Một số ảnh hưởng của chùm laser xung Gauss lên quá trình phân bố của môi trường bị kích thích

7 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH MAI VĂN LƯU MỘT SỐ ẢNH HƢỞNG CỦA CHÙM LASER XUNG GAUSS LÊN QUÁ TRÌNH PHÂN BỐ CỦA MÔI TRƢỜNG BỊ KÍCH THÍCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Quang Quý PGS TS Đinh Xuân Khoa VINH, 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Quang Quý PGS.TS Đinh Xuân Khoa Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Mai Văn Lƣu LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Quang Quý PGS.TS Đinh Xuân Khoa, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo, người đặt đề tài, dẫn dắt tận tình động viên tác giả suốt trình nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp khoa Vật lý, khoa Sau đại học - Trường Đại Học Vinh, Viện Khoa học & Công nghệ Quân - Bộ Quốc Phòng đóng góp ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thời gian học tập nghiên cứu Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án 10 MỞ ĐẦU Một thành tựu quan trọng phát triển khoa học công nghệ kỷ XX đời LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) Khác với ánh sáng thông thường, xạ laser chùm ánh sáng kết hợp, đơn sắc với độ phân kỳ nhỏ có cường độ lớn Ngoài tính chất trên, có số laser thay đổi bước sóng liên tục vùng phổ định Nhờ đó, ứng dụng laser khoa học, công nghệ sống ngày đa dạng, phong phú Một tham số đặc trưng cho chùm laser cường độ chùm tia Nói chung, cường độ chùm xung laser đại lượng phụ thuộc không gian thời gian, mà hầu hết có dạng phân bố Gauss Khi chùm laser truyền môi trường, tác động môi trường vật chất thay đổi trạng thái (hay bị kích thích) Chúng ta biết rằng, môi trường tập hợp hạt vi mô Các hạt vi mô có cấu trúc vật chất, cấu trúc lý - hoá, vị trí, tốc độ định tập trung không gian với mật độ xác định Khi chịu tác động laser, thành phần môi trường thay đổi thông qua trình lượng tử (hấp thụ phát xạ cưỡng bức), thay đổi nhiệt độ thông qua trình không lượng tử (tích thoát dao động) thay đổi vị trí, vận tốc thông qua trình va chạm lượng tử (tương tác xung lượng) Trong tự nhiên xảy tương tác, trình thay đổi trạng thái nói chung thay đổi nhiệt độ nói riêng, tất yếu - theo định luật bảo toàn lượng Mặt khác, theo định luật bảo toàn xung lượng, trình thay đổi vị trí vận tốc xảy Do đó, có tương tác laser với môi trường xảy thay đổi trạng thái nói chung, vị trí xung lượng nói riêng Mức độ thay đổi phụ thuộc vào số lượng (hay mật độ) dòng photon Hay nói cách khác, tác động chùm laser, thay đổi tính chất môi trường phụ thuộc vào cường độ chùm tia Khi xảy trình thay đổi trạng 11 thái vật chất (trong có thay đổi mật độ hạt), mật độ hạt bị kích thích thay đổi theo không gian thời gian Nghĩa là, mật độ hạt bị kích thích có phân bố lại theo không gian thời gian Phân bố mật độ vật chất có thay đổi tính chất (ví dụ mức lượng, nhiệt độ, vị trí, tốc độ,…) tác dụng chùm laser gọi chung trình quang phân bố (optical deposition) [20], [60], [82], [92] Sự thay đổi trình quang phân bố xẩy có tác động laser với môi trường Môi trường hoạt chất - môi trường khuếch đại laser đặc trưng hệ số khuếch đại (khuếch đại đơn vị độ dài) Hệ số khuếch đại mô tả tốc độ tăng mật độ dòng photon (hay cường độ trường laser) [6] Như vậy, phân bố tâm hoạt laser ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại môi trường hoạt chất ảnh hưởng đến hiệu suất công suất laser phát Mặt khác, kích thích, tâm hoạt chuyển từ mức lượng lên mức lượng cao hơn, nghĩa môi trường có thay đổi quang phân bố Khi chuyển từ mức kích thích mức laser trên, tâm hoạt tạo dao động nội làm cho nhiệt độ môi trường hoạt chất tăng lên [4], [7], [27], [47], [51], [58], [62], [67], [79], [9293] Quá trình biến đổi nhiệt hoạt chất phụ thuộc vào không gian thời gian Như vậy, trình biến đổi quang nhiệt xảy hoạt chất mà kết làm tăng nhiệt độ môi trường Do thay đổi chiết suất theo nhiệt độ mà hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành hoạt chất Sự thay đổi chiết suất trình hoạt động laser biến hoạt chất đồng ban đầu thành thấu kính - gọi thấu kính nhiệt Hiệu ứng thấu kính nhiệt ảnh hưởng đến cấu trúc chùm tia, ảnh hưởng đến tần số làm việc laser [6] Chùm tia laser làm thay đổi trình quang phân bố môi trường hoạt chất mà làm thay đổi vị trí, vận tốc hạt vi mô Sự thay đổi ảnh hưởng đến trình ổn định trạng thái hạt ảnh hưởng đến trình khảo sát, nghiên cứu đối tượng hạt vi mô 12 Ngày nay, laser rắn bơm ngang quan tâm nghiên cứu [42], [65], [67], [73], [80], [83-85], [89], [92] Đối với laser rắn, phân bố lượng bơm hay phân bố tâm hoạt bị kích thích vấn đề quan trọng trình thiết kế, chế tạo Dựa vào phân bố lượng bơm laser bán dẫn, công trình nghiên cứu trước giả thiết phân bố lượng bơm môi trường hoạt chất có dạng Gauss [92] Điều hoàn toàn không thực tế cần thay đổi nhỏ vị trí laser bán dẫn thay đổi kích thước hoạt chất, thay đổi tham số thấu kính hội tụ, làm thay đổi phân bố lượng bơm hoạt chất, làm thay đổi tính chất laser rắn Khảo sát ảnh hưởng tham số đến trình phân bố lượng bơm hoạt chất laser rắn tiếp tục nghiên cứu trình bày chương luận án Với laser Raman, tùy thuộc vào mục đích sử dụng yêu cầu tính chất mà nhiều loại laser Raman khác quan tâm nghiên cứu [2526], [28], [31-32], [51], [53-54], [69], [77-79], [87] Trong laser Raman, hiệu ứng tiêu cực ảnh hưởng đến hiệu suất hiệu ứng phát tần số đối Stokes [25], [84], [87] Hiện tượng sinh nhiệt laser Raman nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [24], [51], [69], [77-79], [87] Tuy nhiên, công trình dừng lại laser Raman phát sóng Stokes Nghiên cứu trình phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường hoạt chất laser Raman nghiên cứu trình bày nội dung chương luận án Ứng dụng chùm tia laser việc khảo sát, nghiên cứu hạt vi mô vấn đề cấp thiết, mang tính thời Khái niệm “Bẫy quang học” nhắc đến nhiều công trình nghiên cứu tác dụng laser [11-17], [19-20], [29-30], [35], [37-45], [59], [61], [75] Sử dụng hay nhiều chùm tia Gauss để bẫy hạt có kích thước cỡ nano (bẫy quang học) không vấn đề Tuy nhiên, chưa có công trình đề cập đến việc khảo sát phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi bẫy 13 quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều Nội dung tiếp tục bổ sung nghiên cứu trình bày chương Như vậy, từ vấn đề nêu trên, thấy số nội dung cần quan tâm nghiên cứu: 1) Nghiên cứu phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang laser bán dẫn 2) Khảo sát trình sinh nhiệt laser Raman phát sóng đối Stokes, ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt đến cấu trúc chùm tia phát 3) Nghiên cứu phân bố quang lực chùm tia Gauss bẫy quang học tác động lên hạt điện môi có kích thước cỡ nano Để giải vấn đề đặt ra, thời gian qua quan tâm nghiên cứu Các kết nghiên cứu trình bày luận án “Một số ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình phân bố môi trường bị kích thích” Với tên luận án xác định, mục đích nghiên cứu đề tài khảo sát ảnh hưởng chùm xung Gauss lên trình phân bố tâm hoạt bị kích thích hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến bán kính vùng chồng lấn lượng bơm hoạt chất, qua tối ưu hoá tham số nhằm nâng cao hiệu suất trình bơm Đối với laser Raman, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chùm tia Gauss lên phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Cuối cùng, luận án nghiên cứu ảnh hưởng tham số chùm tia lên phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi bẫy quang học hai chùm xung Gauss ngược chiều Để nghiên cứu nội dung nêu trên, luận án sử dụng phương pháp số tính toán lý thuyết Kết nghiên cứu trình bày chương luận án: Chƣơng Một số kết nghiên cứu tác dụng chùm laser xung Gauss 14 Trong chương khái quát kết nghiên cứu số tác giả phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang laser bán dẫn; trình sinh nhiệt laser Raman phát sóng Stokes phân bố quang lực bẫy quang học sử dụng chùm tia Gauss Từ điểm tổng quan, vấn đề cần quan tâm hoàn thiện như: phân bố hạt bị kích thích hấp thụ ánh sáng thực dịch chuyển kết hợp; phân bố hạt bị kích thích hấp thụ ánh sáng thực dịch chuyển không kết hợp (dịch chuyển nhiệt) cuối hạt bị kích thích không hấp thụ ánh sáng (hạt điện môi) đề xuất nghiên cứu chương sau Chƣơng Phân bố tâm hoạt bị kích thích hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Loại bỏ giả thiết phân bố lượng bơm có dạng Gauss hoạt chất với tham số cho trước công trình nghiên cứu W.Xie [92], chương đề xuất tham số thiết kế cần quan tâm, khảo sát phân bố tâm hoạt bị kích thích tiết diện ngang theo chiều dọc trục hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Qua tìm phương án tối ưu hoá tham số bơm theo tham số mode nhằm nâng cao hiệu suất trình bơm Chƣơng Phân bố tâm hoạt bị kích thích hiệu ứng gradient nhiệt laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Trong chương trình bày trình sinh nhiệt, huỷ nhiệt laser Raman quan tâm đến sóng đối Stoke laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Qua tìm phân bố nhiệt, phân bố chiết suất hoạt chất laser Raman phân tích khả loại bỏ hiệu ứng nhiệt laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Chƣơng Phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi cỡ nano bẫy quang học hai chùm xung Gauss ngược chiều 15 Giới thiệu cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss lan truyền ngược chiều Nội dung chương nghiên cứu phân bố quang lực hai chùm tia Gauss tác dụng lên hạt vi mô Qua đề cập đến tính ổn định bẫy quang học sử dụng hai chùm tia Gauss lan truyền ngược chiều Bản luận án hoàn thành khoa Vật lí, trường Đại học Vinh Kết luận án báo cáo Seminar môn Quang học - Quang phổ, khoa Vật lí, trường Đại học Vinh Các kết luận án trình bày Hội nghị Quang học - Quang phổ toàn quốc [45], [46], [47]; công bố tạp chí Nghiên cứu Khoa học, Kỹ thuật Công nghệ Quân [41], [66], [67]; tạp chí Communication in Physic [26], [27], [38], [42], [44], [65]; tạp chí chuyên ngành nước (Computational methods for Science and Technology, Ba Lan [39] Chiness Optic Letter, Trung Quốc [43]) 16 Chƣơng MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ TÁC DỤNG CỦA CHÙM LASER XUNG GAUSS 1.1 Chùm laser xung Gauss 1.1.1 Phân bố mode buồng cộng hưởng laser Lý thuyết trường điện từ cho thấy cường độ trường buồng cộng hưởng khác phân tích thành chuỗi hàm phụ thuộc vào ba tham số Mỗi tham số ứng với dạng dao động (hay gọi mode), ký hiệu TEMmnq (viết tắt mode ngang - Tranverse, mode điện - Electric mode từ - Magnetic, m n số nguyên [10]) Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ không, rìa chùm tia theo hai hướng vuông góc (m cho mode điện n cho mode từ) Hai số đầu (m,n) ứng với hàm mô tả cấu trúc ngang dao động (dạng dao động ngang) - TEMmn Mỗi dao động ngang ứng với hàng loạt dao động dọc cách nửa bước sóng, xếp theo chiều dài buồng cộng hưởng [6], dao động ứng với số q Chiều dài buồng cộng hưởng bước sóng ánh sáng tác động lẫn để tạo mode dọc phân bố lượng chùm tia Còn thiết kế buồng cộng hưởng nhân tố then chốt việc xác định phân bố cường độ theo chiều ngang chùm tia [10] Trong buồng cộng hưởng quang học tồn sóng đứng, giao thoa sóng phẳng truyền dọc quang trục theo hướng ngược sau phản xạ hai gương Khoảng cách hai bụng sóng liền nửa bước sóng Các dao động dọc xếp theo chiều dọc buồng cộng hưởng, dao động dọc ứng với tần số riêng Thực tế số dao động dọc (mode dọc) laser số nguyên lần nửa bước sóng so với chiều dài buồng cộng hưởng Bước sóng mode dọc tính theo công thức [6]: data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... trình bày luận án Một số ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình phân bố môi trường bị kích thích Với tên luận án xác định, mục đích nghiên cứu đề tài khảo sát ảnh hưởng chùm xung Gauss lên. .. hiệu suất trình bơm Đối với laser Raman, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chùm tia Gauss lên phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường laser Raman... Chƣơng MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ TÁC DỤNG CỦA CHÙM LASER XUNG GAUSS 1.1 Chùm laser xung Gauss 1.1.1 Phân bố mode buồng cộng hưởng laser Lý thuyết trường điện từ cho thấy cường độ trường