Đề tài: Phát xung quang học đa sắc bằng phương pháp Raman – trộn bốn sóng

Đại học Khoa học tự nhiên Hà nội, ngày 09 tháng 08 năm 2017 Lễ bảo vệ luận văn Thạc sĩ khoa học PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN-TRỘN BỐN SĨNG ĐỀ TÀI: Phan Đình Thắng Chuyên ngành: Quang học, khoa Vật lý, trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN Cán hướng dẫn: TS Hoàng Chí Hiếu – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH QGHN TS Nguyễn Mạnh Thắng – Viện Khoa học Công nghệ Quân CỞ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN I CỞ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình trộn bốn sóng (FWM) 1 2 4 Mơi trường phi tuyến 3 4  1  2  3 25000 22500 Q trình Raman-trộn bốn sóng (FWRM) 20000 S 17500 P 15000 I (a.u.) 1  2   12500 10000 Tần số dao động phân tử môi trƣờng phi tuyến ν01 = Xung đối Stoke Xung bơm Xung Stoke 1 2 Xung bơm Năng lƣợng Trạng thái lƣợng ảo  7500 as1 5000 2500 200 s1 as2 300 400 500 600 700 800  (nm) Tần số vạch đối Stoke (as) bậc as  1  1  2 Tần số vạch Stoke (s) bậc s  2  1 I CỞ SỞ LÝ THUYẾT Q trình Raman-trộn bốn sóng (FWRM) k's k'as kas ks kp kp Δk Giản đồ vec tơ sóng q trình Raman – trộn bốn sóng Điều kiện phù hợp pha  k  2k p  k s  k as  Xung đối Stoke bậc (3) (2) kas2 kas1  2k p  ks kas1 kas1 (1) kp kp kas2 kp kas2 kp Xung đối Stoke bậc m kas3 kas1 ks kasm  (m  1)k p  mks Hiệu suất phát vạch đối Stoke kas3 ks ks (a) (b) ks ks1 ks2 II PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC Tinh thể: PbWO4, LiNbO3, diamond, KNbO3, TiO2, BBO, Fused silica, CaF2 … FWM sử dụng CaF2 laser Ti:sapphire (800 nm, 50 fs, kHz) Hiệu suất ∼3.8% λ0 = 257 nm – 277 nm, FWHM = 16.8 nm 400 nm 800 nm Xung FWM thác đổ sử dụng tinh thể BBO CaF2 267 nm, 20 fs FWM thác đổ sử dụng Fused silica II PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC Mơi trƣờng khí 800 nm FWM, FWDM Khí hiếm: Ar, Kr… 267 nm 160 nm + Ít bị tán sắc mơi trường chất rắn + Xung đối Stoke có băng thơng rộng hơn(tử ngoại sâu tới vùng khả kiến) Phân tử H2 Li2 N2 O2 I2 HCl CO NO D2 Hằng số dao động phân tử [cm-1] 4155 351 2358 1580 214 2990 2170 1904 3115 Các xung đối Stoke phát từ q trình Raman – trộn bốn sóng sử dụng xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm khí hydro III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm với hai xung bơm xung Stoke vùng hồng ngoại gần Ti:sapphire laser , 800 nm, 3.5 W, 35 fs, kHz Xung bơm: λbơm = 800 nm, 285 µJ, 35 fs, kHz M DL1 M OperAsolo Thí nghiệm 1: ống khí chứa khí hydro, CM: f =750 mm λ/2 1200 nm Xung Stoke: λStoke = 1200 nm, 205 µJ, 50 fs, kHz M DM M M M M 800 nm M M M Thí nghiệm 2: sợi quang rỗng chứa khí hydro, l =220 mm, a =140 µm, Spectrometer Tấm khuếch tán DL2 M ống khí, sợi quang rỗng CM M M III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm với ba xung bơm Ti:sapphire laser, 800 nm, 3.5 W, 35 fs, kHz Xung bơm: λbơm = 800 nm, 285 µJ, 35 fs, kHz M BBO BBO DL3 λ/2 M M λ/2 M SFGC M Buồng chân khơng OperAsolo M M Xung dị: λdị = 200 nm, 10 µJ, 46 fs, kHz M DL1 M 1200 nm Xung Stoke: λStoke = 1200 nm, 60 µJ, 50 fs, kHz M DM1 M M M M 800 nm 200 nm M DL2 Sợi quang rỗng M M M DM2 M DL4 M M Spectrometer Tấm khuếch tán III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm với hai xung bơm xung Stoke vùng tử ngoại M M 480 nm M Topas Prime NirUvis M M M BBO M M BS DM DL M Solstice laser, 800 nm, 5,6 mJ, 35 fs, kHz spectrometer M 400 nm CM Sợi quang rỗng Tấm khuếch tán Xung bơm: λbơm = 400 nm, 215 µJ, 46 fs, 1kHz Xung Stoke: λStoke = 480 nm, 160 µJ, 50 fs, 1kHz Gương cầu phản xạ CM: f = 1000 mm, sợi quang rỗng l = 250 mm, a = 140 µm 10 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất mơi trƣờng Raman – Trộn bốn sóng ống khí hydro kín 1.0 3 A B 0.08 4 0.8 0.6 I (a.u.) I (a.u.) 0.06 0.4  5 0.2 8 0.0 200 0.04 300 7 0.02 6 400    500 600  (nm) 700 800 900 0.00 200 220 240 260 280 300 320  (nm) Phổ phát xạ xung Raman đối Stoke trình FWRM, (A) Quan sát quang phổ hồng ngoại Ocean optics USB 2000 pro, (B) Quan sát dải từ 200 – 325 nm Hai xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm, hội tụ vào ống GC chứa khí hydro áp suất 11 1.95 atm, gương cầu phản xạ có tiêu cự f = 750 mm IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất mơi trƣờng Raman – Trộn bốn sóng ống khí hydro kín 70000 60000 I (a.u.) 50000 1.1 A B P2 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 AS8 1.0 atm 1.5 atm atm 0.5 atm 0.1 atm 0.04 atm 0.9 0.8 0.7 I (a.u.) norm 80000 40000 30000 0.6 0.5 0.4 0.3 20000 0.2 10000 200 0.1 300 400 500 600 nm 700 800 900 0.0 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 P (atm) (A) Phổ phát xạ xung Raman đối Stoke áp suất khác nhau, (B) Cường độ xung bơm 800 nm xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất 12 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất môi trƣờng Raman – Trộn bốn sóng ống khí hydro kín 0.30 0.25  0.20 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 AS8 26.2 % Xung bơm Năng lượng Công suất 1200 nm 208.7 µJ 208.7 mW 800 nm 250 µJ 250 mW 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 P (atm) Hiệu suất chuyển đổi lượng từ xung bơm sang xung Raman đối Stoke phụ thuộc theo áp suất Xung đối Stoke Năng lượng [µJ] AS1 61.6 AS2 16.7 AS3 5.2 AS4 1.9 AS5 0.65 AS6 0.2 AS7 0.09 13 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Raman – Trộn bốn sóng sợi quang rỗng chứa khí hydro atm 1.5 atm atm 0.5 atm 0.05 atm 60000 50000 80000 70000 60000 50000 I (a.u.) I (a.u.) 40000 P2 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 30000 40000 30000 20000 20000 10000 200 10000 400 600 nm Phổ phát Raman – trộn bốn sóng phụ thuộc theo áp suất 800 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 P (atm) Cường độ xung đối Stoke xung bơm theo áp suất 14 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Raman – Trộn bốn sóng sợi quang rỗng chứa khí hydro Xung bơm Trước sợi quang rỗng Sau sợi quang rỗng Hiệu xuất kết nối 1200 nm 107 mW 31 mW 28.9 % 800 nm 117 mW 42 mW 35.9 % 30 25 AS1 AS2 AS3 AS4 27.275 % n (%) 20 15 10 9.178 % 1.459 % 0.0 0.5 1.0 1.5 Xung Năng lượng [µJ] Xung bơm 800 nm 42 AS1 11.45 AS2 3.86 AS3 0.73 AS4 0.15 2.0 P (atm) Hiệu suất phát xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất 15 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cường độ (a.u.) Raman – Trộn bốn sóng sợi quang rỗng chứa khí hydro sử dụng ba xung 800 nm, 1200 nm xung dị 200 nm Bước sóng (nm) Phổ xung đối Stoke: đường màu đỏ trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm xung dò 200 nm với áp suất 1.1 atm, đường màu xanh trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm với áp suât Cường độ xung đối Stoke bậc bước sóng 187 nm phụ thuộc vào áp suất khí hydro sợi rỗng 16 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Raman – Trộn bốn sóng sợi quang rỗng chứa khí hydro sử dụng ba xung 800 nm, 1200 nm xung dò 200 nm 800 600 480 400 343 300 267 243 219 200 187 nm Hiệu suất chuyển đổi lượng: 17 % 1.5 atm 17 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tác động tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) tới trình FWRM 22500 atm 1.75 atm 1.5 atm 1.25 atm atm 0.75 atm 0.5 atm 0.25 atm 0.04 atm 17500 I (a.u.) 15000 12500 10000 8000 6000 I (a.u.) 20000 atm 1.75 atm 1.5 atm 1.25 atm atm 0.75 atm 0.5 atm 0.25 atm 0.04 atm 4000 7500 5000 2000 2500 560 580 600  (nm) 620 640 450 460 470 480 490 500 510 520  (nm) Sự mở rộng phổ hai xung đối Stoke bậc bậc hai theo áp suất khí hydro ống khí 19 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tác động tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) tới trình FWRM Hiệu ứng SPM xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến 35000 30000 at atm, FWHM = 110 nm at 1.5 atm, FWHM = 102 nm at 1.0 atm, FWHM = 86 nm at 0.5 atm, FWHM = 53 nm at 0.07 atm, FWHM = 24 nm 100 80 FWHM (nm) I (a.u.) 25000 20000 15000 60 40 10000 20 5000 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750  (nm) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 P (atm) Sự mở rộng phổ xung bơm 400 nm hiệu ứng SPM phụ thuộc vào áp suất môi trường khí hydro 20 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tác động tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) tới trình FWRM Hiệu ứng SPM xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến 40000 at 2.0 atm at 1.5 atm at 1.0 atm at 0.5 atm at 0.1 atm 35000 100 80 30000 FWHM (nm) I (a.u.) 25000 20000 15000 60 40 10000 20 5000 0 350 400 450 500 550 (nm) 600 650 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 P (atm) Sự mở rộng phổ xung Stoke 480 nm hiệu ứng SPM phụ thuộc vào áp suất mơi trường khí hydro 21 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tác động tự điều biến pha (SPM) điều biến pha chéo (XPM) tới trình FWRM Hiệu ứng SPM XPM xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến 1.2 1.1 SPM and XPM of 400 nm and 480 nm at 1.0 atm only SPM of 400 nm and 480 nm at atm SPM and XPM of 400 nm and 480 nm at 2.0 atm 1.0 0.9 Sự mở rộng phổ trình FWRM , xung bơm 400 nm xung Stoke 480 nm I (a.u.) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 200 300 400 500 600  (nm) 700 800 900 22 V KẾT LUẬN Phát đƣợc xung laser đa sắc dải bƣớc sóng từ tử ngoại sâu tới vùng khả kiến phƣơng pháp Raman – trộn bốn sóng sử dụng cặp xung bơm 800 nm xung Stoke 1200 nm đƣợc hội tụ ống khí sợi quang rỗng chứa khí hydro Hiệu suất chuyển đổi lƣợng xung đối Stoke bậc trƣờng hợp ống khí chứa hydro đạt cao 26.2 % áp suất 1.85 atm, trƣờng hợp sợi quang rỗng chứa hydro cao với 27.27 % áp suất 1.5 atm Phát xung laser đa sắc vùng tử ngoại chân không phƣơng pháp Raman – trộn bốn sóng mơi trƣờng khí hydro sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm xung dò 200 nm Xung đối Stoke bậc phát bƣớc sóng 187 nm với hiệu suất chuyển đổi lƣợng khoảng 17 % lƣợng xung dò áp suất 1.5 atm 23 V KẾT LUẬN Đánh giá tác động làm giảm hiệu suất chuyển đổi lƣợng từ xung bơm sang xung đối Stoke tƣợng SPM XPM làm mở rộng phổ xung bơm theo áp suất khí hydro công suất xung bơm xung Stoke dẫn tới mở rộng phổ xung Stokes đối Stokes - Các xung bơm vùng tử ngoại tƣợng SPM XPM xảy mạnh xung bơm vùng hồng ngoại - Phát Raman – trộn sử dụng xung bơm 400 nm xung Stoke 480 nm bốn sóng ống khí chứa hydro áp suất atm, phổ xung đối Stoke phát vùng tử ngoại sâu mở rộng không phân tách thành đỉnh phổ riêng biệt mà thành dải phổ liên tục - xung bơm 400 nm mở rộng khoảng 20 lần từ 5.1 nm tới 110 nm xung Stoke 480 nm mở rộng 10 lần từ 12 nm đến 100 nm áp suất atm Hƣớng nghiên cứu tƣơng lai: - Nâng cao hiệu suất trình Raman – trộn bốn sóng, phát xung laser cực ngắn vùng tử ngoại chân khơng với bƣớc sóng ngắn 187 nm - Sử dụng cấu trúc bơm khác cấu trúc hội tụ đồng trục nhƣ cấu trúc FOLDED BOXCARS PLANAR BOXCARS để phân tách xung đối Stoke theo hƣớng định 24 25 ...CỞ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SĨNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN I CỞ SỞ LÝ THUYẾT Q trình trộn bốn sóng (FWM) 1 2 4 Môi trường... kas2 kp Xung đối Stoke bậc m kas3 kas1 ks kasm  (m  1)k p  mks Hiệu suất phát vạch đối Stoke kas3 ks ks (a) (b) ks ks1 ks2 II PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC Tinh... nm – 277 nm, FWHM = 16.8 nm 400 nm 800 nm Xung FWM thác đổ sử dụng tinh thể BBO CaF2 267 nm, 20 fs FWM thác đổ sử dụng Fused silica II PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC