Luận văn nghiên cứu tương tác raman kết hợp trong môi trường khí được chứa bởi sợi quang tử lõi rỗng

MỞ ĐẦU Khi truyền qua môi trường vật chất, ánh sáng hoạt động theo chế khác nhau, phụ thuộc vào tính chất ánh sáng mơi trường Ánh sáng bị hấp thụ, truyền qua, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, biến điệu v.v Tán xạ chia làm hai loại tán xạ đàn hồi tán xạ phi tuyến: Tán xạ đàn hồi hay gọi tán xạ Rayleigh, tán xạ khơng có chuyển hóa lượng ánh sáng vật chất, dẫn đến khơng có dịch chuyển tần số sóng kích thích ωs = ω0 (trong ω0 tần số sóng kích thích tần số bơm, ωs tần số sóng tán xạ); Tán xạ phi tuyến hay gọi tán xạ cưỡng bức, loại có chuyển hóa lượng dựa vào va chạm photons (lượng tử ánh sáng) phân tử nguyên tử môi trường hoạt chất, kết dẫn đến dịch chuyển tần số sóng kích thích, vạch phát dịch chuyển phía tần số thấp ω0 gọi vạch Stokes ωs = ω0 – Ω, ngược lại vạch phát dịch chuyển phía tăng tần sốgọi vạch đối Stokes (hoặc anti-Stokes) ωAS = ω0 + Ω, Ω tần số dao động cưỡng phân tử tần số kết hợp nguyên tử ánh sáng kích thích gây Năm 1928 C.V Raman khám phá tượng tán xạ không đàn hồi mang tên ông [1] Ơng gọi loại xạ thứ cấp với cường độ tín hiệu quan sát yếu Quả thật, tán xạ Raman tự phát với tỷ lệ chuyển đổi tần số cực nhỏ khoảng 1:106 , có nghĩa khoảng tổng số 106 số photons ánh sáng tới dịch chuyển thành photons tín hiệu Stokes Nâng cao hiệu suất dịch chuyển tần số thử thách quang học phi tuyến thời gian dài, vấn đề giải laser phát minh vào năm 60 [2] Laser ánh sáng kết hợp có cường độ sáng cao, sử dụng để kích thích tạo hiệu ứng phi tuyến quang học nói chung tán xạ Raman nói riêng mà ánh sáng thơng thường khơng thể Nếu tán xạ Raman tự phát photon phát tồn khơng gian góc 4 theo mơ hình lưỡng cực điện cổ điển, sử dụng thấu kính để hội tụ tạo chiều dài tương tác cỡ vài mm (chiều dài Rayleigh) để tạo chế độ tán xạ Raman cưỡng bức, hiệu suất nâng lên tới hàng chục phần trăm, tức gấp hàng triệu lần so với chế độ tự phát [2,3] Tán xạ Raman cưỡng (SRS) quan sát dung dịch Nitrobenzene sử dụng laser Ruby [3] Một thời gian ngắn sau khám phá đó, người ta nhận trình tán xạ Raman cưỡng gắn liền phonon quang [4] Những phonon quang dao động đồng nguyên tử môi trường hoạt chất, chúng dao động quay, kích thích liên kết hai Những kích thích kết hợp nguồn gốc tạo phổ dao động Stokes tương ứng [5] Nó đại lượng sinh q trình quang học phi tuyến hệ phương trình mơ tả trường điện từ Maxwell Để tạo hiệu ứng SRS môi trường khí chùm kích thích phải đạt cường độ ngưỡng cao Ban đầu người ta hội tụ chùm laser qua khe nhỏtrong khơng gian tự bình khí hoạt chất để trì tương tác với khí Raman hoạt chất: khí Raman, ví dụ khí H2được đổ đầy dọc bên bình dẫn khí, chùm laser cỡ vài chục mJ hội tụ vào bên bình dẫn khí Hình 0.1 Kết thu hiệu suất tán xạ Raman vài % [6] Hiệu thấp giải thích cách dễ dàng: tăng cường độ ánh sáng cách hội tụ chùm tia, độ dài tương tác ngắn lại, xấp xỉ với chiều dài Rayleigh Thơng thường chùm laser hội tụ mạnh thấu kính chiều dài Rayleigh thường khơng dài vài mm (xem Hình 0.1 minh họa), mật độ photon đủ lớn để phát SRS bị giới hạn khoảng Rayleigh Khe nhỏ Chiều dài Rayleigh Hình 0.1: Chùm Gaussian hội tụ không gian tự Cường độ ánh sáng đủ lớn cho tương tác khí-laser bị giới hạn chiều dài Rayleigh chùm tia (giới hạn nhiễu xạ) Trên hình minh họa mật độ photon màu sắc xanh, màu đậm mật độ photon (cường độ ánh sáng) lớn ngược lại Để cải thiện hiệu suất tán xạ Raman, sau người ta thực thí nghiệm SRS ống dẫn sóng thay bình khí để giam khí hoạt chất cải thiện quang học [7] Tuy nhiên, số suy giảm ống dẫn sóng tỷ lệ với λ2/a3, λ bước sóng ánh sáng kích thích, a bán kính ống dẫn sóng [8], bán kính ống dẫn sóng nhỏ tổn hao quang học cao Dẫn quang sử dụng ống dẫn sóng minh họa Hình 0.2, màu xanh thể chùm laser, độ đậm minh họa mật độ photon Chúng ta nhận thấy sau truyền đoạn ngắn chùm laser suy giảm đáng kể cường độ Hình 0.2: Chùm Gauss tập trung vào mộtốngdẫn sóng đường kính 2a Hằng số suy giảm tỷ lệ với đại lượng λ2/a3, đại lượng cao ống dẫn sóng có bán kính lõi nhỏ Năm 1991, giáo sư Phillip St John Russell cộng trường Đại học Bath, Vương quốc Anh đề xuất ý tưởng giam chùm laser vào mô ̣t lõi rỗng sợi quang tử dựa chế vùng cấm quang tử hai chiều Cấu trúc bao gồm mảng ống dẫn sóng khí cực nhỏ chạy dọc theo bao quanh toàn chiều dài sợi quang, hoạt động lớp vỏ sợi quang.Lớp vỏ bao quanh lõi rỗng kích thước cỡ µm, lõi rỗng hoạt động sai hỏng cấu trúc quang tử Nếu thiết kế phù hợp, lớp vỏ tạo vùng cấm giam toàn ánh sáng lõi rỗng Cấu trúc tinh thể quang tử rỗng (HC-PCFs) thiết kế chế tạo lần đầu năm 1995, cho phép nhà khoa học khả tiếp cận trạng thái tương tác phi tuyến phức tạp vật chất - laser mà trước khơng thể tiếp cận [9,10] Lõi Lớp vỏ Hình 0.3: Chùm Gauss hội tụ vào sợi tinh thể quang tử rỗng HC-PCFs Chiều dài Rayleigh vô hạn (không bị giới hạn nhiễu xạ) mát cực nhỏ đảm bảo độ truyền ánh sáng cao HC-PCFs chế tạo thành công mở nhiều hội cho việc nghiên cứu quang học phi tuyến dựa tương tác laser – khí (hoặc hơi) nói chung tán xạ Raman cưỡng kết hợp nói riêng [11] Do sở hữu tính chất độc ưu việt, HC-PCFs ứng viên hoàn hảo cho việc nghiên cứu SRS hiệu suất cao mơi trường khí [10] HCPCFs cho phép ánh sáng lan truyền không nhiễu xạ (độ dài Rayleigh vô hạn), mát cực thấp, điều chỉnh dải vùng cấm dựa thiết kế lớp vỏ sợi quang, cường độ ánh sáng cao truyền dọc theo sợi quang, cấu hình ngang chùm tốt, độ chồng lấn laser phân tử khí tốt (Hình 0.3) Hơn nữa, sử dụng HC-PCFs cho phép hạ đáng kể công suất ngưỡng phát SRS, kết tránh số hiệu ứng Stokes bậc cao, đối Stokes, tự biến điệu, tự hội tụ… không làm cho trình tán xạ Raman cưỡng trở nên phức tạp [5,10,11,12] Những tính chất vượt trội cho phép khám phá hiệu ứng phi tuyến thú vị, q trình phức tạp mà cơng cụ khác khó tiếp cận Hình 0.4 minh họa hình ảnh đơn giản SRS kích thích phân cực trịn HCPCFs chứa đầy khí H2 Các phân tử khí bị giam chặt lõi rỗng sợi quang, nơi chúng kích thích với ánh sáng bơm Các phân tử bắt đầu dao động tròn đồng kích thích dao động, đầu cho sóng tín hiệu Stokes có tần số thấp Độ dài xung bơm chọn theo cách để truy cập chế độ gọi SRS kết hợp nhanh - thời gian xung bơm đủ dài để tạo đồng pha ổn định trường bơm tín hiệu đủ ngắn để đảm bảo tắt dần phân tử phá hủy kết hợp trình tạo tín hiệu Khí H2 Tín hiệu đầu Bơm kích thích Hình 0.4: Cơ chế tạo SRS phân cực trịn quay HC-PCFchứa đầy khí H2 Bơm kích thích phân tử bị giam chặt bên lõi sợi bắt đầu tán xạ dao động kết hợp ánh sáng đầu vào tới tín hiệu đầu tần số Stokes thấp Nội dung luận văn bố cục sau: Chương 1: Giới thiệu, phân tích tượng tán xạ Raman cách tiếp cận cổ điển lượng tử Tương tác ánh sáng - vật chất mô tả chi tiết dựa nguồn gốc vật lý trình tán xạ Raman Ở đây, lý thuyết thiết lập cách dẫn phương trình điều khiển trình tán xạ Raman Hình thức luận cổ điển khơng mơ tả tranh vật lý tồn diện giúp ta có hình dung trực quan vật lý tán xạ Raman, ngược lại hình thức luận lượng tử cung cấp cho tranh vật lý đầy đủ trình tán xạ Raman Chương 2: Chúng tơi đưa tổng quan chế dẫn ánh sáng sợi tinh thể quang tử (PCFs) Sơ đồ truyền sóng quang học sử dụng để phân tích so sánh với ống dẫn sóng thơng thường Sau đó, chúng tơi phân tích giới thiệu sợi HCPCFs dẫn sóng có dải truyền hẹp mà sử dụng nghiên cứu Chương luận văn Cuối cùng, so sánh hiệu suất tương tác phi tuyến ánh sánh – khí hoạt chất HCPCFs với cấu hình truyền thống khác để thấy khả vượt trội Chương 3: Trong chương này, chúng tơi sử dụng đặc tính vượt trội sợi quang tử lõi rỗng HC-PCFs để bước đầu nghiên cứu trình phát triển động học, hiệu ứng phức tạp tán xạ Raman kết hợp mơi trường khí Hydrogen mà hệ dẫn quang khác khó tiếp cận.Nghiên cứu tiến hành theo hai cấu hình khơng gian là: tán xạ Raman cưỡng ngược (BSRS) tán xạ Raman cưỡng thuận (SRS thơng thường) mơi trường khí H2 đổ lõi sợi quang HC-PCFs Cuối phần kết luận CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN 1.1 Tán xạ Raman tự phát Hiện tượng tán xạ Raman tự phát giải thích dựa sơ đồ mức lượng phân tử trình bày hình 2.1 Các mức lượng phân tử bao gồm mức điện tử, mức J mức điện tử kích thích.Trong mức điện tử chứa nhiều mức lượng dao động Các mức dao động cách khoảng ứng với tần số nằm vùng hồng ngoại trung (4.000 cm-1- 650cm-1) Trong mức lượng dao động lại có nhiều mức lượng quay Các mức lượng quay cách khoảng ứng với tần số nằm vùng hồng ngoại xa (650 cm-1 - 10cm-1) Đối với mơi trường tán xạ Raman mức J gọi mức kích thích cộng hưởng xa Điều đuợc trình bày cụ thể sau [2,13] Hình 1.1: Sơ đồ mức lượng chuyển dịch tán xạ Raman Trong đó: a,b:các mức dao động; aj, bj: mức quay; J: mức điện tử Nguồn ánh sáng chiếu vào môi trường có tần số v0, hay lượng photon hv0 Khi lượng photon thoả mãn điều kiện v0