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. TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU 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. Môi trƣờng laser màu 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.1: Cấu trúc hóa học của phân tử DCM [2].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. 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: 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.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 S 1 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 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. Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại của chất màu trên các mức điện tử đơn cơ bản S0 và S1 [4]. 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.