Nghiên cứu mở rộng vạch phổ raman trong môi trường khí H2 chứa trong sợi quang tử lõi rỗng

Tuy nhiên việc giam chặt các phân tử khí bên trong lõi rỗng có thể gây thay đổi độ rộng vạch phổ Raman do các yếu tố như áp suất khí, hiệu ứng Doppler, bởi va chạm giữa các phân tử khí[r]

(1)

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 161 NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG VẠCH PHỔ RAMAN TRONG MƠI

TRƯỜNG KHÍ H2 CHỨA TRONG SỢI QUANG TỬ LÕI RỖNG

Thái Dỗn Thanh1, Hồ Quang Q1,2, Nguyễn Mạnh Thắng2,*

Tóm tắt: Sợi quang tử lõi rỗng (HC-PCF) cho phép thực bơm laser cường độ cao công suất thấp giam chặt khí hoạt chất Raman bên lõi rỗng Tuy nhiên, việc giam chặt phân tử khí bên lõi rỗng gây ảnh hưởng tới độ rộng vạch phổ Raman Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng áp suất, bán kính lõi rỗng tới độ rộng vạch phổ Raman mơi trường khí H2

chứa HC-PCF Kết vùng áp suất thấp mở rộng vạch phổ tán xạ Raman chủ yếu gây va chạm phân tử khí với thành lõi rỗng.

Từ khóa: Độ rộng vạch phổ Raman; Tán xạ Raman cưỡng (SRS); Raman khí H2; HC-PCF

1 MỞ ĐẦU

Sợi quang tử lõi rỗng (HC-PCF) hoạt động dựa chế vùng cấm quang tử hai chiều (2D) Nó hoạt động hệ dẫn sóng ưu việt với nhiều tính vượt trội như: mát thấp, chiều dài ương tác không bị giới hạn nhiễu xạ, ánh sáng khí hoạt chất bị giam chặt lõi rỗng với bán kính hiệu dụng vài µm, thay đổi cửa sổ truyền [1] Những đặc tính vượt trội làm cho hiệu suất chuyển đổi tần số Raman xấp xỉ hiệu xuất lượng tử, tạo dải tần số comb Raman siêu rộng v.v [2-5] Tuy nhiên việc giam chặt phân tử khí bên lõi rỗng gây thay đổi độ rộng vạch phổ Raman yếu tố áp suất khí, hiệu ứng Doppler, va chạm phân tử khí phân tử khí với thành lõi rỗng bên HC-PCF Các hiệu ứng trở nên đặc biệt đáng kể áp suất khí thấp (< 1bar) độ dài di chuyển tự trung bình xấp xỉ với bán kính lõi rỗng HC-PCF Tuy nhiên, ảnh hưởng chưa nghiên cứu đầy đủ [6,7], điều chưa chế tạo bình chứa với ưu điểm kích thước HC-PCF Sự mở rộng vạch phổ gây ảnh hưởng đến ứng dụng yêu cầu độ kết hợp cao tạo xung cực ngắn từ dải tần số comb, chế độ tán xạ Raman nhanh [8-11] Do đó, nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ rộng phổ Raman áp suất khí, bán kính lõi rỗng sợi quang cần thiết Mặt khác, nghiên cứu độ rộng phổ Raman cho phép biết thông tin quan trọng môi trường tán xạ lực nội phân tử, tốc độ phân hủy kết hợp mật độ nghịch đảo cư hệ phân tử hoạt chất Raman Trong báo này, chúng tơi dự đốn, tính tốn ảnh hưởng áp suất khí hoạt chất Raman, bán kính lõi sợi HC-PCF đến thay đổi độ rộng vạch phổ Raman dao động quay môi trường khí H2

2 LÝ THUYẾT MỞ RỘNG VẠCH PHỔ RAMAN TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ CHỨA BỞI HC-PCF

Sự phụ thuộc hình dạng độ rộng vạch phổ Raman vào mật độ khí hoạt chất phức tạp Đối với vùng áp suất khí Raman thấp (<10mbar), ảnh hưởng gây va chạm phân tử khí tới mở rộng vạch phổ không đáng kể, chủ yếu gây hiệu ứng Doppler Hiệu ứng gây chuyển động tịnh tiến của phân tử khí tương máy đo phổ Ảnh hưởng hiệu ứng Doppler cho vùng áp suất thấp phân tích sau: Giả sử véc tơ vận tốc v phân tử có thành phần vz

hướng với sóng bơm z (chuyển động với vận tốc ánh sáng c) [12,13] Nó gây dịch chuyển tần số Doppler

c v

ω z

P

 lên tần số sóng bơm ωP,

c v

ω z

S

(2)

Vật lý

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng, “Nghiên cứu mở rộng … sợi quang tử lõi rỗng.” 162

tán xạ Raman ( tán xạ thuận) Do đó, dịch chuyển tần số tổng cộng từ cộng hưởng Raman cho sóng Stokes  

c v ω

ω z

S P 

 Quá trình tán xạ minh họa hình 1, photon bơm tần số ωP bị tán xạ phân tử nguyên tử H2, kết dẫn đến xạ

photon Stokes tần số ωS

Hình 1. Sơ đồ chuyển động tán xạ Raman

Giả sử chuyển động phân tử khí trạng thái cân nhiệt, phân bố vận tốc tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann

m T

2kB , đó, T nhiệt độ Kelvin (giả

sử T= 298K) m=2(amu) khối lượng phân tử H2 theo đơn vị nguyên tử, kB

số Boltzmann Mở rộng vạch phổ Doppler cho tán xạ Raman dao động quay ΓD [13] là:

 P S B

D

ω ω 2ln2k T Γ

c m



 (1)

Hình 2. Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ tán xạ Raman quay vào mở rộng Doppler, mở rộng ap suất va chạm với thành lõi rỗng HC-PCF (bán kính 5µm) mơi trường hoạt chất khí H2 Trục tung mơ tả độ rộng vạch theo đơn vị MHz, trục hồnh mơ

tả theo thang lograrit áp suất Đóng góp hiệu ứng Doppler, va chạm gây hẹp phổ, mở rộng áp suất vạch kết hợp hiệu ứng mơ tả hình Ảnh

hưởng chi phối gây va chạm phân tử - sợi quang HC-PCF biểu diễn (đường cong màu đỏ) hình [13,15,16]

(3)

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 163

đổi vận tốc đàn hồi (không gây ảnh hưởng tới trạng thái nội phân tử) xảy trình làm hẹp vạch phổ va chạm Hiệu ứng làm hẹp vạch phổ giải thích kết trình va chạm trao đổi vận tốc hệ qui tắc bất định [14] Theo qui tắc bất định photon có mơ men



h

cho biết thông tin khoảng dịch chuyển phân tử lớn giá trị

 

2 Vận tốc trung bình phân tử theo hướng quan sát dịch chuyển đoạn

 

2 xác định dịch chuyển Doppler lên photon Nếu va chạm xảy suốt khoảng thời gian mà di chuyển phân tử khoảng cách vận tốc trung bình vận tốc nhiệt phân tử Dịch chuyển Doppler tỷ lệ thuận với với vận tốc phân tử xạ đóng góp phân bố phổ dạng Gaussian có độ rộng vạch biểu diễn biểu thức (1)

Ngược lại, tần suất va chạm phân tử tăng lên, vận tốc trung bình phân tử bị triệt tiêu lấy trung bình qua va chạm (tất trạng thái vận tốc), vận tốc trung bình phân tử khoảng

 

2 giảm, dẫn đến độ rộng vạch bị hẹp thay bị mở rộng hiệu ứng Doppler Trong giới hạn tần suất va chạm cao phân tử khí H2, va chạm trao đổi vận tốc đóng góp phân bố phổ dạng Lorentzian độ

rộng vạch phổ ΓN xác định gần mơ hình khuếch tán [13]:



A

ΓN  (2)

Trong đó, A số cho tán xạ Raman tỷ lệ thuận với số tự khuếch tán Do

(cm2.amagat.s-1); (amagat) mật độ khí Raman Tuy nhiên, mơ hình phân kỳ mật độ khí Hiệu ứng hẹp độ rộng vạch phổ Hình (đường cong va chạm gây hẹp phổ)

Khi mật độ khí tăng đáng kể (>1bar) dẫn đến mở rộng vạch phổ va chạm trao đổi nội trạng thái phân tử khí Mở rộng va chạm đóng góp phân bố phổ Lorentzian độ rộng vạch phổ tỷ lệ thuận với mật độ khí hoạt chất, biểu diễn sau:



B

 R

Γ (3)

Trong đó, B (MHz/amagat) số mở rộng vạch phổ Raman [14] Sự mở rộng vạch phổ áp suất khí biểu diễn Hình (đường cong va chạm gây mở rộng)

Nghiên cứu chi tiết phụ thuộc độ rộng vạch phổ Raman vào mật độ khí hoạt chất cung cấp cho tranh vật lý đầy đủ Chẳng hạn, với mơ hình va chạm mềm trong trao đổi vận tốc va chạm đơn nhỏ nhiều vận tốc nhiệt trung bình [15], mơ hình va chạm cứng trao đổi vận tốc va chạm đơn so sánh với vận tốc nhiệt trung bình [16] mà cho phép thay đổi liên tục áp suất khí từ tới 1bar loại bỏ phân kỳ mật độ khí mơ hình khuếch tán biểu thức (3) Khi so sánh với mơ hình va chạm cứng, giới hạn biểu thức (2) giới hạn mật độ phân tử cao mật độ cắt 137mbar

Γ 3.33A ρ

D

c   [13]

(4)

164 tường l

Raman gây va ch

truy

3.1 rỗng

rộng vạch v sợi quang tử l sau: Trong tán), hi

va ch tích ch với độ rộng l Trong ch Lorentzian, v ch ngư Hình 3. 164 ờng l

Raman gây va ch

Trong

truyền va chạm li

3.1 S ỗng

Từ nghi ộng vạch v

ởi sợi quang tử l sau: Trong tán), hi

va ch tích ch

ới độ rộng l Trong

chạm phân tử khí với th Lorentzian, v

chỉ mở rộng vạch phổ c ngư

Hình 3.

ờng l

Raman gây va ch

Trong

ền va chạm li

Sự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b HC

ừ nghi ộng vạch v

ởi sợi quang tử l sau: Trong tán), t

va chạm phân tử khí với th tích ch

ới độ rộng l Trong vùng áp su

ạm phân tử khí với th Lorentzian, v

ỉ mở rộng vạch phổ c

và ngược lại Kết dự đoán chúng tơi đ

Hình 3.

T D Thanh, H Q Quý, N M Th

ờng l

Raman gây va ch

Trong

ền va chạm li

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b HC-PCF

ừ nghi ộng vạch v

ởi sợi quang tử l sau: Trong

ện tư

ạm phân tử khí với th tích chập cấu h

ới độ rộng l vùng áp su

ạm phân tử khí với th Lorentzian, v

ợc lại Kết dự đốn chúng tơi đ

Hình 3. Ph

ờng lõi s Raman gây va ch

Trong đól

ền va chạm li

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b PCF

ừ nghi ộng vạch c

ởi sợi quang tử l sau: Trong

ượng hẹp vạch phổ gây ạm phân tử khí với th

ập cấu h ới độ rộng t

vùng áp su

ạm phân tử khí với th Lorentzian, với

Phụ thuộc

õi sợi quang cho va chạm chúng bị Raman gây va ch

πσ 4k 

ền va chạm li

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b PCF

ừ nghiên c cấu trúc h ởi sợi quang tử l sau: Trong vùng

ợng hẹp vạch phổ gây ạm phân tử khí với th

ập cấu h tổng c vùng áp su

ạm phân tử khí với th ới đ

ụ thuộc

ợi quang cho va chạm chúng bị Raman gây va ch

πσ 4k

2 B

ền va chạm li

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ên cứu khác tác giả đ ấu trúc h

ởi sợi quang tử lõi r vùng

ập cấu h c vùng áp suất thấp ạm phân tử khí với th

độ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ụ thuộc

bởi sợi quang tử l

ợi quang cho va chạm chúng bị Raman gây va chạm phân

ρ T

2 B là đ

ền va chạm li

ứu khác tác giả đ ấu trúc h

õi rỗng HC vùng áp su

ập cấu h h

ất thấp ạm phân tử khí với th

ộ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ụ thuộc

ởi sợi quang tử l

ợi quang cho va chạm chúng bị ạm phân

là đ ền va chạm liên ti

ứu khác tác giả đ ấu trúc hình d

ỗng HC áp su

ập cấu h học c ất thấp

ạm phân tử khí với thành lõi s ộ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ụ thuộc độ rộng vạch phổ Raman quay v ởi sợi quang tử l

ợi quang cho va chạm chúng bị ạm phân

là độ d ên ti

3 K

ứu khác tác giả đ ình dạng phổ Raman môi ỗng

HC-áp suất trung b ợng hẹp vạch phổ gây ạm phân tử khí với th

ập cấu hình Lorentzian thành ph ọc c

ρ

ạm phân tử khí với thành lõi s ộ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ợc lại Kết dự đoán đ

ộ rộng vạch phổ Raman quay v ởi sợi quang tử l

ợi quang cho va chạm chúng bị ạm phân tử

Γ

ộ dài t ên tiếp); k

3 K

ứu khác tác giả đ ạng phổ Raman môi -PCF cho tán x

ất trung b ợng hẹp vạch phổ gây ạm phân tử khí với th

ình Lorentzian thành ph ọc độ rộng th

c

ρ 

ành lõi s ộ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ợi quang cho va chạm chúng bị - tư

 W Γ

ài tự trung b ếp); k

3 KẾT QU

ứu khác tác giả đ ạng phổ Raman môi

PCF cho tán x ất trung b ợng hẹp vạch phổ gây ạm phân tử khí với th

ình Lorentzian thành ph độ rộng th

c, đóng góp chi ph

ành lõi s ộ rộng vạch phổ đ ỉ mở rộng vạch phổ c

ợi quang cho va chạm chúng bị tường sợi HC

2.405

ự trung b ếp); kB(J.K

T QU

PCF cho tán x ất trung bình ợng hẹp vạch phổ gây va ch ạm phân tử khí với thành c

, đóng góp chi ph ành lõi s

ộ rộng vạch phổ xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4) ỉ mở rộng vạch phổ l

ợc lại Kết dự đoán đ

ộ rộng vạch phổ Raman quay v ởi sợi quang tử lõi r

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng

ợi quang cho va chạm chúng bị ờng sợi HC

2.405

ự trung b (J.K

T QUẢ

PCF cho tán x ình -do va ch ành l ình Lorentzian thành ph

ủa độ rộng th , đóng góp chi ph ành lõi s

ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4) àng l

ộ rộng vạch phổ Raman quay v õi rỗng HC

ắng,

2 2.405

ự trung b (J.K-1) h

Ả VÀ TH

PCF cho tán xạ Raman c - cao

do va ch l ình Lorentzian thành ph

ủa độ rộng th , đóng góp chi ph

ành lõi sợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

àng lớn bán kính l ợc lại Kết dự đoán đ

ộ rộng vạch phổ Raman quay v ỗng HC

, “Nghiên c

c ρr

ự trung bình (kho ) h

VÀ TH

ạ Raman c cao

do va chạm, mở rộng va chạm phân tử v lõi s

, đóng góp chi ph

ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn bán kính l ợc lại Kết dự đoán tr

ộ rộng vạch phổ Raman quay v ỗng HC

Nghiên c

   c ình (kho ) số

VÀ TH

ứu khác tác giả đư ạng phổ Raman môi

ạ Raman c ρ

ạm, mở rộng va chạm phân tử v õi sợi quang tử HC

ình Lorentzian thành ph độ rộng thành ph

, đóng góp chi ph

ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn bán kính l ợc tr

ộ rộng vạch phổ Raman quay v ỗng HC-PCF v

Nghiên c

ợi quang cho va chạm chúng bị ờng sợi HC-PCF đư

 o 6.8 D ình (kho ằng số

VÀ THẢO LU ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ược phân tích tr ạng phổ Raman môi

ạ Raman c

c

ρ 

ạm, mở rộng va chạm phân tử v ợi quang tử HC

ình Lorentzian thành phần gây n ành ph

, đóng góp chi phối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn bán kính l

ợc trình bày Hình

ộ rộng vạch phổ Raman quay v PCF v

Nghiên cứu mở rộng

ợi quang cho va chạm chúng bị PCF đư

o

6.8

ình (khoảng cách trung b ằng số Boltzmann

O LU ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ợc phân tích tr ạng phổ Raman môi trư

ạ Raman cưỡng đ

c(gi

ần gây n

ành phần biểu thức (2), (3) v ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn bán kính l

ình bày Hình

ộ rộng vạch phổ Raman quay v

PCF với bán kính 5µm.

ứu mở rộng

ợi quang cho va chạm chúng bị m PCF đư    c r l 6.8

ảng cách trung b Boltzmann

O LUẬ ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ợc phân tích tr

trường khí hoạt chất H ỡng đ

(giới hạn mô h

ần gây n

ần biểu thức (2), (3) v ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn bán kính l

ình bày Hình

ộ rộng vạch phổ Raman quay vào áp su ới bán kính 5µm.

mất kết hợp

PCF xác định [17]

  

ẬN ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ợc phân tích tr

ờng khí hoạt chất H ỡng đ

ới hạn mô h

ần gây nên s

ớn bán kính l

ình bày Hình

ào áp su ới bán kính 5µm.

ất kết hợp

ợc xác định [17]

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí bên s

ợc phân tích tr

ờng khí hoạt chất H ỡng đ

ới hạn mô h

ạm, mở rộng va chạm phân tử v ợi quang tử HC-PCF, c

ên cho cấu h

ớn bán kính lõi r ình bày Hình

ào áp suất khí H ới bán kính 5µm.

ứu mở rộng …

ất kết hợp

ợc xác định [17]

ên s

ợc phân tích trên, s ờng khí hoạt chất H ỡng dự đốn v

ới hạn mô h

ạm, mở rộng va chạm phân tử v PCF, c

ẽ cho cấu h

õi rỗng HC ình bày Hình

ất khí H ới bán kính 5µm.

… sợi quang tử l

ất kết hợp Đ ợc xác định [17]

ảng cách trung bình c

ên s

ên, s ờng khí hoạt chất H

ợc dự đốn v ới hạn mơ h

ẽ cho cấu h

ỗng HC ình bày Hình

ất khí H ới bán kính 5µm.

ợi quang tử l

Độ rộng vạch phổ ợc xác định [17]

ình c

ên sợi quang tử l

ên, phát triển độ ờng khí hoạt chất H

ợc dự đốn v ới hạn mô h

ẽ cho cấu h

ỗng HC ình bày Hình

ất khí H ới bán kính 5µm

ộ rộng vạch phổ ợc xác định [17]

ình phân tử

ự phát triển độ ờng khí hoạt chất H

ợc dự đốn v ới hạn mơ h

ạm, mở rộng va chạm phân tử v PCF, cấu h

ẽ cho cấu hình Lorentzian ần biểu thức (2), (3) v ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4) ỗng HC-PCF nh

ất khí H2

ủa phân tử

ự phát triển độ ờng khí hoạt chất H2 đư

ợc dự đốn đánh giá ới hạn mơ hình khu ạm, mở rộng va chạm phân tử v

ấu hình k ình Lorentzian ần biểu thức (2), (3) v ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

PCF nh

2 đư

ợi quang tử lõi r

ủa phân tử

ự phát triển độ chứa đánh giá ình khu ạm, mở rộng va chạm phân tử v

ình k ình Lorentzian ần biểu thức (2), (3) v ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

PCF nh

được chứa

Vật lý

õi rỗng

ộ rộng vạch phổ

ủa phân tử

ự phát triển độ ợc chứa đánh giá ình khu ạm, mở rộng va chạm phân tử v

ình kết hợp ình Lorentzian ần biểu thức (2), (3) (4) ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

PCF nh

ợc chứa

ật lý

ỗng.”

(4)

ủa phân tử

ợi quang tử lõi

ự phát triển độ ợc chứa đánh giá ình khuếch ạm, mở rộng va chạm phân tử ết hợp ình Lorentzian (4) ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4) PCF nhỏ

ợc chứa

ật lý

”

(4)

ủa phân tử

õi

ự phát triển độ ợc chứa đánh giá ếch ết hợp ình Lorentzian (4) ối tới độ rộng vạch phổ gây va ợi quang chi phối phân bố vạch phổ dạng ợc xác định biểu thức (4) Trong biểu thức (4) ỏ

(5)

Nghiên c

Tạp chí Nghi

quay v

Raman B=110 (MHz/amagat) [ nhi

µm, bán kính c Raman thu thay đ độ Các k thành c nh Raman c ảnh h

bình

3.2

vạch phổ Raman

su

mà không xu

Raman, hình ch rỗng

ghi h

rỗng sợi quang gần nh d

và gi

Nghiên c

ạp chí Nghi

Ở nghi quay v

Raman B=110 (MHz/amagat) [ nhiệt độ ph

µm, bán kính c Raman thu thay đ

ộng tròn theo áp su Các k

thành c ũng nh Raman c ảnh h

bình đ

3.2 Ảnh h ạch phổ Raman

Trong m

suất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th mà khơng xu

Hình 4.

Như v

Raman, hình ch ỗng

ghi h

ỗng sợi quang gần nh d

và gi

Nghiên c

ạp chí Nghi

Ở nghi quay với thông số đ Raman B=110 (MHz/amagat) [

ệt độ ph µm, bán kính c Raman thu thay đổi t

ng tròn theo áp su Các kết n

thành sợi quang tử l ũng nh

Raman c

ảnh hưởng chủ yếu mở rộng Doppler v đến cao l

Ảnh h ạch phổ Raman

Trong m

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th mà không xu

Hình 4.

Như v

Raman, hình ch

ỗng rc =3µm; 5µm 10µm tương

ghi h

ỗng sợi quang gần nh dải

và giảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ

ạp chí Nghi

Ở nghi ới thông số đ Raman B=110 (MHz/amagat) [

ệt độ ph µm, bán kính c

Raman thuận dao động quay i từ

ng tròn theo áp su ết n

ủa sợi quang tử l ũng h

Raman c

ởng chủ yếu mở rộng Doppler v ến cao l

Ảnh hư ạch phổ Raman

Trong m

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th mà không xu

Hình 4.

Như bán kính l Raman, hình ch

=3µm; 5µm 10µm tương ghi h

ỗng sợi quang gần nh ải áp su

ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

ứu khoa học công nghệ

ạp chí Nghiên c

ệt độ phịng T=298 (K); µm, bán kính c

ận dao động quay 0.001 bar t ng tròn theo áp su

ết n

ủa sợi quang tử l hình d

Raman c

ởng chủ yếu mở rộng Doppler v ến cao va ch

ưởng bán kính l ạch phổ Raman

Trong mục 3.1 đ

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th mà không xuất cấu h

Ảnh h

ậy bán kính l Raman, hình ch

ỗng sợi quang gần nh p su

ên cứu KH&CN

ịng T=298 (K); µm, bán kính s

ết cho th sợi quang tử l

ình dạng cấu trúc phổ, điều n Raman cấu h

ởng chủ yếu mở rộng Doppler v va ch

ởng bán kính l ạch phổ Raman

ục 3.1 đ

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th ất cấu h

Ảnh h

ậy bán kính l Raman, hình ch

ỗng sợi quang gần nh p suất lớn h

ứu KH&CN

òng T=298 (K); a sợ

ày cho th sợi quang tử l

ạng cấu trúc phổ, điều n ấu hình laser h

ởng bán kính l ạch phổ Raman

ục 3.1 đ

Ảnh hưởng bán kính l ậy bán kính l

Raman, hình thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr =3µm; 5µm 10µm tương

ghi hình ỗng sợi quang gần nh

ất lớn h

ứu KH&CN

òng T=298 (K); ợi quang lõi r ận dao động quay

0.001 bar t ng trịn theo áp suất khí H

ày cho th sợi quang tử l

ạng cấu trúc phổ, điều n ình laser h

ởng bán kính l

ục 3.1 đ

ởng bán kính l ậy bán kính l

ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr =3µm; 5µm 10µm tương

ình ỗng sợi quang gần nh

ất lớn 1bar Quá tr ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

ứu KH&CN

Ở nghiên c

ới thông số chọn nh Raman B=110 (MHz/amagat) [

òng T=298 (K); i quang lõi r ận dao động quay

0.001 bar tới 10 bar K t khí H

ày cho thấy dải áp suất thấp th sợi quang tử lõi r

ởng chủ yếu mở rộng Doppler v

à va chạm phân tử khí gây

ục 3.1 chúng tơi đ

ởng bán kính l ậy bán kính l

ình K ỗng sợi quang gần nh

ơn 1bar Quá tr ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

ứu KH&CN quân s

ên cứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ợc chọn nh

Raman B=110 (MHz/amagat) [ òng T=298 (K); σ 2.8 A

i quang lõi r ận dao động quay

i 10 bar K t khí H

ấy dải áp suất thấp th õi rỗng HC

ởng chủ yếu mở rộng Doppler v

ạm phân tử khí gây

ục 3.1 đ

ởng bán kính l ậy bán kính lõi r

Kết tính tốn tr ỗng sợi quang gần không đáng k

ơn 1bar Quá tr ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

uân s

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ợc chọn nh

Raman B=110 (MHz/amagat) [14 σ2.8 A i quang lõi r ận dao động quay ωP

i 10 bar K t khí H2 ch

ấy dải áp suất thấp th ỗng HC

ạng cấu trúc phổ, điều n

ình laser hội tụ khơng gian tự (các b ởng chủ yếu mở rộng Doppler v

ục 3.1 chúng tơi phân tích s

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th ất cấu hình chùm laser h

ởng bán kính l õi rỗng HC

ết tính tốn tr khơng đáng k ơn 1bar Q tr ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

uân sự, Số

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ợc chọn nh

14]; D σ2.8 A i quang lõi rỗng HC

P

i 10 bar K

chứa bên lõi r dải áp suất thấp th

ỗng HC

ạng cấu trúc phổ, điều n

ội tụ không gian tự (các b ởng chủ yếu mở rộng Doppler v

ởng bán kính lõi r

ã phân tích s

ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th ình chùm laser h

ởng bán kính l trong ỗng HC

ết tính tốn tr khơng đáng k ơn 1bar Quá tr ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

ự, Số

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ợc chọn sau: A=6.16 (MHz.amagat);

]; D



σ2.8 A ng HC

ωS i 10 bar Kết qu

a bên lõi r dải áp suất thấp th

ỗng HC-PCF nguyên nhân ch ạng cấu trúc phổ, điều n

õi rỗng sợi quang tử HC

ã phân tích s

ởng bán kính lõi r trong ỗng

HC-ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr =3µm; 5µm 10µm tương ứng v

ết tính tốn tr khơng đáng k ơn 1bar Q trình ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

ự, Số 59

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động sau: A=6.16 (MHz.amagat);

]; Do =1.32 cm



0

σ 2.8 A

ng HC-PCF; 17.4 

t

a bên lõi r dải áp suất thấp th

PCF nguyên nhân ch ạng cấu trúc phổ, điều n

ỗng sợi quang tử HC

ã phân tích s

õi rỗng HC trong mơi trư

-PCF có vai trị s ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr

ng v ết tính tốn tr

ư khơng đáng k ình ảnh h ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt

9, 02

=1.32 cm

0

σ 2.8 A đư PCF; 17.4

ả a bên lõi r dải áp suất thấp th

PCF nguyên nhân ch ạng cấu trúc phổ, điều n

ội tụ không gian tự (các b ởng chủ yếu mở rộng Doppler hi

ã phân tích thay đổi độ rộng vạch Raman ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th

ình chùm laser h

ỗng HC mơi trư

PCF có vai trị s ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr

ng với đư ết tính tốn tr

ư khơng đáng kể tới mở rộng vạch phổ Raman c ảnh h

2 - 20

=1.32 cm

là đường kính va chạm phân tử khí PCF; k

10 17.4

ự thay đ a bên lõi r dải áp suất thấp th

PCF nguyên nhân ch ạng cấu trúc phổ, điều khác v

ội tụ không gian tự (các b hiệu ứng hẹp phổ Tr ạm phân tử khí gây

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với th

ình chùm laser h

ỗng HC

mơi trường khí H

i đư ết tính tốn hình ch

ể tới mở rộng vạch phổ Raman c ảnh hư

ảm mạnh qua mật độ (áp suất) cắt ρc 0.137 bar

2019

=1.32 cm2.amagat.s

ờng kính va chạm phân tử khí kB=1.38.10

106 thay đ a bên lõi r dải áp suất thấp th

PCF nguyên nhân ch ày khác v ội tụ không gian tự (các b

ệu ứng hẹp phổ Tr ạm phân tử khí gây

ình chùm laser hội tụ không gian tự

ỗng HC-PCF đ ờng khí H

i đư ên hình ch

ể tới mở rộng vạch phổ Raman c

ưởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar

c

ρ 0.137 bar

9

.amagat.s

ờng kính va chạm phân tử khí =1.38.10

MHz

6

thay đổ a bên lõi rỗng HC dải áp suất thấp s

PCF nguyên nhân ch ày khác v ội tụ không gian tự (các b

ội tụ không gian tự

PCF đ ờng khí H

i đường cong màu xanh, đ ên hình ch

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ρ 0.137 bar

.amagat.s

ờng kính va chạm phân tử khí =1.38.10

MHz ổi c

ng HC

ì va chạm phân tử khí với PCF nguyên nhân ch

ày khác v ội tụ không gian tự (các b

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ất thấp chủ yếu cho va chạm phân tử với thành lõi r

PCF đến mở rộng vạch phổ Raman ờng khí H2

ng cong màu xanh, đ ên hình ch

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ρ 0.137 bar

.amagat.s

ờng kính va chạm phân tử khí =1.38.10-23

 MHz ;

i đ ng HC

ự va chạm phân tử khí với PCF nguyên nhân ch

ày khác với thí nghiệm tán xạ ội tụ không gian tự (các b

ệu ứng hẹp phổ Tr

ỗng sợi quang tử HC-PCF đ

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ành lõi r

ến mở rộng vạch phổ Raman

2

ng cong màu xanh, đ ên hình ảnh h

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ρ 0.137 bar

.amagat.s-1 h

ờng kính va chạm phân tử khí

23

(JK ; ρ a độ ng HC-PCF

ự va chạm phân tử khí với PCF nguyên nhân chủ yếu g

ới thí nghiệm tán xạ ội tụ không gian tự (các b

ệu ứng hẹp phổ Tr

PCF đ

ến mở rộng vạch phổ Raman PCF có vai trị s

ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr ng cong màu xanh, đ

ỉ ảnh h

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ρ 0.137 bar Bán kính lõi r

là số tự khuếch tán ờng kính va chạm phân tử khí

(JK-1); c=3.10 m rộn PCF

ự va chạm phân tử khí với ủ yếu g

ới thí nghiệm tán xạ ội tụ khơng gian tự (các bình khí) tr

ệu ứng hẹp phổ Trong d

PCF đ

ến mở rộng vạch phổ Raman PCF có vai trị s

ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr ng cong màu xanh, đ

ỉ ảnh h

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ρ 0.137 bar Bán kính lõi r

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động sau: A=6.16 (MHz.amagat); h

ằng số tự khuếch tán ờng kính va chạm phân tử khí

); c=3.10 mật đ

ng v

PCF mô tả tr

ự va chạm phân tử khí với ủ yếu gây m

ới thí nghiệm tán xạ ình khí) tr

ong d

PCF đến

ến mở rộng vạch phổ Raman PCF có vai trị thay đổi độ rộng vạch ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr

ng cong màu xanh, đ ỉ ảnh h

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar Bán kính lõi r

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán ờng kính va chạm phân tử khí

); c=3.10 t độ g vạch ph

ợc mô tả tr

ự va chạm phân tử khí với ây m

ới thí nghiệm tán xạ ình khí) tr

ong dải áp suất khí trung

ến

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ành lõi rỗng sợi HC ội tụ không gian tự

ến mở rộng vạch phổ Raman ự thay đổi độ rộng vạch ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tr

ng cong màu xanh, đ ỉ ảnh hư

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán ờng kính va chạm phân tử khí

); c=3.108

ộ khí (amagat) cho ch ph

ợc mô tả tr

ự va chạm phân tử khí với ây mở rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ

ình khí) trư

ải áp suất khí trung

ến thay đ

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ỗng sợi HC ội tụ không gian tự

ến mở rộng vạch phổ Raman ự thay đổi độ rộng vạch ỉ thay đổi độ rộng vạch Raman dao động tròn t

ng cong màu xanh, đỏ

ưởng bán kính ể tới mở rộng vạch phổ Raman c

8

m/s; v

khí (amagat) cho ch phổ

ợc mơ tả tr

ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ước ải áp suất khí trung

thay đ

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ỗng sợi HC ội tụ không gian tự

ến mở rộng vạch phổ Raman ự thay đổi độ rộng vạch

òn bán l ỏ h

ởng bán kính ể tới mở rộng vạch phổ Raman c

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar Bán kính lõi rỗng c

m/s; v

khí (amagat) cho ổ Raman dao ợc mơ tả hình ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ớc ải áp suất khí trung

thay đổi độ rộng

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ỗng sợi HC

ại bán l h

ởng bán kính ể tới mở rộng vạch phổ Raman c

ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ỗng c

ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán ờng kính va chạm phân tử khí H2

m/s; với tán xạ khí (amagat) cho Raman dao ên hình ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ớc ải áp suất khí trung

ổi độ rộng

ự thay đổi độ rộng vạch Raman ỗng sợi HC

ại bán l hồng đư ởng bán kính

ưỡng ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar ỗng nh

165 ứu thay đổi độ rộng vạch phổ tán xạ Raman dao động

ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán

2; rc

ới tán xạ khí (amagat) cho Raman dao ên hình ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ớc ải áp suất khí trung

dải áp ỗng sợi HC-PCF

ại bán l ng đư ởng bán kính

ỡng ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar àng nh

ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán

c =5

ới tán xạ khí (amagat) cho Raman dao ên hình ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ớc ải áp suất khí trung

ải áp PCF

ại bán lõi ng ởng bán kính ỡng ởng tăng dần áp suất giảm dần từ bar àng nhỏ

ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán =5 ới tán xạ khí (amagat) cho Raman dao ên hình ự va chạm phân tử khí với rộng vạch phổ ới thí nghiệm tán xạ ớc ải áp suất khí trung

ải áp PCF

(6)

Vật lý

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng, “Nghiên cứu mở rộng … sợi quang tử lõi rỗng.” 166

thì mở rộng mạnh tốc độ mở rộng tăng, tốc độ mở rộng vạch Raman tỷ lệ nghịch với hàm bậc hai bán kính lõi sợi quang

4 KẾT LUẬN

Trong báo nghiên cứu ảnh hưởng mở rộng Doppler, va chạm phân tử khí H2 với chúng với thành sợi quang tử lõi rỗng

HC-PCF lên mở vạch phổ Raman Ảnh hưởng thứ ba đặc biệt mạnh chiếm ưu so với hiệu hứng khác dải áp suất thấp giảm dần áp suất tăng Ảnh hưởng bán kính sợi quang tử lõi rỗng nghiên cứu, bán kính lõi rỗng giảm dẫn tới mở rộng nhanh vạch phổ Nghiên cứu cung cấp cách đầy đủ toàn diện đến yếu tố gây mở rộng vạch phổ Raman khí sợi quang tử lõi rỗng HC-PCF, có ý nghĩa quan trọng việc tạo vạch tần số Raman bán kính lõi rỗng khơng q nhỏ (thích hợp) để đảm bảo tính kết hợp vạch phổ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P St.J Russell “Photonic Crystal Fibers.”, Science 299 (2003), pp 358–362 (cit on pp 3, 40,41)

[2] F Benabid, J C Knight, G Antonopoulos, and P St J Russell, “Stimulated Raman scattering in hydrogen-filled hollow-core photonic crystal fiber,” Science 298, 399– 402 (2002)

[3] F Benabid, G Bouwmans, J C Knight, P St J Russell, and F Couny, “Ultra-high efficiency laser wavelength conversion in a gas-filled hollow core photonic crystal fiber by pure stimulated rotational Raman scattering in molecular hydrogen,” Phys Rev Lett 93, 123903 (2004)

[4] F Couny, F Benabid, P J Roberts, P S Light, and M G Raymer, “Generation and photonic guidance of multioctave optical-frequency combs,” Science 318, 1118– 1121(2007)

[5] Pooria Hosseini , Alexey Ermolov, Francesco Tani, David Novoa, and Philip St.J Russell “Soliton Dynamics and Raman-Enhanced Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber”, ACS Photonics, 2018, (6), pp 2426

[6] Haverkort, J., H Werij, and J Woerdman, Numerical study of light-induced drift of Na in noble gases Physical Review A, 1988 38(8): p 4054

[7] Graf, M., et al., Doppler broadening and collisional relaxation effects in a lasing-without-inversion experiment Physical Review A, 1995 51(5): p 4030

[8] Couny, F., O Carraz, F Benabid, Control of transient regime of stimulated Raman scattering using hollow-core PCF JOSA B, 2009 26(6): p 1209

[9] A Nazarkin, G Korn, M Wittmann, and T Elsaesser, “Generation of multiple phase-locked Stokes and antiStokes components in an impulsively excited Raman medium,” Phys Rev Lett 83, 2560–2563 (1999)

[10].Nazarkin, A., et al., Direct observation of self-similarity in evolution of transient stimulated Raman scattering in gas-filled photonic crystal fibers Physical review letters, 2010 105(17): p 173902

[11].T.D.Thanh, H.Q Quy, N.M.Thang, “Coherent Raman scattering interaction in hydrogen gas-filled hollow core photonic crystal fibres”, Optik 161 (2018) 156–160 [12].Murray, J., et al., Raman pulse compression of excimer lasers for application to laser

fusion Quantum Electronics, IEEE Journal of, 1979 15(5): p 342-368

(7)

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 167

[14].Murray, J and A Javan, Effects of collisions on Raman line profiles of hydrogen and deuterium gas J of Molecular Spectroscopy, 1972 42(1): p

[15].Galatry, L., Simultaneous effect of Doppler and foreign gas broadening on spectral lines Physical Review, 1961 122(4): p 1218

[16].Gersten, J.I and H.M Foley, Combined Doppler and collision broadening JOSA, 1968 58(7): p 933-935

[17].Cussler, E.L., Diffusion: mass transfer in fluid systems1997: Cambridge university press

ABSTRACT

INVESTIGATING THE BROADENING OF RAMAN SPECTRAL LINEWIDTH IN H2

GAS FILLED HOLLOW CORE PHOTONIC CRYSTAL FIBRE

Hollow core optical fiber (HC-PCF) allows high-intensity laser pumps to be performed at low power and confine the Raman active gas inside the hollow core However, the tightly confinement of hollow core gas molecules can broaden Raman linewidth In this paper, we study the effect of Raman active gas pressure and radius on the Raman spectral linewidth in the H2 gas medium contained by HC-PCF The

results show that in the low pressure area, the spectral linewidth expansion in the case of Raman scattering is mainly caused by the collision of gas molecules with the walls of the hollow core.

Keywords: Raman spectral linewidth; Stimulated Raman scattering (SRS); Raman gas H2; HC-PCF

Nhận ngày 10 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 14 tháng 01 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019

Địa chỉ: 1Đại học Công nghiệp thực phẩm HCM;

2Viện KH-CNQS

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	732,61 KB