§OµN HOµI S¥N, L£ THÞ NGäC Tó ... buång céng hëng quenching, tr. 52-56
52
§éng häc laser mµu cã buång céng h−ëng quenching
§OµN HOµI S¥N
(a)
, L£ THÞ NGäC Tó
(b)
Tãm t¾t. Trong bµi b¸o nµy, c¸c ®Æc tr−ng phæ vµ thêi gian trong qu¸ tr×nh ph¸t xung
laser mµu ng¾n, dùa trªn ph−¬ng ph¸p buång céng h−ëng (BCH) quenching ®· ®−îc nghiªn
cøu b»ng hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é më réng ®a b−íc sãng. C¸c kÕt qu thu ®−îc cho thÊy møc ®é
nh h−ëng cña c¸c yÕu tè kh¸c nhau (n¨ng l−îng b¬m, thÓ tÝch dïng chung cña hai BCH, c¸c
th«ng sè BCH laser...) lªn qu¸ tr×nh ph¸t xung laser ng¾n. §Æc biÖt, ®é réng phæ ®¸ng kÓ
(kho¶ng 100 A
0
) cña c¸c xung laser ®¬n vµ ng¾n ®· ®−îc ph¸t hiÖn vµ kiÓm chøng b»ng thùc
nghiÖm. §iÒu nµy ®· cho phÐp ph¸t thµnh c«ng c¸c xung laser ng¾n, ®iÒu chØnh liªn tôc b−íc
sãng – khi sö dông mét yÕu tè chän läc phæ ®¬n gin vµo laser BCH dËp t¾t. Víi nh÷ng ph¸t
hiÖn míi nµy, laser mµu BCH quenching sÏ ®−îc chó träng h¬n trong øng dông thùc tiÔn.
Më §ÇU
Mét ph−¬ng ph¸p ph¸t xung laser ng¾n víi xung b¬m nan« - gi©y lµ ph−¬ng
ph¸p BCH quenching. Nguyªn lý cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ dùa trªn sù c¹nh tranh
n¨ng l−îng tÝch tr÷ trong m«i tr−êng ho¹t chÊt gi÷a hai BCH chÊt l−îng thÊp (BCH
Q -thÊp) vµ BCH chÊt l−îng cao (BCH Q - cao). Ho¹t ®éng cña BCH Q - cao chiÕm
hÇu hÕt kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i trong ho¹t chÊt. Do ®ã sù ph¸t laser tõ BCH Q - thÊp
chØ cho phÐp ph¸t ra mét xung laser ng¾n ë lèi ra [1, 4]. §éng häc cña laser cã BCH
quenching ®· ®−îc nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn víi laser mµu láng vµ chØ míi quan t©m
t¹i mét tÇn sè. Nh÷ng ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè nh− phÇn thÓ tÝch ho¹t chÊt dïng
chung gi÷a hai BCH, møc b¬m, th«ng sè BCH Q - cao vµ nång ®é chÊt mµu lªn ®éng
häc cña laser mµu xung ng¾n cã BCH quenching vÉn ch−a ®−îc lµm s¸ng tá [4, 5].
Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i tr×nh bµy mét sè nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc
nghiÖm vÒ ®éng häc cña laser mµu ph¸t xung ng¾n cã BCH quenching. C¸c ®Æc
tr−ng phæ vµ thêi gian trong qu¸ tr×nh ph¸t xung laser mµu ng¾n ®· ®−îc nghiªn
cøu b»ng hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é më réng ®a b−íc sãng. C¸c kÕt qu¶ thu ®−îc cho
thÊy møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè kh¸c nhau (n¨ng l−îng b¬m, thÓ tÝch ho¹t
chÊt dïng chung cña hai BCH, c¸c th«ng sè BCH laser ...) lªn qu¸ tr×nh ph¸t xung
laser ng¾n. B»ng nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm chóng t«i chØ ra r»ng c¸c
xung laser mµu tr¹ng th¸i r¾n vµ láng cã BCH quenching ph¸t ra trªn mét d¶i phæ
lµ ®¸ng kÓ 100Å. §iÒu nµy ®· cho phÐp ph¸t thµnh c«ng c¸c xung laser ng¾n, ®iÒu
chØnh liªn tôc ®−îc b−íc sãng trªn mét miÒn phæ réng tõ ph−¬ng ph¸p BCH
quenching.
1. HÖ ph−¬ng tr×nh tèc cña laser mµu buång céng h−ëng quenching
XuÊt ph¸t tõ hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é më réng sau
NhËn bµi ngµy 24/10/2007. Söa ch÷a xong 21/11/2007.
§¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVI, sè 4A-2007
53
trong ®ã:
I
i
: C−êng ®é laser t¹i b−íc sãng λ
i
; P(t): Tèc ®é b¬m (s
-1
);
L
l
, L
h
: ChiÒu dµi BCH Q-thÊp vµ Q-cao; τ lµ thêi gian sèng huúnh quang chÊt
mµu;
τ
l
, τ
h
: Thêi gian sèng cña photon trong BCH Q-thÊp vµ Q-cao;
A
i
: H»ng sè ph¸t x¹ tù ph¸t t¹i b−íc sãng λ
i
;
σ
ai
, σ
ei
: HÖ sè hÊp thô vµ hÖ sè ph¸t x¹ t¹i b−íc sãng λ
i
;
α
l,i
và α
h,i
lµ hÖ sè mÊt m¸t trong BCH Q-thÊp vµ Q-cao;
N
0
, N
1
: §é tÝch luü tr¹ng th¸i ®iÖn tö c¬ b¶n S
0
vµ tr¹ng th¸i kÝch thÝch S
1
.
Gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é më réng nãi trªn nhê phÇn mÒm viÕt b»ng ng«n
ng÷ Matlab 6.5 vµ sö dông thuËt to¸n Runge-Kutta bËc 4. C¸c kÕt qu¶ ®· chØ ra
r»ng viÖc ph¸t xung ng¾n cña laser mµu cã BCH quenching kh«ng nh÷ng phô thuéc
vµo nång ®é ph©n tö mµu, møc b¬m, th«ng sè BCH Q - cao mµ cßn phô thuéc m¹nh
vµo phÇn thÓ tÝch ho¹t chÊt dïng chung gi÷a hai BCH.
2. §éng häc laser mµu xung ng¾n cã buång céng h−ëng quenching
§Ó nghiªn cøu ®éng häc phæ cña laser mµu xung ng¾n cã BCH quenching
chóng t«i sö dông hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é (1) m« t¶ toµn bé b−íc sãng cho PM 567/
Polymer (Nång ®é chÊt mµu N = 5×10
17
cm
-3
, Ω = 2 ; L
h
= 2 cm; r = 10; R
3
= 1; R
1
= R
2
= 0,04). KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®−îc chØ ra trªn h×nh 1. B»ng thùc nghiÖm, chóng t«i
chøng tá r»ng c¸c laser mµu PM567/Polymer (h×nh 2) xung ng¾n tõ BCH quenching
còng ph¸t ra trªn mét d¶i phæ réng hµng tr¨m Å
(h×nh 3). Ta thÊy r»ng víi sù lùa
chän c¸c th«ng sè thÝch hîp ho¹t ®éng cña laser tõ BCH Q - thÊp lµ ®¬n xung trªn
mét d¶i phæ réng 100 Å. §©y chÝnh lµ kÕt qu¶ míi ®−îc ph¸t hiÖn trong ph−¬ng
ph¸p ph¸t xung ng¾n tõ BCH quenching.
( )
1
11
1
1
)( NIINtIP
t
N
hili
n
eio
n
aii
++−
+=
∂
∂
∑∑
τ
σσ
( )
[ ]
1
,
,0,1,
,
2NA
I
LNN
t
I
i
l
il
illiaie
il
+−−=
∂
∂
τ
ασσ
( )
[ ]
1
,
,0,1,
,
2NA
I
LNN
t
I
i
h
ih
ihhiaie
ih
+−−=
∂
∂
τ
ασσ
,
01
Ν+Ν=Ν
§OµN HOµI S¥N, L£ THÞ NGäC Tó ... buång céng hëng quenching, tr. 52-56
54
5000
5500 6000
6500
7000 554
556
558
Thời gian (ps)
562
560
Bước sóng (nm)
564
Cư
ờ
ng
đ
ộ
(
đ
. v. t.
đ
.)
H×nh 1. TiÕn tr×nh phæ thêi gian cña ph¸t
x¹ laser mµu r¾n PM 567/Polymer tõ BCH
Q - thÊp (d¶i phæ tham gia ph¸t laser
kho¶ng 100Å)
H×nh 2. Phæ laser xung ng¾n tõ BCH Q - thÊp
(phæ laser tøc thêi xung ng¾n tõ BCH Q - thÊp)
3. Ph¸t xung laser ng¾n vµ ®iÒu chØnh liªn tôc b−íc sãng tõ laser cã BCH
quenching
§Ó chøng tá khn¨ng laser mµu xung ng¾n, b¨ng hÑp, ®iÒu chØnh liªn tôc b−íc
sãng ph¸t trªn mét di phæ réng chóng t«i sö dông mét yÕu tè chän läc phæ ®¬n gi¶n
(c¸ch tö). Trong laser mµu BCH quenching chÊt mµu sö dông lµ PM567/Polymer nång ®é
10
-4
Mol/l, chiÒu dµi BCH Q - cao lµ 2 cm, hÖ sè phn x¹ cña g−¬ng sau BCH Q - cao lµ
90%, gãc gi÷a hai BCH lµ 2
0
, møc b¬m r = 4 lÇn trªn ng−ìng. Chïm laser xung ng¾n tõ
BCH Q-thÊp sau khi ®· ®−îc chuÈn trùc chiÕu lªn c¸ch tö nhiÔu x¹. §Ó ®¹t ®−îc ®é ph©n
gi¶i phæ vµ n¨ng l−îng xung thÝch hîp, chïm tia nhiÔu x¹ ®−îc lùa chän vµ héi tô bëi mét
thÊu kÝnh (h×nh 3).
O
1
G
L
3
L
1
L
2
L
4
O
2
S
1
/2
Laser mµu
xung ng¾n
b¨ng hÑp
Xung laser b¬m
G
h
S
H×nh 3. Laser mµu xung ng¾n ®iÒu
chØnh liªn tôc b−íc sãng
Trªn mÆt ph¼ng ¶nh cña thÊu kÝnh t¹i ®ã
mét khe hÑp S
1
kho¶ng 0,
3 mm dïng ®Ó chän läc
b¨ng phæ hÑp cÇn thiÕt. Kho¶ng phæ ®−îc chän cã
thÓ ®iÒu chØnh b»ng c¸ch qua
y c¸ch tö G sao cho
nã quÐt ®−îc toµn bé vïng phæ ph¸t
laser tõ BCH
quenching ®Ó thu ®−îc
b¨ng phæ hÑp cÇn thiÕt.
C¸c xung laser mµu ng¾n b¨ng hÑp ®−îc thu b»
ng
photodiode nhanh (s−ên n©ng 200ps) vµ dao ®éng
kÝ sè (Tektronix)1,5 GHz. C¸c kÕt qu ®· chØ ra
r»
ng víi BCH quenching chóng ta cã thÓ thu ®−îc
xung laser ng¾n, b¨ng hÑp ë nh÷ng b−íc sãng
kh¸c nhau tõ 561,5 nm ®Õn 579,
5 nm víi chÊt
mµu PM567/Polymer (h×nh 4).
§¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVI, sè 4A-2007
55
H ình 4. Xung laser màu xung ngắn từ BCH quenching ở các bước sóng khác nhau
λ
λλ
λ=573.5 nm
λ
λλ
λ=575.5 nm
λ
λλ
λ=561.5 nm
λ
λλ
λ=565.5 nm
λ
λλ
λ=569.5 nm
λ
λλ
λ=579.5 nm
Nh− vËy, ta ®· thu ®−îc c¸c xung laser mµu ng¾n, b¨ng hÑp, ®iÒu chØnh liªn
tôc b−íc sãng trong miÒn phæ réng. C¸c kÕt qu¶ nµy hoµn toµn cã thÓ øng dông víi
c¸c chÊt mµu kh¸c nhau, nh− tr−íc ®©y ®· ®−îc thùc hiÖn trong kü thuËt BCH
quenching truyÒn thèng. Do vËy chóng ta cã thÓ chñ ®éng ph¸t ®−îc c¸c xung laser
ng¾n, ®iÒu chØnh liªn tôc b−íc sãng trong miÒn phæ nh×n thÊy dùa trªn kü thuËt
BCH quenching.
KÕT LUËN
C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ laser mµu r¾n vµ láng cã BCH quenching víi hÖ
ph−¬ng tr×nh tèc ®é më réng ®· cho ta mét bøc tranh toµn diÖn vÒ c¸c qu¸ tr×nh vËt
lý x¶y ra trong ph−¬ng ph¸p ph¸t xung laser ng¾n víi BCH quenching. B»ng c¸c
nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm vÒ ®éng häc phæ trong ph¸t x¹ laser mµu cã
BCH quenching chóng t«i ®· chØ ra r»ng xung laser mµu ng¾n ph¸t tõ kü thuËt
BCH quenching ®−îc ph¸t trªn mét d¶i phæ réng ®¸ng kÓ (100Å) vµ chøng tá ®−îc
kh¶ n¨ng ph¸t xung laser ng¾n, b¨ng hÑp, ®iÒu chØnh liªn tôc b−íc sãng trªn miÒn
phæ réng cña laser mµu cã BCH quenching. Kh¶ n¨ng míi nµy sÏ gióp c¸c laser
ph¸t xung ng¾n víi BCH quenching ®−îc chó träng h¬n n÷a trong øng dông.
H×nh 4. Xung laser mµu ng¾n PM567/Polymer tõ BCH quenching ë c¸c b−íc sãng kh¸c
nhau
§OµN HOµI S¥N, L£ THÞ NGäC Tó ... buång céng hëng quenching, tr. 52-56
56
TµI LIÖU THAM KHO
[1] P. Simon, J. Klebniczki, A study of picosecond pulse generation by a double-
resonator dye laser, Opt. Comm., 56, 1986, 359 - 364.
[2] N. Dai Hung, Y.H. Meyer, Direct measurements of spectral and temporal
characteristics of dye lasing in ultralow-Q microcavities, Appl. Phys. Lett., 1996,
2624 - 2626.
[3] A. Bergmann, W. Holzer, A. Penzkofer et al, Photophysical characterzation of
pyrromethene dye in solid matries of acrylic copylymers, Chem. Phys., 271, 2001, 201-
213.
[4] D. Q. Hoa. N. Dai Hung. T. Imasaka. N. T. Thanh, A Tunable picosecond dye
laser based on cavity quenching and spectro-temporal selection, Appl. Phys.
B 00, 2004, 1-5.
[5] Pham H. Minh, Doan H. Son, P. Brechignac, N. Dai Hung, Spectral and
temporal characteristics of picosecond quenching-cavity solid-state dye lasers,
Advances in photonics and applications, 2004, 318 – 322.
summary
Dynamics of cavity-quenching dye lasers
The temporal and spectral characteristics of cavity-quenching dye lasing operation
have been investigated with a system of rate equations extended to multi-wavelength. The
obtained results show the influences of different parameters (pump level, cavity
configuration and parameters...) on the generation of single short laser pulses.
Particularly, considerable spectral width of the single short laser pulses is theoretically
and experimentally demonstrated. This allows us to produce continuously tunable short
laser pulses adding a simple spectral selector to a conventional cavity-quenching dye
laser. This newly found advantage makes picosecond cavity-quenching dye lasers much
more attractive in applications.
(a)
Khoa vËt lý, tr−êng ®¹i häc vinh
(b)
Cao häc 13 quang häc, tr−êng ®¹i häc vinh.