Báo cáo nghiên cứu khoa học: "Phát xung Picô giây hồng ngoại gần bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ" pptx

73
TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011

PHÁT XUNG PICÔ GIÂY HỒNG NGOẠI GẦN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ
Hoàng Hữu Hòa, ðại học Huế
Lê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế
ðỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam
TÓM TẮT
ðộng học phổ của laser hồng ngoại băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng
(BCH) ngắn có ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu với hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho
nhiều bước sóng. Các kết quả thu ñược cho thấy khả năng phát trực tiếp xung laser màu picô
giây hồng ngoại bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS).

1. Mở ñầu
Những laser phát xung cực ngắn trong vùng hồng ngoại gần là một nguồn kích
thích quan trọng trong quang phổ phân giải thời gian. Gần ñây, phép trộn tần số thường
ñược dùng ñể phát những xung laser ngắn trong vùng hồng ngoại gần khi sử dụng các
laser mode-lock. Tuy nhiên, năng lượng xung ra là rất thấp, không thể ứng dụng trực
tiếp trong nghiên cứu quang phổ và ñặc biệt là trong quang phổ phi tuyến. Hơn nữa, kỹ
thuật này ñòi hỏi phải có hai laser bơm ñắt tiền (một laser phát xung và một laser phát
liên tục).
Bằng phương pháp chọn lọc thời gian phổ là dựa trên cơ sở một tiến trình phổ
cực nhanh của laser màu băng rộng, buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, với
nguồn bơm nanô-giây có thể tạo ra ñược laser xung picô-giây trong miền hồng ngoại
gần.
2. Hệ phương trình tốc ñộ
ðể mô tả tiến trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng với
buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp, hệ phương trình tốc ñộ sau ñược sử dụng

khi có chú ý ñến sự khuếch ñại bão hòa, sự tái hấp thụ bức xạ laser của các phân tử [1]:
1
1
0
1
1
1
NINIP
t
N
n
i
iei
n
i
iai






+−






+=

∑∑
==
σ
τ
σ
∂
∂
(1)
( )
[ ]
101
2 NA
T
I
lNN
t
I
i
i
iaiei
i
+−−=
∂
ασσ
∂
(2)
N = N
1
+ N
0

(3)


74
trong ñó:
n
là số kênh bước sóng, chỉ số i = 1, 2, 3, ;
i
λ
là bước sóng thứ i;
i
I
là cường
ñộ laser tại bước sóng
i
λ
;
i
a
σ
và
i
e
σ
lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạ
cưỡng bức ở bước sóng
i
λ
;
0 1

,
N N
là ñộ tích luỹ phân tử ở trạng thái ñơn
0
S
và
1
S
;
τ

là thời gian sống huỳnh quang của phân tử màu;
P
là tốc ñộ bơm;
(
)
[
]
1
12
−
−+= cnlLT
c
là thời gian ánh sáng ñi một vòng trong BCH,
L
là chiều dài
BCH,
l
là chiều dài môi truờng hoạt chất,
c

là tốc ñộ ánh sáng,
c
n là chiết suất của
dung dịch màu. ðại lượng
1
i
A N
, ñặc trưng sự ñóng góp của phát xạ tự phát khởi phát
cho quá trình laser. Giá trị của
i
A
ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau,
10 2
10 .
i
A cm s
− −
= [2];
i
α
là ñộ mất mát trong một chu trình BCH ở bước sóng
i
λ
.
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 5 ns (FWHM), thông số bơm lý
thuyết r = P/P
ngưỡng
, trong ñó [4]:
P

ngưỡng
=
σσ
σ
σ
τ
+
+
e
a
1
với
2
LN
α
σ
= (4)
3. ðộng học phổ của laser màu băng rộng có buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm
chất thấp
Hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho 25 phương trình cường ñộ và một phương
trình cho ñộ tích lũy ở trạng
thái kích thích, bước tính phổ
1nm ñược nghiên cứu với
chất màu hồng ngoại Nile-
Blue (NB)/ethanol. Tính toán
trong trường hợp l = 1 cm, L
=1 cm, N = 1.10
18
cm
-3

, hệ số
phản xạ gương R
1
= R
2
=
0,04,
τ
= 0,75 ns [3]. Thông
số bơm lý thuyết r =17 lần
trên ngưỡng.
Kết quả tính toán về
ñộng học phổ và phổ laser
tức thời (tại những thời ñiểm
khác nhau) ñược biểu diễn
trên hình 1, hình 2 ñã cho ta
thấy cường ñộ bức xạ là một hàm của thời gian và bước sóng. Ban ñầu, phổ laser màu
có dạng băng rộng và nhanh chóng hẹp lại, trong khi cường ñộ cực ñại của phổ dịch
chuyển về phía sóng dài. Tiến trình phổ vẫn tiếp tục xu hướng như vậy ngay cả khi ñạt
ñến chế ñộ dao ñộng.
Hình 1. ðộng học phổ
của laser màu NB/ethanol, BCH 1 cm
5 6 7 8 9 10 11 12
712 nm
710 nm
708 nm
706 nm
705 nm
703 nm
Thêi gian (ns)

75

Hình 2. Phổ tức thời của laser màu NB/ethanol

Hình 3. Tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước sóng ñiển hình
Hình 3 trình bày tiến trình thời gian-phổ của laser màu NB/ethanol ở bảy bước
sóng khác nhau. Kết quả cho thấy sự tắt dần dao ñộng phụ thuộc rất mạnh vào bước
sóng. Tại phía sóng ngắn của phổ laser (704 - 708 nm) có sự dập tắt dao ñộng rất nhanh.
ðáng chú ý là ở bước sóng 704 nm (Spike ñầu tiên) có ñộ rộng xung là 80 ps (FWHM),
ñây là xung laser ñược quan tâm ñể tạo ra xung laser ngắn bằng phương pháp chọn lọc
702 704 706 708 710 712 714
0,0
0,5
1,0
1. t = 6.3 ns
2. t = 7.2 ns
3. t = 7.6 ns
4. t = 8.3 ns
5. t = 9.6 ns
C−êng ®é (chuÈn ho¸)
B−íc sãng (nm)
1

2

3

4

5



0.0
0.5
1.0
1312
11
10
9
8
7
6
5
712 nm
Thêi gian (ns)
711 nm

0.0
0.5
1.0
710 nm

709 nm

0.0
0.5

1.0
708 nm

706 nm

0.0
0.5
1.0
704 nm
80 ps

0.0
0.5
1.0
15
10
5
0
P(t)
N
1
(t)
C−êng ®é (chuÈn ho¸)






76

thời gian phổ. Cơ sở của phương pháp này là xây dựng một laser màu hồng ngoại với
ñiều kiện có ba bộ phận chính: thứ nhất là buồng cộng hưởng laser màu ngắn, ñộ phẩm
chất thấp ñể cung cấp một tiến trình phổ nhanh trong bức xạ laser. Thứ hai là có bộ lọc
phổ, chẳng hạn sử dụng một cách tử nhằm tạo ra xung laser ngắn nhờ phép lọc lựa phổ,
và thứ ba là bộ khuếch ñại laser màu ñể khuếch ñại các xung ngắn.
4. Kết luận
Một tiến trình phổ nhanh trong sự bức xạ laser màu hồng ngoại gần băng rộng
của một buồng cộng hưởng ngắn, ñộ phẩm chất thấp ñã ñược nghiên cứu ñể chứng tỏ
khả năng phát xung laser hồng ngoại gần picô-giây bằng phương pháp chọn lọc thời
gian-phổ. ðây là các kết có ý nghĩa và triển vọng trong việc ứng dụng vào lĩnh vực
quang phổ và ñặc biệt là trong lĩnh vực quang phi tuyến.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Juramy P. Flamant P., Meyer Y. H., Spectral properties of pulse dye lasers, IEEE J,
Quantum Electron, Vol. QE-13, 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]. Sorokin P. P., Lankark J. R., Moruzzi V. L, and Hammond E. C., Flashlamp pumped
organic dye lasers, J. Chem. Phys., Vol. 48, (1968), 4726-4741.

GENERATION OF NEAR INFRARED PICOSECOND DYE LASER PULSES
USING SPECTRO-TEMPORAL SELECTION
Hoang Huu Hoa, Hue University
Le Ngoc Minh, College of Sciences, Hue University
Do Quang Hoa, VietNam Academy of Science and Technology
SUMMARY
The spectral and temporal processes in broadband pulsed-laser emissions of near
infrared dyes generated from low quality and short laser cavities were investigated theoretically

with a rate equation model extended to a multiwavelength analysis. The results obtained show
the possibility of direct emission of an infrared picosecond dye laser pulses based on the
spectro-temporal selection (STS) method.