Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu cơ pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo và khảo sát các tính chất quang của môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng trên nền polymer PMMA để sử dụng hiệu quả tạo ra laser màu phản hồi phân bố có xung ngắn picô-giây. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu cơ pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ---------------------------- NGUYỄN THỊ MỸ AN NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT LASER MÀU HỮU CƠ PHA TẠP HẠT NANO VÀNG DÙNG CHO LASER PHẢN HỒI PHÂN BỐ PHÁT XUNG NGẮN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9440110 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Đỗ Quang Hòa Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Nghiêm Thị Hà Liên Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Laser màu phát xung ngắn đã trở thành các công cụ không thể thiếu tại các phòng thí nghiệm trong và ngoài nước. Mặc dù vậy, các nghiên cứu phát triển môi trường hoạt chất có khả năng hoạt động laser vẫn đang là một chủ đề hấp dẫn đối với các phòng thí nghiệm quang học và quang tử. Bên cạnh đó, thành tựu nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano đã và đang mang lại nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống. Đặc biệt, các hạt nano vàng có kích thước khác nhau đã và đang là đối tượng hấp dẫn nhờ các đặc điểm nổi bật của nó. Ý tưởng nghiên cứu, chế tạo môi trường hoạt chất lý tưởng cho một buồng cộng hưởng (BCH) laser màu từ hỗn hợp chất màu laser với các hạt kim loại có kích thước nano-mét đã được thực hiện. Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo và khảo sát các tính chất quang của môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng trên nền polymer PMMA để sử dụng hiệu quả tạo ra laser màu phản hồi phân bố có xung ngắn picô-giây. Nội dung nghiên cứu: Để đạt được mục tiêu trên, các nội dung sau sẽ lần lượt được nghiên cứu: - Nghiên cứu chế tạo môi trường hoạt chất laser màu lai tạp nano vàng ở trạng thái rắn. - Khảo sát các tính chất quang học của môi trường chất màu laser pha tạp nano vàng. - Xây dựng mô hình tính toán động học tiến trình phát bức xạ laser xung phản hồi phân bố sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp. - Thử nghiệm hệ laser màu xung ngắn sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp nano vàng. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU, CHẤT MÀU HUỲNH QUANG HỮU CƠ, HẠT NANO VÀNG 1.1. Laser màu Laser màu hữu cơ là laser sử dụng các phân tử màu hữu cơ làm môi trường hoạt chất. Các chất màu này chứa các liên kết đôi liên hợp với các nhóm chức nhất định có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy. Luận án lựa chọn chất màu DCM (4-(Dicyanomethylene)-2- methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran) để nghiên cứu do các tính chất đặc biệt của nó như: Phân tử màu loại này vừa mang đặc tính của chất cho (donor) vừa mang đặc tính của chất nhận (acceptor) nên có dải phổ phát quang khá rộng (~ 100 nm) trong vùng phổ nhìn thấy. Chất màu DCM có phổ hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng ngắn hơn bước sóng cộng hưởng plasmon của các hạt nano vàng, phù hợp với nghiên cứu môi trường hỗn hợp chất màu và các hạt nano vàng. Mặt khác, các laser có các yếu tố lọc lựa bước sóng có thể dễ dàng lựa chọn một cách liên tục các bước sóng theo yêu cầu trong vùng phổ phát xạ của DCM. 1.2. Tính chất quang của vật liệu nano kim loại, nano vàng Các vật liệu có cấu trúc nano-mét có đặc tính đặc biệt. Với kích thước này (nhỏ hơn bước sóng ánh sáng tử ngoại – khả kiến), các qui luật của quang học cổ điển để giải thích các hiện tượng như sự cầm giữ ánh sáng, tán xạ... không còn thỏa mãn. Sự dao động cộng hưởng của đám mây điện tử trên bề mặt của các hạt nano (plasmon bề mặt - SPR) được áp dụng để giải thích sự giam giữ lượng tử và hiệu ứng lượng tử của vật liệu nano. Tại bề mặt tiếp giáp giữa vật liệu kim loại cấu trúc nano-mét với môi trường điện từ, hiệu ứng plasmon bề mặt tồn tại trong không gian nhỏ hơn nhiều so với trong vật liệu quang học thông thường. Mặt 2
khác, các hạt nano kim loại lại có khả năng tác động mạnh lên tính chất quang của môi trường như một “anten” thu - phát. Ví dụ, một hạt nano kim loại quý có đường kính 10 nm có hệ số tắt cỡ 107 M-1cm-1, hoặc có giá trị khoảng lớn hơn hai bậc so với giá trị điển hình của chất màu laser hữu cơ. 1.3. Laser màu xung ngắn 1.3.1. Cơ chế hoạt động của laser màu Laser màu hoạt động trên môi trường có hai mức năng lượng laser trên – dưới có độ rộng lớn có thể phát băng rộng. 1.3.2. Một số cấu hình laser màu phát xung pico-giây: mục này giới thiệu một số cấu hình phát xung laser màu pico-giây. 1.3.3. Laser màu phản hồi phân bố Laser phản hồi phân bố (DFB) có buồng cộng hưởng không gương phản xạ mà dựa trên hiệu ứng phản xạ Bragg. Hiện tượng cộng hưởng quang học khi chùm sáng lan truyền trong một môi trường có chu kỳ biến điệu độ khuếch đại và chiết suất phù hợp với bước sóng phản xạ tạo nên các bức xạ laser. Các đặc điểm của laser DFDL * Khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng * Độ đơn sắc cao * Phát xung laser ngắn p p Biến điệu gain   Laser ra Laser ra Hệ vân giao thoa z Laser L L Laser L  n   n(t )   T (t )  T  Hình 1.1: Sơlí hoạt Sơ đồ nguyên đồđộngnguyên laser DFB lý hoạt động của laser màu DFDL. 3
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT CHO LASER MÀU Sự khác nhau cơ bản về độ linh động của các thành phần trong của môi trường hoạt chất sẽ cho phép khảo sát các đặc trưng và hiệu ứng quang học xảy ra cũng như sự tương tác giữa chúng, vì vậy môi trường chất laser màu dạng lỏng (trong dung môi ethanol) và trong môi trường rắn (trong PMMA) được chuẩn bị, chế tạo để nghiên cứu. 2.1. Nguyên vật liệu và thiết bị sử dụng 2.1.1. Nguyên vật liệu Chất màu hữu cơ DCM, hạt nano vàng dạng hình cầu (d  20 nm), Methyl methacrylate (MMA), Azobisisobutyronitrile (AIBN),... 2.1.2. Thiết bị sử dụng Máy rung siêu âm ELMASONIC S30, lò ủ nhiệt (< 200 oC), máy li tâm,… 2.1.3. Chế tạo nano vàng và gắn kết HS-PEG-COOH Hạt nano vàng dạng cầu được chế tạo bằng phương pháp Turkevich. 2.1.4. Chuyển đổi môi trường của hạt nano vàng Các hạt nano vàng phân tán trong nước được phân tán lại trong dung môi MMA để loại bỏ nước do nước không hòa tan trong MMA, đồng thời nước còn làm phân tử màu DCM dễ bị phân hủy. 2.2. Môi trường hoạt chất dạng lỏng cho laser màu 2.2.1. Chuẩn bị dung dịch DCM Bảng 2.1: Nồng độ chất màu DCM trong dung dịch ethanol. Mẫu Nồng độ DCM (M) Mẫu 1 3.0×10-5 Mẫu 2 1.0×10-5 Mẫu 3 5.0×10-6 Mẫu 4 1.0x10-6 4
Bảng 2.2: Nồng độ chất màu DCM trong dung dịch MMA. Mẫu Nồng độ DCM (M) Mẫu 1 2.5×10-6 Mẫu 2 2.0×10-6 Mẫu 3 1.5×10-6 Mẫu 4 2.0×10-7 Mẫu 5 5.0 10-7 2.2.2. Môi trường chất màu dạng lỏng pha tạp hạt nano vàng (DCM/GNPs) Bảng 2.3: Nồng độ chất màu DCM và GNPs trong dung dịch ethanol. Nồng độ DCM Dung tích GNPs Mẫu (mol/L) (hạt/ml) Mẫu 1 1.0x10-4 M 5.0x109 Mẫu 2 1.0x10-4 M 1.0x1010 Mẫu 3 1.0x10-4 M 1.5x1010 Mẫu 4 1.0x10-4 M 2.0x1010 Bảng 2.4: Nồng độ chất màu DCM và GNPs trong dung dịch MMA. Mẫu Nồng độ DCM Dung tích GNPs (M) (hạt/ml) Mẫu 0 3.0x10-5 0 Mẫu 1 3.0x10 -5 1.0x1010 Mẫu 2 3.0x10-5 1.5x1010 Mẫu 3 3.0x10-5 2.0x1010 Mẫu 4 3.0x10-5 3.3x1010 5
2.3. Chế tạo môi trường hoạt chất laser màu dạng rắn pha tạp hạt nano vàng (DCM/GNPs/PMMA) 2.3.1. Môi trường laser màu trên nền PMMA Môi trường hoạt chất laser màu rắn được chế tạo bằng phương pháp polimer hóa các đơn phân tử MMA. 2.3.2. Khuôn dùng cho chế tạo mẫu. Môi trường hoạt chất dạng rắn được tạo trong khuôn hình chữ nhật có kích thước 1x1x2,5 cm3 Hình 2.1. Khuôn sử dụng (tương tự cuvet) cho quá trình tổng trong chế tạo các môi trường hợp các polymer được thực hiện ở hoạt chất rắn. nhiệt độ khoảng 50 oC (Hình 2.1). 2.3.3. Chế tạo môi trường hoạt chất pha tạp dạng rắn Môi trường hoạt chất dạng rắn được chế tạo bằng phương pháp polymer hóa MMA pha tạp nano vàng với tâm màu DCM. 2.2.3.1. Chế tạo môi trường hoạt chất DCM/PMMA a) Chế tạo mẫu trắng Vật liệu được sử dụng: monomer MMA và xúc tác AIBN. Dung dịch MMA cho mỗi mẫu thí nghiệm là 2000 µl. Thực nghiệm 5 mẫu với phụ gia đóng rắn AIBN thay đổi. Bảng 2.5: Vật liệu và hàm lượng tương ứng chế tạo mẫu trắng. Mẫu AIBN (mg) MMA (µl) T1 1mg 2000 T2 2mg 2000 T3 3mg 2000 6
T4 4mg 2000 T5 5mg 2000 Mẫu rắn được chế tạo với hàm lượng AIBN là 3 mg cho đồng đều cao, không tạo bọt, đạt chất lượng tốt nhất và được sử dụng trong thí nghiệm của luận án. b) Chế tạo môi trường hoạt chất DCM/PMMA Mục tiêu: Chế tạo mẫu màu rắn để khảo sát tính chất môi trường hoạt chất dạng rắn khi nồng độ chất màu thay đổi. Bảng 2.6: Vật liệu và hàm lượng chế tạo mẫu DCM/PMMA. Mẫu DCM/MMA (M) DCM/MMA (µl) AIBN (mg) D1 1x10-2 2000 3 D2 5x10-3 2000 3 D3 1x10-3 2000 3 D4 5x10-4 2000 3 D5 1x10-4 2000 3 D6 3x10-5 2000 3 D7 1x10-5 2000 3 Hình 2.1: Môi trường hoạt chất DCM phân tán trong PMMA cho laser. 7
2.2.3.2. Chế tạo mẫu PMMA/DCM pha tạp nano vàng Hạt nano vàng Au@PEG-COOH sử dụng đã được phân tán trong MMA và được đưa vào mẫu ngay công đoạn đầu. Bảng 2.7: Mẫu DCM/GNPs/PMMA với nồng độ DCM 10-3 M. DCM GNPs/MMA DCM/MMA AIBN Mẫu (mol/l) (µl) (µl) (mg) DA1 10-3 0 2000 3 DA2 10-3 4 2000 3 DA3 10-3 8 2000 3 DA4 10-3 12 2000 3 DA5 10-3 20 2000 3 Bảng 2.8: Mẫu DCM/GNPs/PMMA với nồng độ DCM 10-4 M. DCM Au/MMA DCM/MMA AIBN Mẫu (mol/l) (µl) (µl) (mg) DA6 10-4 0 2000 3 DA7 10-4 4 2000 3 DA8 10-4 8 2000 3 DA9 10-4 12 2000 3 DA10 10-4 20 2000 3 2.4. Các thông số của mẫu cần xác định và kỹ thuật sử dụng Phần này giới thiệu các phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang, độ rộng xung laser và kích thước, hình dạng của nano cũng như các thiết bị sử dụng. 8
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT PHÂN TỬ MÀU PHA TẠP HẠT NANO VÀNG Khảo sát các kết quả mới về dập tắt và tăng cường huỳnh quang của chất màu laser trong môi trường hoạt chất DCM có pha tạp GNPs. 3.1. Tính chất quang học của môi trường hoạt chất laser màu pha tạp các hạt nano vàng dạng cầu 3.1.1. Chuẩn bị mẫu Các mẫu sau khi được chế tạo như trong chương 2. Bức xạ hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG dùng làm nguồn bơm laser màu DFDL, các mẫu PMMA pha tạp màu và GNPs có thể được chế tạo dưới dạng khối 1×1×2.5 cm3. 3.1.2. Đặc trưng quang của DCM trong môi trường lỏng và rắn 3.1.2.1. Phổ hấp thụ của chất màu DCM trong dung dịch ethanol và MMA 1 0.10 -6 1 DCM 2.5 10 M 1 -5 1x10 M 2 2 -6 DCM 2.0 10 M 1.4 -6 2 5x10 M 3 -6 DCM 1.5 10 M -6 0.08 3 3x10 M 4 -6 DCM 2.0 10 M -6 3 4 1x10 M -7 5 DCM 5.0 10 M Độ hấp thụ 0.06 4 Độ hấp thụ 0.7 5 0.04 0.02 0.0 0.00 400 500 600 700 400 500 600 Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) (a) (b) Hình 3.1: Phổ hấp thụ của DCM trong ethanol (a) và trong MMA (b). Phổ hấp thụ của chất màu DCM trong dung dịch ethanol và trong MMA khi không có GNPs được thể hiện trong Hình 3.1a và 3.1b có dạng tương tự nhau. Tuy nhiên, đường cong phổ hấp thụ của DCM trong ethanol hẹp hơn và suy giảm nhanh ở phía bước sóng dài. Điều 9
đó có thể được giải thích bởi tương tác yếu giữa phân tử chất màu và dung môi hòa tan không làm mở rộng hoặc thay đổi trạng 3 1.4 -5 thái mức năng lượng trên và 1 1x10 M/L -5 Cường độ hấp thụ (đ.v.t.y) 1.2 2 3x10 M/L 2 3 -4 1x10 M/L mức cơ bản của phân tử DCM. 1.0 0.8 3.1.2.2. Phổ hấp thụ của chất 0.6 1 màu DCM trong nền PMMA 0.4 0.2 Trong nền rắn PMMA, 0.0 các phân tử DCM ít linh động 300 400 500 600 Bước sóng (nm) hơn, phổ hấp thụ thu được bị Hình 3.3: Phổ hấp thụ của DCM mở rộng nhiều về phía sóng trong nền PMMA. dài (Hình 3.3). 3.1.3. Phổ huỳnh quang của phân tử DCM pha tạp GNPs trong dung dịch ethanol (DCM/GNPs/ethanol) Cường độ huỳnh quang đạt giá trị cực đại với tỷ lệ của -4 450 (1) DCM 1x10 M Cường độ huỳnh quang (đ.v.t.y) (2) GNPs (dung dịch 1x1010 400 (3) (2) (3) 9 DCM+5x10 hat/ml 10 DCM+1x10 hat/ml (1) 10 hạt/ml của GNPs d ≈ 16 nm) 350 (4) DCM+1,5x10 hat/ml 10 300 (5) DCM+2,0x10 hat/ml (5) 250 và DCM (trong dung dịch 200 (4) 1x10 M) là 1:20. Khi tăng -4 150 100 nồng độ GNPs (> 1x10 10 50 0 hạt/ml), cường độ đỉnh của 450 500 550 600 650 700 Bước sóng (nm) phổ huỳnh quang tăng chậm và sau đó giảm. Điều đó có Hình 3.6: Phổ huỳnh quang của thể được giải thích bởi hiện DCM/GNPs trong dung dịch ethanol. tượng tăng cường huỳnh quang do tương tác trường gần giữa GNPs và phân tử chất màu đạt tới giá trị bão hòa sau đó sự dập tắt huỳnh quang bởi truyền năng lượng Foster và SET chiếm ưu thế. 10
3.1.4. Tính chất quang của DCM pha tạp GNPs trong nền PMMA 3.1.4.1. Phổ hấp thụ của DCM/GNPs/PMMA Nồng độ DCM là 1×10-4 M, nồng độ GNPs được thay 10 3 1 DCM+1.0x10 hat/mLGNPs đổi. Cường độ hấp thụ của 10 2 DCM+1.5x10 hat/mLGNPs 2 10 3 DCM+2.0x10 hat/mLGNPs 1,0 1 DCM tăng nhẹ khi nồng độ (đ.v.t.đ) độ hấp thụ(a.u) GNPs pha tạp tăng từ 5 CườngAbsorbance l/ml tới 20 l/ml (tương 0,5 ứng với 0,5x10 10 hạt/ml  2x1010 hạt/ml) (Hình 3.7). Ở 0,0 350 400 450 500 550 600 650 nồng độ GNPs thấp, ta quan Wavelength Bước (nm) sóng (nm) sát được có sự tăng trưởng Hình 3.7: Phổ hấp thụ của môi huỳnh quang nhẹ. Điều đó trường hoạt chất có thể được giải thích có sự DCM/GNPs/PMMA. xuất hiện của tương tác trường gần. Một số phân tử DCM kết đám trên bề mặt GNPs dẫn đến thiết diện hấp thụ của DCM cao hơn hấp thụ riêng phần của GNPs và chất màu. Khi tăng nồng độ GNPs, cường độ hấp thụ của mẫu tăng lên. 3.1.4.2. Huỳnh quang chất màu DCM/GNPs/PMMA Phổ huỳnh quang của DCM/GNPs/PMMA (nồng độ DCM 3x10-4 M) với nồng độ GNPs thay đổi kích thích tại bước sóng 472 nm được trình bày trong Hình 3.8. Từ hình vẽ ta thấy cường độ huỳnh quang của DCM tăng tới giá trị cực đại với nồng độ GNPs 1,5x1010 hạt/ml (đường 2), sau đó giảm cùng với sự tăng của nồng độ GNPs (đường 3, 4). 11
Điều này được giải thích bởi sự kém linh động 2 1 10 1x10 hat/ml 10 2 1,5x10 hat/ml Cường độ huỳnh quang (đ.v.t.y) 10 của phân tử DCM trong nền 40 1 3 4 2x10 hat/ml 10 2,5x10 hat/ml rắn nên tại nồng độ GNPs 3 20 4 càng cao, khoảng cách trung bình giữa GNPs và DCM 0 càng nhỏ và hiệu ứng SET 500 600 700 800 Bước sóng (n m) càng rõ. Đặc điểm này của Hình 3.8: Phổ huỳnh quang của GNPs có thể được ứng dụng DCM/GNPs/PMMA kích thích tại để điều khiển sự phát quang bước sóng 472 nm (nồng độ DCM của các tâm màu ở lân cận 3x10-4 M). của nó. GNPs thể hiện như anten phát hay thu nhận bức xạ điện từ trường. Ở nồng độ GNPs thấp, khi có bức xạ kích thích huỳnh quang, GNPs đóng vai trò phát năng lượng dẫn tới việc truyền năng lượng từ GNPs tới phân tử DCM. Ở nồng độ GNPs cao hơn, dập 300 2 10 1 DCM+1.0x10 hat/ml GNPs tắt huỳnh quang từ phân tử 250 1 2 10 DCM+1.5x10 hat/ml GNPs (a.u) 10 (đ.v.t.y) 3 DCM+2.0x10 hat/ml GNPs 3 DCM xảy ra. Khi kích thích 200 Intensity độ huỳnh quang tại bước sóng 532 nm, chỉ 150 CườngFluorescence 100 quan sát được dập tắt huỳnh 50 quang (Hình 3.9). Điều đó 0 có thể được giải thích bởi 500 550 600 Wavelength 650 (nm) 700 750 Bước sóng (nm) bước sóng kích thích gần với Hình 3.9: Phổ huỳnh quang của đỉnh hấp thụ cộng hưởng DCM/GNPs/PMMA kích thích tại plasmon của GNPs dẫn đến bước sóng 532 nm (nồng độ DCM sự tẩy quang tức thời đối với 3x10-5 M). các phân tử DCM định xứ 12
trên bề mặt GNPs. Kết quả này khác với trường hợp mẫu dung dịch DCM pha tạp GNPs. 3.1.5. Thời gian sống huỳnh quang của phân tử DCM/GNPs/PMMA Đối với trường hợp các mẫu lỏng, các phân tử DCM rất dễ bị tác động bởi LnI (đ.v.t.y) phân cực của môi trường nền. Do đó, thời gian sống huỳnh quang của DCM có sự khác biệt rõ khi sử dụng Thời gian (ns) dung môi hòa tan khác Hình 3.10: Thời gian sống huỳnh quang nhau cũng như vật liệu pha của DCM pha tạp các loại GNPs khác tạp khác nhau (Hình 3.10). nhau trong dung dịch. Trong khi đó, thời gian sống huỳnh quang của DCM trong PMMA với các nồng độ GNPs khác nhau (từ 0 tới 33 l của dung dịch GNP 1x1011 hạt/ml) như trình bày trên Hình 3.11. Tính chất phát quang của phân tử DCM như tự 1096,63316 0 phát, khả năng chuyển dời 403,42879 10 GNP 0,6x10 hat/ml 10 GNP 0,9x10 hat/ml 10 từ mức năng lượng cao 148,41316 GNP 1,5x10 hat/ml 10 LnI (đ.v.t.y) GNP 3,3x10 hat/ml trong giản đồ năng lượng 54,59815 20,08554 hầu như không bị biến đổi. 7,38906 Do đó, vật liệu rắn chứa 2,71828 DCM pha tạp GNPs có thể 5 10 15 20 Thời gian (ns) sử dụng làm môi trường hoạt chất laser như khi tồn Hình 3.11: Thời gian sống huỳnh tại dưới dạng dung dịch. quang của DCM/GNPs/PMMA. 13
3.2. Sự ảnh hưởng của hiệu ứng biến đổi nhiệt của GNPs lên phân tử DCM 3.2.1. Sự biến đổi nhiệt do hiệu ứng plasmon của GNPs Hiệu ứng chuyển đổi nhiệt giữa các hạt GNPs với môi trường xung quanh đã được mô phỏng bằng lý thuyết Mie. Mô hình lý thuyết này có thể áp dụng để giải thích các kết quả thực nghiệm đã ghi nhận được khi sử dụng các hạt GNPs đường kính d ~ 16 nm pha tạp trong môi trường laser màu rắn DCM. 3.2.2. Sự suy giảm huỳnh quang của DCM/GNPs/PMMA Hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt ảnh hưởng rất mạnh đến tuổi thọ của môi trường hoạt chất của DFDL. Hình 3.13 biểu diễn mức độ suy giảm cường độ huỳnh quang tích phân theo thời gian của môi trường hoạt chất laser DCM/GNPs/PMMA được kích thích bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG. -3 1 1x10 mol/l DCM Cường độ huỳnh quang (d.v.t.y) 10 6000 2 DCM/2x10 GNPs (TP) 10 3 DCM/2x10 GNPs (T4C) 3 4000 2 2000 1 0 0 1000 2000 Số xung (x102) Hình 3.13: Sự suy giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian của môi trường hoạt chất DCM/GNPs/PMMA tại nhiệt độ phòng và được làm lạnh. 14
3.2.3. Sự suy giảm cường độ bức xạ laser màu Độ ổn định của DFDL được mô tả trong Hình 3.15 ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ 4oC. Tại nhiệt độ phòng, sự suy giảm cường độ laser cũng tương tự như sự suy giảm huỳnh quang. Khi môi trường laser tại nhiệt độ 4 ± 1°C, cường độ laser vẫn ổn định trong một thời gian dài. o at 4 C Cường độ laser (đ.v.t.y) 9000 room temp. 6000 3000 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Số xung (x102) Hình 3.15: Sự suy giảm cường độ laser DFDL (532 nm, 140J, 5,6 ns, 10Hz). CHƯƠNG 4. LASER MÀU PHẢN HỒI PHÂN BỐ (DFDL) SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT MÀU RẮN PHA TẠP NANO VÀNG - Nghiên cứu thiết lập mô hình lí thuyết cho laser màu rắn DFDL sử dụng DCM/GNPs/PMMA. Lập chương trình bằng ngôn ngữ Matlab để mô phỏng các quá trình động học của DFDL. - Bằng công cụ phần mềm, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số laser lên tính chất chùm tia laser nhằm thu được các thông số hoạt động tối ưu của DFDL. 15
- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của một số thông số laser màu rắn DFDL lên tính chất chùm tia laser. - Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm định hướng cho việc xây dựng một thiết bị laser DFDL có thể đưa vào ứng dụng thực tiễn. 4.1. Nghiên cứu lý thuyết về laser màu rắn DFDL 4.1.1. Hệ phương trình tốc độ hai thành phần Giả thiết rằng hoạt động laser màu có thể được biểu diễn bởi hai mức năng lượng rộng (tương ứng hệ laser bốn mức năng lượng) (Hình 4.1). S1 GNP GNP p e 00 S0 Hình 4.1: Sơ đồ các mức năng lượng hoạt động laser pha tạp GNPs Để mô tả sự chuyển mức năng lượng trong hệ chất màu lai tạp hạt nano vàng, hệ phương trình tốc độ bao gồm hệ 4 phương trình mô tả quá trình động học của phát xạ laser của DFDL với yếu tố dập tắt nội tại: 𝑑𝑛𝐴𝑢 𝑑𝑡 = (𝐼𝑝 𝜎𝑝𝐴𝑢 + 𝜎𝑎𝐴𝑢 𝑐𝐼𝑎𝑖 (𝑡))(𝑛0𝐴𝑢 − 𝑛𝐴𝑢 (𝑡)) − 𝑛𝐴𝑢 (𝑡) −𝑛𝐴𝑢 [∑𝑘𝑖=1 𝜎𝑎𝑖𝐴𝑢 𝐸𝑖 (𝑡)], (4.1) 𝜏𝐴𝑢 𝑑𝐸𝑖 (𝑡) 𝜎𝑠𝐴𝑢 𝑐 𝐸𝑖 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝜂 𝑛𝑎𝑢 (𝑡)𝐸𝑖 (𝑡) − 𝜏𝐴𝑢 , (4.2) 16
𝑑𝑛𝑎 𝐾𝑠 𝜎𝑎𝐴𝑢𝑎 𝑛𝐴𝑢 𝑐𝐸𝑖 𝜎𝑒𝑎 𝑐𝑛𝑎 (𝑡)𝐼𝑎 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝐼𝑝 (𝑡)𝜎𝑝𝑎 [𝑁𝑎 − 𝑛𝑎 (𝑡)] + 𝜂 − 𝜂 − 𝑛𝑎 (𝑡) 𝜎 𝑐[𝑁 −𝑛 (𝑡)]𝐼 (𝑡) + 𝑎𝑎𝑙 𝑎 𝑎 𝑎 , (4.3) 𝜏𝑎 𝜂 𝑑𝐼𝑎𝑖 (𝑡) (𝜎𝑒𝑎𝑖 −𝜎𝑎𝑎𝑖 )𝑐 𝐼𝑎𝑖 (𝑡) Ω𝑛 (𝑡) 𝐾 𝜎 𝑐𝐼 (𝑡) 𝑑𝑡 = 𝜂 𝑛𝑎 (𝑡)𝐼𝑎𝑖 (𝑡) − 𝜏𝑐 (𝑡) + 𝜏𝑎 − 𝐹 𝑎𝐴𝑢𝜂 𝑎𝑖 , 𝑎 (4.4) trong đó n0Au, na là các mật độ của các phân tử GNP và DCM trong 3 1cm ; nAu(t), na(t) là các mật độ trung bình tức thời của GNPs và DCM ở mức năng lượng trên trong 1cm3; τc - thời gian sống của photon trong BCH tương đương, được cho bởi biểu thức sau: 𝜂𝐿3 [𝑛𝑎𝑖 (𝑡)𝜎𝑒𝑎𝑖 𝑉]2 𝜂𝐿3 𝜋 2 𝛾𝑖 (𝑡) 2 𝜏𝑐 = 8𝑐 3 𝜋2 = 2𝑐 3 𝜋2 [(𝜆 ∆𝜂(𝑡)) + ( 2 ) ]. (4.5) 𝑖 2 2 𝜋 3 𝑛𝑡ℎ = 𝜎 ( ). 𝐿 𝑉 (4.6) 𝑒𝑎𝑖 Phương trình (4.1) mô tả tốc độ biến đổi của GNPs ở trạng thái kích thích bởi năng lượng bơm và năng lượng bức xạ laser của các phân tử DCM. Sự thay đổi năng lượng plasmon bề mặt cộng hưởng của GNPs chỉ ra ở phương trình (4.2). Sự truyền năng lượng từ/tới các phân tử chất màu DCM được mô tả bởi phương trình (4.3) với KF và Ks là hệ số truyền năng lượng. Nó là dương nếu năng lượng được truyền từ GNPs tới phân tử chất màu và âm theo hướng ngược lại. Tốc độ thay đổi của mật độ photon trong BCH được chỉ ra ở phương trình (4.4). 4.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ bơm Tại mức bơm xấp xỉ ngưỡng ta thu được các đơn xung. Khi tăng dần tốc độ bơm r/rth theo từ 1,5 đến 2 lần trên ngưỡng phát thì độ rộng xung hẹp dần và xuất hiện xung thứ cấp thứ 2 do sự hồi phục độ tích lũy ở mức trên (Hình 4.2). 17
Hình 4.2: Tiến trình phổ DFDL khi thay đổi tốc độ bơm. 4.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ GNPs Khi nồng độ GNPs tăng lên, tương tác truyền năng lượng từ các phân tử DCM đến GNPs tăng lên làm dập tắt các bức xạ thứ cấp trong chuỗi xung laser do các dao động hồi phục tích lũy mức laser trên (Hình 4.3). Hình 4.3: Tiến trình phổ bức xạ laser khi thay đổi nồng độ GNPs tại mức bơm cao trên ngưỡng 2 lần. 18