Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng quenchinh trong laser màu chọn lọc thời gian phổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH THÁI THỊ VŨ ANH PHÁT XUNG LASER NGẮN, BĂNG HẸP NHỜ KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING TRONG LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Phân tử laser màu 1.1.1 Cấu trúc hoá học chất màu 1.1.2 Cấu trúc lượng dịch chuyển quang học 1.1.3 Quang phổ phân tử màu 10 1.2 Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) 12 1.2.1 Lý thuyết phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora Selection) 12 1.2.2 Các h ho t ng hác laser pic giây STS 14 1.2.2.1 Kh iều ch nh c s ng phát xung pico giây tr n v ng phổ 38 nm-860nm 14 1.2.2.2 Kh phát xung STS ngắn 15 1.2.3 Phát xung pic -giây c r ng phổ gi i h n 16 1.3 Phư ng pháp uồng c ng hưởng dập tắt (Cavity Quenching) 16 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 18 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LASER MÀU BCH QUENCHING 19 2.1 Lý thuyết laser màu c BCH quenching 19 2.1.1 Hệ phư ng tr nh t c 19 2.1.2 Đặc trưng phát x laser màu xung ngắn c BCH quenching 24 2.1.2.1 Ảnh hưởng phần thể tích ho t chất d ng chung hai BCH 24 2.1.2.2 Ảnh hưởng mức m 26 2.1.2.3 Ảnh hưởng th ng s BCH Q - cao l n phát x laser từ BCH Quenching 28 2.1.2.4 Ảnh hưởng nồng phân tử màu 31 2.2 Kh o sát phổ phát x laser màu xung ngắn c BCH Quenching 32 2.2.2 Ảnh hưởng mức m l n phổ laser tích phân 33 2.2.3 Ảnh hưởng th ng s BCH Q - cao l n phổ laser tích phân 34 2.2.3.1 Ảnh hưởng hệ s ph n x gư ng 34 2.2.3.2 Ảnh hưởng chiều dài BCH 35 2.2.4 Ảnh hưởng nồng chất màu l n phổ laser tích phân 36 2.3 Đ ng học phổ laser màu xung ngắn c BCH quenching 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 41 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING CHO LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ 42 3.1 Kết qu lý thuyết: 42 3.2 Kết qu th c nghiệm 43 3.2.1 Cấu h nh th c nghiệm 43 3.2.2 M t s ết qu th c nghiệm 45 3.2.2.1 Đ r ng phổ laser h iều ch nh c s ng: 45 3.2.2.2 Năng lượng laser Quenching STS 46 3.2.2.3 Kh phát n xung QC – STS tr n toàn miền c s ng 46 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 50 KẾT LUẬN CHUNG 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 MỞ ĐẦU H n nửa s tiến triển s i sau hi laser ời, ang chứng iến m t ng lĩnh v c hoa học c ng nghệ ứng dụng laser, h ng ch th c nghiệm mà c lí thuyết, h ng ch ngành hoa học c n mà cịn hoa học ứng dụng Ngồi ứng dụng laser lĩnh v c hoa học hác nhau, ph m vi sử dụng laser a d ng Từ hi ời ến nay, thiết ị laser ã yếu t ịnh cho tiến c tính cách m ng quang học, quang phổ c thể n i chúng ã ưa vào lĩnh v c m t s cách tân gần hoàn toàn Trư c hết, ứng dụng hoa học quan trọng laser xung c c ngắn quang phổ phân gi i thời gian Các xung laser iều ch nh ược c s ng ph m vi r ng cho phép th c nghi n cứu phân gi i thời gian phân gi i ng học phân tử Hiện nay, nhờ h c thể phát xung c thời gian ngắn h n thời gian làm lệch pha ồng ều nhiều hệ n n tượng ết hợp ược nghi n cứu thường xuy n Kh ứng dụng phân gi i thời gian cao ời thường ược diễn lĩnh v c th ng tin xử lí tín hiệu quang t c it si u cao, iện tử t c cao xử lí nh cổng thời gian Ngồi ra, h tách chiết m t cách ết hợp m t thời gian ngắn m t lượng lượng cao ược tích trữ hệ hu chs hệ laser tư ng i ãt o i nhỏ gọn c c ng suất cao, l n t i vài chục t ta oát Chúng ược ứng dụng nhiều thí nghiệm vật lý nguy n tử a photon ể phát ch m tia X c c ch i C nhiều phư ng pháp phát xung c c ngắn hác ã ược nghi n cứu phát triển h n năm thập qua Tuy nhi n, phư ng pháp l i c nhược iểm ri ng cần hắc phục V i phư ng pháp laser chọn lọc thời gian phổ (STS – spectro temporal selection) ta c thể thu ược xung laser ngắn v i hệ s nén xung cao, nhược iểm n l i ch thu ược xung ngắn, m t v ng phổ hẹp Phư ng pháp uồng c ng hưởng dập tắt (Cavity quenching) m t phư ng pháp n gi n, c thể iểm soát ược r ng xung laser l i từ uồng c ng hưởng Q- thấp ằng việc h ng chế th ng s ho t ng laser V i phư ng pháp người ta c thể thu ược xung laser ngắn tr n m t miền phổ r ng hàng chục nm V chúng t i ặt vấn ề “Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ” ể c thể thu ược xung laser ngắn, ăng hẹp, c c ng suất ổn ịnh c thể iều ch nh li n tục c s ng tr n m t miền phổ r ng N i dung luận văn ược tr nh ày a chư ng: Chƣơng I: Tổng quan laser màu phát xung ngắn Trong chư ng này, t i ã tr nh ày m t cách tổng quan phân tử laser màu: cấu trúc h a học, cấu trúc lượng, quang phổ phân tử màu; phư ng pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ phư ng pháp uồng c ng hưởng dập tắt Cavity Quenching Chƣơng II: Lý thuyết laser màu có BCH Quengching Xây d ng hệ phư ng tr nh t c Qua , t m hiểu s phụ thu c ặc trưng phát x , phổ phát x laser màu xung ngắn c BCH Quenching vào yếu t : phần thể tích ho t chất d ng chung hai BCH; mức m; th ng s BCH Q – cao; hệ s ph n x gư ng; chiều dài BCH; nồng chất màu… Chƣơng III: Nghiên cứu kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ Nghi n cứu ưa cấu h nh th c nghiệm ết hợp hiệu ứng Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ Các ặc trưng lượng, phổ thời gian lo i laser ược tr nh ày CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Phân tử laser màu 1.1.1 Cấu trúc hố học chất màu Hình1.1 Cấu trúc phân t P5Ac (C24 H35O2N2BF2); P10Ac (C29 H45O2N2BF2) Phân tử màu ược chia thành hợp chất ion trung hồ, n c tính chất vật lý hố học hác Các chất màu d ng trung hoà iển h nh Butadiene CH2 = CH – CH = CH2 hợp chất th m Pyrene, Perylene… Phân tử màu d ng cho laser phân tử hữu c phức t p, phân tử chứa li n ết n () li n ết a nguy n tử i li n hợp (), hấp thụ m nh ánh sáng ích thích v ng tử ngo i v ng nh n thấy Cấu trúc chúng ặc trưng ởi nguy n tử C, N, O, S, F, H,…, nguy n tử xếp theo cấu trúc mà phân tử nguy n tử C, N, O, S nằm tr n m t mặt phẳng Điện tử  xen ẽ v i li n ết  nằm tr n li n ết n - iện tử , iện tử i C - C tr n iện tử li n ết C - N, C - O… Điện tử  li n ết li n hợp h ng ịnh xứ, n c thể di chuyển tr n toàn m ch phân tử, gi i tỏa ều tr n toàn phân tử V vậy, phân tử hữu c nh y c m v i nhiễu lo n n Để ích thích iện tử  y u cầu cần lượng h n so v i iện tử  S phép iện tử  dễ dàng t tr ng thái nghịch o hác cho tích luỹ Cấu trúc hoá học phân tử màu tổ hợp vòng Bezen (C6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng pzine (C4H4N2) vòng piron (C4H5N) Những vòng c thể n i tr c tiếp v i qua m t nguy n tử trung hoà C, N, m t nhánh thẳng gồm m t s nguy n tử thu c nh m CH = CH (polien) h nh 1.1 1.1.2 Cấu trúc lƣợng dịch chuyển quang học Các phân tử màu c nhiều tr ng thái tổ hợp phức t p tr ng thái iện tử, tr ng thái dao ng tr ng thái quay, dẫn ến t o v ng lượng Do h ng thể xác ịnh xác mức lượng chất màu Các chuyển dời chủ yếu phân tử màu ược thể tr n hình 1.2 Trong mũi t n liền nét iểu thị chuyển dời quang học, mũi t n h ng liền nét iểu thị chuyển dời h ng ức x , S0, S1, S2….là tr ng thái n iện tử (Singlet), tr ng thái iện tử T1, T2, tư ng ứng v i s lượng tử spin toàn phần S = thường, ho ng cách mức dao ng 14 i a (triplet) S = Th ng - 1700 cm-1 ho ng cách mức quay nhỏ h n hai ậc n n phổ li n tục mức quay Do va ch m li n ết n i phân tử tư ng tác tĩnh iện v i phân tử lân cận dung m i mà v ch dao ng ược mở r ng Các mức quay th lu n mở r ng va ch m n n dịch chuyển iện tử nhiệt phòng cho phổ ăng r ng S2 T2 nrps S1 nrns T1 Hấp thụ Huỳnh quang S0 nhs Lân Quang Hình1.2 Cấu trúc mức lượng chuyển dời quang học phân t màu nhiệt c phịng, hi chưa ị ích thích, phân tử màu chủ yếu tr ng thái n S00 theo phân Boltzmann Sau hi hấp thụ ánh sáng ích thích, phân tử màu chuyển từ tr ng thái c n S0 l n tr ng thái n ích thích S1, S2 Do xác suất dịch chuyển S0 - S1 l n n n sau hi ích thích quang học, phân tử chủ yếu dịch chuyển l n tr ng thái S1, cụ thể dịch chuyển l n tr ng thái ích thích dao ng S1 Quá tr nh tư ng ứng v i s t o thành phổ hấp thụ ăng r ng phân tử màu, tr ng thái s ho t phân tử màu diễn theo nhiều cách ích  S hồi phục dao ng h ng ức x phân tử từ tr ng thái S 1 tr ng thái S10 thời gian ngắn cỡ s ng tư ng i dài (1 -9 -12 s Tr ng thái S10 c thời gian - 10-8s) từ ây phân tử chuyển xu ng tr ng n: S1  S0 Quá tr nh tư ng ứng v i s t o thành phổ thái c huỳnh quang ăng r ng phân tử màu  Bức x laser ược h nh thành sau: Th c tế, nhiệt S1 tr ng s phân hi cường phân tử tuân theo phân m ủ m nh th mức S0, m i trường nghịch mật phịng mức Boltzmann, tích luỹ phân tử tr n S10 l n h n o tích luỹ Do vậy, ch cần nghịch o tích luỹ h ng l n tr n mức S 10 ủ ể phát laser nhờ dịch chuyển S10  S0 Do ta thấy v ng phổ laser màu ch c thể nằm v ng phổ huỳnh quang phân tử màu Từ mức S1 phân tử c thể th c tr nh chuyển dời hác tr nh hấp thụ S1  S2, dịch chuyển n i h ng ức x tr ng thái h ng c ng n i hệ Tr ng thái i: S - T gọi s dịch chuyển tư ng tác chéo i a T1 tr ng thái si u ền (thời gian s ng  cỡ 10-6 - 10-5s) nằm thấp h n so v i mức iện tử ích thích, s tư ng tác n v i S1 nh hưởng ất lợi cho ho t ng laser màu v  S chuyển dời phân tử từ tr ng thái n S1 ến tr ng thái Triplet T1 làm gi m tích luỹ tr ng thái laser tr n  Các phân tử tr n mức T10 c thể hấp thụ ức x m ức x laser dẫn ến tăng mát lượng hấp thụ Triplet - Triplet Khi kích thích ằng nguồn laser xung c thời gian xung nhỏ h n ns th dịch chuyển Singlet - Triplet c thể ỏ qua Do ta c thể xem laser màu ho t ng theo s sau Mức 1: Là mức c n S00 Mức 2: Là mức laser dư i gồm mức dao ng S0 n mức lượng Mức 3: Là mức laser tr n S10 Mức 4: Là mức ích thích gồm mức dao ng S1 S1 p e 0 S0 Hình 1.3 : Sơ đồ laser phân t màu với hai mức lượng rộng Trong mức mức nằm tr ng thái iện tử S0, mức mức nằm tr ng thái iện tử ích thích thể n i laser màu ho t mức iện tử ích thích n S1 Từ lý mà c ng tr n hai mức r ng mức iện tử n S n S1 1.1.3 Quang phổ phân tử màu Các phân tử màu c phổ hấp thụ tr i từ v ng tử ngo i gần ến hồng ngo i gần Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang phân tử màu phổ ăng r ng (cỡ nm - nm), cấu trúc h ng tr ng lặp Tr n h nh 1.4 ưa phổ hấp thụ phổ huỳnh quang Pyrromethene 567 rắn Phổ hấp thụ ăng r ng ứng v i dịch chuyển từ tr ng thái c l n mức dao ng tr ng thái dịch chuyển từ tr ng thái c n S0 n ích thích S S hấp thụ ứng v i n S0 l n tr ng thái i a ị cấm spin S dịch chuyển phổ huỳnh quang tuân theo ịnh luật Stock - Lumen, nghĩa toàn dài so v i toàn phổ huỳnh quang c c phổ hấp thụ c c 10 i n dịch chuyển phía s ng i n Đường cong phổ hấp  =13  = 2.40 13 x 10 x 10 Cƣờng Intensity ( v.t ) 151 151 Cƣờng v.t ) ( Intensity 10 10 566 566 564 7000 564 6500 562 6000 562 5500 560 Wavelength (nm) (nm) Bư cWavelength s ng (nm) 5000 560 5000 time (ps) Bư c s ng (nm) 6000 5500 Thời gian (ps) 6500 7000 7500 8000 time (ps) Thời gian (ps) b) a) 13 x 10 = 60 x 10=13 2.80 566 10 Intensity ( v.t ) Cường Cường 115 10 Intensity ( v.t ) 115 566 564 564 562 (nm) Bư cWavelength s ng (nm) 560 5000 5500 6000 6500 7000 7500 562 8000 Wavelength (nm) Bư c s ng (nm) 560 5000 5500 time (ps) 6000 6500 7000 7500 Thời gian (ps) time (ps) Thời gian (ps) d) c) Hình 2.15 Tiến trình phổ thời gian phát xạ Laser màu rắn PM567/Polymer từ BCH Q-thấp thay đổi theo góc lệch  (Với Lk = 0.5 cm; r = 10; R4 = 1; R1 = R2 = R3 = 0.04; N = 1018 cm-3) 38 8000 8500 Lk = 1.5 cm Lxk10=13 1.7 cm 13 x 10 151 ( v.t ) CườngIntensity ( v.t ) CườngIntensity 151 10 10 566 566 7000 564 7000 564 6500 6500 5500 Bư c s ng (nm) 560 Wavelength (nm) 5000 5500 Bư cWavelength s ng (nm) (nm) time (ps) Thời gian (ps) 560 5000 (ps) (ps) Thờitime gian b) a) 13 xL10 k= 2.8 cm 115 ( v.t ) Cường Intensity 13 Lk = 2.2 cm x 10 115 Cường Intensity( v.t ) 6000 562 6000 562 10 10 5 566 566 564 564 562 (nm) Bư cWavelength s ng (nm) 560 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 562 BưWavelength c s ng(nm)(nm) time gian (ps) (ps) Thời 560 5000 7000 6000 Thời time (ps) 8000 gian (ps) d) c) Hình 2.16 Tiến trình phổ thời gian phát xạ Laser màu rắn PM567/Polymer từ BCH Q-thấp thay đổi theo chiều dài Lk (Với  = 20; r = 10; R1 = R2 = R3 = 0.04; R4 = 1; N = 1018 cm-3) 39 9000 Như từ hệ phư ng tr nh t c cho Laser màu BCH Quenching, ã h o sát ược nh hưởng th ng s cấu h nh: g c lệch quang trục hai BCH, mức chất màu l n m, th ng s BCH Q-cao, nồng ng học phổ Laser màu phát xung ngắn c BCH Quenching tr n toàn miền phổ r ng Kết qu thu ược cho thấy:  S nh hưởng mức chất màu l n m, th ng s ho t chất nồng ng học phổ phát x h ng ể  Các th ng s BCH Q-cao như: g c lệch hai BCH, chiều dài Lk nh hưởng m nh l n ng học phổ phát n xung ngắn Laser màu rắn BCH Quenching c thể phát n xung Laser Laser màu BCH Quenching  Å C-êng ®é (®.v.t.®) ngắn pic -giây, tr n d i phổ r ng ~ Thê i gi an sã B-íc (ps) m) ng (n H nh 2.17: Xung laser ngắn tr n d i phổ r ng (  100A0 ) nhờ ỹ thuật quenching ( v i th ng s cấu h nh ph hợp) 40 Nhờ ết qu chúng t i ề xuất phư ng án c thể phát xung Laser ngắn, c n n sắc cao (nhờ cách tử chọn lọc c s ng) iều ch nh li n tục c s ng tr n d i phổ r ng cỡ A0 Như ta c thể ứng dụng hiệu ứng quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ nhờ yếu t chọn lọc phổ ể c thể phát ược xung Laser ngắn, ăng hẹp iều ch nh li n tục c s ng tr n d i phổ r ng Ta thấy v i s l a chọn th ng s thích hợp ho t từ BCH Q - thấp n xung tr n m t d i phổ r ng ng laser Å Đây ết qu lý thú ược phát phư ng pháp phát xung ngắn từ BCH ể xác minh r ng phổ xung laser ngắn phát từ BCH quenching KẾT LUẬN CHƢƠNG II Trong chư ng II, t i ã t m hiểu m t cách cụ thể lý thuyết laser màu BCH Quenching: Hệ phư ng tr nh t c , h o sát ặc trưng phát x phổ phát x laser màu xung ngắn c BCH Quenching phụ thu c vào yếu t : thể tích ho t chất d ng chung; mức m; th ng s BCH Q – cao như: hệ s ph n x gư ng; chiều dài BCH; Ở ây, t i ã tr nh ày ng học phổ laser màu xung ngắn c BCH Quenching 41 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING CHO LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ Phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ (STS) d a tr n m t tiến tr nh quét phổ nhanh ức x laser màu ăng r ng phát từ m t uồng c ng hưởng laser ngắn Q-thấp (H nh 4- khơng có Gh gư ng ph n x cao) Để thu ược m t n xung laser ngắn, ta lọc l a m t ăng phổ hẹp phía s ng ngắn phổ laser ăng r ng Hệ s nén xung laser STS cao (~ ) Người ta c thể iều ch nh c s ng laser (trong m t v ng phổ 1-3 nm) ằng quay cách tử Tuy nhi n, iều éo theo s tái iều ch nh quang học cho toàn hệ laser, nhược iểm lo i laser Để hắc phục iều này, chúng t i ã ết hợp ỹ thuật chọn lọc thời gian phổ (STS) v i quenching cavity 3.1 Kết qu lý thuyết: Việc gi i hệ phư ng tr nh t c v i chất màu rắn PM 567, nồng mở r ng a c s ng ược áp dụng 1e-3 mol l Nguồn m phát x họa a ậc hai cu m t laser Nd:YAG t i c s ng 532 nm Buồng c ng hưởng laser chất lượng cao (Q-cao) ược t o ởi m t gư ng MQ hệ s ph n x 99 m t mặt n chất màu rắn (hoặc cuvet ng dung dịch màu) c hệ s ph n x R4 ~ Quang trục BCH Q-cao t o m t g c lệch nhỏ  cỡ 50,v i BCH Q-thấp Chiều dài ho t chất 1cm, chiều dài ho ng h ng hí BCH Q-cao 0.5 cm [5] Kết qu tính tốn v i chất màu PM 567 cho ta thấy: 1) Đ ng học phổ phát x laser từ laser màu chưa c hiệu ứng quenching-cavity (Hình 3.1.a.); 2) Việc phát ược ức x laser màu ngắn hi c hiệu ứng quenching –cavity, ặc iệt, nằm tr n d i phổ r ng ho ng n xung r ng phổ ức x A0 (554 nm-564 nm) (Hình 3.a.b) 42 C-êng ®é (®.v.t.®) C-êng ®é (®.v.t.®) Thêi g c B-í ian (p s) sãng ) (nm Thê ig ian (ps) B-íc sãng (nm) Hình 3.1: Tiến tr nh phổ laser màu rắn PM567 chọn lọc thời gian phổ (STS) a) hi chưa c hiệu ứng quenching ) hi c hiệu ứng quenching 3.2 Kết qu th c nghi m 3.2.1 Cấu h nh th c nghi m Chúng t i xây d ng cấu h nh ứng dụng hiệu ứng quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ h nh 3.2 Tr n ta c thể thay ổi ược th ng s laser phần thể tích ho t chất d ng chung t o ởi hai BCH Q thấp Q - cao, chiều dài BCH Q - cao Phổ phát x laser xung ngắn từ BCH Q - thấp lấy th ng qua he hẹp S ược chu n tr c ởi thấu ính cầu L ti u c cm ch m laser sau hi ã ược chu n tr c chiếu l n cách tử nhiễu x Để t ược phân gi i phổ lượng xung thích hợp, ch m tia nhiễu x ược l a chọn h i tụ ởi thấu ính L3 Tr n mặt phẳng nh L3 t i m t he hẹp S1 ho ng mm d ng ể chọn lọc ăng phổ hẹp cần thiết Kho ng phổ ược chọn c thể iều ch nh ằng cách quay cách tử G Nếu xung laser m c phân c c thẳng (theo phư ng thẳng ứng) n n ể tăng hiệu suất nhiễu x cách tử, m t nửa s ng ược ặt trư c cách tử làm quay hư ng phân c c ch m tia laser màu từ O1 i 0, ch m tia nhiễu x từ cách tử i qua nửa s ng ể h i phục l i hư ng phân c c an 43 ầu trư c hi ược lọc phổ huếch i Xung laser màu, ăng hẹp, sau hi ã ược quenching c lượng thấp l n ược ưa vào lần truyền qua, l i hệ huếch huếch i6 i ta thu ược xung laser ngắn c lượng l n h n nhiều Như vậy, việc thay ổi (quay) li n tục cách tử th laser xung ngắn, ăng hẹp phát từ BCH quenching ược iều ch nh li n tục c s ng Xung laser L1 Gh O1 m L4 S L2 L3 λ/2 S1 O2 G Laser màu xung ngắn, ăng hẹp Gh: gư ng ph n x cao O1, O2: Các cuvette màu L1: Thấu ính trụ L, L2, L3: Các thấu ính cầu  2: Tấm nửa s ng G: Cách tử nhiễu x S, S1: Các he hẹp Hình 3.2 Laser màu xung ngắn băng hẹp điều chỉnh liên tục bước sóng 44 3.2.2 M t s ết qu th c nghi m 3.2.2.1 Đ r ng phổ laser h iều ch nh ƣ c s ng: Để chứng tỏ h laser màu xung ngắn, ăng hẹp, iều ch nh li n tục c s ng phát tr n m t d i phổ r ng chúng t i tiến hành thí nghiệm hình 3.2 V i chất màu PM 567 th ng s cấu h nh BCH-QC tr n Các phổ xung laser màu phát từ BCH-Q thấp ược quan sát ằng m t hệ thu: photodiode nhanh (2 G mẫu giây) máy ps), dao ng í s 1,5 GHz (Te tronix, n sắc (Jo in-Yvon) Các xung laser màu ngắn hiệu ứng quenching-cavity c miền phổ r ng ~ A0 Để c ược xung r ng phổ hẹp ( ho ng 5A0) h iều ch nh li n tục laser ps c bư c s ng, chúng t i ã d ng m t s chọn lọc phổ n gi n cho ức x laser màu quenching-cavity v i m t cách tử Littrow [5] Chúng ta c thể quay li n tục cách tử máy ược toàn n sắc cho n quét v ng phổ phát laser từ BCH quenching Các xung laser màu ngắn ăng hẹp sau máy n sắc ược thu ằng photodiode nhanh dao ng kí 1,5 GHz Hình 3.3: Các xung laser đơn thu Hình3.4:Vết bước sóng 556, 560, 565 570 nm giới autocorrelator đo hạn thiết bị đo bước sóng 560nm, độ rộng xung khoản 80 ps 45 Các xung laser ngắn ăng hẹp c giao thoa ế Fa ry –Perot, r ng phổ o ược cỡ 1nm nhờ r ng xung o ược nhờ hệ o xung c c ngắn autocorrelator ho ng ps (h nh 3.3-3.4) Chúng t i o ược xung laser ăng hẹp iều ch nh c s ng từ 555 nm – 57 nm hình 3.5 Kết qu hồn tồn c thể ứng dụng v i chất màu hác nhau, trư c ây ã ược th c ỹ thuật BCH quenching truyền th ng Do c thể chủ ng phát ược xung laser ngắn, iều ch nh li n tục c s ng miền phổ nh n thấy d a tr n ỹ thuật BCH quenching Các ức x laser c r ng phổ < nm iều iện ho t Việc thu ức x laser c ng hác r ng phổ nhỏ h n c thể thu ược nhờ hoàn thiện h phân gi i hệ tán sắc Rõ ràng, h iều ch nh c s ng laser xung ngắn CQ – STS ược hoàn thiện so v i laser STS Điều laser ết hợp hai c chế ho t ng laser CQ STS ược gi i thích sau Khi hai laser c ng sử dụng m t m i trường ho t chất, c s c nh tranh m i trường huếch i( tích lũy N1) hai laser Gi sử s ho t laser CQ ược tăng cường th h huếch STS nhỏ c c i dành cho ho t ng ng laser i phổ laser ăng r ng STS dịch chuyển phía s ng dài Tư ng ứng, lúc laser STS ch c h ho t ng phía c s ng dài (hay dịch chuyển phía c s ng dài h n) Trong trường hợp ngược l i, laser CQ-STS ho t ng phía s ng ngắn (Hay dịch chuyển phía c s ng ngắn h n) Cần ý rằng: tất c h thay ổi c s ng laser CQ – STS h ng cần ến việc thay ổi nồng Trong th c nghiệm v i m t nồng chất màu laser STS chất màu, laser CQ – STS c thể iều ch nh ược tr n nm 3.2.2.2 Năng lƣợng laser Quenching STS Năng lượng laser thay ổi theo dài c s ng c trường hợp laser STS laser QC – STS ã ược ch tr n h nh 3.5 Ở chế – STS lượng laser ị gi m m nh, ặc iệt phần s ng ngắn 46 laser CQ Việc huếch i xung pic – giây t i lượng cao ã ược th c ởi tầng huếch i c ng suất (Gồm cuvét x cm) Trong thí nghiệm, ã sử dụng 12 mJ cho lượng huếch i c ng suất Việc phân chia m tr n cuvét nh hưởng rõ t i lượng Để c thể sử dụng lượng m cao h n thu ược xung sau huếch i cao h n th việc sử dụng cuvét Bethunne cần thiết 0.90 Rh 6G 0.85 0.80 Rh B 0.75 C-êng ®é tû ®èi 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 B-íc sãng (nm) Hình 3.5 Cường độ tương đối xung đơn laser màu QC-STS với chất màu RhB Rh6G thay đổi theo bước sóng Hình 3.5 cường xung n laser màu QC – STS v i chất màu RhB Rh6G thay ổi theo c s ng Kết qu cho thấy QC – STS c thể iều ch nh li n tục c s ng tr n d i c s ng 535 nm – 585 nm Rh6G ứng v i d i c s ng 56 nm – 615 nm 3.2.2.3 Kh phát ơn ung QC – STS tr n toàn miền ƣ c s ng L i xung laser ã ược ghi nhận ằng strea camera (5784 – Hamamatsu) Trong trường hợp laser Rhodamine 6G ( mol l), d ng xung laser CQ – STS c s ng hác ã ược thể tr n hình 36 C thể thấy, v ng c s ng ngắn 555 – 559 nm, xung ngắn lu n thu ược h ng thể phân iệt ược c chế ( STS CQ) ã t o ược xung laser ngắn Theo c chế laser STS th v ng phổ 47 s ng ngắn v ng phát xung ngắn laser STS Ngược l i, v ng phổ s ng dài (561 – 569 nm), c chế làm ngắn xung ược thể rõ ràng hiệu ứng quenching cavity gây Các h nh vẽ c s ng 561 – 569 nm thể dao phục laser, dao c chế laser CQ Các ng hồi ng ã ị dập tắt hi laser STS sử dụng ết hợp n xung ngắn cỡ ps ã thu ược Các dao ng hồi phục c xuất tồn t i, iều ã h ng cho phép thu ược xung laser ngắn Ở phía s ng dài 57 – 576 nm, việc làm ngắn xung theo c chế CQ ém hiệu qu Xung laser dài ao gồm nhiều dao ng hồi phục Điều c thể ược gi i thích hiệu ứng CQ thường ch tồn t i thời gian ngắn (vài trăm ps) thời gian ầu xung xung m ủ dài (cỡ 5ns) m nh, 48 m Tuy nhi n, =555 nm =565nm =567 nm =557 nm =559 nm =569 nm =561 nm =570 nm =563nm =571nm Hình 3.6 Xung laser màu xung ngắn từ BCH quenching bước sóng khác 49 Ta c thể thấy: Các ết qu th c nghiệm hoàn toàn ph hợp v i ết qu suy ược từ lý thuyết Các ết qu thu ược ã chứng tỏ ược việc ứng dụng hiệu ứng quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ ể phát xung ngắn, ăng hẹp iều ch nh c s ng hoàn toàn ưu việt h n laser chọn lọc thời gian phổ hi chưa sử dụng hiệu ứng quenching Khi chưa c hiệu ứng quenching, v i laser màu chọn lọc thời gian phổ ta ch c thể thu ược xung ngắn tr n miền phổ hẹp - hình 3.1 a) Nhưng hi sử dụng hiệu ứng quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ, ta c thể thu ược xung ngắn iều ch nh li n tục c s ng tr n d i phổ r ng A0 (hình 3.1 b) KẾT LUẬN CHƢƠNG III Trong chư ng t i ã xem xét h ết hợp phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ phư ng pháp dập tắt BCH Quenching mặt lý thuyết th c nghiệm Ở ây, t i ã tr nh ày m t s ết qu th c nghiệm laser màu xung ngắn QC – STS mặt: r ng phổ, h iều ch nh c s ng, lượng cường … 50 KẾT LUẬN CHUNG Trong ề tài “Phát xung laser, băng hẹp ngắn nhờ kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ” ã tr nh ày m t s ết qu nghi n cứu phát triển m t laser xung ngắn pic – giây v i s ết hợp hai ỹ thuật dập tắt uồng c ng hưởng (Cavity quenching) chọn lọc thời gian phổ (Spectro temporal selection, STS) Mục ích việc hồn thiện h thay ổi c s ng laser pic – giây chọn lọc thời gian phổ STS, giữ ược tính n gi n tin cậy c ng nghệ Các ết qu ề tài là: Nghi n cứu tổng hợp th ng tin vật lý c ng nghệ phân tử laser màu m t s iểu laser phát xung ngắn Các th ng tin c sở ể ịnh hư ng cho việc chọn ề tài Nghi n cứu lý thuyết laser màu c BCH Quenching Đặc iệt thiết lập hệ phư ng tr nh t c mở r ng a c s ng ã cho phép nghi n cứu ược ng học phổ nh hưởng th ng s uồng c ng hưởng Quenching Cavity l n tr nh ho t ng laser màu Quenching Cavity ết hợp chọn lọc thời gian phổ STS tr n toàn v ng phổ phát x chất màu Các ết qu nghi n cứu lý thuyết ịnh hư ng quan trọng cho nghi n cứu th c nghiệm tập trung vào hiệu ứng làm ngắn xung t o ởi hai c chế dập tắt uồng c ng hưởng (Cavity quenching, CQ) chọn lọc thời gian phổ (Spectro – temporal selection, STS), h iều ch nh c s ng, r ng phổ ức x laser ết cấu laser Kh phát xung ngắn m t laser ết hợp c chế ho t ng quenching cavity chọn lọc thời gian phổ ã ược th c Ưu iểm iểu laser mở r ng h iều ch nh li n tục n gi n c s ng laser phát M t s ặc iểm th ng s lo i laser ã ược nghi n cứu Các ết qu chứng tỏ c thể ứng dụng laser nhiều phư ng pháp quang phổ laser 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đ i Hưng, “ Vật lý ỹ thuật laser” Nhà xuất n Đ i Học Qu c Gia Hà N i Nguyễn Đ i Hưng (2 ),“ Phát xung laser màu pic -giây ằng phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ”, ài gi ng t i l p chuy n ề Việt - Pháp ” Quang phổ ứng dụng ”, Đồ S n, Hà N i Pham H Minh, Doan H Son, Do Q Hoa, P Brechignac*, N Dai Hung "Spectral and temporal characteristics of picosecond quenching-cavity solid-state dye lasers" International Workshop on Photonics and Applications - IWPA (5-8 April 2004 Hanoi, Vietnam) Pham H Minh, Doan H Son, Dinh X Khoa, N.T Nghia, N Dai Hung "Picosecond quenching-cavity solution and solid-state dye lasers" OSAKA University-Asia Pacific-Vietnam national University Hanoi Sept 27- sept 29,2005 D.Q Hoa, N Takeyasu and T Imasaka, N D Hung "Direct generation of a tunable nearly transform-limited picosecond pulse in the ultraviolet region using a distributed-feedback dye laser" Rev Sci Instrum 74 (1), p 28-31, January( 2003) D Q Hoa, P.H Minh, N.T.Thanh, T Imasaka, N Dai Hung “Picosecond solid-state dye lasers with a spectro-temporal selection” CLEO Pacific Rim (2003), p.503 Do Q Khanh, Doan H Son, Le H Hai, Pahm Long, Nguyen T Nghia, Pham H Minh, Do Q Hoa, Brechignac, Nguyen Dai Hung "Research and development of different picosecond laser sources for laboratories in the developing countries" International Meeting on Frontier (IMFP), Kuala Lumpur, Malaysia, July 25-29, 2005 N Trong nghia, Trinh D Huy, P Hong Minh, Le T Nga, N Dai Hung “Theoretical and experimental investigations on the dynamics of cavity – quenching dye lasers” center for Quantum Electronics Institue of physics and electronics Vast 10 Dao Tan Str., Ba Dinh, Ha Noi, Viet Nam Báo cáo h i nghị vật lý toàn qu c lần thứ VI, Hà N i 23 – 25/11/2005 52 ... cứu kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ Nghi n cứu ưa cấu h nh th c nghiệm ết hợp hiệu ứng Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ Các ặc trưng lượng, phổ thời gian. .. chục nm V chúng t i ặt vấn ề ? ?Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng Quenching laser màu chọn lọc thời gian phổ? ?? ể c thể thu ược xung laser ngắn, ăng hẹp, c c ng suất ổn ịnh c thể... việc ứng dụng hiệu ứng quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ ể phát xung ngắn, ăng hẹp iều ch nh c s ng hoàn toàn ưu việt h n laser chọn lọc thời gian phổ hi chưa sử dụng hiệu ứng quenching