thức (2.24), ta nhận thấy rằng: muốn tìm phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt độ ta cần phải tìm biên độ biến đổi nhiệt 44 độ ΔT Đây toán phức tạp, phạm vi luận văn này, chúng tơi khảo sát tốn sau: Như biết, tác dụng trường bơm, phân bố nhiệt độ dọc theo trục mơi trường hoạt thỏa mãn phương trình truyền nhiệt [2] (2.25) Nghiệm phương trình (2.25) có dạng: (2.26) Thay (2.26) vào (2.25) ta có: (2.27) Ở đây: N : mật độ hạt h: số plank α: hệ số truyền nhiệt phần lượng ánh sáng chuyển thành nhiệt : thoát huỳnh quang c : tỷ nhiệt ρ : mật độ τ : thời gian thăng giáng nhiệt, xác định biểu thức 45 - Chu kỳ cấu trúc tuần hoàn Bây ta xét trường hợp xung bơm (xung vng xung hình Gauss) II.3.4.2 Sự thay đổi bƣớc sóng phát xạ trƣờng hợp xung bơm vuông Trong trường hợp này, ta có: Ub(t) =Ub0 = const Khi phương trình (2.27) có dạng: (2.28) Ở ; Nghiệm phương trình (2.28) có dạng: Ta tìm c(t), muốn ta lấy đạo hàm Đối chiếu với (2.28) ta có: Ta tìm C1 với điều kiện ban đầu theo thời gian 46 Khi ) ) (2.29) Thay (2.29) vào (2.24) ta có: (2.30) II.3.4.3 Sự thay đổi bƣớc sóng phát xạ xung bơm có dạng hình Gauss Có nghĩa trường hợp này, xung bơm có dạng : Ta biểu diễn xung bơm hình 2.9 Ub(t) )) U0b T  t(ns) 47 Hình 2.9 : Xung bơm có dạng hình Gauss [7] Trong trường hợp phương trình (2.27) có dạng: (2.31) Nghiệm tổng qt phương trình (2.31) có dạng: Ta tìm c c1 nhờ điều kiện ban đầu: 1) Khi ≤ t ≤   2) Khi t    Giá trị Td, tìm từ điều kiện trạng thái dừng , có nghĩa aTd + b = Ta có Từ điều kiện 1: 0=C+C1 C =- C1 Hay : (2.32) 48 Thay (2.32) vào (2.24) ta có: (2.33) Từ điều kiện ta có: c1 + ce-∞=0 => c1=0 (2.34) Thay (2.34) vào (2.24) ta có (2.35) Các biểu thức (2.30),(2.33), (2.35) kết mà luận văn muốn tìm kiếm để khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ Từ biểu thức đó, ta có nhận xét sau: a, Khi t=0 (đối với biểu thức (2.30) (2.33)) t= (đối với biểu thức (2.35)) biểu thức (2.30), (2.33), (2.35) có dạng 49 Đây biểu thức (2.33) trường hợp tuyến tính b, Nếu ta đưa vào số ký hiệu : Thì biểu thức (2.30) (2.33) (2.35) có dạng (2.30’) (2.33’) (2.35’) Từ biểu thức (2.30‟), (2.33‟), (2.35‟) ta có kết luận : Với tăng thời gian, bước sóng phát xạ giảm Đó kết luận luận văn II.3.4.4 Phƣơng pháp khảo sát kết hợp lý thuyết – thực nghiệm Qua trình nghiên cứu nghiêm túc thay đổi bước sóng phát xạ laser màu phản hồi phân bố, muốn đưa phương pháp khảo sát 50 kết hợp lý thuyết thực nghiệm Nội dung phương pháp sau : - Kết nghiên cứu thực nghiệm [12] phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt độ biểu diễn hình 2.10 T0K a P(nm) b t(ns) t1 t t3 t4 Hình 2.10: a) Sự phụ thuộc p vào nhiệt độ [12] b) Dạng phụ thuộc nhiệt độ môi trường hoạt vào thời gian[7] - Kết nghiên cứu lý thuyết phụ thuộc nhiệt độ vào thời gian biểu diễn biểu thức (2.29) - Kết hợp kết đồ thị ta thu đường cong biểu diễn phụ thuộc bước sóng phát xạ vào thời gian Đồ thị có dạng sau: t1 t2 t3 t(ns) 51 Hình 2.11: Dạng phụ thuộc P vào thời gian Từ hình 2.11, ta có nhận xét : với tăng thời gian, bước sóng phát xạ giảm Kết hồn tồn phù hợp với nhận xét tác giả [7,14] 52 KẾT LUẬN CHUNG Qua nội dung trình bày luận văn,chúng tơi rút số kết luận sau 1, Nguyên nhân đưa đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu tích tụ hạt mức siêu bền (mức 2) 2, Dựa vào phương pháp R.A.Karamaliev khảo sát thay đổi tần số phát xạ laser màu hệ Và rằng: Tần số phát xạ tăng theo thời gian ( hình 2.3 ) 3, Đối với laser phản hồi phân bố, bước sóng phát xạ phụ thuộc thuộc tuyến tính vào bước sóng bơm hệ số khúc xạ dung dịch màu (hình2.7a,b) 4, Bằng phương pháp kết hợp lý thuyết thực nghiệm, tìm dạng đường phụ thuộc bước sóng phát xạ vào thời gian (hình 2.11) Chúng tơi coi đóng góp luận văn 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Văn Hoàng - Trịnh Đình Chiến, (1999) Vật Lý Laser ứng dụng, nxb Hà Nội [2] Đinh Xuân Khoa, (1996) Động học phát xạ laser màu , Luận án phó tiến sỹ Toán Lý, ĐHSPV [3] Cao Thành Lê, (2002) Khảo sát ảnh hưởng thông số phân tử,nguồn bơm buồng cộng hưởng đến hoạt động laser màu; Luận án tiến sỹ, ĐHV [4] Hồ Quang Qúy - Vũ Ngọc Sáu, (2005), Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, nxb ĐHQG Hà Nội [5] Đoàn Hoài Sơn, (2007) Nghiên cứu vật lý công nghệ laser màu phản hồi phân bố , Luận án tiến sỹ , ĐHV [6] Эфендиев Т.Ш,Рубинов А.Н,Перестраиваеммый лазера с РОС.Ж.П.С, Т.21, №3,С.526-528,1974 [7].Дао суан Хой,Карамалиев Р.А,Изменение частоты в лазере с РОС, Тематический сборник научных трудов АГУ им.Кирова,1984,с.83-86 [8] Коgеlnik.Н, shank с.v, Соuрled wave theory of distributed feeback laser Арpl.рhys, v.43, №5, 2327-2335, 1972 [9] Франсон Морис.Голография.Пер.с Франц.С.И.Балашовой Под.ред.Ю.И.Остовского,МИР,с.246,1972 54 [10] Топон К.Ф,Висук В.В,Лаэеры на красителях с РОС, Кван.элек, №2, С.682-684,1977 [11].Рубинов А.Н,Эфендиев Т.Ш,лазеры на красителях с РОС, Кван Элек Т.3, №8,1976 [12].Рубинов А.Н,Эфендиев Т.Ш,лазеры на красителях с светоиндуцированной обратной связью.Кван.Элек.Т.9,№12,1982 [13].В.И.Лукьянов,Семсимов,лазеры с РОС,Кван.Эпек,Т.2,№11,С.23732397,1975 [14] Самсон А.М,Карамалиев Р.А,иэменение частоты иэлучения в процесе кваэистационарной генерации красителя,Ж.П.С,Т.14,Выпуск 1,С.45-52, 1971 ... ? ?Khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu? ?? Mục tiêu đề tài làm rõ nguyên nhân dẫn đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu. Từ khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu hệ laser màu phản... này, trước khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ, chúng tơi khảo sát nguyên nhân làm thay đổi bước sóng phát xạ laser màu Theo đánh giá [14] thì: Sự thay đổi bước sóng phát xạ laser màu q trình... nhân đưa đến thay đổi bước sóng phát xạ laser màu Từ đấy, khảo sát thay đổi bước sóng phát xạ laser màu hệ laser màu phản hồi phân bố.Tiếp theo khảo sát phụ thuộc bước sóng phát xạ vào nhiệt