Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/13123
Title: Nanosecond-Pumped Resonance Raman Random lasing from Micro-/Nano-granular Materials toward Chemical Detection from Distance
Other Titles: การกระตุ้นสัญญาณเรโชแนนซ์รามานเลเซอร์แบบสุ่มจากสารขนาด ไมโคร-/นาโนเมตรด้วยเลเซอร์ห้วงสั้นระดับนาโนวินาที เพื่อการตรวจวัดสารเคมีจากระยะไกล
Authors: Chalongrat Daengngam
Panuwat Srisamran
Faculty of Science (Physics)
คณะวิทยาศาสตร์ ภาควิชาฟิสิกส์
Keywords: Raman spectroscopy;Chemicals Safety measures
Issue Date: 2019
Publisher: Prince of Songkla University
Abstract: For security purpose, there is an increasing demand of techniques capable of detecting and identifying trace amount of explosive or dangerous chemicals from a safe distance. A laser-based standoff Raman detection is one of the promising spectroscopic techniques that affords quick detection of targeted molecules with high specificity. However, conventional Raman detection is primarily based on weak spontaneous emission, which undermines the vitality of such technique to perform at remote distance. Therefore, this research studied a new type of much stronger Raman generation process, called Raman random lasing (RRL), in which the optical amplification of Raman signal can be achieved. The RRL process requires stimulated Raman scattering (SRS) as a gain mechanism, and relies on multiple scattering in powder medium to supply optical feedback inside the gain medium. In principle, Raman lasing differs from conventional laser as it requires ultrashort excitation to create population inversion on a virtual state rather than a real electronic state. Thus, a nanosecond UV laser at wavelength 355 nm, and pulse duration 10 ns was used as a pump to excite RRL. Barium nitrate powder with high gain coefficient was chosen as a disordered Raman-active medium with Raman peaks similar to those of many explosive compounds. The RRL was excited near electronic resonance condition to achieve higher Stokes signal for SRS process. The behavior of resonant Raman scattering signal at pump pulse intensity, ranging from 0.12 to 21.30 MW/cm2, showed nonlinear response resulting from the competition between absorption loss and SRS gain mechanisms in the excited medium. The RRL threshold can be founded for a loosely- packed powder sample at pump intensity around 18 MW/cm2, where the SRS gain surpasses loss. The efficiency of the RRL signal at the highest pump intensity of 21.30 MW/cm2 is 4.25 x 104, which is much higher than conventional Raman efficiency of typically 10%. It was found that the RRL power grows within the gain radius, comparable to the laser pump spot size of 2 mm. The sample region outside gain radius absorbed RRL energy, causing high loss. Furthermore, sample packing structure played an important role for RRL generation. The coherent backscattering measurement results show that the pump beam energy can penetrate longer into a loosely-packed sample with lower absorption loss, when compared with a closely-packed sample. The finite different time domain run in COMSOL Multiphysics was also used to investigate energy penetration and storing inside a random medium. The simulation results also support that a low density sample allows higher pump pulse energy to propagate inward. On the contrary, a denser sample can provide greater multiple scattering to prolong light energy confinement inside the random medium. As such, it should exist an optimum particles density which gives a balance between pump energy penetration and degree of multiple scattering. Lastly, it was demonstrated that the RRL for a loosely-packed sample was efficient as the Raman spectrum can be detected at standoff distance using a CCD camera.
Abstract(Thai): เทคนิคการตรวจวัดและระบุชนิดของสารประกอบระเบิดหรือสารเคมีอันตรายที่มี ปริมาณน้อยจากระยะไกลเป็นที่ต้องการเพื่อเหตุผลด้านความปลอดภัย วิธีการตรวจวัดสัญญาณรา มานจากระยะไกลโดยการกระตุ้นด้วยเลเซอร์เป็นหนึ่งในเทคนิคทางสเปกโตสโกปีที่มีประสิทธิภาพสูง สําหรับการระบุชนิดของโมเลกุลของเป้าหมายได้อย่างรวดเร็วและมีความแม่นยํา อย่างไรก็ตามการ ตรวจวัดสัญญาณรามานส่วนใหญ่นั้นอาศัยกลไกการแปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (spontaneous emission) ซึ่งมีความเข้มของสัญญาณที่น้อยจึงยากต่อการตรวจวัดจากระยะไกล ในการวิจัยครั้งนี้จึง ศึกษาการเปล่งสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่ม (random Raman lasing) ซึ่งสามารถใช้เป็นวิธีการ ขยายสัญญาณรามานได้ การเปล่งสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่มจําเป็นต้องอาศัยการขยายสัญญาณ ด้วยการกระเจิงสัญญาณรามานแบบกระตุ้น (stimulated Raman scattering) เพื่อใช้เป็นกลไกการ เพิ่มพลังงานแสง และอาศัยการสะท้อนหลายครั้ง (multiple scattering) ของสัญญาณรามานจากใน สารตัวอย่างที่มีลักษณะเป็นผง เพื่อป้อนกลับแสงรามานในสารตัวอย่างโดยหลักการแล้วนั้น กระบวนการรามานเลเซอร์มีความแตกต่างกับเลเซอร์แบบทั่วไป โดยกระบวนการรามานเลเซอร์ ต้องการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ห้วงสั้นเพื่อให้เกิดจํานวนอิเล็กตรอนแบบผันกลับ (population inversion) ในระดับชั้นพลังงานสมมติ ดังนั้นในงานวิจัยชิ้นนี้จึงเลือกศึกษากระบวนการดังกล่าวโดย การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ห้วงสั้นที่มีช่วงเวลาในระดับ 10 นาโนวินาทีและความยาวคลื่น 355 นาโน เมตร และเลือกใช้แบเรียมไนเตรต (barium nitrate) ในรูปผงเพื่อเป็นสารตัวอย่าง เนื่องจากมีค่า สัมประสิทธิ์การขยายสัญญาณรามานสูงและมีโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ อีกทั้งสัญญาณรามานของ สารดังกล่าวยังมีความคล้ายคลึงกับสารประกอบระเบิดหลายชนิด กระบวนการเปล่งแสงรามาน เลเซอร์แบบสุ่มได้ถูกกระตุ้นในย่านเรโซแนนซ์ เพื่อเพิ่มความเข้มของสัญญาณรามานแบบ Stokes สําหรับเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดรามานเลเซอร์แบบสุ่ม พฤติกรรมของสัญญาณเรโซแนนซ์รามานที่ กระเจิงภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ที่ความเข้มต่าง ๆ จาก 0.12 ถึง 21.30 เมกกะวัตต์ต่อตาราง เซนติเมตร แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากการแข่งขันระหว่างกระบวนการ สูญเสียสัญญาณจากการดูดกลืนและการขยายสัญญาณจากการกระเจิงสัญญาณรามานแบบกระตุ้น ค่าขีดเริ่มของสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่มสามารถพบได้ในตัวอย่างสารที่มีโครงสร้างแบบหลวมที่ ความเข้มของเลเซอร์กระตุ้น 18 เมกกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นความเข้มที่ทําให้กระบวนการ ขยายสัญญาณมีค่ามากกว่ากระบวนการดูดกลืนสัญญาณ ประสิทธิภาพของการเปล่งสัญญาณรามาน เลเซอร์แบบสุ่มจากแสงกระตุ้นที่ความเข้ม 21.30 เมกกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรมีค่าเท่ากับ 4.25 x 104 ซึ่งมากกว่าการเปล่งสัญญาณรามานแบบปกติที่อยู่ในระดับ 10 ความเข้มของการเปล่งสัญญาณ รามานเลเซอร์แบบสุ่มมีค่าเพิ่มขึ้นตามรัศมีของการขยายสัญญาณซึ่งสามารถประมาณได้จากขนาด ของเลเซอร์กระตุ้น (ประมาณ 2 มิลลิเมตรในการศึกษาครั้งนี้) สัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่มที่แพร่ ออกนอกรัศมีของการขยายสัญญาณจะสูญเสียพลังงานเนื่องจากการดูดกลืน นอกจากนี้โครงสร้าง ภายในของตัวอย่างมีผลอย่างมีนัยสําคัญต่อกระบวนการเปล่งสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่ม ผลของ การวัดการกระเจิงกลับแบบอาพันธ์ (coherent backscattering) ที่สอดคล้องกันแสดงให้เห็นว่า เลเซอร์กระตุ้นเดินทางในโครงสร้างตัวอย่างแบบหลวมได้ไกลกว่าและมีการดูดกลืนสัญญาณน้อยกว่า เมื่อเทียบกับโครงสร้างตัวอย่างแบบอัดแน่น การจําลองโดยอาศัยโปรแกรม COMSOL Multiphysics ผลการ แสดงให้เห็นถึงการเดินทางและการกักเก็บพลังงานแสงในสารตัวอย่างที่มีโครงสร้างแบบสุ่ม จําลองแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์กระตุ้นสามารถเดินทางเข้าในโครงสร้างตัวอย่างที่หลวมได้มากกว่า แต่ โครงสร้างตัวอย่างที่แน่นกว่าสามารถกักเก็บพลังงานแสงได้ดีกว่า ดังนั้นโครงสร้างของตัวอย่างที่ สามารถสนับสนุนการเกิดสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่มได้ดีที่สุดต้องมีความสมดุลระหว่างปริมาณ ของแสงที่เดินทางเข้าในโครงสร้างและความสามารถในการกักพลังงานแสงไว้ในระดับที่นานเพียงพอ ในส่วนสุดท้ายงานวิจัยชิ้นนี้ได้สาธิตการตรวจวัดสัญญาณรามานเลเซอร์แบบสุ่มจากโครงสร้างตัวอย่าง แบบหลวมด้วยกล้อง CCD จากระยะไกล
Description: Thesis (M.Sc., Physics)--Prince of Songkla University, 2019
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/13123
Appears in Collections:332 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
437367.pdf4.44 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons