Khảo sát ảnh hưởng của độ dài buồng cộng hưởng và bán kính mặt thắt chùm tia lên công suất của laser đối stokes

1 Mục lục Mục lục1 Mở đầu Ch-ơng1 Cơ sở lý thuyết laser đối Stokes 1.1 Tán xạ Raman .4 1.2 C-ờng độ thành phần tán xạ 1.3 C-ờng độ tán xạ Raman 11 1.4 Tán xạ Raman c-ỡng 14 1.5 Giíi h¹n tán xạ Raman tự phát tán xạ Raman c-ỡng 16 1.6 Tán xạ Raman c-ỡng mô tả qua độ phân cực phi tuyến 19 1.7 C-ờng độ tán xạ Raman c-ỡng không gian ba chiều 29 1.7.1 Ph-ơng tr×nh Maxwell - Block ba chiỊu 29 1.7.2 Lời giải gần trục ph-ơng trình Maxwell Block 31 1.7.3 Lời giải không gần trục hệ ph-ơng trình Maxwell-Block 33 1.7.4 C-ờng độ sóng Stokes tổng quát ba chiều 34 1.7.5 C-êng ®é Stokes tr-ờng hợp giới hạn thời gian ngắn 35 1.7.6 C-ờng độ Stokes trạng thái ổn định 35 1.7.7 Tr-ờng hợp tổng quát 35 1.8 Hệ ph-ơng trình tốc độ cho công suất tr-ờng buång céng h-ëng 36 1.9 KÕt luËn ch-¬ng…………………………………………………… ….40 Ch-¬ng Khảo sát ảnh hưởng độ dài buồng cộng hưởng bán kính mặt thắt chùm tia lên cơng suất Laser đối Stokes 2.1 BiĨu tøc tØ số công suất Stokes đối Stokes chế độ ổn định 42 2.2 ảnh h-ởng tỉ số mÊt m¸t buång céng h-ëng 43 2.3 ảnh h-ởng độ lệch pha 45 2.4 Hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên chế độ không ổn định 46 2.5 Quá trình hình thành xung buồng céng h-ëng 47 2.6 ¶nh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng 49 2.7 ảnh h-ởng bán kính mặt th¾t chïm tia 50 2.8 KÕt luËn ch-¬ng 53 KÕt luËn chung 55 Tài liệu tham khảo 57 Mở đầu Lý chọn đề tài 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 đà 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 đà 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 đà đ-ợc đ-a vào sử dụng khoa học, kĩ thuật đời sống Dựa hiệu ứng tán xạ Raman c-ỡng nhà khoa học đà 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 §ång thêi laser Raman cã nhiỊu øng dơng khoa học - công nghệ đời sống Trong năm gần đây, số kết nghiên cứu lý thuyết laser Raman đà đ-ợc công bố Tuy nhiên kết tập trung chủ yếu cho laser phát liên tục, công suất thấp Trong nhiều ứng dụng đời sống cần đến laser Raman có công suất cao phát xung, đặc biệt laser Raman phát b-ớc sóng không ảnh h-ởng đến mặt ứng dụng quân Những nghiên cứu lý thuyết cho laser loại quan trọng, song bỏ ngỏ Chính tác gỉa chọn đề tài nghiên cứu: Khảo sát ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng bán kính mặt thắt chùm tia lên công suất Laser đối Stokes Ch-ơng Cơ sở lý thuyết laser đối stokes Trong ch-ơng tác giả nghiên cứu trình tán xạ Raman sở quan trọng để chế tạo laser đối stokes Sau dẫn hệ ph-ơng trình tốc độ cho biên độ tr-ờng, hệ ph-ơng trình tốc ®é cho c«ng st bng céng h-ëng cđa laser đối Stokes Đây sở quan trọng để nghiên cứu ảnh h-ởng tham số đặc tr-ng buồng cộng h-ởng lên chế phát laser đối 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] ánh sáng bơm tần số Môi tr-ờng tán xạ Raman 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 tử môi tr-ờng Nh- chiếu chùm 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 = 0 + 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; aj, 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 øng víi tÇn sè ωd n»m vïng hång ngoại trung (4.000 - 650cm-1) Trong mức l-ợng dao động lại có nhiều mức l-ợng quay Các mức l-ợng quay cách khoảng øng víi tÇn sè ωq n»m vïng hång ngoại xa (650 - 10cm-1) Đối với môi tr-ờng tán xạ Raman mức J đ-ợc gọi c¸c møc kÝch thÝch céng h-ëng xa 0  E J Ea đ-ợc gọi møc kÝch thÝch céng h-ëng gÇn 0  E J Ea Điều đ-ợc trình bày cụ thể hình 1.3 [3], [22] Rayleigh Đối Stokes Stokes bj b ωd aj a Rayleigh Stokes ωS S A Đối Stokes A Hình1.3- Các trình tán xạ Nguồn ánh sáng chiếu vào môi tr-ờng có tần số 0, tập hợp phô tôn có l-ợng Khi l-ợng photon thoả mÃn điều kiện E J Ea   hc 0  E J  Ea  ta gọi 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 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 thÊp nhÊt a tu©n theo ph©n bè Boltzmann Sè ph©n tử nằm trạng thái dao động kích thích b nhỏ Do phô tôn tác động vào môi tr-ờng số l-ợng phân tử có mức l-ợng thấp hấp thụ phô tôn 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 cực cu tỉ lệ thuận với c-ờng độ E thành phần điện tr-ờng Hệ số tỉ lệ hệ sè ph©n cùc  cđa ph©n tư [3]:  cu  E (1.1) NÕu ta biĨu diƠn: E  E0 cos t (1.2) Trong E biên độ điện tr-ờng E , tần số xạ mô men l-ỡng cực dao ®éng víi tÇn sè  :  cu  E0 cos 0 t (1.3) Theo ®iƯn ®éng lùc häc, 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 số dao động: I M cu2 04 (1.4) Từ (1.3) ta thấy biên độ mô men cảm ứng tích biên độ điện tr-ờng hệ số phân cực phân tử M cu  E0 , nªn ta cã: I   E0204 (1.5) Đây c-ờng độ tán xạ Rayleigh Năm 1923 Smecal phát chùm xạ tán xạ xuất phô tôn có l-ợng khác phô tôn tán xạ Rayleigh Năm 1925 lý thuyết l-ợng tử Kramer Heisenberg đà phát khẳng định phô tôn tán xạ tìm thấy không phô tôn có l-ợng , mà phô tôn 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 Cơ chế tán xạ Raman đ-ợc giải thích nhờ lý thuyết phân cực [3], [14] Mô men l-ỡng cực cảm ứng gây xạ điện tr-ờng tỉ lệ với độ phân cực phân tử tuân theo công thức (1.1) Chúng ta nhớ lại độ phân cực đại l-ợng vật lý xác định độ tự điện tử so với hạt nhân điện tr-ờng Độ phân cực lớn mối liên kết điện tử hạt nhân tâm d-ơng phân tử yếu độ linh động điện tử lớn Cần ý thời gian dao động bình th-ờng theo chu kỳ cấu trúc phân tử, lực liên kết điện tử phân tử thay đổi theo chu kỳ Tức hệ số phân cực hàm tọa độ dao động chuẩn: f q (1.6) Hàm số (1.6) phân tích thành chuỗi Maclaurin với giả thiết độ lệch q gần không Với tr-ờng hợp phân tử hai nguyên tử có toạ độ chuẩn q ta có:    2   q    q0    q    q   q  q0  q q0 (1.7) Sử dụng gần điều hoà (giả thiết dao động chuẩn dao động gần điều hoà) ta quan tâm đến hai số hạng đầu, số hạng sau bỏ qua Do độ lệch q thay đổi theo chu kỳ, nên ta có: q  Q cos d t (1.8)    Nh- gần điều hoà thì:    Q cos d t  q (1.9) Q biên độ d tần số dao động chuẩn phân tư Tõ (1.9) ta thÊy hƯ sè ph©n cùc  thay đổi theo tần số dao động chuẩn vµ chØ  q  Sau thay (1.9) vào (1.3) ta nhận đ-ợc: cu   E0 cos 0t    QE0 cos 0t cos d t  q  Sử dụng biến đổi l-ợng giác: cos cos  1 cos     cos    2 (1.10) 10 Ta cã:    q  cu   E0 cos 0t        q   QE0 cos 0  d t 0   QE0 cos 0  d t 0 (1.11) Công thức (1.11) giải thích cách t-ờng minh t-ợng Raman Mô men l-ỡng cực dao động có ba thành phần với ba tần số khác nhau: Rayleigh (tÇn sè  ), Stokes 0  d đối Stokes ( d ) Ta so sánh độ lớn c-ờng độ ba vạch Thật vậy: mật độ ctrú mức kích thích Nb nhỏ nhiều mật độ c- trú mức thấp Na, chuyển dịch đối Stokes nhỏ chuyển dịch Stokes theo phân bố Boltzmann: E  d   Nb  e kT  e kT Na (1.12) C-ờng độ thành phần: I R   02 E0204 ;   I S    q  2  Q E0 0  d 4 ; 0   I A    q  2  Q E0 0  d 4 ; 0 (1.13) Tỉ lệ c-ờng độ thành phần Stokes thành phần Rayleigh là: 2   Q E0 0  d  I S  q    10 3 2 IR  E0  (1.14) 46 Dạng đ-ờng cong phụ thuộc vào độ lệch pha hoàn toàn phù hợp với dạng đ-ờng cong phụ thuộc pha công suất phát hoà âm bậc hai hay tần số tổng môi tr-ờng phi tuyến bậc hai Nh- chế độ phát ổn định công suất sóng đối Stokes phụ thuộc vào công suất sóng Stokes độ lệch pha sóng t-ơng tác 2.4 Hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên chế độ không ổn định Bây giả thiết sóng bơm liên tục mà xung có công suất thay đổi theo thời gian đ-ợc mô tả hàm Gauss sau: Pep t   Pmax   exp       ln 2t      (2.4) Pmax công suất ®Ønh cđa xung,  lµ nưa ®é réng xung Thay (2.4) vào (1.7) ta có hệ ph-ơng trình mô tả trình động học laser Raman phát sóng đối Stokes Để đơn giản thuật toán trình giải hệ ph-ơng trình ta thực phép chuẩn hoá biến tham số dạng không thứ nguyên Gọi W l-ợng toàn phần xung bơm, ®ã: W       Pep (t )dt   Pmax   exp      ln 2t      dt  P max    (2.5) ln TÝnh Pmax tõ (2.5) vµ thay vµo (2.4) ta cã: Pep t   W ln     exp       ln t         (2.6) Giả thiết mát buồng cộng h-ởng thoả mÃn gần sau: p s   loss1 a   loss2 ep   (2.7) loss đ-ợc định nghĩa tỉ số mát buồng cộng h-ởng sóng Stokes sóng đối Stokes Khi hệ ph-ơng trình (1.7) đ-ợc viết d-ới dạng: 47 Pp p Pp   ep Ps   s Ps  Pa   a Pa  8 p b W    ln t   8 k ln    p p G  Pp Ps Pp exp         b k s    8 p  a k p k p  k s  G  Pp Pa (2.8) b s k s k p  k a G  Pp Ps  4CG    p a Pp Pa Ps b  s 8 p  a k a k p  k s 8 p  a k s G  Pp Pa  CG   a Pp Ps Pa b s k s k p  k a b s k s a Đặt biến tham số không thø nguyªn sau: x  t ; Pp W  Y1 ; 8 pa k p k p  ks  bs ks k p  ka 4CG    8 k Ps P W  Y2 ; a  Y3 ;    ;  p p G    1 ; W W  b ks 0 G   W 0  2; 8 p b G   W 0  3; (2.9)  p a W 8 pa ka k p  ks W  4; G    5;  b s   bs ks k p  ka 0 8 pa ka  bs ks a W CG    6 s 0 Thay (2.9) vào (2.8) ta nhận đ-ợc hệ ph-ơng trình không thứ nguyªn sau: Y1  Y1  1YY   2YY  loss   ln x 2  ln Y1 exp        0      Y2  Y2   3YY   4Y1 Y2Y3 Y3   loss1 (2.10) Y3   5YY   6Y1 Y2Y3 2.5 Quá trình hình thành xung buồng cộng h-ởng Để khảo sát trình hình thành xung buồng cộng h-ởng laser phát sóng đối Stokes, chọn xung bơm, buồng cộng h-ởng môi tr-ờng Raman với tham số sau: 48 B-ớc sóng bơm 1,06μm (vÝ dơ cđa laser Neodym b¬m b»ng laser diode, l-ợng W 4,510 J nửa độ rộng xung 10 ps Chùm tia laser bơm đ-ợc hội tụ vào tâm buồng cộng h-ởng thành vết có bán kính w = (0,05 0,45)mm Các tham số đặc tr-ng buồng cộng h-ởng đ-ợc chọn nh- sau: R1p = 0,5; R2p = 0,999; R1s = 0,999; R2s = 0,95; R1a = 0,999; R2a = 0,95 (trong tr-ờng hợp  loss  ), b¸n kÝnh cong cđa hai g-ơng r = 0,5m, L 0,2 1dm Hoạt chất Raman sợi quang Ge khuếch tán D2 [15], [16] có hệ số khuếch đại sóng phẳng: ( )  1,5.10 9 cm / W , tøc lµ hệ số khuếch đại Raman: G 1,3.10 cm / W [17] B-íc sãng Stokes lµ 1,55μm vµ b-ớc sóng đối Stokes 0,81m Sử dụng tham số vào hệ ph-ơng trình (2.10) giải ph-ơng pháp số Runge-Kutta bậc bốn, nhận đ-ợc số kết sau: Quá trình hình thành xung sóng buồng cộng h-ởng đ-ợc tính toán trình bày hình 2.3 Thời gian xung(ps) Hình 2.3 Dạng xung sóng buồng cộng h-ởng 49 Qua thấy rằng, sóng Stokes đối Stokes phát sinh tăng dần sau sóng bơm buồng cộng h-ởng đạt cực đại (đỉnh) Ngoài hai sóng Raman tồn phát triển song hành với Điều chứng tỏ buồngng h-ởng bội ba, trình t-ơng tác bốn sóng ®· xÈy C¸c xung sãng Raman cã ®é réng ngắn nhiều so với độ rộng xung bơm Các xung buồng cộng h-ởng trễ xung bơm Điều hoàn toàn phù hợp với nguyên lý hoạt động laser bơm xung 2.6 ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng Độ dài đặc tr-ng buồng cộng h-ởng Tham số ảnh h-ởng đến mát c-ờng độ hay công suất mà ảnh h-ởng đến cấu trúc chùm tia phát Trên hình 2.4 hình 2.5 trình bày thay đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes đối Stokes buồng cộng h-ởng theo độ dài buồng cộng h-ởng Hình 2.4 Độ dài buồng cộng h-ởng(mm) Thay đổi công suất ®Ønh xung cđa sãng Stokes theo ®é dµi bng céng h-ởng 50 Hình 2.5 Độ dài buồng cộng h-ởng(mm) Thay đổi công suất đỉnh xung sóng đối Stokes theo độ dài buồng cộng h-ởng Chúng ta có nhận xét rằng: 1) Giá trị ng-ỡng độ dài buồng cộng h-ởng khoảng 0,2dm; 2) Tồn giá trị tối -u độ dài buồng cộng h-ởng mẫu khảo sát khoảng 0,5 mm; 3) Sự thay đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes sóng ®èi Stokes theo ®é dµi buång céng h-ëng gièng 2.7 ảnh h-ởng mặt thắt chùm tia Với b-ớc sóng xác định, thay đổi bán kính mặt thắt chùm tia buồng cộng h-ởng dẫn đến thay đổi giá trị thông số đồng tiêu Trong t-ơng tác phi tuyến thông số đồng tiêu đóng vai trò quan trọng Thông số đồng tiêu định thể tích t-ơng tác sóng môi tr-ờng hoạt Thể tích t-ơng tác ®Þnh ®Õn sù biÕn ®ỉi hiƯu st [14] 51 Chúng ta giả thiết bán kính mặt thắt chùm tia tất sóng t-ơng tác hoạt chất Raman gần thay đổi khoảng 0,05 0,45mm nhờ hệ hội tụ kết hợp víi cÊu tróc ®· thiÕt kÕ cđa bng céng h-ëng Sự phụ thuộc công suất đỉnh xung sóng Stokes sóng đối Stokes vào bán kính mặt thắt chùm tia đ-ợc tính toán trình bày t-ơng ứng hình 2.6 hình 2.7 Từ kết hai hình 2.6 hình 2.7 ta rút nhận xét: 1) Tồn giá trị tối -u bán kính mặt thắt chùm tia buồng cộng h-ởng, công suất đỉnh xung sóng Stokes nh- sóng đối Stokes đạt giá trị lớn Trong tr-ờng hợp tính toán giá trị là: 0,25 m Hình 2.6 Bán kính mặt thắt chùm tia( m) Thay đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes theo bán kính mặt thắt chùm tia buồng cộng h-ởng 52 Hình 2.7 Bán kính mặt thắt chùm tia( m) Thay đổi công suất đỉnh xung sóng đối Stokes theo bán kính mặt thắt chùm tia buồng cộng h-ởng 2) Trong vùng bán kính mặt thắt chùm tia nhỏ ( 0,1mm ), công suất đỉnh xung thấp mà độ rộng xung lớn Điều có nghĩa công suất đỉnh xung sóng Stokes đối Stokes nhỏ Từ t-ợng thấy rằng, bán kính mặt thắt bé diện tích t-ơng tác nhỏ cộng với độ phân kỳ chùm tia lớn làm giảm hiệu suất biến đổi từ sóng bơm sang sóng Stokes từ hai sóng bơm Stokes sang sóng đối Stokes; 3) Khi bán kính mặt thắt lớn, tr-ờng hợp lớn 0,4mm trình phát sóng Stokes sóng đối Stokes bị dập tắt Hiện t-ợng cho ta thấy mặt thắt lớn dẫn đến mật độ công suất sóng thể tích t-ơng tác nhỏ kéo theo hiệu suất t-ơng tác giảm nhiều 53 2.8 Kết luận ch-ơng Hệ ph-ơng trình không thứ nguyên cho công suất cđa c¸c sãng bng céng h-ëng béi ba cđa laser Raman bơm xung phát đồng thời sóng Stokes sóng đối Stokes đà đ-ợc dẫn Ph-ơng trình đà giải ph-ơng pháp Runge - Kutta bậc bốn để khảo sát trình hình thành xung, ảnh h-ởng cđa mét sè tham sè thiÕt kÕ lªn sù thay đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes sóng ®èi Stokes bng céng h-ëng cđa mÉu laser x¸c định Trên sở kết tính toán công suất tøc thêi cđa c¸c xung, sù phơ thc cđa hiƯu suất l-ợng tử vào số tham số đà đ-ợc khảo sát Kết nghiên cứu ch-ơng đà giải thích rõ chế hoạt động laser Raman buồng cộng h-ởng bội ba, phát đồng thời hai sóng Stokes đối Stokes Từ trình hình thành xung thấy xung sóng Stokes sóng đối Stokes luôn phát đồng thời công suất đỉnh xung Stokes lớn công suất đỉnh xung sóng đối Stokes Đối với môi tr-ờng hoạt khác (sợi quang cấy Ge hay khuếch tán D2) phụ thuộc tỷ số công suất khác Nguyên nhân gây nên khác khác vạch Stokes đối Stokes (ab khác nhau) hoạt chất, từ dẫn đến khác độ lệch pha khác hệ số mát buồng cộng h-ởng Giải hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên cho laser Raman hoạt chất sợi quang Ge khuếch tán D2 với tham số thực nghiệm cho tr-ớc, đà khảo sát đ-ợc phụ thuộc công suất đỉnh xung sóng Stokes sóng đối Stokes vào thay đổi giá trị số tham số Đỉnh công suất hai xung đạt cực đại độ dài buồng cộng h-ởng lân cận cm, bán kính mặt thắt 54 chùm tia khoảng 0,25mm Tuy nhiên giá trị tối -u thay đổi thay đổi giá trị đầu vào khác Cạnh tranh hai sóng đ-ợc khảo sát nghiên cứu phụ thuộc công suất đỉnh sóng đối Stokes vào tỉ số mát hai sóng Nh- tỉ số mát sóng Stokes sóng đối Stokes tăng làm cho đỉnh công suất sóng đối Stokes tăng Ng-ợc lại tỉ số sóng Stokes sóng bơm tăng làm cho công suất đỉnh xung sóng Stokes giảm Điều dẫn đến khẳng định, sóng Stokes laser Raman có đ-ợc nhờ t-ơng tác thông số bốn sóng, sóng Stokes đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, giá trị với mẫu laser cụ thể đà đ-a Bé c¸c tham sè thiÕt kÕ cã thĨ thay ®ỉi t thc vµo ®iỊu kiƯn thùc tÕ, ®ã giá trị tối -u phải thay đổi theo cho phù hợp Đây mục đích ch-ơng kết thu đ-ợc định h-ớng cho việc chế tạo laser Raman tối -u th«ng sè thùc nghiƯm 55 KÕt ln Tõ phân tích mang tính tổng quan lý thuyết, thực nghiệm ứng 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 đối Stokes bơm chùm tia laser có công suất thay đổi theo thời gian dạng hàm Gauss Một số kết đạt đ-ợc luận văn đà đ-ợc đăng tải Tạp chí khoa học Công nghệ 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 đối Stokes Xuất phát từ hệ ph-ơng trình tốc độ tr-ờng buồng cộng h-ởng, đà phát triển thành hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên cho công suất chuẩn hoá 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 đối Stokes Việc tìm giá trị tối -u tham số chuẩn hoá gióp cho viƯc lùa chän bé c¸c tham sè thiÕt kế laser phù hợp cho công suất lớn hiệu suất phát ổn định Đà khảo sát b»ng lý thut ¶nh h-ëng cđa mét sè tham sè thiết kế lên trình hình thành xung lên công suất đỉnh xung sóng đối Stokes Từ kết tính toán đà phân tích khẳng định có mặt hiệu ứng phi tuyến t-ơng tác bốn sóng buồng cộng h-ởng Hiệu ứng ảnh h-ởng đến trình hình thành xung sóng Stokes xung sóng đối Stokes Đặc biệt tìm thấy 56 cạnh tranh hai sóng trình phát laser Raman bng céng h-ëng béi ba, thay ®ỉi tham số hệ Đà khảo sát lý thut ¶nh h-ëng cđa mét sè tham sè thiÕt kế nhđộ dài buồng cộng h-ởng (L), bán kính mặt thắt chùm tia (w) lên công suất đỉnh xung sóng đối Stokes laser Raman phát đồng thời hai sóng Stokes đối Stokes buồng cộng h-ởng bội ba Từ kết tính toán sở ¸p dơng c¸c gi¸ trÞ thùc nghiƯm cđa c¸c tham số thiết kế cho hai laser hoạt chất sợi quang pha tạp Ge sợi quang Ge khuếch tán D2 thay đổi giá trị vài tham số quan trọng nh-: độ dài buồng cộng h-ởng, bán kính mặt thắt chùm tia đà tìm đ-ợc tham số tối -u cho công suất đỉnh xung phát lớn Từ kết đà đ-a đ-ợc số định h-ớng cho việc chế tạo tối -u hoá laser Raman phát sóng đối Stokes có công suất cực đại nh-: lựa chän tham sè buång céng h-ëng biÕt tham sè nguồn bơm tham số hoạt chất, chọn tham sè cđa ngn b¬m biÕt tham sè cđa hoạt chất buồng cộng h-ởng 57 TI LIU THAM KHẢO Dinh Xuan Khoa, Chu Van Lanh (2003), “ Intensify of stimulated Raman Scattering under quantum theory view”, Tuyển tập báo cáo hội nghị Vật lý lý thuyết tồn quốc lần thứ XXVII ( Cửa lị, 02 – 06/8/2002), NXB Khoa học Kỹ thuật, tr.159 – 164 Đinh Xuân Khoa, Chu Văn Lanh, (2007), “Tán xạ Raman cưỡng tiếp cận ba chiều”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kỹ thuật công nghệ quân sự, số 21, pp 99 – 103 Ho Quang Quy, Chu Van Lanh (2007), “ The Stokes laser in the different pump powers”, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications, NXB khoa học kỹ thuật, pp 356 – 360 Chu Văn Lanh, Nguyễn thị Thu Hiền, Võ thị Thanh Thuỷ (2007), “Tối ưu tham số chuẩn hoá cho laser Stokes”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kỹ thuật công nghệ quân sự, số 18, tr 90 - 96 H Q Quý, V N S¸u (2005), Laser b-ớc sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQGHN H Q Quý (2007), Quang phi tuyÕn øng dông, NXB §HQGHN 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 203206 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, et al (1998), “Continuous-wave Raman laser in H2”, Opt Lett., Vol.23, pp 367-369 58 10 Brasseur J K, et al (2001), “Phase and frequency stabilization of pump laser to a Raman active resonantor, IEEE J Quantum Electron., Vol QE-37, pp 1075-1083 11 Brasseur J.K., Roos P A., Meng L S and Carlsten J L (2000), “Frequency tuning characteristics of a continuous wave Raman laser in H2”, J Opt Soc Am B, Vol 17, pp 1229-1232 12 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 13 Brasseur J K., et al (2000), “Continuous tuning characteristics of a CW Raman laser in H2”, J Opt Soc Am B, Vol 17, p 1229 14 Brasseur J K., et al (2002), “High power CW deuterium Raman laser, J Opt Lett Vol 17, pp 1559 15 Bufetov I A., et al (2001), “Raman gain properties of optical fiber with a high Ge-doped silica core and standard optical fibers, Laser Physics, Vol.11, pp 130-133 16 Claps R., et al (2005), “Raman amplification and lasing in SiGe waveguides, Opt Express, Vol.13, pp.2459-2466 17 Corbalan R, J Cortit and Prati F (1996), “Competition and bistability of longitudinal modes in a Raman laser, Phys Rev.A, Vol.53, pp 481 485 18 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 19 Dianov E M., et al (2000), “Medium-Power CW Raman lasers, IEEE Quant Electron., 6, p 1022 59 20 Dianov E M., et al (2000), “Three-cascaded 1407-nm Raman laser based on phosphorus-doped by silica fiber, Opt Lett Vol 25, p 402- 404 21 Harris S E and Sokolov A V.(1997), “Broadband spectral generation with refractive index control”, Phys Rev A, Vol.55, pp 4019 - 4022 22 Herziger G., Weber H., Poprawe R (2007), Industrial applications of lasers, New York 23 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 24 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 25 Raymer M G et al, (1981), “Stimulated Raman Scattering: Unified treatment of spontaneous initiation and spatial propagation, Phys Rev A, Vol.24, pp 1980 26 Raymer M G., et al (1979), “Theory of stimulated Raman scattering with broad-band lasers, Phys Rev A, Vol.19, pp.2304 60 ... xung công suất lớn Trong ch-ơng nghiên cứu ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng, bán kính mặt thắt chùm tia lên công st cđa laser ®èi Stokes 2.1 BiĨu thøc tØ sè công suất Stokes đối Stokes chế độ. .. đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes đối Stokes buồng cộng h-ởng theo độ dài buồng cộng h-ởng Hình 2.4 Độ dài buồng cộng h-ởng(mm) Thay đổi công suất đỉnh xung sóng Stokes theo độ dài buồng cộng. .. thuyết cho laser loại quan trọng, song bỏ ngỏ Chính tác gỉa chọn đề tài nghiên cứu: Khảo sát ảnh h-ởng độ dài buồng cộng h-ởng bán kính mặt thắt chùm tia lên công suất Laser đối Stokes Ch-ơng