BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------------- LÊ THỊ NGỌC TÚ ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH, 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------------- LÊ THỊ NGỌC TÚ ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62. 44. 11. 01 Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hoài Sơn VINH, 2008 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu sau đại học tại trường Đại học Vinh, tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các Thầy giáo, Cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận tâm và có trách nhiệm của các Thầy, Cô đặc biệt là Thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn, Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu đáo và dành nhiều công sức cũng như cả sự ưu ái cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo: PGS.TS. Nguyễn Đình Huân, PGS.TS. Hồ Quang Quý, PGS.TS. Đinh Xuân Khoa, TS. Vũ Ngọc Sáu, TS. Đinh Phan Khôi, Th.S Nguyễn Viết Lan đã đóng góp, chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo Sau Đại học đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất. Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 14-Quang học đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập. Với tình cảm trân trọng, tôi xin gửi tới gia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu. Vinh, tháng 10 năm 2008 Tác giả MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1. Đại cương về chất màu 4 1.1.1. Phân tử chất màu .4 1.1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học trong phân tử chất màu .6 1.1.2. Quang phổ của phân tử chất màu 8 1.2. Laser màu 10 1.2.1. Nguyên tắc và điều kiện hoạt động của Laser màu .10 1.2.2. Tính chất của Laser màu .13 1.3. Một số phương pháp phát xung ngắn 13 1.3.1. Phương pháp kích thích sóng chạy (TWE) .13 1.3.2. Phương pháp lọc lựa thời gian-phổ (STS) 15 1.3.3. Phương pháp phản hồi phân bố (DFDL) 16 1.3.4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (QCDL) 18 1.4. Kết luận chương 1 20 CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING 2.1. Hệ phương trình tốc độ cho Laser màu BCH Quenching 21 2.2. Động học Laser màu phát xung ngắn BCH Quenching 26 Trang 2.2.1. Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH .27 2.2.2. Ảnh hưởng của mức bơm 30 2.2.3. Ảnh hưởng của thông số BCH chất lượng cao .32 2.2.3.1. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương R 4 .32 2.2.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài BCH chất lượng cao .33 2.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu 35 2.3. Kết luận chương 2 36 CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHỔ LASER MÀU BCH QUENCHING 3.1. Khảo sát phổ của phát xạ Laser màu rắn có BCH Quenching 38 3.1.1. Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH lên phổ Laser tích phân 38 3.1.2. Ảnh hưởng của mức bơm lên phổ Laser tích phân .39 3.1.3. Ảnh hưởng của thông số BCH chất lượng cao lên phổ Laser tích phân 41 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ Laser tích phân 43 3.2. Tiến trình phổ của xung Laser màu BCH Quenching .44 3.3. Kết luận chương 3 47 Kết luận chung .48 Các công trình nghiên cứu .49 Tài liệu tham khảo 50 Phụ lục .51 MỞ ĐẦU Sự ra đời của Laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng trong Thế kỷ XX. Trong những năm gần đây, Công nghệ Laser đã phát triển mạnh mẽ và có những ảnh hưởng to lớn trực tiếp lên các lĩnh vực khác nhau của Khoa học và đời sống xã hội. Laser màu với môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ được pha những dung môi thích hợp, với nhiều ưu điểm nổi bật là có thể phát xung ngắn, công suất cao, dải phổ rộng, có thể điều chỉnh liên tục bước sóng nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật. Nhờ những thành tựu về Khoa học Vật liệu, ngày càng có nhiều chất màu, chất màu rắn với những đặc tính ưu việt và thuận tiện hơn cho việc chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng Laser màu. Trong những năm gần đây Laser màu xung ngắn đã và đang được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng trên nhiều lĩnh vực Khoa học và Công nghệ. Đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian các quá trình lý, hóa, sinh học: kiểm soát các phản ứng hóa học nhờ sử dụng các xung cực nhanh thích hợp, khảo sát tương tác giữa vật chất và ánh sáng, kích thích các nguyên tử phân tử và trong các hiệu ứng quang phi tuyến nó còn là nguồn sáng lý tưởng cho các nghiên cứu động học, các quá trình và các hiện tượng xảy ra cực nhanh [5]. Ở Việt Nam việc nghiên cứu Vật lý Laser màu xung ngắn được tiến hành ở các phòng thí nghiệm Quang học Quang phổ ở các Viện nghiên cứu và một số Trường Đại học. Người ta đã quan tâm đến một số phương pháp phát xung ngắn picô-giây (ps), có tính khả thi như: 1. Phương pháp kích thích sóng chạy (TWE) 2. Phương pháp lọc lựa thời gian-phổ (STS) 3. Phương pháp phản hồi phân bố (DFDL) 4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (QCDL) Mỗi một phương pháp này, người ta có thể thu được các xung Laser ngắn với những ưu, nhược điểm khác nhau. Ở đây chúng tôi quan tâm đến phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity - QC) hay còn gọi là Laser màu buồng cộng hưởng Quenching (BCH Quenching). Nguyên lí hoạt động của phương pháp này là dựa trên nguyên tắc cạnh tranh năng lượng tích trữ trong môi trường hoạt chất giữa hai BCH của hai Laser cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. Đây là phương pháp có cấu hình đơn giản, có thể phát xung ngắn trên một dải phổ rộng và do đó có thể điều chỉnh liên tục bước sóng. Mặt khác nhờ những thành tựu về Công nghệ Vật liệu, các vật liệu màu rắn, chất màu mới đã giúp cho cấu hình của hệ Laser này càng trở nên đơn giản, gọn nhẹ và việc xây dựng các hệ Laser ngày càng có tính khả thi cao trong điều kiện ở nước ta. Nhận thức được những vấn đề trên về tính cấp thiết và khả thi của việc xây dựng và phát triển các cấu hình phát Laser màu xung ngắn có thể đóng góp cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn. Chúng tôi đặt vấn đề tìm hiểu và nghiên cứu đề tài: “Động học Laser màu phát xung ngắn có buồng cộng hưởng Quenching” Nội dung nghiên cứu của đề tài là: - Tìm hiểu và nguyên cứu về Vật lý và Công nghệ của một số cấu hình Laser phát xung Laser ngắn, trong đó có Laser màu BCH Quenching. - Tìm hiểu hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học phát xung Laser màu có BCH Quenching trên toàn miền phổ rộng. - Nghiên cứu lý thuyết quá trình động học phát xung Laser ngắn và động học phổ của Laser màu BCH Quenching. Các kết quả nghiên cứu về đề tài "Động học Laser màu phát xung ngắn có BCH Quenching” nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân và góp một phần nhỏ trong sự phát triển của một lĩnh vực khoa học Laser màu xung ngắn đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Cấu trúc của bản luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về Laser màu phát xung ngắn Tìm hiểu và tập hợp những thông tin Vật liệu màu hữu cơ, về Vật lý và Công nghệ của một số phương pháp phát xung Laser ngắn, trong đó chú ý đến phương pháp phát xung ngắn sử dụng BCH Quenching. Chương 2: Động học Laser màu phát xung ngắn BCH Quenching Trình bày hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học Laser màu BCH Quenching. Nghiên cứu ảnh hưởng thông số của BCH chất lượng cao: góc lệch quang trục giữa hai BCH, hệ số phản xạ gương Quenching, chiều dài BCH; các thông số của chất màu: nồng độ chất màu, chiều dài hoạt chất và các thông số nguồn bơm: cường độ bơm…lên quá trình động học phát xung Laser ngắn từ BCH chất lượng thấp. Chương 3: Động học phổ Laser màu BCH Quenching Nghiên cứu ảnh hưởng thông số của BCH chất lượng cao: góc lệch quang trục giữa hai BCH, hệ số phản xạ gương Quenching, chiều dài BCH; các thông số của chất màu: nồng độ chất màu, chiều dài hoạt chất và các thông số nguồn bơm: cường độ bơm…lên động học phổ của Laser màu có BCH Quenching. C HƯ Ơ NG 1: TỔ N G Q UA N VỀ L ASE R M À U P HÁ T X UN G N GẮN Trong chương này chúng tôi trình bày một số đặc điểm và tính chất lý-hóa nổi bật trong hoạt động Laser của phân tử màu. Tìm hiểu một số phương pháp phát xung Laser màu ngắn đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng. Những thông tin này là cơ sở để định hướng và phát triển các nội dung nghiên cứu trong các chương 2 và chương 3. 1.1. Đại cương về chất màu 1.1.1. Phân tử chất màu Hoạt chất của Laser màu là các phân tử màu hữu cơ đa nguyên tử (có khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối liên kết đôi kết hợp (hai liên kết đôi cách nhau bởi một liên kết đơn), hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy, giới hạn bước sóng hấp thụ dài nhất và ngắn nhất của hợp chất này là hồng ngoại gần và tử ngoại gần. Các phân tử này được cấu tạo từ những nguyên tử C, N, O, S, F, H,…, các nguyên tử này sắp xếp theo cấu trúc mà khung của phân tử này là các nguyên tử C, N, O, S nằm trên cùng một mặt phẳng [1,2]. Các phân tử này có đặc trưng giống nhau là gồm có các liên kết đôi - điện tử π xen kẽ với liên kết đơn - điện tử σ. Điện tử π nằm trên các liên kết đôi C=C hoặc trên các liên kết đơn C-N, C-O,… Điện tử π trong liên kết không định xứ, có thể duy chuyển trên toàn mạch của phân tử, giải tỏa đều trên khung phân tử. Vì vậy các phân tử này nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài và để kích thích chúng yêu cầu ít năng lượng hơn so với các điện tử σ. Sự khác nhau này cho phép các điện tử π dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy. Các phân tử màu bao gồm các nhóm hóa chất khác nhau: Hydrocarbon, Oxazole, Coumarin, Xanthene và Cyamine. Cấu trúc hóa học của các chất này là sự tổ hợp của các vòng Benzene (C 6 H 6 ), vòng Pyridine (C 5 H 5 N), vòng Pzine (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 một nguyên tử trung hòa C, N hoặc một nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH (Polien). Bước sóng hấp thụ của phân tử màu tăng khi số liên kết đôi liên hợp tăng, các phân tử màu có khối lượng lớn thì chúng có thể hấp thụ mạnh trong vùng nhìn thấy. Phân tử màu được chia thành các hợp chất ion và trung hòa, nó có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Phân tử màu dạng trung hòa điển hình như Butadiene CH 2 =CH-CH=CH 2 và các hợp chất thơm như: Pyrene, Perylene,… điểm nóng chảy của nhóm này là thấp, độ hòa tan lớn trong các dung môi không phân cực như Benzene, Octan, Xyclohexane, Chloroform,… Ngược lại, các phân tử màu ion có độ nóng chảy cao, hòa tan mạnh trong các dung môi có cực như cồn. Độ bền nhiệt và độ bền quang hóa của chất màu là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng sử dụng chất màu làm hoạt chất cho Laser. Các đặc tính này thay đổi rất nhiều theo cấu trúc hóa học của chất màu và không theo một quy luật tổng quát nào. Ngày nay, nhờ những thành tựu Khoa học Vật liệu đã có trên 200 chất màu đang được sử dụng để nghiên cứu phát xạ Laser. Chất màu được sử dụng phổ biến nhất trong Laser màu là Pyrromethene 567 và Rhodamin 6G. Hình 1.1. trình bày cấu trúc phân tử của Pyrromethene 567 và Rhodamin 6G. CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 N N B F F C 7 H 7 H 7 C 8 Pyrromethene 567 C 2 H 5 N O CH 3 COOC 2 H 5 H 3 C (NHC 2 H 5 )Cl - Rhodamin 6G Hình. 1.1. Cấu trúc hóa học của Pyrromethene 567 và Rhodamin 6G . 2: ĐỘNG HỌC LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING 2.1. Hệ phương trình tốc độ cho Laser màu BCH Quenching. .21 2.2. Động. hình Laser phát xung Laser ngắn, trong đó có Laser màu BCH Quenching. - Tìm hiểu hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học phát xung Laser