I. Tổng quan về Laser màu
3. Điều kiện phát và ngỡng phát
Ta sẽ khảo sát quá trình xảy ra trên các mức đơn S0 và Si của phân tử chất màu. Trong Laser màu, cơ chế hoạt động của nó dựa trên cấu trúc của các mức năng lợng rộng. Khi chú ý tới độ rộng đáng kể của các mức, ta có thể xem nó gần đúng nh hệ lợng tử 4 mức năng lợng. Khi bỏ qua sự bức xạ tự động và không chú ý tới những trạng thái kích thích cao của phân tử, hệ số hấp thụ ánh sáng tại tần số ν sẽ có dạng: Kν = (N1B12 – N2 B21) g( ) c hv ν (5) B12; B21: Các hệ số Einstein N1, N2: Độ tích luỹ ở trạng thái 1 và 2 h: hằng số plank.
Hệ số hấp thụ của môi trờng hoạt chất sẽ là âm hay sự khuyếch đại của tần số ν sẽ xảy ra khi: N2 B21> N1 B12 (6).
Điều kiện (6) gọi là điều kiện nghịch đảo độ tích lũy.
Tuy nhiên điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ cha đảm bảo có chùm Laser phát ra khỏi buồng do bức xạ từ hoạt chất, tuy đợc khuyếch đại nhng còn chịu các mất mát của BCH.
ở trong BCH, các mất mát có thể là do nhiễu xạ ở các khẩu độ của gơng nh do hiện tợng phản xạ hay tán xạ. Nếu ta gọi Q là hệ số phẩm chất của BCH hay chính là đại lợng nghịch đảo với sự mất mát, gọi g(ν) là hàm chuẩn hoá đặc trng cho sự mở rộng vạch phổ bức xạ hay hấp thụ, thì khi đó điều kiện để có đ- ợc sự phát Laser là:
N2 – N1≥ Q.B1 g( )
21 ν
Theo biểu thức trên ta thấy điều kiện ngỡng phát phụ thuộc vào độ phẩm chất của BCH, sự mở rộng vạch và hệ số Einstein, khi điều kiện về ngỡng phát đợc thoã mãn thì sẽ xảy ra hoạt động phát Laser.
4. Buồng cộng hởng Laser màu:
Một BCH Laser màu băng rộng đơn giản bao gồm một Cuvette chứa dung dịch màu đợc đặt giữa hai gơng phản xạ song song. Dung dịch màu có thể đợc bơm luân chuyển qua Cuvette. Để tránh mất mát do phản xạ “ký sinh” trên thành Cuvette và hiệu ứng buồng cộng hởng nội (các cửa số thuỷ tinh của Cuvette làm thành một BCH), Cuvette đợc đặt nghiêng một góc 30-50 hoặc các cửa sổ đợc mạ chống phản xạ.
Để thu đợc sự phát Laser ta cần phải tạo đợc trong hệ sự nghịch đảo độ tích luỹ vợt quá điều kiện ngỡng phát.
Đối với BCH quang học có chiều dài 10cm và với gơng có hệ số phản xạ 95% thì giá trị ngỡng nghịch đảo với Laser màu thông thờng là 1014 phân tử /cm2. Để duy trì sự nghịch đảo nh vậy cần đòi hỏi công suất bơm cỡ 20kw/cm2.
Nguồn bơm cho Laser màu nói chung phải có cờng độ đủ cao nh các đèn xung và các loại Laser màu khác nhau. Phổ bức xạ của nguồn bơm cần phải phù hợp tốt với hấp thụ của chất màu.
Các thông số của BCH nh: độ phản xạ của các gơng, chiều dài BCH sẽ ảnh hởng đến phổ phát xạ của Laser màu.
Trong bài khoá luận này ta nghiên cứu rộng cho cả nồng độ dung dịch và nguồn bơm và ta tạm xem tất cả đó là các thông số trong BCHcó ảnh hởng đến phổ phát xạ.
ii. ảnh hởng của các thông số trong BCH đến phổ phát xạ leser màu. leser màu.
1. Tính chất chung của phổ phát xạ Leser.
Việc phát Laser chỉ có thể xảy ra khi độ khuyếch đại của môi trờng hoạt chất lớn hơn độ mất mát trong BCH, và lúc đó phổ Laser đợc phát ở xung quanh cực đại của đờng cong hệ số khuyếch đại.
Với Laser màu băng rộng, hệ số khuyếch đại của môi trờng. K(ν) = δe(ν) N1 - δa(ν) N0 (8).
Trong đó:
No, N1 là số phân tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích.
δa = B1o .g (v) c h 1 01 ν thiết diện hấp thụ δe = Bo1 .g (v) c h 0 10 ν thiết diện bức xạ Với N = No + N1 => N K = (δe +δa ) N N1 - δa (9).
Hình 15: Biểu diễn các đờng cong hệ số khuyếch đại K/N với những giá trị
N N1
khác nhau của dung dịch Rh 6G/ethanol đợc tính theo biểu thức (9) ta nhận thấy rằng.
Hệ số khuyếch đại không chỉ phụ thuộc bớc sóng mà còn phụ thuộc vào tỷ số
N N1
độ toàn phần N. Khi tỷ số
N N1
thay đổi thì không chỉ giá trị mà còn vị trí (theo bớc sóng) của cực đại của hệ số khuyếch đại thay đổi, dẫn đến bớc sóng ứng với cực đại của phổ phát xạ leser dịch chuyển.
Hình 15: Các đờng cong hệ số khuyếch đại (K/N) của dung dịch Leser màu Rh 6G/ethanol
(Với các giá trị
N
2. ảnh hởng của các thông số buồng trong BCH đến phổ bức xạ của Laser màu băng rộng. màu băng rộng.
Vùng phổ bức xạ của Leser màu bị giới hạn trong miền phổ huỳnh quang của chất màu, phổ phát xạ của Laser mà phụ thuộc các thông số trong BCH nh : Nồng độ dung dịch, phẩm chất của BCH, công suất bơm.
2.1. ảnh hởng của nồng độ dung dịch lên phổ phát xạ Laser màu.
Khi giữ cố định mức bơm và các thông số của BCH thì việc tăng nồng độ N làm cho tỷ số
N N1
giảm, dẫn tới hệ số khuyếch đại giảm, cực đại của hệ số khuyếch đại dịch về phía sóng dài dẫn đến bớc sóng ứng với cờng độ cực đại của phổ phát xạ của Laser dịch về phía sóng dài (nh hình 16)
Hình 16: Sự phụ thuộc phổ phát xạ Laser màu Rh6G/Ethanol vào nồng độ
Trên hình.16 cho ta thấy sự thay đổi phổ phát xạ Laser khi thay đổi nồng độ dung dịch với các thông số BCH là: chiều dài BCH L = 10cm, chiều dài của
môi chất l=1cm, hệ số phản xạ của gơng R1 = 1, R2=0,1. Tỷ lệ bơm trên ngỡng r = 15, xung bơm lấy dạng Gauss có độ rộng 10ns.
ở nồng độ ban đầu thấp, số phân tử đợc kích thích còn ít hệ số khuyếch đại nhỏ, ngỡng phát Laser sẽ cao nên độ rộng phổ còn hẹp. Khi tăng nồng độ thì hệ số khuyếch đại tăng, ngỡng phát Laser giảm khiến cho độ rộng phổ tăng .
Nhng khi tăng nồng độ của chất màu đến một mức khá cao thì điều kiện ngỡng chỉ đạt đợc trong một lớp mỏng ngay sau lối vào của tia kích thích. Nó sẽ làm tăng sự hao phí do nhiễu xạ, tăng mất mát do tự hấp thụ và tăng góc phân kỳ của tia trong BCH. Điều đó khiến ngỡng phát tăng nghĩa là làm độ rộng phổ sẽ giảm nếu tiếp tục tăng nồng độ chất màu.
Giới hạn thay đổi phổ phát xạ Laser theo nồng độ: Khoảng phổ chuyển bớc sóng của một Laser màu băng rộng ứng với một năng lợng bơm nhất định đợc giơí hạn bởi dải nồng độ mà Laser có thể hoạt động. Giới hạn nồng độ thấp nhất tơng ứng với nồng độ đạt đến ngỡng phát Laser, giới hạn cao nhất của nồng độ chất màu đợc quyết định bởi sự mất mát nhiễu xạ trong buồng cộng h- ởng.
* Hình ảnh thực nghiệm:
Hình 3 và bảng a trình bày kết quả khảo sát phổ phát xạ Laser Rh6G trong dung môi ethanol theo nồng độ trong điều kiện:
Năng lợng bơm: 0,69mJ/xung
Tỷ số bơm trên ngỡng ở nồng độ 3 x10–4: 2 Chiều dài BCH: 17 cm
Hệ số phản xạ gơng R1 = 10%; R2 = 33%.
Bảng a: Sự thay đổi phổ Laser khi thay đổi nồng độ chất màu Rh6G.
Nồng độ chất màu
C(mol/l) Bớc sóng cực đại(nm) Độ rộng phổ(nm)
5.10-3 569 3,43
10-3 567 3,00
3.10-4 555
Theo hình 17a, 17b và bảng a, trong điều kiện cho phép chỉ khảo sát khoảng nồng độ mà bớc sóng ứng với cực đại phổ phát xạ dịch chuyển về phía sóng dài (khoảng dịch chuyển là 14nm) và độ rộng phổ tăng khi nồng độ tăng.
Hình 17a: Sự thay đổi phổ phát xạ Laser băng rộng Rh6G/ethanol theo nồng độ
Hình 17b: Sự thay đổi bớc sóng và độ rộng phổ theo nồng độ.
Sự dịch chuyển này là hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết ở phần trên.
2.2. ảnh hởng của phẩm chất buồng cộng hởng lên phổ phát xạ Laser màu.
Khi giữ cho mức bơm và nồng độ chất màu không đổi, tăng độ phẩm chất của buồng cộng hởng (tức là tăng chiều dài BCH và tăng hệ số phản xạ của các g- ơng) thì ngỡng phát sẽ giảm và ngợc lại. Do đó hệ số khuyếch đại ở phần sóng dài có thể có giá trị lớn hơn ngỡng, điều này sẽ làm cho bớc sóng ứng với cờng độ cực đại của phổ phát xạ Laser màu dịch về phía sóng dài. Do đó độ rộng phổ tăng khi giảm độ mất mát trong buồng cộng hởng.
Hình 18a: Sự phụ thuộc của phổ phát xạ Laser màu Rh 6G/ethanol vào hệ số phản xạ của gơng.
Hình 18b: Sự phụ thuộc của phổ phát xạ Laser màu vào chiều dài buồng cộng hởng.
Trong các tính toán này, nồng độ dung dịch đợc giữ cố định là 5.1018cm-3, xung bơm có dạng gauss có độ rộng 10ns và tỷ số bơm trên ngỡng r=15. Từ hình 18a và 18b ta thấy khi giảm chiều dài BCH hoặc tăng hệ số phản xạ gơng của BCH thì phổ Laser màu dịch chuyển về phía sóng dài.
Ta thấy độ dịch chuyển khi thay đổi chiều dài lớn hơn nhiều so với độ dịch chuyển do thay đổi hệ số phản xạ. Tuy nhiên sự thay đổi này vẫn còn nhỏ hơn so với độ dịch chuyển khi thay đổi nồng độ dung dịch.
Chú ý: ở đây ta thay đổi chiều dài BCH là thay đổi L còn l chiều dài cuvette đựng dung dịch vẫn cố định bằng 1cm.
* Hình ảnh thực nghiệm:
a. Ngời ta thực hiện thí nghiệm chứng thực ảnh hởng của hệ số phản xạ lên phổ phát xạ.
- Công suất Laser bơm: 0,78mJ/ xung - Tỷ số bơm trên ngỡng: 2,76
- Chiều dài BCH: 17cm
- Nồng độ chất màu 10-3 mol/l.
Bảng b: Sự thay đổi phổ Laser màu khi thay đổi hệ số phản xạ của BCH.
Hệ số phản xạ (R%) Bớc sóng (nm) Độ rộng phổ (nm) 10 571 3,00 20 572 3,64 30 572,2 4,00 40 573,3 4,42
Giữ cố định gơng thứ nhất (gơng có hệ số phản xạ 33%), tăng hệ số phản xạ của gơng thứ hai; theo kết quả của bảng b, ta thấy trong khoảng từ 10% đến 40% thì độ rộng và bớc sóng tăng theo hệ số phản xạ gơng. Kết quả này rất phù hợp tốt với lý thuyết về mặt định tính.
b. ảnh hởng của chiều dài buồng cộng hởng lên phổ phát xạ.
- Năng lợng bơm 0,7mJ/ xung - Tỷ số bơm trên ngỡng: 2,3.
- Hệ số phản xạ R1 = 10%, R2 = 33% - Nồng độ chất màu: 10-3 mol/l
Hình 19a: Sự thay đổi phát xạ Laser màu băng rộng Rh6G/cthanol theo hệ số phản xạ.
Hình 19b: Sự thay đổi bớc sóng và độ rộng phổ theo hệ số phản xạ.
Bảng c: Sự thay đổi phổ Laser màu khi thay đổi chiều dài BCH. Chiều dài L (cm) Bớc sóng cực đại (nm) Độ rộng (nm) 32 564 1,93 25 568 2,79 19 569 3,00 8 576 4,07
Hình 20a: Sự thay đổi phổ phát xạ Laser màu Rh6G/cthanol theo chiều dài buồng cộng hởng.
Hình 20b: Sự dịch chuyển bớc sóng và độ rộng phổ theo chiều dài BCH.
ở đây đợc tạo bởi hai gơng và một cuvette đựng dung dịch màu có thể tính 1cm x 1cm x 3cm. Khi tăng chiều dài BCH(thể tích môi chất không tăng), sự mất mát tăng,hệ số KĐ giảm khiến cho bớc sóng ứng với cực đại phổ và độ rộng phổ cũng giảm.
2.3. ảnh hởng của mức bơm lên phổ phát xạ Laser màu:
Khi giữ cho nồng độ chất màu và các thông số của BCH không đổi, mức bơm vừa đủ để đạt đợc ngỡng phát Laser thì chỉ có một lớp mỏng các phân tử chất màu ở cửa sổ của cuvette nhận đợc năng lợng bơm,lớp chất màu đó giả sử gồm N phân tử. Còn khi mức bơm tăng đạt nhiều lần trên ngỡng thì số phân tử toàn phần N tăng lên, đồng thời số phân tử đợc kích thích N1 cùng tăng, và giá trị
N N1
thay đổi không đáng kể, dẫn đến hệ số khuyếch đại thay đổi rất nhỏ, b- ớc sóng ứng với cờng độ cực đại của phổ phát xạ của Laser dịch chuyển.
Đồng thời độ rộng của phổ phát xạ của Laser thay đổi nhỏ khi tăng mức bơm.
Hình 21: Sự phụ thuộc của phổ phát xạ Laser màu Rh6G/ethanol vào mức bơm.
Hình 21 biểu diễn sự thay đổi phổ phát xạ của Laser khi thay đổi mức bơm trên ngỡng từ 8-30 lần. Nồng độ dung dịch đợc lấy là 5.1018cm-3 các thông số buồng cộng hởng là L=10cm, l=1cm, R1 = 1; R2 = 0,1, xung bơm dạng gauss có độ rộng bằng 10 ns.
* Hình ảnh thực nghiệm:
Do năng lợng bơm Laser Nitơ thấp nên chỉ thực hiện phép đo với ba tỷ số bơm trên ngỡng và thấy kết quả là hợp lý so với lý thuyết nghĩa là độ rộng phổ và bớc sóng ứng với cực đại tăng không đáng kể khi tăng tỷ số bơm trên ngỡng.
- Chiều dài BCH: 17cm
- Hệ số phản xạ gơng R1 = 10%, R2 = 33% - Nồng độ chất màu: 5.10-3 mol/l
- Năng lợng bơm ngỡng: 0,22mJ/xung
Bảng d: Sự thay đổi phổ Laser khi thay đổi mức lớn trên ngỡng.
Tỷ số bơm trên ngỡng (r) Bớc sóng cực đại nm) Độ rộng phổ (nm) 2 568,3 3,219 1,36 568 3,219 1,1 567,8 3,004
Hình 22a: Sự thay đổi phổ phát xạ Laser màu băng rộng Rh6G/ethanol theo mức bơm.
Hình22b: Sự thay đổi bớc sóng và độ rộng phổ theo mức bơm
* Nhận xét chung:
Các kết quả thu đợc cho ta thấy.
- Thông thờng độ rộng phổ phát xạ Laser màu ∼ 10nm, nhng kết quả thu đợc ở trên chỉ nằm trong khoảng 1,9 nm – 4,1nm. Sở dĩ có sự sai lệch nh vậy là vì: Một BCH thông thờng đợc dùng một gơng có hệ số phản xạ thấp, một g- ơng có hệ số phản xạ cao (∼99%) còn trong quá trình làm thực nghiệm thay vì sử dụng một gơng hệ số phản xạ cao ở đây thực nghiệm sử dụng gơng chọn lọc bớc sóng đối với Laser màu (hệ số phản xạ 33%) nên độ rộng phổ của phát xạ Laser màu nhỏ.
- Khi giảm chiều dài BCH hoặc tăng công suất Laser bơm hoặc tăng nồng độ chất màu hoặc tăng hệ số phản xạ gơng các bớc sóng ứng với cực đại của phổ phát xạ Laser màu dịch về phía sóng dài, đồng thời độ rộng phổ Laser màu cũng tăng. Tuy nhiên, sự dịch chuyển bớc sóng và sự thay đổi độ rộng phổ ở những điều kiện xác định không thật hoàn toàn tuyến tính.
- Trong những kết quả của việc thay đổi nồng độ dung dịch màu, mức bơm, hệ số phản xạ gơng, chiều dài BCH thì sự dịch chuyển bớc sóng và sự thay đổi độ rộng phổ trong trờng hợp thay đổi nồng độ dung dịch màu, thay đổi chiều dài BCH là đáng kể. Từ đó ta thấy hiệu ứng cho phép thay đổi hay lựa chọn bớc sóng Laser khi thay đổi nồng độ dung dịch màu, phơng pháp này đơn giản và dễ thực hiện. Còn việc thay đổi chiều dài BCH thì có khó khăn hơn về kết cấu cơ khí và điều chỉnh quang học.
Kết luận
Trong khoá luận này đã đa ra một cách đầy đủ, tổng quan về khái niệm BCH quang học: cấu trúc, chức năng, nhiệm vụ của BCH, cấu trúc trờng trên các gơng và cách thức truyền các mode trong BCH.
Qua đó đã khẳng định: Mặc dù cấu tạo của BCH quang học tơng đối đơn giản, nhng các quá trình xảy ra phức tạp.Trong BCH tồn tại rất nhiều mode, mỗi một mode mang một tần số. Nên để cho máy có thể phát đơn mode thì ta cần phải sử dụng các BCH lọc lựa.
Đặc biệt bài khoá luận đi sâu vào nghiên cứu sự ảnh hởng của các thông số trong BCH lên phổ phát xạ Leser màu.
Kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã cho phép chứng