Động học xung của laser stokes

1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh ------------------------- Nguyễn thị thu hiền Động học xung của laser stokes Chuyên ngành quang học Mã số: 62.44.11.01 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Quang Quý Vinh - 2007. Bộ giáo dục và đào tạo L i c m n Để có đợc bản luận văn này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồ Quang Quý, ngời đã đặt đề tài và hớng dẫn chu đáo, giúp em vợt qua khó khăn để hoàn thành tốt công việc đợc giao. Nhân dịp này em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo giảng dạy chuyên ngành Quang học nói riêng, các thầy cô giáo giảng dạy tại khoa sau đại học, trờng Đại học Vinh nói chung đã có những góp ý, chỉ dẫn trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn. Với tình cảm trân trọng, em xin cảm ơn tới ban chủ nhiệm khoa Vật Lý, ban chủ nhiệm khoa sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn tập thể cao học 13 - Vật Lý đã san sẻ niềm vui cùng tôi vợt qua khó khăn trong học tập. Xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này. Tác giả: Nguyn Th Thu Hin Học viên cao học 13- Quang học 2 Mục Lục Trang Mở Đầu 4 Chơng I: Tán xạ Raman cỡng bức 9 1.1. Tỏn x Raman 9 1.2. Cờng độ các thành phần tán xạ 12 1.3. Cờng độ tán xạ Raman 16 1.4. Tán xạ Raman cỡng bức 19 Kt lun 21 ChơngII: Laser Raman phát sóng Stokes: Lý thuyết bán cổ điển 22 2.1. Cấu trúc laser Raman 24 2.2. Phơng trình sóng Maxwell trong gần đúng đờng bao biến đổi chậm 24 2.3. Phân cực trong laser Stokes 28 2.4. Phơng trình trờng trong buồng cộng hởng 31 Kết luận 35 Chơng III: Tối u các tham số cho laser Stokes bơm xung 36 3.1. Hệ phơng trình tốc độ cho công suất trong buồng cộng hởng 36 3.2. Xung bơm dạng Gauss 38 3.3. Phơng trình tốc độ không thứ nguyên 39 3.4. ảnh hởng của các tham số chuẩn hoá lên quá trình phát 40 !"#$%&'!&%( 40 ả) !!&*+# 42 ả) !!&*+# 43 Kết luận 44 Kết luận chung 45 Tài liệu tham khảo 46 3 Mở đầu những vấn đề về laser Raman cần quan tâm nghiên cứu Nguồn bức xạ laser là nguồn sáng kết hợp với nhiều tính chất u việt nh: định hớng, mật độ công suất cao và đơn sắc. Những tính chất u việt đó đã mở ra những ứng dụng rộng lớn trong khoa học, công nghệ và trong đời sống hàng ngày [3]. Hiệu quả ứng dụng càng cao thì yêu cầu nâng cao phẩm chất của chùm tia laser càng lớn. Một trong những yêu cầu đó là mở rộng vùng phổ phát xạ và thay đổi đợc bớc sóng phát của bức xạ laser. Nhiều laser có bớc sóng thay đổi đã đợc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo dựa trên cơ sở phổ phát xạ băng rộng của các phân tử hoạt chất và dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến đã và đang đa vào sử dụng trong đời sống [3]. Hiệu ứng tán xạ Raman cỡng bức là một trong những hiệu ứng phi tuyến và do đó laser Raman đã đợc quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây [12, 9, 15, 16]. Laser Raman là một trong những công nghệ laser tạo ra chùm tia laser có bớc sóng thay đổi trong vùng hồng ngoại gần. Hoạt động của nó dựa trên cơ sở tán xạ Raman cỡng bức đợc trình bày trên hình 1.1 [23]. Trong hình 1.1, mức năng lợng ! là mức cơ bản, mức , là một trong các mức dao động hoặc mức quay, mức -là mức điện tử kích thích. Dịch chuyển giữa mức ! và mức , bị cấm do quy tắc lọc lựa lỡng cực điện. Tán xạ Raman xẩy ra khi một phô tôn tới tác động với phân tử và phát ra một phô tôn dịch về phía đỏ. Phô tôn này gọi là phô tôn Stốc [23, 21]. Khi cờng độ của laser bơm đủ mạnh hơn một giá trị ngỡng xác định nào đó thì ánh sáng Stokes phát ra đợc khuếch đại đáng kể theo hàm mũ. Quá trình này gọi là tán xạ Raman cỡng bức [34]. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu về tính chất mà nhiều loại laser Raman khác nhau đợc quan tâm nghiên cứu và chế tạo. Laser Raman sử dụng hoạt chất là khí H 2 áp suất cao cho công suất lớn với kích thớc lớn, song khó tạo ra buồng khí và sử dụng laser bơm YAG:Neodym có kích thớc lớn và 4 giá thành cao [19, 4, 25, 13]. Laser Raman với các tinh thể phi tuyến có kích th- ớc lớn nh LiNbO 3 , BaNb có thể phát bớc sóng nhiều bậc tần số dao động và cho công suất lớn, song giá thành cao, thông thờng chỉ sử dụng cho mục đích quân sự [14, 33]. Trong những năm gần đây, từ khi công nghệ chế tạo tinh thể bán dẫn với kích thớc bé nh các tinh thể bán dẫn có cấu trúc na nô, thì các laser Raman bán dẫn đợc u tiên phát triển mạnh [29, 8, 24, 14]. Souza đã sử dụng các ống Các bon có kích thớc nanô nh môi trờng tán xạ cỡng bức cho laser Raman. Môi tr- ờng tán xạ cấu trúc giếng lợng tử xếp thành mảng trở thành hoạt chất laser Raman có kích thớc cực nhỏ [29]. Xu hớng sử dụng Laser Raman sợi quang phát triển mạnh trong công nghệ thông tin quang. Laser này sẽ phát bức xạ trực tiếp trong sợi quang mà không cần đến hệ thống lái tia vào sợi quang [8, 24]. Những nghiên cứu về lý thuyết cũng nh thực nghiệm và ứng dụng laser Raman sợi quang đợc công bố tấp nập trong những năm đầu của thế kỷ 21 [16, 14, 33]. Song song với các nghiên cứu thực nghiệm là các nghiên cứu lý thuyết nhằm 5 b j Stokes J a b Đối Stokes Hình 1"./0'123 4567(#89!! !,:06!#.;! < , < :0=!4;-:'0.>? bơm a j dab EE = tìm ra đợc điều kiện để tối u hoá các tính chất của chùm laser Raman [7]. Một trong những tính chất cần phải nâng cao đó là công suất phát, suy đến cùng là hiệu suất phát. Một laser có hiệu suất phát cao sẽ mang lại cho chúng ta nhiều lợi ích: tiết kiệm đợc kích thớc hoạt chất, giảm công suất bơm, kéo theo giảm kích thớc laser. Cũng nh các laser cổ điển mà chúng ta đã biết, hiệu suất phát của laser Raman phụ thuộc vào các tham số nh hệ số khuếch đại của hoạt chất, chiều dày hoạt chất, công suất nguồn bơm, chiều dài buồng cộng hởng và hệ số phản xạ của các gơng cấu thành buồng cộng hởng [7]. Bằng lý thuyết bán cổ điển, Meng đã nghiên cứu quá trình phát ổn định cho laser Raman liên tục [25, 20, 26, 17]. Tuy nhiên đối với các laser hoạt động theo nguyên lý tơng tác phi tuyến thì ngoài hiệu ứng phi tuyến chính đóng góp tích cực vào việc nâng cao hiệu suất còn kéo theo hiệu ứng liên quan khác sẽ gây nên quá trình tiêu cực làm suy giảm hiệu suất [25, 24]. Laser Raman là một trong những laser nh vậy, hiệu ứng tán xạ đối Stokes sẽ làm giảm hiệu ứng tán xạ Stokes và ngợc lại. Hơn nữa các laser Raman liên tục-bơm bằng laser liên tục, thì cờng độ bơm hầu nh không thay đổi theo thời gian và quá trình phát ổn định đợc xác định từ thiết kế ban đầu [25]. Điều này không hoàn toàn trùng hợp đối với các laser bơm bằng các xung ngắn [18]. Với các xung bơm ngắn, thì công suất bơm thay đổi nhanh trong một thời gian ngắn. Vì công suất bơm thay đổi tại từng thời điểm trong quá trình xung nên các hiệu ứng phi tuyến gây ra do công suất bơm lớn sẽ xuất hiện. Sự xuất hiện của các hiệu ứng này sẽ ảnh hởng đến công suất, thời gian của xung Stokes phát ra. Trong laser Raman phát tần số Stokes thì hiệu ứng tiêu cực liên quan đến hiệu suất chính là hiệu ứng phát tần số đối Stokes [6]. Xuất phát từ những vấn đề còn tồn tại trên chúng tôi muốn quan tâm đến quá trình hoạt động của laser Raman bơm bằng xung ngắn. Đồng thời xem xét ảnh hởng của một số tham số thiết kế lên quá trình đó. Chú ý đặc biệt đến việc 6 xem xét khả năng tìm ra đợc giá trị tối u của các tham số thiết kế sao cho xung Stokes phát ra có công suất lớn nhất có thể. Trong luận văn này chúng tôi giả thiết một laser có hoạt chất tán xạ Raman chứa trong buồng cộng hởng có chiều dài @ giữa hai gơng bán kính cong 9, có hệ số phản xạ 9 AB&C và bơm bằng laser xung phân bố Gauss theo thời gian. Buồng cộng hởng chỉ khuếch đại sóng tần số Stokes và tần số bơm. Tần số đối Stokes không đợc khuếch đại và chỉ đợc xem nh là nhiễu trong quá trình bình luận. Hình 2 mô tả cấu trúc của laser Raman phát sóng Stokes. Trong sơ đồ cấu trúc này, gơng vào có hệ số truyền qua khoảng 50% (hệ số phản xạ cỡ 50%) đối với sóng bơm ngoài. Với các hệ số truyền qua này chùm tia đ- ợc bơm dọc theo trục của buồng cộng hởng. Một phần đi vào buồng cộng hởng có tác dụng kích hoạt quá trình tán xạ Raman trong hoạt chất. Một phần bị phản xạ trở lại. Biết rằng với hệ số truyền qua này thì mất mát năng lợng bơm lớn, song đợc lợi về mặt thiết kế, không cần đến hộp phản quang và lợi về tính định hớng của chùm tia phát. Gơng vào có hệ số phản xạ 100% đối với sóng Stokes. Nhờ nó mà sóng Stokes bị giam giữ trong buồng cộng hởng, đi lại nhiều lần tạo nên quá trình tán xạ 7 Hình 2 DE(F !'!&%(9!!A&G"#$%& Chùm tia bơm Phần tia bơm phản xạ lại Gương vào Rp=50 %,R S =100% Gương ra Rp=99,9 %,R=95% Chùm Stokes bơm Sóng đối Stokes khôngkhuếch đại Raman cỡng bức. Gơng ra có hệ số phản xạ 100% đối với sóng bơm. Nhờ đó sóng bơm đợc giữ lại trong buồng cộng hởng tiếp tục kích hoạt tán xạ Raman. Hệ số phản xạ của gơng ra đối với sóng Stokes thay đổi trong khoảng từ 90% đến 99,9 %. Nhờ đó mà sóng Stokes đợc khuếch đại nhiều lần trong buồng cộng hởng. Một phần (khoảng từ 1% đến 5%) đi ra ngoài trở thành chùm laser Stokes. Trong laser Stokes thì sóng đối Stokes có thể xuất hiện trong buồng cộng hởng, tuy nhiên không đợc khuếch đại nên sẽ đi ra ngoài buồng cộng hởng từ mặt bên. Hoạt chất Raman có hệ số khuếch đại ( ) G và độ dày '. ở đây chúng ta giả thiết hoạt chất Raman chiếm đầy không gian của buồng cộng hởng ('@). Nguồn bơm là một mode cơ bản TEM 00 của laser ngoài có công suất thay đổi theo hàm Gauss của thời gian. Chùm tia bơm đợc hội tụ vào buồng cộng h- ởng sao cho tham số đồng tiêu của hệ laser là ,. Xuất phát từ hệ phơng trình tốc độ cho cờng độ trờng đợc Meng dẫn ra [20], chúng tôi đa ra hệ phơng trình không thứ nguyên cho mật độ công suất trên cơ sở các tham số chuẩn hoá theo năng lợng và độ rộng xung bơm dạng Gauss. Bằng cách áp dụng các thông số chuẩn hoá phù hợp với thực nghiệm, chúng tôi nghiên cứu ảnh hởng của các thông số này lên quá trình hình thành xung phát của laser Raman. Từ đó rút ra các bộ tham số tối u cho xung phát cực đại của laser Raman. Nội dung nghiên cứu trên đợc bố cục trong luận văn theo cấu trúc sau: Chơng 1 sẽ giới thiệu tổng quan về tán xạ Raman tự phát, tán xạ Raman cỡng bức. Phần kết luận rút ra những yêu cầu của việc nghiên cứu chế tạo laser Raman. Chơng 2 trình bày lý thuyết bán cổ điển trong laser Raman Stokes. Mục tiêu chính là đa ra hệ phơng trình tốc độ cho biên độ trờng. Dẫn giải những đại lợng vật lý quan trọng trong tán xạ Raman nh phân cực của nguyên tử, hệ số tán xạ Raman. 8 Chơng 3 trình bày hệ phơng trình tốc độ cho công suất và phơng pháp chuẩn hoá các tham số và đa ra hệ phơng trình không thứ nguyên. Sử dụng các tham số chuẩn hoá khảo sát quá trình hình thành xung Stokes trong buồng cộng hởng. Từ đó tìm các tham số tối u sao cho cờng độ xung phát mạnh nhất. 9 Chơng 1 Tán xạ Raman cỡng bức: những khái niệm cơ bản 1.1 Tán xạ Raman Hiện tợng tán xạ Raman đợc nhà bác học Raman phát hiện vào năm 1928. Khi hội tụ chùm sáng vào môi trờng vật chất (chất lỏng Benzen) ông phát hiện ra rằng, trong chùm sáng thứ cấp sau khi đi qua môi trờng ngoài thành phần có tần số bằng tần số ánh sáng vào còn có hai thành phần có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn (hình 1.1) [34]. Hiệu tần số của các thành phần chính bằng tần số dịch chuyển giữa các mức năng lợng dao động hoặc quay trong phân tử chiếm trong môi trờng. Nh vậy khi chiếu một chùm ánh sáng có tần số vào một môi trờng gồm các phân tử (giả thiết cùng một loại phân tử) thì xảy ra các quá trình tán tán xạ sau đây: Tán xạ Rayleigh tự phát: là tán xạ ánh sáng thứ cấp tần số bức xạ của nó cùng tần số với nguồn sáng chiếu vào . Tán xạ Raman tự phát: là kết quả t- ơng tác của ánh sáng tới với những kiểu dao động hoặc quay của phân tử trong 10 Môi trường tán xạ Raman ánh sáng bơm tần số ánh sáng tán xạ tần số , và Hình 1.1H89!! . dục và đào tạo Trờng đại học vinh ------------------------- Nguyễn thị thu hiền Động học xung của laser stokes Chuyên ngành quang học Mã số: 62.44.11.01. số này lên quá trình hình thành xung phát của laser Raman. Từ đó rút ra các bộ tham số tối u cho xung phát cực đại của laser Raman. Nội dung nghiên cứu