Ảnh hưởng của chùm laser xung Gauss lên sự phân bố của môi trường bị kích thích trong laser
MỤC LỤC
Phân bố năng lƣợng bơm trong hoạt chất laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn
Giả sử Rs tại vị trí (0,0), điều đó nghĩa là ánh sáng bơm sẽ hội tụ tại tâm trục; wp0 bằng bán kính của chùm laser tại vị trí tâm trục và bán kính chùm laser (w) là như nhau trên toàn bộ thanh laser. Từ kết quả khảo sát ta thấy năng lượng bơm đóng góp vào quá trình kích thích các tâm hoạt cũng như quá trình sinh nhiệt trên mọi tiết diện ngang của tinh thể laser có dạng phân bố Gauss (theo dạng vùng chồng lấn của các chùm laser Gauss).
Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman phát sóng Stokes 1. Quá trình sinh nhiệt trong laser Raman phát sóng Stokes
Từ đây, thông qua con đường không kết hợp, các tâm hoạt sẽ tích thoát về trạng thái cơ bản, tức là không tái phát sinh photon mà chỉ có thể dao động nhằm phát năng lượng để đưa các tâm hoạt này quay về trạng thái cơ bản. Như vậy, chúng ta thấy rằng, chùm laser Gauss tác động lên các tâm hoạt trong hoạt chất laser rắn và hoạt chất laser Raman, mà kết quả là xảy ra quá trình phân bố không đồng nhất của các tâm hoạt bị kích thích, gây nên các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser.
Phân bố quang lực của chùm xung Gauss trong quá trình bẫy hạt điện môi
Như vậy, đối với các hạt (phân tử, nguyên tử) trong môi trường áp suất thấp như khí áp suất thấp hay chất lưu, chùm Gauss có tác dụng gì? Câu hỏi được Askin trả lời khi đưa ra khái niệm quang lực tác dụng lên các hạt điện môi. Chùm laser Gauss tác động lên các hạt điện môi bởi quang lực làm cho chúng thay đổi vị trí. Và do đó, phân bố lực tác động lên hạt chính là phân bố quang lực. Sự phân bố đó đã được C. Zhao cùng các cộng sự quan tâm nghiên cứu mà kết quả sẽ được trình bày tiếp sau đây. Phân bố quang lực của chùm xung Gauss trong quá trình bẫy hạt. nằm gần tiêu điểm sẽ chịu tác động của một lực sinh ra trong quá trình biến đổi xung lượng do sự tán xạ của các photon chiếu tới. Lực quang học này thông thường có hai thành phần: 1) quang lực tán xạ theo hướng lan truyền của ánh sáng và 2) quang lực gradient theo hướng gradient không gian của ánh sáng. Giả thiết bán kính hình cầu rất nhỏ so với bước sóng của laser ( a λ ). Trong trường hợp này chúng ta có thể coi hạt điện môi như một điểm lưỡng cực tương tác với trường ánh sáng. Khi đó, lực tác dụng lên hạt chính là lực Lorentz do tác dụng gradient trường điện. Sử dụng chùm tia có mặt cắt dạng Gauss, lực Lorentz hướng về phía tiêu điểm và được xác định [29]:. ở đây: E , B tương ứng là véc tơ cường độ điện trường và véc tơ cường độ từ. trường, p là moment lưỡng cực trường được xác định bởi:. với σ là hệ số phân cực của hạt hình cầu trong chế độ. polarizability of a spherical particle in the Rayleigh regime), σ= 4π n 2εa3 m2 −1.
Cấu hình laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn
Trong công trình lý thuyết của mình, khi nghiên cứu phân bố năng lượng bơm trong hoạt chất laser rắn, tác giả W.Xie và cộng sự chỉ dừng lại ở giả thiết chùm tia bơm ngang đã có dạng Gauss trong hoạt chất với các tham số cho trước [92]. Với những vấn đề đã trình bày ở trên, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số như vị trí, bán kính mặt thắt chùm tia, số lượng các thanh laser bán dẫn,… lên phân bố năng lượng bơm trong thanh laser rắn bơm ngang.
Phân bố tâm hoạt bị kích thích theo tiết diện ngang
Như vậy, bán kính mặt thắt chùm tia bơm trong thanh hoạt chất phụ thuộc vào vị trí của laser bơm (z0), bán kính thanh hoạt chất laser (r0), phụ thuộc vào chiết suất hoạt chất (n), phụ thuộc bước sóng (λ) và bán kính mặt. Trong (2.21) và (2.22) ta hiểu rằng, năng lượng bơm tại vị trí (x,z) trong hoạt chất bằng hai lần năng lượng bơm tại vị trí đó của một laser đối với trường hợp bơm hai bên và bằng bốn lần đối với trường hợp bơm bốn bên đối xứng.
Tối ƣu hoá tham số bơm theo tham số mode cơ bản 1. Phương trình
Chú ý thành phần bên trái - chứa tham số bơm WEAC phụ thuộc vào các tham số của dãy laser bán dẫn bơm và thanh laser; còn thành phần bên phải có tham số WMODE phụ thuộc vào các tham số của buồng cộng hưởng. Cuối cùng, tính phù hợp tối ưu nhất giữa khối tâm hoạt bị kích thích với thể tích mode trong thanh laser sẽ xuất hiện khi có sự lựa chọn thích hợp các tham số bơm (W0, z0 và λp), các tham số buồng cộng hưởng (L, R và λL) cùng với các tham số của thanh laser (r0 và n).
Phân bố tâm hoạt bị kích thích theo trục dọc 1. Biểu thức phân bố theo chiều dọc của thanh laser
Ở phần này chúng tôi sử dụng nguyên lý tương tác laser với môi trường và lý thuyết về chùm Gauss để nghiên cứu mối quan hệ giữa mật độ tâm hoạt bị kích thích theo trục dọc với góc phân kỳ của chùm tia, với khoảng cách giữa các laser bán dẫn bơm và vị trí của dãy laser bán dẫn so với trục của thanh laser. Cấu hình laser rắn bơm ngang bằng hai thanh laser bán dẫn (mỗi thanh có n laser bán dẫn) đối xứng nhau qua trục hoạt chất tại vị trí z = −d và z = d , song song với thanh và nằm trong mặt phẳng (Y,Z) như hình 2.15; khoảng cách giữa hai laser bán dẫn bơm trong dãy được đặc trưng qua tham số a.
Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman
Hiệu ứng huỷ nhiệt trong laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Trong laser Raman buồng cộng hưởng bội ba, khi xung laser ngoài kích thích môi trường laser thì sóng bơm, sóng Stokes, sóng đối Stokes đều được khuếch đại trong buồng cộng hưởng. Trong quá trình hoạt động, khi phân bố không đồng nhất các tâm hoạt bị kích thích sẽ xảy ra các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất, có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc chùm tia phát hay ảnh hưởng đến tần số làm việc của laser [6].
Phân bố mật độ tâm hoạt bị kích thích trong hoạt chất
Do tác động của cả hai trường lên tâm hoạt, nên mặt cắt phân bố tâm hoạt trên mức kích thích trong laser phát đồng thời hai sóng Raman sẽ lớn hơn mặt cắt của phân bố tâm hoạt trên mức kích thích trong trường hợp chỉ phát sóng Stokes (hình 3.6). Như vậy, khi khảo sát các đường cong phân bố, đối chiếu với kết quả đã công bố dựa trên tính toán lý thuyết trước đây [79] chúng ta nhận thấy các kết quả mà luận án thu được là hoàn toàn phù hợp cho trường hợp laser Raman phát sóng Stokes.
Phân bố chiết suất trong hoạt chất laser Raman 1. Phân bố nhiệt trong hoạt chất laser Raman
Nhớ rằng năng lượng nhiệt đã phát sinh là tổng năng lượng Stokes nhân với tỷ số tần số ν21/ νs trừ tổng năng lượng đối Stokes nhân với tỷ số tần số νa/ν21, đây chính là toàn bộ năng lượng do dịch chuyển Raman [28]. Chúng ta có thể tìm được giá trị tối ưu của ξ-, tức là tìm được tập hợp các tham số có trong biểu thức (3.11) sao cho quá trình lắng đọng nhiệt là đều trên tiết diện ngang của hoạt chất laser.
Cấu hình bẫy quang học hai chùm xung Gauss ngƣợc chiều
Hệ đậm đặc Bose - Einstein, hệ mà các nguyên tử rất lạnh này sẽ tự đông đặc thành mạng đều đặn hay tích tụ dưới những hình thức khác nhau như trạng thái lạ lùng của vật chất mà Bose và Einstein đã tiên đoán năm 1925 nhưng chưa bao giờ quan sát được cho đến ngày nay, tạo tiền đề cho quang học nguyên tử trong tương lai [9]. Cường độ xung hay độ chói sáng là độ lớn một véc tơ Poynting được tính trung bình theo thời gian, mô tả thông qua phương trình (1.45) [29]. Mô hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss lan truyền ngược chiều được mô tả trên hình 4.2. Vị trí của hai chùm xung Gauss trong bẫy có thể xẩy ra hai trường hợp: 1) khi hai mặt thắt của các chùm xung Gauss không vượt qua vùng trường xa của nhau, trong trường hợp này khoảng cách giữa hai mặt thắt ký hiệu là d> 0 ; 2) khi hai mặt thắt vượt qua vùng trường xa, tương ứng d <.
Phân bố cường độ tổng của hai chùm xung Gauss ngược chiều 1. Ảnh hưởng của khoảng cách d đến phân bố cường độ tổng
Ta nhận thấy: nếu giảm khoảng cách giữa hai mặt thắt chùm tia, thì phân bố cường độ tổng sẽ dần tới hàm Gauss và giá trị đỉnh của chúng cũng được tăng lên đáng kể (hình 4.4b). Chúng ta nhận thấy, khi bán kính mặt thắt chùm tia nhỏ thì cường độ tổng đạt giá trị lớn và giá trị cường độ sẽ giảm dần theo chiều tăng của bán kính mặt thắt.
Phân bố quang lực của hai xung Gauss lan truyền ngƣợc chiều tác dụng lên hạt điện môi
Thành phần quang lực tán xạ được tính toán theo phương trình (4.6)1 với giỏ trị của cỏc tham số: d=10àm , τ =1ps tại vị trớ trong mặt phẳng pha (z,t) cho các giá trị khác nhau của bán kính mặt thắt chùm tia w0 được minh họa trên hình 4.7. Fgrad,ρ(pN). Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia lên giá trị quang lực ngang cho trường hợp t = 1τ, d=10àm tại vị trớ z=5àm. Từ kết quả trên ta thấy giá trị của quang lực tăng dần và đạt cực đại khi. Điều này chứng tỏ, trong trường hợp này bẫy quang học chỉ đạt hiệu quả cao trong trường hợp sử dụng hai xung Gauss lan truyền ngược chiều có bán kính mặt thắt xấp xỉ 1mm. Fgrad,ρ phụ thuộc độ rộng xung τ. Quang lực ngang Fgrad,ρ bị ảnh hưởng lớn từ khoảng cách giữa hai mặt thắt chùm tia. ,ρ giảm theo độ rộng xung τ, nhưng vùng bẫy quang học trong mặt ), đánh dấu bởi hình chữ nhật, thì lại tăng theo độ rộng xung.
