بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، به صورت تجربی گسیل لیزر تصادفی را از محلول شامل ذرات اکسید تنگستن و رنگدانهی آلی رودامین 6G بررسی میکنیم. نظر به اهمیت و کاربرد اکسید تنگستن در حسگرهای گازی، مواد الکتروکرومیک، الکترودهای نوری و سایر ابزارهای اپتوالکتریکی، این ماده را به عنوان مراکز پراکننده در محیط تصادفی انتخاب کردیم. تا جایی که اطلاع داریم، این کار برای اولین بار در این مقاله انجام میشود.
ذرات اکسید تنگستن بازخورد نوری را از طریق چند پراکندگی نور فراهم میکنند. محلول رودامین 6G نیز بهرهی نوری را از طریق گسیل القایی تأمین میکند. از هماهنگ دوم لیزر ضربانی Nd-YAG با طول موج 532 نانومتر برای برانگیختگی نوری نمونه استفاده میکنیم.
همچنین اثر تغییر غلظت ذرات WO3 را بر روی آستانهی لیزری تصادفی بررسی میکنیم. نتایج بررسیهای ما نشان میدهند که با افزودن ذرات اکسید تنگستن به محلول رنگدانهی رودامین 6G، تابش لیزری تصادفی تک مد از نمونه به دست میآید. همچنین مقدار شدت دمش آستانه را برای هر کدام از نمونههای آماده شده شامل غلظتهای مختلف ذرات WO3 اندازه میگیریم. نتایج اندازهگیریها نشان میدهند که با افزایش غلظت ذرات پراکننده، آستانهی لیزردهی تصادفی کاهش پیدا میکند.
-1 مقدمه
لیزرهای تصادفی، لیزرهای بدون آینه نامیده میشوند. به این علت که بر خلاف لیزرهای معمولی، بازخورد نوری در آنها توسط آینه تأمین نمیشود. بلکه چند پراکندگی نور درون محیط بهره بازخورد نوری لازم را برای نوسان لیزری تصادفی فراهم میکند. لیزرهای تصادفی بر حسب مکانیزم بازخورد به دو دستهی لیزرهای تصادفی همدوس و ناهمدوس تقسیمبندی میشوند. بازخورد در لیزرهای تصادفی همدوس از نوع تشدیدی و در لیزرهای تصادفی ناهمدوس از نوع غیر تشدیدی است. محیط فعال لیزرهای تصادفی میتواند انواع رنگدانههای آلی، پودرهای نیمه رسانا، کریستالهای مایع، نقاط کوانتومی و... باشد .[1] تولید نور لیزر تصادفی اولین بار به صورت تئوری توسط لتوخوف در سال 1968پیش بینی شد .[2] اولین تابش لیزری تصادفی همدوس نیز در سال 1998 به صورت تجربی مشاهده گردید
اکسید تنگستن به دلیل حساسیت بالا به نور، ویژگیهای خوب انتقال الکترون و پایداری در برابر خوردگی نوری در محلولهای آبی اسیدی از اهمیت بالقوهای برخوردار است. کاربرد اکسید تنگستن به عنوان نیمه رسانای نوع n در حسگرهای گازی، مواد الکتروکرومیک، الکترودهای نوری و سایر ابزارهای اپتوالکتریکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین ساخت لیزرهای تصادفی بر پایهی اکسید تنگستن میتواند دریچهی جدیدی را بر روی کاربردهای لیزرهای تصادفی در این فناوریها باز کند.
در این مقاله، گسیل تک مد لیزر تصادفی را از محلول رنگدانهی آلی و ذرات پودری WO3 گزارش میدهیم. تا جایی که اطلاع داریم ساخت لیزر تصادفی بر پایهی ذرات اکسید تنگستن تاکنون در مقالات داخلی و خارجی گزارش نشده است. همچنین اثر افزایش غلظت ذرات WO3 بر روی آستانهی نوسان لیزری را بررسی میکنیم. پژوهشی که در این مقاله انجام میدهیم میتواند آغازگر سایر تحقیقات در زمینهی لیزرهای تصادفی بر پایهی اکسید تنگستن باشد.
-2 روش آماده سازی مواد و چیدمان آزمایش
از پودر اکسید تنگستن - ultra-pure, Merck - به رنگ زرد کم رنگ استفاده میکنیم. همچنین پودر رنگدانهی رودامین 6G محصول شرکت سیگما آلدریچ، با محتوای رنگ %95 و به رنگ قرمز تیره به عنوان محیط بهره در لیزر تصادفی به کار میرود. به منظور بررسی اثر تغییر غلظت ذرات پراکننده بر روی آستانهی لیزر تصادفی، سه محلول مجزا از هم شامل غلظتهای مختلف 0/0072، 0/0144 و 0/0216 مولار از اکسید تنگستن و غلظت ثابت 0/0048 مولار از رنگدانهی رودامین 6G در اتانول و اتیلن گلیکول با نسبت حجمی 2 به 1 را آماده میکنیم.
لازم به ذکر است که از اتانول و اتیلن گلیکول به ترتیب با درصدهای خلوص %99/8 و %99/5، تولید شده توسط شرکتهای کیمیا الکل زنجان و Merck استفاده میکنیم. از آن جایی که گرانروی اتیلن گلیکول نسبت به اتانول بیشتر است بنابراین مقدار آن را بیشتر انتخاب میکنیم تا به این ترتیب ذرات WO3 درون محلول دیرتر ته نشین شوند. برای دست یابی به یک محلول همگن، ابتدا هر یک از آنها را به مدت یک ساعت بر روی دستگاه استیرر - هم زن مغناطیسی - قرار داده و سپس به مدت نیم ساعت نیز اولتراسونیک میکنیم. یک نمونه محلول شامل فقط رودامین 6G با غلظت 0/0048 مولار نیز آماده میشود. پس از آماده سازی محلولها، مقداری از هر کدام از آنها را بین دو لام میکروسکوپ قرار میدهیم و به این ترتیب یک سلول لیزر تصادفی آماده میشود.
-1-2 چیدمان آزمایش
در شکل 1 چیدمان آزمایش را مشاهده میکنیم:
شکل :1 طرحوارهای از محل قرارگیری و چیدمان وسایل آزمایش.
از چپ به راست، به ترتیب لیزر ضربانی Nd-YAG، روزنه، عدسی و نمونه را روبروی یکدیگر قرار میدهیم. از روزنه برای تنظیم اندازهی لکهی دمش بر روی نمونه استفاده میکنیم . عدسی نور لیزر دمش را بر روی نمونه متمرکز میکند. یک تار نوری - قطر مغزی 200 میکرون و نوع UV- - VIS تابش لیزر تصادفی گسیل شده از نمونه را جمعآوری کرده و به یک بیناب سنج - HR-2000 Ocean Optics - با دقت 0/05 نانومتر منتقل میکند. تزویج تابش گسیلی به تار نوری توسط یک جفت کنندهی تار انجام میشود. سپس با استفاده از کامپیوتری که به بیناب سنج متصل است، طیف تابشی را ثبت میکنیم. به منظور اندازهگیری شدت تابش لیزر دمش بر روی نمونه نیز از یک دستگاه ژولمتر با دقت 1 میکرو ژول و ساخت شرکت Gentec استفاده میشود. برای انتقال نور به ژول متر از یک تقسیم کنندهی باریکه استفاده میشود.
-2-2 بحث و نتایج آزمایش
ما ابتدا محلول 0/0216 مولار اکسید تنگستن را در برابر تابش هماهنگ دوم لیزر ضربانی Nd-YAG با طول موج 532 نانومتر، پهنای زمانی 10 نانو ثانیه و نرخ تکرار 10 هرتز قرار میدهیم و اثر افزایش انرژی دمش را بر روی طیف تابشی آن بررسی میکنیم. نتیجه به ازای انرژیهای دمش 0/5، 0/98، 1/8 ، 2/6، 4، 5/4، 6/85 و 8/27 میلی ژول بر ضربان در شکل 2 نشان داده شده است:
شکل :2 تحول طیف گسیل بر حسب طول موج با افزایش انرژی دمش برای محلول 0/0216 مولار .WO3
مشاهده میکنیم در انرژیهای دمش کم، طیف تابشی بسیار پهن و فاقد قلهی تابشی است. با افزایش انرژی دمش، منحنی تابشی به طرف قلهی مرکزی محیط فعال باریک شده و گسیل خود به خودی تقویت شده اتفاق میافتد. زمانی که انرژی دمش از مقدار آستانه بیشتر شود، آنگاه یک قلهی تابشی با پهنای کم در طیف گسیلی ظاهر میشود که شدت آن با افزایش انرژی دمش، بیشتر میشود. طول موج مرکزی آن به ازای انرژی دمش 4 میلیژول بر ضربان، برابر با 576 نانومتر و پهنا در نصف بیشینه - FWHM - برابر با 5/5 نانومتر میباشد.
انرژی دمش رسم میکنیم - شکل. - 3 همچنین، پهنای قلهی تابشی بر حسب انرژی ضربان دمش را در شکل 3 نشان دادهایم. دایرهها متناظر با دادههای حاصل از آزمایش و خط چین نیز برازش نمودار به دادههای تجربی است. مشاهده میکنیم که روند افزایش شدت تابشی با افزایش انرژی دمش، از یک انرژی دمش مشخص به بعد، ناگهان با شیب بیشتری اتفاق میافتد.
این انرژی دمش، انرژی دمش آستانه نام دارد و مقداری از انرژی دمش است که به ازای آن، بهرهی لازم فراهم شده و نوسان لیزری برای مد تشدیدی رخ میدهد. ما شدت دمشآستانه را تقریباً برابر با 0/8 میلی ژول بر ضربان به دست میآوریم. همچنین مشاهده میکنیم که در انرژی دمش آستانه، پهنای قلهی تابشی خیلی سریع کاهش مییابد. همانگونه که میدانیم افزایش ناگهانی در شدت و کاهش سریع در پهنای قلهی تابشی دو مشخصه از رخدادن نوسان لیزری هستند.
بنابراین ما نتیجه میگیریم که در نمونهی مورد بررسی که حاوی غلظت 0/0216 مولار از WO3 است، نوسان لیزری تصادفی اتفاق افتاده است. همچنین آستانهی به دست آمده از هر دو منحنی در شکل 3 بر هم منطبق است. در مرحلهی بعد نمونهی 0/0048 مولار رودامین 6G و فاقد ذرات WO3 را تحت دمش قرار میدهیم و تابش فلوئورسانس حاصل را به ازای انرژی دمش 4 میلیژول بر ضربان ثبت میکنیم
شکل :4 طیف گسیل بر حسب طول موج برای محلول 0/0048 مولار فقط رنگدانهی آلی و به ازای انرژی دمش 4 میلیژول بر ضربان.پهنا در نصف بیشینه برای تابش فلوئورسانستقریباً برابر با 56/5 نانومتر و طول موج مرکزی نیز 570 نانومتر میباشد.
نتایج به دست آمده نشان میدهند زمانی که ذرات WO3 درون محلول حاوی رنگدانهی آلی وجود داشته باشند،
شکل :3 منحنی شدت بیشینه و پهنا در نصف بیشینهی قلهی تابشی بر حسبپهنای قلهی تابشی بسیار باریک و شدت آن نیز بسیار زیاد میشود. به عبارت دیگر با افزودن ذرات WO3 به محلول،انرژی هر ضربان دمش، برای محلول 0/0216 مولار .WO3 برای اندازهگیری شدت دمش آستانه متناظر با قلهی تابشی شدت تابشی 13 برابر افزایش و پهنا در نصف بیشینه نیز ظاهر شده، منحنی شدت بیشینهی تابشی را بر حسب تقریباً 11 برابر کاهش پیدا میکند
