ĐOàN HOàI SƠN, LÊ THị NGọC Tú buồng cộng hởng quenching, tr. 52-56 52 Động học laser màu có buồng cộng hởng quenching ĐOàN HOàI SƠN (a) , LÊ THị NGọC Tú (b) Tóm tắt. Trong bài báo này, các đặc trng phổ và thời gian trong quá trình phát xung laser màu ngắn, dựa trên phơng pháp buồng cộng hởng (BCH) quenching đã đợc nghiên cứu bằng hệ phơng trình tốc độ mở rộng đa bớc sóng. Các kết quả thu đợc cho thấy mức độ ảnh hởng của các yếu tố khác nhau (năng lợng bơm, thể tích dùng chung của hai BCH, các thông số BCH laser ) lên quá trình phát xung laser ngắn. Đặc biệt, độ rộng phổ đáng kể (khoảng 100 A 0 ) của các xung laser đơn và ngắn đã đợc phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Điều này đã cho phép phát thành công các xung laser ngắn, điều chỉnh liên tục bớc sóng khi sử dụng một yếu tố chọn lọc phổ đơn giản vào laser BCH dập tắt. Với những phát hiện mới này, laser màu BCH quenching sẽ đợc chú trọng hơn trong ứng dụng thực tiễn. Mở ĐầU Một phơng pháp phát xung laser ngắn với xung bơm nanô - giây là phơng pháp BCH quenching. Nguyên lý của phơng pháp này là dựa trên sự cạnh tranh năng lợng tích trữ trong môi trờng hoạt chất giữa hai BCH chất lợng thấp (BCH Q -thấp) và BCH chất lợng cao (BCH Q - cao). Hoạt động của BCH Q - cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại trong hoạt chất. Do đó sự phát laser từ BCH Q - thấp chỉ cho phép phát ra một xung laser ngắn ở lối ra [1, 4]. Động học của laser có BCH quenching đã đợc nghiên cứu và phát triển với laser màu lỏng và chỉ mới quan tâm tại một tần số. Những ảnh hởng của các thông số nh phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH, mức bơm, thông số BCH Q - cao và nồng độ chất màu lên động học của laser màu xung ngắn có BCH quenching vẫn cha đợc làm sáng tỏ [4, 5]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về động học của laser màu phát xung ngắn có BCH quenching. Các đặc trng phổ và thời gian trong quá trình phát xung laser màu ngắn đã đợc nghiên cứu bằng hệ phơng trình tốc độ mở rộng đa bớc sóng. Các kết quả thu đợc cho thấy mức độ ảnh hởng của các yếu tố khác nhau (năng lợng bơm, thể tích hoạt chất dùng chung của hai BCH, các thông số BCH laser ) lên quá trình phát xung laser ngắn. Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chúng tôi chỉ ra rằng các xung laser màu trạng thái rắn và lỏng có BCH quenching phát ra trên một dải phổ là đáng kể 100. Điều này đã cho phép phát thành công các xung laser ngắn, điều chỉnh liên tục đợc bớc sóng trên một miền phổ rộng từ phơng pháp BCH quenching. 1. Hệ phơng trình tốc của laser màu buồng cộng hởng quenching Xuất phát từ hệ phơng trình tốc độ mở rộng sau Nhận bài ngày 24/10/2007. Sửa chữa xong 21/11/2007. Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVI, số 4A-2007 53 trong đó: I i : Cờng độ laser tại bớc sóng i ; P(t): Tốc độ bơm (s -1 ); L l , L h : Chiều dài BCH Q-thấp và Q-cao; là thời gian sống huỳnh quang chất màu; l , h : Thời gian sống của photon trong BCH Q-thấp và Q-cao; A i : Hằng số phát xạ tự phát tại bớc sóng i ; ai , ei : Hệ số hấp thụ và hệ số phát xạ tại bớc sóng i ; l,i v h,i là hệ số mất mát trong BCH Q-thấp và Q-cao; N 0 , N 1 : Độ tích luỹ trạng thái điện tử cơ bản S 0 và trạng thái kích thích S 1 . Giải hệ phơng trình tốc độ mở rộng nói trên nhờ phần mềm viết bằng ngôn ngữ Matlab 6.5 và sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4. Các kết quả đã chỉ ra rằng việc phát xung ngắn của laser màu có BCH quenching không những phụ thuộc vào nồng độ phân tử màu, mức bơm, thông số BCH Q - cao mà còn phụ thuộc mạnh vào phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH. 2. Động học laser màu xung ngắn có buồng cộng hởng quenching Để nghiên cứu động học phổ của laser màu xung ngắn có BCH quenching chúng tôi sử dụng hệ phơng trình tốc độ (1) mô tả toàn bộ bớc sóng cho PM 567/ Polymer (Nồng độ chất màu N = 5ì10 17 cm -3 , = 2 ; L h = 2 cm; r = 10; R 3 = 1; R 1 = R 2 = 0,04). Kết quả tính toán đợc chỉ ra trên hình 1. Bằng thực nghiệm, chúng tôi chứng tỏ rằng các laser màu PM567/Polymer (hình 2) xung ngắn từ BCH quenching cũng phát ra trên một dải phổ rộng hàng trăm (hình 3). Ta thấy rằng với sự lựa chọn các thông số thích hợp hoạt động của laser từ BCH Q - thấp là đơn xung trên một dải phổ rộng 100 . Đây chính là kết quả mới đợc phát hiện trong phơng pháp phát xung ngắn từ BCH quenching. ( ) 1 11 1 1 )( NIINtIP t N hili n eio n aii ++ += ( ) [ ] 1 , ,0,1, , 2 NA I LNN t I i l il illiaie il += ( ) [ ] 1 , ,0,1, , 2 NA I LNN t I i h ih ihhiaie ih += , 01 += ĐOàN HOàI SƠN, LÊ THị NGọC Tú buồng cộng hởng quenching, tr. 52-56 54 5000 5500 6000 6500 7000 554 556 558 Thi gian (ps) 562 560 Bc súng (nm) 564 C ng ( . v. t. .) Hình 1. Tiến trình phổ thời gian của phát xạ laser màu rắn PM 567/Polymer từ BCH Q - thấp (dải phổ tham gia phát laser khoảng 100) Hình 2. Phổ laser xung ngắn từ BCH Q - thấp (phổ laser tức thời xung ngắn từ BCH Q - thấp) 3. Phát xung laser ngắn và điều chỉnh liên tục bớc sóng từ laser có BCH quenching Để chứng tỏ khả năng laser màu xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bớc sóng phát trên một dải phổ rộng chúng tôi sử dụng một yếu tố chọn lọc phổ đơn giản (cách tử). Trong laser màu BCH quenching chất màu sử dụng là PM567/Polymer nồng độ 10 -4 Mol/l, chiều dài BCH Q - cao là 2 cm, hệ số phản xạ của gơng sau BCH Q - cao là 90%, góc giữa hai BCH là 2 0 , mức bơm r = 4 lần trên ngỡng. Chùm laser xung ngắn từ BCH Q-thấp sau khi đã đợc chuẩn trực chiếu lên cách tử nhiễu xạ. Để đạt đợc độ phân giải phổ và năng lợng xung thích hợp, chùm tia nhiễu xạ đợc lựa chọn và hội tụ bởi một thấu kính (hình 3). O 1 G L 3 L 1 L 2 L 4 O 2 S 1 /2 Laser màu xung ngắn băng hẹp Xung laser bơm G h S Hình 3. Laser màu xung ngắn điều chỉnh liên tục bớc sóng Trên mặt phẳng ảnh của thấu kính tại đó một khe hẹp S 1 khoảng 0, 3 mm dùng để chọn lọc băng phổ hẹp cần thiết. Khoảng phổ đợc chọn có thể điều chỉnh bằng cách qua y cách tử G sao cho nó quét đợc toàn bộ vùng phổ phát laser từ BCH quenching để thu đợc băng phổ hẹp cần thiết. Các xung laser màu ngắn băng hẹp đợc thu bằ ng photodiode nhanh (sờn nâng 200ps) và dao động kí số (Tektronix)1,5 GHz. Các kết quả đã chỉ ra rằ ng với BCH quenching chúng ta có thể thu đợc xung laser ngắn, băng hẹp ở những bớc sóng khác nhau từ 561,5 nm đến 579, 5 nm với chất màu PM567/Polymer (hình 4). Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVI, số 4A-2007 55 H ỡnh 4. Xung laser mu xung ngn t BCH quenching cỏc bc súng khỏc nhau =573.5 nm =575.5 nm =561.5 nm =565.5 nm =569.5 nm =579.5 nm Nh vậy, ta đã thu đợc các xung laser màu ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bớc sóng trong miền phổ rộng. Các kết quả này hoàn toàn có thể ứng dụng với các chất màu khác nhau, nh trớc đây đã đợc thực hiện trong kỹ thuật BCH quenching truyền thống. Do vậy chúng ta có thể chủ động phát đợc các xung laser ngắn, điều chỉnh liên tục bớc sóng trong miền phổ nhìn thấy dựa trên kỹ thuật BCH quenching. KếT LUậN Các kết quả nghiên cứu về laser màu rắn và lỏng có BCH quenching với hệ phơng trình tốc độ mở rộng đã cho ta một bức tranh toàn diện về các quá trình vật lý xảy ra trong phơng pháp phát xung laser ngắn với BCH quenching. Bằng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về động học phổ trong phát xạ laser màu có BCH quenching chúng tôi đã chỉ ra rằng xung laser màu ngắn phát từ kỹ thuật BCH quenching đợc phát trên một dải phổ rộng đáng kể (100) và chứng tỏ đợc khả năng phát xung laser ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bớc sóng trên miền phổ rộng của laser màu có BCH quenching. Khả năng mới này sẽ giúp các laser phát xung ngắn với BCH quenching đợc chú trọng hơn nữa trong ứng dụng. Hình 4. Xung laser màu ngắn PM567/Polymer từ BCH quenching ở các bớc sóng khác nhau ĐOàN HOàI SƠN, LÊ THị NGọC Tú buồng cộng hởng quenching, tr. 52-56 56 TàI LIệU THAM KHảO [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 vật lý, trờng đại học vinh (b) Cao học 13 quang học, trờng đại học vinh. . chất dùng chung giữa hai BCH. 2. Động học laser màu xung ngắn có buồng cộng hởng quenching Để nghiên cứu động học phổ của laser màu xung ngắn có BCH quenching chúng tôi sử dụng hệ phơng trình. LÊ THị NGọC Tú buồng cộng hởng quenching, tr. 52-56 52 Động học laser màu có buồng cộng hởng quenching ĐOàN HOàI SƠN (a) , LÊ THị NGọC Tú (b) Tóm tắt. Trong bài báo này, các đặc. BCH quenching. Bằng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về động học phổ trong phát xạ laser màu có BCH quenching chúng tôi đã chỉ ra rằng xung laser màu ngắn phát từ kỹ thuật BCH quenching