Trờng đại học vinh Khoa vật lý === === CAO TH THANH TM MộT Số TíNH CHấT PHổ CủA LASER MàU Có BUồNG CộNG hởng dập tắt KHO LUN TT NGHIP I HC CHUYấN NGNH: QUANG HC QUANG PH Vinh, 2011 2 Trờng đại học vinh Khoa vật lý === === MộT Số TíNH CHấT PHổ CủA LASER MàU Có BUồNG CộNG hởng dập tắt KHO LUN TT NGHIP I HC CHUYấN NGNH: QUANG HC QUANG PH Cán bộ hớng dẫn: TS. Đoàn Hoài sơn Sinh viên thực hiện: cao thị thanh tâm Lớp: 48B - Lý Vinh, 2011 4 LỜI CẢM ƠN! Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý Đại học Vinh, nơi có bề dày truyền thống hơn 50 năm xây dựng và trưởng thành. Tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các Thầy giáo, Cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận tâm và có trách nhiệm của các Thầy, Cô giáo… đặc biệt là Thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn. Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu đáo cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất. Xin cảm ơn tập thể lớp 48B - Vật lý đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập. Và cuối cùng, tôi xin gửi cảm ơn tới gia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù tôi đã cố gắng hết sức song do năng lực bản thân còn hạn chế nên bản luận văn này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và góp ý của quý Thầy cô và các bạn để bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 05 năm 2011 Tác giả CAO THỊ THANH TÂM 6 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mở đầu 2 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG DẬP TẮT 5 I. Chất màu laser I.1. Cấu trúc hoá học của chất màu I.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học I.3. Quang phổ của phân tử màu 5 5 7 10 II. Laser màu phát xung ngắn sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt 12 Kết luận chương 1 14 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ TÍNH CHẤT PHỔ CỦA LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG DẬP TẮT 15 1. Hệ phương trình tốc độ cho laser màu phát xung ngắn có BCH dập tắt 16 2. Một số tính chất phổ động học của laser màu phát xung ngắn có BCH dập tắt 2.1. Ảnh hưởng của phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH lên phổ laser tích phân 2.2. Ảnh hưởng của mức bơm lên phổ laser tích phân 2.3. Ảnh hưởng của thông số BCH Q - cao lên phổ laser tích phân 2.3.1. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương. 2.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài BCH. 2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ laser tích phân 21 22 23 24 24 24 25 3. Tiến trình phổ cuả laser màu xung ngắn có BCH dập tắt 26 Kết luận chương 2: 31 Kết luận chung : 32 Tài liệu tham khảo 33 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation BCH: buồng cộng hưởng BCH Q – cao: buồng cộng hưởng Quenching – cao BCH Q - thấp: buồng cộng hưởng Quenching - thấp PM567: Pyrromethene 567 8 MỞ ĐẦU Sự ra đời của Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một trong những thành tựu khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ XX. Trong những năm gần đây, khoa học – công nghệ laser đã phát triển mạnh mẽ và đạt những thành tựu có ảnh hưởng to lớn trực tiếp lên các lĩnh vực khác nhau trong khoa học, công nghệ và đời sống xã hội. Ngày nay, những thành tựu của Vật lý, công nghệ Laser và Quang học phi tuyến đã cho phép phát các xung laser cực ngắn trên toàn miền phổ (vùng cực tím, khả kiến và hồng ngoại). Trong đó Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ được pha những dung môi thích hợp, với nhiều ưu điểm là có thể phát xung ngắn, công suất cao, dải phổ rộng, đặc biệt là khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ rộng từ vùng hồng ngoại gần đến vùng tử ngoại gần nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật. Những năm gần đây, laser màu xung ngắn đã và đang được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian các quá trình vật lý, hóa học, sinh học như: Kiểm soát các phản ứng hóa học nhờ sử dụng các xung cực nhanh thích hợp; Khảo sát tương tác giữa vật chất và ánh sáng; Kích thích các nguyên tử và phân tử; Trong các hiệu ứng quang phi tuyến laser màu xung ngắn còn là nguồn sáng lý tưởng cho các nghiên cứu động học, các quá trình và các hiện tượng xảy ra cực nhanh. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu Vật lý laser nói chung hay laser màu xung ngắn nói riêng được tiến hành ở các phòng thí nghiệm Quang học quang phổ ở các Viện nghiên cứu và một số trường Đại học. Người ta đã quan tâm đến một số phương pháp phát xung ngắn picô-giây (ps), có tính khả thi cao như: 9 phương pháp Mode-locking, laser màu phản hồi phân bố (DFDL), phương pháp lọc lựa thời gian phổ (sts), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (BCH - quenching)… Tuy nhiên, với mỗi một phương pháp người ta có thể thu được các loại xung laser ngắn với những ưu, nhược điểm khác nhau. Trong luận văn này chúng tôi tìm hiểu một số tính chất phổ của loại Laser phát xung ngắn nhờ sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity - QC) hay còn gọi là Laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt (BCH - Quenching). Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là dựa trên sự cạnh tranh năng lượng tích trữ trong môi trường hoạt chất giữa hai BCH của hai laser cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. Đây là phương pháp có cấu hình đơn giản, có thể phát xung ngắn trên một dải phổ rộng và do đó có thể điều chỉnh liên tục bước sóng. Mặt khác nhờ những thành tựu về khoa học – công nghệ Vật liệu, các vật liệu màu rắn, chất màu mới với những đặc tính ưu việt và thuận tiện đã giúp cho cấu hình của hệ laser này càng trở nên đơn giản, gọn nhẹ và việc chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng các hệ laser màu ngày càng có tính khả thi cao trong điều kiện ở nước ta. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài “Một số tính chất phổ của Laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt” gồm các vấn đề sau: - Tìm hiểu và nguyên cứu tổng quan về vật lý và công nghệ các chất màu hữu cơ, về cấu hình laser của các laser màu phát xung ngắn, trong đó đặc biệt chú ý đến laser màu BCH dập tắt. - Tìm hiểu hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng mô tả động học phát xung laser màu có BCH dập tắt trên toàn miền phổ rộng. - Tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết một số tính chất của phổ laser màu có BCH dập tắt. Đây là nội dung chính của bản luận văn. 10 . TÍNH CHẤT PHỔ CỦA LASER MÀU PHÁT XUNG NGẮN CÓ BUỒNG CỘNG HƯỞNG DẬP TẮT 15 1. Hệ phương trình tốc độ cho laser màu phát xung ngắn có BCH dập tắt 16 2. Một số. thuyết một số tính chất của phổ laser màu có BCH dập tắt. Đây là nội dung chính của bản luận văn. 10 Cấu trúc của bản luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận,