Khảo sát ảnh hưởng của các tham số của buồng cộng hưởng lên hiệu suất phát của laser stokes luận văn thạc sỹ vật lý

01 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHAN ANH HUY KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ BUỒNG CỘNG HƯỞNG LÊN HIỆU SUẤT PHÁT CỦA LASER STOKES LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Vinh, 2012 01 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHAN ANH HUY KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG LÊN HIỆU SUẤT PHÁT CỦA LASER STOKES Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS CHU VĂN LANH Vinh, 2012 01 LỜI CẢM ƠN Trong suốt qu tr nh học tập hoàn thành uận v n t i ã nhận c s hướng dẫn gi p c c qu u c a c c thầy c c c anh ch c c e n T i in c ày t ng i t n Đ i học Vinh ã tận t nh truyền n Ban Gi hiệu quí thầy c trường t ki n thức cho t i suốt thời gian học tập t i trường Đặc iệt t i in gửi ời i t n sâu sắc Lanh ã dành nhiều thời gian tâ n Ti n sĩ Chu V n huy t hướng dẫn nghiên cứu gi p t i qu tr nh th c uận v n Nhân ây t i in t o iều kiện thuận n Ban Gi hiệu trường Đ i học Sài G n ã i ể t i c học tập hồn thành tốt khóa học Cuối t i in gửi ời n chân thành vai tr v quan trọng cu c ời t i ã u n ên c nh ng viên gi p ó ố n người có anh ch e t i học tập n việc hoàn thành uận v n Vinh, tháng năm 2012 Học viên Phan Anh Huy 01 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương 1: Cơ sở lý thuyết laser Stokes 11 T n Ra an 1.2 C-ờng độ thành phần tán xạ 1.3 C-ờng độ tán xạ Raman 13 1.4 Tán xạ Raman c-ỡng bøc 16 1.5 Giới hạn tán xạ Raman tự phát tán xạ Raman c-ỡng 18 1.6 Tán xạ Raman c-ỡng mô tả qua độ phân cực phi tuyÕn 21 1.7 CÊu tróc laser Raman Stokes 32 1.8 Hệ ph-ơng trình tốc độ cho biên ®é tr-êng bng céng h-ëng 33 1.9 HƯ ph-¬ng trình tốc độ cho công suất buồng cộng h-ởng 34 1.10 Giá trị ng-ỡng bơm cho laser Stokes 36 1.11 Ph-¬ng trình tốc độ không thứ nguyên 37 12 K t uận chư ng 39 Ch-ơng 2: Khảo sát ảnh h-ởng tham số buồng cộng h-ởng lên hiệu suất phát cña Laser Stokes 41 2.1 Quá trình hình thành sóng Stokes chế độ ổn định 41 2.2 Quá trình hình thành xung Stokes buồng cộng h-ởng 44 2.3 nh h-ởng l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát 46 2.4 nh h-ởng độ rộng xung bơm 47 2.5 Ảnh h-ëng độ dài buồng cộng h-ởng 48 2.6 Ảnh h-ëng cđa hƯ sè ph¶n xạ g-ơng 49 2.7 KÕt luËn ch-¬ng 50 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 01 Mở ĐầU Bức xạ laser nguồn sáng kết hợp với nhiều tính chất -u việt nh-: tính định h-ớng, mật độ công suất cao đơn sắc Những tính chất -u việt đó mở ứng dụng rộng lớn khoa học, công nghệ đời sống hàng ngày Hiệu ứng dụng cao nhu cầu nâng cao phẩm chất chùm tia laser lớn Một nhu cầu mở rộng vùng phổ phát xạ thay đổi đ-ợc b-ớc sóng phát xạ laser Nhiều laser có b-ớc sóng thay đổi đ-ợc nghiên cứu, thiết kế chế tạo dựa sở phổ phát xạ băng rộng phân tử hoạt chất hiệu ứng quang phi tuyến Các laser đ-ợc đ-a vào sử dụng khoa học, kĩ thuật đời sống Dựa hiệu ứng tán xạ Raman c-ỡng nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tạo laser Raman Laser Raman có -u điểm bật so với laser thông th-ờng sử dụng nhiều loại vật liệu làm môi tr-ờng khuếch đại phát đ-ợc b-ớc sóng thay đổi vùng hồng ngoại gần Đồng thời laser Raman cã nhiỊu øng dơng khoa häc - c«ng nghƯ đời sống Trong năm gần đây, số kết nghiên cứu lý thuyết laser Raman đ-ợc công bố Tuy nhiên kết tập trung chủ yếu cho laser phát liên tục, công suất thÊp Trong ®ã nhiỊu øng dơng ®êi sèng cần đến laser Raman có sông suất cao phát xung, đặc biệt laser Raman phát b-ớc sóng không ảnh h-ởng đến mắt ứng dụng quân Những nghiên cứu lý thuyết cho laser loại quan trọng, song bỏ ngỏ Chính chọn đề tài nghiên cứu Khảo sát ảnh h-ởng tham số buồng cộng h-ởng lên hiệu suất phát cđa Laser Stokes“ 01 Ch-¬ng 1: C¬ së lý thut laser stokes Trong ch-ơng nghiên cứu trình tán xạ Raman sở quan trọng để chế tạo laser Stokes Sau dẫn hệ ph-ơng trình tốc độ cho biên độ tr-ờng, hệ ph-ơng trình tốc độ cho công suất buồng cộng h-ởng, hệ ph-ơng trình tốc độ cho công suất không thứ nguyên laser Stokes Đây sở quan trọng để nghiên cứu ảnh h-ởng tham số đặc tr-ng buồng cộng h-ởng lên chế phát laser Stokes 1.1 Tán xạ Raman Hiện t-ợng tán xạ Raman đ-ợc nhà bác học Raman phát vào năm 1928 Khi hội tụ chùm sáng vào môi tr-ờng vật chất (chất lỏng) ông phát rằng, chùm sáng thứ cấp sau qua môi tr-ờng, thành phần có tần số tần số ánh sáng vào có hai thành phần có tần số lớn nhỏ (hình 1.1) [1], [2], [3] Môi tr-ờng tán xạ Raman ánh sáng bơm tần số ánh sáng tán xạ tần số S , A Hình 1.1- Hiện t-ợng tán xạ Raman Hiệu tần số thành phần tần số dịch chuyển mức l-ợng dao động quay phân tư m«i tr-êng Nh- vËy 01 chiÕu mét chïm ánh sáng có tần số vào môi tr-ờng gồm phân tử xảy trình tán xạ sau đây: Tán xạ Rayleigh tự phát, tán xạ ánh sáng thứ cấp, tần số xạ tần số nguồn sáng chiếu vào 0; Tán xạ Raman tự phát: kết t-ơng tác ánh sáng tới với kiểu dao động quay phân tử môi tr-ờng Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần: Stokes đối Stokes Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ tần số ánh sáng tới (dịch phía phổ màu đỏ-red shift) S = - d, thành phần đối Stokes có tần số lớn tần số ánh sáng tới (dịch phía phổ màu lục- blue shift) A =  + d J b¬m Stokes §èi Stokes bj b aj Eb  Ea  d a Hình1.2- Sơ đồ mức l-ợng chuyển dịch tán xạ Raman a, b : mức dao động; a j, bj: mức quay; J: mức điện tử Hiện t-ợng tán xạ Raman tự phát đ-ợc giải thích dựa sơ đồ l-ợng tử mức l-ợng phân tử trình bày hình 1.2 Các mức l-ợng phân tử bao gồm mức điện tử, mức J mức điện tử kích thích cao Trong mức điện tử chứa nhiều mức l-ợng dao động Các mức dao động cách khoảng b»ng øng víi tÇn sè ωd n»m vïng hồng ngoại trung (4.000 - 650cm-1) Trong mức 01 l-ợng dao động lại có nhiều mức l-ợng quay Các mức l-ợng quay cách khoảng b»ng øng víi tÇn sè ωq n»m vïng hồng ngoại xa (650 - 10cm-1) Đối với môi tr-ờng tán xạ Raman mức J đ-ợc gọi mức kích thích cộng h-ởng xa   EJ  Ea  0   EJ Ea đ-ợc gọi mức kích thích cộng h-ởng gần Điều đ-ợc trình bày cụ thể hình 1.3 [3], [22] Rayleigh Đối Stokes Stokes bj b ωd aj a Rayleigh Stokes ωS §èi Stoke s S A A Hình1.3- Các trình tán xạ Nguồn ánh sáng chiếu vào môi tr-ờng có tần số 0, tập hợp photon có l-ợng EJ Ea Khi l-ợng photon thoả mÃn điều kiện 0   EJ  Ea  ta gäi lµ t-ơng tác cộng h-ởng xa [13], [23] Sau hấp thụ photon, phân tử trạng thái a b nhảy lên mức l-ợng trung gian (Etg < EJ) Nguyên tử hay phân tử tồn trạng thái thời gian định nhảy trạng thái có mức l-ợng b a tái xạ 01 photon Các photon thứ cấp phát xạ khỏi môi tr-ờng Phụ thuộc vào trạng thái ban đầu trạng thái cuối dịch chuyển mà ta có xạ thứ cấp Rayleigh, Stokes hay đối Stokes Nếu trạng thái ban đầu trạng thái cuối a b (cùng mức l-ợng) ta có tán xạ Rayleigh Nếu trạng thái ban đầu có mức l-ợng thấp mức l-ợng trạng thái cuối ta có tán xạ Raman Stokes Ng-ợc lại trạng thái ban đầu có l-ợng lớn mức l-ợng trạng thái cuối ta có tán xạ Raman đối Stokes C-ờng độ ánh sáng tán xạ khác tần số khác Trong mạnh tán xạ Rayleigh với tần [3], [20], [22] Điều giải thích trạng thái cân nhiệt, phần lớn phân tử nằm trạng thái l-ợng thấp a tuân theo phân bố Boltzmann Số phân tử nằm trạng thái dao ®éng kÝch thÝch b rÊt nhá Do ®ã c¸c photon tác động vào môi tr-ờng số l-ợng phân tử có mức l-ợng thấp hấp thụ photon lớn số l-ợng phân tử hấp thụ photon nằm mức l-ợng cao Từ nguyên tắc mà c-ờng độ tán xạ Stokes lớn tán xạ đối Stokes Do khó quan sát đ-ợc ánh sáng tán xạ đối Stokes kích thích chùm ánh sáng không đơn sắc Tuy nhiên điều với tán xạ Raman tự phát Để thấy đ-ợc khác c-ờng độ tán xạ ta dẫn tỉ lệ c-ờng độ thành phần tán xạ 1.2 C-ờng độ thành phần tán xạ Khi cho tr-ờng điện từ tác động lên hệ nguyên tử Do t-ơng tác điện tr-ờng mà phân tử xuất mô men l-ỡng cùc cu tØ lƯ thn víi c-êng ®é E cđa thành phần điện tr-ờng Hệ số tỉ lệ hƯ sè ph©n cùc  cđa ph©n tư [3]: cu   E (1.1) 01 NÕu ta biĨu diƠn: E E0 cos 0t (1.2) Trong E0 biên độ điện tr-ờng E , tần số xạ mô men l-ỡng cực dao động với tÇn sè 0 : cu   E0 cos 0t (1.3) Theo điện động lực học, l-ỡng cực dao động trở thành nguồn xạ có c-ờng độ I tỉ lệ thuận với bình ph-ơng biên độ mômen l-ỡng cực điện luỹ thừa bậc bốn tần sè dao ®éng: I  M cu2 04 (1.4) Tõ (1.3) ta thấy biên độ mô men cảm ứng tích biên độ điện tr-ờng hệ số ph©n cùc cđa ph©n tư M cu   E0 , nªn ta cã: I   E0204 (1.5) Đây c-ờng độ tán xạ Rayleigh Năm 1923 Smecal phát chùm xạ tán xạ xuất photon có l-ợng khác photon tán xạ Rayleigh Năm 1925 lý thuyết l-ợng tử Kramer Heisenberg đà phát khẳng định photon tán xạ tìm thấy không photon có l-ợng , mà photon có l-ợng d ,q Năm 1927 Dirac đà khẳng định lại điều lý thuyết học l-ợng tử tán xạ Năm 1928, nhà khoa học ấn Độ Chandrasekhar Venkat Raman đà công bố kết thí nghiệm t-ợng tán xạ mà nhà lý thuyết nêu chất Benzen lỏng Cũng năm Landsberg Mandelsztam khảo sát thành công t-ợng tán xạ tinh thể thạch anh Hiện t-ợng tán xạ đ-ợc gọi t-ợng tán xạ Raman 01 phân tử môi tr-ờng Raman Do tính chất đơn sắc không cao Hơn làm chủ đ-ợc b-ớc sóng phát C-ờng độ tán xạ Raman c-ỡng đ-ợc khuếch đại lần qua môi tr-ờng C-ờng độ tán xạ Raman nh- hệ số tán xạ Raman c-ỡng phụ thuộc vào chất môi tr-ờng tán xạ (độ cảm phi tuyến bậc ba), c-ờng độ tr-ờng kích thích mà phụ thuộc vào cÊu tróc kh«ng gian cđa chïm tia kÝch thÝch (th«ng số đồng tiêu b) cấu trúc môi tr-ờng t-ơng tác (diện tích t-ơng tác A số Frexnen ) Đây tham số ảnh h-ởng đến trình hoạt động laser Raman Để khắc phục nh-ợc điểm trên, đ-a môi tr-ờng hoạt Raman vào buồng cộng h-ởng quang học Với điều kiện cho phép [20], đà đ-a sơ đồ cấu tạo laser Stokes, dẫn hệ ph-ơng trình tốc độ cho biên độ tr-ờng, công suất tr-ờng buồng cộng h-ởng, hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên cho công suất buồng cộng h-ởng Đó sở quan để nghiên cứu ch-ơng Ch-ơng 2: Khảo sát ảnh h-ởng tham số BuồNG CộNG HƯởNG lên hiệu suất phát Laser Stokes Trong ch-ơng sâu nghiên cứu ảnh h-ởng tham số thiết kế lên đặc tr-ng phát laser phát sóng Stokes (gọi laser Stokes) chế độ bơm không ổn định Hệ ph-ơng trình tốc độ công suất có thứ nguyên (1.84) không thứ nguyên (1.99) với biến số tham số chuẩn hoá thông qua biểu diễn l-ợng độ rộng xung bơm đ-ợc 01 giải ph-ơng pháp số Runge - Kuta bậc bốn cho tr-ớc giá trị tham số đầu vào t-ơng ứng với mẫu laser định 2.1 Quá trình hình thành sóng Stokes chế độ ổn định Quá trình hình thành sóng Stokes buồng cộng h-ởng công suất bơm cố định, đ-ợc so sánh với giá trị bơm ng-ỡng (1.89): Pep ,th   ln R1 p R2 p 4T1 p   b cs 8 p G  Chúng khảo sát mẫu laser Stokes với sè liƯu thùc nghiƯm [18], cã b-íc sãng b¬m chun tõ 792 nm (  p  2 c 792.109 ) sang sãng Stokes 1180nm ( s  2 c 1180.109 ) môi tr-ờng Raman khí Hydrô (H2) điều kiện nhiệt độ 25 oC áp suất 10 atm Trong môi tr-ờng này, hệ số khuếch đại t-ơng ứng với dịch chuyển g 1,5.1011 m / W , tốc độ tích thoát kết hợp (coherence decay)  ab / 2  250MHz , ®iỊu biÕn hai ph«t«n (two-photon detuning)  / 2  0.5GHz , mật độ phân tử N 2,4.1026 m3 , h»ng sè liªn kÕt (coupling constant) ds  6,0  108 m2 Hz / V , chiÕt suÊt ns n p 1, nghịch đảo mật độ Deq 1, tốc độ tích thoát mật độ (population decay) ab / 2  10kHz C¸c tham sè buồng cộng h-ởng: hệ số phản xạ R1s= 0,999; R2s= 0,9; R1p= 0,5; R2p= 0,999; b¸n kÝnh cong cđa hai g-ơng r = 0,5m; độ dài L = 0,1m Tham số đồng tiêu chùm tia Stokes bs = 0,3m TiÕt diƯn ngang cđa ho¹t chÊt A  12,3.10 m độ dày l = 0,04m Công suất xung bơm đ-ợc chọn có giá trị lần l-ợt 2, lần công suất bơm ng-ỡng Quá trình biến đổi theo thời gian sóng bơm buồng cộng h-ởng đ-ợc tính toán trình bày hình 2.1 Từ ta thấy rằng: 01 1) Khi tốc độ bơm thấp công suất sóng bơm buồng cộng h-ởng tăng chậm dao động nhỏ 2) Khi tốc độ bơm tăng lên tốc độ tăng công suất sóng bơm buồng cộng h-ởng tăng lên; 3) Công suất sóng bơm buồng cộng h-ởng đạt giá trị cực đại sớm tốc độ bơm lớn; 4) Sau thời gian dao động công suất sóng bơm buồng cộng h-ởng dần tiến đến giá trị ổn định Quá trình thay đổi theo thời gian sóng Stokes buồng cộng h-ởng đ-ợc tính toán thể hình 2.2 Qua ta thấy rằng: 1) Tốc độ tăng công suất sóng Stokes giống nh- tốc độ tăng công suất sóng bơm; 2) Sóng Stokes bng céng h-ëng xt hiƯn c«ng st sãng bơm buồng cộng h-ởng đạt cực đại; 3) Tức sóng Stokes đ-ợc khuếch đại sau thời gian trễ đó, phụ thuộc vào công suất sóng b¬m bng céng h-ëng; 4) Thêi gian trƠ n»m vùng từ 60 đến 90 às; 5) Công suất bơm lớn công suất ổn định sãng Stokes bng céng h-ëng cµng lín Nh- vËy, sóng bơm có công suất ổn định, song sãng Stokes xt hiƯn vµ chØ sãng bơm buồng cộng h-ởng đạt cực đại sau thời gian trễ Thời gian phát sóng Stokes dài hay ngắn phụ thuộc vào công suất bơm Những đặc tr-ng hoàn toàn phù hợp với đặc tr-ng laser thông th-ờng 01 Hình 2.1 - Thay đổi công suất bơm BCH theo thời gian Hình 2.2 - Công suất Stokes BCH theo thời gian 2.2 Quá trình hình thành xung Stokes buồng cộng h-ởng Để nghiên cứu ảnh h-ởng số tham số chủ yếu lên trình hình thành xung sóng Stokes buồng cộng h-ởng, hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên (1.99) đà đ-ợc giải ph-ơng pháp số với giá trị cho tr-ớc ch , ch ch Trong tham số ch đặc tr-ng cho l-ợng xung bơm, hệ số khuếch đại Raman, bán kính mặt thắt chùm tia buồng cộng h-ởng w tỉ số b-ớc sóng bơm sóng Stokes p /s Biết giá trị 01 tham số ch , b-ớc sóng sóng bơm p b-ớc sóng sóng Stokes s ta biết đ-ợc giá trị tham số ch (1.97) Tham số ch đặc tr-ng cho độ rộng xung bơm đồng thời đặc tr-ng cho thêi gian sèng cña photon buång céng h-ởng p(s) Từ tham số ta suy đ-ợc tham số thiết kế laser Stokes cho c«ng st hay hiƯu st tèi -u Hình 2.3 - Động học xung buồng cộng h-ëng víi bé tham sè  ch  30 , ch Để khảo sát trình hình thµnh xung sãng Stokes buång céng h-ëng, ta chän bé tham sè  ch  30 , ch  ch / 1,5 ch giải hệ ph-ơng trình không thứ nguyên (1.99) ph-ơng pháp Runge-Kuta Sự thay đổi theo thời gian công suất sóng bơm sóng Stokes buồng cộng h-ởng đ-ợc trình bày hình 2.3 Từ hình 2.3 thÊy r»ng: 1) Xung sãng b¬m buång céng h-ëng xuất trễ so với xung bơm Điều đ-ợc giải thích nh- sau: Trong giai đoạn s-ờn tr-ớc xung bơm, công suất bơm nhỏ nên bị hấp thụ hết để kích thích phân tử lên mức trung gian, buồng cộng h-ởng không tồn sóng bơm Sau thời gian trễ định trình tán xạ Rayleigh xuất 01 sóng bơm xuất buồng cộng h-ởng Cùng với tăng dần sóng bơm ngoài, sóng bơm buồng cộng h-ởng tăng lên 2) Xung sãng Stokes xt hiƯn sau xung b¬m bng cộng h-ởng gần đạt cực đại Thời điểm xuất cđa sãng Stokes bng céng h-ëng sÏ thay ®ỉi theo công suất đỉnh xung bơm Điều khẳng định lại hiệu ứng tán xạ Rayleigh mạnh hiệu ứng tán xạ Raman (tán xạ Stokes) Rõ ràng công suất bơm đủ mạnh, tán xạ Reyleigh bÃo hoà tán xạ Raman xuất đ-ợc khuếch đại 3) Quá trình hình thµnh xung bng céng h-ëng cđa laser Stokes hoµn toàn trùng với trình máy phát thông số quang học cộng h-ởng đơn [16] Công suất sóng Stokes buồng cộng h-ởng đạt cực đại sóng bơm buồng cộng h-ởng bị triệt tiêu So sánh nguyên lý hoạt động máy phát thông số buồng cộng h-ởng đơn đà nghiên cứu công trình [12] ta thÊy sãng b¬m buång céng h-ëng cã vai trò t-ơng tự nhsóng bơm phát sinh sau trình t-ơng tác thông số, sóng Stokes có vai trò t-ơng tự nh- sóng tín hiệu đ-ợc khuếch đại buồng cộng h-ởng chuyển dịch không xạ hai mức dao động hoạt chất có vai trò nh- sóng đệm không đ-ợc khuếch đại buồng cộng h-ởng 2.3 ảnh h-ởng l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát Giả sử hệ số khuếch đại Raman G xác định, cấu trúc buồng cộng h-ởng không đổi (hệ số phản xạ R, độ dài buồng cộng h-ởng L xác định), giá trị tối -u xung Stokes nh- hiệu suất phụ thuộc vào tham số xung bơm (W ) Trên hình 2.4 kết tính toán giá trị hiệu suất l-ợng phát với giá trị thay đổi l-ợng độ rộng xung bơm Các đ-ờng cong từ xuống ứng với độ rộng xung bơm giảm từ cao xng thÊp 01 H×nh 2.4 - Phơ thc hiệu suất vào l-ợng bơm độ rộng xung b¬m  = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ns (tính từ xuống) Kết hình 2.4 cho thấy với độ rộng xung xác định hiệu suất tăng theo l-ợng bơm Tuy nhiên l-ợng bơm qúa lớn hiệu suất có xu ổn định Ngoài giá trị l-ợng định xung bơm, tăng độ rộng xung hiệu suất giảm Khi l-ợng xung bơm nhỏ, phần l-ợng xung bơm trao cho sóng Stokes Hiệu suất tăng dần l-ợng xung bơm tăng Tuy nhiên l-ợng xung Stokes đủ lớn trình trao đổi l-ợng từ cho sóng đối Stokes trở nên bÃo hoà 2.4 ảnh h-ởng độ rộng xung bơm Ngoài l-ợng xung bơm W (hay công suất xung Pep) ảnh h-ởng đến trình phát laser Stokes Trong tr-ờng hợp l-ợng xung bơm không đổi W = 0,9mJ = const, thay ®æi ®é réng xung τ dÉn ®Õn sù thay ®æi công suất Pmax Do hiệu suất phát laser Stokes phụ thuộc vào độ rộng xung Trong hình 2.5 khảo sát phụ thuộc hiệu suất vào độ rộng xung thay đổi từ = 4ps đến 16ps với tham số khác đ-ợc 01 chän λp = 1,06μm, λs = 1,55μm R2s = 0,95, R1s = 0,999, ch = 40, độ dài buồng céng h-ëng L = 60 mm [18] H×nh 2.5 - ảnh h-ởng độ rộng xung bơm lên hiệu suất l-ợng Trong tr-ờng hợp l-ợng xung bơm không đổi mà độ rộng xung bơm giảm dần công suất xung bơm tăng Độ rộng xung bơm giảm làm cho độ rộng xung Stokes giảm theo Điều dẫn đến công suất xung Stokes tăng theo Khi công suất xung Stokes đủ lớn với công suất xung bơm, trình t-ơng tác bốn sóng hoạt chất xảy [18] Một phần l-ợng xung bơm phần l-ợng cđa xung Stokes sÏ trao cho sãng ®èi Stokes Tuy sóng đối Stokes không đ-ợc khuếch đại laser Stokes, nh-ng tán xạ đối Stokes có c-ờng độ mạnh Do l-ợng xung Stokes giảm hiệu suất l-ợng giảm 2.5 ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng Độ dài buồng cộng h-ởng L nh÷ng tham sè thiÕt kÕ quan träng cđa laser Thay đổi độ dài buồng cộng h-ởng thay ®ỉi thêi gian sèng cđa photon hay thay ®ỉi hƯ số mát 01 Hình 2.6 - ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng lên hiệu suất l-ợng Thời gian sống photon buồng cộng h-ởng, ảnh h-ởng trực tiếp đến hiệu suất phát laser Laser Stokes không nằm quy luật Hiệu suất l-ợng phát phụ thuộc vào độ dài buồng cộng h-ởng, thay đổi khoảng từ 10 mm đến 60 mm [18] với tham số khác đ-ợc chọn λ p = 1,06μm, λs = 1,55μm R1s =0,999, R2s=0,95, =10ps, ch = 40 đ-ợc tính toán trình bày hình 2.6 Kết cho thấy khoảng ngắn định độ dài buồng cộng h-ởng hiệu suất giảm không đáng kể Khi tăng độ dài buồng cộng h-ởng thời gian sống photon buồng cộng h-ởng tăng lên, số photon mát buồng cộng h-ởng giảm dần hiệu suất tăng dần 2.6 ảnh h-ởng hệ số phản xạ g-ơng Thay đổi hệ số phản xạ (truyền qua) hai g-ơng làm thay đổi mát cđa tr-êng, cịng nh- thêi gian sèng cđa photon buồng cộng h-ởng 01 Hình 2.7 - ảnh h-ởng hệ số phản xạ g-ơng lên hiệu suất l-ợng Cũng nh- tr-ờng hợp thay đổi độ dài buồng cộng h-ởng, hệ số phản xạ hay truyền qua g-ơng tác động mạnh đến thời gian sống photon buồng cộng h-ởng tất yếu ảnh h-ởng đến hiệu suất phát Điều thấy rõ hình 2.7 tính toán với hệ số phản xạ g-ơng sóng Stokes thay đổi từ 0,9 đến 0,999 (vùng lân cận giá trị thực nghiệm [18]) Kết hình 2.7 cho thấy hiệu suất thay đổi theo hệ số phản xạ g-ơng sóng Stokes Tuy nhiên, tồn vùng giá trị tối -u hệ số phản xạ (lân cận 0,945) cho hiệu suất phát ổn định Điều hoàn toàn phù hợp với điều kiện mát tối -u laser Khi tăng hệ số phản xạ tức giảm l-ợng thoát ngoài, kéo theo giảm hiệu suất Ng-ợc lại giảm hệ số phản xạ, tức tăng l-ợng phát ngoài, kéo theo giảm l-ợng buồng cộng h-ởng giảm hiệu ứng khuếch đại Raman c-ỡng 01 2.7 Kết luận ch-ơng Laser phát sóng Stokes bơm laser có công suất thay đổi theo thời gian dạng hàm Gauss đà đ-ợc khảo sát lý thuyết áp dụng mô cho số mẫu định thông qua tham số thiết kế cho tr-ớc Từ trình hình thành xung sóng Stokes xung sãng b¬m bng céng h-ëng chóng ta thÊy chế hoạt động laser Stokes t-ơng tự nh- trình máy phát thông số ( ks k p  kv ) buång céng h-ëng, sóng bơm buồng cộng h-ởng có vai trò t-ơng tự nh- sóng bơm phát sinh sau trình t-ơng tác thông số, sóng Stokes có vai trò t-ơng tự nhsóng tín hiệu đ-ợc khuếch đại buồng cộng h-ởng chuyển dịch không xạ hai mức dao động hoạt chất có vai trò nh- sóng đệm không đ-ợc khuếch đại buồng cộng h-ởng Từ kết tìm giá trị tối -u tham số không thứ nguyên, phụ thuộc hiệu suất phát laser Stokes vào thiết kế cụ thể đà đ-ợc khảo sát Tuy nhiên, giá trị tối -u trên, đặc biệt laser bơm buồng cộng h-ởng biến đổi tuỳ thuộc vào giá trị đầu vào hoạt chất thông qua hệ số khuếch đại G() khoảng cách l-ợng hai mức l-ợng dao động (hoặc quay) ab ng-ợc lại 01 Kết luận Từ phân tích mang tÝnh tỉng quan vỊ lý thut, thùc nghiƯm vµ øng dụng laser Raman đ-ợc cập nhật năm gần đây, đề tài đà định h-ớng vào việc nghiên cứu lý thuyết laser Raman phát sóng Stokes bơm chùm tia laser có công suất thay đổi theo thời gian dạng hàm Gaus Các kết đ-ợc tóm l-ợc điểm d-ới đây: Tổng quan lý thuyết tán xạ Raman c-ỡng bức: phân biệt tán xạ Raman tự phát tán xạ Raman c-ỡng Đánh giá đ-ợc tỷ lệ c-ờng độ thành phần tán xạ Đây sở để tạo laser Raman Stokes Xuất phát từ hệ ph-ơng trình tốc độ tr-ờng buồng cộng h-ởng, đà xây dựng hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên cho công suất chuẩn hoá, Y1 (~Pp), Y2(~Ps), Y3(~Pa) - đại l-ợng đặc tr-ng cho chùm tia laser tham số thiết kế chuẩn hoá (~G(), b, λp, λs, λa, ), β(~G(δ), b, ), σ (~γs, γa, ) - tham số đặc tr-ng cho hệ laser, theo l-ợng toàn phần (W) độ rộng xung bơm () - hai đại l-ợng đặc tr-ng xung bơm dạng Gauss Hệ ph-ơng trình giải ph-ơng pháp số Runge-Kutta bậc bốn nhờ trợ giúp máy tính với số l-ợng tham số đầu vào rút gọn xuống hai tham số cho laser phát sóng Stokes Việc tìm giá trị tối -u cđa c¸c tham sè bng céng h-ëng sÏ gióp cho viƯc lùa chän c¸c tham sè thiÕt kÕ laser phï hợp cho hiệu suất phát ổn định Từ kết đà đ-a đ-ợc số định h-ớng cho việc chế tạo tối -u hoá laser Raman phát sóng Stokes nh- phát sóng đối Stokes có công suất cực đại nh-: lựa chọn tham sè buång céng h-ëng biÕt tham sè cña nguån bơm tham số hoạt chất, chọn tham số nguồn bơm biết tham số hoạt chất buồng cộng h-ởng 01 Tài liệu tham khảo H Q Q, V N S¸u (2005), Laser b-íc sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQGHN H Q Q (2007), Quang phi tun øng dơng, NXB §HQGHN Boozer D (2005), Raman Transitions in Cavity QED, Ph.D., California Institute of Technology Pasadena, California, April Boyd R W (1992), Nonlinear Optics, Academic Press Boyd G D., Johnston J W D and Kaminow I P (1969), “Optimization of the stimulated Raman scattering threshold”, IEEE J Quan Electron, Vol 5, pp 203–206 Boyraz O., et al (2004), Observation of simultaneous Stokes and anti-Stokes emission in a silicon Raman laser, IEICE Electron Exp., Vol.1, pp 435-441 Brasseur J K (1998), Construction and noise studies of a CW Raman laser, Ph.d., Montana State University, MSU Department of Physics, EPS 264, Bozeman, MT 59717 Brasseur J K., et al (1999), “Characterization of a continuous- wave Raman laser in H 2”, J Opt Soc Am B, Vol 16, p 1305 Brasseur J K., et al (2000), “Coherent antri-Stokes emission in a continuous-wave Raman laser in H2”, J Opt Soc Am B, Vol 17, p 1223 10 Dianov E M., et al (1994), “Low-loss high Germania-doped fiber: A Promising gain medium for 1330nm Raman amplifier”, Proc 20th Eur Conf Opt Commun., Vol 1, Firenze, Italy, p 427 11 Dianov E M., et al (2000), “Medium-Power CW Raman lasers”, IEEE Quant Electron., 6, p 1022 12 Diels J C (2006), Ultrashort Laser Pulse Phenomena Fundamentals, Academic Press 01 13 Eschmann A., et al (1999), “Intensity squeezing in a Raman laser”, Phys Rev A, Vol 60, pp 559-572 14 Kuzin E.A (2005), “Intra-pulse Raman frequency shift versus conventional Stokes generation of diode laser pulse in optical fibers”, Opt Express, Vol 13, pp 3388 - 3396 15 Long D.A (2002), The Raman Effect: A Unified Treatment of the Theory of Raman Scattering by Molecules, John Wiley & Sons Ltd 16 Meng L S., Roos P A and Carlsten J L ( 2002), “Continuous- wave rotational Raman laser in H2”, Opt Lett., Vol 27, pp 1226 –1228 17 Meng L S., Roos P A., Repasky K S and Carlsten J L (2001), “Highconversion- efficiency, diode-pumped continuous-wave Raman laser”, Opt.Lett., Vol 26, pp 426 – 428 18 Meng L.S (2002), Continuous-wave Raman laser in H2: semiclassical theory and diode-pumping experriments, Ph.D., Montana State University, MSU Physics, EPS 264, Bozeman, MT 59717, August 19 Raymer M G.and Westling L.A (1985), “ Quantum theory of Stokes generation with a multimode laser ”, J Opt Soc Am.B, Vol.2, No.9, pp 1417 20 Raymer M G et al, (1981), “Stimulated Raman Scattering: Unified treatment of spontaneous initiation and spatial propagation”, Phys Rev A, Vol.24, pp 1980 21 Raymer M G., et al (1979), “Theory of stimulated Raman scattering with broad-band lasers”, Phys Rev A, Vol.19, pp.2304 22 Roos P A., Brasseur J K and Carlsten J L (2000), “Efficient, tunable, high power CW near-infrared generation through Raman downconversion of a diode laser in H2”, Conference on Lasers and Electro-optics, Vol Postdeadline papers, p CPD24 01 23 Roos P A., Meng L S., and Carlsten J L (2000), “Using an injection-locked diode laser to pump a CW Raman laser”, IEEE J Quan Electron., Vol 36, pp 1280 – 1283 ... VINH PHAN ANH HUY KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG LÊN HIỆU SUẤT PHÁT CỦA LASER STOKES Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn... công suất buồng cộng h-ởng Đó sở quan để nghiên cứu ch-ơng Ch-ơng 2: Khảo sát ảnh h-ởng tham số BuồNG CộNG HƯởNG lên hiệu suất phát Laser Stokes Trong ch-ơng sâu nghiên cứu ảnh h-ởng tham số thiết... sát ảnh h-ởng tham số buồng cộng h-ởng lên hiệu suất phát cđa Laser Stokes? ?? 01 Ch-¬ng 1: C¬ së lý thut laser stokes Trong ch-ơng nghiên cứu trình tán xạ Raman sở quan trọng để chế tạo laser Stokes