Một số tính chất phổ của laser màu băng rộng

Khóa luận tốt nghiệp Tr-ờng Đại học vinh Khoa vật lý -*** - Phan tiÕn thÞnh Mét số tính chất phổ laser màu băng rộng Khoá luận tốt nghiệp đại học Vinh 05/2008 Khóa luận tốt nghiệp Tr-ờng Đại học vinh Khoa vật lý -*** - Mét sè tÝnh chÊt phæ laser màu băng rộng Khoá luận tốt nghiệp đại học Ngành: s- phạm vật lý Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: TS Đoàn hOài sơn Sinh viên thực Lớp : Phan tiÕn thÞnh : 45A - VËt Lý Vinh – 05/2008 2 Khãa ln tèt nghiƯp Mơc lơc Trang Mở đầu Phần I: Nội dung Phần II: Ch-ơng I: Tổng quan Laser màu I Chất màu 1.Giản đồ l-ợng chất màu chuyển dời chđ u Phỉ cđa chÊt mµu II Nguyên tắc điều kiện hoạt động Laser màu Nguyên tắc hoạt động Laser màu Điều kiện hoạt động Laser màu 10 III Cấu hình Laser màu 12 Ch-ơng II: tính chất phổ Laser màu băng rộng I Hệ ph-ơng trình tốc độ Laser màu 16 II ảnh h-ởng nồng độ, thông số bơm mức bơm đến phổ phát xạ Laser màu băng rộng 20 ảnh h-ởng nồng độ dung dịch đến phổ chất màu 20 ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng đến phổ phát xạ Laser màu 21 ảnh h-ởng mức bơm đến phổ phát xạ Laser 23 III.Tiến trình phổ phát xạ Laser màu Tiến trình phổ phát xạ Laser màu băng rộng 3 25 Khãa ln tèt nghiƯp TiÕn tr×nh phỉ phát xạ Laser từ buồng cộng h-ởng Laser có sư dơng Fabrry – Perot 32 PhÇn III: KÕt ln 34 Tài liệu tham khảo 35 Phần I Mở đầu Sự đời Laser màu thµnh tùu khoa häc quan träng nhÊt cđa thÕ kû XX Hơn 30 năm qua, Vật lý Công nghệ Laser đà phát triển nhanh chóng không ngừng có ảnh h-ởng to lớn trực tiếp lên lĩnh vực khoa học, công nghệ sống Laser màu có môi tr-ờng hoạt chất dung dịch màu hữu Đó môi tr-ờng hoạt chÊt cã ®é ®ång nhÊt quang häc cao, cho phÐp đạt đ-ợc hệ số khuếch đại lớn Những đặc điểm nµy cho phÐp Laser mµu cã mét hiƯu st biÕn đổi Laser cao hoạt động tốt điều kiện vật lý chế độ Laser khác chế độ băng rộng, dung dịch chất màu cho phép phát xạ Laser có độ rộng phổ lớn, từ 20 - 30 nm, nh-ng chế độ băng hẹp Laser màu cho xạ đơn sắc Laser màu hoạt động chế độ liên tục chế độ xung, bơm đèn xung nguồn Laser khác thích hợp Một -u điểm đặc biệt Laser màu cho phép phát đ-ợc xạ kết hợp b-ớc sóng tuỳ ý mét kho¶ng phỉ rÊt réng (tõ vïng tư ngoại gần đến hồng ngoại gần) Laser màu đời năm 1966 bơm dung dịch chất màu hữu Laser ruby đèn xung Từ đến Laser màu đà không ngừng đ-ợc phát triển hoàn thiện, nhiều cấu hình Laser màu khác đ-ợc xây dựng Ngày Laser đà đ-ợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt Khóa luận tốt nghiệp nguồn sáng quan trọng cần thiết cho nghiên cứu quang häc vµ quang phỉ thêi gian cùc nhanh Ngoµi nhờ tính chất điều chỉnh liên tục b-ớc sóng Laser màu nên đối t-ợng ứng dụng lý t-ëng cho kü tht läc lùa cịng nh- nghiªn cøu cấu trúc vi mô, cấu trúc siêu tinh tế nguyên tử phân tử Trong điều kiện sở vËt chÊt cđa n-íc ta, nghiªn cøu vËt lý Laser màu không giới hạn nghiên cứu mà thực gắn liền với yêu cầu cấp thiết để phát triển công nghệ Laser ph-ơng pháp quang phổ Laser đại Xây dựng hệ màu bơm Laser (nh- Laser nitơ, Laser Nd:YAG, ) hoàn toàn tiến hành đ-ợc điều kiện n-ớc ta Trong luận văn tìm hiểu số tính chất phổ trình phát xạ Laser màu băng rộng, trình hoạt động Laser điều kiện vật lý khác Qua đó, nhằm nâng cao nhận thức lĩnh vực khoa học đ-ợc nhiều quan tâm nghiên cứu đ-ợc ứng dụng nhiều thực tiễn Bản khóa luận bao gồm hai ch-ơng: Ch-ơng 1: Tổng quan Laser màu Phần trình bày số vấn đề chung Laser màu: Chất màu Laser, phổ chất màu số cấu hình hoạt động Laser màu Ch-ơng 2: Một số tính chất phổ Laser màu băng rộng Đây nội dung kết nghiên cứu khóa luận Dựa hệ ph-ơng trình tốc độ mở rộng nghiên cứu số tính chất phổ phát xạ Laser màu băng rộng điều kiện vật lý khác Trong trình học tập nghiên cứu để hoàn thành khóa luận này, đ-ợc h-ớng dẫn nhiệt tình thầy giáo thân đà có nhiều cố gắng, song điều kiện hạn chế khách quan, chủ quan nên khóa luận chắn có nhiều thiếu sót Rất mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp giúp đỡ thầy cô giáo bạn Khóa luận tốt nghiệp Vinh, ngày 10 tháng 05 năm 2008 Tác giả NộI dung Phần II Ch-ơng I tổng quan Laser màu T-ơng tự nh- Laser khác, Laser màu đơn giản bao gồm ba phần: Môi tr-ờng khuếch đại (hoạt chất), buồng cộng h-ởng nguồn bơm Hoạt chất dùng Laser màu chất màu hữu pha dung môi thích hợp với nồng độ thông th-ờng từ 10-3 đến 10-5 M/1 Đặc điểm bật Laser màu phép phân tích quang phổ khả ®iỊu chØnh liªn tơc b-íc sãng trªn miỊn phỉ réng, sử dụng chất màu thích hợp thu đ-ợc xạ Laser màu từ vùng hồng ngoại gần, vùng khả kiến vùng tử ngoại gần Buồng cộng h-ởng quang học Laser màu nh- Laser khác, phổ biến t-ơng tự nh- buồng cộng h-ởng Fabry-Perot Laser màu th-ờng đ-ợc bơm quang học đèn chớp loại Laser thích hợp (Laser nitơ, Laser excimer, hòa ba bậc hai Laser ruby, Nd:YAG, ) I chất màu Laser Các chất màu dùng cho Laser hợp chất hữu có chứa mối liên kết đôi liên hợp, hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích vùng tử ngoại vùng nhìn thấy Cấu trúc hoá học chúng đặc tr-ng tổ hợp vòng benzene, vòng pyrridine, vòng azine, vòng pyron, nằm mặt phẳng Các chất Khóa luận tốt nghiệp màu phát quang mạnh đ-ợc chia thµnh nhãm: Xanthene, polymethine, oxazine, counmarine, antharacine, acridine, azine phthalocyanine Hình 1.1 trình bày cấu trúc hóa học chất điển hình Rhodamine6G chất màu thuộc nhóm xanthene, có cấu trúc sở vòng benzene Các dung môi th-ờng dùng là: n-ớc ethanol, methanol, cyclohexane, toluene, glycerine, benzene, acetone, H×nh 1.1 Cấu trúc hóa học củachất màu Rhodamine 6G Độ bền nhiệt bền quang hoá chất màu đặc tính quan trọng, ảnh h-ởng chủ yếu đến khả sử dụng chất màu làm hoạt chất cho Laser Các đặc tính thay đổi nhiều theo cấu trúc hoá học thực tế không theo quy luật tổng quát Độ bền nhiệt liên quan đến độ hấp thụ sóng dài Khó tìm thấy đ-ợc chất màu có cực đại hấp thụ sóng dài vùng hồng ngoại 1,0 m nhiệt độ phòng Vì hoạt động Laser màu nhiệt độ phòng bị giới hạn b-ớc sóng không ~1,7m Giới hạn phía sóng ngắn hoạt động Laser màu đ-ợc xác định hấp thụ chất màu chứa hai liên kết đôi liên hợp Dải hấp thụ sóng dài b-ớc sóng khoảng 220 nm Do Laser màu hầu nh- hoạt động b-ớc sóng d-ới 250 nm Khi Laser hoạt động vùng phổ ngắn, phân huỷ quang hóa chất màu xảy mạnh l-ợng photon kích thích lớn l-ợng liên kết phân tử Hơn nữa, vùng sóng ngắn, xác suất hấp thụ trạng thái kích thích trở nên cao xác suất phát xạ c-ỡng bức, điều ngăn cản hoạt động Laser Giản đồ mức l-ợng chất màu chuyển dời chủ yếu Khóa luận tốt nghiệp Các phân tử chất màu Laser phân tử hữu phức tạp bao gồm nhiều nguyên tử Chúng có nhiều trạng thái tổ hợp phức tạp trạng thái điện tử, trạng thái dao động trạng thái quay Do xác định xác cấu trúc mức l-ợng chất màu Dựa vào mẫu điện tử tự giản đồ mức l-ợng đơn giản hóa - phản ánh đặc điểm chủ yếu chuyển dời l-ợng tử phân tử màu - đ-ợc trình bày hình 1.2 Si ký hiệu trạng thái điện tử đơn (singlet), Ti ký hiệu trạng thái điện tử bội ba (triplet) Khi điện tử trạng thái singlet đó, spin đối song với spin phần lại phân tử, ng-ợc lại điện tử nằm trạng thái triplet, spin song song với spin phần lại phân tử Mỗi mức điện tử bao gồm tập hợp dày đặc mức dao động mức quay Với trạng thái điện tử kích thích đơn tồn trạng thái điện tử bội ba có l-ợng thấp chút Do va chạm, liên kết nội phân tử t-ơng tác tĩnh điện với phân tử lân cận (dung môi) mà vạch dao động đ-ợc mở rộng Các mức quay mở rộng chịu tác dụng va chạm Do chuyển dời mức điện tử nhiệt độ phòng cho phổ băng rộng Hình 1.2 Giản đồ mức l-ợng chuyển dời chủ yếu phân tử chất màu Khãa ln tèt nghiƯp C¸c chun dêi chđ u cđa phân tử màu đ-ợc thể hình 1.2 Trong mũi tên thẳng biểu diễn chuyển dời quang học, mũi tên l-ợn sóng biểu diễn chuyển dời phi quang học Năng l-ợng dao động trung bình nhiệt độ phòng E 0,125eV, mà khoảng cách mức dao động cỡ E ~ 0,125eV nên nhiệt độ phòng ch-a bị kích thích, phân tử chủ yếu nằm trạng thái thấp S00 theo phân bố Boltzmann Các chuyển dời single-triplet xảy kèm theo đổi dấu spin phân tử, có xác suất nhỏ so với chuyển dời singlet-singlet triplet-triplet Khi kích thích, phân tử nhảy từ trạng thái điện tử S0 lên trạng thái dao động S1v trạng thái điện tử kích thích S1 trạng thái (trong khoảng thời gian 10-11s) phân tử nhanh chóng hồi phục không xạ xuống mức dao động thấp S 10 Tõ møc S10 ph©n tư cã thĨ chun dời xuống mức dao động cao S0v trạng thái điện tử S0 kèm theo xạ ¸nh s¸ng Tõ S1 ph©n tư cịng cã thĨ thùc hiƯn c¸c chun dêi sau: Chun dêi hÊp thơ S1 S2, chuyển dời không xạ S1 S0, chuyển dời không xạ singlet-triplet S1 T1 Chuyển dời T1 T2 hấp thụ xạ bơm chuyển dời T1 S0 xảy Trạng thái S10 trạng thái kích thích có thời gian sống t-ơng đối lâu (~10 ns) Đó trạng thái xuất phát chủ yếu cho xạ theo kênh huỳnh quang S 10 S0v Khi bơm thích hợp, nghịch đảo mật độ tích lũy xảy trạng thái S10 với trạng thái S0v Nh- hoạt động Laser màu coi nh- hoạt động mức: Mức mức S00, mức 2- mức Laser d-ới mức dao động S0v, mức 3- mức Laser mức S10, mức gồm mức dao động S1v Sự tích lũy phân tử mức T1, chuyển dời S1 S2, chuyển dời không xạ S1 S0 nh- S1 T1 S0 lợi cho hoạt động Laser Đặc biệt, tích lũy phân tử mức T1 có thời gian sống dài ngăn cản phát Laser nên phải đ-ợc ý, với Laser màu dùng xung bơm dài Khóa luận tốt nghiệp Quang phổ chất màu Các phân tử chất màu hấp thụ xạ quang học nằm vùng phổ từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Hình 1.3: Phổ hấp thụ huỳnh quang dung dịch chất màu Rh6G/Ethanol, nồng độ 10-4 M/l Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang chất màu băng réng (cì 30 nm - 100 nm), Ýt cÊu tróc không trùng chập Hình 1.3 trình bày phổ hÊp thơ, hnh quang cđa chÊt mµu Rhodamine 6G dung môi ethanol Phổ hấp thụ giảm nhanh phía sóng dài, giảm chậm phía sóng ngắn Ng-ợc lại, phổ huỳnh quang giảm nhanh phía sóng ngắn chậm phía sóng dài Cực đại toàn phổ huỳnh quang dịch chuyển phía sóng dài so với phổ hấp thụ Độ dịch chuyển xác định dịch chuyển Stokes Phổ huỳnh quang đối xứng g-ơng với phổ hấp thụ Phần sóng dài phổ hấp thụ th-ờng chồng lên phần sóng ngắn phổ huỳnh quang Sự hấp thụ ứng với dịch chuyển từ trạng thái S0 lên trạng thái triplet T1 bị cấm theo spin Băng hấp thụ sóng dài ứng với dịch chuyển S S1, b-ớc sóng ngắn ứng với chuyển dời S0 S2 , S0 S3,  10  Khãa luËn tèt nghiÖp Laser, tính toán mình, sử dụng hệ ph-ơng trình gồm n ph-ơng trình c-ờng độ cho phủ hết đ-ợc băng phổ xạ Tất kết lý thuyết d-ới thu đ-ợc việc giải hệ ph-ơng trình tốc độ (2.13) (2.14) mở rộng tới n ph-ơng trình cho c-ờng độ Việc giải đ-ợc tiến hành m¸y tÝnh, sư dơng tht to¸n Runge – Kutta bËc II ảnh h-ởng nồng độ, thông số BCH mức bơm đến phổ phát xạ Laser màu băng rộng Do mát buồng cộng h-ởng, vùng phổ xạ Laser màu bị giới hạn phần phổ huỳnh quang chất màu Phổ phát xạ Laser màu phụ thuộc vào dung môi, nồng độ dung dịch, phẩm chất buồng cộng h-ởng, công suất bơm, Các kết thu đ-ợc việc giải hệ ph-ơng trình (2.13), (2.14) với 60 ph-ơng trình cho c-ờng độ Laser ph-ơng trình cho độ tích lũy, bao quát khoảng phổ rộng 30 nm đ-ợc trình bày hình 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 cho ta thấy thay đổi phổ phát xạ (theo thời gian) Laser màu Rh6G/Ethanol thay đổi nồng độ dung dịch, chiều dài buồng cộng h-ởng, hệ số phản xạ R2 g-ơng, mức bơm ng-ỡng ảnh h-ởng nồng độ dung dịch đến phổ chất màu Hình 2.2 cho thấy phụ thuộc phổ phát xạ Laser màu Rhodamine6G/Ethanol vào nồng độ dung dịch Trong toán này, thông số buồng cộng h-ởng lấy giá trị: Chiều dài buồng cộng h-ởng L = 10cm, chiều dài môi tr-ờng hoạt chất 1=1 cm, hệ số phản xạ g-ơng R1=1, R2= 0.1 , tỷ số bơm ng-ỡng r = 15, xung bơm lấy dạng Gauss có độ rộng 10 ns (FWHM) Khi giữ cố định mức bơm thông số buồng cộng h-ởng việc tăng nồng độ dung dịch N làm cho tỷ số N1/N giảm dẫn đến hệ số khuếch đại giảm, cực đại hệ số khuếch đại dịch phía sóng dài b-ớc sóng ứng với c-ờng độ cực đại phổ phát xạ Laser dịch chuyển phía sóng dài, ®é  24  Khãa ln tèt nghiƯp dÞch chun Laser lớn (cực đại phổ Laser tích phân tr-ờng hợp dịch chuyển ~17 nm) Nguyên nhân giải thích nh- sau: nồng độ ban đầu thấp, số phân tử đ-ợc kích thích ít, hệ số khuếch đại nhỏ, ng-ỡng phát Laser cao nên độ rộng phổ hẹp Khi tăng nồng độ hệ số khuếch đại tăng, ng-ỡng phát Laser giảm khiến độ rộng phổ tăng lên Nh-ng tăng nồng độ đến mức cao điều kiện ng-ỡng đạt đ-ợc lớp máng lèi vµo cđa tia kÝch thÝch Nã sÏ làm tăng hao phí nhiễu xạ, tăng mát t-ợng tự hấp thụ tăng góc phân kỳ tia buồng cộng h-ởng Điều khiến ng-ỡng phát tăng, nghĩa độ rộng phổ giảm tiếp tục tăng nồng độ chất màu Hình 2.2: Sự phụ thuộc phổ phát xạ laser màu Rh6G/Ethanol vào nồng độ Hình 2.2 cho thấy sử dụng dung dịch Rh6G/Ethanol làm môi tr-ờng hoạt chất, cách chọn nồng độ thích hợp (giữa 1018 cm-3 5x1019 cm-3), ta phát xạ Laser b-ớc sãng bÊt kú kho¶ng 570 – 600 nm ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng đến phổ phát xạ Laser màu 25 Khóa luận tốt nghiệp Khi giữ cho mức bơm nồng độ chất màu không đổi, tăng độ phẩm chất buồng cộng h-ởng (thay đổi hệ số phản xạ g-ơng, chiều dài buồng cộng h-ởng) ng-ỡng phát Laser giảm ng-ợc lại Do hệ số khuếch đại phần sóng dài có giá trị lớn ng-ỡng, điều làm cho b-ớc sóng ứng với c-ờng độ cực đại phổ phát xạ Laser màu dịch chuyển phía sóng dài Do độ rộng phổ tăng giảm độ mát buồng cộng h-ởng Khi thay đổi chiều dài hệ số phản xạ g-ơng buồng cộng h-ởng, phổ Laser tích phân thay đổi nh- biểu diễn hình 2.3 2.4 Hình 2.3 Sự phụ thuộc phổ phát xạ laser màu Rh6G/Ethanol vào chiều dài buồng cộng h-ởng Trong tính toán này, nồng độ dung dịch đ-ợc giữ cố định 5x10 18 cm-3, xung bơm sử dụng dạng Gauss có độ rộng 10ns (FWHM) tỷ số bơm ng-ỡng r = 15 Từ hình 2.3 2.4 ta thấy giảm chiều dài buồng cộng h-ởng tăng hệ số phản xạ g-ơng buồng cộng h-ởng phổ Laser tích phân dịch chuyển phía sóng dài Thoạt tiên, d-ờng nh- dịch chuyển phổ Laser có sai khác hình 2.3 1.5 Trên hình 1.5, tăng chiều dài  26  Khãa luËn tèt nghiÖp buång céng h-ëng (L tăng từ -> cm), phổ Laser dịch chuyển phía sóng dài hình 2.3 dịch chuyển xảy theo chiều ng-ợc lại Sự khác biệt đ-ờng cong hình 1.5 đ-ợc vẽ cho tr-ờng hợp L=l Chiều dài buồng cộng h-ởng chiều dài cuvette đựng dung dịch Còn đ-ờng cong hình 2.3 đ-ợc vẽ tr-ờng hợp L l mà có L thay đổi l cố định cm Những kết với Laser màu Rh6G/Ethanol cho thấy: Độ dịch chuyển thay đổi chiều dài lớn nhiều so với độ dịch chuyển thay đổi hệ số phản xạ Tuy vậy, độ dịch chuyển thay đổi thông số buồng cộng h-ởng nhỏ nhiều so với độ dịch chuyển thay đổi nồng độ dung dịch 27 Khóa luận tốt nghiệp ảnh h-ởng mức bơm đến phổ phát xạ Laser Khi giữ cho nồng độ chất màu thông số buồng cộng h-ởng không đổi, mức bơm vừa đủ để đạt đ-ợc ng-ỡng phát Laser có lớp mỏng phân tử chất màu nhận đ-ợc l-ợng bơm Giả sử lớp chất màu gồm N phân tử, mức bơm tăng lên nhiều lần ng-ỡng số phân tử toàn phần N tăng lên, đồng thời số phân tử kích thích N đ-ợc tăng lên Do tỷ số N1/N thay đổi không đáng kể dẫn đến hệ số khuếch đại thay đổi nhỏ nên b-ớc sóng ứng với c-ờng độ cực đại phổ phát xạ Laser dịch chuyển dẫn đến độ rộng phổ phát xạ Laser thay đổi nhỏ ta tăng mức bơm Hình 2.5 biểu diễn thay đổi phổ Laser tích phân thay đổi mức bơm (lý thuyết) ng-ỡng từ - 30 lần Nồng độ dung dịch lấy 5x10-18 cm-3, thông số buồng cộng h-ởng thông số bơm là: chiều dài buồng cộng h-ởng L = 10cm, chiều dài môi tr-ờng hoạt chất l = cm, hệ sô phản xạ g-ơng R1 = 1, R2 = 0.1, tỷ số bơm ng-ỡng r = 15, xung bơm dạng Gauss rộng 10ns (FWHM) Nh- ta thấy hình, thay đổi mức bơm, phổ Laser tích phân hầu nh- không dịch chuyển mà chủ yếu thay đổi c-ờng độ 28  Khãa ln tèt nghiƯp III TiÕn tr×nh phỉ phát xạ Laser màu Tiến trình phổ phát xạ Laser màu băng rộng Kết giải hệ ph-ơng trình tốc độ (gồm ph-ơng trình cho độ tích lũy N1 50 ph-ơng trình cho c-ờng độ Laser i, b-íc phỉ i=1 i= 0,5 nm) cho Laser màu Rh6G/Ethanol với nồng độ 5x1017 cm-3, biểu diễn hình từ 2.11 đến 2.14 cho thấy phát xạ Laser từ buồng cộng h-ởng băng rộng hàm b-ớc sóng thời gian Giá trị thông số buồng cộng h-ởng thông số bơm đ-a vào tính toán đ-ợc ghi hình Trong tính toán xung bơm đ-ợc lấy dạng Gauss réng 10 ns (FWHM)  29  Khãa luËn tốt nghiệp Hình 2.6 : Tiến trình phổ phát xạ từ BCH laser màu Rh6G/Ethanol, C=5x1017cm-3; L= 10 cm; l =1 cm; R1= 1; R2 = 0.1; r =50 Hình 2.7: Phổ laser tức thời thời điểm khác 30 Khóa luận tốt nghiệp Hình 2.8: Tiến trình phổ phát xạ laser từ BCH laser mµu Rh6G/Ethanol; L=30cm; l =1cm; R1=1 ; R2 = 0.1 ; r =15 H×nh 2.9 : TiÕn tr×nh phỉ phát xạ laser từ BCH laser màu Rh6G/Ethanol; L=2cm; l =1cm; R1=1 ; R2 = 0.1 ; r =15  31  Khãa ln tèt nghiƯp Phỉ Laser tøc thời thời điểm khác (tính cho tr-ờng hợp t-ơng ứng với hình 2.11) đ-ợc thể hình 2.12 Các kết qủa tính toán lý thuyết cho thấy rõ ràng có tiến trình phổ phát xạ Laser màu từ buồng cộng h-ởng Laser băng rộng thời điểm ban đầu, Laser bắt đầu phát phổ Laser rộng sau nhanh chóng hẹp dần lại đồng thời với chuyển dịch cực đại phía sóng dài Sự tắt phía sóng ngắn phổ xảy nhanh phÝa sãng dµi Sù qt phỉ vµ lµm hĐp phỉ phù hợp tốt với kết thực nghiệm đo đ-ợc streak camera chiều (Hình 2.15) Hình 2.10 : Phân tích chiều tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser từ BCH laser màu Rh6G/Ethanol ( L= 1cm; R1=R2= 0.1; r = 10) b»ng streak camera với tốc độ quét 1ns/mm Tiến trình thời gian c-ờng độ Laser vài b-ớc sóng phát xạ Laser (ứng với tr-ờng hợp hình 2.12) đ-ợc biểu diễn hình 2.16 Từ hình 2.16 ta nhận thấy, c-ờng độ Laser b-ớc sóng dài đạt cực đại sau c-ờng độ Laser b-ớc sóng ngắn Viết ph-ơng trình (2.14) cho hai b-ớc sóng i j, sau khử đại l-ợng N0, N1 ta thu đ-ợc ph-ơng trình cho tiến trình phổ cho biết thứ tự phát xạ hai b-íc sãng i vµ j I i t   I j t  Þ  T j / Ti exp t  ij   32  (2.16) Khóa luận tốt nghiệp Hình 2.11: C-ờng độ laser số b-ớc sóng điển hình Trong I i t   i t  / i 0 vµ I j t    j t  / j c-ờng độ Laser rút gọn ( i j thông l-ợng xạ thời điểm Laser khởi phát) Ti Tj thời gian ánh sáng có b-ớc sóng t-ơng ứng i j lại buồng cộng h-ởng đ-ợc vòng, ta lấy gần Ti = Tj = T ij thời gian tiến trình, đ-ợc xác định theo biểu thức: ij T LN  ij aj      ij (2.17) đại l-ợng ij phụ thuộc vào tiết diện ngang hấp thụ phát xạ theo biÓu thøc:  ij =  ei    ej   aj (2.18) Sù phô thuéc thời gian tiến trình phổ (2.16) chủ yếu gây bëi sè h¹ng exp t  ij  Sè h¹ng không phụ thuộc vào tốc độ bơm, tiến trình phổ xuất tốc độ tích lũy không thay đổi Ta nhìn thấy hình 2.14, xuất dao động hồi phục, tiến trình phổ không thay đổi 33  Khãa ln tèt nghiƯp Tõ c¸c biĨu thøc (2.17) vµ (2.18) ta thÊy ij = ij -1 vµ ij = - ij  ij §Ĩ thn tiƯn ta định nghĩa tham số đối xứng hoá k ij gọi tốc độ tiến trình, đ-ợc xác định theo biÓu thøc: 1 k ij   ij  ij 1 / (2.18) ®ã ta cã kij = -kji Hình 2.12: Sự phụ thuộc tốc độ tiến trình kij vào b-ớc sóng Tốc độ tiến trình kij hàm b-ớc sóng Hình 2.17 biểu diễn phụ thuộc kij vào b-ớc sóng chất màu Rh6G chọn b-ớc sóng j khác nhau: 569,5 nm; 572 nm 580 nm Ta nhận thấy với j = 580 nm, giá trị cực đại kij = Điều có nghĩa thời gian tiến trình i580 c-ờng độ Laser b-íc sãng j bÊt kú ®èi víi c-êng ®é Laser b-ớc sóng j = 580 nm luôn số âm (do ij luôn d-ơng), hay nói cách khác c-ờng độ Laser b-ớc sóng j 580 nm luôn đạt cực đại tr-ớc c-ờng độ Laser ë b-íc sãng 580nm Ta gäi b-íc sãng mµ c-ờng độ đạt cực đại sau (trong tr-ờng 34 Khóa luận tốt nghiệp hợp lµ b-íc sãng 580nm ) lµ b-íc sãng “ giíi hạn - Phát xạ Laser băng rộng theo thời gian d-ờng nh- bị nén dần phía b-ớc sóng Điều phù hợp với kết tính toán biểu diễn hình 2.6 Khi biết phổ hÊp thơ vµ phỉ hnh quang cđa chÊt mµu, biÕt giá trị tham số buồng cộng h-ởng, giá trị xác định đ-ợc từ điều kiện dki / di  =0 Khi tÝnh to¸n víi c¸c nồng độ dung dịch khác tham số buồng cộng h-ởng khác (chiều dài buồng cộng h-ởng, hệ số phản xạ g-ơng) nhận thấy rằng: B-ớc sóng giới hạn luôn nằm phía đỏ cực đại phổ Laser tích phân Trong tr-ờng hợp buồng cộng h-ởng Laser màu điều kiện tính toán đà nói trên, ta nhận thấy cực đại phổ Laser tích phân n»m ë b-íc sãng 579,5 nm cßn b-íc sãng  580nm Tiến trình phổ phát xạ Laser tõ bng céng h-ëng Laser cã sư dơng Fabrry – Perot Khi đ-a vào buồng cộng h-ởng Laser màu yếu tố lọc lựa, phổ Laser tích phân thu đ-ợc có độ rộng nhỏ vài bậc Nguyên nhân cđa sù lµm hĐp phỉ nµy lµ u tè lọc lựa đà cung cấp hệ số mát phụ thuộc vào b-ớc sóng, mà có giá trị nhỏ khoảng phổ hẹp Giả sử đ-a vào buång céng h-ëng mét mÉu Fabry – Perot cã khoảng phổ tự finesse F, hệ số mát sau chu trình ánh sáng lại buồng cộng h-ởng là:     Ln R1 R2 J  2 (2.19) J( hàm truyền qua Fabry – Porot:   2F   0   J    1   sin        1 víi 0 lµ b-ớc sóng ứng với cực đại truyền qua 35  Khãa ln tèt nghiƯp H×nh 2.13: Phỉ laser tøc thêi ph¸t tõ BCH chøa Fabry- Perot Phỉ Laser tức thời thu đ-ợc từ việc giải hệ ph-ơng trình tốc độ (2.13), (2.14) với hệ số mát theo (2.19), 0= 579 nm; F = 5;  = (Hình 2.18) cho thấy làm hẹp phổ dịch chuyển cực đại (~0.02 nm) thời gian phát xạ Nh- vậy, không với buồng cộng h-ởng băng réng, mét buång céng h-ëng läc lùa dïng mÉu Fabry – Perot cịng cho thÊy mét sù dÞch chun cùc đại làm hẹp phổ liên tục phát xạ Laser Tóm lại, việc giải hệ ph-ơng trình tốc độ mở rộng đ-ợc xây dựng mô hình Laser màu hai mức rộng đà làm sáng tỏ trình vật lý buồng cộng h-ởng Laser màu băng rộng Sự thay đổi phổ phát xạ Laser màu ảnh h-ởng nồng độ, thông số buồng cộng h-ởng công suất bơm đà ®-ỵc chøng tá  36  Khãa ln tèt nghiƯp Phần III Kết luận Các kết tìm hiểu lý thuyết với điều kiện vật lý khác thu đ-ợc sở giải hệ ph-ơng trình tốc độ mở rộng cho phép mô tả đầy đủ t-ợng vật lý xảy phát xạ Laser màu từ buồng cộng h-ởng Laser màu băng rộng Kết nghiên cứu lý thuyết khóa luận đà rõ: Sự ảnh h-ởng nồng độ chất màu lên phổ băng rộng Laser màu Sự ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng: chiều dài, hệ số phản xạ g-ơng lên phổ băng rộng Laser màu Sự ảnh h-ởng thông số bơm lên phổ băng rộng Laser màu Tiến trình phổ phát xạ Laser màu băng rộng Từ dịch chuyển b-ớc sóng ứng với cực đại phổ thay đổi độ rộng phổ đà cho thấy đ-ợc khả chọn đ-ợc b-ớc sóng cần thiết (nằm giới hạn) cách thay đổi thông số Dựa kết nghiên cøu vỊ mét sè tÝnh chÊt cđa phỉ Laser mµu băng rộng tối -u trình Công nghệ Laser màu băng rộng, băng hẹp, Laser màu phân giải cao, Laser màu xung ngắn để thu đ-ợc hiệu ứng cần thiết cho ứng dụng khác nghiên cứu khoa học thực tiễn  37  Khãa ln tèt nghiƯp Tµi liƯu tham khảo Nguyễn Đại H-ng, (2004), Vật lý kỹ thuật Laser , Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội Lê Hoàng Hải, (1999), Một số nghiên cứu động học Laser màu xung băng rộng , Luận văn thạc sĩ Vật lý Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến, (1999), Vật lý Laser ứng dụng , Nxb ĐHQGHN, Hà Nội Nguyễn Đại H-ng, (1998), Laser với chất màu hữu , (Tập giảng Lớp Học Mùa Hè Quang Điện tử Quang học Vật rắn , Đại học Huế ) 38 ... Ch-ơng 1: Tổng quan Laser màu Phần trình bày số vấn đề chung Laser màu: Chất màu Laser, phổ chất màu số cấu hình hoạt động Laser màu Ch-ơng 2: Một số tính chất phổ Laser màu băng rộng Đây nội dung... III Cấu hình Laser màu 12 Ch-ơng II: tính chất phổ Laser màu băng rộng I Hệ ph-ơng trình tốc độ Laser màu 16 II ảnh h-ởng nồng độ, thông số bơm mức bơm đến phổ phát xạ Laser màu băng rộng 20 ảnh... băng rộng Laser màu Sự ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng: chiều dài, hệ số phản xạ g-ơng lên phổ băng rộng Laser màu Sự ảnh h-ởng thông số bơm lên phổ băng rộng Laser màu Tiến trình phổ phát