Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng và nồng độ chất màu lên phổ tích phân của laser màu băng rộng

31 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÀ NỒNG ðỘ CHẤT MÀU LấN PHỔ TÍCH PHÂN CỦA LASER MÀU BĂNG RỘNG Mai Xuõn Gia, Trường PTTH ðakrụng, Quảng Trị Nguyễn ðăng Thõn, Trường PTTH ðào Duy Từ, Quảng Bỡnh Lờ Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế ðỗ Quang Hũa, Viện Khoa học Cụng nghệ Việt Nam Hoàng Hữu Hũa, ðại học Huế TểM TẮT Tớnh chất phổ của laser màu băng rộng ủó ủược nghiờn cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm bởi hệ phương trỡnh tốc ủộ mở rộng cho nhiều bước súng. Cỏc kết quả thu ủược cho thấy, phổ laser tớch phõn của cỏc laser màu băng rộng khụng những phụ thuộc vào nồng ủộ chất màu mà cũn phụ thuộc vào chiều dài của buồng cộng hưởng. Cỏc kết quả này rất cú ý nghĩa trong việc ủiều chỉnh bước súng và mở rộng vựng bước súng hoạt ủộng trong phỏt xạ laser màu. 1. Mở ủầu Nghiờn cứu cỏc ủặc trưng quang phổ của laser màu băng rộng luụn ủược sự quan tõm của cỏc nhà khoa học, nhằm mang lại cỏc ứng dụng thiết thực trong lĩnh vực quang học-quang phổ. Do ủú, trờn cơ sở sử dụng hệ phương trỡnh tốc ủộ mở rộng cho một số tựy ý cỏc bước súng, chỳng tụi ủó nghiờn cứu sự ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng (BCH) và nồng ủộ phõn tử chất màu lờn phổ tớch phõn của laser màu xung băng rộng. Cỏc kết quả này rất cú ý nghĩa trong việc mở rộng vựng bước súng hoạt ủộng trong phỏt xạ laser màu. 2. Hệ phương trỡnh tốc ủộ ðể mụ tả quỏ trỡnh phổ-thời gian trong phỏt xạ laser màu xung băng rộng (mụ hỡnh hoạt ủộng laser màu hai mức rộng) chỳng tụi ủó sử dụng hệ phương trỡnh tốc ủộ sau, khi cú chỳ ý ủến sự khuếch ủại bóo hũa, sự tỏi hấp thụ bức xạ laser của cỏc phõn tử [1]: 1 1 0 1 1 1 NINIP t N n i iei n i iai       +−      += ∑∑ == σ τ σ ∂ ∂ (1) ( )[ ] 1012 NAT I lNN t I i i iaiei i +−−= ∂ ασσ ∂ (2) N = N1 + N0 (3) 32 trong ủú, n là số kờnh bước súng, chỉ số i = 1, 2, 3,...; iλ là bước súng thứ i; iI là cường ủộ laser tại bước súng iλ ; iaσ và ieσ lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phỏt xạ cưỡng bức ở bước súng iλ ; 0 1,N N là ủộ tớch lũy phõn tử ở trạng thỏi ủơn 0S và 1S ; τ là thời gian sống huỳnh quang của phõn tử màu; P là tốc ủộ bơm; ( )[ ] 112 −−+= cnlLT c là thời gian ỏnh sỏng ủi một vũng trong BCH, L là chiều dài BCH, l là chiều dài mụi trường hoạt chất, c là tốc ủộ ỏnh sỏng, cn là chiết suất của dung dịch màu. ðại lượng 1iA N , ủặc trưng sự ủúng gúp của phỏt xạ tự phỏt khởi phỏt cho quỏ trỡnh laser. Giỏ trị của iA ớt bị ảnh hưởng với cỏc bước súng khỏc nhau, 10 210 .iA cm s − −= [2]; iα là ủộ mất mỏt trong một chu trỡnh BCH ở bước súng iλ . Hệ phương trỡnh tốc ủộ ủược giải bằng phương phỏp số, sử dụng thuật toỏn Runge-Kutta bậc 4. Xung bơm cú dạng Gauss ủộ rộng 10 ns, với thụng số bơm lý thuyết r = P/Pngưỡng, trong ủú: Pngưỡng= σσ σσ τ + + e a1 với 2LN α σ = (4) 3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng lờn phổ tớch phõn của laser màu băng rộng Từ hệ phương trỡnh tốc ủộ mở rộng (1)-(3), chỳng tụi ủó tớnh toỏn, khảo sỏt ủiển hỡnh trờn hai chất màu cú phổ huỳnh quang nằm trong vựng hồng ngoại gần và vựng nhỡn thấy, ủú là chất màu Coumarine30 (C30) và Rhodamine6G (Rh6G). Hai chất màu này cú thời gian sống huỳnh quang của phõn tử lần lượt là 8nsτ = [5], ns5=τ [3, 4]. 3.1. Nghiờn cứu lý thuyết Giải hệ phương trỡnh tốc ủộ cho chất màu C30/ethanol và Rh6G/ethanol, với 25 phương trỡnh cho cường ủộ (25 bước súng tương ứng) phủ trờn toàn bộ miền phổ phỏt xạ của mỗi chất màu ở trờn, (bước tớnh phổ 1 nm) và một phương trỡnh cho ủộ tớch lũy N1 ở trạng thỏi kớch thớch. 3.1.1. Ảnh hưởng chiều dài BCH Khi giữ nguyờn chiều dài mụi trường hoạt chất, hệ số phản xạ gương và thụng số bơm, chỳng tụi ủó tớnh toỏn và khảo sỏt sự phụ thuộc phổ laser tớch phõn của laser màu C30/ethanol vào chiều dài của BCH. Hỡnh 1.a cho thấy rằng, khi tăng chiều dài BCH từ 1cm ủến 10cm, bước súng cực ủại của phổ laser tớch phõn dịch chuyển về phớa súng ngắn cỡ 1nm. ðiều này cú thể ủược giải thớch như sau: khi nồng ủộ và mức bơm vẫn giữ khụng ủổi, việc tăng chiều dài BCH sẽ làm tăng ngưỡng phỏt của laser. Do ủú, bước súng cú cường ủộ cực ủại của phổ laser tớch phõn cú xu hướng dịch chuyển về phớa súng ngắn. 33 Hỡnh 1a. Sự phụ thuộc phổ tớch phõn laser màu C30/ethanol vào chiều dài BCH BCH cú l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, N = 1.10 18 cm-3, r = 20 Cỏc tớnh toỏn trờn chất màu Rh6G/ethanol cũng cú kết quả tương tự (hỡnh 1b). Hỡnh 1b. Sự phụ thuộc phổ tớch phõn laser màu Rh6G/ethanol vào chiều dài BCH BCH cú l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, N = 1.10 18 cm-3 r = 20 3.1.2. Ảnh hưởng nồng ủộ chất màu Hỡnh 2a là cỏc kết quả tớnh toỏn về phổ tớch phõn của laser màu C30/ethanol ở cỏc nồng ủộ chất màu khỏc nhau. Kết quả cho thấy, khi thay ủổi nồng ủộ từ 1.1018 cm-3 ủến 5.1019 cm-3, bước súng cú cường ủộ cực ủại của phổ laser tớch phõn dịch chuyển về phớa súng dài một khoảng khỏ rộng cỡ 26 nm (từ 483 nm ủến 509 nm). ðiều này cho phộp phỏt laser màu C30/ethanol ở một vựng phổ bất kỳ trong khoảng trờn khi chọn nồng ủộ thớch hợp. 34 Hỡnh 2a. Sự phụ thuộc phổ tớch phõn laser màu C30/ethanol vào nồng ủộ. BCH 10 cm, l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, r = 20, nồng ủộ thay ủổi từ 1.10 18 cm-3 ủến 5.1019 cm-3, xung bơm dạng Gauss ủộ rộng 10 ns Chỳng tụi cũng tiến hành nghiờn cứu tương tự với dung dịch chất màu laser Rh6G/ethanol. Kết quả ủược chỉ ra trờn hỡnh 2b. Hỡnh 2b. Sự phụ thuộc phổ tớch phõn laser màu Rh6G/ethanol vào nồng ủộ. BCH 10 cm, l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, r = 20, nồng ủộ thay ủổi từ 1.10 18 cm-3 ủến 5.1019 cm-3, xung bơm dạng Gauss ủộ rộng 10 ns 3.2. Nghiờn cứu thực nghiệm ðể nghiờn cứu phổ laser tớch phõn trong phỏt xạ laser màu xung băng rộng, chỳng tụi sử dụng BCH laser màu cú chiều dài 10 cm, hai gương phẳng R1, R2 cú hệ số phản xạ 100% và 25% (trong vựng phổ nhỡn thấy), ở giữa ủặt một cuvột ủựng dung dịch 35 màu cú kớch thước 1 cm ì 1 cm ì 4 cm. BCH ủược bơm ngang bởi một laser khớ nitơ phỏt ở bước súng 337,1 nm, ủộ rộng xung cỡ 5 ns, hoạt ủộng ở ủiện ỏp 12 KV, ỏp suất khớ 40 Torr, tốc ủộ lưu chuyển khớ 5l/phỳt, cụng suất xung 70 KW, tần số 10 Hz. Phổ laser tớch phõn theo thời gian của C30/ethanol và Rh6G/ethanol, ủược ghi trực tiếp bằng mỏy quang phổ DFS 8.2 trờn phim ủen trắng (Trung Quốc) cú ủộ nhạy 100ASA. Cỏc kết quả thu ủược cho thấy: Khi tăng nồng ủộ chất màu, cỏc bước súng cực ủại của phổ laser tớch phõn dịch chuyển về phớa súng dài. ðiều này hoàn toàn phự hợp với tớnh toỏn lý thuyết mà chỳng tụi ủó thu ủược. Hỡnh 3. Cỏc phổ tớch phõn của cỏc laser màu C30; Rh6G theo nồng ủộ khỏc nhau (chiều tăng nồng ủộ từ trờn xuống dưới). a) Laser C30/ethanol khi tăng nồng ủộ từ 0,5 ủến 6.10-3 M/l. b) Laser Rh6G/ethanol khi tăng nồng ủộ từ 0,5 ủến 4,1.10-3 M/l. 4. Kết luận Trờn cơ sở hệ phương trỡnh vi phõn mở rộng cho một số tựy ý cỏc bước súng, chỳng tụi ủó nghiờn cứu và khảo sỏt về sự ảnh hưởng của chiều dài BCH và nồng ủộ trờn hai chất màu cú phổ huỳnh quang nằm trong vựng tử ngoại và vựng nhỡn thấy, ủú là C30/ethanol và Rh6G/ethanol lờn phổ laser tớch phõn. Cỏc kết quả cho thấy, vai trũ của nồng ủộ chất màu cú ảnh hưởng khỏ mạnh lờn phổ laser tớch phõn và ủó ủược kiểm chứng bằng thực nghiệm. ðiều này rất cú ý nghĩa trong việc mở rộng vựng bước súng hoạt ủộng của laser màu cũng như chọn lọc cỏc bước súng thớch hợp. 36 TÀI 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.