Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN NHƢ SỸ KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CHUẨN HÓA VÀ NĂNG LƢỢNG XUNG BƠM LÊN HIỆU XUẤT PHÁT CỦA LASER PHÁT SÓNG STOKES LUẬN VĂN THẠC SỸ VINH - 2011 -1- Môc lôc Trang Môc lôc Mở đầu Ch-¬ng1 C¬ së lý thut cđa laser phát sóngStokes 1.1 Tán xạ Raman 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 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 tuyến .21 1.7 C-ờng độ tán xạ Raman c-ỡng không gian ba chiều31 1.7.1 Ph-ơng trình Maxwell - Block ba chiều 32 1.7.2 Lời giải gần trục ph-ơng trình Maxwell Block33 1.7.3 Lời giải không gần trục hệ ph-ơng trình Maxwell-Block.35 1.7.4 C-ờng độ sóng Stokes tổng quát ba chiều.37 1.7.5 C-ờng độ Stokes tr-ờng hợp giới hạn thời gian ngắn37 1.7.6 C-ờng độ Stokes trạng thái ổn định 37 1.7.7 Tr-ờng hợp tổng quát 38 1.8 Cấu trúc laser Raman Stokes38 1.9 Hệ ph-ơng trình tốc độ cho biên độ tr-ờng buồng cộng h-ởng 40 1.10 Hệ ph-ơng trình tốc độ cho công suất buồng cộng h-ởng41 1.11 Giá trị ng-ỡng bơm cho laser phỏt song Stokes 42 1.12 Ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên 43 1.13 Kết luận ch-ơng.45 -2- Ch-ơng Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát laser phỏt súng Stokes 2.1 Quá trình hình thành sóng Stokes chế độ ổn định47 2.2 Quá trình hình thành xung Stokes bng céng h-ëng………….49 23 ¶nh h-ëng cđa tham số chuẩn hoá lên hiệu suất phát.51 2.4 ảnh h-ởng l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát.53 2.5 Kết luận ch-ơng.54 Kết luận chung 56 Tài liệu tham khảo .57 -3- Mở đầu Lý chọn đề tài 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 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 Những nghiên cứu lý thuyết cho laser loại quan trọng, song bỏ ngỏ Chính chọn đề tài nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng tham số chuẩn hóa lượng xung bơm lên hiệu suất phát laser Stokes Tình hình nghiên cứu đề tài Tùy thuộc vào mục đích sử dụng yêu cầu tính chất mà nhiều loại laser Raman khác đ-ợc quan tâm nghiên cứu chế tạo Trong năm gần đây, từ công nghệ chế tạo tinh thĨ b¸n dÉn Si víi kÝch th-íc bÐ, nhÊt tinh thể bán dẫn có cấu trúc nanô laser Raman bán dẫn đ-ợc -u tiên phát triển mạnh Laser Raman sợi quang phát triển mạnh công nghệ thông tin quang Laser phát xạ trực tiếp sợi quang mà không cần đến hệ thống lái tia vào sợi quang Những nghiên cứu vỊ lý thut cịng nh- thùc nghiƯm vµ øng dơng laser Raman sợi quang đ-ợc công bố nhiều năm đầu kỷ 21 -4- Song song với nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết nhằm tìm đ-ợc điều kiện để tối -u ho¸ c¸c tÝnh chÊt cđa chïm laser Raman Mét tính chất cần phải nâng cao công suất phát mà suy đến hiệu suất phát Một laser có hiệu suất phát cao mang lại cho nhiều lợi ích: tiết kiệm đ-ợc kích th-ớc hoạt chất, giảm công suất bơm, kéo theo giảm kích th-ớc laser Cũng nh- laser cổ điển mà đà biết, hiệu suất phát phụ thuộc vào tham số nh- hệ số khuếch đại hoạt chất, chiều dày hoạt chất, công suất nguồn bơm, chiều dài buồng cộng h-ởng hệ số phản xạ g-ơng cấu thành buồng cộng h-ởng Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn là: 1) Nghiên cứu trình tán xạ Raman c-ỡng 2) Nghiên cứu sở lý thuyết laser Raman Stokes 3) Khảo sát trình hình thành xung Stokes buồng cộng h-ởng 4) Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát Laser phỏt súng Stokes Để thực mục đích trên, nhiệm vụ luận văn là: khảo sát trình tán xạ Raman c-ỡng không gian ba chiều, từ hệ ph-ơng trình tốc độ đ-ợc L.S Meng dẫn ra, phát triển thành hệ ph-ơng trình tốc độ không thứ nguyên biểu diễn l-ợng độ rộng xung bơm dạng Gauss Bằng cách áp dụng thông số thực nghiệm, nghiên cứu ảnh h-ởng thông số lên qúa trình hình thành xung sóng buồng cộng h-ởng, hiệu suất phát laser Raman phát sóng Stokes Từ rút điều kiện tối -u cho hiệu suất l-ợng laser Raman phát sóng Stokes -5- Cơ sở lý luận ph-ơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng ph-ơng pháp nghiên cứu lý thuyết xuất phát từ nguyên lý hoạt động laser, t-ợng tán xạ Raman c-ỡng qúa trình t-ơng tác phi tun sãng Sư dơng lý thut b¸n cỉ điển, ph-ơng pháp gần sóng quay, gần đ-ờng bao biÕn ®ỉi chËm, ý nghÜa lý ln thực tiễn đề tài Đề tài Khảo sát ảnh hưởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất l-ợng phát Laser phỏt súng Stokes đóng góp vào: Hoàn thiện lý thuyết laser Raman; Giải thích rõ chế hoạt động laser Raman phát sóng Stokes; Đ-a đ-ợc định h-ớng cho thực nghiệm chế tạo laser Raman bơm xung ngắn; Hệ thống hoá bổ sung thêm kiến thức tán xạ c-ỡng bức, lý thuyết laser t-ơng tác phi tuyến bốn sóng, Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, danh mục đề tài, tài liệu tham khảo, luận văn có ch-ơng: Ch-ơng Cơ së lý thut cđa laser phát sóng Stokes Ch-¬ng Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát laser phỏt súng Stokes Phần kết luận chung nêu kết luận văn -6- Ch-ơng C¬ së lý thut cđa laser PHÁT SĨNG 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 -7- 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 phỉ mµu lơc- blue shift) A = 0 + d J bơm Stokes Đối Stokes bj b Eb Ea d aj 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 -8- động Các mức dao động cách khoảng ứng với tần số d n»m vïng hång ngo¹i 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 ứng với tần số q nằm vùng 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 0 E J Ea vµ đ-ợc gọi mức kích thích cộng h-ởng gần 0 E J Ea §iỊu đ-ợc trình bày cụ thể hình 1.3 [3], [22] Rayleigh §èi Stokes Stokes bj b ωd aj a Rayleigh Stokes ωS ωS ω0 ωA §èi Stokes ωA ω 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-ëng xa [13], [23] Sau hÊp thơ photon, c¸c phân tử trạng thái a b nhảy lên mức l-ợng trung gian (Etg < EJ) -9- 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 thấp a tuân theo phân bố Boltzmann Số phân 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 cùc cu tØ lƯ thn víi c-êng ®é E thành phần điện tr-ờng Hệ số tỉ lệ hệ số phân cực phân tử [3]: - 10 - ch (1.123) chuÈn ho¸ độ rộng xung bơm theo thời gian sống phô tôn buồng cộng h-ởng Thế tham số chuẩn hoá, hệ ph-ơng trình (1.119) trở thành hệ ph-ơng trình không thứ nguyên sau: ch ln ln Y1 Y1 Y1Y2 Y1 exp ch ch Y2 Y2 ch Y1Y2 ch x 2 (1.124) Giải hệ ph-ơng trình (1.124) với tham số chuẩn hoá ta tìm đ-ợc giá trị công suất chuẩn hoá Y1 Y2 Hơn ta nghiên cứu phụ thuộc xung phát vào tham số tìm giá trị tối -u cho laser Stokes Những vấn đề đ-ợc nghiên cứu trình bày ch-ơng 1.13 Kết luận chng Trong ch-ơng đà nghiên cứu đ-ợc vấn đề sau: Xuất phát từ t-ợng tán xạ tự nhiên, đà tìm hiểu nguyên nhân tán xạ Raman Hiện t-ợng tán xạ Raman đà đ-ợc đề cập theo quan điểm cổ điển quan điểm l-ợng tử Điều cần nhận thấy, tán xạ Stokes đối Stokes có c-ờng độ lớn môi tr-ờng đ-ợc kích thích tr-ờng ánh sáng mạnh, laser Nhờ công suất lớn chùm tia laser mà việc nghiên cứu t-ợng tán xạ c-ỡng có hiệu hơn, hệ số tán xạ Raman phụ thuộc vào c-ờng độ chùm tia laser kích thích Bài toán tìm hệ số tán xạ c-ờng độ tán xạ Raman đà đ-ợc giải số tr-ờng hợp giới hạn định Đó là: gần không gian ba chiều, gần ®óng thêi gian kÝch thÝch nhanh vµ thêi gian kÝch thích liên tục Đây nghiên cứu có tính chất để thuận tiện cho việc sử dụng nghiên cứu chế tạo máy phát thay đổi tần số laser Stokes laser đối Stokes - 46 - Các kết nghiên cứu cho thấy, c-ờng độ tán xạ Raman c-ỡng lớn nhiều so với c-ờng độ tán xạ Raman tự phát Hơn chùm tia tán xạ Raman c-ỡng có tính định h-ớng cao Tuy nhiên để sử dụng chùm tia nh- chùm tia laser vào mục đích nghiên cứu khoa học đời sống nh-ợc điểm sau: Góc mở lớn, tính định h-ớng ch-a cao; Trong chùm tia thø cÊp cã thĨ xt hiƯn nhiỊu sãng Stokes hay đối Stokes với tần số khác ứng với dạng dao động chuẩn khác 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 cấu trúc không gian chùm tia kích thích (thông 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 - 47 - Ch-ơng Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm 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 33) không thứ nguyên (1.48) với biến số tham số chuẩn hoá thông qua biểu diễn l-ợng độ rộng xung bơm đ-ợc 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 (1.38): Pep ,th ln R1 p R2 p 4T1 p b cs 8 p G Chúng khảo sát mẫu laser Stokes với số liƯu thùc nghiƯm [18], cã b-íc sãng b¬m chun tõ 792 nm ( p 2c 792.10 9 ) sang sãng Stokes 1180nm ( s 2c 1180.10 ) môi tr-ờng Raman khí Hydrô (H2) điều kiện nhiệt độ 25oC áp suất 10 atm Trong môi tr-ờng này, hệ số khuếch đại t-ơng ứng với dịch chuyển g 1,5.10 11 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 (coupling constant) d s 6,0 10 8 m Hz / V , N 2,4.10 26 m 3 , h»ng sè liªn kÕt chiÕt suÊt ns n p , nghịch đảo mật - 48 - độ D eq , 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 4 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: 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 3.2 Qua ta thấy rằng: 1) Tốc độ tăng công suất sóng Stokes giống nh- tốc độ tăng công suất sóng bơm; 2) Sóng Stokes buồng cộng h-ởng xuất công suất sóng 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 bơm buång céng h-ëng; 4) Thêi gian trÔ n»m vùng từ 60 đến 90 às; 5) Công suất bơm lớn công suất ổn định sóng Stokes buồng cộng h-ởng lớn Nh- vậy, sóng bơm có công suất ổn định, song sóng Stokes xuất sóng bơm buồng cộng h-ởng đạt cực đại - 49 - 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 2.2 Quá trình hình thành xung Stokes buồng cộng h-ởng - 50 - 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 (1.61) 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 tham số ch , b-ớc sóng sóng bơm p b-ớc sóng sóng Stokes s ta biết đ-ợc giá trị tham số ch (1.59) Tham số ch đặc tr-ng cho độ rộng xung bơm đồng thời đặc tr-ng cho thêi gian sèng cđa ph« t«n bng 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 Để khảo sát trình hình thành xung sóng Stokes buång céng h-ëng, ta chän bé tham sè ch 30 , ch ch /1,5 vµ ch giải hệ ph-ơng trình không thứ nguyên (2.61) ph-ơng pháp Runge-Kuta Sự thay đổi - 51 - theo thêi gian cđa c«ng st sãng bơm sóng Stokes buồng cộng h-ởng đ-ợc trình bày hình 2.3 Từ hình 2.3 thấy r»ng: 1) Xung sãng b¬m buång céng h-ëng xuÊt 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 sãng b¬m xt hiƯn bng céng h-ëng Cïng víi tăng dần sóng bơm ngoài, sóng bơm buồng cộng h-ởng tăng len 2) Xung sóng Stokes xt hiƯn sau xung b¬m bng céng h-ëng gần đạt cực đại Thời điểm xuất sóng Stokes buồng cộng h-ởng thay đổi 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 thành xung bng céng h-ëng cđa laser Stokes hoµn toµn trïng 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 thấy sóng bơm buồng cộng h-ởng có 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 - 52 - 2.3 ảnh h-ởng tham số ch ch lên hiệu suất l-ợng phát Hiệu suất l-ợng phát tỉ số tổng l-ợng sóng Stokes phát buồng cộng h-ởng l-ợng xung bơm Nó đại l-ợng đ-ợc quan tâm nhiều công nghệ chế tạo laser Hiệu suất l-ợng đ-ợc biểu diễn công thức sau: T Cơng suất phát sóng Stokes/ Cơng suất bơm= s 4W P s dt (2.1) Hiệu suất phát sóng Stokes yêu cầu quan trọng laser Stokes Điều khiển nâng cao hiệu suất phát trình thayđổi tham sè thiÕt kÕ cđa bng céng h-ëng cịng nh- xung bơm đạt giá trị tối -u Một tham số điều khiển l-ợng xung bơm hệ số khuếch đại Raman hoạt chất Hai tham số đ-ợc - 53 - biểu diễn thông qua tham số chuẩn hoá ch Đây tham số ảnh h-ởng lớn đến trình t-ơng tác tr-ờng bơm tr-ờng Stokes hoạt chất Để thấy đ-ợc ảnh h-ởng khảo sát hiệu suất theo l-ợng xung bơm (W) (hay hệ số khuếch đại Raman G) thông qua tham số chuẩn hoá ch Sự phụ thuộc hiệu suất l-ợng vào hệ số chuẩn hoá ch với giá trị hệ số chuẩn hoá ch = 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0 (liên quan đến độ rộng xung hệ số mát buồng cộng h-ởng ) đ-ợc trình bày hình 2.4 Từ đồ thị hình vẽ, ta có nhận xét với độ rộng xung xác định hiệu suất tăng theo l-ợng bơm (tăng theo tham số ch) Tuy nhiên l-ợng bơm lớn hiệu suất có xu ổn định Chúng ta giải thích t-ợng nh- sau: Khi l-ợng xung bơm nhỏ, phần l-ợng xung bơm trao cho sóng Stokes Hiệu suất tăng dần l-ợng xung bơm tăng Đến l-ợng xung Stokes đủ lớn, tức mật độ c- tró ë møc dao ®éng kÝch thÝch (møc b) lín Trong điều kiện này, trình tích thoát xạ (radiative depopulation) cña møc kÝch thÝch b sÏ xÈy Kết phần l-ợng sóng Stokes sóng bơm trao cho sóng đối Stokes (trong buồng cộng h-ởng kép sóng đối Stokes không đ-ợc khuếch đại) xảy Do hiệu suất phát sóng Stokes giảm dần Với giá trị khác tham số chuẩn hoá ch, tồn giá trị ổn định hiệu suất ứng với giá trị tham số chuẩn hoá ch lân cận 60,25 Nh- vậy, để laser Stokes có hiệu suất ổn định (tuy nhiên giá trị cực đại) ta lựa chọn tham số thiết kế nh-: l-ợng xung bơm W, hệ số khuếch đại Raman G, bán kính mặt thắt chïm tia b, …, cho hƯ sè chn ho¸ ch = 60,25 2.4 ảnh h-ởng l-ợng xung bơm lên hiệu suất l-ợng phát Giả sử hệ số khuếch đại Raman (hoạt chất) G xác định, cấu trúc buồng cộng h-ởng không đổi (hệ số phản xạ R xác định, độ dài buồng cộng h-ởng L - 54 - xác định), giá trị tối -u cđa xung Stokes cịng nh- hiƯu st phơ thc vµo tham số xung bơm (W ) Trên hình 2.5 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 xuống thấp Kết hình 2.5 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 2.5 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 - 55 - nh- trình máy phát thông số ( k s k p k v ) buång céng h-ëng, ®ã sãng 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 - 56 - Kết luận Từ phân tích mang tính tỉng quan vỊ lý thut, thùc nghiƯm vµ øng dơng 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 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 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 tham số chuẩn hoá giúp cho việc lựa chọn tham số thiết kế laser phù 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 có hiệu suất ổn định nh-: lùa chän - 57 - tham sè buång céng h-ëng biết tham số nguồn bơm tham số hoạt chất, chọn tham số nguồn bơm biết tham số hoạt chất buồng cộng h-ởng Tài liệu tham khảo Tiếng Việt H Q Quý, V N Sáu (2005), Laser b-ớc sóng thay đổi øng dơng, NXB §HQGHN H Q Q (2007), Quang phi tun øng dơng, NXB §HQGHN TiÕng Anh 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 - 58 - 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 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 - 59 - 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 Electrooptics, Vol Postdeadline papers, p CPD24 23 Roos P A., Meng L S., and Carlsten J L (2000), “Using an injectionlocked diode laser to pump a CW Raman laser”, IEEE J Quan Electron., Vol 36, pp 1280–1283 - 60 - ... Ch-ơng Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm 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. .. sở lý thuyết laser Raman Stokes 3) Khảo sát trình hình thành xung Stokes buồng cộng h-ởng 4) Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát Laser phỏt súng Stokes Để thực... tài, tài liệu tham khảo, luận văn có ch-ơng: Ch-ơng Cơ sở lý thuyết laser phỏt súng Stokes Ch-ơng Khảo sát ảnh h-ởng tham số chuẩn hóa l-ợng xung bơm lên hiệu suất phát laser phỏt súng Stokes Phần
Ngày đăng: 03/10/2021, 12:38
Xem thêm:
