Sự phõn hủy của phõn tử màu trong nền rắn trong quỏ trỡnh hoạt động laser là hạn chế căn bản của vật liệu laser màu rắn. Tại vị trớ chựm bơm chiếu vào mẫu rắn khi hoạt động laser kết thỳc, để lại vệt trong suốt (mất màu) bằng đường kớnh vết bơm. Khi đú sự tẩy màu khụng đảo ngược hồi phục lại được.
Trong khi đú, với mụi trường dung dịch, phõn tử màu cú thể tự động trở lại chỗ cũ nhờ chuyển động Brow và nhờ hệ thống luõn chuyển, luụn cú những phõn tử màu mới được đưa đến thể tớch được bơm.
2.1.6. Khả năng khuếch đại của mụi trường laser phõn tử màu rắn
Trong hoạt động laser băng rộng, việc phỏt laser chỉ cú thể xảy ra khi độ khuếch đại của mụi trường hoạt chất lớn hơn độ mất mỏt trong buồng cộng hưởng (BCH), do vậy, phổ laser băng rộng được phỏt ra nằm ở xung quanh vựng cực đại của cụng tua khuếch đại γ(λ).
Tiến hành khảo sỏt cỏc khả năng khuếch đại (γ) của mụi trường laser phõn tử màu ở trong nền rắn. Hệ số khuếch đại của mụi trường hoạt chất γ(υ) được biểu diễn [8]: [ ( e a)N1/N ] a N / = σ +σ −σ γ (2.5) 1 0 1 1 1 exp ( ) / ( ) k a p N h N kT I c λ λ σ λ τ = + + − (2.6) Trong đú: N1, N0 là nồng độ phõn tử ở trạng thỏi cơ bản và trạng thỏi kớch thớch; σa, σe là tiết diện hấp thụ và tiết diện bức xạ; N là nồng độ phõn tử N = N0
+ N1, Tk là nhiệt độ tuyệt đối, k là hằng số Boltzmann, λ0 là bước súng của vạch trung tõm.
32
Sử dụng phương phỏp số với phần mềm Maple, chỳng tụi vẽ được đồ thị biểu diễn hệ số khuếch đại (γ/N) của mụi trường laser màu rắn pyrromethene 567/polymer (C= 1.75x104mol/l và Rhodamine 6G/polymer (C=104mol/l) theo bước súng của laser được thể hiện trờn cỏc hỡnh 2.5 và 2.6.
Hỡnh 2.5. Hệ số khuếch đại (γ/N) của mụi trường laser màu rắn pyrromethene567/polymer (C= 1.75x104mol/l
540 550 560 570 580 590 600 -1 0 1 2 3 4 5 x 10-16 Bư ớcưsóngư(nm) γ / N ( c m 2 ) γ = σeN1-σaN0 N1/N = 1 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
Hỡnh 2.6. Hệ số khuếch đại (γ/N) của mụi trường laser màu rắn Rhodamine 6G/polymer ( C=104mol/l)
Từ đồ thị cho thấy: hệ số khuếch đại phụ thuộc vào bước súng và tỉ số N1/N (nghĩa là phụ thuộc vào nồng độ phõn tử được kớch thớch N1 và nồng độ toàn phần N). Sự thay đổi tỉ số N1/N sẽ dẫn đến sự thay đổi của vị trớ (theo bước súng) cực đại của hệ số khuếch đại.
Mụi trường hoạt chất laser được khảo sỏt độ khuếch đại ở đõy là của phõn tử màu PM 567 và Rhodamine 6G trong nền polymer.
34
2.2. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LASER MÀU SỬ DỤNG HOẠT CHẤT PHÂN TỬ MÀU TRONG NỀN RẮN
2.2.1. Tuổi thọ laser của cỏc mẫu laser phõn tử màu
Cỏc phộp đo đó tiến hành trờn cỏc loại phõn tử màu khỏc nhau trong nền ormosil là hiệu suất laser (slope efficiency), tuổi thọ laser, ngưỡng phỏt, ngưỡng phỏ hủy. Cỏc đặc tớnh này được xỏc định với mỗi loại phõn tử màu trong họ pyrromethene ở cỏc nồng độ khỏc nhau để lựa chọn nồng độ tối ưu cho mỗi loại phõn tử màu. Độ bền húa của vật liệu laser phõn tử màu này sau thời gian dài được bảo quản ở những điều kiện khỏc nhau xỏc định sự hoạt động của laser.
Trong cụng trỡnh [8] đó tiến hành đo tuổi thọ của cỏc mẫu laser màu rắn với cỏc phõn tử màu khỏc nhau trong họ pyrromethene như PM 567,PM 597 với cựng điều kiện thớ nghiệm và cựng nồng độ. Kết quả được đưa trờn bảng 2.1, cho thấy cỏc phõn tử màu họ pyrromethene cú tuổi thọ rất cao. Trong phõn tử màu pyrromethene, độ bền quang của phõn tử màu được xếp lần lượt theo thứ tự:
PM 567 < PM 597< PM580
Nghĩa là phõn tử màu PM567 cú độ bền thấp, cỏc phõn tử màu PM 597 cú độ bền trung bỡnh, cũn phõn tử màu PM 580 bền.
Bảng 2.1 Tuổi thọ của cỏc chất màu họ pyrromethene trong nền ormosil
Phân tử màu (nồng độ 5,5.10- 4M/l) Tuổi thọ (103 xung) PM 597 210 PM 567 180 PM 580 260
2.2.2 Hiệu suất laser
Trong cụng trỡnh [8] đó tiến hành đo sự thay đổi của năng lượng laser ra theo năng lượng bơm vào trờn cỏc mẫu rắn PM 567, PM 597, PM 580, từ đú ta tớnh được hiệu suất chuyển đổi (slope efficiency) của mỗi mẫu.
Trờn đồ thị hỡnh 5.3 biểu diễn cỏc kết quả đo năng lượng laser màu theo năng lượng bơm trờn mẫuPM 567/ormosilnồng độ 5,5.10-4 M/l được chế tạo từ năm 1995-1996. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Y =-0,04291+0,5052 X Nă ng l ợn g x un g l as er m àu (m J) Năng l ợng bơm (mJ)
Hình 2.2. Đờng biểu diễn năng lợng xung laser màu ra theo năng lợng bơm
của laser phân tử màu PM 567/ormosil( 5,5.10-4M/l)
Kết quả cho thấy, hệ số gúc của đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng ra theo năng lượng bơm đối với PM 567/ormosil là 54%. Hiệu suất laser ban đầu là 40%. Ngưỡng phỏt ngoại suy tại điểm cú tớn hiệu lớn hơn tớnh hiệu phụng nền (phụng là 60àJ) được biểu diễn trờn dao động ký là 0.075mJ.Ngưỡng phỏt xỏc định tại vị trớ mà đường biễu diễn trờn cắt trục hoành là 0.084 mJ. Ngưỡng phỏ hủy tại điểm năng lượng laser ra bắt đầu giảm là 3.75mJ
Tiến hành thớ nghiệm tương tự trờn với cỏc mẫu rắn của cựng loại phõn tử màu với cỏc nồng độ khỏc nhau thể hiện trong bảng (2.2) và cỏc mẫu phõn tử màu khỏc nhau cú cựng nồng độ (bảng 2.3) để so sỏnh cỏc đặc trưng laser đo được.
Bảng 2.2. Đặc tính laser của các mẫu laser màu rắn họ PM/ormosil Phân tử màu Nồng độ (M/l) Ngỡng phát Hiệu suất (%) Ngỡng phá huỷ (mJ)
36 (àJ) (Slope efficiency) PM 567 10-3 65 70 9.0 5.5.10-4 60 80 6.5 2.10-4 58 65 7.2 10-4 60 70 6.5 PM 580 10-3 68 62 7.2 5.5.10-4 70 70 9.0 10-4 68 57 6.5
Bảng 2.2. cho thấy với hai chất màu PM 567 và PM 580, nồng độ cho cỏc thong số hoạt động tốt nhất là 5,5.10-4 M/l.
Bảng 2.3. cho thấy trong 4 phõn tử màu họ pyrromethene tiến hành thớ nghiệm ở đõy, PM 567 và PM 580 tỏ ra cú hiệu suất và ngưỡng phỏ hủy cao nhất. Trong khi đú PM 580 cú tuổi thọ hoạt động laser cao hơn hẳn cỏc phõn màu khỏc
Bảng 2.3. Các thông số laser của các phân tử màu pyrromethene/ormosil có cùng nồng độ Mẫu (5.5.10-4M/l) Hệ số góc (%) Ngỡng phá huỷ (mJ) Tuổi thọ ( 103xung) PM 567 74 9.0 180 PM 597 51 7.5 210 PM 580 68 9.0 260 PM 605 51 4.95 100
2.2.3. Sự thay đổi tớnh chất quang ở phõn tử màu pyrromethene trong hoạt động
Trong cụng trỡnh [8] đó tiến hành đo tuổi thọ laser trờn mẫu PM/597/ormosil trong hai điều kiện mụi trường hoạt động laser khỏc nhau để so sỏnh: trong điều kiện khụng khớ bỡnh thường và trong điều kiện khớ loóng ụxi (sục khớ ni tơ). Kết quả đưa ra trờn hỡnh 2.3 cho thấy: trong điều kiện khớ ụ xi loóng, tuổi thọ laser tăng khoảng 5 lần từ 2.105 đến 106 xung.
Hình 2.3. Năng lợng laser màu rắn PM 597/ormosil là hàm của số xung bơm
(a) các mẫu hoạt động trong điều kiện bình thờng (b) các mẫu hoạt động trong điều kiện khí loãng
Kết quả trờn một lần nữa cho thấy rừ phõn tử màu pyrromethene đặc biệt nhạy với oxy. Sự cú mặt của oxy trong khụng khớ khi hoạt động laser làm gia tăng sự thay đổi tớnh chất quang của phõn tử màu này. Cơ chế sự phõn hủy này đang được tiếp tục nghiờn cứu. Tuy nhiờn, về vấn đề này, một số thụng tin ở đõy cú thể là hữu ớch trong những nghiờn cứu và phỏt triển laser sử dụng họ phõn tử màu này. Khả năng phản ứng giữa PM 567 và oxy cú thể là: phõn tử PM ở trạng thỏi cơ bản phản ứng với phõn tử oxy ở trạng thỏi kớch thớch hoặc phõn tử PM 567 ở trạng thỏi kớch thớch phản ứng với oxy ở trạng thỏi cơ bản.
38
Nếu oxy ở trạng thỏi singlet kớch thớch gõy ra phõn hủy PM 567, thỡ cú thể tồn tại sự phụ thuộc của độ bền quang vào thời gian sống của oxy trờn trạng thỏi này. Nghĩa là mụi trường nào làm cho thời gian sống của oxy singlet dài nhất thỡ cú độ bền quang thấp nhất. Giả thuyết về cơ chế phõn hủy màu này của PM567 khụng được hoàn toàn ủng hộ từ cỏc số liệu thực nghiệm [7].
Hiện nay, người ta cho rằng cơ chế phõn hủy màu của PM 567 chiếm ưu thế là cơ chế oxy húa tự cảm do quang (self-sensitized photo-oxydation) [6][7]). Theo đú thỡ phõn tử PM 567 truyền năng lượng từ trạng thỏi Triplet cho oxy để tạo thành singlet oxy ở trạng thỏi kớch thớch, đến lượt nú lại phản ứng với phõn tử PM 567/ethanol và PM 567/PMMA, theo cỏch:
• Chất DABCO để dập tắt singlet oxygen
• Perylene để dập tắt trạng thỏi Triplet của PM 567.
Ở đõy, chỳng tụi khụng đi sõu để phõn tớch vấn đề, chỉ túm tắt lại kết quả chớnh để đi đến những kết luận cần thiết.
• Sự dập tắt singlet oxy của DABCO đó nõng cao độ bền quang trong cả ethanol (từ 3 lờn đến 8 GJ/M) và trong nền PMMA (tuổi thọ hoạt động laser tăng từ 270.000 xung đến 550.000 xung).
• Perylene dập tắt triplet của PM 567 và nõng cao độ bền quang của PM 567 trong ethanol (từ 3 đến 6 GJ/M), tuy nhiờn đều này lại khụng thấy xảy ra trong PMMA.
Như vậy, hoặc là cơ chế phỏ hủy quang của PM567 trong PMMA là khỏc hoàn toàn trong ethanol hoặc là nền rắn làm giảm độ linh động của phõn tử màu, do đú ảnh hưởng lờn quỏ trỡnh dập tắt triplet. Chất DABCO pha vào nền PMMA vỡ thế phỏt huy được vai trũ dập tắt singlet oxygen để làm tăng độ bền quang, điều mà perylene khụng làm được trong nền rắn.
2.2.4. Một số đặc trưng của laser phõn tử màu PM 605 trong nền rắn ormosil.
Một nghiờn cứu cú ý nghĩa trong phần này là việc tiến hành đo cỏc đặc tớnh laser, hiệu suất chuyển đổi laser, tuổi thọ laser của phõn tử màu PM 605/ormsil. Cỏc kết quả này của phõn tử màu PM 605 lần đầu tiờn được cụng bố như một thành viờn trong họ phõn tử màu pyrromethene, bổ sung cho cỏc số liệu phổ laser của họ phõn tử màu này một cỏch hoàn chỉnh hơn.
Cỏc mẫu phõn tử màu PM 605 pha tạp trong nền lai rắn xerogel được tổng hợp bằng phương phỏp sol-gel nhiệt độ thấp như cỏc vật liệu vụ định hỡnh khỏc pha phõn tử màu hữu cơ.
Hình 2.4. Hiệu suất chuyển đổi laser của mẫu PM 605/ormosil: 57% ở nồng độ 2.10-4M/l
Qỳa trỡnh thủy phõn trong vài giờ của nhúm silicon alkoxides được thực hiện dưới điều kiện a-xớt và dung mụi acetone. Dung mụi này giỳp cho việc hũa tan hiệu quả phõn tử màu PM 60 trong nền xerogel ở nồng độ từ 10-5 – 5,5.10-4M/l. Bảng 2.4 là kết quả đo hiệu suất chuyển đổi và tuổi thọ của laser của cỏc mẫu phõn tử màu PM 605/ormosil ở cỏc nồng độ khỏc nhau.
Bảng 2.4. Đặc tớnh laser của phõn tử màu PM 605/ormosil theo nồng độ
Hiệu suất chuyển đổi bơm ở chế độ xung đơn. Tuổi thọ laser được đo ở chế độ chuẩn năng lượng ra là 1 mJ/xung ở 10 Hz
40
Từ cỏc kết quả trờn bảng 2.4, ta thấy hiệu suất chuyển đổi cao nhất nhận được là 68% ở nồng độ 2.10-5 M/l. Tuổi thọ laser cao nhất nhận được là 105 xung ở nồng độ là 5,5.10-4M/l.
Nồng độ chất màu
(10-4M/l) 0.1 0.2 0.55 1 2 5.5
Hiệu suất chuyển đổi
(%) 24 68 63 60 57 58
Tuổi thọ laser
2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương này, chỳng tụi đó tỡm hiểu và nghiờn cứu một số đặc điểm về tớnh chất quang và ảnh hưởng của phõn tử màu trong nền rắn đến hoạt động của cỏc laser phõn tử màu trạng thỏi rắn dựa trờn hệ phương trỡnh tốc độ của laser màu. Kết quả chớnh của chương đú là:
- Đó làm sỏng tỏ một số tớnh chất lý – húa của phõn tử màu nền rắn bao gồm: Liờn kết của phõn tử màu với nền, hiệu ứng thấu kớnh nhiệt, thời gian sống mức Triplet T1, hiệu ứng tỏi hấp thụ, sự phõn hủy và hồi phục của phõn tử màu trong nền rắn và khả năng khuếch đại của mụi trường laser phõn tử màu nền rắn.
- Đó làm sỏng tỏ một số đặc trưng của laser màu sử dụng hoạt chất phõn tử màu trong nền rắn đú là tuổi thọ laser của cỏc mẫu laser phõn tử màu, hiệu suất laser, sự thay đổi tớnh chất quang ở phõn tử màu pyrromethene trong hoạt động laser cú và khụng cú ụ – xy và một số đặc trưng của laser phõn tử màu PM 605 trong nền rắn ormosi.
42
KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn đó tỡm hiểu và tập hợp thụng tin tổng quan về lý thuyết, thực nghiệm của laser màu được trong những năm gần đõy, nội dung chủ yếu tập trung hướng nghiờn cứu lý thuyết và cỏc số liệu thực nghiệm về đặc điểm độ bền quang phõn tử màu trong nền rắn và ảnh hưởng của nú lờn hoạt động của laser màu. Cỏc kết quả chớnh của luận văn đú là:
• Đó tỡm hiểu về vật liệu màu hữu cơ: Nghiờn cứu cấu trỳc húa học của chất màu, cấu trỳc năng lượng và cỏc dịch chuyển quang học, cỏc đặc điểm về phổ hấp thụ và bức xạ của phõn tử chất màu.
• Đó tỡm hiểu về vật liệu màu trạng thỏi rắn: xem xột họ phõn tử màu điển hỡnh, cỏc loại nền rắn điển hỡnh cho laser màu rắn, nờu được phương phỏp đưa phõn tử vào nền rắn.
• Đó tỡm hiểu độ bền húa của vật liệu laser phõn tử màu trong nền ormosil. Làm sỏng tỏ một số tớnh chất lý – húa của phõn tử màu nền rắn bao gồm: Liờn kết của phõn tử màu với nền, hiệu ứng thấu kớnh nhiệt, thời gian sống mức Triplet T1, hiệu ứng tỏi hấp thụ, sự phõn hủy và hồi phục của phõn tử màu trong nền rắn và khả năng khuếch đại của mụi trường laser phõn tử màu nền rắn.
• Đó làm sỏng tỏ một số đặc trưng của laser màu sử dụng hoạt chất phõn tử màu trong nền rắn đú là tuổi thọ laser của cỏc mẫu laser phõn tử màu, hiệu suất laser, sự thay đổi tớnh chất quang ở phõn tử màu pyrromethene trong hoạt động laser ...và một số đặc trưng của Laser phõn tử màu PM 605 trong nền rắn ormosi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. H. Q. Quý, V. N. Sáu (2005), Laser bớc sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQGHN.
2. Lờ Hoàng Hải, Hoàng Hữu Hũa, Nguyễn Đại Hưng (1998), Mụ hỡnh húa cỏc
quỏ trỡnh động học trong laser màu xung, những vấn đề hiện đại của quang
học, quang phổ,
3. Nguyễn Đại Hưng, Chu Đỡnh Thỳy (1998), Nghiờn cứu cỏc tớnh chất quang phổ và động học của một số laser màu hữu cơ được bơm bởi xung ngắn
4. Lờ Hoàng Hải (1999) “Một số nghiờn cứu về động học của cỏc laser màu xung băng rộng”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý.
5. Hoàng Hữu Hũa (2000), “Nghiờn cứu cỏc tớnh chất phõn tử quang phổ và động học của một số laser màu hữu cơ được bơm bởi xung ngắn”, Luận ỏn Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý.
6. N.T.H Liờn (2001), “Đúng gúp nghiờn cứu chế tạo vật liệu lai pha tõm màu hữu cơ cho laser màu rắn”, Luận văn Thạc sĩ, ĐH Quốc gia HN.
7. B. Abramof, L. C. Klein (1990), “PMMA irmpegnate silica Gels: Synthesis and characteriration”, SPIE Sol-gel Optics
8. F.L Arbeloa, T.L. Arbeloa, A. Costela et al. (1997), “Relations between photophysical and lasing properties of Rhodamines in solid polymeric matrices”, Appl. Phys