بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، یک لیزر تصادفی بر اساس نانو صفحات اکسید روی ساخته میشود. نانو صفحات اکسید روی با استفاده از تکنیک لایه نشانی الکتروشیمی بر روی شیشههای FTO رشد داده میشوند. از محلول رنگدانهی رودامین B به عنوان محیط بهرهی لیزر تصادفی استفاده میکنیم. بازخورد اپتیکی از طریق پراکندگی نور توسط نانو صفحات ZnO تأمین میشود. مشاهده میکنیم که تابش لیزری تصادفی حاصل از نانو صفحات ZnO و رنگدانهی آلی دارای چند مد است و مدهای مجزا از هم به ازای انرژیهای دمش بالاتر از انرژی آستانه در طیف تابشی ظاهر میشوند. ما در این بررسی، انرژی دمش آستانه را برای هر یک از مدهای لیزری برانگیخته شده در نانو ساختار اندازه میگیریم. همچنین نتایج بررسیهای ما نشان میدهند که تابش لیزری تصادفی حاصل از نانو صفحات اکسید روی، جهتمند نیست و همچنین به محلی از نمونه که تحت دمش قرار میگیرد؛ وابسته است.
-1 مقدمه
در لیزرهای تصادفی بازخورد اپتیکی از طریق چند پراکندگی نور تأمین میشود. اگر میزان پراکندگیها ضعیف باشد و نور پس از چند مرتبه پراکندگی از محیط خارج شود، لیزر تصادفی را ناهمدوس مینامند. به این علت که مدهای لیزری رزونانسی در طیف تابشی آنها مشاهده نمیشود. اما اگر میزان پراکندگیها قوی باشد، آنگاه این امکان وجود دارد که نور درون محیط به دام بیفتد. به دام افتادن نور و باقی ماندن آن درون محیط که مستلزم شرط تداخل سازنده است، باعث میشود که تعدادی مد لیزری رزونانسی به صورت قلههای بسیار باریک در طیف تابشی مشاهده شود. این دسته از لیزرهای تصادفی، لیزرهای تصادفی همدوس نامیده میشوند. لیزرهای تصادفی میتوانند در شناسایی سرطانها، تراشههای نورتاب، حسگرها و...کاربرد داشته باشند .[1]
در سال 1968 لتوخوف برای اولین بار وجود لیزرهای تصادفی را به صورت تئوری پیش بینی کرد .[2] در سال 1998 نیز اولین لیزر تصادفی همدوس به صورت تجربی توسط کائو و همکارانش ساخته شد .[3] در آن بررسی تابش لیزر تصادفی از پودر اکسید روی که هم بهره و هم بازخورد اپتیکی را فراهم میکرد مشاهده شد. در سال 2007 نیز تابش لیزری تصادفی از نانو ساختارهای اکسید روی به شکل نانو دیوار که به روش تبخیر حرارتی ساخته شده بودند، به دست آمد .[4] برانگیختگی اپتیکی نانو ساختارها توسط هارمونیک سوم لیزر پالسی با طول موج 355 نانومتر صورت گرفت.
در این مقاله، از نانو صفحات اکسید روی که به روش الکتروشیمی رشد داده شدهاند برای ساخت لیزرهای تصادفی استفاده میکنیم. ضخامت صفحات ZnO در ابعاد نانومتر است. از آنجایی که نانو صفحات رشد یافتهی اکسید روی، شکل و اندازهی نامنظم و کاتورهای دارند، بنابراین انتظار داریم که این نانو صفحات بتوانند به عنوان مراکز پراکننده در لیزرهای تصادفی استفاده شوند. محلول رنگدانهی رودامین B را به نانو ساختار رشد داده شده اضافه میکنیم تا به عنوان محیط فعال لیزر عمل کند. از هارمونیک دوم لیزر پالسی Nd-YAG با طول موج 532 نانومتر، پهنای زمانی 10 نانو ثانیه و نرخ تکرار 5 هرتز برای دمش اپتیکی نمونهها استفاده میکنیم.
-2 روش آماده سازی مواد و چیدمان آزمایش
محلولی شامل غلظت 0/0073 مولار از رنگدانهی رودامین B را در اتانول و اتیلن گلیکول با نسبت حجمی برابر آماده میکنیم. برای دست یابی به یک محلول همگن، نمونه را به مدت 30 دقیقه بر روی دستگاه استیرر - هم زن مغناطیسی - قرار میدهیم.
1؛-2 رشد نانو صفحات اکسید روی
لایه نشانی الکتروشیمی در دمای 70 درجهی سانتیگراد و پتانسیل -1/1 ولت نسبت به پتانسیل الکترود کلرید جیوه اشباع انجام شده است. از یک شیشه که بر روی آن لایهی نازک اکسید قلع آلاییده به فلور - FTO - لایه نشانی شده است، به عنوان الکترود کار و شمارنده در یک سلول سه الکترودی استفاده میکنیم. در این سلول، از 20 میلیلیتر محلول آبی 0/1 مولار کلرید پتاسیم و 0/08 مولار نیترات روی به عنوان الکترولیت استفاده میکنیم. زمان لایه نشانی دو دقیقه است و توسط دستگاه پتانسیو استات انجام میشود.
سپس نمونهها به مدت یک ساعت در هوا در دمای 200 درجهی سانتیگراد حرارت داده میشوند. در شکل1 تصویر میکروسکوپ الکترونی - SEM - نانو صفحات ZnO رشد یافته نشان داده شده است. از دیافراگم برای تنظیم اندازهی لکهی پمپ بر روی نمونه استفاده میکنیم. عدسی نیز نور لیزر پمپ را بر روی نمونه متمرکز میکند. با استفاده از یک فیبر نوری که در زاویهی نسبت به راستای فرودی لیزر پمپ قرار گرفته است، تابش لیزر تصادفی گسیل شده از نمونه را جمعآوری کرده و به طیف سنج منتقل میکنیم. طیف تابشی نیز با استفاده از یک کامپیوتر ثبت میشود.
3؛-2 بحث و نتایج آزمایش
ابتدا مقداری از رنگدانهی رودامین B را بر روی ساختار رشد داده شده، لایه نشانی غوطه وری میکنیم. سپس نمونهی آماده شده را در مقابل تابش هارمونیک دوم لیزر پالسی Nd-YAG قرار میدهیم. طیف تابشی از نمونه به ازای انرژیهای مختلف پالس پمپ در شکل 3 نشان داده شده است.
تغییر طیف تابشی با افزایش انرژی دمش بر حسب میلی ژول بر پالس.
مشاهده میکنیم که در انرژیهای دمش بالا، دو قله در طیف تابشی ظاهر میشود. اولین قله از سمت چپ در طول موج 532 نانومتر، مربوط به موج پمپ است که برای دمش اپتیکی ساختار به کار رفته است. قلهی دوم از سمت چپ را مد تابشی اول مینامیم. طول موج مرکزی و پهنای آن به ازای انرژی دمش 6/85 میلیژول بر پالس، به ترتیب برابر با 599 و 6 نانومتر است. قلهی سوم از سمت چپ را مد تابشی دوم مینامیم. طول موج مرکزی و پهنای آن به ترتیب برابر با 622 و 7/5 نانومتر میباشد. اختلاف طول موجی این دو مد برابر با 23 نانومتر است.
حال انرژی دمش آستانه را برای هر یک از دو مد تابشی اندازهگیری میکنیم. برای این منظور، منحنی بیشینهی شدت تابشی بر حسب انرژی دمش را برای هر کدام از دو مد در شکل 4 رسم میکنیم. از روی شکل، انرژی دمش آستانه برای مد اول و دوم به ترتیب برابر با 4/5 و 3 میلی ژول است. بنابراین آستانهی مد دوم نسبت به مد اول کمتر است. دلیل این امر آن است که ضریب کیفیت کاواک تصادفی مد دوم نسبت به مد اول بیشتر میباشد.
در شکل 5، مکانهای مختلف لکهی پمپ را با شمارههای 1، 2 و 3 از یکدیگر متمایز کردهایم. انرژی دمش در تمام حالتها برابر با 6/85 میلیژول بر پالس است. مشاهده میکنیم زمانی که موقعیت شمارهی 1 از نمونه پمپ شود، هر دو مد در ساختار برانگیخته میشوند. همچنین در موقعیت 2 فقط مد با طول موج 622 نانومتر برانگیخته شده است . بنابراین با تغییر محل پمپ میتوانیم تنها یکی از مدهای لیزری را تحریک کنیم. در موقعیت 3 مشاهده میکنیم که شدت تابشی مد اول نسبت به مد دوم بیشتر شده که بر خلاف موقعیت 1 است. بنابراین با تغییر مکانی از نمونه که تحت دمش قرار میگیرد، میتوانیم طیف تابشی و شدت مدهای تحریک شده در ساختار را کنترل کنیم.
