Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HẢI ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƯỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Vật lý kỹ thuật Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HẢI ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƯỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật Mã số: 8.52.04.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.Phùng Việt Tiệp Hà Nội - 2021 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử” trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 Tác giả Nguyễn Hải Anh Lời cảm ơn Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất tới thầy Phùng Việt Tiệp, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, dìu dắt, giúp đỡ tôi trên con đường nghiên cứu khoa học cũng như tác phong làm việc nghiêm túc của Thầy trong thời gian hướng dẫn tôi làm nghiên cứu và hoàn thành luận án thạc sĩ này. Luận án cũng không thể được hoàn thành nếu thiếu sự giúp đỡ và phong cách làm việc chuyên nghiệp của GS.TS. Nguyễn Đại Hưng trong việc trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm, cùng những buổi sinh hoạt nhóm, thảo luận chuyên môn. Có thể nói tôi đã học được rất nhiều điều từ đây, với những gì đã nhận được tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy. Môi trường và điều kiện học tập, nghiên cứu rất tốt tại cơ sở đào tạo cũng góp phần không nhỏ trong việc hình thành kỹ năng làm việc và kết quả nghiên cứu luận án của tôi. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn đến nơi tôi được hướng dẫn, nghiên cứu là Viện Vật lý và Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo Học viện và Bộ phận Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án này. Và trên hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới bố mẹ, gia đình nhỏ, anh chị và bạn bè những người đã hết sức ủng hộ, động viên về mọi mặt để tôi vững tin hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 Tác giả Nguyễn Hải Anh 1 MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT .................................................................................... 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... 5 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU .............................................. 9 1.1. Cấu tạo của laser và laser màu ......................................................... 9 1.2. Môi trường laser màu ....................................................................... 9 1.2.1. Chất màu hữu cơ ............................................................................ 9 1.2.2. Cấu trúc năng lượng và chuyển rời quang học ............................ 10 1.2.3. Đặc trưng phổ của chất màu ........................................................ 13 1.3. Bơm quang học cho laser màu ....................................................... 15 1.4. Buồng cộng hưởng laser màu ......................................................... 16 1.4.1. Buồng cộng hưởng laser màu băng rộng .................................... 16 1.4.2. Buồng cộng hưởng laser màu băng hẹp ...................................... 16 1.5. Phương pháp điều chỉnh bước sóng ............................................... 17 1.5.1. Sử dụng yếu tố lọc lựa giao thoa.................................................. 17 1.5.2. Sử dụng yếu tố tán sắc quay. ....................................................... 19 1.5.3. Sử dụng yếu tố cách tử nhiễu xạ .................................................. 20 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƢỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ .................... 24 2.1. Cấu tạo của hệ thống laser màu .......................................................... 24 2.1.1. Môi trường hoạt chất .................................................................... 24 2.1.2. Nguồn bơm................................................................................... 25 2.1.3. Cuvet màu .................................................................................... 27 2.1.4. Gương ra....................................................................................... 28 2.1.5. Gương cuối ................................................................................... 28 2.1.6. Cách tử ......................................................................................... 29 2.2. Khảo sát các đặc trưng của hệ laser màu phát băng rộng .................. 29 2.2.1. Ảnh hưởng của gương cuối lên đặc trưng của laser màu ........... 31 2.2.2. Ảnh hưởng công suất laser bơm lên đặc trưng của laser màu .... 32 2.2.3. Độ rộng xung của laser màu băng rộng ....................................... 33 2.2.4. Độ rộng phổ của laser màu băng rộng ......................................... 34 2 Khảo sát các đặc trưng của hệ laser màu xung băng hẹp ................... 37 2.3.1. Ảnh hưởng công suất laser bơm lên đặc trưng của laser màu .... 38 2.3.2. Độ rộng xung của laser màu băng hẹp ......................................... 39 2.3.3. Sự thay đổi bước sóng liên tục của laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow ................................................................................. 39 2.3.4. Độ rộng phổ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow ........... 40 2.4. Thiết kế hệ laser màu băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow ............................................................ 42 2.3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 52 3 DANH MỤC VIẾT TẮT DCM: 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran. FWHM: Full width at half maximum (Độ rộng tại nửa cực đại). ns: Nano giây. m: Bậc nhiễu xạ của cách tử. : Bước sóng ánh sáng nhiễu xạ. : Góc tới bề mặt nhiễu xạ. : Góc nhiễu xạ của bức xạ có bước sóng . d: Hằng số cách tử. : Độ rộng phổ của vạch laser phát. : Độ phân kì của chùm bức xạ laser trong buồng cộng hưởng. ( ): Độ tán sắc của yếu tố lọc phổ trong buồng cộng hưởng. : Độ rộng phổ của laser sử dụng yếu tố lọc phổ trong buồng cộng hưởng. p: Độ dày mẫu Fabry-Perot. n: Chiết suất mẫu Fabry-Perot. KDP: Potassium dihydrogen phosphate 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Hệ số phản xạ của 3 loại gương. Bảng 2: Công suất laser Nd:YAG. Bảng 3: Công suất laser bơm sử dụng gương cuối khác nhau. Bảng 4: Hiệu suất laser màu băng rộng. Bảng 5: Hiệu suất laser màu băng hẹp. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của phân tử DCM. Hình 1.2: Cấu trúc mức năng lượng và chuyển dời quang học của phân tử màu. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại của chất màu trên các mức điện tử đơn cơ bản S0 và S1. Hình 1.4: Vùng phổ hoạt động của chất màu. Hình 1.5: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu DCM/Ethanol. Hình 1.6: Cấu hình bơm ngang cho laser màu. Hình 1.7: Cấu hình bơm dọc cho laser màu. Hình 1.8: Buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng sử dụng mẫu Fabry-Perot. Hình 1.9: Buồng cộng hưởng chứa yếu tố tán sắc quay. Hình 1.10: Buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Cấu hình Littrow. Hình 1.11. Minh họa cách tử. Hình 2.1: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu DCM/Ethanol. Hình 2.2: Laser Nd:YAG (Quantel). Hình 2.3: Đầu thu photodiode AEP-X65 và phổ đáp ứng. Hình 2.4: Dao động ký MDO-2202EG. Hình 2.5: Xung của laser Nd:YAG. Hình 2.6: Độ rộng xung của laser Nd:YAG. Hình 2.7: Cuvet chứa chất màu DCM. Hình 2.8: Bơm luân chuyển chất màu. Hình 2.9: Gương ra. Hình 2.10: Gương phản xạ M1. Hình 2.11: Cách tử. Hình 2.12: Sơ đồ hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng gương phản xạ. Hình 2.13: Ảnh thực tế hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng gương phản xạ. Hình 2.14: 3 gương phản xạ M1, M2, M3. Hình 2.15: Máy đo công suất quang. Hình 2.16: Độ rộng xung của laser màu sử dụng gương M1, M2, M3. Hình 2.17: Máy đo quang phổ và đầu thu tín hiệu quang. Hình 2.18: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M1). Hình 2.19: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M2). 6 Hình 2.20: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M3). Hình 2.21: Hệ laser màu với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow. Hình 2.22: Ảnh chụp hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow. Hình 2.23: Độ rộng xung của laser màu băng hẹp. Hình 2.24: Sự thay đổi bước sóng khi sử dụng cách tử cấu hình Littrow. Hình 2.25: Hệ laser màu điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow tại Viện Vật lý. Hình 2.26: Tấm đỡ trên. Hình 2.27: Đế hình chữ L. Hình 2.28: Tấm giữ trụ đỡ. Hình 2.29: Bàn đế. Hình 2.30: Tấm đỡ (dưới) của cụm giữ cách tử. Hình 2.31: Giá mang cách tử. Hình 2.32: Giá chữ U. Hình 2.33: Hệ thống ray trượt 7 MỞ ĐẦU Từ khi được đề cập tới vào năm 1958 bởi Arthur Schawlow và Charles Townes, laser đã và đang được chứng minh là một trong những phát minh lớn của thế kỉ XX. Công nghệ laser không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn phục vụ nhu cầu của con người. Hơn 60 năm qua, các nhà khoa học đã nối dài con đường phát triển laser ra với nhiều loại khác nhau. Laser màu (Dye laser) sử dụng môi trường hoạt chất là các vật liệu màu hữu cơ pha trong dung môi. Chúng có đầy đủ tính chất của một nguồn sáng laser như tính đơn sắc cao, tính kết hợp cao về mặt không gian và thời gian, mật độ phổ năng lượng cao. Hơn nữa, laser màu có thể điều chỉnh bước sóng tinh tế trong một dải phổ rộng (hàng trăm Å), và có thể hoạt động tại bất kì bước sóng nào từ vùng tử ngoại gần, vùng khả kiến cho đến vùng hồng ngoại gần, tùy thuộc vào chất màu sử dụng. Laser màu hiện nay được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: vật lý, hóa học, khoa học quân sự, y sinh học… Có thể nói, laser màu là một công cụ nghiên cứu rất hiệu quả trong lĩnh vực quang học – quang phổ. Vì vậy, việc nghiên cứu về laser màu là một nhu cầu thực tiễn và có tính khoa học ứng dụng cao. Từ những lý do trên, kết hợp với điều kiện tại Việt Nam cùng hướng nghiên cứu khoa học công nghệ của nhóm Quang tử tại Viện Vật Lý, chúng tôi lựa chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử”. Mục đích của đề tài này nhằm: - Nghiên cứu, phát triển, làm chủ vật lý và công nghệ laser màu xung, băng hẹp, điều chỉnh được bước sóng. - Đánh giá được các đặc trưng của bức xạ laser màu. Đề tài này giúp tôi có cơ hội trực tiếp được làm việc, tiếp xúc cũng như thực hiện các khảo sát với công nghệ laser nói chung và laser màu băng hẹp điều chỉnh bước sóng nói riêng. Đây chính là cơ sở quan trọng để giúp tôi phát triển các nghiên cứu khoa học sử dụng laser màu sau này. 8 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài Ngày nay, các loại laser nói chung và laser màu nói riêng là những thiết bị không thể thiếu để ứng dụng trong việc phát triển các phương pháp quang phổ laser hiện đại trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như: hóa học, vật lý, khoa học vật liệu, y sinh học, thông tin lượng tử, quang điện tử và khoa học môi trường. Ưu điểm của laser màu so với các laser khác (laser rắn, laser khí…) là chúng có khả năng điều biến trong một khoảng phổ rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại gần bằng việc sử dụng các loại chất màu khác nhau, đồng thời còn có khả năng điều chỉnh, lọc lựa bước sóng. Việc nghiên cứu và phát triển một bộ dao động laser màu băng hẹp và điều chỉnh bước sóng là cơ sở và cần thiết để thực hiện các nghiên cứu ứng dụng laser có độ đơn sắc cao sau này. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và phát triển một hệ laser màu. Chúng tôi sẽ thực hiện đánh giá thông số, đặc tính của các thành phần quang học của hệ, từ đó xây dựng hệ laser phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam. Hệ khi hoàn thành sẽ có khả năng phát laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử với thành phần hoạt chất là chất màu và nguồn bơm là hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG (Brilliant, Quantel, Pháp). Các thông số bao gồm độ rộng phổ, đăc trưng phổ, công suất laser của hệ cũng như kỹ thuật điều chỉnh bước sóng laser sẽ được khảo sát và đánh giá trong luận văn. Cấu trúc của luận văn Nội dung của luận văn gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về laser màu. Ở chương 1 sẽ trình bày về các thành phần của hệ laser màu bao gồm môi trường hoạt chất, nguồn bơm và buồng cộng hưởng quang học. Bên cạnh đó, phần này cũng trình bày về cấu trúc hóa học, quang phổ, cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học của chất màu. Các phương pháp điều chỉnh bước sóng cũng được đề cập. Chương 2: Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử. Phần này sẽ trình bày về cấu tạo, vận hành hệ laser màu sử dụng trong luận văn. Việc đánh giá các thông số, đặc trưng của bức xạ laser màu băng rộng và băng hẹp cũng sẽ được trình bày và thảo luận. 9 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU 1.1. Cấu tạo của laser và laser màu Cấu tạo cơ bản của một bộ phát laser nói chung bao gồm môi trường laser, nguồn bơm và buồng cộng hưởng quang học [1], trong đó: - Môi trường laser: còn gọi là môi trường hoạt chất, có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Có nhiều môi trường laser như dạng khí, rắn, lỏng, bán dẫn… - Nguồn bơm (nguồn kích thích): vai trò cung cấp năng lượng cho môi trường laser (tạo được sự đảo ngược mật độ tích lũy giữa hai mức năng lượng nào đó của môi trường và duy trì hoạt động laser. Tùy vào môi trường laser cụ thể mà năng lượng kích thích (quang năng, điện năng, hóa năng, nhiệt năng …) và cách kích thích phải được lựa chọn phù hợp - Buồng cộng hưởng quang học: cấu hình cơ bản nhất của một buồng cộng hưởng bao gồm hai gương phản xạ. Một gương có hệ số phản xạ cao (gương cuối), gương còn lại có hệ số phản xạ thấp hơn để chùm laser phát ra ngoài (gương ra). Buồng cộng hưởng laser có ảnh hưởng quan trọng lên công suất phát laser, tính chất phổ của bức xạ laser và đặc biệt ảnh hưởng lên các tính chất của bức xạ laser – tạo ra những trạng thái phân bố xác định của trường bức xạ Laser màu nói riêng, cũng có cấu tạo tương tự như các loại laser khác, bao gồm một nguồn năng lượng bơm, một buồng cộng hưởng có vai trò “bẫy” photon và môi trường khuếch đại. Điều kiện để phát laser màu cũng tương tự, đó là tạo ra sự nghịch đảo mật độ tích lũy giữa các mức năng lượng. Phần tiếp theo sẽ đi vào chi tiết hơn về các thành phần được liệt kê ở trên của laser màu. 1.2. Môi trƣờng laser màu 1.2.1. Chất màu hữu cơ Một số chất màu hữu cơ là thành phần hoạt chất của laser màu, bao gồm các phân tử hữu cơ đa nguyên tử (khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối liên kết liên hợp hấp thụ mạnh các bức xạ trong vùng tử ngoại gần tới vùng khả kiến. Mỗi chất màu có phổ huỳnh quang nằm trong vùng màu đó, nên laser với hoạt chất này được gọi là laser màu (Dye laser). Các chất màu hữu cơ có hiệu suất phát quang rất cao và được dùng làm môi trường hoạt chất cho laser. Người ta phân các phân tử màu thành các nhóm khác nhau. Trong đó các nhóm chính bao gồm: 10 - Nhóm Oxazole: dùng cho vùng phổ quanh 400 nm - Nhóm Coumarine: thường dùng cho vùng phổ màu xanh – xanh lam (460 - 515 nm) - Nhóm Xanthene: sử dụng cho vùng phổ từ 500 - 700 nm, trong đó đáng chú ý nhất là Rhodamine cho vùng phổ quanh 600 nm. - Nhóm Cyanine: các chất màu phát xạ ở 1 dải phổ rộng, áp dụng nhiều ở vùng đỏ và vùng hồng ngoại gần (Ví dụ Cy5 có phổ huỳnh quang tại bước sóng 670 nm) Cấu trúc hoá học của các chất màu được đặc trưng bởi sự tổ hợp cuả vòng Benzene (C6H6), Pyridine (C5H5N), Pyrazine (C4H4 N2) hay vòng Pyrrole (C4H5N) và các thành phần khác cùng nằm trên mặt phẳng liên kết. Các vòng này có thể nối tiếp với nhau một cách trực tiếp hoặc có thể qua một nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm Polien (CH=CH)n hoặc qua một số nguyên tử trung gian C, N,O. Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của phân tử DCM [2]. Hình 1.1 là cấu trúc hóa học của một chất hóa học điển hình DCM (C19H17N3O). Chất màu được chia thành các hợp chất ion và trung hoà, chúng có tính chất vật lý và hoá học khác nhau. Chất màu dạng trung hoà điển hình như Buta-1,3-diene CH2=CH-CH=CH2 và các hợp chất thơm như Pyrene, Perylene... Chúng có nhiệt độ nóng chảy thấp, hoà tan mạnh trong các dung môi không phân cực như Benzene, Octane, Cyclohexane, Chloroform... Ngược lại các chất màu ion có điểm nóng chảy cao, hoà tan mạnh trong các dung môi có cực như cồn. Trong dung dịch, đa số các chất màu bị phân ly thành ion và tuỳ theo độ pH mà các ion của chất màu là anion hay cation. 1.2.2. Cấu trúc năng lƣợng và chuyển rời quang học Cấu trúc mức năng lượng của phân tử chất màu rất phức tạp, bao gồm nhiều nguyên tử được đặc trưng bởi nhiều trạng thái lượng tử như: trạng thái điện tử, 11 trạng thái dao động và trạng thái quay. Do đó, việc mô tả trạng thái của phân tử màu chỉ mang tính gần đúng theo một mô hình đơn giản [3] (Hình 1.2). Hình 1.2: Cấu trúc mức năng lượng và chuyển dời quang học của phân tử màu [4]. Theo nguyên tắc Pauli, mỗi trạng thái chỉ có 2 điện tử. Giả sử phân tử có N điện tử (N chẵn) thì ở trạng thái cơ bản của phân tử sẽ có nhiều nhất N/2 trạng thái được lấp đầy. Hai điện tử cùng một mức sẽ có spin đối song song, nên spin tổng cộng S = 0, tương ứng là trạng thái đơn. Khi một trong hai điện tử này nhảy lên mức trống cao hơn, sự sắp xếp spin song song sẽ dẫn đến spin tổng cộng S=1, tương ứng là trạng thái bội ba. Thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái bội ba thường thấp hơn thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái đơn. Hình 1.2 trình bày cấu trúc mức năng lượng chung của phân tử chất màu. Trong đó: S0 là trạng thái cơ bản, S1 và S2 là các trạng thái kích thích, T1 và T2 là các trạng thái bội ba (triplet). Trong các đó mũi tên thẳng biểu thị các chuyển dời bức xạ, các mũi tên sóng biểu thị các chuyển dời không bức xạ. Ở nhiệt độ phòng, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản S00 tuân theo phân bố Boltzman. 12 Sau khi hấp thụ ánh sáng, các phân tử chất màu chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái đơn kích thích S1, S2... Do xác suất dịch chuyển S0→ S1 lớn nên sau khi kích thích quang học, các phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S1. Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu. Ở các trạng thái này, sự khử kích hoạt của các phân tử chất màu diễn ra theo nhiều cách. Đầu tiên là sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử S 1v về trạng thái đơn S10 trong thời gian rất nhanh cỡ 10-12 s. Trạng thái S10 có thời gian sống tương đối dài (thời gian sống từ 10 -9 s đến 10-8 s), và đây chính là trạng thái chủ yếu xuất phát cho bức xạ của phân tử theo kênh S 10 → S0v. Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ huỳnh quang băng rộng của phân tử màu. Sự hồi phục dao động về trạng thái S10 cũng diễn ra tương tự với các phân tử màu được kích thích chuyển lên các mức cao hơn (S2, S3 …) của trạng thái đơn kích thích, từ đó tham gia vào việc hình thành sự nghịch đảo độ tích luỹ giữa trạng thái S10 và S0v. Bên cạnh các dịch chuyển bức xạ còn có dịch chuyển không bức xạ. Các quá trình dịch chuyển không bức xạ bao gồm sự tích thoát giữa các trạng thái cùng bội: singlet – singlet, triplet – triplet, gọi là sự dịch chuyển nội và dịch chuyển không bức xạ giữa các trạng thái khác bội; singlet – triplet, gọi là dịch chuyển do tương tác chéo nhau trong hệ. Sự dịch chuyển nội từ S 2 (hoặc từ trạng thái đơn kích thích cao hơn) về S1 xảy ra rất nhanh cỡ 10-11 s. Trạng thái bội ba T1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống cỡ 10-7 s đến 10-6 s), nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích, sự tương tác của nó với S1 sẽ ảnh hưởng bất lợi cho các hoạt động laser màu do sự chuyển dời từ trạng thái kích thích đơn S1 đến trạng thái triplet T1 sẽ làm giảm độ tích luỹ của trạng thái kích thích, thêm vào đó các phân tử trên mức T10 hấp thụ bức xạ bơm hoặc bức xạ laser dẫn đến làm tăng mất mát năng lượng do hấp thụ triplet – triplet. Tuy nhiên, dịch chuyển singlet – triplet có thể bỏ qua khi kích thích bởi các nguồn bơm xung ngắn. Trong hoạt động laser, các chuyển dời từ mức điện tử kích thích đầu S1 đến các mức điện tử kích thích đơn cao hơn S2, Sn hoặc các chuyển dời T1 → T2, S1 → T1 → S0 là những chuyển dời không mong muốn. Như vậy ta có thể xem laser màu hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng: mức 1 là mức cơ bản S00; mức 2 là mức laser dưới, gồm các mức dao động S0v; 13 mức 3 là mức laser trên S10 và mức 4 là mức kích thích gồm các mức dao động S1v. Với mô tả theo sơ đồ 4 mức năng lượng như đã trình bày ở trên, ta có mức 0 và mức 1 nằm ở trạng thái điện tử S0, mức 2 và 3 nằm ở trạng thái điện tử kích thích đơn S1. Do đó, có thể nói rằng laser màu hoạt động trên 2 mức rộng: mức điện tử đơn S0 và mức điện tử kích thích đơn S1 (Hình 1.3) Hình 1.3 trình bày sơ đồ năng lượng với hai mức rộng, có độ bán rộng ∆ν, năng lượng giữa hai mức hν0, photon bơm và bức xạ có tần số νp và νe. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại của chất màu trên các mức điện tử đơn cơ bản S0 và S1 [4]. 1.2.3. Đặc trƣng phổ của chất màu 14 Hình 1.4: Vùng phổ hoạt động của các chất màu [5]. Các phân tử chất màu hấp thụ bức xạ quang học nằm giữa vùng phổ từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các phân tử màu là các băng rộng từ 30 - 100 nm, ít cấu trúc và không trùng chập lên nhau. Do các điện tử dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S 0 lên các mức dao động của trạng thái đơn kích thích S1, S2 nên phổ hấp thụ của chất màu sẽ là băng rộng (sự hấp thụ ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái bội ba T1, T2 bị cấm về Spin). Sự dịch chuyển của phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock – Lomen, nghĩa là toàn bộ phổ huỳnh quang và cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó. Trong dung dịch, phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu thay đổi theo dung môi. 15 Hình 1.5: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu DCM/Ethanol [6]. Hình 1.5 trình bày phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang của chất màu C19H17N3O (DCM) trong dung môi ethanol. Đường cong của phổ hấp thụ giảm nhanh ở phía sóng dài, giảm chậm ở phía sóng ngắn. Ngược lại, đường cong của phổ huỳnh quang giảm nhanh ở phía sóng ngắn, giảm chậm ở phía sóng dài. Huỳnh quang của chất màu còn được đặc trưng bởi thời gian tắt dần huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang lượng tử. Khái niệm hiệu suất huỳnh quang lượng tử η được định nghĩa là tỷ số giữa số photon phát ra với số photon hấp thụ. Các dung dịch màu laser có hiệu suất huỳnh quang khá cao η ~ 1. Nói chung, thời gian tắt dần huỳnh quang (vài ns) và hiệu suất huỳnh quang lượng tử của chất màu phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ, tạp chất. 1.3. Bơm quang học cho laser màu Vì thời gian sống của các trạng thái singlet kích thích rất ngắn (10-9 s), đây là hiệu ứng phát quang tức thời. Chính điều này cản trở sự hình thành trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy trong quá trình tạo dao động laser (quá trình bơm). Do đó, để đạt được ngưỡng phát ở laser màu, người ta thường phải sử dụng các nguồn bơm đặc biệt sao cho có thể tạo được độ nghịch đảo mật độ tích lũy ở mức laser trên trong một thời gian ngắn hơn nhiều so với thời gian sống của mức laser trên (mức kích thích S1). Hiện nay người ta thường dùng bức xạ hoạ ba bậc 2 của các loại laser rắn biến điệu độ phẩm chất như laser ruby, laser Nd:YAG hoặc các laser khí N2, Kr, Xe.... để bơm cho laser màu 16 Phương pháp bơm được sử dụng trong laser màu là phương pháp bơm quang. Nguồn bơm trong laser màu sử dụng là các nguồn laser cho bức xạ cộng hưởng với vùng hấp thụ của chất màu và có công suất bơm thích hợp. Bên cạnh đó, để tránh các hiệu ứng Gradient nhiệt và để thay thế chất màu bị thoái hóa trong quá trình bơm, người ta sử dụng phương pháp luân chuyển chất màu bằng một bơm dung dịch luân chuyển liên tục. Có nhiều cách thiết kế hệ bơm quang học cho laser màu. Hình 1.6: Cấu hình bơm ngang cho laser màu. Cấu hình bơm ngang: đây là cấu hình thường được sử dụng vì dễ thực hiện. Trong cấu hình bơm ngang, chùm laser bơm vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng laser màu. Phương pháp này tạo nên sự nghịch đảo mật độ tích luỹ trong dung dịch màu không đồng đều dọc theo chùm laser bơm, do sự suy giảm của chùm tia bơm khi đi vào dung dịch. Đặc biệt, khi chất màu có nồng độ lớn, nó sẽ gây nên sự gia tăng mất mát do nhiễu xạ và tạo nên độ phân kì lớn của chùm laser màu. Trong sơ đồ bơm ngang, người ta thường dùng thấu kính trụ tiêu cự ngắn nhằm tạo mật độ quang học cao và phân bố đều chùm bơm lên cuvet màu.