Báo cáo nghiên cứu khoa học: "Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng và nồng độ chất màu lên phổ tích phân của laser màu băng rộng" pot

31
TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÀ NỒNG ðỘ
CHẤT MÀU LÊN PHỔ TÍCH PHÂN CỦA LASER MÀU BĂNG RỘNG
Mai Xuân Gia, Trường PTTH ðakrông, Quảng Trị
Nguyễn ðăng Thân, Trường PTTH ðào Duy Từ, Quảng Bình
Lê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế
ðỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam
Hoàng Hữu Hòa, ðại học Huế
TÓM TẮT
Tính chất phổ của laser màu băng rộng ñã ñược nghiên cứu bằng lý thuyết và thực
nghiệm bởi hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho nhiều bước sóng. Các kết quả thu ñược cho
thấy, phổ laser tích phân của các laser màu băng rộng không những phụ thuộc vào nồng ñộ
chất màu mà còn phụ thuộc vào chiều dài của buồng cộng hưởng. Các kết quả này rất có ý
nghĩa trong việc ñiều chỉnh bước sóng và mở rộng vùng bước sóng hoạt ñộng trong phát xạ
laser màu.

1. Mở ñầu
Nghiên cứu các ñặc trưng quang phổ của laser màu băng rộng luôn ñược sự quan
tâm của các nhà khoa học, nhằm mang lại các ứng dụng thiết thực trong lĩnh vực quang
học-quang phổ. Do ñó, trên cơ sở sử dụng hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho một số
tùy ý các bước sóng, chúng tôi ñã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng
hưởng (BCH) và nồng ñộ phân tử chất màu lên phổ tích phân của laser màu xung băng
rộng. Các kết quả này rất có ý nghĩa trong việc mở rộng vùng bước sóng hoạt ñộng
trong phát xạ laser màu.
2. Hệ phương trình tốc ñộ
ðể mô tả quá trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng (mô
hình hoạt ñộng laser màu hai mức rộng) chúng tôi ñã sử dụng hệ phương trình tốc ñộ

sau, 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)


32
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 lũy 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 trường 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 10 ns, với thông số bơm lý
thuyết r = P/P

ngưỡng
, trong ñó:
P
ngưỡng
=
σσ
σ
σ
τ
+
+
e
a
1
với
2
LN
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 là
8
ns
τ
=
[5], ns

5
=
τ
[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
N
1
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.



33

Hình 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 1.10
18
cm
-3

ñến 5.10
19
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.





34

Hình 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 R
1
, R
2
có hệ số
phản xạ 100% và 25% (trong vùng phổ nhìn thấy), ở giữa ñặt một cuvét ñựng dung dịch




35
màu 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.



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.