Khảo sát sự liên hợp pha của các sóng quang trong tán xạ briỉlouin cưỡng bức

LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, cô giáo, đặc biệt thầy giáo TS Chu Văn Lanh, người định hướng, dẫn tận PHÀN Mờ ĐẦU tình cho tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu Lý chọn đề tải Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Huy Bằng, chủ nhiệm chuyên ngành Quang học, khoa Vật lý, trường Đại học Vinh, Mục đích nghiên cứu đề tài thầy giáo TS Nguyễn Văn Hóa - Trường Đại học Hồng Đức, thầy giáo chuyên ngành Quang học khoa Vật lý, trường Đại học Vinh có Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài ý kiến đóng góp quý báu trình tác giả thực luận văn Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, Ý nghĩa lý luận thực tiễn cúa luận văn phòng Sau Đại học trường Đại học Vinh nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập Bố cục luận văn Vinh, tháng 05 năm 2015 CHƯƠNG TỔNG Tác giả1.luận vănQUAN VÈ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng 1.1.1 Qu trình tán xạ tự phát MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tán xạ Brillouin Louis Brillouin phát năm 1922 Đó tượng tán xạ ánh sáng xảy ánh sáng tương tác với sóng âm môi trường vật chất rắn, lỏng, khí Tán xạ Brillouin khó quan sát sử dụng nguồn sáng thông thường Đen 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 có cường độ lớn dễ quan sát Lúc 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 bón sóng sợi quang, Đặc biệt vào năm 2007, nhóm nhà nghiên cứu Vật lý người Mĩ Duke Ưniversity ưniversity of 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 (SBS) sợi quang [11] 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 tán xạ Raman, tán xạ Brag, tán xạ Brillouin chưa quan tâm nhiều, bỏ ngỏ Trong giới hạn Đối tượng nghiên cứu đề tài là: Nghiên círu liên hợp pha bố quang sai, liên hợp pha quang SBS, tính chất phân cực liên hợp pha SBS, liên hợp pha véc tơ xạ khử phân cực qua SBS Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu liên hợp pha bổ quang sai, liên hợp pha sóng quang SBS, tính chất phân cực liên hợp pha SBS, liên hợp pha véc tơ xạ khử phân cực qua SBS Nhiệm vụ nghiên cúu đề tài • Dan phương trình sóng cho biên độ trường cường độ trường mô tả cường độ tán xạ Brillouin cưỡng • Khảo sát liên hợp pha quang dựa phương trình sóng cho biên độ trường cường độ trường mô tả cường độ tán xạ Brillouin cưỡng Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cúu đề tài Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết dựa phương trình sóng cho biên độ trường cường độ trường mô tả cường độ tán xạ Brillouin cưỡng Ý nghĩa lý luận thực tiễn luận văn Kết luận văn hoàn thiện trình nghiên cứu tán xạ Ánh sáng tới ► Anh sáng J^tán xạ 65 Bố cục luận văn CHƯƠNG VÈ TÁN Ngoài phần TỎNG Mở đầu,QUAN Ket luận, Phụ XẠ lục, BRILLOUIN Danh mục đề tài, Tài liệu tham khảo, luận văn có chương: 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng Chương 1: Tống quan tán xạ Brillouin Khi có ánh sáng có sóng điện từ qua môi trường vật chất Trình bày tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng Xây đựng trình tán xạ khác xảy Vật chất dạng lỏng, rắn lý thuyết tán xạ Brillouin cưỡng (SBS) Giới thiệu sơ lược vật liệu đối khí, trường hợp ánh sáng bị tán xạ dao động với SBS kích thích đặc tính quang học môi trường (cụ thê thay đổi mật độ môi trường) Quá trình tán xạ làm photon tới sinh Chươngtán2:xạKhảo hướng hên hợp cáctầnsóng quang photon lệch sát so với banpha đầu có số dịch so với tán tần số ban đầu Một số tán xạ biết xạ tán Rayleigh, tán xạ Billouin Môi tán trường xạ Hình 1.1 Tán xạ tức thòi ánh sáng tói [3] Trong chương này, chủ yếu làm rõ tượng tán xạ Brillouin Tuy nhiên, dành phần đẻ đề cập cách ngắn gọn đến trình tán xạ Raman, đóng vai trò quan trọng quang học phi tuyến song hành với tán xạ Brillouin, 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 điến (Ví dụ tán xạ Brillouin, phonon có lượng bé ICBT, ICB số Boltzmann T nhiệt độ) Tán xạ xảy tương tác sóng ánh sáng (cổ điên) 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 sóng bán cổ điên đê 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 đê mô tả cho đơn giản có nhìn sâu sắc vào trình 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, gợi vạch đôi Rayleigh Hình Phô tần số ánh sáng tán xạ [3] 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 hàng trăm hàng ngàn số dao động (cm’ 1), xảy tán xạ Raman đuợc 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 X = 500nm, có số dao động = / X = 20000cm"1) Trong nguyên tử hay phân tử có tồn trạng thái dao động trạng thái quay Hình 1.2 mô tả cách đơn giản vạch Raman Tại trung tâm, có thành phần tán xạ Rayleigh Nó thay đổi tần số tán xạ môi trường thăng giáng mật độ 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 ỉ s (z) = I s ( 0) Q X V(g B I L z )’ sơ) = 7s(0)exp (g B I L l ) (1.1) Trong Is(z) cường sángđộtán vịđộtrí z môi sáng tới Mặt đó: khác, vớilàánh sángđộcóánh cường lớnxạthìở cường ánh sáng trường, ls(0)nên cường độ tánsựxạdao động diêm ban vật đầu,chất g B hệ số tán xạ trở mạnh sinhkhuếch bởiđại có tán sáng xạ Itới L làTrong cườngchế độ độ củanày, chùm sáng 1được chiều mặt trình ánh ánh tán xạ ánhtớisáng gợi làdài tánmôi xạ trường đại.quá trình tán xạ cưỡng dễ dàng quan sát cường cưỡng khuếch Các độ ánh sáng nằm khoảng: Ì06wIcm1 [...]... trưng bởi các 30 CHƯƠNG 2 Sự LIÊN HỢP PHA CỦA CÁC SÓNG QUANG Trong chương này chúng tôi sẽ nghiên cứu về sự liên họp pha và sự bổ chính quang sai, sự liên hợp pha quang bởi SBS, các tính chất phân cực của sự liên hợp pha trong SBS, thấu kính cảm ứng nhiệt và sự khử phân cực trong khuếch đại laser, sự liên hợp pha véc tơ của bức xạ khử phân cực qua SBS 2.1 Sự liên hợp pha và sự bố chính quang sai Các công... chùm tia vào có cường độ lớn Sự tương tác phi tuyến tính không cần đến ngưỡng SBS [7], có thể khuếch đại tín hiệu đạt 10 5 lần [10] và cho ta quá trình liên hợp pha tuyệt vời [8] Những thuộc tính này làm cho 34 2.2 Sự liên hợp pha của các sóng quang trong tán xạ Brillouin cưỡng bức Sự liên hợp pha của các sóng quang trong tán xạ Brillouin cưỡng bức hay là liên hợp pha quang học phi tuyến do Zerdovich... phần 10' 5 công suất chùm laser sẽ bị tán xạ tự nhiên khi đi qua lem nước, nhưng hầu như 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 15 bức xuất hiện và đặc trưng bởi sự khuếch đại theo hàm số mũ của các bức xạ tán xạ [1] : Is(output) = I s(input) Gxp(g... 1.1.4 Quá trình tán xạ cưỡng bức Tán xạ cưỡng bức ánh sáng [3] khác với tán xạ tự phát qua các yếu tố sau: • Nó được quan sát bởi ánh sáng có cường độ cao trên ngưỡng nhất định • Nó xảy ra với bức xạ đon sắc có độ rộng phổ hẹp • Phổ tán xạ cho từng vạch riêng (phố gián đoạn) Hiện tượng tán xạ ánh sáng có thể xẩy ra do hiện tượng thăng giáng đặc tính quang học của hệ vật chất Quá trình tán xạ ánh sáng gọi... cực tuyến tính thuần túy Quá trình tán h = Ipc exp(2gBILl) + INPC exp(gBlLI) (2.6) xạ Brillouin cưỡng bức liên quan đến sự hình thành của sóng âm hoạt động như một gương tán xạ, bức xạ tán xạ ngược sẽ hình thành liên hợp pha với điều kiện lựa chọn phù hợp Trong một môi trường đẳng hướng, sóng âm là Chúng ta cũng lưu ý rằng khuếch đại tăng cường dẫn đến sự lựa chọn sóng dọc và biến thiên mật độ là đại... so với liên kếtđến pha PC (giả sử tương N là quan số mode hiệu dụng của ống dẫn pha sát có tính trường không sóng) Sự phân bố liên hợp pha có hệ số khuếch đại được xem bằng hai lần hệ số khuếch đại phân bố không tương quan và cường độ tán xạ khuếch đại tổng 2.3 Các đặc trung phân cực của liên họp pha trong SBS hợp qua chiều dài ống dẫn sóng (/) được thê hiện qua công thức [8] : Giả thiết bức xạ laser... Trường quang với mặt đầu sóng biến dạng[6] Điều quan trọng nhất của kỹ thuật liên hợp pha có khả năng hiệu chỉnh quang sai pha của tia tới bằng cách tạo ra tia liên hợp pha đi lại và tia tới sẽ được khôi phục chất lượng như ban đầu Một thiết bị quang phi tuyến tạo ra 32 33 PCM Phẩn tử SBS „ “Gương” âm (b) Hình 2.2.Khả năng hiệu chỉnh quang sai của quá trình liên hợp pha ó] Hình 2.3 Liên họp pha được... theo một góc nào đó Sự tương tác này đã tạo thành chùm tia thứ 4 E4 (gọi là chùm tia liên hợp) là liên hợp pha của E3 Một hệ kết hợp hai quá trình này được gợi là trộn bốn sóng có tăng cường Brillouin (BEFWM) cũng được xây dựng Phương pháp này, nhờ kết Tán xạ Brillouin cưỡng bức kéo theo sự hình thành của một "gương" hợp những đặc diêm mong muốn của các quá trình thành phần, trong đó, sóng âm bởi một chùm... vào hệ số khuếch đại của quá trình tán xạ cưỡng bức sẽ làm cho độ rộng phổ hẹp hơn so với trường hợp tán xạ tự phát Trong tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) hướng chiếm ưu thế của sự tán xạ là theo hướng ngược (0 = 180°) Điều này xảy ra vì nhiều lý do: • Chiều dài tối đa đạt được thường là dọc theo trục của chùm tia và tương ứng với chiều dài của môi trường tương tác ( / ) Đối với các góc khác có chiều... hạn bởi đường kính (d) của chùm tia tới (d«/) • TE đạt giá trị nhỏ nhất tại 0 = 180° (xem công thức 1.6), vì vậy sự d Hỉnh 1.6 Tán xạ ngược kích thích (6 = 180°) là cơ chế chủ yếu đổi với [2] 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 hình 1.6, sự tán xạ tự phát xảy ra ở mặt sau của vùng tưong tác, ... 2.2 Sự liên hợp pha sóng quang tán xạ Brillouin cưỡng Sự liên hợp pha sóng quang tán xạ Brillouin cưỡng liên hợp pha quang học phi tuyến Zerdovich et aỉ [5], [6] phát năm 1972 ý khắp giới Bằng cách... cực liên hợp pha SBS, liên hợp pha véc tơ xạ khử phân cực qua SBS Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu liên hợp pha bổ quang sai, liên hợp pha sóng quang SBS, tính chất phân cực liên hợp pha. .. rắn Các vật liệu cho SBS có hiệu suất cao đặc trưng 30 CHƯƠNG Sự LIÊN HỢP PHA CỦA CÁC SÓNG QUANG Trong chương nghiên cứu liên họp pha bổ quang sai, liên hợp pha quang SBS, tính chất phân cực liên