Quá trình BEFWM phân cực không liên kết sử dụng laser Nđ:YAG khóa mode Q - swiched hoạt động ở chế độ đơn dọc và ngang. Xung laser có độ rộng khoảng 16ns, năng lượng lên tới 120mJ, đường kính chùm u 2mm và phân cực tuyến tính theo chiều đứng. Trong hệ thí nghiệm trong hình 2.8, chùm bơm và chùm thăm dò cho tương tác FWM được chia ra laser phân cực dọc sử dụng bộ tách chùm Ri và R2.
°1
Ilình 2. 8 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát khử phần cực BEFWM trong các chất lỏng
axeton và cs2[2].
Laser bơm E lo lan truyền qua thành phần FWM và vào phần SBS bên ngoài, trong đó sóng Stokes Eso dùng để bơm được tạo ra. Sự bố trí này đảm bảo rằng các laser bơm có liên hợp pha với nhau một cách tự động và có nghĩa là trường bơm không cần có tính chất không gian cao, như yêu cầu của FWM bình thường để đạt liên hợp chính xác cao của tín hiệu dò. Một lăng kính hình thoi Fresnel đảm bảo rằng các chùm tia truyền ngược nhau có phân cực trực giao. Một phần nhỏ của laser đầu vào được truyền qua bộ tách chùm Ri và truyền qua một bản quay nửa bước sóng để tạo nên chùm tia đầu E li
phân cực trực giao với Elo- Sau đó, chùm dò được đưa vào tế bào FWM và ra chùm Stokes liên họp pha phân cực trực giao Esi.
Trong thí nghiệm, góc ỡ giữa chùm tia bơm và chùm dò được giữ dưới
50mrad, bảo đảm sự chồng lấn tốt của các trường tương tác. Góc nhỏ - cùng với việc sử dụng cùng một môi trường phi tuyến trong cả hai phần, sẽ đảm bảo rằng sự tương tác gần với sự cộng hưởng âm. Ngoài ra, hệ số phản xạ của bộ tách chùm Ri và R2 đảm bảo rằng thí nghiệm khảo sát được tiến hành
trong trường hợp chùm dò yếu , đạt tỷ số cường độ bơm - đầu dò > 100:1. Để có hoạt chất Brillouin dạng lỏng, các chất axeton và cacbon disunphua ( CS2) đã được sử dụng trong thực nghiệm. Đối với trường hợp c s 2, laser bơm được liên kết với một ống dẫn sóng trong tế bào SBS để duy trì độ liên hợp cao. Cả hai trường hợp bố trí đều đảm bảo rằng quá trình đã xảy ra trong chế độ cao hơn giới hạn trạng thái dừng của nó và bảo đảm các điều kiện cần thiết cho chùm bơm Stokes được tạo ra với hệ số phản xạ liên hợp trong khoảng 70 - 95%. Hệ số Brillouin trạng thái dừng của cả hai chất lỏng tương đối lớn, vói axeton gB = 0,014cm/MW và với CS2 gB = 0,04cm/MW, ở bước sóng 1,06/z/и. Hệ số khuếch đại phi tuyến đã được thay đổi bằng cách sử dụng độ dài tế bào FWM khác nhau ( 1,2 và 5cm). Hệ số liên họp pha phản xạ của quá trình BEFWM được theo dõi bằng cách ghi lại các công suất của laser đầu dò và sự phản xạ liên hợp của nó sử dụng photo diot và dao động kế nhanh với tốc độ tăng toàn phần □ 1n s .
Các thí nghiệm được tiến hành trong axeton đã được kiểm soát ở tần số thấp ( < 1Hz) để ngăn chặn sự tích tụ của các hiệu ứng nhiệt do hệ số hấp thụ tuyến tính 0,023cm'1. Góc giữa chùm tia bơm và chùm thăm dò được giữ nhỏ để thu được sự chồng lấn tốt nhất của các chùm tia trong phần tử BEFWM.
Trong hình 2.9, độ phản xạ liên hợp đối với ba thành phần ( / = 1,2cm
và 5cm) đã được vẽ biểu đồ như là hàm của độ khuếch đại bơm laser Ị^-jg£/ i0/với cường độ bơm là: □ 3 0 - 2 5 0MW I cm1. Các kết quả thí nghiệm đã được so sánh với sự dự đoán từ mô hình số của quá trình BEFWM tức thời.
Hỉnh 2. 9 Độ phản xạ liên hợp pha trong axeton là hàm của thông số độ khuếch đại 1^—jg 5/ i0/ đổi với 3 thành phần chiều dài ( hình tam giác l = lem; hình tròn l =
2cm; hỉnh viiông l = 5cm). Các đường cong là dự đoán lý thuyết của nghiệm cụ thể trong các phương trình tức thờ [5].
Điều đó cho thấy sự phù hợp giữa tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm đã được suy ra ở cường độ thấp nhưng ở đây có sự khác nhau nhiều với 4. Điều này chủ yếu là do tách rời phân cực không hoàn toàn của hai chùm bơm truyền ngược nhau, điều này sẽ sinh ra sự dao động của bức xạ giữa nằm giữa tế bào FWM và tế bào SBS. Tốc độ tăng của sự phân cực không mong muốn là tương đối nhỏ ở cường độ thấp, nhưng ở cường độ cao nó có thể dẫn đến sự tương tác bơm mạnh gây ra sự suy giảm của cường độ bơm laser (EL0) và kết quả này làm suy giảm độ quan sát và độ phản xạ BEFWM của chùm dò so với kết quả từ mô hình tính số , trong đó bỏ qua các hiệu ứng phân cực.
Quá trình khảo sát thực nghiệm cũng được thực hiện, sử dụng c s2 như là môi trường hoạt động Brillouin với bơm Stokes đã được tạo ra trong tế bào SBS ngoài với độ phản xạ trong khoảng 70 - 90%. Tốc độ tăng độ phản xạ liên hợp pha với tham số cường độ bơm laser ở 3 độ dài tế bào FWM khác nhau đã được thể hiện trong hình 2.10.
4 В «• и с л ъ 2 <о- © 1 О о 1 2 В 4 5 6 ( ĩ) * ' 7“ 7
H ìn h 2.10 Độ phản xạ liên họp pha trong cs2 là hàm của thông so độ khuếch đại — \^gBILữl đối với 3 thành phần chiền dài ( hình tam giác ỉ = lcm; hình tròn ỉ =
2cm; hình vuông l = 5cm [8].
Hệ số khuếch đại Brillouin ở trạng thái dừng của c s2 cao hơn, tương đương hệ số phản xạ đạt được ở chế độ sử dụng trường laser thấp hơn. Tốc độ tăng của phân cực không mong muốn trong thí nghiệm tương đương, dẫn đến
sự suy giảm của bơm laser trong tế bào FWM đã bị nhiễu, do đó, hệ số liên hợp pha ịm*j gBĩ Lữỉ lớn hơn 4.
Từ các kết quả trong hình (2.9) và (2.10), nó cho thấy rằng : Với c s2
độ phản xạ của chùm dò vượt quá 30% trong khi đó sự tương tác FWM có hệ số phản xạ thấp, tương đương với Ị i j g s/ i0/ khi sử dụng môi trường Brillouin là axeton. Một trong những nguyên nhân của sự khác nhau này có thể kể đến do hiệu ứng phi tuyến Kerr của CS2. Hoạt chất Kerr góp số hạng liên kết đặc biệt gK = 4.6xl(T3cw/MW vào hệ số liên kết phi tuyến. Chính phần này lệch pha — so với hệ số khuếch đại Brillouin gB ở trạng thái dừng.
Tại các giá trị tương đương Ị i j g B/ i0/ , quá trình FWM tạo ra được độ phản xạ liên hợp pha cao hơn bởi cs2, vì độ lớn của độ phi tuyến lớn hơn gB. Trong hệ thí nghiệm, tự hội tụ của bức xạ bơm đã xảy ra trong tế bào FWM, đã làm giảm kích thước vết chùm laser bơm xuống 2 lần, gây ra sự thay đổi cường độ của chùm bơm một cách đáng kể theo chiều dài tương tác. Kết quả làm tăng chiều dài tương tác FWM hiệu dụng, cùng với độ tăng cường độ của chùm tia do tự hội tụ trong tế bào FWM, đã góp phần làm cho hệ số liên họp pha được quan sát với c s2 lớn hơn.
Đe tránh những phức tạp cùng vói sự phụ thuộc cường độ thay đổi chiết suất và giảm chiều dài tương tác để góc giữa chùm bơm — đầu dò ổn định, sự định hướng quang học được thể hiện trong hình 2.8 đã được thay đổi bằng ống dẫn sóng hình trụ trong tế bào FWM có đường kính 3mm, dài 5cm với mục đích bảo đảm tương tác giữa trường độ bơm và trường dò. Sơ đồ này cho phép góc giữa chùm bơm - chùm dò là e và được thay đổi trong giới hạn xác định bởi góc tới hạn đối với phản xạ toàn phần bên trong (ớc » 3 2 0m rad ) trong khi chiều dài tương tác được giữ cố định ( / = 5cm) và
độ lớn của trường trong quá trình phi tuyến. Vì I AO I = Q (l-c o s ớ / 2), ảnh hưởng của điều hưởng so với sóng âm lên hệ số liên hợp tức thời của quá trình BEFWM có thể được khảo sát từ thí nghiệm.
Hình 2.11, trình bày các kết quả khảo sát hệ số phản xạ chùm dò tức thời của tương tác BEFWM như một hàm của điều hưởng so với tần số cộng hưởng âm Av = AQ/2;r. Với độ điều hưởng nhỏ (Av = 5MHz) , sử dụng ống dẫn sóng là tạo ra hệ số phản xạ □ 3 2 %. Khi điều hưởng được tăng lên bằng cách mở rộng góc tương tác, độ phản xạ liên hợp đã được giảm 25% so với giá trị ban đầu tại góc giới hạn cho trường hợp phản xạ toàn phần в .
в [mrad )
A v(MHz)
Ilình 2.11 Độ phản xạ BEFWM trong cs2 ừ'ong ống dẫn sóng là hàm của tần so lệch hửng sinh ra do sự thay đổi góc đầu dò. Đường nét đậm là tính toán cụ thể của
BEFWM bao gồm Kerr phi tuyến của cs2 và đường nét đứt chi bao gồm Brilloiún
Với góc giữa chùm bơm - chùm dò nhỏ ( < lOOmrad) hiệu ímg phi tuyến Kerr sẽ làm tăng độ lớn hiệu dụng của hệ số liên kết FWM toàn phần và kéo theo độ phản xạ đầu dò sẽ cao hơn. Khi điều hưởng âm tăng, sự tăng phần ảo của độ khuếch đại Brillouin lệch pha một góc 71 so với phần phi tuyến trong cs2 sẽ làm giảm mạnh giao thoa. Cùng với mở rộng Lorentz thông thường sẽ làm giảm phần thực của độ khuếch đại Brilloun đối với điều hưởng Av, điều này sẽ làm giảm một cách đáng kể độ lớn của phi tuyến phức và do đó làm giảm mạnh độ phản xạ của quá trình FWM. Kết quả là: độ phản xạ liên hợp của quá trình phi tuyến tiếp tục giảm nhanh hơn trong CS2 so với trường hợp chất lỏng Brillouin không phải là hoạt chất Kerr. Xu hướng này phù hợp với kết quả phân tích thuyết, trong đó đưa thêm hiệu ứng Kerr vào tương tác Brillouin làm giảm bớt độ phản xạ của quá trình FWM ( hình 2.5) giống như là trường hợp điều hưởng chuẩn hóa 7/ tăng vượt quá 1,5.