73 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 PHÁT XUNG PICÔ GIÂY HỒNG NGOẠI GẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ Hoàng Hữu Hòa, ðại học Huế Lê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế ðỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam TÓM TẮT ðộng học phổ của laser hồng ngoại băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng (BCH) ngắn có ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu với hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho nhiều bước sóng. Các kết quả thu ñược cho thấy khả năng phát trực tiếp xung laser màu picô giây hồng ngoại bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS). 1. Mở ñầu Những laser phát xung cực ngắn trong vùng hồng ngoại gần là một nguồn kích thích quan trọng trong quang phổ phân giải thời gian. Gần ñây, phép trộn tần số thường ñược dùng ñể phát những xung laser ngắn trong vùng hồng ngoại gần khi sử dụng các laser mode-lock. Tuy nhiên, năng lượng xung ra là rất thấp, không thể ứng dụng trực tiếp trong nghiên cứu quang phổ và ñặc biệt là trong quang phổ phi tuyến. Hơn nữa, kỹ thuật này ñòi hỏi phải có hai laser bơm ñắt tiền (một laser phát xung và một laser phát liên tục). Bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ là dựa trên cơ sở một tiến trình phổ cực nhanh của laser màu băng rộng, buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, với nguồn bơm nanô-giây có thể tạo ra ñược laser xung picô-giây trong miền hồng ngoại gần. 2. Hệ phương trình tốc ñộ ðể mô tả tiến trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng với buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, hệ phương trình tốc ñộ sau ñược sử dụng khi có chú ý ñến sự khuếch ñại bão hòa, sự tái hấp thụ bức xạ laser của các phân tử [1]: 1 1 0 1 1 1 NINIP t N n i iei n i iai +− += ∑∑ == σ τ σ ∂ ∂ (1) ( ) [ ] 101 2 NA T I lNN t I i i iaiei i +−−= ∂ ασσ ∂ (2) N = N 1 + N 0 (3) 74 trong ñó: n là số kênh bước sóng, chỉ số i = 1, 2, 3, ; i λ là bước sóng thứ i; i I là cường ñộ laser tại bước sóng i λ ; i a σ và i e σ lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ cưỡng bức ở bước sóng i λ ; 0 1 , N N là ñộ tích luỹ phân tử ở trạng thái ñơn 0 S và 1 S ; τ là thời gian sống huỳnh quang của phân tử màu; P là tốc ñộ bơm; ( ) [ ] 1 12 − −+= cnlLT c là thời gian ánh sáng ñi một vòng trong BCH, L là chiều dài BCH, l là chiều dài môi truờng hoạt chất, c là tốc ñộ ánh sáng, c n là chiết suất của dung dịch màu. ðại lượng 1 i A N , ñặc trưng sự ñóng góp của phát xạ tự phát khởi phát cho quá trình laser. Giá trị của i A ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau, 10 2 10 . i A cm s − − = [2]; i α là ñộ mất mát trong một chu trình BCH ở bước sóng i λ . Hệ phương trình tốc ñộ ñược giải bằng phương pháp số, sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4. Xung bơm có dạng Gauss ñộ rộng 5 ns (FWHM), thông số bơm lý thuyết r = P/P ngưỡng , trong ñó [4]: P ngưỡng = σσ σ σ τ + + e a 1 với 2 LN α σ = (4) 3. ðộng học phổ của laser màu băng rộng có buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp Hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho 25 phương trình cường ñộ và một phương trình cho ñộ tích lũy ở trạng thái kích thích, bước tính phổ 1nm ñược nghiên cứu với chất màu hồng ngoại Nile- Blue (NB)/ethanol. Tính toán trong trường hợp l = 1 cm, L =1 cm, N = 1.10 18 cm -3 , hệ số phản xạ gương R 1 = R 2 = 0,04, τ = 0,75 ns [3]. Thông số bơm lý thuyết r =17 lần trên ngưỡng. Kết quả tính toán về ñộng học phổ và phổ laser tức thời (tại những thời ñiểm khác nhau) ñược biểu diễn trên hình 1, hình 2 ñã cho ta thấy cường ñộ bức xạ là một hàm của thời gian và bước sóng. Ban ñầu, phổ laser màu có dạng băng rộng và nhanh chóng hẹp lại, trong khi cường ñộ cực ñại của phổ dịch chuyển về phía sóng dài. Tiến trình phổ vẫn tiếp tục xu hướng như vậy ngay cả khi ñạt ñến chế ñộ dao ñộng. Hình 1. ðộng học phổ của laser màu NB/ethanol, BCH 1 cm 5 6 7 8 9 10 11 12 712 nm 710 nm 708 nm 706 nm 705 nm 703 nm Thêi gian (ns) 75 Hình 2. Phổ tức thời của laser màu NB/ethanol Hình 3. Tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước sóng ñiển hình Hình 3 trình bày tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước sóng khác nhau. Kết quả cho thấy sự tắt dần dao ñộng phụ thuộc rất mạnh vào bước sóng. Tại phía sóng ngắn của phổ laser (704 - 708 nm) có sự dập tắt dao ñộng rất nhanh. ðáng chú ý là ở bước sóng 704 nm (Spike ñầu tiên) có ñộ rộng xung là 80 ps (FWHM), ñây là xung laser ñược quan tâm ñể tạo ra xung laser ngắn bằng phương pháp chọn lọc 702 704 706 708 710 712 714 0,0 0,5 1,0 1. t = 6.3 ns 2. t = 7.2 ns 3. t = 7.6 ns 4. t = 8.3 ns 5. t = 9.6 ns C−êng ®é (chuÈn ho¸) B−íc sãng (nm) 1 2 3 4 5 0.0 0.5 1.0 1312 11 10 9 8 7 6 5 712 nm Thêi gian (ns) 711 nm 0.0 0.5 1.0 710 nm 709 nm 0.0 0.5 1.0 708 nm 706 nm 0.0 0.5 1.0 704 nm 80 ps 0.0 0.5 1.0 15 10 5 0 P(t) N 1 (t) C−êng ®é (chuÈn ho¸) 76 thời gian phổ. Cơ sở của phương pháp này là xây dựng một laser màu hồng ngoại với ñiều kiện có ba bộ phận chính: thứ nhất là buồng cộng hưởng laser màu ngắn, ñộ phẩm chất thấp ñể cung cấp một tiến trình phổ nhanh trong bức xạ laser. Thứ hai là có bộ lọc phổ, chẳng hạn sử dụng một cách tử nhằm tạo ra xung laser ngắn nhờ phép lọc lựa phổ, và thứ ba là bộ khuếch ñại laser màu ñể khuếch ñại các xung ngắn. 4. Kết luận Một tiến trình phổ nhanh trong sự bức xạ laser màu hồng ngoại gần băng rộng của một buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu ñể chứng tỏ khả năng phát xung laser hồng ngoại gần picô-giây bằng phương pháp chọn lọc thời gian-phổ. ðây là các kết có ý nghĩa và triển vọng trong việc ứng dụng vào lĩnh vực quang phổ và ñặc biệt là trong lĩnh vực quang phi tuyến. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Juramy P. Flamant P., Meyer Y. H., Spectral properties of pulse dye lasers, IEEE J, Quantum Electron, Vol. QE-13, No. 10, (1977), 855-865. [2]. Nguyen Dai Hung, Hoang Huu Hoa, Le Hoang Hai, P. Brechignac, Simple generation of tunable near-infrared picosecond dye laser pulses using spectro - temporal selection, Appl. Phys. B 69, (1999), 467-471. [3]. Kweon J. W., Analysis of the output enhancement of coaxial flashlamp pumped Rh6G dye mixture lasers, J. Appl. Phys., Vol. 36, No. 8B, (1997), 1107-1109. [4]. Sorokin P. P., Lankark J. R., Moruzzi V. L, and Hammond E. C., Flashlamp pumped organic dye lasers, J. Chem. Phys., Vol. 48, (1968), 4726-4741. GENERATION OF NEAR INFRARED PICOSECOND DYE LASER PULSES USING SPECTRO-TEMPORAL SELECTION Hoang Huu Hoa, Hue University Le Ngoc Minh, College of Sciences, Hue University Do Quang Hoa, VietNam Academy of Science and Technology SUMMARY The spectral and temporal processes in broadband pulsed-laser emissions of near infrared dyes generated from low quality and short laser cavities were investigated theoretically with a rate equation model extended to a multiwavelength analysis. The results obtained show the possibility of direct emission of an infrared picosecond dye laser pulses based on the spectro-temporal selection (STS) method. . màu hồng ngoại gần băng rộng của một buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu ñể chứng tỏ khả năng phát xung laser hồng ngoại gần picô- giây bằng phương pháp chọn lọc thời gian- phổ năng phát trực tiếp xung laser màu picô giây hồng ngoại bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS). 1. Mở ñầu Những laser phát xung cực ngắn trong vùng hồng ngoại gần là một nguồn kích. 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 PHÁT XUNG PICÔ GIÂY HỒNG NGOẠI GẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ Hoàng Hữu Hòa, ðại học Huế Lê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học,