TẠP CHÍ KHOA HỌC, đại học Huế, Số 65, 2011 ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÀ NỒNG đỘ CHẤT MÀU LÊN PHỔ TÍCH PHÂN CỦA LASER MÀU BĂNG RỘNG Mai Xuân Gia, Trường PTTH đakrông, Quản
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC, đại học Huế, Số 65, 2011
ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÀ NỒNG đỘ CHẤT MÀU LÊN PHỔ TÍCH PHÂN CỦA LASER MÀU BĂNG RỘNG
Mai Xuân Gia, Trường PTTH đakrông, Quảng Trị Nguyễn đăng Thân, Trường PTTH đào Duy Từ, Quảng Bình
Lê Ngọc Minh, Trường đại học Khoa học, đại học Huế
đỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam
Hoàng Hữu Hòa, đại học Huế
TÓM TẮT
Tắnh chất phổ của laser màu băng rộng ựã ựược nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm bởi hệ phương trình tốc ựộ mở rộng cho nhiều bước sóng Các kết quả thu ựược cho thấy, phổ laser tắch phân của các laser màu băng rộng không những phụ thuộc vào nồng ựộ chất màu mà còn phụ thuộc vào chiều dài của buồng cộng hưởng Các kết quả này rất có ý nghĩa trong việc ựiều chỉnh bước sóng và mở rộng vùng bước sóng hoạt ựộng trong phát xạ laser màu
1 Mở ựầu
Nghiên cứu các ựặc trưng quang phổ của laser màu băng rộng luôn ựược sự quan tâm của các nhà khoa học, nhằm mang lại các ứng dụng thiết thực trong lĩnh vực quang học-quang phổ Do ựó, trên cơ sở sử dụng hệ phương trình tốc ựộ mở rộng cho một số tùy ý các bước sóng, chúng tôi ựã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng (BCH) và nồng ựộ phân tử chất màu lên phổ tắch phân của laser màu xung băng rộng Các kết quả này rất có ý nghĩa trong việc mở rộng vùng bước sóng hoạt ựộng trong phát xạ laser màu
2 Hệ phương trình tốc ựộ
để mô tả quá trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng (mô hình hoạt ựộng laser màu hai mức rộng) chúng tôi ựã sử dụng hệ phương trình tốc ựộ sau, khi có chú ý ựến sự khuếch ựại bão hòa, sự tái hấp thụ bức xạ laser của các phân tử [1]:
1 1
0 1
N I N
I P
t
i
i ei n
i
i
+
−
+
=
=
σ τ
σ
∂
∂
(1)
T
I l
N N
t
I
i
i i ai
ei
∂
α σ
σ
N = N 1 + N 0 (3)
Trang 2trong ñó, n là số kênh bước sóng, chỉ số i = 1, 2, 3, ;λi là bước sóng thứ i; I là cường i
ñộ laser tại bước sóng λi;
i a
σ và
i e
σ lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ cưỡng bức ở bước sóng λi ; N N là ñộ tích lũy phân tử ở trạng thái ñơn 0, 1 S và 0 S ; 1 τ
là thời gian sống huỳnh quang của phân tử màu; P là tốc ñộ bơm;
( )
1
T c là thời gian ánh sáng ñi một vòng trong BCH, L là chiều dài BCH, l là chiều dài môi trường hoạt chất, clà tốc ñộ ánh sáng, nclà chiết suất của dung dịch màu ðại lượng A N i 1, ñặc trưng sự ñóng góp của phát xạ tự phát khởi phát cho quá trình laser Giá trị của A i ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau,
10 2
i
A = − cm s− [2]; αi là ñộ mất mát trong một chu trình BCH ở bước sóng λi
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 10 ns, với thông số bơm lý thuyết r = P/Pngưỡng, trong ñó:
Pngưỡng=
σ σ
σ σ
+
e
a
1
với
2LN
α
σ = (4)
3 Các yếu tố ảnh hưởng lên phổ tích phân của laser màu băng rộng
Từ hệ phương trình tốc ñộ mở rộng (1)-(3), chúng tôi ñã tính toán, khảo sát ñiển hình trên hai chất màu có phổ huỳnh quang nằm trong vùng hồng ngoại gần và vùng nhìn thấy, ñó là chất màu Coumarine30 (C30) và Rhodamine6G (Rh6G) Hai chất màu này có thời gian sống huỳnh quang của phân tử lần lượt làτ =8ns [5], τ =5ns[3, 4]
3.1 Nghiên cứu lý thuyết
Giải hệ phương trình tốc ñộ cho chất màu C30/ethanol và Rh6G/ethanol, với 25 phương trình cho cường ñộ (25 bước sóng tương ứng) phủ trên toàn bộ miền phổ phát
xạ của mỗi chất màu ở trên, (bước tính phổ 1 nm) và một phương trình cho ñộ tích lũy
N1 ở trạng thái kích thích
3.1.1 Ảnh hưởng chiều dài BCH
Khi giữ nguyên chiều dài môi trường hoạt chất, hệ số phản xạ gương và thông số bơm, chúng tôi ñã tính toán và khảo sát sự phụ thuộc phổ laser tích phân của laser màu C30/ethanol vào chiều dài của BCH Hình 1.a cho thấy rằng, khi tăng chiều dài BCH từ 1cm ñến 10cm, bước sóng cực ñại của phổ laser tích phân dịch chuyển về phía sóng ngắn cỡ 1nm ðiều này có thể ñược giải thích như sau: khi nồng ñộ và mức bơm vẫn giữ không ñổi, việc tăng chiều dài BCH sẽ làm tăng ngưỡng phát của laser Do ñó, bước sóng có cường ñộ cực ñại của phổ laser tích phân có xu hướng dịch chuyển về phía sóng ngắn
Trang 3Hình 1a Sự phụ thuộc phổ tích phân laser màu C30/ethanol vào chiều dài BCH
BCH có l =1 cm, R 1 = R 2 = 0,04, N = 1.10 18 cm -3 , r = 20
Các tính toán trên chất màu Rh6G/ethanol cũng có kết quả tương tự (hình 1b)
Hình 1b Sự phụ thuộc phổ tích phân laser màu Rh6G/ethanol vào chiều dài BCH
BCH có l =1 cm, R 1 = R 2 = 0,04, N = 1.10 18 cm -3 r = 20
3.1.2 Ảnh hưởng nồng ñộ chất màu
Hình 2a là các kết quả tính toán về phổ tích phân của laser màu C30/ethanol ở các nồng ñộ chất màu khác nhau Kết quả cho thấy, khi thay ñổi nồng ñộ từ 1.1018 cm-3 ñến 5.1019 cm-3, bước sóng có cường ñộ cực ñại của phổ laser tích phân dịch chuyển về phía sóng dài một khoảng khá rộng cỡ 26 nm (từ 483 nm ñến 509 nm) ðiều này cho phép phát laser màu C30/ethanol ở một vùng phổ bất kỳ trong khoảng trên khi chọn nồng ñộ thích hợp
Trang 4Hình 2a Sự phụ thuộc phổ tích phân laser màu C30/ethanol vào nồng ñộ
BCH 10 cm, l =1 cm, R 1 = R 2 = 0,04, r = 20, nồng ñộ thay ñổi từ 1.10 18 cm -3 ñến 5.10 19 cm -3 ,
xung bơm dạng Gauss ñộ rộng 10 ns
Chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu tương tự với dung dịch chất màu laser Rh6G/ethanol Kết quả ñược chỉ ra trên hình 2b
Hình 2b Sự phụ thuộc phổ tích phân laser màu Rh6G/ethanol vào nồng ñộ
BCH 10 cm, l =1 cm, R 1 = R 2 = 0,04, r = 20, nồng ñộ thay ñổi từ 1.10 18 cm -3 ñến 5.10 19 cm -3 ,
xung bơm dạng Gauss ñộ rộng 10 ns
3.2 Nghiên cứu thực nghiệm
ðể nghiên cứu phổ laser tích phân trong phát xạ laser màu xung băng rộng, chúng tôi sử dụng BCH laser màu có chiều dài 10 cm, hai gương phẳng R1, R2 có hệ số
Trang 5màu có kích thước 1 cm × 1 cm × 4 cm BCH ñược bơm ngang bởi một laser khí nitơ phát ở bước sóng 337,1 nm, ñộ rộng xung cỡ 5 ns, hoạt ñộng ở ñiện áp 12 KV, áp suất khí 40 Torr, tốc ñộ lưu chuyển khí 5l/phút, công suất xung 70 KW, tần số 10 Hz Phổ laser tích phân theo thời gian của C30/ethanol và Rh6G/ethanol, ñược ghi trực tiếp bằng máy quang phổ DFS 8.2 trên phim ñen trắng (Trung Quốc) có ñộ nhạy 100ASA Các kết quả thu ñược cho thấy:
Khi tăng nồng ñộ chất màu, các bước sóng cực ñại của phổ laser tích phân dịch chuyển về phía sóng dài ðiều này hoàn toàn phù hợp với tính toán lý thuyết mà chúng tôi ñã thu ñược
Hình 3 Các phổ tích phân của các laser màu C30; Rh6G theo nồng ñộ khác nhau
(chiều tăng nồng ñộ từ trên xuống dưới)
a) Laser C30/ethanol khi tăng nồng ñộ từ 0,5 ñến 6.10 -3 M/l
b) Laser Rh6G/ethanol khi tăng nồng ñộ từ 0,5 ñến 4,1.10 -3 M/l
4 Kết luận
Trên cơ sở hệ phương trình vi phân mở rộng cho một số tùy ý các bước sóng, chúng tôi ñã nghiên cứu và khảo sát về sự ảnh hưởng của chiều dài BCH và nồng ñộ trên hai chất màu có phổ huỳnh quang nằm trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy, ñó là C30/ethanol và Rh6G/ethanol lên phổ laser tích phân Các kết quả cho thấy, vai trò của nồng ñộ chất màu có ảnh hưởng khá mạnh lên phổ laser tích phân và ñã ñược kiểm chứng bằng thực nghiệm ðiều này rất có ý nghĩa trong việc mở rộng vùng bước sóng hoạt ñộng của laser màu cũng như chọn lọc các bước sóng thích hợp
Trang 6TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Juramy P Flamant P., Meyer Y H., Spectral properties of pulse dye lasers, IEEE J,
Quantum Electron, Vol QE-!3, 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] Lu P.Y, Yu Z.X, Alfano R.R, Gersten J.I, Picosecond Studies of energy transfer of donor and acceptor dye molecules in Solution, Phys Rev A, Vol 26, No 6, (1982),
3610-3621
[5] Urisu T., Kajiyama K., Concentration dependence of the gain spectrum in energy transfer dye mixtures, J Appl Phys., Vol 47, No 8, (1976), 3563-3565
INFLUENCE OF CAVITY LENGTH AND DYE CONCENTRATION ON THE INTEGRATED LASER SPECTRA OF THE BROADBAND DYE LASER
Mai Xuan Gia, High School of Dakrong, Quang Tri Nguyen Dang Than, High School of Dao Duy Tu, Quang Binh
Le Ngoc Minh, College of Sciences, Hue University
Do Quang Hoa, VietNam Academy of Science and Technology
Hoang Huu Hoa, Hue University
SUMMARY
The spectral properties of the broadband dye laser emissions are investigated experimentally and theoretically with a rate equation model extended to a multiwavelength analysis The results demonstrate the dependence of peak wavelength of broadband pulsed-laser spectrum on dye concentration and cavity length This influence plays a significant part in adjusting wavelengths and broadening the range of adjustable wavelengths of dye laser
