Khảo sát quá trình phát xung ngắn laser màu có buồng cộng hưởng quenching

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐẶNG THÁI BÌNH KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG NGẮN LASER MÀU CÓ BUỒNG CỘNG HƢỞNG QUENCHING CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC MÃ SỐ : 60.44.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐOÀN HOÀI SƠN NGHỆ AN - 2011 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu sau đại học trường Đại học Vinh, tiếp thu nhiều kiến thức phong phú bổ ích nhờ giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy giáo, Cơ giáo cán khác Trường Đại học Vinh Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy tận tâm có trách nhiệm Thầy, Cô Đặc biệt Thầy giáo TS Đồn Hồi Sơn, giúp tơi định hướng đề tài dành nhiều công sức giúp đỡ cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, Cô giáo khoa Vật lý Đại học Vinh: PGS.TS Đinh Xuân Khoa, PGS TS Đào Xuân Hợi, TS Nguyễn Văn Phú, TS Nguyễn Huy Bằng, TS Lưu Tiến Hưng, TS Nguyễn Hồng Quảng, TS Chu Văn Lanh dẫn cho tơi q trình học tập nghiên cứu Cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo Sau Đại học tạo cho môi trường học tập nghiên cứu thuận lợi Tôi xin chân thành cảm ơn Viện vật lý- Viện KHCN Việt nam, nhà khoa học trung tâm Điện tử học- Lượng tử tạo điều kiện sở vật chất, thiết bị thí nghiệm dẫn cho tơi q trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 17-Quang học san sẻ vui, buồn tơi vượt qua khó khăn học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, người thân yêu bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Vinh, tháng 11 năm 2011 Tác giả Đặng Thái Bình MỤC LỤC Trang Mở đầu Chương I: Lý thuyết Laser màu phát xung ngắn có BCH Quenching 1.1 Tổng quan chất màu hoạt động laser màu 1.1.1 Phân tử chất màu 1.1.2 Cấu trúc lượng dịch chuyển quang học 1.1.3 Quang phổ phân tử chất màu 1.1.4.Nguyên tắc điều kiện hoạt động Laser màu 1.1.5.Nguyên tắc điều kiện hoạt động Laser màu 1.2 Cấu hình laser màu có Buồng cộng hưởng quenching 1.3 Hệ phương trình tốc độ laser màu BCH Quenching 1.4 Động học phát xung ngắn laser màu có BCH quenching a Ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung b Ảnh hưởng mức bơm c Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương R4 d Ảnh hưởng chiều dài BCH Q-cao đ Ảnh hưởng nồng độ chất màu 5 10 13 13 15 19 19 21 23 24 26 1.5 Kết luận chương Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm laser màu phát xung ngắn có BCH quenching 2.1 Cấu hình thực nghiệm laser màu có BCH 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 2.2.1 Cấu hình thực nghiệm hệ đo 27 2.2.2 Khảo sát thực nghiệm trình phát xung laser màu ngắn từ buồng cộng hưởng quenching a Ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung b Ảnh hưởng hệ số phản xạ c Ảnh hưởng chiều dài BCH Q cao d Ảnh hưởng nồng độ chất màu 33 29 31 31 34 35 35 35 2.2.3 Phổ laser màu xung ngắn có BCH quenching 36 2.2.4 Xung laser màu ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng phát 37 từ BCH quenching 2.3 Kết luận chương KẾT LUẬN CHUNG 41 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày laser ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khác như: quân sự, thông tin, công nghệ chế tạo, vật lý học, y học… Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, ngày xuất nhiều loại laser với đặc tính ưu việt Đặc biệt laser xung ngắn có khả điều chỉnh bước sóng thiết bị nghiên cứu khoa học quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học vật liệu, lý-sinh hóa lý…Trước hết ứng dụng khoa học quan trọng laser xung cực ngắn quang phổ phân giải thời gian Các xung laser femtô giây điều chỉnh bước sóng phạm vi rộng cho phép thực nghiên cứu phân giải thời gian nhiều trình lý, hóa hay sinh học, xuất hội thực kiểm soát trực tiếp phản ứng hóa học nhờ sử dụng tín hiệu xung cực nhanh thích hợp Vật lý chất rắn nghiên cứu với độ phân giải thích đáng cho phép phân tích động học điện tử chất bán dẫn, có nhiều khảo sát tương tác cực nhanh vật chất với ánh sáng Khả ứng dụng phân giải thời gian cao cịn diễn lĩnh vực thơng tin xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, điện tử tốc độ cao xử lý ảnh cổng thời gian qua mơi trường đục tìm nhiều ứng dụng y học Khả tách chiết cách kết hợp thời gian ngắn lượng cao tích trữ hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng hệ phát khuếch đai laser xung ngắn tạo hệ laser tương đối nhỏ gọn (đặt bàn) có cơng suất đỉnh tới vài chục têta oát (TW) Chúng ứng dụng thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát tia X cực chói Các xung cực ngắn lượng cao cịn sử dụng để nghiên cứu nhiều hiệu ứng quang phi tuyến Có nhiều phương pháp phát xung ngắn khác nghiên cứu phát triển thực tế Trong hệ thống laser màu có buồng cộng hưởng Quenching phát xung laser màu ngắn picơ-giây giải phổ rộng Điều mở nhiều khả ứng dụng cho xung laser ngắn nghiên cứu khoa học ứng dụng thực tiễn Nhận thức tầm quan trọng này, với điều kiện tính khả thi của vấn đề nghiên cứu Chúng tơi đặt vấn đề tìm hiểu nghiên cứu đề tài "KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG NGẮN LASER MÀU CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUENCHING", với mong muốn tìm hiểu lý thuyết Laser màu phát xung ngắn BCH Quenching, nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết góp phần phát triển hệ laser màu có BCH Quenching Phịng thí nghiệm khoa Vật lý Đại học Vinh Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết động học phát xung ngắn laser màu có buồng cộng hưởng Quenching, khảo sát lý thuyết ảnh hưởng thông số lên động học phát xung laser màu Tìm hiểu xây dựng cấu hình thực nghiệm tiến hành nghiên cứu thực nghiệm laser màu có BCH Quenching vật liệu màu rắn Khảo sát ảnh hưởng thông số lên đặc trưng phát xung ngắn laser màu có BCH Quenching Cấu trúc luận văn Chương 1: Lý thuyết laser màu phát xung ngắn buồng cộng hƣởng Quenching Trong chương chúng tơi tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết động học laser màu phát xung ngắn BCH quenching với hệ phương trình mở rộng đa bước sóng Khảo sát ảnh hưởng thơng số cấu hình lên chế độ phát xung ngắn hệ laser màu Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm laser màu phát xung ngắn buồng cộng hưởng Quenching Trong chương chúng tơi tìm hiểu xây dựng cấu hình thực nghiệm hệ laser có BCH quenching cấu hình hệ đo để khảo sát ảnh hưởng thông số lên chế độ phát xung ngắn đặc tính tính vật lý xung laser màu ngắn phát từ hệ laser CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƢỞNG QUENCHING 1.1 Tổng quan chất màu hoạt động laser màu 1.1.1 Phân tử chất màu Hoạt chất Laser màu phân tử màu hữu đa nguyên tử (có khoảng 50 nguyên tử) chứa mối liên kết đôi kết hợp (hai liên kết đôi cách liên kết đơn), hấp thụ mạnh ánh sáng vùng nhìn thấy, giới hạn bước sóng hấp thụ dài ngắn hợp chất hồng ngoại gần tử ngoại gần Các phân tử cấu tạo từ nguyên tử C, N, O, S, F, H,…, nguyên tử xếp theo cấu trúc mà khung phân tử nguyên tử C, N, O, S nằm mặt phẳng Các phân tử có đặc trưng giống gồm có liên kết đơi - điện tử  xen kẽ với liên kết đơn - điện tử  Điện tử  nằm liên kết đôi C=C liên kết đơn C-N, C-O,… Điện tử  liên kết khơng định xứ, chuyển toàn mạch phân tử, giải tỏa khung phân tử Vì phân tử nhạy cảm với nhiễu loạn bên ngồi để kích thích chúng yêu cầu lượng so với điện tử  Sự khác cho phép điện tử  dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy Các phân tử màu bao gồm nhóm hóa chất khác nhau: Hydrocarbon, Oxazole, Coumarin, Xanthene Cyamine Cấu trúc hóa học chất tổ hợp vòng Benzene (C6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng Pzine (C4H4N2) vòng Piron (C4H5N) Những vịng nối trực tiếp với qua nguyên tử trung hòa C, N nhánh thẳng gồm số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH (Polien) Bước sóng hấp thụ phân tử màu tăng số liên kết đôi liên hợp tăng, phân tử màu có khối lượng lớn chúng hấp thụ mạnh vùng nhìn thấy Phân tử màu chia thành hợp chất ion trung hịa, có tính chất vật lý hóa học khác Phân tử màu dạng trung hịa điển Butadiene CH2=CH-CH=CH2 hợp chất thơm như: Pyrene, Perylene,…điểm nóng chảy nhóm thấp, độ hịa tan lớn dung môi không phân cực Benzene, Octan, Xyclohexane, Chloroform,… Ngược lại, phân tử màu ion có độ nóng chảy cao, hịa tan mạnh dung mơi có cực cồn Độ bền nhiệt độ bền quang hóa chất màu đặc tính quan trọng ảnh hưởng chủ yếu đến khả sử dụng chất màu làm hoạt chất cho Laser Các đặc tính thay đổi nhiều theo cấu trúc hóa học chất màu khơng theo quy luật tổng quát Ngày nay, nhờ thành tựu Khoa học Vật liệu có 200 chất màu sử dụng để nghiên cứu phát xạ Laser Chất màu sử dụng phổ biến Laser màu Pyrromethene 567 Rhodamin 6G Hình 1.1 trình bày cấu trúc phân tử Pyrromethene 567 Rhodamin 6G CH2 CH3 CH3 H7C8 C7H7 N CH3 O C2H5N CH3 H3 C COOC2H5 N F B F (NHC2H5)Cl- CH3 Rhodamin 6G Pyrromethene 567 Hình 1.1 Cấu trúc hóa học Pyrromethene 567 Rhodamin 6G 1.1.2 Cấu trúc lượng dịch chuyển quang học phân tử chất màu Các phân tử màu có nhiều trạng thái tổ hợp phức tạp trạng thái điện tử, trạng thái dao động trạng thái quay dẫn đến tạo vùng lượng Các chuyển dời chủ yếu phân tử chất màu thể hình 1.2 S2i S2 T2 τnτ ≈ ps S1i S1 T1 Hấp thụ Huỳnh quang τF ≈ ns Lân quang τph ≈ μs S0i S00 Hình 1.2 Sơ đồ mức lượng dịch chuyển quang học phân tử chất màu Trong mũi tên liền nét biểu thị chuyển dời quang học, mũi tên không liền nét biểu thị chuyển dời không xạ Kí hiệu Si Ti (i = 1, 2, 3,…) trạng thái điện tử đơn (singlet) trạng thái điện tử bội ba (triplet), tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S = S = Thông thường khoảng cách mức dao động 14001700 cm-1 khoảng cách mức quay nhỏ hai bậc nên phổ liên tục mức quay Do va chạm liên kết nội phân tử tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận dung môi mà vạch dao động mở rộng Các mức quay ln mở rộng va chạm nên dịch chuyển điện tử nhiệt độ phòng cho phổ băng rộng Ở nhiệt độ phịng lượng dao động trung bình E ≈ 0.125 eV, mà khoảng cách mức dao động cỡ ∆E ≈ 0.125 eV, nên nhiệt độ phòng hầu hết điện tử trạng thái S00 theo phân bố Boltzmann, nhiệt độ tăng lên có điện tử mức dao động cao trạng thái S0 Sau hấp thụ ánh sáng phân tử màu chuyển từ trạng thái S0 lên trạng thái kích thích S1, S2,…Do xác suất dịch chuyển S0S1 lớn nên sau kích thích quang học, phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S1, cụ thể dịch chuyển lên trạng thái kích thích dao động S1i Quá trình tương ứng với tạo thành phổ hấp thụ băng rộng phân tử màu, trạng thái khử kích hoạt phân tử màu diễn theo nhiều cách Sự hồi phục dao động không xạ phân tử từ trạng thái S1i trạng thái đơn S10 thời gian ngắn cỡ 10-12 s Trạng thái S10 có thời gian sống tương đối dài (khoảng 10-910-8 s) từ phân tử chuyển xuống trạng thái S10  S0i Quá trình tương ứng với tạo thành phổ huỳnh quang băng rộng phân tử màu Trong trường hợp phân tử màu kích thích nguồn bơm có cường độ mạnh (Laser đèn chớp), phân tử màu kích thích mạnh để chuyển lên mức cao trạng thái đơn kích thích Sự hồi phục dao động trạng thái S10 diễn nói hình thành nghịch đảo độ tích lũy trạng thái S10 S0i Thực tế, nhiệt độ phòng mức S0i trống phân bố phân tử tuân theo phân bố Boltzmann, cần mật độ tích lũy không lớn mức S10 đủ để phát Laser nhờ dịch chuyển S10  S0i Do ta thấy vùng phổ Laser màu nằm vùng phổ huỳnh quang phân tử chất màu Bên cạnh dịch chuyển xạ cịn có dịch chuyển khơng xạ Các q trình dịch chuyển khơng xạ bao gồm tích thoát trạng thái bội: singlet–singlet, triplet–triplet gọi dịch chuyển nội (internal conversion) dịch chuyển không xạ trạng thái khác bội: singlet–triplet gọi dịch chuyển tương tác chéo hệ (intersystem crossing) Sự dịch chuyển nội từ S2 (hoặc từ trạng thái đơn kích thích cao hơn) S1 xảy nhanh khoảng 10-11 s Trạng thái bội ba T1 trạng thái siêu bền (thời gian sống khoảng 10-710-6 s), nằm thấp so với mức điện tử kích thích tương tác với S1 ảnh hưởng bất lợi cho hoạt động Laser màu vì:  Sự chuyển dời phân tử từ trạng thái đơn S1 đến trạng thái bội ba T1 làm giảm độ tích lũy trạng thái Laser   Các phân tử mức T10 hấp thụ xạ bơm xạ Laser dẫn đến tăng mát lượng hấp thụ triplet – triplet Khi kích thích nguồn bơm Laser xung có thời gian xung nhỏ 0.1 s dịch chuyển singlet – triplet bỏ qua Như vậy, ta xem Laser màu hoạt động theo sơ đồ bốn mức lượng: mức mức S00, mức mức Laser gồm mức dao động S0i, mức mức Laser S10 mức mức kích thích gồm mức dao động S1i 1.1.3 Quang phổ phân tử chất màu Các phân tử chất màu có phổ hấp thụ từ vùng tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang phân tử màu phổ băng rộng (cỡ 30 nm–100 nm) Trên hình 1.3 đưa phổ hấp thụ phổ huỳnh quang Pyrromethene 567 rắn Hình vẽ cho thấy đường cong phổ hấp thụ giảm nhanh phía sóng dài giảm chậm phía sóng ngắn Ngược lại, đường cong phổ huỳnh quang giảm nhanh phía sóng ngắn, giảm chậm phía sóng dài Sự dịch chuyển phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock - Lumen, nghĩa toàn phổ huỳnh quang cực đại dịch chuyển phía sóng dài so với tồn phổ hấp thụ cực đại Với thơng lượng xạ nhỏ 1026 photon cm-2.s-1 phổ hấp thụ phát xạ phân tử màu coi mở rộng đồng 10 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƢỞNG QUENCHING Trong chương 1, nhờ nghiên cứu lý thuyết động học laser màu xung ngắn từ BCH quenching hệ phương trình tốc độ mở rộng cho bước sóng, kết cho thấy hệ laser màu có BCH quengching phát xung ngắn dải phổ rộng mở khã phát triển điều chỉnh liên tục bước sóng Trong chương chúng tơi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm laser màu xung ngắn có BCH quenching, cụ thể là:  Tìm hiểu cấu hình thực nghiệm laser màu có BCH quenching  Khảo sát trình động học phát phát xung ngắn hệ laser  Tiến hành khảo sát thực nghiệm số tính chất xung laser màu ngắn, băng hẹp, phát từ cấu hình có buồng cộng hưởng quenching 2.1 Cấu hình thực nghiệm laser màu có buồng cộng hƣởng quenching Kỹ thuật BCH quenching tạo xung laser ngắn với laser bơm có độ rộng xung cỡ ns dựa nguyên tắc cạnh tranh lượng tích trữ mơi trường hoạt chất Trong cấu hình laser màu có BCH quenching bơm ngang (hình 1.7), người ta tạo hai BCH laser khác sử dụng chung môi trường hoạt chất Trong nghiên cứu chúng tơi, để nghiên cứu số tính chất laser màu BCH quenching, nghiên cứu phát triển loại laser BCH quenching với hoạt chất phân tử màu trạng thái rắn lỏng Nguồn bơm chùm hòa ba bậc hai 532 nm laser Nd:YAG, độ rộng xung ns, tần số lặp lại 10 Hz (Brilliant Quantel Co Ltd – C.H Pháp), xung laser Nd:YAG 532 nm đo trình bày hình 2.1 31 Hình 2.1 Xung laser ns Nd:YAG 532 nm Laser màu lỏng hoạt động với BCH quenching xây dựng nghiên cứu thực nghiệm Môi trường hoạt chất dung dịch màu (Rhodamine/ ethanol) nồng độ 10-4Mol/l chứa cuvette thạch anh có kích thước cm  1cm  cm Với cấu hình bơm ngang, chùm laser bơm hội tụ lên cuvette nhờ thấu kính trụ thạch anh có tiêu cự cm đảm bảo mật độ lượng phân bố miền thể tích có kích thước 0.01 cm  0.01cm  cm (hình 2.2) Buồng cộng hưởng Q - thấp tạo nhờ sử dụng trực tiếp hai thành cuvette làm hai gương có hệ số phản xạ thấp (4%) BCH Q - cao tạo gương với hệ số phản xạ 90% làm gương sau thành cuvette gương có hệ số phản xạ 4% Gương sau BCH Q-cao đặt giá đỡ vi chỉnh ba chiều Với kết cấu quang vậy, ta thay đổi thơng số laser phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH Q - thấp Q - cao, chiều dài BCH Q - cao Sơ đồ hệ laser màu lỏng phát xung ngắn sử dụng BCH quenching trình bày hình 2.2 32 Mẫu rắn PM 597/Ormosil Laser bơm Nd:YAG Gƣơng 90% Gƣơng 90% Gƣơng 4% Laser BCH Q-cao Laser ps Dung dịch RH 6G Laser ps Laser bơm Nd:YAG BCH Q-Thấp BCH Q-thấp Laser BCH Q-cao BCH Q-cao BCH Q-cao Hình 2.2 Sơ đồ laser màu lỏng BCH quenching Hình 2.3 Sơ đồ laser màu rắn BCH quenching Các nghiên cứu thực nghiệm laser màu rắn với BCH quenching tiến hành mẫu rắn Pyrromethene 597/ormosil nồng độ 10 -4 Mol/l Nguồn bơm laser Nd:YAG bước sóng 532 nm Mẫu rắn có dạng hình trụ (hai mặt khơng song song) có đường kính 3.2 - 3.5 cm, chiều dày 0.8 - 1cm, hai mặt mài bóng quang học Với cấu hình bơm xiên, việc hội tụ chùm bơm lên mẫu nhờ thấu kính hội tụ có tiêu cự 50 cm Buồng cộng hưởng Q - thấp tạo kính với hệ số phản xạ 4% làm gương trước bề mặt mẫu màu rắn BCH Q - cao tạo gương ngồi có hệ số phản xạ 90% bề mặt mẫu (hệ số phản xạ 4% ) (hình 2.3) 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 2.2.1 Cấu hình thực nghiệm hệ đo Bắt nguồn từ nhiệm vụ mục đích nghiên cứu cho laser màu xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng laser màu có BCH quenching chúng tơi xây dựng cấu hình hệ đo đạc thực nghiệm sau 33 10 DFS-8 laser ps Laser BCH quenching 3-1 3-2 3-3 KĐ Hình 2.4 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu đặc trưng phát xạ laser màu xung ngắn có BCH quenching BCH quenching (rắn lỏng) Máy đơn sắc SL-879E (Jobin Gương chia chùm Yvon) Các thấu kính 8.8 Photodiode nhanh (sườn nâng Kính mờ 200ps) Máy quang phổ cách tử DFS-8 9 Dao động kí số (Tektronix) 1,5 GH (Nga);- Độ phân giải Å/mm 10 Máy tính với card giao diện GPIB - Dải phổ làm việc: 2000  10000Å Photodiode Array BP - 2048 (Mỹ) Số photodiode: 2048; khoảng cách hai photodiode liên tiếp 14 m Xung laser ngắn phát từ BCH Q - thấp Ở lối BCH quenching ln ln có đồng thời hai chùm tia laser từ hai BCH Q - thấp Q - cao Sử dụng chắn sáng ta tách riêng chùm laser ngắn từ BCH Q - thấp Thông thường chùm laser xung ngắn từ BCH laser Q - thấp sau quenching yếu nên phải khuếch đo đạc dễ dàng Quang trình từ BCH Q - thấp đến khuếch đại điều chỉnh cho có đồng quang xung bơm xung cần khuếch đại Để đo đồng thời tín hiệu phổ thời gian xung laser ngắn từ BCH Q - thấp sử 34 dụng gương "chia chùm 2" để chia chùm laser thành hai kênh (kênh đo phổ kênh đo thời gian) Ở kênh đo phổ, thấu kính 3-1 hội tụ chùm laser vào kính mờ (có tác dụng tán xạ ánh sáng) Ánh sáng tán xạ từ kính hội tụ vào khe máy quang phổ DFS - (độ phân dải 3Å/mm) nhờ hệ thấu kính 3-2 3-3 Dãy photodiode (photodiode array) gồm 2048 photodiode (USA-BP-2048), khoảng cách hai photodiode 14 μm cửa sổ làm việc hiệu dụng 2048 14 = 28.67 mm ghép nối cửa sổ lối máy quang phổ DFS - cho phép thu biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện phổ laser Ở kênh đo thời gian xung laser ngắn, tín hiệu thu photodiode cực nhanh (sườn nâng 200ps) Cả hai tín hiệu kênh đo phổ kênh đo thời gian hiển thị trực tiếp dao động kí số (Tektronix 1,5 GHz 20 GMẫu/giây) thơng qua kết nối với máy tính 2.2.2 Khảo sát thực nghiệm trình phát xung laser màu ngắn từ buồng cộng hƣởng quenching Để nghiên cứu phát laser màu xung ngắn có BCH quenching cho dung dịch màu (Rhodamine/ ethanol) nồng độ 10-4Mol/l chúng tơi xây dựng hệ thí nghiệm hình 2.4 Hình 2.5 Laser màu lỏng xung ngắn thu từ BCH Q - thấp (trong giới hạn thiết bị đo) Kết thực nghiệm với góc hai BCH 0, chiều dài 35 BCH Q- cao cm, hệ số phản xạ gương chất lượng cao 90%, bơm ngưỡng lần laser phát từ BCH Q - thấp đơn xung, kết trình bày hình 2.5 hình 2.6 Hình Laser màu rắn xung ngắn thu từ BCH Q - thấp(trong giới hạn thiết bị đo) a Ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH lên trình phát xung ngắn Để nghiên cứu ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH, chúng tơi giữ ngun cấu hình BCH quenching quay gương sau BCH Q - cao góc lớn (2.50) ta thấy xung laser từ BCH quenching có xu hướng dài Ứng với góc hai BCH cố định 3.5 kết thu dao động kí xung laser dài cỡ ns hình 2.7 Điều chứng tỏ ảnh hưởng phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH lên hoạt động laser xung ngắn lớn 36 Hình 2.7 Xung laser ns từ BCH chất lượng thấp ứng với góc hai BCH 3.50 b Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương Để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số phản xạ gương, chúng tơi giữ ngun cấu hình BCH quenching ban đầu mà thay gương sau BCH Q - cao gương khác có hệ số phản xạ thấp (70%) Kết dao động kí thu xung laser dài hàng ns c Ảnh hưởng chiều dài BCH Q - cao lên việc phát xung laser ngắn Để nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài BCH Q - cao lên việc phát xung laser ngắn, chúng tơi giữ ngun cấu hình BCH quenching Nhờ gương sau BCH Q - cao đặt giá đỡ vi chỉnh ba chiều, nên chiều dài BCH Q - cao thay đổi dễ dàng Khi tăng chiều dài BCH Q - cao cách tịnh tiến xa gương sau BCH Q- cao gương sau BCH Q-thấp ta quan sát dao động kí thấy xung laser từ BCH quenching có xu hướng dài d Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ Laser ngắn Để nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ chất màu, cấu hình BCH ban đầu chúng tơi khơng thay đổi mà thay dung dịch chất màu có nồng độ lớn 10-3Mol/l Kết dao động kí laser khơng cịn đơn xung 37 2.2.3 Phổ laser xung ngắn từ BCH quenching Để nghiên cứu phổ xạ laser xung ngắn từ BCH quenching chúng tơi bố trí sơ đồ thí nghiệm trình bày hình 2.4 Dung dịch sử dụng Rh 6G/ethanol nồng độ 10-4 Mol/l, chiều dài BCH Q - cao cm, hệ số phản xạ gương sau BCH Q - cao 90%, góc hai BCH 20, bơm lần ngưỡng Dãy photodiode (photodiode array) gồm 2048 photodiode (USA-BP-2048), khoảng cách hai photodiode 14 mm ghép nối cửa sổ lối máy quang phổ DFS - (độ phân dải 3Å/mm) cho phép thu biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện phổ laser Tín hiệu kênh đo phổ hiển thị trực tiếp dao động kí số (Tektronix 1,5 GHz 20 GMẫu/giây) thơng qua kết nối với máy tính Kết thu dao động kí số trình bày hình 2.8 Từ kết thu thấy độ rộng phổ tức thời xung laser ngắn thu nm (FWHM) Tuy nhiên cần ý rằng: + Độ rộng phổ laser tích phân theo thời gian cịn lớn độ rộng phổ laser tức thời + Với mục đích phát xung laser ngắn, toàn dải phổ phát (100Å) sử dụng Hình Phổ laser xung ngắn từ BCH Q - thấp, Độ rộng phổ thu :   5nm (phổ tức thời laser xung ngắn từ BCH quenching) 38 Kết gợi ý hay đặt câu hỏi với kỹ thuật BCH quenching phát xung laser ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng dải phổ rộng hay không Trong phần kiểm tra khả laser BCH quenching 2.2.4 Xung laser màu ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bƣớc sóng phát từ BCH quenching Để chứng tỏ khả laser màu xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng phát dải phổ rộng Chúng tơi sử dụng hệ thí nghiệm với BCH quenching dung dịch sử dụng Rh 6G/ethanol nồng độ 104 Mol/l, chiều dài BCH Q - cao cm, hệ số phản xạ gương sau BCH Q - cao 90%, góc hai BCH 20, bơm lần ngưỡng Máy đơn sắc SL - 879E có tác dụng chọn lọc xung laser ngắn, băng hẹp bước sóng khác Sử dụng cách tử, ta quay liên tục cách tử máy đơn sắc cho qt tồn vùng phổ phát laser từ BCH quenching Các xung laser màu ngắn băng hẹp sau máy đơn sắc thu photodiode nhanh dao động kí 1,5 GHz Các xung laser ngắn băng hẹp thu trình bày hình 2.9 Các kết với BCH quenching thu xung laser ngắn, băng hẹp bước sóng khác từ 561.5 nm đến 579.5 nm dung dịch màu Rh 6G/ethanol Các kết hồn tồn ứng dụng với chất màu khác nhau, trước thực kỹ thuật BCH quenching truyền thống Do chủ động phát xung laser ngắn, điều chỉnh liên tục bước sóng miền phổ nhìn thấy dựa kỹ thuật BCH quenching 39 =561.5 nm =571.5 nm =563.5 nm =573.5 nm =565.5 nm =575.5 nm =567.5 nm =577.5 nm =569.5 nm =579.5 nm Hình 2.9 Xung laser màu xung ngắn từ BCH quenching bước sóng khác 40 Từ khả phát xung laser ngắn băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng laser màu có BCH quenching Chúng tơi đề nghị cấu hình laser màu lỏng BCH quenching để phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng Hình 2.10) Môi trường hoạt chất dung dịch màu chứa cuvette quang phổ O1 thạch anh có kích thước cm  1cm  cm Với cấu hình bơm ngang, cuvette màu bơm từ laser thơng qua thấu kính trụ L1 tiêu cự cm đảm bảo mật độ lượng phân bố miền thể tích có kích thước 0.01 cm  0.01cm  cm Buồng cộng hưởng Q - thấp tạo nhờ sử dụng trực tiếp hai thành cuvette làm hai gương có hệ số phản xạ thấp (4%) BCH Q - cao tạo gương Gh với hệ số phản xạ 90% làm gương sau thành cuvette gương có hệ số phản xạ 4% Gương sau BCH Q - cao đặt giá đỡ vi chỉnh ba chiều Với kết cấu quang vậy, ta thay đổi thơng số laser phần thể tích hoạt chất dùng chung tạo hai BCH Q - thấp Q - cao, chiều dài BCH Q - cao Phổ phát xạ laser xung ngắn từ BCH Q - thấp lấy thông qua khe hẹp S chuẩn trực thấu kính cầu L2 tiêu cự 10 cm chùm laser sau chuẩn trực chiếu lên cách tử nhiễu xạ Để đạt độ phân giải phổ lượng xung thích hợp, chùm tia nhiễu xạ lựa chọn hội tụ thấu kính L3 Trên mặt phẳng ảnh L3 khe hẹp S1 khoảng 0.3 mm dùng để chọn lọc băng phổ hẹp cần thiết Khoảng phổ chọn điều chỉnh cách quay cách tử G Nếu xung laser bơm có phân cực thẳng (theo phương thẳng đứng) nên để tăng hiệu suất nhiễu xạ cách tử, nửa sóng đặt trước cách tử làm quay hướng phân cực chùm tia laser màu từ O1 900, chùm tia nhiễu xạ từ cách tử qua nửa sóng để khơi phục lại hướng phân cực ban đầu trước lọc phổ khuếch đại Xung laser màu, băng hẹp, sau quenching có lượng thấp lên đưa vào khuếch đại lần truyền qua, lối 41 hệ khuếch đại ta thu xung laser ngắn có lượng lớn nhiều Như vậy, việc thay đổi (quay) liên tục cách tử laser xung ngắn, băng hẹp phát từ BCH quenching điều chỉnh liên tục bước sóng Xung laser bơm Gh L1 O1 L4 S L2 L3 S1 ở/2 O2 G Laser màu xung ngắn, băng hẹp Hinh 2.10 Laser màu xung ngắn băng hẹp điều chỉnh liên tục bước sóng Gh: gương phản xạ cao O1, O2: Các cuvette màu L1: Thấu kính trụ L, L2, L3: Các thấu kính cầu ở/2: Tấm nửa sóng G: Cách tử nhiễu xạ S, S1: Các khe hẹp 42 2.3 Kết luận chƣơng Trong chương chúng tơi tiến hành tìm hiểu nghiên cứu thực nghiệm laser màu xung ngắn với BCH quenching cho laser màu trạng thái rắn laser màu trạng thái lỏng Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng thơng số cấu hình lên q trình phát xung ngắn laser màu có BCH quenching như: Ảnh hưởng mức bơm, ảnh hưởng nồng độ chất màu, ảnh hưởng thông số BCH chất lượng cao Các kết mức độ ảnh hưởng thơng số đến q trình động học phát xung ngắn hệ laser chứng tỏ laser màu có BCH quenching phát xung laser ngắn dãi phổ rộng, kết cho mở khả điều chỉnh bước sóng nhờ bổ sung yếu tố chọn lọc phổ đơn giản (cách tử) vào cấu hình laser phát xung ngắn có BCH quenching Từ chúng tơi đề xuất cầu hình laser sử dụng BCH quenching phát xung laser ngắn, điều chỉnh liên tục bước sóng ứng dụng nghiên cứu khoa học thực tiễn 43 KẾT LUẬN CHUNG Bản luận văn tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cấu hình laser màu có BCH quenching Các kết nghiên cứu lý thuyết với hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng cho ta tranh tồn diện trình vật lý xảy phương pháp phát xung laser ngắn với BCH quenching, phương pháp phát xung ngắn đơn giản hiệu Những kết thu là: Nghiên cứu lý thuyết động học phát xung ngắn laser màu có BCH quenching Khảo sát ảnh hưởng thơng số: phần thể tích hoạt chất dùng chung hai BCH, mức bơm, thông số BCH Q - cao, nồng độ chất màu tới chế độ phát xung laser ngắn đặc tính phổ laser màu có BCH quenching Các kết cho đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số khác lên q trình phát xung ngắn laser BCH quenching Trên sở kết lý thuyết, chứng tỏ thực nghiệm động học phát xung ngắn cấu hình laser màu có BCH quenching kỹ thuật BCH quenching phát xung laser ngắn dải phổ rộng đáng kể (100Å) Đồng thời chứng tỏ khả phát xung laser ngắn, băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng miền phổ rộng laser màu có BCH quenching Các kết cho phép đề xuất cấu hình laser nhiều khã ứng dụng cho nghiên cứu khoa học thực tiễn Đó cấu hình đơn giản nhờ bổ sung yếu tố chọn lọc phổ vào laser phát xung ngắn có BCH quenching Khả giúp laser màu xung ngắn với BCH quenching ý nhiều ứng dụng khác 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đại Hưng, “Vật lý kỹ thuật laser” Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 2004 Lê Thị Ngọc Tú (2007), Động học laser màu có buồng cộng hưởng Quenching, luận văn cao học thạc sĩ Vật lý Lê Hoàng Hải (2004), “ Nghiên cứu lan truyền xung laser qua môi trường khuếch đại hấp thụ bão hòa-ứng dụng để phát xung laser cực ngắn” – Luận án tiến sĩ Vật lý Nguyễn Đại Hưng (2000), “Phát xung laser màu picô-giây phương pháp chọn lọc thời gian phổ”-Bài giảng Nghiên cứu phát triển kỹ thuật quenching-cavity ứng dụng vào phát triển khơng khố mode xung laser picơ-giây tác giả: Đồn Hồi Sơn, Phạm hồng Minh, Trịnh Đình Huy, Vũ Dương, Đinh Xuân Khoa, Đỗ Quang Hoà Nguyễn Đại Hưng Nghiên cứu phát triển laser màu xung picô-giây sử dụng kết hợp kỹ thuật dập tắt buồng cộng hưởng chọn lọc thời gian phổ tác giả: Đỗ Quang Hoà, Nguyễn Ngọc Khang, Vũ Việt Tiến, T.Imasaka Nguyễn Đại Hưng G Kranzelbinder and Gleising, “Organic solid-state lasers” P.Simon, J Klebniczki and G Szabo, “Astudy of picosecond pulse generation by a double-Resonator dye lasser” 45 ... nghiệm laser màu có BCH quenching  Khảo sát q trình động học phát phát xung ngắn hệ laser  Tiến hành khảo sát thực nghiệm số tính chất xung laser màu ngắn, băng hẹp, phát từ cấu hình có buồng cộng. .. độ phát xung ngắn đặc tính tính vật lý xung laser màu ngắn phát từ hệ laser CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƢỞNG QUENCHING 1.1 Tổng quan chất màu hoạt động laser màu. .. động Laser màu 1.1.5.Nguyên tắc điều kiện hoạt động Laser màu 1.2 Cấu hình laser màu có Buồng cộng hưởng quenching 1.3 Hệ phương trình tốc độ laser màu BCH Quenching 1.4 Động học phát xung ngắn laser