Khảo sát sự tăng cường trộn bốn sóng trong tán xạ Brillouin

MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục Bảng biểu - Hình vẽ - Chữ viết tắt .2 MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1.Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng .4 1.1.1 Quá trình tán xạ tự phát 1.1.2 Tán xạ Brillouin ánh sáng 1.1.3 Tán xạ Raman ánh sáng 10 1.1.4 Quá trình tán xạ cưỡng 11 1.1.5 Phương trình sóng phân cực phi tuyến 15 1.1.6 Lý thuyết tán xạ Brillouin cưỡng 16 1.1.7 Tán xạ Brillouin cưỡng nhiệt 21 1.1.8 So sánh SRS SBS .22 1.2 Vật liệu SBS đặc trưng SBS 24 1.3 Kết luận chương 26 CHƯƠNG II 27 KHẢO SÁT SỰ TĂNG CƯỜNG TRỘN BỐN SÓNG 27 TRONG TÁN XẠ BRILLOUIN 27 2.1 Cấu hình tương tác BEFWM 28 2.2 Mô hình lý thuyết BEFWM .30 Hệ phương trình đặc trưng BEFWM 30 2.3 Lý thuyết khử phân cực BEFWM .32 2.3.1 Trạng thái dừng biểu thức giải tích độ phản xạ 33 2.3.2 BEFWM khử phân cực tức thời 38 2.4 Các thí nghiệm khảo sát BEFWM phân cực không liên kết .40 2.5 Hiệu suất tán xạ nhiễu âm 47 2.6 Các thí nghiệm kết BEFWM với tạo ảnh có độ phân giải cao 48 2.7 Kết luận chương 54 KẾT LUẬN CHUNG 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Danh mục Bảng biểu - Hình vẽ - Chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Bảng biểu Chữ viết tắt SBS STBS SRS BEFWM FWM Tán xạ Brillouin cưỡng Tán xạ Brillouin cưỡng nhiệt Tán xạ Raman cưỡng Tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin Trộn bốn sóng MỞ ĐẦU Tán xạ Brillouin nhà Vật lý Louis Brillouin phát năm 1922 Đó tượng tán xạ ánh sáng xảy ánh sáng tương tác với sóng âm môi trường vật chất như: rắn, lỏng, khí Tán xạ Brillouin khó quan sát sử dụng nguồn sáng thông thường Tuy nhiên, đến năm 1960, nhà khoa học dùng nguồn sáng laser có cường độ cực lớn chiếu vào môi trường vật chất, làm xuất tán xạ Brillouin cưỡng (SBS) có cường độ lớn dễ quan sát Lúc này, tán xạ Brillouin nhà khoa học quan tâm đặc biệt có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác như: tạo liên hợp pha, tạo nén xung, tăng cường trộn bốn sóng sợi quang … Đặc biệt vào năm 2007, nhóm nhà nghiên cứu Vật lý người Mĩ trường Đại học Duke Đại học Rochester nghiên cứu thành công phòng thí nghiệm phương pháp cho phép “lưu giữ” tín hiệu ánh sáng dạng sóng âm nhờ áp dụng hiệu ứng tán xạ Brillouin cưỡng sợi quang Đây thành công đáng mừng công nghệ sản xuất nhớ toàn quang cho hệ thống viễn thông tương lai Trong năm gần xuất số công trình nước nghiên cứu trình tán xạ như: tán xạ Raman, tán xạ Bragg, tán xạ Brillouin chưa quan tâm nhiều, bỏ ngỏ! Chính chọn đề tài nghiên cứu: “ Khảo sát tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin” CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng Khi có ánh sáng có sóng điện từ qua môi trường vật chất trình tán xạ khác xảy Vật chất dạng lỏng, rắn khí, trường hợp ánh sáng bị tán xạ dao động kích thích đặc tính quang học môi trường (cụ thể thay đổi mật độ môi trường) Quá trình tán xạ làm photon tới sinh photon tán xạ lệch so với hướng ban đầu có tần số dịch so với tần số ban đầu Một số tán xạ biết tán xạ Rayleigh, tán xạ Billouin tán xạ Raman Trong điều kiện ánh sáng thường, tán xạ trình thống kê ngẫu nhiên xảy vùng tần số góc rộng hình 1.1 Trong chương này, chủ yếu làm rõ tượng tán xạ Billouin Tuy nhiên, dành phần để đề cập cách ngắn gọn đến trình tán xạ Raman, đóng vai trò quan trọng quang học phi tuyến song hành với tán xạ Billouin, chế tán xạ chiếm ưu [1], [2] Ở cấp độ nhất, tán xạ mô tả phương pháp học lượng tử, thực tế chất số dạng tán xạ mô tả đầy đủ chế cổ điển ( Ví dụ tán xạ Brillouin, phonon có lượng bé k BT, kB số Boltzmann T nhiệt độ) Tán xạ xảy tương tác sóng ánh sáng (cổ điển) với kích thích (dao động) môi trường Trong lý thuyết lượng tử, ánh sáng xem tập hợp photon (lượng tử trường điện từ) môi trường bị kích thích gồm phonon (lượng tử môi trường kích thích - dao động môi trường) Đối với ánh sáng có cường độ yếu (mật độ photon thấp), sử dụng photon phonon để mô tả trình cần thiết Trong thực tế, nguồn ánh sáng có cường độ cao (ví dụ laser) môi trường kích thích mạnh – mức lượng tử lớn, sử dụng lý thuyết bán cổ điển để mô tả tương tác thích hợp Trong phần này, sử dụng cách tiếp cận sóng để mô tả cách định lượng tương tác ánh sáng với môi trường Tuy nhiên, sử dụng tranh photon phonon để mô tả cho đơn giản có nhìn sâu sắc vào trình Môi trường tán xạ Ánh sáng tới Ánh sáng tán xạ Hình 1 Tán xạ tức thời ánh sáng tới Tán xạ ánh sáng Brillouin bắt nguồn từ tương tác ánh sáng với lan truyền sóng âm (hoặc phonon âm) Các photon tới bị đi, với việc sinh làm phonon dẫn đến photon tán xạ (bức xạ), có tần số tương ứng gọi Stokes đối Stokes Thành phần Stokes có tần số dịch phía thấp thành phần đối Stokes có tần số dịch phía cao Khi nhìn vào phổ tần số ánh sáng tán xạ theo hướng cụ thể (xem hình 1.2) xuất hai vạch có tần số gần với tần số ánh sáng tới, tần số âm nhỏ nhiều so với tần số quang, gọi vạch đôi Brillouin ( hình 1.2) Mặt khác, ánh sáng bị tán xạ dao động phân tử, phonon quang học, tán xạ Raman Dịch chuyển tần số với tần số khác nhau, hàng trăm hàng ngàn số dao động (cm -1), xảy tán xạ Raman xác định tần số dao động khác (và tần số quay) vật chất Khoảng dịch tần so sánh với tần số quang học (ví dụ ánh sáng xanh bước sóng λ = 500nm, có số dao động = / λ = 20000cm ) Trong nguyên tử hay phân tử có tồn trạng thái dao động trạng thái quay Hình 1.2, mô tả vạch Raman Tại trung tâm, có thành phần tán xạ Rayleigh Nó thay đổi tần số tán xạ môi trường thăng giáng mật độ Rayleigh STOKES Brillouin Brillouin Raman ĐỐI STOKES Raman Cư ờng độ tán xạ Tần số dịch chuyển Hình Phổ tần số ánh sáng tần số thấp tần số ánh sáng tới (Stokes) tần số cao tần số ánh sáng tới (đối stokes)G Cũng giống vài hình thức tán xạ khác, phụ thuộc vào bước sóng, bước sóng ngắn tán xạ mạnh (ví dụ ánh sáng màu xanh) giúp giải thích nhìn thấy trời màu xanh ngày Khi cường độ ánh sáng tới yếu, trình tán xạ ánh sáng gọi tự phát Trong trạng thái tán xạ gây kích thích lượng tử kích thích nhiệt môi trường cường độ tán xạ tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới Mặt khác, với ánh sáng có cường độ lớn cường độ ánh sáng tán xạ trở nên mạnh dao động vật chất sinh có mặt ánh sáng tới Trong chế độ này, tán xạ ánh sáng gọi tán xạ cưỡng Các trình tán xạ cưỡng dễ dàng quan sát cường độ ánh sáng nằm khoảng : 106W / cm < I L < 109W / cm Trong khoảng cường độ này, tương tác mạnh trường ánh sáng vật chất quan sát rõ Ví dụ, việc chuyển đổi ánh sáng tới thành ánh sáng tán xạ đường trình tán xạ kích thích Trong nhiều trường hợp, truyền ánh sáng môi trường suốt bị giảm mạnh Ngược lại, tán xạ tự phát biết đến cực nhỏ (ví dụ phần tán xạ ~ 10 ), ảnh hưởng đến truyền ánh sáng Như thấy phần sau, khuếch đại theo hàm số mũ ánh sáng tán xạ xảy trạng thái tán xạ kích thích xác định công thức: I S ( z ) = I S (0) exp( g B I L z ) I S (l ) = I S (0) exp( g B I L l ) (1.1) Trong IS(z) cường độ ánh sáng tán xạ vị trí z môi trường, IS(0) cường độ tán xạ điểm ban đầu, g B hệ số khuếch đại trình tán xạ IL cường độ chùm ánh sáng tới, l chiều dài môi trường khuếch đại 1.1.1 Quá trình tán xạ tự phát Xét trường điện từ (một sóng ánh sáng) tới môi trường tán xạ hình 1.3 Photon ánh sáng tới (E L) bị hủy với việc tạo photon ánh sáng tán xạ (E S) phonon môi trường kích thích (Q) Hình Sự tương tác photon tới, photon tán xạ phonon môi trường Có ba đại lượng đặc trưng cho trình tán xạ [3] sau: - Độ dịch tần ωQ = ωL – ωS (đối với tán xạ Stokes), xác định định luật bảo toàn lượng ( hω ) xung lượng (  K ) bảo toàn ωL = ωS + ωQ (1.2) KL = KS + KQ Trong ωL, ωS, ωQ tần số góc KL, KS, KQ véc tơ sóng tương ứng với ánh sáng tới, ánh sáng tán xạ vật liệu kích thích (phonon) a) b) ωS ωL KS KQ θ KL ωQ Hình Bức tranh tương tác photon-phonon tán xạ cho thấy mối quan hệ (a) tần số (b) véc tơ sóng Hình 1.4 biểu diễn hình ảnh mối quan hệ phương trình (1.2) Mối quan hệ tán xạ mô tả liên quan véc tơ sóng với tần số xác định xung lượng phù hợp với dịch chuyển tần số theo hướng θ - Sự mở rộng tần số xạ tán xạ phụ thuộc vào chu kì kích thích τ Q , ứng với cường độ ánh sáng qua vật liệu suy giảm theo hàm số mũ vạch phổ có dạng Lorentzian độ rộng quang phổ ∆v cho công thức: ∆v = ΓQ 2π = 2πτ Q (1.3) Trong ΓQ độ rộng tần số góc nghịch đảo chu kì kích thích - Tiết diện tán xạ đơn vị góc khối ( dσ / dΩ ) xác định bởi: dPS / dz = PL ( dσ / dΩ) ∆Ω (1.4) Trong PS PL công suất tương ứng ánh sáng tán xạ ánh sáng tới, ∆Ω góc khối 1.1.2 Tán xạ Brillouin ánh sáng Hiện tượng tán xạ Brillouin bắt nguồn từ tương tác ánh sáng với sóng âm (phonon âm) Tần số Brillouin ωB đại lượng nhỏ so với tần số quang học, đó, lấy xấp xỉ ωL ≈ ωS K L ≈ K S Khi đó, tam giác véc tơ sóng hình 1.4 (b) gần tam giác cân, cách tính đơn giản, tần số ωB trường hợp là: ωB = K Bυ = 2ωL (n / c)υ sin θ / (1.5) Trong c/n vận tốc ánh sáng môi trường, υ vận tốc phonon âm θ góc véc tơ sóng K L, KS Theo phương trình (1.5), giá trị ωB lớn tán xạ ngược (θ = 180 0) Thông thường độ dịch Brillouin nằm khoảng tần số ν B ≈ 0.3 − 6GHz (0.1 − 2cm −1 ) với θ = 1800 Những âm có tần số cao gọi siêu âm Độ dịch tần số có xu không θ = 00 Khi chu kì âm tiến đến vô không quan sát tán xạ Thời gian tồn phonon âm xác định công thức: τB = ρ0 ηK B2 (1.6) Trong ρ0 khối lượng riêng môi trường, η độ nhớt K B véc tơ sóng Brillouin sóng âm Trong chất lỏng, giá trị τ B = 10-9 tìm thấy với θ = 1800, tương ứng (từ phương trình 1.3) cho độ rộng ΔvB = 108 Hz (3.10-3cm) Thời gian sóng siêu âm ngắn Trong chất lỏng, vận tốc âm v vào cỡ ~ 103 m / s Do đó, quãng đường truyền đặc trưng sóng siêu âm (vB = 1GHz) lB = v τB = 1μm 1.1.3 Tán xạ Raman ánh sáng Tán xạ Brillouin kích thích thành phần cấu tạo nên vật liệu (Ví dụ lan truyền thăng giáng mật độ môi trường sóng âm gây ra) Các tần số âm phổ liên tục tương tác mạnh với ánh sáng xảy bảo toàn đồng thời lượng xung lượng Tuy nhiên, tán xạ Raman ánh sáng tương tác cộng hưởng với hệ phân tử thay đổi tần số tương ứng với phân tử hệ Hệ đơn giản gồm phân tử (Ví dụ Nitơ N 2) thể hình 1.5 Các tán xạ Raman mạnh thường gắn với mốt dao động phân tử (tán xạ Raman rung động) Các mốt quay làm gia tăng tán xạ Raman quay ω( r ) ω( v ) Hình Quá trình tán xạ Raman rung động tán xạ Raman quay dao động phân tử Thời gian dao động phân tử suy từ độ rộng vạch Raman (công thức (1.3)) Trong chất lỏng, đại lượng đặc trưng cho tán xạ Raman là: tần số dao động ν R = 1000cm −1 (3.1013 Hz ) , độ rộng vạch ∆ν R = 5cm −1 (30GHz ) thời gian dao động phân tử τ R = 10 −12 (1 ps ) Tiết diện tán xạ có giá trị ~ 10-7 cm-1ster-1 Dịch tần tán xạ Raman tỉ phần đáng kể tần số quang học Đối với xạ bước sóng λ = 500nm (v = 2.10 cm -1) , dịch tần Raman vR = 1000cm-1 tương ứng với thay đổi (v R / v) = 5% khoảng 25 nm 10 Độ phản xạ 1  ÷ g B I L 0l 2 Hình Độ phản xạ liên hợp pha axeton hàm thông số độ khuếch 1 đại  ÷g B I L 0l thành phần chiều dài ( hình tam giác l = 1cm; hình tròn l = 2 2cm; hình vuông l = 5cm) Các đường cong dự đoán lý thuyết nghiệm cụ thể phương trình tức thờ [5] Điều cho thấy phù hợp tính toán lý thuyết kết thí nghiệm suy cường độ thấp có khác nhiều 1 với  ÷g B I L 0l > Điều chủ yếu tách rời phân cực không hoàn toàn 2 hai chùm bơm truyền ngược nhau, điều sinh dao động xạ nằm tế bào FWM tế bào SBS Tốc độ tăng phân cực không mong muốn tương đối nhỏ cường độ thấp, cường độ cao dẫn đến tương tác bơm mạnh gây suy giảm cường độ bơm laser (EL0) kết làm suy giảm độ quan sát độ phản xạ BEFWM chùm dò so với kết từ mô hình tính số , bỏ qua hiệu ứng phân cực 43 Quá trình khảo sát thực nghiệm thực hiện, sử dụng CS môi trường hoạt động Brillouin với bơm Stokes tạo tế bào SBS với độ phản xạ khoảng 70 – 90% Tốc độ tăng độ phản xạ liên hợp pha với tham số cường độ bơm laser độ dài tế bào FWM khác thể hình 2.10 Độ phả n xạ 1  ÷ g B I L 0l 2 Hình 10 Độ phản xạ liên hợp pha CS2 hàm thông số độ khuếch đại 1  ÷g B I L 0l thành phần chiều dài ( hình tam giác l = 1cm; hình tròn l = 2 2cm; hình vuông l = 5cm [8] Hệ số khuếch đại Brillouin trạng thái dừng CS cao hơn, tương đương hệ số phản xạ đạt chế độ sử dụng trường laser thấp Tốc độ tăng phân cực không mong muốn thí nghiệm tương đương, dẫn đến 44 suy giảm bơm laser tế bào FWM bị nhiễu, đó, hệ số liên 1  hợp pha  ÷g B I L 0l lớn 2  Từ kết hình (2.9) (2.10), cho thấy : Với CS độ phản xạ chùm dò vượt 30% tương tác FWM có hệ 1  số phản xạ thấp, tương đương với  ÷g B I L 0l sử dụng môi trường 2 Brillouin axeton Một nguyên nhân khác kể đến hiệu ứng phi tuyến Kerr CS Hoạt chất Kerr góp số hạng liên kết đặc biệt g K = 4.6 ×10−3 cm / MW vào hệ số liên kết phi tuyến Chính phần lệch pha π so với hệ số khuếch đại Brillouin gB trạng thái dừng 1  Tại giá trị tương đương  ÷g B I L 0l , trình FWM tạo 2 độ phản xạ liên hợp pha cao CS 2, độ lớn độ phi tuyến lớn gB Trong hệ thí nghiệm, tự hội tụ xạ bơm xảy tế bào FWM, làm giảm kích thước vết chùm laser bơm xuống lần, gây thay đổi cường độ chùm bơm cách đáng kể theo chiều dài tương tác Kết làm tăng chiều dài tương tác FWM hiệu dụng, với độ tăng cường độ chùm tia tự hội tụ tế bào FWM, góp phần làm cho hệ số liên hợp pha quan sát với CS2 lớn Để tránh phức tạp với phụ thuộc cường độ thay đổi chiết suất giảm chiều dài tương tác để góc chùm bơm – đầu dò ổn định, định hướng quang học thể hình 2.8 thay đổi ống dẫn sóng hình trụ tế bào FWM có đường kính 3mm, dài 5cm với mục đích bảo đảm tương tác trường độ bơm trường dò Sơ đồ cho phép góc chùm bơm – chùm dò θ thay đổi giới hạn xác định góc tới hạn phản xạ toàn phần bên 45 ( θc ≈ 320mrad ) chiều dài tương tác giữ cố định ( l = 5cm) độ lớn trường trình phi tuyến Vì ∆Ω = Ω( − cosθ / ) , ảnh hưởng điều hưởng so với sóng âm lên hệ số liên hợp tức thời trình BEFWM khảo sát từ thí nghiệm Hình 2.11, trình bày kết khảo sát hệ số phản xạ chùm dò tức thời tương tác BEFWM hàm điều hưởng so với tần số cộng hưởng âm ∆ν = ∆Ω / 2π Với độ điều hưởng nhỏ ( ∆ν = 5MHz ) , sử dụng ống dẫn sóng tạo hệ số phản xạ : 32% Khi điều hưởng tăng lên cách mở rộng góc tương tác, độ phản xạ liên hợp giảm 25% so với giá trị ban đầu góc giới hạn cho trường hợp phản xạ toàn phần θc θ ( mrad ) Độ phản xạ ∆ν ( MHz ) Hình 11 Độ phản xạ BEFWM CS2 ống dẫn sóng hàm tần số lệch hửng sinh thay đổi góc đầu dò Đường nét đậm tính toán cụ thể BEFWM bao gồm Kerr phi tuyến CS2 đường nét đứt bao gồm Brillouin [12] 46 Với góc chùm bơm – chùm dò nhỏ ( < 100mrad) hiệu ứng phi tuyến Kerr làm tăng độ lớn hiệu dụng hệ số liên kết FWM toàn phần kéo theo độ phản xạ đầu dò cao Khi điều hưởng âm tăng, tăng phần ảo độ khuếch đại Brillouin lệch pha góc π so với phần phi tuyến CS2 làm giảm mạnh giao thoa Cùng với mở rộng Lorentz thông thường làm giảm phần thực độ khuếch đại Brilloun điều hưởng ∆ν , điều làm giảm cách đáng kể độ lớn phi tuyến phức làm giảm mạnh độ phản xạ trình FWM Kết là: độ phản xạ liên hợp trình phi tuyến tiếp tục giảm nhanh CS so với trường hợp chất lỏng Brillouin hoạt chất Kerr Xu hướng phù hợp với kết phân tích thuyết, đưa thêm hiệu ứng Kerr vào tương tác Brillouin làm giảm bớt độ phản xạ trình FWM ( hình 2.5) giống trường hợp điều hưởng chuẩn hóa η tăng vượt 1,5 2.5 Hiệu suất tán xạ nhiễu âm Trên sở thí nghiệm Bubis [18], chứng minh BEFWM tín hiệu Stokes có độ nhạy lớn cho trường hợp tín hiệu yếu Độ nhạy khảo sát Bespalov [19] người mà làm giảm chùm tia tín hiệu dịch Stokes liên hợp vừa đủ tạp Các kết cho thấy tín hiệu tìm thấy có lượng cực tiểu vào 13fJ, tương đương với 104 photon xung Andreev [20] chứng minh, hệ bao gồm khuếch đại thông thường đặt sau gương liên hợp pha BEFWM Về mặt lý thuyết, lượng tín hiệu liên hợp pha gần giống photon đơn Sơ đồ thực thí nghiệm Kulagin [21] người chứng minh ảnh có chứa trung bình photon phần tử phân giải khuếch đại kết hợp với độ khuếch đại toàn phần 1012 47 2.6 Các thí nghiệm kết BEFWM với tạo ảnh có độ phân giải cao Quá trình BEFWM có hai ưu điểm so với tạo ảnh thông thường: độ phân giải theo thời gian xuất sử dụng xung laser ns trình BEFWM có băng tần hẹp, mà trình cho khả tách ánh sáng tốt Một ứng dụng xử lí tạo ảnh trình gia công vật liệu laser, xạ có băng tần rộng kết hợp tách lần Ứng dụng đề xuất Kulagin [23] Bespalov [24] sử dụng BEFWM để tạo ảnh, ảnh qua lửa, chứng minh sử dụng BEFWM để phát tán xạ từ thay đổi mật độ son khí Trong phần này, việc khảo sát cấu hình BEFWM liên kết khử phân cực sử dụng cho việc tạo ảnh phân giải cao xung ngắn trình bày minh họa theo phương pháp Trong cấu hình này, môi trường trộn bốn sóng cacbon disunphua ( CS2) chùm bơm ngược tạo chùm bơm thẳng nhờ tán xạ Brillouin cưỡng tế bào CS thứ hai Cấu hình sinh hình ảnh có chất lượng tốt, độ phân giải cao ( 9mm) để điều chỉnh quang sai hệ thống Hình 12 Bố trí thí nghiệm việc khảo sát tạo ảnh độ phân giải cao [16] 48 Hệ thống thí nghiệm sử dụng thể hình 2.12 [25] Bức xạ đầu vào cung cấp hòa âm bậc hai laser Nd: YAG Qswitched ( λ = 532nm) hoạt động chế độ đơn mode dọc TEM 00 với đường kính chùm tia 1,2 mm Hệ thống tạo xung 13ns ( FWHM) với tần số lặp 10Hz Chùm tia laser tách thành chùm bơm chùm tia tín hiệu nhờ tách tia BS1 có độ phản xạ 10% với chùm tia laser phân cực thẳng Chùm bơm E1 định hướng dọc theo trục ống dẫn sóng thủy tinh hình trụ ( dài 15cm đường kính bên 2mm) đặt tế bào FWM chứa môi trường hoạt Brillouin CS2 sau đó, hội tụ thấu kính L2 vào tế bào thứ hai phía sau chứa CS Điều tạo chùm bơm ngược liên hợp pha E2 nhờ SBS tế bào phía sau Bản phần tư bước sóng tế bào đảm bảo chùm bơm phân cực trực giao tế bào FWM Chùm tia tín hiệu E3 truyền qua λ / làm cho trực giao với E1, tương tác với chùm tia ngược E2 Tín hiệu đưa vào ống dẫn sóng với góc : 60 Sử dụng CS2 có chiết suất (n = 1,62) cao thủy tinh (n ≈ 1,5), đảm bảo phản xạ toàn phần xảy ống dẫn sóng Bản kiểm tra USAF đặt vào chùm tia tín hiệu thấu kính L ( tiêu cự 5cm) sử dụng để tạo hình ảnh gần với ảnh đầu vào ống dẫn sóng Mục đích thấu kính tạo ảnh tăng hiệu suất tín hiệu vào ống dẫn sóng lên cực đại Không yêu cầu tạo ảnh chất lượng cao hệ thống Để mô quang sai tiếp theo, thiết bị gây méo pha khác đặt chùm tia tín hiệu để kiểm tra hiệu chỉnh hệ thống Chất lượng liên hợp pha chùm (E 4) kiểm tra cách tách tách chùm tia BS đưa vào camera CCD Do độ 49 phân giải ảnh định kích thước điểm CCD ( 11µ m ×11µ m ), sử dụng thấu kính để phóng to ảnh lên lần Ban đầu, trình nghiên cứu đặc trưng tiến hành hệ kiểm tra đặt chùm tín hiệu Chùm tia Stokes E (đã tạo tế bào phía sau) ghi nhận theo thời gian nhờ photodiode nhanh dao động kĩ thuật số chất lượng không gian nhờ phân tích công tua chùm tia hai chiều kết hợp với camera CCD Chúng cho thấy xung Stokes có phân bố không gian Gauss tốt, độ rộng xung ngắn không đáng kể (11ns) so với xung bơm vào (13ns) Hệ số phản xạ lượng tế bào phía sau khoảng 45% – 60 % ( phụ thuộc vào tính chất CS2) lượng đầu vào 2mJ Đ ộ ph ản xạ ( % ) Cường độ bơm ( MW/cm ) Hình 13 Độ liên hợp pha dựa vào cường độ bơm BEFWM [20] Hệ số liên hợp pha chùm tín hiệu xác định định nghĩa lượng liên hợp pha E4 bị chia lượng đầu vào tín hiệu E 3, so với cường độ chùm bơm E2 (với phản xạ Fresnel điều 50 chỉnh ) Hệ số phản xạ liên hợp hàm cường độ bơm thể hình 2.13 Hình cho thấy độ phản xạ cực đại : 20% Chùm liên hợp E4 có độ rộng xung khoảng nửa độ rộng xung tín hiệu E3 Các kết thí nghiệm điều chỉnh hình ảnh thể hình 2.14 [25] Hình 2.14(a) cho thấy hình ảnh liên hợp pha máy ảnh CCD bề mặt ảnh phóng to Hình ảnh tương ứng với thay đổi pha chùm tia tín hiệu thể hình 2.14(b) Để so sánh, hình 2.14(c) (d) cho thấy hình ảnh máy ảnh mà gương phản xạ 100% đặt trước sau tế bào ( tức tín hiệu không truyền qua ống dẫn sóng mà phản xạ ngược trở lại) Hình 2.14(c) cho thấy hình ảnh phản xạ sai pha hệ hình 2.14 (d) cho thấy kết sau hai lần truyền qua sai pha (distorter) 51 Hình 14 (a) Hình ảnh liên hợp pha (b) Hình ảnh liên hợp pha qua distorter (c) Hình ảnh sơ đồ thí nghiệm với gương (d) Hình ảnh sau truyền lần qua distorter [24] Chất lượng điều chỉnh liên hợp pha tạo từ thí nghiệm BEFWM tốt so sánh hình 2.14(a) 2.14(b) Sự điều chỉnh tốt cho biến dạng đưa sử dụng nhiễu pha mạnh Trong hình ảnh phóng đại, vạch nhỏ mà tách µm ( 57 cặp vạch/ mm) điều giữ hình có sai pha hệ Giới hạn độ phân giải ống kính L tính : 3µm (khoảng cách từ ống kính đến sơ đồ thí nghiệm : 30cm ) Theo lý thuyết dự đoán trình BEFWM có độ phân giải giới hạn phụ thuộc độ lệch pha góc chùm tín hiệu tới lớn Đối với CS 2, giảm hiệu suất phụ thuộc vào góc tới đo thí nghiệm [15] Điều cho thấy với góc chấp nhận ≈ 200mrad tương ứng với độ phân giải dự kiến : 2.5µm Tuy nhiên, tín hiệu đưa vào ống dẫn sóng với : 100mrad góc mở rộng xung quanh giá trị góp phần làm giảm độ phân giải Hình 2.14(a) 2.14(b) cho thấy vạch ngang tách cách rõ ràng vạch dọc Không rõ nguyên nhân điều này, giải thích chùm tia tín hiệu đưa vào ống dẫn sóng với góc mặt ngang so với chùm bơm Điều có nghĩa là: tín hiệu phản xạ từ bên sang bên lan truyền xuống ống dẫn sóng từ xuống Điều ảnh hưởng đến chất lượng liên hợp pha ngang dọc Tuy nhiên, ảnh hưởng thấy hình 2.14(c), đó, hình ảnh phản xạ trở lại trước vào ống dẫn sóng, vậy, điều có lời giải thích 52 Độ phản xạ liên hợp pha đo ( hình 2.13) thấp dự đoán từ lý thuyết trạng thái dừng Độ phản xạ BEFWM trạng thái dừng đưa bởi: [15] (1− e ) µl R = I1 I (I + I 2e µl ) (2.11) Trong đó: I1 I2 cường độ bơm, µl : biến số độ khuếch đại, tính sau: µl = gB ( I1 + I ) l (2.12) l chiều dài tương tác ( : 15cm ) gB hệ số khuếch đại Brillouin (với CS : 0,13cm / MW ) Trong điều kiện độ khuếch đại cao, tương ứng với exp( µl ) ? 1và I2exp( µl ) ? I1, độ phản xạ chùm dò đưa phương trình (2.11) Độ phản xạ gần tỷ số cường độ bơm laser cường độ bơm Stokes (R=I1/I2) Trong trường hợp chúng ta, µl : 20 , tương ứng với tiêu chuẩn độ khuếch đại cao, tỷ lệ bơm =2 ( đạt độ phản xạ cực đại) Có nhiều lí giải thích độ phản xạ quan sát thực nghiệm nhỏ dự đoán từ lý thuyết trạng thái dừng Một yếu tố có tính nguyên lý tức thời trình Điều tượng rút ngắn xung liên hợp pha so với xung tín hiệu vài yếu tố Hai chùm bơm chùm tín hiệu không hoàn toàn trùng khớp theo thời gian tế bào FWM Xung bơm truyền ngược có thêm chiều dài quãng đường tạo phần tử phía sau Khoảng cách vòng tế bào tương đương với thời gian trễ 3ns Ngoài ra, tượng trễ phụ thuộc vào trình tức thời trình SBS tế bào phía sau Hiện tượng tức thời phi tuyến trình BEFWM tế bào trước góp phần rút ngắn xung liên hợp Trong BEFWM, thời gian để đạt trạng thái dừng (khoảng > 10) lớn so với thời gian tích thoát âm τ B Với CS2 τB : 2ns 53 [15], điều có nghĩa với xung cỡ 10ns quan sát chế độ dừng Các yếu tố đóng góp khác liên kết phân cực không hoàn toàn chùm tia bơm thay đổi phân cực CS2, làm giảm bớt cường độ sáng xuống ( CS2 nguyên chất quan sát độ phản xạ cao tới 45% ) dẫn đến tăng cường hiệu ứng nhiệt môi trường [24] 2.7 Kết luận chương Thông qua việc khảo sát tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin, xác định kết giải tích độ phản xạ R chế độ khác Kết thu là: • Đã đưa cấu hình tương tác BEFWM • Dẫn hệ phương trình đặc trưng lý thuyết khử phân cực BEFWM • Xác định biểu thức giải tích độ phản xạ trạng thái dừng Kết thu cho thấy độ phản xạ cực đại tăng độ điều tần cộng hưởng, độ khuếch đại tăng Ngoài ra, đặc trưng thời gian độ phản xạ BEFWM tức thời khảo sát 54 KẾT LUẬN CHUNG Từ phân tích mang tính tổng quan lý thuyết tán xạ Brillouin cập nhật năm gần đây, đề tài định hướng vào việc khảo sát tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin Các kết tóm lược điểm đây: • Đã giới thiệu tổng quan tán xạ Brillouin Từ nguyên nhân chất tán xạ Brillouin, chế sinh trình tán xạ Đã phân biệt trình tán xạ Brillouin trình tán xạ Raman, đưa thông số đặc trưng cho vật liệu sử dụng thực nghiệm tán xạ Brillouin • Đã khảo sát BEFWM trạng thái dừng thông qua độ phản xạ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shen Y R 1984 Principles of Nonlinear Optics, (New York: Wiley) [2] Boyd R W 1992 Nonlinear Optics, (Boston: Academic) ch 7–9 [3] Kaiser W and Maier M 1972, Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman spectroscopy in Laser Handbook, Vol ed F T Arecchi p 1077 [4] Hyun-Su-Kim, Sung-Ho-Kim, Do-Kyeong-Ko, Gwon-Lim, ByungHeon-Cha and Jongmin-Lee, 1999, Appl Phys Lett 74 1358 [5] Basov N G, Zubarev I G, Kotov A V, Mikhailov S I and Smirnov M, 1979, Sov J Quantum Electron 237 [6] Andreev N F, Bespalov V I, Kiselev A M, Matreev A Z, Pasmanik G A and Shilov A A, 1980, JETP Lett 32, 625 [7] Scott A M 1983, Opt Comm 45, 127 [8] Scott A M and Hazell M, 1986, IEEE J Quantum Electron QE-22 1248 [9] Skeldon M D, Narum P and Boyd R W, 1987, Opt Lett 12 343 [10] Bespalov V I, Betin A A, Dyaffov A I, Kulgria S N, Manishin V G, Pasmanik G A and Shilov A A, 1980, Sov Phys JETP 52 190 [11] Shilov A A, 1982, Sov Phys JETP 55 612 [12] Ridley KDand Scott AM1994, Brillouin-induced four-wave mixing in Optical Phase Conjugation ed, M Gower and D Proch (Berlin: Springer) [13] Efimkov V F, Zubarev I G, Mikhailov S I, SmirnovMG and Sobolev V B, 1984, Sov J Quantum Electron 14 209 [14] Bubis E I, Pasmanik G A and Shilov A A, 1983, Sov J Quantum Electron 13 971 56 [15] Schroeder W A, Damzen M J and Hutchinson M H R, 1989, IEEE J Quantum Electron QE-25 460 [16] Choi B I and Nam C H, 1999, Appl Phys B 69 55 [17] Damzen M J and Hutchinson M H R, 1983, IEEE J Quantum Electron QE-19 [18] Bubis E I, Kulagin O V, Pasmanik G A and Shilov A A, 1984, Sov J Quantum Electron 14, 815 [19] Bespalov V I, Matveev A Z and Pasmanik G A, 1986, Radio Phys Quantum Electron 29, 818 [20] Andreev N F, Bespalov V I, Dvoretsky M A and Pasmanik G A, 1989, IEEE J Quantum Electron QE-25, 346 [21] Kulagin O V, Pasmanik G A and Shilov A A, 1990, Sov J Quantum Electron 20, 292 [22] Kulagin O V, Pasmanik G A, Potlov P B and Shilov A A, 1990, Sov J Quantum Electron 20 1395 [23] Kulagin O V, Pasmanik G A, Potlov P B and Shilov A A, 1989, Sov J Quantum Electron 19, 902 [24] Bespalov V I, Kulagin O V, Makarov A I, Pasmanik GA, Potjomkin AK, Potlov P B and Shilov A A, 1991, Opt Acoust Rev 71 [25] Mocofanescu A, Corner L, Garcia R and Damzen M J, 1997, J Mod Opt 44, 731 57 [...]... có bước sóng và độ rộng xung thích hợp Các kết quả thu được ở trên là cơ sở để chúng ta nghiên cứu ở chương tiếp theo CHƯƠNG II KHẢO SÁT SỰ TĂNG CƯỜNG TRỘN BỐN SÓNG TRONG TÁN XẠ BRILLOUIN Tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) xảy ra dễ dàng với bức xạ laser công suất cao trong môi trường cấu trúc khối hoặc ống dẫn sóng Áp dụng các điều kiện trong phạm vi rộng, cả hội tụ và dẫn sóng, sóng Stokes tán xạ ngược... quang học tuyến tính Nhưng khi cường độ bức xạ tới cao, cường độ của tán xạ cưỡng bức không còn tuyến tính, sự tăng cường của môi trường kích thích dẫn đến sự tăng cường trong tán xạ Cường độ ánh sáng tới lớn hơn một ngưỡng giới hạn thì xảy ra quá trình phản hồi dương và chế độ tán xạ cưỡng bức xuất hiện và đặc trưng bởi sự khuếch đại theo hàm số mũ của các bức xạ tán xạ: I S (output ) = I S (input... đối với tán xạ Brillouin khi sử dụng xung quang học tương đối ngắn 1.3 Kết luận chương 1 Trong chương này chúng tôi đã giới thiệu tổng quan về tán xạ Brilloin, kết quả thu được gồm một số điểm chính sau:  Khi có một chùm ánh sáng chiếu vào một môi trường vật chất thì có thể xảy ra nhiều quá trình tán xạ khác nhau như tán xạ Rayleigh, tán xạ Raman, tán xạ Brilloin  Tán xạ Brilloin xảy ra khi có sự tương... 100% công suất sẽ tán xạ trong quá trình cưỡng bức Tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) và tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) rõ ràng là quá trình được tăng cường do sử dụng bức xạ mạnh Tán xạ cũng là một quá trình kết hợp, phải thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng Do đó đòi hỏi sự kết hợp hoàn toàn về thời gian và không gian của các nguồn bức xạ (ví dụ như tia laser) Quá trình tán xạ tự phát có... vạch tán xạ Δv, và tiết diện tán xạ dσ / dΩ Quá trình tán xạ Brillouin Raman Độ dịch τ chuyển tần số 109 1013 độ phổ B 108 1011 rộng Mặt tán xạ Hệ số cắt ngang khuếch đại dσ / dΩ 10-6 10-7 g(cm/MW) 10-2 5.10-3 Thời gian sống 10-9 10-2 Bảng 1 1: So sánh tần số dịch chuyển, độ rộng vạch phổ, hệ số khuếch đại, thời gian sống của các dao động giữa tán xạ Raman và tán xạ Brillouin 1.1.4 Quá trình tán xạ cưỡng... thẳng) Sự tương quan không gian của các tán xạ bức xạ dẫn đến hiện tượng thú vị và quan trọng được gọi là liên hợp pha quang (học) hoặc còn gọi là đảo đầu sóng l ω v( ) ω r( ) d IL IS Hình 1 6 Tán xạ ngược kích thích (θ = 1800) là cơ chế chủ yếu đối với SBS Trong hầu hết các trường hợp thí nghiệm [2], cường độ ban đầu của tán xạ IS (đầu vào) bắt nguồn từ sự tán xạ tự phát yếu Đối với kiểu tán xạ ngược... một sóng âm Khi cường độ ánh sáng kích thích nhỏ thì xảy ra quá trình tán xạ Brillouin tự phát Khi cường độ ánh sáng kích thích đủ lớn thì xảy ra quá trình tán xạ Brilouin cường bức Tán xạ Brilouin cưỡng bức xảy ra theo hai cơ chế đó là xảy ra do sự thay đổi mật độ cảm ứng (hiện tượng điện giảo) và do sự thăng giáng của nhiệt độ Tùy theo từng cơ chế mà ta có các phương trình mô tả cho quá trình tán xạ. .. dài nên cần có sự phân tích quá trình trong suốt trong lời giải của các phương trình Hiện tượng trong suốt nói trên không đề cập trong chế độ ổn định • Tán xạ SRS thẳng và tán xạ SRS ngược đều có thể xảy ra với độ khuếch đại cực đại và thường là theo hướng thuận Do điều kiện hợp pha trong SBS, chỉ có tán xạ ngược xảy ra, không có sự tán xạ theo hướng thuận như có trong môi trường đẳng hướng Việc tạo... là : tăng cường trộn bốn sóng trong tán xạ Brillouin (BEFWM) 2.1 Cấu hình tương tác BEFWM Quá trình cơ bản BEFWM là trường hợp FWM không suy biến, như trong hình 2.1, trong đó, cặp các chùm tia tương tác ( E 1, E4) và ( E2, E3) có khoảng cách tần số gần bằng hoặc bằng tần số âm cộng hưởng ( Ω ) theo quá trình SBS ( ω1 − ω4 = ω2 − ω3 = Ω ) Theo thuật ngữ nguyên lý trộn bốn sóng , ta xem cặp sóng E1... bởi hệ số khuếch đại của quá trình tán xạ gB (v), cường độ ánh sáng tới I L , và chiều dài môi trường (chiều dài tương tác) l Nó phụ thuộc rất mạnh vào cường độ ánh sáng tới Bằng cách này, chỉ cần tăng một phần nhỏ cường độ tới sẽ dẫn đến thay đổi cường độ tán xạ lên một bậc Ngoài ra, tán xạ mạnh nhất đạt được tại tần số trung tâm của quá trình tán xạ cưỡng bức g B (0) Sự phụ thuộc theo hàm số mũ của ... nghiên cứu trình tán xạ như: tán xạ Raman, tán xạ Bragg, tán xạ Brillouin chưa quan tâm nhiều, bỏ ngỏ! Chính chọn đề tài nghiên cứu: “ Khảo sát tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin CHƯƠNG... Raman cưỡng Tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin Trộn bốn sóng MỞ ĐẦU Tán xạ Brillouin nhà Vật lý Louis Brillouin phát năm 1922 Đó tượng tán xạ ánh sáng xảy ánh sáng tương tác với sóng âm môi... có bước sóng độ rộng xung thích hợp Các kết thu sở để nghiên cứu chương CHƯƠNG II KHẢO SÁT SỰ TĂNG CƯỜNG TRỘN BỐN SÓNG TRONG TÁN XẠ BRILLOUIN Tán xạ Brillouin cưỡng (SBS) xảy dễ dàng với xạ laser