Phát xung quang học đa sắc bằng phương pháp raman trộn bốn sóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - PHAN ĐÌNH THẮNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SĨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - PHAN ĐÌNH THẮNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SĨNG CHUN NGÀNH : QUANG HỌC Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG CHÍ HIẾU TS NGUYỄN MẠNH THẮNG Hà Nội, 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Hồng Chí Hiếu, TS Nguyễn Mạnh Thắng người trực tiếp hướng dẫn tơi, tạo điều kiện thuận lợi để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS Totaro Imasaka phòng thí nghiệm Center of Future Chemistry, Division of International Strategy, Kyushu University, Nhật Bản Đã tạo điều kiện để tơi thực thí nghiệm nghiên cứu luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Dương giúp đỡ tơi nhiều nghiên cứu tơi Tơi xin chân thành cảm ơn thầy tồn thể cán bộ, nghiên cứu sinh, học viên cao học sinh viên thuộc Bộ mơn Quang lượng tử nhiệt tình ủng hộ giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn cán bộ, chun viên phòng ban nhà trường Khoa Vật lý hướng dẫn, tạo điều kiện để tơi nhanh chóng hồn thành thủ tục bảo vệ Cuối cùng, tơi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình người thân ln ủng hộ, tin tưởng động viên tơi suốt q trình học tập cơng tác Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 Học viên cao học Phan Đình Thắng Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi Mở đầu 1.1 Quang học phi tuyến 1.2 Hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai Hiệu ứng phát hòa ba bậc hai Hiệu ứng phát tần số tổng tần số hiệu 11 Phát khuếch đại thơng số quang học 12 1.3 Hiệu ứng quang phi tuyến bậc ba 13 1.3.1 Hiệu ứng Kerr 14 1.3.2 Hiện tượng tự điều biến pha 15 1.3.3 Hiện tượng điều biến pha chéo 17 1.3.4 Hiện tượng trộn bốn sóng 18 Phát hòa ba bậc ba (THG) 20 Phát hiệu tần số trộn bốn sóng (FWDFM) 20 Trộn bốn sóng suy biến (DFWM) .21 1.4 Nghiên cứu phát xung quang học đa bước sóng hiệu ứng Raman – Trộn bốn sóng 22 1.4.1 Tổng quan phát xung quang học đa bước sóng hiệu ứng Raman-trộn bốn sóng 23 1.4.2 Raman-trộn bốn sóng mơi trường khí hydro 27 1.4.2.1 Các mức lượng dao động - quay phân tử hydro .28 1.4.2.2 Raman-trộn bốn sóng mơi trường khí hydro 33 1.4.3 Điều kiện hợp pha .34 Điều kiện phù hợp pha sợi quang rỗng (hollow fiber or capillary): 41 Chương THỰC NGHIỆM .44 2.1 Raman- trộn bốn sóng sử dụng hai xung bơm 44 2.1.1 Xung bơm vùng hồng ngoại gần 44 2.1.2 Xung bơm vùng tử ngoại gần 45 2.2 Raman – trộn bốn sóng sử dụng ba xung bơm 47 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Hiệu suất kết nối truyền xung laser sợi rỗng 50 3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới phát Raman – trộn bốn sóng điều kiện tối ưu 51 3.2.1 Tác động tự điều biến pha điều biến pha chéo .51 3.2.2 Sự ảnh hưởng thời gian trễ xung bơm lên q trình Raman – trộn bốn sóng .59 3.3 Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc theo mơi trường 62 3.3.1 Trộn bốn sóng mơi trường khơng khí 62 3.3.2 Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng mơi trường khí hydro 67 3.3.2.1 Ống kín chứa khí hydro 67 3.3.2.2 Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng sợi rỗng 73 KẾT LUẬN .79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng – Tổng quan quang học phi tuyến laser xung cực ngắn Hình 1.1: Sự phản ứng lưỡng cự với trường tác dụng, (a) Các lưỡng cực khơng có điện trường tác dung, (b) Khi có điện trường tác dụng………………… Hình 1.2: a) Cường độ tín hiệu hòa ba bậc hai chất KDP với chiều dài khác b) Chiết suất KDP phụ thuộc vào bước sóng… .10 Hình 1.3: Sơ đồ lượng q trình phát Raman – trộn bốn sóng…………… 23 Hình 1.4: Sơ đồ khơng phù hợp vector sóng q trình Raman – trộn bốn sóng, đường nét liền khơng phù hợp vectơ sóng, đường nét đứt phù hợp vectơ sóng……………………………………………………… … ………………… 26 Hình 1.5: Thế phân tử hai ngun tử theo dịch chuyển ngun tử q trình rung động, đường nét đứt dao động điều hòa theo định luật Hook, đường nét liền dao động khơng điều hòa theo mơ hình Morse……… 29 Hình 1.6: Sơ đồ Raman – trộn bốn sóng mơi trường khí hydro, hai xung bơm 800 nm (ωP ~2ω) xung stoke 1200 nm (ωs ~2ω), phát xung đối stoke bậc có tần số 4ω…………………………………………………………………….….33 Hình 1.7: Sơ đồ Raman – trộn bốn sóng thác đổ phát xung đối stoke bậc cao, với xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm………………………………… … 34 Hình 1.8: Sơ đồphù hợp vector sóng khơng đồng trục tượng trộn bốn sóng mơi trường phi tuyến……………………………………………………… 35 Hình 1.9: (a) Sơ đồ vector sóng phù hợp pha q trình phát Raman – trộn bốn sóng phát đa bước sóng, (b) phù hợp pha q trình phát vạch đối stoke bậc (1), vạch đối stoke bậc hai (2), vạch đối stoke bậc (3)………………………… 36 Hình 1.10: Chiết suất mơi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng điều kiện chuẩn 0oC atm (760 Torr) ……………………………………………….…………37 Hình 1.11: Tán sắc vận tơc nhóm GVD vủa mơi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng điều kiện chẩn 0oC atm (760 Torr)………………………………… 37 Hình 1.12: Chiết suất mơi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng điều kiện phòng thí nghiệm 20 oC áp suất 35 atm…………………………………………….…39 i Hình 1.13: Tán sắc vận tốc nhóm GVD mơi trường khí hydro phụ thuộc vào bước sóng điều kiện phòng thí nghiệm 20oC áp suất 35 atm…………………… 39 Hình 1.14:Góc phát vạch đối stoke bậc 1( β) phụ thuộc vào góc tới (𝛂) hai xung bơm xung stoke, Raman – trộn bốn sóng ống khí hydro áp suất atm……………………………………………………………………………… 40 Chƣơng – Thực nghiệm Hình 2.1: Sơ đồ thí nghiệm Raman-trộn bốn sóng sử dụng hai nguồn bơm, M: gương phản xạ, DM: gương phản xạ lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, λ/2: 1/2 bước sóng, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ…………………… …………….45 Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm phát xung laser vùng tử ngoại gần (DUV – Deep ultraviolet), M: gương phản xạ, DM: gương lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, BBO: tính thể β-barium borate, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ…………….…….46 Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm Raman – trộn bốn sóng sử dụng ba xung bơm, M: gương phản xạ, DM: gương lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, BBO: tính thể βbarium borate, λ/2: 1/2 bước sóng, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ……… 48 Chƣơng – Kết thảo luận Hình 3.1: Hiệu xuất kết nối xung laser hội tụ vào sợi quang rỗng với số mode xung truyền HE1m, xung laser 400 nm, tiêu cự gương cầu 1000 mm…… …… 50 Hình 3.2: Phổ xung bơm 800 nm áp suất khác nhau……………….………52 Hình 3.3: Phổ xung đối Stoke bậc 600 nm áp suất khác nhau………….53 Hình 3.4: Phổ xung đối Stoke bậc hai 480 nm áp suất khác nhau………… 53 Hình 3.5: Độ rộng phổ ban đầu xung 400 nm 480 nm trước hội tụ vào sợi rỗng …………………………………………………….………………….55 Hình 3.6: Sự mở rộng phổ xung 400 nm theo áp suất khí hydro sợi rỗng tượng tự điều biến pha (SPM) ………………………………………… 56 Hình 3.7: Độ bán rộng phổ xung bơm 400 nm theo áp suất ………………… …56 Hình 3.8: Sự mở rộng phổ xung Stoke 480 nm theo áp suất khí hydro sợi rỗng tượng tự điều biến pha (SPM) ……………………………………….57 Hình 3.9: Độ bán rộng phổ xung Stoke 480 nm theo áp suất …………………… 57 ii Hình 3.10: Sự mở rộng phổ SPM XPM hai xung 400 nm 480 nm tương ứng với lượng 104 µJ 100 µJ Đường màu đỏ mở rộng phổ SPM áp suất atm, đường màu đen mở rộng phổ SPM XPM áp suất atm, đường màu xanh mở rộng phổ SPM XPM áp suất atm…………………………………………………………………………………59 Hình 3.11: Phổ xung đối Stoke bậc thời gian trễ khác ………….… 60 Hình 3.12: Phổ xung đối Stoke bậc hai 480 nm thời gian trễ khác ………61 Hình 3.13: Phổ xung đối Stoke bậc ba 400 nm thời gian trễ khác ………61 Hình 3.14: Phổ trộn bốn sóng phát khơng khí, hai xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm a) Quan sát máy quang phổ hồng ngoại với dải bước sóng quan sát 200 – 1100 nm (Maya Ocean Optics USB2000), b) Quan sát máy quang phổ tử ngoại với dải bước sóng quan sát 175 – 420 nm (Maya Ocean Optics USB2000)………………… …………………………… ……………………….63 Hình 3.15: Vạch đối stoke bậc đươc quan sát cách sử dụng lăng kính tán sắc……………………………………………….… …………………………… 65 Hình 3.16: Q trình chuyển hóa lượng xung bơm sang vạch đối stoke phụ thuộc vào áp suất khơng khí …………………………………………….…… ….66 Hình 3.17: Hiệu suất phát vạch đối Stoke phụ thuộc vào áp suất khơng khí 67 Hình 3.18: Phổ phát Raman – trộn bốn sóng, A) quan sát quang phổ hồng ngoại Ocean optics USB 2000 pro, B) phóng to dải từ 200 – 325 nm Hai xung bơm 1200 nm 800 nm, hội tụ vào ống GC chứa khí hydro áp suất 1.95 atm, thời gian trễ fs, tiêu cự gương cầu phản xạ f = 750 mm……………… 68 Hình 3.19: Phổ phát Raman – trộn bốn sóng phụ thuộc theo áp suất ………….…69 Hình 3.20: Sự chuyển hóa lượng từ xung bơm sang xung đối Stoke theo áp suất ………………………………………………………………………… ……70 Hình 3.21: A) Hiệu suất phát vạch đối Stoke phụ thuộc theo áp suất khí hydro, B) Năng lượng vạch đối Stoke theo áp suất khí hydro…………………71 Hình 3.22: Độ bán rộng phổ (FWHM) xung bơm xung đối Stoke bậc bậc hai phụ thuộc vào áp suất khí hydro ống khí…………… ……….…….72 iii Hình 3.23: a) Phổ xung bơm xung đối Stoke q trình FWRM sợi rỗng , b) cường độ xung bơm xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất khí hydro sợi rỗng……………………………… ………… …….…………… … 74 Hình 3.24: Hiệu suất phát vạch đối Stoke phụ thuộc áp suất hydro……….75 Hình 3.25: a) Phổ vạch Stoke đối Stoke bậc q trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm xung dò 200 nm, ba xung bơm hội tụ vào sợi rỗng chứa khí hydro áp suất 1.1 atm (đường màu đỏ) Đường màu xanh q trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm với áp st b) Cường độ xung đối Stoke bậc bước sóng 187 nm phụ thuộc vào áp suất khí hydro sợi rỗng…………………………………….…………… …77 Hình 3.26: Vết xung bơm xung đối Stoke quan sát chắn sử dụng lăng kính tán sắc……………………………………………………………… …78 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Chƣơng – Tổng quan quang học phi tuyến laser xung cực ngắn Bảng 1.1: Các lượng tử rung động quay số phân tử chất khí…… …32 Bảng 1.2: Năng lượng mức rung động – quay phân tử hydro [cm-1]……….…32 Bảng 1.3: Hệ số phương trình Sellmeier số chất khí……………… … 38 Bảng 1.4: Góc phù hợp pha khoảng cách hai xung bơm áp xuất thay đổi, bước sóng hai xung bơm 800 nm 1200nm, gương cầu phản xạ có tiêu cự f = 750 mm 40 Bảng 1.5: Một số giá trị unm………………………………………………… 41 Chƣơng – Kết thảo luận Bảng 3.1: Năng lượng hai xung bơm xung Stoke trước ống khí GC………… 70 Bảng 3.2: Năng lượng hai xung bơm xung Stoke sau truyền qua ống khí GC……………………………………………………………………… …… ….70 Bảng 3.3: Năng lượng vạch đối Stoke q trình phát Raman – trộn bốn sóng……………………………………………… ………………………………72 v Luận văn thạc sĩ khoa học 0.30 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 AS8 Hiệu suất (%) 0.25 0.20 A 26.2 % 0.15 0.10 8.84 % 0.05 3.25 % 1.33 % 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Á p suất (atm) 70 60 Năng lượng J 50 40 B AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 30 20 10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Áp suất (atm) Hình 3.21: A) Hiệu suất phát vạch đối Stoke phụ thuộc theo áp suất P khí hydro, B) Năng lượng vạch đối Stoke theo áp suất khí hydro Phan Đình Thắng 71Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Các vạch đối Stoke bậc cao đạt hiệu suất (𝜂) cao áp suất atm, cụ thể vạch đối Stoke bậc hai đạt 8.84 %, vạch đối Stoke bậc ba đạt 3.25 %, vạch đối Stokes bậc đạt 1.33 % thể hình 3.21 (A), lượng vạch đối Stokes hình 3.21 (B) bảng 3.3 Bảng 3.3: Năng lượng vạch đối Stoke q trình phát Raman – trộn bốn sóng Energy µJ AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 61.599 16.69118 5.21342 1.87772 0.64933 0.196 0.09096 Ở áp suất cao, xung đối Stoke phát có mở rộng phổ có đóng góp hiệu ứng tự điều biến pha điều biến pha chéo xung bơm Các tượng xảy đồng thời với hiệu ứng FWRM dẫn tới làm giảm hiệu suất phát xung đối Stoke, rõ ràng xung đối Stoke bậc hiệu suất xung giảm áp suất lớn 1.5 atm Hình 3.22: Độ bán rộng phổ (FWHM) xung bơm xung đối Stoke bậc bậc hai phụ thuộc vào áp suất khí hydro ống khí Hỉnh 3.22 biểu diễn độ bán rộng phổ xung bơm xung đối Stoke mở rộng phổ xung bơm tăng theo áp suất mơi trường dẫn tới mở rộng phổ Phan Đình Thắng 72Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học xung đối Stoke tượng tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) xung bơm xung đối Stoke phát Sự mở rộng phổ xung bơm hiệu ứng tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (SPM) làm lượng xung bơm chuyển sang thành phần tần số cao thấp so với tần số xung bơm, hiệu ứng FWRM xảy thành phần tần số nguồn bơm phát xung Stoke đối Stokes thuộc tần số cao thấp so với tần số xung Stoke đối Stoke Một phần lượng xung bơm chuyển hóa thành xung có thành phần tần số Nên lượng xung Stoke đối Stoke bị giảm 3.3.2.2 Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng sợi rỗng Từ cơng thức (74-77) cường độ hiệu suất xung đối Stoke q trình phát FWRM tỷ lệ với chiều dài tương tác xung bơm mơi trường phi tuyến, q trình phát xung đối Stoke tượng hình thành sợi khơng khí, q trình FWRM ống khí GC, chiều dài tương tác xung bơm với mơi trường phi tuyến tính theo cơng thức 𝑙 = 8𝜆 𝑓 𝜋 𝐷 , f tiêu cự gương cầu phản xạ, D kính chùm laser bơm (giả sử xung bơm có dạng chùm Gauss, xung hội tụ điểm) Để tăng hiệu suất q trình FWRM, tăng chiều dài tương tác l đảm bảo đường kính chùm xung bơm truyền mơi trường phi tuyến xấp xỉ đường kính điểm hội tụ Sử dụng ống capillary (sợi quang rỗng) có đường kính phía 140 µm chiều dài l =250 mm, sợi rỗng đặt ống GC khí hydro bơm vào, mục đích làm tăng chiều dài tương tácl xung bơm với mơi trường phi tuyến nhằm tăng hiệu xuất q trình FWRM Các tính tốn hiệu suất kết nối, hiệu xuất truyền qua xung bơm hội tụ truyền sợi rỗng tính tốn trình bày phần 3.1 chương 3, giả sử xung bơm truyền sợi rỗng có mode truyền dạng HE11 Trong phần khóa luận nêu lên kết đo đạc tính tốn hiệu suất FWRM Sự phụ thuộc cường độ xung đối Stoke vào áp suất khí sợi rỗng quan sát máy quang phổ đưa hình 3.23 Phan Đình Thắng 73Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học 55000 A 50000 45000 pressure kPa pressure 100 kPa pressure 200 kPa Cường độ (a.u.) 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 400 600 800 Bước sóng (nm) 80000 B 70000 P2 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 Cường độ (a.u.) 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Áp suất (atm) Hình 3.23: a) Phổ xung bơm xung đối Stoke q trình FWRM sợi rỗng , b) cường độ xung bơm xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất khí hydro sợi rỗng Hiệu suất q trình FWRM sợi rỗng xung đối Stoke bậc thấp lớn so với q trình FWRM ống khí, cụ thể lượng xung bơm Phan Đình Thắng 74Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học chuyển hóa sang lượng xung đối Stoke bậc đạt 27.27 % áp suất atm, hiệu suất xung đối Stoke bậc hai đạt 9.38 %, thể hình 3.24 Hình 3.24: Hiệu suất phát vạch đối Stoke phụ thuộc áp suất hydro Tuy nhiên xung đối Stoke bậc cao (bậc ba trở đi) hiệu suất quan sát lại thấp so với xung đối Stoke bậc cao q trình FWRM ống khí Điều phần mode truyền xung bơm xung đối Stoke sợi rỗng khơng phải đơn mode HE11, hệ số mát xung q trình truyền sợi rỗng đóng góp khơng thể bỏ qua tượng tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) xung bơm sợi rỗng Năng lượng chuyển hóa từ xung bơm sang xung đối Stoke hai trường hợp ống khí sợi rỗng gần nhau, giả sử khơng có mát kết nối mát q trình truyền sợi rỗng lượng xung đối Stoke phát q trình FWRM sợi rỗng đạt hiệu suất cao q trình FWRM ống khí Như vậy, q trình trộn bốn sóng hai mơi trường khơng khí khí hydro hiệu suất phát xung đối Stoke bậc đạt hiệu suất cao 27.27 % áp suất atm, cao so với hai trường hợp khơng khí khí hydro Phan Đình Thắng 75Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học ống khí kín Trong ba trường hợp phát xung quang học đa sắc nằm vùng tử ngoại sâu tới vùng nhìn thấy Trong trường hợp phát xung đối Stoke khơng khí tượng hình thành sợi xung bơm q trình FWRM ống khí sợi quang rỗng, lý thuyết phát xung đối Stoke bậc cao nằm vùng tử ngoại chân (VUV) cụ thể xung có bước sóng 200 nm, 187 nm 172 nm…Tuy nhiên xung đối Stoke bậc cao có hiệu suất thấp, gần khơng quan sát máy quang phổ, phải dùng tới lăng kính tán sắc để quan sát Để phát xung đối Stoke nằm vùng tử ngoại chân khơng hiệu ứng FWRM có lượng cao, ngồi sử dụng hai xung bơm 800 nm 1200 nm, chúng tơi sử dụng xung dò có tần số xấp xỉ tần số xung đối Stoke phát từ q trình FWRM hai xung bơm Các xung Stoke đối Stoke xung dò có tần số nằm đối xứng hai bên xung dò lượng chúng chuyển hóa từ lượng xung dò.Xung dò chúng tơi sử dụng có bước sóng 200 nm hội tụ đồng trục với xung bơm 800 nm 1200nm vào sợi rỗng, gương cầu hội tụ có tiêu cự f = 750 mm Đối với xung dò, xung đối Stoke phát bước sóng 185 nm, 172 nm, 160 nm, 150 nm, xung Stoke phát bước sóng 219 nm, 240 nm, 267 nm…Sơ đồ thí nghiệm đưa hình 2.3 chương 2, xung dò có lượng 10 µJ Phổ xung dò, Stoke đối Stoke q trình FWRM sử dụng ba bước sóng bơm đưa hình 3.25 (a), cường độ xung đối Stoke bậc phụ thuộc theo áp suất khí sợi rỗng đưa hình 3.25 (b) Phan Đình Thắng 76Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học a) 2500 Cường độ (a.u.) 2000 1500 1000 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Áp suất (atm) b) Hình 3.25: a) Phổ vạch Stoke đối Stoke bậc q trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm xung dò 200 nm, ba xung bơm hội tụ vào sợi rỗng chứa khí hydro áp suất 1.1 atm (đường màu đỏ) Đường màu xanh q trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm với áp Phan Đình Thắng 77Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học st b) Cường độ xung đối Stoke bậc bước sóng 187 nm phụ thuộc vào áp suất khí hydro sợi rỗng Trong hình 3.25 (b), cường độ xung đối Stoke đạt cao áp suất 1.5 atm sau giảm mạnh, giảm cường độ xung đối Stoke tượng SPM XPM xung bơm xảy mạnh mơi trường có áp suất cao Sử dụng lăng kính tán sắc để tách riêng biệt chùm FWRM lúc đầu thành chùm bơm chùm đối Stoke, nhìn thấy rõ vết xung bơm xung đối Stoke quan sát hình 3.26 Hình 3.26: Vết xung bơm xung đối Stoke quan sát chắn sử dụng lăng kính tán sắc Trong hình 3.18 phía xung đối Stoke xung Stoke nằm hai phía xung dò bước sóng 200 nm Độ sáng để lại chắn xung đối Stoke bước sóng 187 nm yếu so với xung Stoke bước sóng 219 nm hấp thụ mơi trường khơng khí xung quanh bước sóng vùng tử ngoại chân khơng lớn so với bước sóng nằm vùng tử ngoại sâu (Deep-ultraviolet) Q trình FWRM quan sát xung Stoke bậc bước sóng 243 nm, bậc bước sóng 267 nm, theo lý thuyết xung đối Stoke bậc hai bước sóng 172 nm xung đối Stoke bậc ba bước sóng 160 nm phát q trình FWRM Nhưng quan sát khơng ghi nhận xuất xung xung bị hấp thụ gần hồn tồn mơi trường khơng khí, hiệu suất phát xung thấp Phan Đình Thắng 78Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN Bằng cách sử dụng phát Raman – trộn bốn sóng, chúng tơi phát thành cơng xung laser đa sắc vùng tử ngoại sâu tới vùng hồng ngoại mơi trường khí hydro sử dụng cặp xung laser bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm, phát xung laser đa sắc vùng tử ngoại sâu sử dụng cặp xung bơm 400 nm, xung Stoke 480 nm Hiệu suất phát xung đối Stoke q trình Raman – trộn bốn sóng tỷ lệ với áp suất khí hydro ống khí sợi quang rỗng Đối với ống khí chứa hydro, hiệu suất chuyển đổi lượng từ xung bơm sang xung đối Stoke bậc đạt cao 26.2 % áp suất 1.5 atm, hiệu suất chuyển đổi lượng xung đối Stoke bậc trở lên đạt cao áp suất atm Q trình Raman – trộn bốn sóng xảy sợi quang rỗng có hiệu suất chuyển đổi lượng từ xung bơm sang xung đối Stoke bậc cao với 27.275 % áp suất atm, hiệu suất chuyển đổi lượng sang xung đối Stoke bậc hai bậc ba tương ứng cao q trình Raman – trộn bốn sóng ống khí Chúng tơi phát xung laser đa sắc có bước sóng từ vùng tử ngoại chân khơng tới vùng khả kiến cách phát Raman – trộn bốn sóng khí hydro sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm xung dò 200 nm Xung đối Stoke bậc xung dò 200 nm bước sóng 187 nm nằm vùng tử ngoại chân khơng với hiệu suất chuyển đổi lượng đạt cao áp suất 1.5 atm với 17 % Chúng tơi khảo sát tác động tượng tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) xung bơm, tới hiệu suất phát xung đối Stoke q trình Raman – trộn bốn sóng Đối với xung bơm xung Stoke nằm vùng tử ngoại tượng SPM XPM xảy mạnh so với xung bơm vùng hồng ngoại gần Các tượng SPM XPM xảy tỷ lệ với áp suất mơi trường khí hydro tỷ lệ với cơng suất xung bơm xung Stoke, với độ rộng phổ xung bơm 400 nm tăng lên 20 lần áp suất atm, độ mở rộng phổ xung Stoke 480 nm tăng lên 10 áp suất atm Phổ xung đối Stoke Stoke phát từ q trình Raman – trộn bốn sóng khơng phân tách thành Phan Đình Thắng 79Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học đỉnh phổ riêng biệt mà mở rộng nối liền với tạo thành phổ liên tục từ vùng tử ngoại sâu tới vùng hồng ngoại gần Phan Đình Thắng 80Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Träger, Springer Handbook of Lasers and Optics, vol 72 2012 [2] T Kobayashi and A Baltuska, “Sub-5 fs pulse generation from a noncollinear optical parametric amplifier,” vol 1671 [3] Thomas Schultz, Marc Vrakking, “Attosecond and XUV physics” Germany (2012), ISBN 978-3-527-67768-9 [4] W Kaiser, “Ultrashort laser pulses generation and applications” nd (1993), ISBN 978-3-662-02548-2 [5] C Monday and a R Trnoon, “Sum-frequency generation of femtosecond pulses in CsLiB6O10 down to 175 nm” APPIED OPTICS/ Vol 39, No 27 / (20 September 2000) [6] M Ghotbi, M Beutler, and F Noack, “Generation of 2.5 μJ vacuum ultraviolet pulses with sub-50 fs duration by noncollinear four-wave mixing in argon,” Opt Lett, vol 35, no 20, pp 3492–3494, 2010 [7] J J Ottusch, M S Mangir, and D A Rockwell, “Mixing in Gases,” vol 8, no 1, pp 68–77, 1991 [8] O Shitamichi and T Imasaka, “High-order Raman sidebands generated from the near-infrared to ultraviolet region by four- wave Raman mixing of hydrogen using an ultrashort two-color pump beam,” vol 20, no 25, pp 419–423, 2012 [9] D Vu, N T Nghia, and T Imasaka, “Generation of vacuum ultraviolet femtosecond pulses by four-wave Raman mixing under three-color pump beam configuration,” Opt Laser Technol., vol 88, no August 2016, pp 184–187, 2017 [10] T Imasaka, “Gas chromatography/multiphoton ionization/time-of-flight mass spectrometry using a femtosecond laser,” Anal Bioanal Chem, vol 405, no 22, pp 6907–6912, 2013 [11] R W Boyd, “Nonlinear Optics,” J Chem Inf Model., vol 53, no 9, Phan Đình Thắng 81Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học pp 1689–1699, 2013 [12] R L Sutherland, Handbook of Nonlinear Optics, vol 36, no 2003 [13] and P P S Armstrong J A., Bloembergen N., Ducuing J., “Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric*,” Phys Rev., vol 127, no 6, pp 1918–1939, 1962 [14] E S Jatirian-foltides and J J Escobedo-alatorre, “About the calculation of the second-order susceptibility χ ( ) tensorial elements for crystals using group theory,” vol 62, no July, pp 5–13, 2016 [15] C L Tang, “Nonlinear and Photorefractive Optics,” Handb Opt Devices, Meas Prop -second Ed Vol II, p 38.1-38.26, 1995 [16] J Biegert et al., “No Title.” [17] O Waveguides, No Title [18] G Fibich and A L Gaeta, “Critical power for self-focusing in bulk media and in hollow waveguides.,” Opt Lett., vol 25, no 5, pp 335– 337, 2000 [19] K Jamshidi-ghaleh and N Mansour, “Nonlinear refraction measurements of materials using the moir e deflectometry,” Opt Commun., vol 234, pp 419–425, 2004 [20] S Modulation and S Broadening, “Theory of Self-Phase Modulation and Spectral Broadening,” 1968 [21] N J Harrison and B R Jennings, “Laser-Induced Kerr Constants for Pure Liquids,” Journal of Physical and Chemical Reference Data, vol 21, no pp 157–163, 1992 [22] Y Kida and T Imasaka, “Four-Wave Optical Parametric Amplification in a Raman-Active Gas,” Photonics, vol 2, no 3, pp 933–945, 2015 [23] J R De Oliveira, M a De Moura, J M Hickmann, and a S L Gomes, “Self-steepening of optical pulses in dispersive media,” J Opt Soc Am B, vol 9, no 11, p 2025, 1992 Phan Đình Thắng 82Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học [24] J W Wilson, P Samineni, W S Warren, and M C Fischer, “Crossphase modulation spectral shifting: nonlinear phase contrast in a pumpprobe microscope,” Biomed Opt Express, vol 3, no 5, p 854, 2012 [25] E M Dianov, P V Mamyshev, A M Prokhorov, and S V Chernikov, “Compression of laser pulses based on the phase cross-modulation effect in fiber waveguides,” vol 1211, pp 1988–1990 [26] M Ranjbar and A Bahari, “Phase-matching condition of four-wave mixing in cylindrical nonlinear optical media,” Int J Mod Phys B, vol 30, no 25, p 1650182, 2016 [27] M Ghotbi, P Trabs, M Beutler, and F Noack, “Generation of tunable sub-45 femtosecond pulses by noncollinear four-wave mixing.,” Opt Lett., vol 38, no 4, pp 486–8, 2013 [28] A V Sokolov, D R Walker, D D Yavuz, G Y Yin, and S E Harris, “Raman generation by phased and antiphased molecular states,” Phys Rev Lett., vol 85, no 3, pp 562–565, 2000 [29] D A Kleinman, “Nonlinear dielectric polarization in optical media,” Phys Rev., vol 126, no 6, pp 1977–1979, 1962 [30] S Song et al., “Intensity-Dependent Phase-Matching Effects on FourWave Mixing in Optical Fibers,” vol 17, no 11, pp 2285–2290, 1999 [31] C Bronner and F Essenberger, Rotation-Vibrational Spectrum 2008 [32] J M Chalmers and P R Griffith, “Handbook of Vibrational Spectroscopy,” Spectrochim Acta Part A Mol Biomol Spectrosc., vol 59, no 2, pp 413–414, 2003 [33] T Adiabatic and A Because, “9 Rotation and Vibration of Diatomic Molecules,” [34] M Quack, Molecular Quantum Mechanics and Molecular Spectra , Molecular Symmetry , and Interaction of Matter with Radiation Fr ´ ed ´ 1991 Phan Đình Thắng 83Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học [35] Helen Lefebvre-Brion, Robert W Field, “The spectra and dynamics of diatomic molecules”.( 2004) ISBN: 0124414559 [36] J He, J Liu, and T Kobayashi, “Tunable Multicolored Femtosecond Pulse Generation Using Cascaded Four-Wave Mixing in Bulk Materials,” pp 444–467, 2014 [37] J J Ottusch, M S Mangir, and D A Rockwell, “mixing in gases,” vol 8, no 1, pp 68–77, 1991 [38] R Weigand and H M Crespo, “Fundamentals of Highly NonDegenerate Cascaded Four-Wave Mixing,” pp 485–515, 2015 [39] E R Peck and S Huang, “Refractivity and dispersion of hydrogen in the visible and near infrared,” J Opt Soc Am., vol 67, no March, pp 1550–1554, 1977 [40] R A Schmeltzer, “Hollow Metallic and Dielectric Wave- guides for Long Distance Optical Transmission and Lasers,” 1964 [41] R K Nubling and J A Harrington, “Launch conditions and mode coupling in hollow-glass waveguides,” Opt Eng., vol 37, no 9, pp 2454–2458, 1998 [42] C G Durfee, L Misoguti, S Backus, H C Kapteyn, and M M Murnane, “Phase matching in cascaded third-order processes,” vol 19, no 4, pp 822–831, 2002 [43] Y Kida and T Imasaka, “Optical parametric amplification of a supercontinuum in a gas,” Appl Phys B Lasers Opt., vol 116, no 3, pp 673–680, 2014 [44] R Stolen and J Bjorkholm, “Parametric amplification and frequency conversion in optical fibers,” IEEE J Quantum Electron., vol 18, no 7, pp 1062–1072, 1982 [45] C G Durfee, S Backus, M M Murnane, and H C Kapteyn, “Phasematched optical parametric conversion of ultrashort pulses in a hollow Phan Đình Thắng 84Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học waveguide,” Superstrong Fields Plasmas First Int Conf., pp 331–335, 1998 Phan Đình Thắng 85Chun ngành Quang học ... quang học đa bước sóng hiệu ứng Raman – Trộn bốn sóng 22 1.4.1 Tổng quan phát xung quang học đa bước sóng hiệu ứng Raman- trộn bốn sóng 23 1.4.2 Raman- trộn bốn sóng mơi trường... tượng trộn bốn sóng 18 Phát hòa ba bậc ba (THG) 20 Phát hiệu tần số trộn bốn sóng (FWDFM) 20 Trộn bốn sóng suy biến (DFWM) .21 1.4 Nghiên cứu phát xung quang học đa. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - PHAN ĐÌNH THẮNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SĨNG CHUN NGÀNH : QUANG HỌC Mã số : 60440109