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 TRƯỜNG 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 VINH , 2011... Trư c hế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG 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

VINH , 2011

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN 6

1.1 Phân tử laser màu 6

1.1.1 Cấu trúc hoá học của chất màu 6

1.1.2 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học 7

1.1.3 Quang phổ của phân tử màu 10

1.2 Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) 12

1.2.1 Lý thuyết của phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora Selection) 12

1.2.2 Các h năng ho t ng hác của laser pic giây STS 14

1.2.2.1 Kh năng iều ch nh ư c s ng và phát các xung pico giây tr n v ng phổ 38 nm-860nm 14

1.2.2.2 Kh năng phát các xung STS ngắn nhất 15

1.2.3 Phát các 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 của laser màu xung ngắn c BCH quenching 24

2.1.2.1 Ảnh hưởng của phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH 24

2.1.2.2 Ảnh hưởng của mức m 26

2.1.2.3 Ảnh hưởng của các th ng s BCH Q - cao l n phát x của laser từ BCH Quenching 28

2.1.2.4 Ảnh hưởng của nồng phân tử màu 31

2.2 Kh o sát phổ của phát x laser màu xung ngắn c BCH Quenching 32

2.2.2 Ảnh hưởng của mức m l n phổ laser tích phân 33

2.2.3 Ảnh hưởng của th ng s BCH Q - cao l n phổ laser tích phân 34

2.2.3.1 Ảnh hưởng của hệ s ph n x gư ng 34

2.2.3.2 Ảnh hưởng của chiều dài BCH 35

2.2.4 Ảnh hưởng của nồng chất màu l n phổ laser tích phân 36

2.3 Đ ng học phổ của 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 và h năng iều ch nh ư c s ng: 45

3.2.2.2 Năng lượng laser Quenching STS 46

3.2.2.3 Kh năng phát n xung QC – STS tr n toàn miền ư c s ng 46

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 50

KẾT LUẬN CHUNG 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

MỞ ĐẦU

H n nửa thế sau hi laser ra ời, chúng ta vẫn ang chứng iến m t

s tiến triển s i ng trong lĩnh v c hoa học c ng nghệ và ứng dụng laser,

h ng ch trong th c nghiệm mà còn c trong lí thuyết, h ng ch trong các ngành hoa học c n mà còn trong hoa học ứng dụng Ngoài những ứng dụng laser trong các lĩnh v c hoa học hác nhau, ph m vi sử dụng của laser cũng hết sức a d ng Từ hi ra ời ến nay, các thiết ị laser ã là yếu t quyết ịnh cho những tiến c tính cách m ng trong quang học, quang phổ

và c thể n i chúng ã ưa vào lĩnh v c này m t s cách tân gần như hoàn toàn

Trư c hết, ứng dụng hoa học quan trọng nhất của các laser xung c c ngắn là quang phổ phân gi i thời gian Các xung laser iều ch nh ược ư c

s ng ở ph m vi r ng cho phép th c hiện các nghi n cứu phân gi i thời gian và phân gi i ng học phân tử Hiện nay, nhờ h năng c thể phát xung c thời gian ngắn h n thời gian làm lệch pha ồng ều nhiều hệ n n các hiện tượng

ết hợp ược nghi n cứu thường xuy n Kh năng ứng dụng phân gi i thời gian cao trong ời thường còn ược diễn ra ở các lĩnh v c th ng tin và xử lí tín hiệu quang t c it si u cao, iện tử t c cao và xử lí nh cổng thời gian Ngoài ra, h năng tách chiết m t cách ết hợp trong m t thời gian rất ngắn m t lượng năng lượng cao ược tích trữ trong các hệ hu chs i ã t o

ra các thế hệ laser tư ng i nhỏ gọn c c ng suất rất cao, l n t i vài chục t ta oát Chúng ược ứng dụng nhiều trong các thí nghiệm vật lý nguy n tử a photon và ể phát ra các ch m tia X c c ch i

C nhiều phư ng pháp phát xung c c ngắn hác nhau ã ược nghi n cứu và phát triển h n năm thập qua Tuy nhi n, mỗi phư ng pháp l i c những 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, nhưng nhược iểm của n l i là ch thu ược xung ngắn, trong m t v ng phổ hẹp

Phư ng pháp uồng c ng hưởng dập tắt (Cavity quenching) là m t phư ng pháp n gi n, chúng ta c thể iểm soát ược r ng của xung laser

l i ra từ uồng c ng hưởng Q- thấp ằng việc h ng chế các th ng s ho t

ng của laser V i phư ng pháp này người ta c thể thu ược các xung laser ngắn tr n m t miền phổ r ng hàng chục nm

V vậy chúng t i ặt ra vấn ề “Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ

kết hợp hiệu ứng Quenching trong laser màu chọn lọc thời gian phổ” ể c

thể thu ược xung laser ngắn, ăng hẹp, c c ng suất ổn ịnh và c thể iều

ch nh li n tục ư c s ng tr n m t miền phổ r ng

N i dung của luận văn ược tr nh ày trong a chư ng:

Chương I: Tổng quan về laser màu phát xung ngắn

Trong chư ng này, t i ã tr nh ày m t cách tổng quan về phân tử laser màu: cấu trúc h a học, cấu trúc năng lượng, quang phổ của phân tử màu; phư ng pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ và phư ng pháp uồng

c ng hưởng dập tắt Cavity Quenching

Chương 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 của

ặc trưng phát x , phổ phát x của laser màu xung ngắn c BCH Quenching vào các yếu t như : phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH; mức m; các th ng s của BCH Q – cao; hệ s ph n x gư ng; chiều dài BCH; nồng chất màu…

Chương III: Nghiên cứu kết hợp hiệu ứng Quenching trong laser màu

chọn lọc thời gian phổ

Nghi n cứu và ưa ra cấu h nh th c nghiệm ết hợp hiệu ứng Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ Các ặc trưng về năng lượng, phổ và thời gian của các lo i laser này ược tr nh ày

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN

1.1 Phân tử laser màu

1.1.1 Cấu trúc hoá học của chất màu

Phân tử màu ược chia thành các hợp chất ion và trung hoà, n c tính chất vật lý và hoá học hác nhau Các chất màu d ng trung hoà iển h nh như Butadiene CH2 = CH – CH = CH2 và các hợp chất th m như Pyrene, Perylene…

Phân tử màu d ng cho laser là các phân tử hữu c a nguy n tử rất phức t p, trong phân tử chứa các li n ết n () và li n ết i li n hợp (),

Hình1.1 Cấu trúc phân t P5Ac (C 24 H 35 O 2 N 2 BF2); P10Ac (C 29 H 45 O 2 N 2 BF2)

hấp thụ m nh ánh sáng ích thích trong v ng tử ngo i và v ng nh n thấy Cấu trúc của chúng ặc trưng ởi các nguy n tử C, N, O, S, F, H,…, các nguy n tử này sắp xếp theo cấu trúc mà hung của phân tử là các nguy n tử C, N, O, S nằm tr n m t mặt phẳng Điện tử  xen ẽ v i li n ết n - iện tử , iện tử

 nằm tr n các li n ết i C - C hoặc tr n các iện tử li n ết C - N, C - O… Điện tử  trong li n ết li n hợp h ng ịnh xứ, n c thể di chuyển tr n toàn m ch của phân tử, gi i tỏa ều tr n toàn hung phân tử V vậy, các phân tử hữu c nh y c m v i các nhiễu lo n n ngoài Để ích thích các iện

tử  y u cầu cần ít năng lượng h n so v i iện tử  S hác nhau này cho phép các iện tử  dễ dàng t tr ng thái nghịch o tích luỹ Cấu trúc hoá học của các phân tử màu là tổ hợp của các vòng Bezen (C6H6), vòng Pyridine (C5H5N), vòng pzine (C4H4N2) hoặc vòng piron (C4H5N) Những vòng này c thể n i tr c tiếp v i nhau hoặc qua m t nguy n tử trung hoà C, N, hoặc 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 năng lƣợng và các dịch chuyển quang học

Các phân tử màu c rất nhiều tr ng thái là các tổ hợp phức t p các tr ng thái iện tử, tr ng thái dao ng và tr ng thái quay, dẫn ến t o ra các v ng năng lượng Do vậy h ng thể xác ịnh chính xác các mức năng lượng của chất màu Các chuyển dời chủ yếu trong các phân tử màu ược thể hiện tr n hình 1.2

Trong các mũi t n liền nét iểu thị các chuyển dời quang học, các mũi t n h ng liền nét iểu thị các chuyển dời h ng ức x , S0, S1, S2….là các tr ng thái n iện tử (Singlet), và các tr ng thái iện tử i a (triplet) là

T1, T2, tư ng ứng v i s lượng tử spin toàn phần S = và S = 1 Th ng thường, ho ng cách giữa các mức dao ng là 14 - 1700 cm-1còn ho ng cách giữa các mức quay nhỏ h n hai ậc n n phổ hầu như li n tục giữa các mức quay Do va ch m li n ết n i phân tử và tư ng tác tĩnh iện v i phân tử lân cận trong dung m i mà v ch dao ng ược mở r ng Các mức quay th

lu n mở r ng do va ch m n n dịch chuyển iện tử ở nhiệt phòng sẽ cho các phổ ăng r ng

Hình1.2 Cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dời

quang học của phân t màu

nhiệt phòng, hi chưa ị ích thích, các phân tử màu chủ yếu ở tr ng thái

c n S00 theo phân Boltzmann Sau hi hấp thụ ánh sáng ích thích, các phân tử màu chuyển từ tr ng thái c n S0 l n các 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, các phân tử chủ yếu dịch chuyển l n tr ng thái S1, cụ thể là dịch chuyển l n các tr ng thái ích thích dao ng S1 Quá tr nh này tư ng ứng v i s t o thành phổ hấp thụ ăng r ng của phân tử màu, ở tr ng thái này s hử ích

ho t của các phân tử màu diễn ra theo nhiều cách

S hồi phục dao ng h ng ức x của các phân tử từ các tr ng thái S1 về

tr ng thái S10 trong thời gian rất ngắn cỡ 1 -12s Tr ng thái S10 c thời gian

s ng tư ng i dài (1 -9

- 10-8s) và từ ây các phân tử chuyển xu ng tr ng thái c n: S1  S0  Quá tr nh này tư ng ứng v i s t o thành phổ huỳnh quang ăng r ng của phân tử màu

 Bức x laser ược h nh thành như sau: Th c tế, ở nhiệt phòng các mức

S1 là tr ng do s phân của các phân tử tuân theo phân Boltzmann,

hi cường m ủ m nh th tích luỹ phân tử tr n S10 l n h n ở các mức S0 , m i trường là nghịch o tích luỹ Do vậy, ch cần nghịch o mật tích luỹ h ng quá l n tr n mức S10 cũng ủ ể phát laser nhờ các dịch chuyển S10  S0  Do vậyta thấy rằng v ng phổ của laser màu ch c thể nằm trong v ng phổ huỳnh quang của phân tử màu

Từ mức S1 phân tử cũng c thể th c hiện các quá tr nh chuyển dời hác như quá tr nh hấp thụ S1  S2, các dịch chuyển n i h ng ức x giữa các

tr ng thái h ng c ng i: S - T gọi là s dịch chuyển do tư ng tác chéo nhau trong n i hệ Tr ng thái i a T1 là tr ng thái si u ền (thời gian s ng  cỡ

10-6 - 10-5s) nằm thấp h n so v i các mức iện tử ích thích, s tư ng tác của

n v i S1 sẽ nh hưởng ất lợi cho các ho t ng laser màu v

 S chuyển dời của phân tử từ tr ng thái n S1 ến tr ng thái Triplet T1 sẽ làm gi m tích luỹ của tr ng thái laser tr n

 Các phân tử tr n mức T10 c thể hấp thụ ức x m hoặc ức x laser dẫn

ến tăng mất mát năng lượng do hấp thụ Triplet - Triplet Khi kích thích ằng nguồn laser xung c thời gian xung nhỏ h n 2 ns th dịch chuyển Singlet - Triplet c thể ỏ qua

Do vậy ta c thể xem laser màu ho t ng theo s ồ n mức năng lượng như sau

Mức 1: Là mức c n S00

Mức 2: Là mức laser dư i gồm các mức dao ng S0

Mức 3: Là mức laser tr n S10

Mức 4: Là mức ích thích gồm các mức dao ng S1 

Hình 1.3 : Sơ đồ laser phân t màu với hai mức năng lượng rộng

Trong mức 1 và mức 2 nằm ở tr ng thái iện tử S0, mức 3 và mức 4 nằm ở tr ng thái iện tử ích thích n S1 Từ những lý do mà chúng ta c thể n i rằng laser màu ho t ng tr n hai mức r ng là mức iện tử n S0 và mức iện tử ích thích n S1

1.1.3 Quang phổ của 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 và phổ huỳnh quang của các phân tử màu là phổ ăng

r ng (cỡ 3 nm - 1 nm), ít cấu trúc và h ng tr ng lặp Tr n h nh 1.4 ưa ra phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Pyrromethene 567 trong nền rắn

Phổ hấp thụ ăng r ng ứng v i các dịch chuyển từ tr ng thái c n S0

l n các mức dao ng của tr ng thái n ích thích S1 S hấp thụ ứng v i dịch chuyển từ tr ng thái c n S0 l n các tr ng thái i a là ị cấm về spin

S dịch chuyển của phổ huỳnh quang tuân theo ịnh luật Stock - Lumen, nghĩa là toàn phổ huỳnh quang và c c i của n dịch chuyển về phía s ng dài so v i toàn phổ hấp thụ và c c i của n Đường cong của phổ hấp

S 1

S 0

p e 0

thụ gi m nhanh ở phía s ng dài và gi m chậm ở phía s ng ngắn Ngược l i, ường cong của phổ huỳnh quang gi m nhanh ở phía s ng ngắn, gi m chậm ở phía s ng dài V i th ng lượng ức x nhỏ h n 1 26

photon cm-2.s-1 các phổ hấp thụ và phát x của phân tử màu c thể ược coi là mở r ng ồng nhất Huỳnh quang của các phân tử màu ược ặc trưng ởi hai i lượng

là thời gian tắt huỳnh quang và hiệu suất quang lượng tử Phát x huỳnh quang của phân tử màu c thời gian tắt dần 1  1 ns Hiệu suất huỳnh quang lượng tử ược ịnh nghĩa là e

a

N N

1.2 Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS)

1.2.1 Lý thuyết của phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora Selection)

M t ỹ thuật nhằm t o ra xung ngắn từ các laser m cỡ nano giây là phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto–Temporal–Selection) Phư ng pháp STS d a tr n tiến tr nh quét phổ rất nhanh của ức x laser màu ăng

r ng

Việc nghi n cứu tiến tr nh phổ ược phát ra từ m t BCH ngắn Q - thấp cho thấy, t i thời iểm an ầu phổ laser rất r ng, ngay sau , m t s làm hẹp phổ rất nhanh x y ra và c c i phổ phát x chuyển về phía s ng dài Điều này c nghĩa là c s dập tắt dao ng rất nhanh ở về phía s ng ngắn của phổ laser Nếu lọc l a m t ăng phổ hẹp ở phía s ng ngắn của phát x laser ăng r ng sẽ thu ược m t xung laser ngắn V i ỹ thuật nén xung này

ta thu ược xung laser ngắn v i hệ s nén xung cỡ 1 2

Tuy nhi n phư ng pháp phát xung ngắn ằng ỹ thuật STS vẫn còn tồn

t i nhược iểm là chúng ta ch thu ược xung ngắn ở trong m t v ng phổ hẹp

nanosecond

Nd :YAG laser (2) 532 nm

Hình 1.6 Sơ đồ một laser màu picô-giây STS

Về mặt ỹ thuật, việc xây d ng các laser cuvet màu ăng r ng là rất

n gi n so v i các laser micro cavity H n nữa, h năng phát các xung <

1 ps v i s chọn lọc thời gian phổ ã ược chứng tỏ Do vậy, laser màu cuvet ược sử dụng phổ iến trong việc phát triển các laser pico giây ằng phư ng pháp lọc l a thời gian phổ STS

M t laser phát xung ngắn pico giây STS ao gồm a phần:

M t là uồng c ng hưởng laser màu ăng r ng dài ngắn và Q thấp

ể t o ra m t s quét phổ rất nhanh trong phát x laser ăng r ng Đ n gi n nhất, uồng c ng hưởng này c thể là m t cuvet 1cm chứa dung dịch chất màu laser Các ặc iểm về ng học phổ của n ã ược nghi n cứu chi tiết

c h năng huếch i l n là cần thiết ể huếch i các xung ngắn này Ở

ây, chúng ta c thể sử dụng m t tiền huếch i v i 6 lần truyền qua ể

t ược hệ s huếch 1 4 v i các chất màu Rhodamine

B tiền huếch i 6 lần truyền qua ao gồm m t cu-vét màu dày 1mm chứa dung dịch chất màu lưu chuyển M i trường huếch i là gư ng nh m (ph n x 99 , ích thư c 1x1 cm) Chú ý là tiền huếch i ược ho t

ng ở chế ão hòa i v i các lần truyền cu i, do vậy n vừa cho m t h năng huếch i cao và ổn ịnh cao cho cường xung laser

Ba phần của m t thiết ị laser STS – pico giây c thể ược ết cấu (tr n diện tích 35x3 cm) ch m laser từ uồng c ng hưởng cu-vét ược chu n tr c

ởi thấu ính L1 (ti u c 1 cm) và ưa ến lọc ngoài uồng c ng hưởng

là cách tử (21 v ch mm) Ch m sau hi ược lọc phổ (xung ngắn) ược

ưa vào huếch i MPA (6-pass Pre-amplifier)

1.2.2 Các h năng ho t ng hác của laser pic giây STS

1.2.2.1 Kh năng iều ch nh ƣ c s ng và phát các ung pico giây tr n

v ng phổ 3 0nm-860nm

Đ i v i mỗi dung dịch chất màu laser và ở iều iện m thích hợp, laser STS pico giây c thể ược iều ch nh ư c s ng laser trong v ng 30A0

mà h ng nh hưởng áng ể ến dài xung pico-giây Việc iều ch nh

ư c s ng tr n ho ng phổ r ng c thể thu ược nhờ ết hợp ồng thời c việc thay ổi chất màu và nồng Lí do ắt nguồn từ hiệu ứng dịch chuyển tần s của m t phổ laser ăng r ng hi thay ổi nồng chất màu V i các chất màu rhodamine ược m ằng tử ngo i, chúng ta c thể iều ch nh trong v ng phổ 2 A0

Hiện nay c hàng trăm ( ho ng 25 ) chất màu laser ang ược sử dụng, chúng cho phép phát các ức x laser trong ho ng 33 nm – 13 nm Mặt hác, ng học phổ laser màu xung ăng r ng là há gi ng nhau cho các chất màu phát ở v ng tử ngo i, nh n thấy hay hồng ngo i Đặc iệt, người ta

lu n lu n quan sát thấy m t quá tr nh quét phổ nhanh trong phát x laser màu ăng r ng của laser c uồng c ng hưởng ngắn và ph m chất Q thấp Điều này ã cho phép sử dụng phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ STS ể phát

các xung laser pic -giây ở các ư c s ng hác nhau tr n v ng phổ tử ngo i gần, nh n thấy và hồng ngo i gần

Đ r ng phổ của laser màu pic -giây STS là 4nm (FWHM) Đ phân

ỳ của ch m laser há t t (1 mrad) do hiệu ứng lọc h ng gian 6 lần i qua

m i trường tiền huếch i Năng lượng xung phụ thu c vào dung dịch chất màu laser, i v i các dung dịch chất màu Rhodamine (cho các xung laser

tr n d i phổ 55 nm – 65 nm) năng lượng thường cỡ15 -20J Các xung này

dễ dàng ược huếch i t i năng lượng cao nhờ sử dụng các tầng huếch i

n ngoài

Những ết qu nghi n cứu th c nghiệm cũng cho thấy s ất ổn ịnh

về cường và dài xung pic -giây STS ắt nguồn từ cấu trúc spi e (do mode eating) của các xung m Điều này gây n n m t s ất ổn ịnh 1

và 12 về dài xung và cường Đ i v i các xung m mịn như ược phát từ các laser m n mode hay si u ức x , các ất ổn ịnh này thấp h n

tư ng ứng là 8 và 1

1.2.2.2 Kh năng phát các ung STS ngắn nhất

Để thu ược những xung ngắn h n (<1 ps) chúng ta c thể sử dụng 2 tầng laser STS Tầng ầu cho phép iến ổi các xung nan -giây thành các xung <1 ps Tầng thứ hai, m t laser màu microcavity ược sử dụng và n ược m ằng các xung <1 ps của tầng ầu Do c tồn t i các xung ngắn ở phần s ng ngắn của phổ laser n n việc sử dụng phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ ở tầng thứ hai sẽ cho ta thu ược các xung ngắn <1 ps

Ví dụ, hi sử dụng m t cách tử Littrow nhỏ (12 v ch mm) ể l a chọn m t d i hẹp ở ư c s ng 568nm và 566nm của các phổ laser tư ng ứng

v i các uồng c ng hưởng rhodamine 6G c dài 25 m và 1 m, ta c thể thu ược các xung ngắn 6ps và 2,7ps tư ng ứng Các giá trị dài xung này tư ng ứng v i các hệ s nén xung là 17 và 35 so v i xung m 1 ps (l n h n m t ậc thời gian s ng của ph tn trong uồng c ng hưởng) Nếu ể

ý ến dài xung m s cấp an ầu là 8ns ( m cho tầng ầu), th hệ s

nén xung cu i c ng thu ược là 15 lần và 3 tư ng ứng Đây là các xung STS ngắn nhất ã thu ược nhờ sử dụng phư ng pháp STS trong trí hai tầng) [2]

1.2.3 Phát các ung pic -giây c r ng phổ gi i h n

Các xung pic -giây c r ng phổ gi i h n c thể ược phát từ m t laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) nhờ sử dụng lọc m i ngoài uồng

c ng hưởng B lọc ược xây d ng tr n m t cách tử g c là, trí trong m t cấu h nh ường dẫn chậm tán sắc N ồng thời c m t h năng lọc phổ cao

và h năng hử s éo dài thời gian xung.[6]

Phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ STS là m t phư ng pháp n gi n, thuần túy quang học, h ng òi hỏi m t yếu t quang học ặc iệt nào N cho phép phát các xung laser màu pic -giây ở các ư c s ng hác nhau trong

v ng phổ từ tử ngo i ến hồng ngo i gần v i m t nguồn laser m nano-giây Các laser pic -giây STS c thể ược ết cấu chặt chẽ v i ích thư c nhỏ gọn như m t thiết ị nén xung pic -giây i m v i các laser nano-giây

1.3 Phương pháp uồng c ng hưởng dập tắt (Cavity Quenching)

Kỹ thuật BCH quenching t o ra xung laser ngắn ps từ laser m v i

r ng xung cỡ ns, và ược sử dụng ầu ti n cho laser màu Trong cấu h nh của

m t laser màu c BCH quenching m ngang ở h nh 1.1 M i trường ho t chất là những dung dịch chất màu ược chứa trong cuvette th ch anh c ích thư c 1 cm  1 cm  3 cm Người ta t o ra hai BCH laser hác nhau nhưng

c ng sử dụng chung m t m i trường ho t chất BCH thứ nhất c ph m chất thấp ược t o n n ằng việc sử dụng tr c tiếp hai thành cuvette làm hai

gư ng ph n x BCH thứ hai c ph m chất cao ược t o n n ằng việc sử dụng gư ng c hệ s ph n x cao làm gư ng sau và m t thành cuvette, BCH Q- cao c chiều dài l n h n BCH thứ nhất và quang trục của n lệch i chút ít

so v i BCH thứ nhất

Nếu hai BCH này ho t ng c lập th ức x laser phát ra của từng BCH Q - thấp hoặc Q - cao ều là các xung laser dài cỡ ns (h nh 1.11) Tuy

nhi n hi hai BCH này c ng ho t ng ồng thời và sử dụng chung m t m i trường ho t chất th giữa chúng c s c nh tranh năng lượng tích trữ trong

m i trường ho t chất, do vậy ho t ng của laser c BCH Q - cao chiếm hầu hết h năng huếch i (gain) trong m i trường ho t chất Do s phát laser (BCH Q - thấp) ch cho phép phát m t xung ngắn ở l i ra

Hình 1.7 Cấu hình của BCH quenching

Phư ng pháp phát xung laser ngắn từ BCH quenching là n gi n Chúng ta c thể iểm soát ược r ng của xung laser l i ra từ BCH Q - thấp ằng việc h ng chế các th ng s ho t ng của laser như phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH, th ng s BCH Q - cao, th ng s m cũng như nồng của chất màu Đây là ưu iểm của phư ng pháp BCH quenching Mỗi m t lo i phân tử màu laser ược ặc trưng ởi m t phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang Phổ ức x laser của các phân tử màu ược gi i h n trong miền phổ huỳnh quang Tuy nhi n ặc iểm nổi ật của m i trường laser màu hữu

c là m i trường mở r ng ồng nhất Xác xuất dịch chuyển hấp thụ hay phát x giữa các mức S0 - S1 là xác ịnh, phổ hấp thụ và phổ phát x là những ăng r ng, cỡ hàng chục ến hàng trăm (nm) Tuy nhi n, những nghi n cứu

R 3

Laser ra từ BCH Q - cao Laser ps từ BCH Q - thấp

BCH Q - cao BCH Q - thấp

LASER BƠM (Nd:YAG)

trư c ây cho ho t ng của laser n i chung và laser màu n i ri ng c BCH quenching chủ yếu d a tr n hệ phư ng tr nh t c m t quá tr nh ng học của laser t i m t tần s do h ng thể ph n ánh ược toàn ng học của laser màu c BCH quenching Do vậy trong các nghi n cứu về ng học phổ của laser màu c BCH quenching chúng ta h ng thể ch nghi n cứu ho t

ng của laser t i m t tần s , mà chúng ta ph i xét ến s nh hưởng qua l i

và s c nh tranh giữa các tần s trong phổ ăng r ng H n nữa vai trò và nh hưởng của các th ng s hác nhau như thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH, mức m, nồng của chất màu, và các th ng s của BCH l n việc phát xung ngắn cũng như phổ laser tích phân chưa ược nghi n cứu

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong chư ng này, t i ã tr nh ày m t cách tổng quan phân tử laser màu về các mặt: cấu trúc h a học, cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học, quang phổ của phân tử màu; và t i cũng ã t m hiểu hai phư ng pháp phát xung laser: phư ng pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ và phư ng pháp uồng c ng hưởng dập tắt Cavity Quenching Trong , t i

tr nh ày cụ thể n i dung phư ng pháp chọn lọc thời gian phổ (STS) về mặt

n i dung phư ng pháp và các h năng phát xung laser ngắn STS Còn phư ng pháp dập tắt uồng c ng hưởng Cavity Quenching, ch n u n i dung phư ng pháp còn ặc iểm và tính chất của laser ược tr nh ày ở chư ng sau

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LASER MÀU BCH QUENCHING

Trong chư ng này, chúng t i nghi n cứu ng học ( ặc iệt là ng học phổ) của laser màu tr ng thái rắn (PM567 Polyme) c BCH quenching ược m ằng laser Nd:YAG ư c s ng 532 nm, r ng xung 5ns d a tr n

tr nh t c cho laser phân tử màu trong dung dịch cũng như trong nền rắn ã ược sử dụng

Hình 2.1 Cấu hình của BCH quenching

S ích thích quang học là dọc theo trục của BCH và gi sử là ồng nhất Th ng lượng ức x trong BCH t i m t thời iểm nào ược m t

LASER BƠM (Nd:YAG)

Phần thể tích ho t chất d ng chung

ằng trung nh của hai th ng lượng  ( )x lan truyền theo hai hư ng ngược nhau

Gi sử rằng tổng s phân tử tr n các mức năng lượng ở thời iểm ất ỳ

lu n lu n ằng tổng s phân tử an ầu trong mẫu, tức là:

 là thời gian s ng của phân tử ở mức ích thích (s) [4]

S thay ổi mật th ng lượng phổ  ( )x

trong h ng gian của m i trường huếch i ược m t ởi phư ng tr nh

sau m t chu tr nh i l i trong BCH là

  , và s thay ổi t c m c thể ỏ qua trong ho ng thời gian

T Thay (2.7) vào (2.6) và lấy gần úng ậc nhất ta ược

Nếu c những mất mát phi phân tử trong BCH, ta c thể thay vào (2.8)

s h ng tổng quát l() c chứa -ln(R1R2), h() c chứa -ln(R2 R3 ) và khi

V i gi thiết m i trường huếch i ược m ồng nhất theo thể tích

Từ (2.2) và (2.9) ta sẽ viết các phư ng tr nh cho các giá trị trung nh (theo

thể tích) của tích luỹ và th ng lư ng  Ta ịnh nghĩa

1 0

phư ng tr nh cho tích luỹ N1

ược xây d ng tr n m h nh laser màu ho t ng tr n hai mức r ng và ã tính

ến các quá tr nh phát x t ng, phát x cưỡng ức, s tái hấp thụ ức x

laser Hệ phư ng tr nh này c thể mở r ng cho tất c các ư c s ng ược

quan tâm tr n ăng phổ phát x laser và cho phép m t các quá tr nh phổ -

thời gian x y ra trong phát x laser màu ăng r ng c BCH quenching

1 1

Để n gi n việc tính toán và th ng nhất cách iểu diễn sau này ta thay dấu tích phân ằng dấu tổng, thay th ng lượng  ằng i lượng tỷ lệ cường

I Bổ sung i lượng AiN1 vào (2.15) ể tính ến s ng g p của phát x

t phát cho quá tr nh laser Giá trị của Ai ít ị nh hưởng v i các ư c s ng hác nhau, n n c thể lấy như nhau cho mọi ư c s ng [4] Khi hệ phư ng trình (2.14), (2.15) trở thành

(2.16)

Trong :

Il,i : cường laser t i ư c s ng i từ BCH Q - thấp;

Ih,i : cường laser laser ra t i ư c s ng i từ BCH Q - cao;

R1, R2, R3 là các hệ s ph n x gư ng tư ng ứng

P(t) là t c m (s-1), c d ng Gaussian v i r ng 5ns;

Ll và Lh là chiều dài của BCH Q - thấp và Q - cao;

l là chiều dài của m i trường huếch i;

a là chiều cao và chiều r ng của m i trường ho t chất

M i quan hệ giữa Ll và Lh ược thể hiện ở trong c ng thức ;

 là thời gian s ng huỳnh quang của chất màu;

l và h là thời gian s ng của photon trong BCH Q - thấp và Q - cao

)

I P

t

N

hi li n

ei o

, 1 , ,

t

I

i l

i i l

i a i

, 1 , ,

t

I

i h

i h i h h i

a i

e i

2.1.2 Đặc trưng phát của laser màu ung ngắn c BCH quenching 2.1.2.1 Ảnh hưởng của phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH

Vai trò của s c nh tranh năng lượng tích trữ trong m i trường ho t chất

x y ra ở phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH (H nh 1.8) c vai trò quyết ịnh ến việc phát xung laser ngắn từ BCH Q - thấp Chúng t i h o sát s thay ổi của phần thể tích ho t chất d ng chung V giữa hai BCH Q - thấp và Q - cao thông qua góc  giữa hai trục của hai BCH Nhờ các tính toán h nh học, trong iều iện g c  ủ nhỏ (tang(/2)  a/Ll ), thì V có

Kết qu ch ra rằng v i m t iều iện nhất ịnh th chúng ta thấy rằng

g c t o ởi hai quang trục của BCH Q - thấp và BCH Q - cao nh hưởng rất

m nh l n phần thể tích ho t chất ược d ng chung giữa chúng ặc iệt i v i

hi ích thư c tiết diện nhỏ h n nhiều so v i chiều dài thanh ho t chất Vì vậy ho t ng của laser c BCH quenching ch c ý nghĩa hi mà g c giữa hai quang trục của BCH là nhỏ V vậy thay ằng việc nghi n cứu s nh

(2)

hưởng của phần thể tích ho t chất d ng chung giữa hai BCH l n phát x của laser màu xung ngắn th chúng ta c thể nghi n cứu việc phát xung ngắn từ BCH Q - thấp d a vào g c giữa hai quang trục của hai BCH

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của phần thể tích hoạt chất dùng

chung vào góc giữa hai BCH

S nh hưởng của g c giữa hai quang trục BCH Q - thấp và BCH Q - cao l n phát x laser ngắn từ BCH Q - thấp ược ch ra tr n h nh 1.1 : Kết

qu t ược ằng việc gi i hệ phư ng tr nh t c (2.16) cho PM

567 Polyme v i các th ng s (nồng chất màu N = 1 18

cm-3, l = 1cm; t c

m r = 1 , r ng xung m 5 ns, hệ s ph n x của gư ng R3 = 1; R1 =

R2 = 4) v i s thay ổi của g c từ 0

ến 30 Kết qu ch ra rằng nh hưởng của thể tích ho t chất d ng chung l n việc phát xung n từ BCH Q - thấp là rất l n Việc phát xung n ch c thể thu ược v i những g c nhỏ h n 2,60

lúc phần thể tích ho t chất d ng chung giữa chúng là l n hay là s nh hưởng l n nhau giữa hai BCH là l n, do s

ho t ng của laser BCH Q - cao chiếm áng ể h năng huếch i trong

m i trường ho t chất do vậy s phát laser từ BCH Q - thấp nhanh ch ng ị dập tắt, ch cho phép phát m t xung ngắn ở l i ra Đây là mục ích cu i c ng của ỹ thuật phát xung ngắn ằng phư ng phát BCH quenching Khi mà

chúng ta tăng  l n h n 2,60 th laser ra hỏi BCH Q - thấp h ng còn là chế

0

P r P

1

5000 7000 9000 11000

0 0.5