Phát xung picô giây hồng ngoại gần bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ

TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011<br /> PHÁT XUNG PICÔ GIÂY HỒNG NGOẠI GẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP<br /> CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ<br /> Hoàng Hữu Hòa, ðại học Huế<br /> Lê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế<br /> ðỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> ðộng học phổ của laser hồng ngoại băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng<br /> (BCH) ngắn có ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu với hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho<br /> nhiều bước sóng. Các kết quả thu ñược cho thấy khả năng phát trực tiếp xung laser màu picô<br /> giây hồng ngoại bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS).<br /> <br /> 1. Mở ñầu<br /> Những laser phát xung cực ngắn trong vùng hồng ngoại gần là một nguồn kích<br /> thích quan trọng trong quang phổ phân giải thời gian. Gần ñây, phép trộn tần số thường<br /> ñược dùng ñể phát những xung laser ngắn trong vùng hồng ngoại gần khi sử dụng các<br /> laser mode-lock. Tuy nhiên, năng lượng xung ra là rất thấp, không thể ứng dụng trực<br /> tiếp trong nghiên cứu quang phổ và ñặc biệt là trong quang phổ phi tuyến. Hơn nữa, kỹ<br /> thuật này ñòi hỏi phải có hai laser bơm ñắt tiền (một laser phát xung và một laser phát<br /> liên tục).<br /> Bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ là dựa trên cơ sở một tiến trình phổ<br /> cực nhanh của laser màu băng rộng, buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, với<br /> nguồn bơm nanô-giây có thể tạo ra ñược laser xung picô-giây trong miền hồng ngoại<br /> gần.<br /> 2. Hệ phương trình tốc ñộ<br /> ðể mô tả tiến trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng với<br /> buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, hệ phương trình tốc ñộ sau ñược sử dụng<br /> khi có chú ý ñến sự khuếch ñại bão hòa, sự tái hấp thụ bức xạ laser của các phân tử [1]:<br /> n<br /> <br /> 1 n<br /> <br /> ∂N 1 <br /> =  P + ∑ σ ai I i  N 0 −  + ∑ σ ei I i  N 1<br /> ∂t<br /> i =1<br /> <br /> <br /> τ i =1<br /> <br /> <br /> (1)<br /> <br /> ∂I i<br /> I<br /> = [2 (σ ei N 1 − σ ai N 0 )l − α i ] i + Ai N 1<br /> ∂t<br /> T<br /> <br /> (2)<br /> <br /> N = N1 + N0<br /> <br /> (3)<br /> 73<br /> <br /> trong ñó: n là số kênh bước sóng, chỉ số i = 1, 2, 3,...; λi là bước sóng thứ i; I i là cường<br /> ñộ laser tại bước sóng λi ; σ ai và σ ei lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ<br /> cưỡng bức ở bước sóng λi ; N 0 , N1 là ñộ tích luỹ phân tử ở trạng thái ñơn S0 và S1 ; τ<br /> là thời gian sống huỳnh quang của phân tử màu; P là tốc ñộ bơm;<br /> T = 2[L + l (nc − 1)]c −1 là thời gian ánh sáng ñi một vòng trong BCH, L là chiều dài<br /> BCH, l là chiều dài môi truờng hoạt chất, c là tốc ñộ ánh sáng, nc là chiết suất của<br /> dung dịch màu. ðại lượng Ai N1 , ñặc trưng sự ñóng góp của phát xạ tự phát khởi phát<br /> cho quá trình laser. Giá trị của Ai ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau,<br /> Ai = 10 −10 cm.s −2 [2]; α i là ñộ mất mát trong một chu trình BCH ở bước sóng λi .<br /> Hệ phương trình tốc ñộ ñược giải bằng phương pháp số, sử dụng thuật toán<br /> Runge-Kutta bậc 4. Xung bơm có dạng Gauss ñộ rộng 5 ns (FWHM), thông số bơm lý<br /> thuyết r = P/Pngưỡng, trong ñó [4]:<br /> Pngưỡng=<br /> <br /> 1 σa +σ<br /> α<br /> với σ =<br /> 2LN<br /> τ σe +σ<br /> <br /> (4)<br /> <br /> 3. ðộng học phổ của laser màu băng rộng có buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm<br /> chất thấp<br /> Hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho 25 phương trình cường ñộ và một phương<br /> trình cho ñộ tích lũy ở trạng<br /> thái kích thích, bước tính phổ<br /> 1nm ñược nghiên cứu với<br /> chất màu hồng ngoại NileBlue (NB)/ethanol. Tính toán<br /> trong trường hợp l = 1 cm, L<br /> 712 nm<br /> 18<br /> -3<br /> =1 cm, N = 1.10 cm , hệ số<br /> 710 nm<br /> phản xạ gương R1 = R2 =<br /> 708 nm<br /> 0,04, τ = 0,75 ns [3]. Thông<br /> 706 nm<br /> số bơm lý thuyết r =17 lần<br /> 705 nm<br /> trên ngưỡng.<br /> 703 nm<br /> <br /> Kết quả tính toán về<br /> 5<br /> 6<br /> 7<br /> 8<br /> 9<br /> 10<br /> 11<br /> 12<br /> Thêi gian (ns)<br /> ñộng học phổ và phổ laser<br /> tức thời (tại những thời ñiểm<br /> Hình 1. ðộng học phổ<br /> khác nhau) ñược biểu diễn<br /> của laser màu NB/ethanol, BCH 1 cm<br /> trên hình 1, hình 2 ñã cho ta<br /> thấy cường ñộ bức xạ là một hàm của thời gian và bước sóng. Ban ñầu, phổ laser màu<br /> có dạng băng rộng và nhanh chóng hẹp lại, trong khi cường ñộ cực ñại của phổ dịch<br /> chuyển về phía sóng dài. Tiến trình phổ vẫn tiếp tục xu hướng như vậy ngay cả khi ñạt<br /> ñến chế ñộ dao ñộng.<br /> 74<br /> <br /> C−êng ®é (chuÈn ho¸)<br /> <br /> 1,0<br /> <br /> 1.<br /> 2.<br /> 3.<br /> 4.<br /> 5.<br /> <br /> t<br /> t<br /> t<br /> t<br /> t<br /> <br /> =<br /> =<br /> =<br /> =<br /> =<br /> <br /> 6.3<br /> 7.2<br /> 7.6<br /> 8.3<br /> 9.6<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2 3 4 5<br /> <br /> 708<br /> <br /> 710<br /> <br /> ns<br /> ns<br /> ns<br /> ns<br /> ns<br /> <br /> 0,5<br /> <br /> 0,0<br /> 702<br /> <br /> 704<br /> <br /> 706<br /> <br /> 712<br /> <br /> 714<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> Hình 2. Phổ tức thời của laser màu NB/ethanol<br /> 1.0<br /> 0.5<br /> <br /> P(t)<br /> 0.0<br /> <br /> 15<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 0<br /> <br /> N1(t)<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> C−êng ®é (chuÈn ho¸)<br /> <br /> 704 nm<br /> <br /> 80 ps<br /> <br /> 0.5<br /> 0.0<br /> <br /> 706 nm<br /> 1.0<br /> 708 nm<br /> <br /> 0.5<br /> 0.0<br /> <br /> 709 nm<br /> 1.0<br /> 710 nm<br /> <br /> 0.5<br /> 0.0<br /> <br /> 711 nm<br /> 1.0<br /> 712 nm<br /> <br /> 0.5<br /> 0.0<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> 9 10<br /> Thêi gian (ns)<br /> <br /> 11<br /> <br /> 12<br /> <br /> 13<br /> <br /> Hình 3. Tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước sóng ñiển hình<br /> <br /> Hình 3 trình bày tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước<br /> sóng khác nhau. Kết quả cho thấy sự tắt dần dao ñộng phụ thuộc rất mạnh vào bước<br /> sóng. Tại phía sóng ngắn của phổ laser (704 - 708 nm) có sự dập tắt dao ñộng rất nhanh.<br /> ðáng chú ý là ở bước sóng 704 nm (Spike ñầu tiên) có ñộ rộng xung là 80 ps (FWHM),<br /> ñây là xung laser ñược quan tâm ñể tạo ra xung laser ngắn bằng phương pháp chọn lọc<br /> 75<br /> <br /> thời gian phổ. Cơ sở của phương pháp này là xây dựng một laser màu hồng ngoại với<br /> ñiều kiện có ba bộ phận chính: thứ nhất là buồng cộng hưởng laser màu ngắn, ñộ phẩm<br /> chất thấp ñể cung cấp một tiến trình phổ nhanh trong bức xạ laser. Thứ hai là có bộ lọc<br /> phổ, chẳng hạn sử dụng một cách tử nhằm tạo ra xung laser ngắn nhờ phép lọc lựa phổ,<br /> và thứ ba là bộ khuếch ñại laser màu ñể khuếch ñại các xung ngắn.<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> Một tiến trình phổ nhanh trong sự bức xạ laser màu hồng ngoại gần băng rộng<br /> của một buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu ñể chứng tỏ<br /> khả năng phát xung laser hồng ngoại gần picô-giây bằng phương pháp chọn lọc thời<br /> gian-phổ. ðây là các kết có ý nghĩa và triển vọng trong việc ứng dụng vào lĩnh vực<br /> quang phổ và ñặc biệt là trong lĩnh vực quang phi tuyến.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Juramy P. Flamant P., Meyer Y. H., Spectral properties of pulse dye lasers, IEEE J,<br /> Quantum Electron, Vol. QE-13, No. 10, (1977), 855-865.<br /> [2]. Nguyen Dai Hung, Hoang Huu Hoa, Le Hoang Hai, P. Brechignac, Simple generation<br /> of tunable near-infrared picosecond dye laser pulses using spectro - temporal selection,<br /> Appl. Phys. B 69, (1999), 467-471.<br /> [3]. Kweon J. W., Analysis of the output enhancement of coaxial flashlamp pumped Rh6G<br /> dye mixture lasers, J. Appl. Phys., Vol. 36, No. 8B, (1997), 1107-1109.<br /> [4]. Sorokin P. P., Lankark J. R., Moruzzi V. L, and Hammond E. C., Flashlamp pumped<br /> organic dye lasers, J. Chem. Phys., Vol. 48, (1968), 4726-4741.<br /> <br /> GENERATION OF NEAR INFRARED PICOSECOND DYE LASER PULSES<br /> USING SPECTRO-TEMPORAL SELECTION<br /> Hoang Huu Hoa, Hue University<br /> Le Ngoc Minh, College of Sciences, Hue University<br /> Do Quang Hoa, VietNam Academy of Science and Technology<br /> <br /> SUMMARY<br /> The spectral and temporal processes in broadband pulsed-laser emissions of near<br /> infrared dyes generated from low quality and short laser cavities were investigated theoretically<br /> with a rate equation model extended to a multiwavelength analysis. The results obtained show<br /> the possibility of direct emission of an infrared picosecond dye laser pulses based on the<br /> spectro-temporal selection (STS) method.<br /> <br /> 76<br /> <br />