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

Trên cơ sở sử dụng hệ phương trình tốc độ mở rộng cho một số tùy ý các bước sóng, các tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng và nồng độ 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 động trong phát xạ laser màu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng và nồng độ chất màu lên phổ tích phân của laser màu băng rộngTẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÀ NỒNG ðỘCHẤT MÀU LÊN PHỔ TÍCH PHÂN CỦA LASER MÀU BĂNG RỘNGMai Xuân Gia, Trường PTTH ðakrông, Quảng TrịNguyễn ðăng Thân, Trường PTTH ðào Duy Từ, Quảng BìnhLê Ngọc Minh, Trường ðại học Khoa học, ðại học Huếðỗ Quang Hòa, Viện Khoa học Công nghệ Việt NamHoàng Hữu Hòa, ðại học HuếTÓM TẮTTính chất phổ của laser màu băng rộng ñã ñược nghiên cứu bằng lý thuyết và thựcnghiệm bởi hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho nhiều bước sóng. Các kết quả thu ñược chothấy, phổ laser tích phân của các laser màu băng rộng không những phụ thuộc vào nồng ñộchất màu mà còn phụ thuộc vào chiều dài của buồng cộng hưởng. Các kết quả này rất có ýnghĩa trong việc ñiều chỉnh bước sóng và mở rộng vùng bước sóng hoạt ñộng trong phát xạlaser màu.1. Mở ñầuNghiên cứu các ñặc trưng quang phổ của laser màu băng rộng luôn ñược sự quantâm của các nhà khoa học, nhằm mang lại các ứng dụng thiết thực trong lĩnh vực quanghọc-quang phổ. Do ñó, trên cơ sở sử dụng hệ phương trình tốc ñộ mở rộng cho một sốtùy ý các bước sóng, chúng tôi ñã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài buồng cộnghưởng (BCH) và nồng ñộ phân tử chất màu lên phổ tích phân của laser màu xung băngrộng. Các kết quả này rất có ý nghĩa trong việc mở rộng vùng bước sóng hoạt ñộngtrong phát xạ laser màu.2. Hệ phương trình tốc ñộðể mô tả quá trình phổ-thời gian trong phát xạ laser màu xung băng rộng (môhình hoạt ñộng laser màu hai mức rộng) chúng tôi ñã sử dụng hệ phương trình tốc ñộsau, khi có chú ý ñến sự khuếch ñại bão hòa, sự tái hấp thụ bức xạ laser của các phân tử[1]:n1 n∂N 1 =  P + ∑ σ ai I i  N 0 −  + ∑ σ ei I i  N 1∂ti =1τ i =1(1)∂I iI= [2 (σ ei N 1 − σ ai N 0 )l − α i ] i + Ai N 1∂tT(2)N = N1 + N0(3)31trong ñó, n là số kênh bước sóng, chỉ số i = 1, 2, 3,...; λi là bước sóng thứ i; I i là cườngñộ laser tại bước sóng λi ; σ ai và σ ei lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện phát xạcưỡng bức ở bước sóng λi ; N 0 , N1 là ñộ tích lũy phân tử ở trạng thái ñơn S0 và S1 ; τlà thời gian sống huỳnh quang của phân tử màu; P là tốc ñộ bơm;T = 2[L + l (nc − 1)]c −1 là thời gian ánh sáng ñi một vòng trong BCH, L là chiều dàiBCH, l là chiều dài môi trường hoạt chất, c là tốc ñộ ánh sáng, nc là chiết suất củadung dịch màu. ðại lượng Ai N1 , ñặc trưng sự ñóng góp của phát xạ tự phát khởi phátcho quá trình laser. Giá trị của Ai ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau,Ai = 10 −10 cm.s −2 [2]; α i là ñộ mất mát trong một chu trình BCH ở bước sóng λi .Hệ phương trình tốc ñộ ñược giải bằng phương pháp số, sử dụng thuật toánRunge-Kutta bậc 4. Xung bơm có dạng Gauss ñộ rộng 10 ns, với thông số bơm lýthuyết r = P/Pngưỡng, trong ñó:Pngưỡng=1 σa +σαvới σ =2LNτ σe +σ(4)3. Các yếu tố ảnh hưởng lên phổ tích phân của laser màu băng rộngTừ hệ phương trình tốc ñộ mở rộng (1)-(3), chúng tôi ñã tính toán, khảo sát ñiểnhình trên hai chất màu có phổ huỳnh quang nằm trong vùng hồng ngoại gần và vùngnhìn thấy, ñó là chất màu Coumarine30 (C30) và Rhodamine6G (Rh6G). Hai chất màunày có thời gian sống huỳnh quang của phân tử lần lượt là τ = 8ns [5], τ = 5ns [3, 4].3.1. Nghiên cứu lý thuyếtGiải hệ phương trình tốc ñộ cho chất màu C30/ethanol và Rh6G/ethanol, với 25phương trình cho cường ñộ (25 bước sóng tương ứng) phủ trên toàn bộ miền phổ phátxạ của mỗi chất màu ở trên, (bước tính phổ 1 nm) và một phương trình cho ñộ tích lũyN1 ở trạng thái kích thích.3.1.1. Ảnh hưởng chiều dài BCHKhi giữ nguyên chiều dài môi trường hoạt chất, hệ số phản xạ gương và thông sốbơm, chúng tôi ñã tính toán và khảo sát sự phụ thuộc phổ laser tích phân của laser màuC30/ethanol vào chiều dài của BCH. Hình 1.a cho thấy rằng, khi tăng chiều dài BCH từ1cm ñến 10cm, bước sóng cực ñại của phổ laser tích phân dịch chuyển về phía sóngngắn cỡ 1nm. ðiều này có thể ñược giải thích như sau: khi nồng ñộ và mức bơm vẫngiữ không ñổi, việc tăng chiều dài BCH sẽ làm tăng ngưỡng phát của laser. Do ñó, bướcsóng có cường ñộ cực ñại của phổ laser tích phân có xu hướng dịch chuyển về phía sóngngắn.32Hình 1a. Sự phụ thuộc phổ tích phân laser màu C30/ethanol vào chiều dài BCHBCH có l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, N = 1.1018 cm-3, r = 20Các 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 BCHBCH có l =1 cm, R1 = R2 = 0,04, N = 1.1018 cm-3 r = 203.1.2. Ảnh hưởng nồng ñộ chất màuHình 2a là các kết quả tính toán về phổ tích phân của laser màu C30/ethanol ởcác nồng ñộ chất màu khác nhau. Kết quả cho thấy, khi thay ñổi nồng ñộ từ 1.1018 cm-3ñến 5.1019 cm-3, bước sóng có cường ñộ cực ñại của phổ laser tích phân dịch chuyển vềphía sóng dài một khoảng khá rộng cỡ 26 nm (từ 483 nm ñến 509 nm). ðiều này chophép phát laser màu C30/ethanol ...