Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ kết hợp hiệu ứng quenchinh trong laser màu chọn lọc thời gian phổ luận văn thạc sỹ vật lý

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

VINH , 2011
1


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN...........5
1.1. Phân tử laser màu.......................................................................................5
1.1.1. Cấu trúc hoá học của chất màu................................................................5
1.1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học..............................6
1.1.3. Quang phổ của phân tử màu...................................................................9
1.2. Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS)..................................................11
1.2.1. Lý thuyết của phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto Tempora
Selection).........................................................................................................11
1.2.2. Các khả năng hoạt động khác của laser picô giây STS.........................13
1.2.2.1. Khả năng điều chỉnh bước sóng và phát các xung pico giây trên vùng
phổ 380nm-860nm..........................................................................................13
1.2.2.2. Khả năng phát các xung STS ngắn nhất.............................................14

1.2.3. Phát các xung picô-giây có độ rộng phổ giới hạn.................................15
1.3. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity Quenching).................15
KẾT LUẬN CHƯƠNG I................................................................................17
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LASER MÀU BCH QUENCHING.................18
2.1. Lý thuyết laser màu có BCH quenching..................................................18
2.1.1. Hệ phương trình tốc độ..........................................................................18
2.1.2. Đặc trưng phát xạ của laser màu xung ngắn có BCH quenching..........23
2.1.2.1. Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH.. .23
2.1.2.2. Ảnh hưởng của mức bơm..................................................................25
2.1.2.3. Ảnh hưởng của các thông số BCH Q - cao lên phát xạ của laser từ
BCH Quenching..............................................................................................27
2.1.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ phân tử màu................................................30
2.2. Khảo sát phổ của phát xạ laser màu xung ngắn có BCH Quenching.......31
2


2.2.2 Ảnh hưởng của mức bơm lên phổ laser tích phân..................................32
2.2.3 Ảnh hưởng của thông số BCH Q - cao lên phổ laser tích phân.............33
2.2.3.1 Ảnh hưởng của hệ sớ phản xạ gương.................................................33
2.2.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài BCH.........................................................34
2.2.4 Ảnh hưởng của nồng đợ chất màu lên phổ laser tích phân...........................35
2.3. Động học phổ của laser màu xung ngắn có BCH quenching..................36
KẾT LUẬN CHƯƠNG II...............................................................................40
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KẾT HỢP HIỆU ỨNG QUENCHING CHO
LASER MÀU CHỌN LỌC THỜI GIAN PHỔ..............................................41
3.1. Kết quả lý thuyết:....................................................................................41
3.2. Kết quả thực nghiệm................................................................................42
3.2.1. Cấu hình thực nghiệm...........................................................................42
3.2.2. Một số kết quả thực nghiệm..................................................................44
3.2.2.1. Độ rộng phổ laser và khả năng điều chỉnh bước sóng:......................44

3.2.2.2. Năng lượng laser Quenching STS......................................................45
3.2.2.3. Khả năng phát đơn xung QC – STS trên toàn miền bước sóng................46
KẾT LUẬN CHƯƠNG III..............................................................................49
KẾT LUẬN CHUNG......................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................51

3


MỞ ĐẦU
Hơn nửa thế kỉ sau khi laser ra đời, chúng ta vẫn đang chứng kiến một
sự tiến triển sôi động trong lĩnh vực khoa học công nghệ và ứng dụng laser,
khơng chỉ trong thực nghiệm mà cịn cả trong lí thuyết, khơng chỉ trong các
ngành khoa học cơ bản mà cịn trong khoa học ứng dụng. Ngồi những ứng
dụng laser trong các lĩnh vực khoa học khác nhau, phạm vi sử dụng của laser
cũng hết sức đa dạng. Từ khi ra đời đến nay, các thiết bị laser đã là yếu tớ
quyết định cho những tiến bợ có tính cách mạng trong quang học, quang phổ
và có thể nói chúng đã đưa vào lĩnh vực này một sự cách tân gần như hoàn
toàn.
Trước hết, ứng dụng khoa học quan trọng nhất của các laser xung cực
ngắn là quang phổ phân giải thời gian. Các xung laser điều chỉnh được bước
sóng ở phạm vi rộng cho phép thực hiện các nghiên cứu phân giải thời gian và
phân giải động học phân tử. Hiện nay, nhờ khả năng có thể phát xung có thời
gian ngắn hơn thời gian làm lệch pha đồng đều nhiều hệ nên các hiện tượng
kết hợp được nghiên cứu thường xuyên. Khả năng ứng dụng phân giải thời
gian cao trong đời thường còn được diễn ra ở các lĩnh vực thơng tin và xử lí
tín hiệu quang tốc độ bit siêu cao, điện tử tốc độ cao và xử lí ảnh cổng thời
gian. Ngồi ra, khả năng tách chiết một cách kết hợp trong một thời gian rất
ngắn mợt lượng năng lượng cao được tích trữ trong các hệ khuêchs đại đã tạo
ra các thế hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất rất cao, lên tới vài chục têta

oát. Chúng được ứng dụng nhiều trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa
photon và để phát ra các chùm tia X cực chói.
Có nhiều phương pháp phát xung cực ngắn khác nhau đã được nghiên
cứu và phát triển hơn năm thập kỉ qua. Tuy nhiên, mỗi phương pháp lại có
những nhược điểm riêng cần khắc phục.
Với phương pháp laser chọn lọc thời gian phổ (STS – spectro temporal
selection) ta có thể thu được xung laser ngắn với hệ số nén xung cao, nhưng
nhược điểm của nó lại là chỉ thu được xung ngắn, trong một vùng phổ hẹp.
4


Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity quenching) là mợt
phương pháp đơn giản, chúng ta có thể kiểm sốt được độ rộng của xung laser
lối ra từ buồng cộng hưởng Q- thấp bằng việc khống chế các thông số hoạt
động của laser. Với phương pháp này người ta có thể thu được các xung laser
ngắn trên một miền phổ rộng hàng chục nm.
Vì vậy chúng tôi đặt ra vấn đề “Phát xung laser ngắn, băng hẹp nhờ
kết hợp hiệu ứng Quenching trong laser màu chọn lọc thời gian phổ” để có
thể thu được xung laser ngắn, băng hẹp, có công suất ổn định và có thể điều
chỉnh liên tục bước sóng trên một miền phổ rộng.
Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương:
Chương I: Tổng quan về laser màu phát xung ngắn
Trong chương này, tôi đã trình bày một cách tổng quan về phân tử laser
màu: cấu trúc hóa học, cấu trúc năng lượng, quang phổ của phân tử màu;
phương pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ và phương pháp buồng
cộng hưởng dập tắt Cavity Quenching.
Chương II: Lý thuyết laser màu có BCH Quengching
Xây dựng hệ phương trình tốc độ. Qua đó, tìm hiểu sự phụ thuộc của
đặc trưng phát xạ, phổ phát xạ của laser màu xung ngắn có BCH Quenching
vào các yếu tớ như : phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH; mức

bơm; các thông số của BCH Q – cao; hệ số phản xạ gương; chiều dài BCH;
nồng độ chất màu…
Chương III: Nghiên cứu kết hợp hiệu ứng Quenching trong laser màu
chọn lọc thời gian phổ
Nghiên cứu và đưa ra cấu hình thực nghiệm kết hợp hiệu ứng
Quenching cho laser màu chọn lọc thời gian phổ. Các đặc trưng về năng
lượng, phổ và thời gian của các loại laser này được trình bày.

5


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

Hình1.1. Cấu trúc phân tử P5Ac (C24 H35O2N2BF2); P10Ac (C29 H45O2N2BF2)
Phân tử màu được chia thành các hợp chất ion và trung hồ, nó có tính
chất vật lý và hố học khác nhau. Các chất màu dạng trung hoà điển hình như
Butadiene CH2 = CH – CH = CH 2 và các hợp chất thơm như Pyrene,
Perylene…
Phân tử màu dùng cho laser là các phân tử hữu cơ đa nguyên tử rất
phức tạp, trong phân tử chứa các liên kết đơn () và liên kết đôi liên hợp (),
6


hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy. Cấu
trúc của chúng đặc trưng bởi các nguyên tử C, N, O, S, F, H,…, các nguyên tử
này sắp xếp theo cấu trúc mà khung của phân tử là các nguyên tử C, N, O, S
nằm trên một mặt phẳng. Điện tử  xen kẽ với liên kết đơn - điện tử , điện tử

 nằm trên các liên kết đôi C - C hoặc trên các điện tử liên kết C - N, C O… Điện tử  trong liên kết liên hợp không định xứ, nó có thể di chuyển trên
tồn bợ mạch của phân tử, giải tỏa đều trên toàn khung phân tử. Vì vậy, các
phân tử hữu cơ nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngồi. Để kích thích các điện
tử  yêu cầu cần ít năng lượng hơn so với điện tử . Sự khác nhau này cho
phép các điện tử  dễ dàng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích luỹ. Cấu trúc hố
học của các phân tử màu là tổ hợp của các vòng Bezen (C 6H6), vòng Pyridine
(C5H5N), vòng pzine (C4H4N2) hoặc vòng piron (C4H5N). Những vòng này có
thể nối trực tiếp với nhau hoặc qua một ngun tử trung hồ C, N, hoặc mợt
nhánh thẳng gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH = CH (polien) hình 1.1.
1.1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học
Các phân tử màu có rất nhiều trạng thái là các tổ hợp phức tạp các trạng
thái điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay, dẫn đến tạo ra các vùng
năng lượng. Do vậy không thể xác định chính xác các mức năng lượng của
chất màu. Các chuyển dời chủ yếu trong các phân tử màu được thể hiện trên
hình 1.2.
Trong đó các mũi tên liền nét biểu thị các chuyển dời quang học, các
mũi tên không liền nét biểu thị các chuyển dời không bức xạ, S 0, S1, S2….là
các trạng thái đơn điện tử (Singlet), và các trạng thái điện tử bội ba (triplet) là
T1, T2, tương ứng với sớ lượng tử spin tồn phần S = 0 và S = 1. Thông
thường, khoảng cách giữa các mức dao động là 1400 - 1700 cm -1 còn khoảng
cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai bậc nên phổ hầu như liên tục giữa các
mức quay. Do va chạm liên kết nội phân tử và tương tác tĩnh điện với phân tử
lân cận trong dung môi mà vạch dao động được mở rộng. Các mức quay thì
7


luôn mở rộng do va chạm nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt đợ phịng sẽ cho
các phổ băng rợng.

S2

T2
nrps

S1

nrns

Hấp thụ

T1

Huỳnh quang

S0

nhs
Lân Quang
Hình1.2. Cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dời
quang học của phân tử màu

nhiệt đợ phịng, khi chưa bị kích thích, các phân tử màu chủ yếu ở trạng thái
cơ bản S00 theo phân bố Boltzmann. Sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích, các
phân tử màu chuyển từ trạng thái cơ bản S 0 lên các trạng thái đơn kích thích
S1, S2. Do xác suất dịch chuyển S0 - S1 lớn nên sau khi kích thích quang học,
các phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S 1, cụ thể là dịch chuyển lên
các trạng thái kích thích dao đợng S 1. Q trình này tương ứng với sự tạo
thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu, ở trạng thái này sự khử kích
hoạt của các phân tử màu diễn ra theo nhiều cách.

8


 Sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử từ các trạng thái S 1 về
trạng thái S10 trong thời gian rất ngắn cỡ 10-12s. Trạng thái S10 có thời gian
sống tương đối dài (10-9 - 10-8s) và từ đây các phân tử chuyển xuống trạng
thái cơ bản: S1  S0. Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ
huỳnh quang băng rộng của phân tử màu.
 Bức xạ laser được hình thành như sau: Thực tế, ở nhiệt đợ phịng các mức
S1 là trớng do sự phân bố của các phân tử tuân theo phân bố Boltzmann,
khi cường độ bơm đủ mạnh thì độ tích luỹ phân tử trên S 10 lớn hơn ở các
mức S0, mơi trường là nghịch đảo đợ tích luỹ. Do vậy, chỉ cần nghịch đảo
mật đợ tích luỹ khơng quá lớn trên mức S10 cũng đủ để phát laser nhờ các
dịch chuyển S10  S0. Do vậy ta thấy rằng vùng phổ của laser màu chỉ có
thể nằm trong vùng phổ huỳnh quang của phân tử màu.
Từ mức S1 phân tử cũng có thể thực hiện các quá trình chuyển dời khác
như quá trình hấp thụ S1  S2, các dịch chuyển nội không bức xạ giữa các
trạng thái không cùng bội: S - T gọi là sự dịch chuyển do tương tác chéo nhau
trong nội hệ. Trạng thái bội ba T 1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống  cỡ
10-6 - 10-5s) nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích, sự tương tác của
nó với S1 sẽ ảnh hưởng bất lợi cho các hoạt động laser màu vì.
 Sự chuyển dời của phân tử từ trạng thái đơn S 1 đến trạng thái Triplet T1 sẽ
làm giảm đợ tích luỹ của trạng thái laser trên.
 Các phân tử trên mức T 10 có thể hấp thụ bức xạ bơm hoặc bức xạ laser dẫn
đến tăng mất mát năng lượng do hấp thụ Triplet - Triplet. Khi kích thích
bằng nguồn laser xung có thời gian xung nhỏ hơn 20 ns thì dịch chuyển
Singlet - Triplet có thể bỏ qua.
Do vậy ta có thể xem laser màu hoạt động theo sơ đồ bốn mức năng lượng
như sau.
Mức 1: Là mức cơ bản S00

Mức 2: Là mức laser dưới gồm các mức dao động S0
Mức 3: Là mức laser trên S10
9


Mức 4: Là mức kích thích gồm các mức dao đợng S1
S1

p

e

0

S0

Hình 1.3: Sơ đồ laser phân tử màu với hai mức năng lượng rộng
Trong đó mức 1 và mức 2 nằm ở trạng thái điện tử S0, mức 3 và mức 4
nằm ở trạng thái điện tử kích thích đơn S1. Từ những lý do đó mà chúng ta có
thể nói rằng laser màu hoạt động trên hai mức rộng là mức điện tử đơn S 0 và
mức điện tử kích thích đơn S1.
1.1.3. Quang phổ của phân tử màu
Các phân tử màu có phổ hấp thụ trải từ vùng tử ngoại gần đến hồng
ngoại gần. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các phân tử màu là phổ băng
rợng (cỡ 30nm - 100nm), ít cấu trúc và không trùng lặp. Trên hình 1.4 đưa ra
phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Pyrromethene 567 trong nền rắn.
Phổ hấp thụ băng rộng ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S 0
lên các mức dao động của trạng thái đơn kích thích S1. Sự hấp thụ ứng với
dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái bội ba là bị cấm về spin.
Sự dịch chuyển của phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock - Lumen,

nghĩa là tồn bợ phổ huỳnh quang và cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng
dài so với tồn bợ phổ hấp thụ và cực đại của nó. Đường cong của phổ hấp
thụ giảm nhanh ở phía sóng dài và giảm chậm ở phía sóng ngắn. Ngược lại,
10


đường cong của phổ huỳnh quang giảm nhanh ở phía sóng ngắn, giảm chậm ở
phía sóng dài. Với thơng lượng bức xạ nhỏ hơn 10 26 photon .cm-2.s-1 các phổ
hấp thụ và phát xạ của phân tử màu có thể được coi là mở rộng đồng nhất.
Huỳnh quang của các phân tử màu được đặc trưng bởi hai đại lượng đó
là thời gian tắt huỳnh quang và hiệu suất quang lượng tử. Phát xạ huỳnh
quang của phân tử màu có thời gian tắt dần 1  10ns. Hiệu suất huỳnh quang
N

e
lượng tử được định nghĩa là   N trong đó Ne là số photon phát xạ và N a là
a

số photon hấp thụ. Các phân tử màu có hiệu suất huỳnh quang lượng tử khá
cao  ~1.
Error: Reference source not found

Hình 1.4. Cấu trúc phân tử và phổ huỳnh quang và hấp thụ của
pyrromethene 567 [1]

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)
Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm cỡ nano giây là
phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto–Temporal–Selection). Phương

pháp STS dựa trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu băng
Cường độ (a.u.)

rộng.

Việc nghiên cứu tiến trình phổ được phát ra từ một BCH ngắn Q - thấp
cho thấy, tại thời điểm ban đầu phổ laser rất rộng, ngay sau đó, một sự làm
hẹp phổ rất nhanh xảy ra và cực đại phổ phát xạ chuyển về phía sóng dài.
Điều này có nghĩa là có sự dập tắt dao đợng rất nhanh ở về phía sóng ngắn
của phổ laser. Nếu lọc lựa một băng phổ hẹp ở phía sóng ngắn của phát xạ
laser băng rợng sẽ thu được một xung laser ngắn. Với kỹ thuật nén xung này
ta thu được xung laser ngắn với hệ số nén xung cỡ 102 lần.
5

565
10
Thời gian (ns)

11
15

555

560
Bước sóng (nm)


Hình 1.5. Tiến trình phổ trong phát xạ laser màu của PM 567/polymer
BCH L = 5cm; l = 1cm; R = R2 = 0.1; N = 5x1017cm-3; r = 10[3]
Tuy nhiên phương pháp phát xung ngắn bằng kỹ thuật STS vẫn còn tồn

tại nhược điểm là chúng ta chỉ thu được xung ngắn ở trong một vùng phổ hẹp.
nanosecond
Nd :YAG laser
(2  ) 532 nm
20 Hz

M2
Tunable
90 ps

DS
S
Lo

M1

M3
L2

M0
L2

M 1’

G

L

Hình 1.6. Sơ đồ một laser màu picô-giây STS
Về mặt kỹ thuật, việc xây dựng các laser cuvet màu băng rộng là rất

đơn giản so với các laser micro cavity. Hơn nữa, khả năng phát các xung <
100 ps với sự chọn lọc thời gian phổ đã được chứng tỏ. Do vậy, laser màu
cuvet được sử dụng phổ biến trong việc phát triển các laser pico giây bằng
phương pháp lọc lựa thời gian phổ STS.
Một laser phát xung ngắn pico giây STS bao gồm ba phần:
Một là buồng cộng hưởng laser màu băng rộng độ dài ngắn và Q thấp
để tạo ra một sự quét phổ rất nhanh trong phát xạ laser băng rộng. Đơn giản
12


nhất, buồng cộng hưởng này có thể là một cuvet 1cm chứa dung dịch chất
màu laser. Các đặc điểm về động học phổ của nó đã được nghiên cứu chi tiết
ở trên.
Hai là thiết bị lọc phổ để chọn các xung ngắn ở vùng phổ phía sóng
ngắn của phát xạ laser băng rộng cu-vét. Thiết bị lọc phổ này đơn giản chỉ là
mợt cách tử nhỏ (>1200 vạch/mm, kích thước 2x2cm).
Ba là bộ tiền khuếch đại quang học sử dụng chất màu. Sau khi lọc được
xung ngắn, năng lượng của nó rất yếu (10nJ) do vậy một bộ tiền khuếch đại
có khả năng khuếch đại lớn là cần thiết để khuếch đại các xung ngắn này. Ở
đây, chúng ta có thể sử dụng một bộ tiền khuếch đại với 6 lần truyền qua để
đạt được hệ số khuếch 104 với các chất màu Rhodamine.
Bộ tiền khuếch đại 6 lần truyền qua bao gồm một cu-vét màu dày 1mm
chứa dung dịch chất màu lưu chuyển. Môi trường khuếch đại là gương nhơm
(phản xạ 99%, kích thước 1x1 cm). Chú ý là bộ tiền khuếch đại được hoạt
động ở chế độ bão hịa đới với các lần trùn ći, do vậy nó vừa cho một khả
năng khuếch đại cao và độ ổn định cao cho cường độ xung laser.
Ba phần của một thiết bị laser STS – pico giây có thể được kết cấu (trên
diện tích 35x30cm) chùm laser từ buồng cợng hưởng cu-vét được chuẩn trực
bởi thấu kính L1 (tiêu cự 10 cm) và đưa đến bợ lọc ngồi buồng cợng hưởng
là cách tử (2100 vạch/mm). Chùm sau khi được lọc phổ (xung ngắn) được

đưa vào bộ khuếch đại MPA (6-pass Pre-amplifier).
1.2.2. Các khả năng hoạt động khác của laser picô giây STS
1.2.2.1. Khả năng điều chỉnh bước sóng và phát các xung pico giây trên
vùng phổ 380nm-860nm
Đối với mỗi dung dịch chất màu laser và ở điều kiện bơm thích hợp,
laser STS pico giây có thể được điều chỉnh bước sóng laser trong vùng 30A 0
mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ dài xung pico-giây. Việc điều chỉnh
bước sóng trên khoảng phổ rộng có thể thu được nhờ kết hợp đồng thời cả
việc thay đổi chất màu và nồng đợ. Lí do bắt nguồn từ hiệu ứng dịch chuyển
13


tần số của một phổ laser băng rộng khi thay đổi nồng độ chất màu. Với các
chất màu rhodamine được bơm bằng tử ngoại, chúng ta có thể điều chỉnh
trong vùng phổ 200A0.
Hiện nay có hàng trăm (khoảng 250) chất màu laser đang được sử
dụng, chúng cho phép phát các bức xạ laser trong khoảng 330nm – 1300 nm.
Mặt khác, động học phổ laser màu xung băng rộng là khá giống nhau cho các
chất màu phát ở vùng tử ngoại, nhìn thấy hay hồng ngoại. Đặc biệt, người ta
luôn luôn quan sát thấy một quá trình quét phổ nhanh trong phát xạ laser màu
băng rộng của laser có buồng cộng hưởng ngắn và độ phẩm chất Q thấp. Điều
này đã cho phép sử dụng phương pháp chọn lọc thời gian phổ STS để phát
các xung laser picô-giây ở các bước sóng khác nhau trên vùng phổ tử ngoại
gần, nhìn thấy và hồng ngoại gần.
Độ rộng phổ của laser màu picô-giây STS là 0.4nm (FWHM). Độ phân
kỳ của chùm laser khá tốt (1 mrad) do hiệu ứng lọc không gian 6 lần đi qua
môi trường tiền khuếch đại. Năng lượng xung phụ thuộc vào dung dịch chất
màu laser, đối với các dung dịch chất màu Rhodamine (cho các xung laser
trên dải phổ 550 nm – 650nm) năng lượng thường cỡ15 -20  J. Các xung này
dễ dàng được khuếch đại tới năng lượng cao nhờ sử dụng các tầng khuếch đại

bên ngoài.
Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy sự bất ổn định
về cường độ và độ dài xung picô-giây STS bắt nguồn từ cấu trúc spike (do
mode beating) của các xung bơm. Điều này gây nên một sự bất ổn định 10%
và 12% về độ dài xung và cường độ. Đối với các xung bơm mịn như được
phát từ các laser bơm đơn mode hay siêu bức xạ, các bất ổn định này thấp hơn
tương ứng là 8% và 10%.
1.2.2.2. Khả năng phát các xung STS ngắn nhất
Để thu được những xung ngắn hơn (<10 ps) chúng ta có thể sử dụng 2
tầng laser STS. Tầng đầu cho phép biến đổi các xung nanô-giây thành các
xung <100ps. Tầng thứ hai, một laser màu microcavity được sử dụng và nó
14


được bơm bằng các xung <100ps của tầng đầu. Do có tồn tại các xung ngắn ở
phần sóng ngắn của phổ laser nên việc sử dụng phương pháp chọn lọc thời
gian phổ ở tầng thứ hai sẽ cho ta thu được các xung ngắn <10ps.
Ví dụ, khi sử dụng mợt cách tử Littrow nhỏ (1200 vạch/mm) để lựa
chọn một dải hẹp ở bước sóng 568nm và 566nm của các phổ laser tương ứng
với các buồng cộng hưởng rhodamine 6G có độ dài 250 m và 100 m , ta có
thể thu được các xung ngắn 6ps và 2,7ps tương ứng. Các giá trị độ dài xung
này tương ứng với các hệ số nén xung là 17 và 35 so với xung bơm 100ps
(lớn hơn một bậc thời gian sống của phôtn trong buồng cộng hưởng). Nếu để
ý đến độ dài xung bơm sơ cấp ban đầu là 8ns (bơm cho tầng đầu), thì hệ số
nén xung cuối cùng thu được là 1500 lần và 3000 tương ứng. Đây là các xung
STS ngắn nhất đã thu được nhờ sử dụng phương pháp STS trong bớ trí hai
tầng). [2].
1.2.3. Phát các xung picô-giây có độ rộng phổ giới hạn
Các xung picô-giây có độ rộng phổ giới hạn có thể được phát từ một
laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS) nhờ sử dụng bợ lọc mới ngồi buồng

cợng hưởng. Bợ lọc được xây dựng trên mợt cách tử góc là, bớ trí trong một
cấu hình đường dẫn chậm tán sắc. Nó đồng thời có một khả năng lọc phổ cao
và khả năng khử sự kéo dài thời gian xung.[6]
Phương pháp chọn lọc thời gian phổ STS là một phương pháp đơn giản,
thuần túy quang học, khơng địi hỏi mợt yếu tớ quang học đặc biệt nào. Nó
cho phép phát các xung laser màu picô-giây ở các bước sóng khác nhau trong
vùng phổ từ tử ngoại đến hồng ngoại gần với một nguồn laser bơm nano-giây.
Các laser picô-giây STS có thể được kết cấu chặt chẽ với kích thước nhỏ gọn
như mợt thiết bị nén xung picô-giây đi kèm với các laser nano-giây.
1.3. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity Quenching)
Kỹ thuật BCH quenching tạo ra xung laser ngắn ps từ laser bơm với độ
rộng xung cỡ ns, và được sử dụng đầu tiên cho laser màu. Trong cấu hình của
một laser màu có BCH quenching bơm ngang ở hình 1.10. Môi trường hoạt
15


chất là những dung dịch chất màu được chứa trong cuvette thạch anh có kích
thước 1 cm  1 cm  3 cm. Người ta tạo ra hai BCH laser khác nhau nhưng
cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. BCH thứ nhất có độ phẩm
chất thấp được tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai thành cuvette làm hai
gương phản xạ. BCH thứ hai có độ phẩm chất cao được tạo nên bằng việc sử
dụng gương có hệ số phản xạ cao làm gương sau và một thành cuvette, BCH
Q- cao có chiều dài lớn hơn BCH thứ nhất và quang trục của nó lệch đi chút ít
so với BCH thứ nhất.
Nếu hai BCH này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của từng
BCH Q - thấp hoặc Q - cao đều là các xung laser dài cỡ ns (hình 1.11). Tuy
nhiên khi hai BCH này cùng hoạt động đồng thời và sử dụng chung một môi
trường hoạt chất thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích trữ trong
mơi trường hoạt chất, do vậy hoạt động của laser có BCH Q - cao chiếm hầu
hết khả năng khuếch đại (gain) trong môi trường hoạt chất. Do đó sự phát

laser (BCH Q - thấp) chỉ cho phép phát một xung ngắn ở lối ra.
LASER BƠM (Nd:YAG)

R2 Laser ra từ BCH Q - cao

R1
R3

Laser ps từ BCH Q - thấp

BCH Q - thấp

BCH Q - cao

Hình 1.7. Cấu hình của BCH quenching

16


Phương pháp phát xung laser ngắn từ BCH quenching là đơn giản.
Chúng ta có thể kiểm sốt được đợ rợng của xung laser lối ra từ BCH Q - thấp
bằng việc khống chế các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt
chất dùng chung giữa hai BCH, thông số BCH Q - cao, thông số bơm cũng
như nồng độ của chất màu. Đây là ưu điểm của phương pháp BCH quenching.
Mỗi một loại phân tử màu laser được đặc trưng bởi một phổ hấp thụ và phổ
huỳnh quang. Phổ bức xạ laser của các phân tử màu được giới hạn trong miền
phổ huỳnh quang. Tuy nhiên đặc điểm nổi bật của môi trường laser màu hữu
cơ đó là môi trường mở rộng đồng nhất. Xác xuất dịch chuyển hấp thụ hay
phát xạ giữa các mức S0 - S1 là xác định, phổ hấp thụ và phổ phát xạ là những
băng rộng, cỡ hàng chục đến hàng trăm (nm). Tuy nhiên, những nghiên cứu

trước đây cho hoạt động của laser nói chung và laser màu nói riêng có BCH
quenching chủ yếu dựa trên hệ phương trình tốc độ mô tả quá trình động học
của laser tại một tần sớ do đó khơng thể phản ánh được tồn bợ động học của
laser màu có BCH quenching. Do vậy trong các nghiên cứu về động học phổ
của laser màu có BCH quenching chúng ta không thể chỉ nghiên cứu hoạt
động của laser tại một tần số, mà chúng ta phải xét đến sự ảnh hưởng qua lại
và sự cạnh tranh giữa các tần số trong phổ băng rộng. Hơn nữa vai trị và ảnh
hưởng của các thơng sớ khác nhau như thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai
BCH, mức bơm, nồng độ của chất màu, và các thông số của BCH lên việc
phát xung ngắn cũng như phổ laser tích phân chưa được nghiên cứu.
KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Trong chương này, tôi đã trình bày một cách tổng quan phân tử laser
màu về các mặt: cấu trúc hóa học, cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển
quang học, quang phổ của phân tử màu; và tôi cũng đã tìm hiểu hai phương
pháp phát xung laser: phương pháp phát laser màu chọn lọc thời gian phổ và
phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt Cavity Quenching. Trong đó, tôi
trình bày cụ thể nội dung phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS) về mặt
17


nội dung phương pháp và các khả năng phát xung laser ngắn STS. Cịn
phương pháp dập tắt buồng cợng hưởng Cavity Quenching, chỉ nêu nợi dung
phương pháp cịn đặc điểm và tính chất của laser được trình bày ở chương
sau.

18


CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LASER MÀU BCH QUENCHING
Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu động học (đặc biệt là động

học phổ) của laser màu trạng thái rắn (PM567/ Polyme) có BCH quenching
được bơm bằng laser Nd:YAG bước sóng 532 nm, độ rộng xung 5ns dựa trên
hệ phương trình tốc độ mở rộng cho tất cả các bước sóng.
2.1. Lý thuyết laser màu có BCH quenching
2.1.1. Hệ phương trình tớc đợ
Các nghiên cứu lý thuyết về đặc trưng phổ, tiến trình phổ của các laser
phân tử màu trong dung dịch cũng như trong nền rắn sử dụng phương pháp
truyền thống là dựa vào hệ phương trình tốc độ. Chúng tôi xây dựng hệ
phương trình tốc độ cho laser màu có BCH quenching trên cơ sở hệ phương
trình tốc độ cho laser phân tử màu trong dung dịch cũng như trong nền rắn đã
được sử dụng .

LASER BƠM (Nd:YAG)

Laser ra BCH Q - cao
R3

R1

R2
Laser ra BCH Q - thấp

Dung dịch chất màu

Phần thể tích hoạt
chất dùng chung

BCH Q - thấp

BCH Q - cao

Hình 2.1. Cấu hình của BCH quenching
Sự kích thích quang học là dọc theo trục của BCH và giả sử là đồng
nhất. Thông lượng bức xạ trong BCH tại một thời điểm nào đó được mô tả
19


bằng trung bình của hai thông lượng ( x) lan truyền theo hai hướng ngược
nhau.
Giả sử rằng tổng số phân tử trên các mức năng lượng ở thời điểm bất kỳ
luôn luôn bằng tổng số phân tử ban đầu trong mẫu, tức là:
N(x)=N1(x)+N0(x)

(2.1)

Sự thay đổi đợ tích luỹ N 1(x) của trạng thái kích thích tại toạ đợ x theo
thời gian được mô tả bởi phương trình:


N1 ( x) 
 p   a ( )(l ( x)  h ( x))d  N 0 ( x) 
t
0



1 

(2.2)
   e ( )(l ( x)  h ( x))d  N1 ( x)

 0


Trong phương trình trên

l ( x) l ( x)  l ( x)

h ( x ) h ( x)  h ( x)
P là tốc độ bơm (s-1)
a() và e() tương ứng là tiết diện ngang hấp thụ và tiết diện ngang của phát
xạ cưỡng bức [cm2].
 là thời gian sống của phân tử ở mức kích thích (s) [4]
Sự thay đổi mật đợ thơng lượng phổ ( x) trong không gian của môi
trường khuếch đại được mô tả bởi phương trình.

dl( x)
 ( x, )l( x)
dx

(2.3)

dh( x)
 ( x, )h( x)
dx
với  ( x, ) là hệ số khuếch đại, được xác định theo biểu thức
 ( x, )  e ( ) N1 ( x)   a ( ) N 0 ( x)

(2.4)

Mật độ thông lượng ( x) sau một chu trình đi lại trong BCH là

 l

 ( x, t  Tl )  ( x, t ) R1 R2 exp  2  ( x, ) dx 
 0


l


l

20

(2.5)