Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng

LỜI CẢM ƠN Tôi đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Mạnh Hùng người đã định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và giúp tác giả vượt qua rất nhiều khó khăn để hoàn thành tập luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, khoa Đào tạo sau đại học Trường Đại học Vinh, Trường Đại học Sài Gòn đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trường THCS Tân Quới, bạn bè thân hữu đã thường xuyên động viên, giúp đỡ tôi, và đặc biệt là gia đình của tôi luôn là chỗ dựa vững chắc về mọi mặt, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Đồng tháp, tháng 4 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thanh Sang 1 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị. Trang Mở đầu ………………………………………………………………………5 Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn…………………………… 6 1.1 Các phương pháp tạo thành xung cực ngắn……………………….…… 7 1.2 Phương pháp sử dụng chất màu hấp thụ bão hòa……………………… 8 1.2.1 Phương pháp khóa mode chủ động……………………………… 17 1.2.1.1 Biến điệu biên độ………………………………………… 17 1.2.1.2 Biến điệu tần số…………………………………………… 18 1.2.1.3 Bơm đồng bộ……………………………………………… 19 1.2.2 Phương pháp khóa mode bị động………………………………… 20 1.3 Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng……………………………………………………………………… 24 Chương 2: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz………… 27 2.1. Cấu trúc buồng cộng hưởng vòng …………………………………… 27 2.2. Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường hấp thụ bão hòa…30 2.3. Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường khuếch đại………36 2.4. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz………………….……40 Kết luận chung………………………………………………… …………42 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………… 45 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 0 a : Biên độ cực đại của xung CW : Bơm liên tục D : Tham số tán sắc GVD : Tán sắc vận tốc nhóm abs s I : Cường độ hấp thụ bão hòa amp s I : Cường độ khuếch đại bão hòa d L : Chiều dài một sợi đơn mode D L : Độ dài tán sắc c n 2 : Hệ số chiết suất phi tuyến 321 ,, nnn : Mật độ hạt (độ tích lũy) của nguyên tử ở mức 1, 2, 3 n : Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác. g n : Chiết suất nhóm SPM : Sự tự biến điệu pha ( Self – phase Modulation) c T : Khoảng thời gian xung đi một vòng quanh buồng cộng hưởng 12 T : Thời gian tích thoát (hồi phục) dọc ( thường viết tắt là 1 T ) u : Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa p ε : Năng lượng xung L τ : Độ rộng xung 12 τ : Thời gian tích thoát (hồi phục) ngang ( thường viết tắt là 2 T ) σ : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng ω ∆ : Độ rộng phổ của xung 2 β : Tham số GVD ρ : Toán tử mật độ L ν : Tần số của laser DANH MỤC CÁC HÌNH 3 Hình 1.1. Giản đồ mức năng lượng phân tử chất màu Hình 1.2. Nguyên tắc khoá pha các mode Hình 1.2a. Độ truyền qua chất hấp thụ bão hòa theo cường độ tới Hình 1.2b. Độ khuếch đại của môi trường khuếch đại phụ thuộc cường độ tới Hình 1.3. Sự thay đổi dạng xung khi đi qua chất hấp thụ bão hòa Hình 1.4. Xung vào và xung ra khi đi qua môi trường khuếch đại Hình 2.1. Sơ đồ Laser màu dạng vòng Hình 2.2. Sơ đồ ba mức năng lượng Hình 2.3. Các xung truyền qua chất hấp thụ bão hòa Hình 2.4. Biên độ và cường độ dạng Lorentz khi đi qua chất hấp thụ bão hòa Hình 2.5. Sơ đồ ba mức năng lượng môi trường khuếch đại Hình 2.6. Xung dạng Lorentz trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại Hình 2.7. Dạng xung Lorentz chịu ảnh hưởng đồng thời của môi trường của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa MỞ ĐẦU 4 Xung cực ngắn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong quang phổ học laser, xung cực ngắn được dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hóa, sinh. Đặc biệt trong thông tin quang để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin, xung ánh sáng thường được sử dụng, xung càng ngắn thì tốc độ truyền tin càng cao. Vì vậy việc nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm để phát triển và truyền dẫn xung cực ngắn là vấn đề cấp thiết. Việc nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn đến nay đã có nhiều thành tựu cơ bản. Thực nghiệm đã cho thấy ưu điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng. Chẳng hạn như năm 1985, Shank và Fork cải tiến nguồn bơm laser CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệu pha đã thu được xung 8 fs. Để phát xung cực ngắn hiện nay các nhà thực nghiệm thường dùng các phương pháp đồng bộ mode. Có hai phương pháp đồng bộ mode chủ yếu là phương pháp đồng bộ mode chủ động và đồng bộ mode bị động. Trong phương pháp đồng bộ mode chủ động, người ta điều khiển trực tiếp từ bên ngoài lên buồng cộng hưởng, còn phương pháp đồng bộ mode thụ động thì không điều khiển trực tiếp từ bên ngoài mà đặt trong buồng cộng hưởng chất hấp thụ bão hòa. Ưu điểm của khóa mode thụ động so với khóa mode chủ động là không cần sự đồng bộ của thiết bị ngoại vi và độ nhạy của sự biến điệu thụ động là cao hơn, vì thế cho phép tạo ra những xung cực ngắn và ổn định hơn nhiều. Với buồng cộng hưởng vòng sử dụng phương pháp khóa mode thụ động bằng va chạm xung thì ảnh hưởng của sự biến điệu thụ động rõ ràng hơn, nhờ sự tương tác của hai xung trong chất hấp thụ bão hòa. Vì vậy, buồng cộng hưởng này hiện đang được sử dụng rất rộng rãi. Về lý thuyết, để giải thích cơ chế tạo xung cực ngắn trong các buồng cộng hưởng lý thuyết bán lượng tử đã được áp dụng rộng rãi. Với lý thuyết 5 bán lượng tử thì trường điện từ được khảo sát theo quan điểm cổ điển còn hệ nguyên tử được khảo sát theo quan điểm lượng tử. Đã có nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng, chiều dài chất hấp thụ, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khác đặt trong buồng cộng hưởng. Tuy nhiên, một vấn đề là: “ Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng ” thì chưa được khảo sát. Đề tài luận văn: “Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng ” sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này. Bố cục luận văn gồm: Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo. Mở đầu: Trình bày tóm tắt lý do chọn đề tài. Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn. Trình bày về các phương pháp tạo xung cực ngắn, trình bày về laser màu là nguồn phát xung cực ngắn có nhiều ưu điểm. Ngoài ra, trong chương này còn khảo sát về những yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn. Chương 2: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz. Cấu trúc buồng cộng hưởng. Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường hấp thụ bão hòa. Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường khuếch đại. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz. Kết luận chung: Tổng hợp và rút ra các kết quả thu được của luận văn. Để đạt được những yêu cầu trên tôi đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Lý thuyết bán lượng tử. - Phương pháp số, sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab, Mathematica. 6 Chương I PHƯƠNG PHÁP TẠO XUNG CỰC NGẮN Trong chương này, tôi trình bày khái quát về các phương pháp tạo xung cực ngắn, loại laser thường được sử dụng để phát xung cực ngắn là laser màu và những hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng. Một buồng cộng hưởng laser thường tạo bởi hai gương và môi trường hoạt chất có thể phát laser ở chế độ phát xung bức xạ hoặc phát bức xạ liên tục phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và chế độ bơm. Để phát được laser thì buồng cộng hưởng thỏa mãn điều kiện nghịch đảo độ tích lũy và điều kiện ngưỡng. Luôn tồn tại một số lượng lớn các mode laser gồm các mode ngang và mode dọc. Các mode ngang xác định hình ảnh phân bố của cường độ điện trường theo độ rộng của chùm laser thường kí hiệu là TEM l.m . Các mode dọc có tần số 2 c N N L ν = ( 1.1). N là một số nguyên, c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không thõa mãn điều kiện ngưỡng dao động dọc theo trục buồng cộng hưởng phát được laser. Khoảng cách giữa hai mode liên tiếp 2 c L δν = . Khi đó contour vạch phổ của laser phát ra gồm N mode cách đều nhau một khoảng δν . Để thu được laser tại mode dọc đơn, cần phải thiết kế buồng cộng hưởng laser đủ ngắn để 2 c L lớn hơn nhiều so với độ rộng dải của chất khuếch đại của vật liệu laser hoặc thiết kế buồng cộng hưởng phức tạp mà có sự mất mát cao đối với tất cả các mode trong độ rộng dải dao động ngoại trừ một mode ưu tiên. Hiện nay, có các phương pháp cơ bản tạo xung cực ngắn: biến điệu độ phẩm chất và khóa mode. Laser liên tục chỉ hoạt động ở một chế độ còn laser 7 dạng xung hoạt động ở các chế độ trên. Sau đây lần lượt khảo sát các phương pháp trên. 1.1. Các phương pháp tạo thành xung cực ngắn. Về bản chất, độ phẩm chất Q đo sự mất mát trong buồng cộng hưởng, độ phẩm chất Q càng cao thì mất mát trong buồng cộng hưởng càng thấp. Quá trình có xung cực ngắn được phát ra khi có sự lựa chọn hệ số Q của buồng cộng hưởng gọi là biến điệu độ phẩm chất. Trong trường hợp này tại thời điểm kích thích môi trường hoạt chất mất mát trong buồng cộng hưởng lớn, Q thấp làm cho không thể phát được laser mặc dù đạt được điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy. Khi đạt tới ngưỡng thì Q đột ngột tăng dẫn đến phát laser có năng lượng lớn. Trong thực tế phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện cơ, điện quang, từ quang và quang hóa trong buồng cộng hưởng. Khi van đóng, bơm kích thích có thể tạo ra được hiệu độ tích lũy cao hơn giá trị ngưỡng nhiều nhưng laser không phát. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có giá trị nhỏ. Sau đó nhanh chóng mở rộng van thì độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột ngột, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới. Vì vậy, hiệu độ tích lũy giảm rất nhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lượng lớn, thời gian xung ngắn ( 10 -7 - 10 -9 s ) và công suất cao ( 10 - 10 3 MW). Dựa trên nguyên tắc này đã có một số phương pháp thực nghiệm được khảo sát như: phương pháp gương quay, phương pháp khóa điện quang, phương pháp sử dụng các chất hấp thụ bão hòa. Sau đây, tôi khảo sát sơ lược về phương pháp sử dụng các chất hấp thụ bão hòa. Phương pháp này sử dụng một chất hấp thụ bão hòa mà hệ số hấp thụ của nó có thể bão hòa bởi tia bức xạ laser. Khi cường độ bức xạ tăng thì hệ số 8 hấp thụ giảm tiến tới không khi cường độ lớn hơn rất nhiều cường độ bão hòa abs s I của môi trường lúc này hấp thụ trở thành bão hòa. Giữa hoạt chất laser và một gương đặt chất hấp thụ bão hòa hấp thụ miền phổ bức xạ của laser. Khi cường độ laser trong buồng cộng hưởng thấp, bức xạ đi qua chất hấp thụ bị giảm và độ phẩm chất của buồng cộng hưởng nhỏ. Bơm tiếp tục làm tăng nghịch đảo độ tích lũy và tăng dần cường độ bức xạ. Đến giá trị bão hòa ánh sáng đi qua chất hấp thụ không bị hấp thụ ( hệ số hấp thụ bằng 0 ) để tới gương phản xạ. Lúc này độ phẩm chất của buồng cộng hưởng đạt giá trị cực đại và laser được phát ra ngoài có dạng xung công suất lớn. Nhìn chung chất hấp thụ bão hòa được chọn kích thước như thế nào để khi đạt trạng thái hấp thụ bão hòa nó truyền qua khoảng 50% năng lượng bức xạ là tốt nhất. Để cải tiến phương pháp này hiện nay có thể dùng phương pháp hỗn hợp cả tế bào Kerr và chất màu hấp thụ bão hòa để thu được các xung cực ngắn. 1.2. Phương pháp sử dụng chất màu hấp thụ bão hòa. Trong phần này, tôi trình bày tổng quan về hoạt chất, các đặc điểm tính chất của laser màu trong buồng cộng hưởng vòng. Laser màu là laser sử dụng các hợp chất màu hữu cơ dùng làm hoạt chất. Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng khả kiến như C 6 H 6 (benzen), C 5 H 5 N (piridin), ba chất màu thường được sử dụng làm họat chất màu laser là Rhodamine B (RhB), Rhodamine 6G và Cumarin. Cấu trúc phân tử của chất màu là có chứa liên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trong cùng một mặt. Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủ trong những dung dịch lỏng hay rắn. Trong dung dịch lỏng thường quan sát được huỳnh quang tức thời. Thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích vào khoảng 10 -9 s là rất ngắn sẽ gây khó khăn cho việc tạo nghịch đảo độ tích 9 luỹ. Phổ hấp thụ hay phát xạ của chất màu gồm những đám cơ bản độ rộng 150 MHz ở trong vùng nhìn thấy và những đám phụ nằm trong vùng tử ngoại. Sự huỳnh quang của phần lớn các chất màu không phụ thuộc độ dài của bức xạ kích thích. Khi kích thích Rhodamine B bằng các bước sóng λ = 5890 A 0 hoặc bức xạ tử ngoại λ = 2537 A 0 thì phổ huỳnh quang của nó không thay đổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử được kích thích về trạng thái đơn cao hơn. Do đó các phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn kích thích thấp hơn và từ đó bắt đầu quá trình phát quang không thay đổi. Để đạt được hiệu suất cao, chất màu laser phải có phổ hấp thụ phù hợp tốt với phổ bức xạ của nguồn bơm. Tính chất quan trọng của laser màu là điều chỉnh được tần số hay bước sóng do phổ phát xạ của chúng rộng (10 ÷ 100 nm ~ 10 13 ÷ 10 14 Hz). Dùng các chất màu thích hợp thu được bước sóng laser màu từ vùng hồng ngoại gần, vùng nhìn thấy cho đến vùng tử ngoại gần. 10 [...]... sát ảnh hưởng của xung dạng Lorentz khi đi qua môi trường khuếch đại, môi trường hấp thụ bão hòa và sự ảnh hưởng đồng thời cả hai môi trường trong buồng cộng hưởng vòng 2.1 Cấu trúc buồng cộng hưởng vòng Trong laser màu dạng vòng đồng bộ mode thụ động có các đặc trưng cơ bản ảnh hưởng đến quá trình tạo xung và ảnh hưởng đến thông số xung đó là: 1- Đặc trưng của chất hấp thụ bão hòa 2- Đặc trưng của môi. .. thuộc vào mối tương quan giữa các hiệu ứng đó Với buồng cộng hưởng đã nêu thì các hiệu ứng này sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau, lúc đó xung sẽ lan truyền qua môi trường hấp thụ bão hoà hay môi trường khuếch đại với hình dạng không thay đổi được gọi là soliton 28 Chương II ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI VÀ MÔI TRƯỜNG HẤP THỤ BÃO HÒA LÊN QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI XUNG LORENTZ Trong chương này, tôi trình. .. số khuếch đại bị mặt trước của xung làm bão hòa và giảm đi đáng kể 25 Bộ khuếch đại I t I t Hình1.4: Xung vào và xung ra khi đi qua môi trường khuếch đại Như vậy sau nhiều lần đi lại trong buồng cộng hưởng, qua cả chất hấp thụ bão hòa và chất khuếch đại, xung được thu rất hẹp và có cực đại rất lớn Bởi vì phần trung tâm của xung không những không bị hấp thụ mà còn bị khuếch đại lên Ngoài chất hấp thụ. .. Hai xung gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà, sau một thời gian bằng một nửa thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng hai xung sẽ gặp nhau trong môi trường khuếch đại Tuy nhiên chỉ cần lệch một một ít tức là khoảng cách chất hấp thụ và môi trường khuếch đại không bằng Lc/2 thì hai xung đến môi trường khuếch đại từ hai phía không đồng thời, chúng tương tác lẫn nhau trong môi trường khuyếch đại và sẽ khuếch. .. vòng T0b là khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hoà và môi trường khuếch đại Chọn buồng cộng hưởng laser màu dạng vòng khoá mode bằng va chạm xung gồm một môi trường hấp thụ bão hoà (chất hấp thụ) và một môi trường khuếch đại như hình vẽ trên Trong đó chất hấp thụ bão hoà là dòng phun dung dịch chứa chất màu DODCI được hoà tan trong ethylene glycol Môi trường khuếch đại là dòng phun dung... hấp thụ bão hòa trở nên trong suốt và cho qua các mặt sau của xung nên sườn trước của xung bị ngắn đi khi đi qua chất hấp thụ I Chất hấp thụ bão hoà sườn trước t I sườn trước t Hình1.3: Sự thay đổi dạng xung khi đi qua chất hấp thụ bão hoà Bên cạnh đó khi xung đi qua môi trường khuyếch đại, mặt trước của xung bị khuếch đại rất lớn với hệ số khuếch đại G0 , còn phần đuôi của xung được khuếch đại yếu... mode không đồng pha, cường độ trong buồng cộng hưởng là thăng giáng với các đỉnh rất lớn Khi một đỉnh đạt tới cường độ bão hòa, chất hấp thụ đột nhiên trở nên trong suốt, cho truyền qua chùm photon trong thời gian rất ngắn để 24 tạo nên một xung dao động và đặc biệt được khuyếch đại trong buồng cộng hưởng Sau một chu trình buồng cộng hưởng, cường độ xung tăng lên đủ để bão hòa chất hấp thụ Sau nhiều... dụng một bộ hấp thụ bão hòa đặt trong buồng cộng hưởng laser để thực hiện đồng bộ mode biên độ bị động Khảo sát một cách đơn giản đối với vạch mở rộng đồng nhất hệ số hấp thụ α của chất hấp thụ bão hòa theo công thức: α = α0 1 + I / I sabs (1.23) I sabs = 1/ σ 21T21 : cường độ bão hòa của chất hấp thụ Cường độ bão hòa I abs s của bộ hấp thụ lớn hơn nhiều so với cường độ laser I nên phương trình (1.23)... trong buồng cộng hưởng này sẽ thu được xung rất mạnh Như vậy chất hấp thụ bão hòa tạo nên sự biến điệu biên độ các mode với tần số c/2L Những mode có cường độ mạnh ít bị hấp thụ hơn các mode có cường độ yếu Tuy nhiên hiệu ứng bão hòa không chỉ cho phép tạo ra xung mà còn giảm độ dài xung Thực vậy, những photon đầu tiên của xung (mặt trước xung) bị hấp thụ bởi chất hấp thụ bão hòa làm cho chất hấp thụ. .. hệ số hấp thụ α tỉ lệ với độ chênh lệch mật độ Khi cường độ chùm sáng tới cực mạnh, chất hấp thụ bão hòa truyền qua có thể đạt 100% và chất hấp thụ bị bão hòa cho qua toàn bộ số photon tới Nếu thời gian sống của mức trên rất ngắn, chất hấp thụ có thể trong suốt trong thời gian ngắn đó và sẽ tạo thành một van quang học Van này sẽ cho phép làm đồng pha các mode trong buồng cộng hưởng tạo thành một xung . tác xung Lorentz lên môi trường hấp thụ bão hòa. Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường khuếch đại. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa. biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng ” thì chưa được khảo sát. Đề tài luận văn: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi. phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn. Chương 2: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz. Cấu trúc buồng cộng hưởng. Khảo