Luận văn Phát xung quang học đa sắc bằng phương pháp raman - trộn bốn sóng

Nội dung tài liệu: Luận văn Phát xung quang học đa sắc bằng phương pháp raman - trộn bốn sóng

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ PHAN ĐÌNH THẮNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ PHAN ĐÌNH THẮNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG CHUYÊN NGÀNH : QUANG HỌC Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG CHÍ HIẾU TS. NGUYỄN MẠNH THẮNG Hà Nội, 2017
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Chí Hiếu, TS. Nguyễn Mạnh Thắng là những người trực tiếp hướng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS. Totaro Imasaka tại phòng thí nghiệm Center of Future Chemistry, Division of International Strategy, Kyushu University, Nhật Bản. Đã tạo điều kiện để tôi thực hiện các thí nghiệm và nghiên cứu trong luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Dương đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong các nghiên cứu của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô cùng toàn thể các cán bộ, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc Bộ môn Quang lượng tử đã nhiệt tình ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, chuyên viên của các phòng ban trong nhà trường và Khoa Vật lý đã hướng dẫn, tạo điều kiện để tôi nhanh chóng hoàn thành mọi thủ tục bảo vệ. Cuối cùng, tôi xin được gửi lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã luôn ủng hộ, tin tưởng và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và công tác. Hà Nội, ngày 20 tháng 7 năm 2017 Học viên cao học Phan Đình Thắng
4. Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. i DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................... vi Mở đầu ........................................................................................................................ 1 1.1. Quang học phi tuyến ................................................................................... 3 1.2. Hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai ........................................................ 8 Hiệu ứng phát hòa ba bậc hai .............................................................................. 8 Hiệu ứng phát tần số tổng và tần số hiệu .......................................................... 11 Phát khuếch đại thông số quang học ................................................................. 12 1.3. Hiệu ứng quang phi tuyến bậc ba. ............................................................. 13 1.3.1. Hiệu ứng Kerr .................................................................................... 14 1.3.2. Hiện tượng tự điều biến pha .............................................................. 15 1.3.3. Hiện tượng điều biến pha chéo .......................................................... 17 1.3.4. Hiện tượng trộn bốn sóng .................................................................. 18 Phát hòa ba bậc ba (THG) ................................................................................. 20 Phát hiệu tần số trộn bốn sóng (FWDFM) ........................................................ 20 Trộn bốn sóng suy biến (DFWM) ..................................................................... 21 1.4. Nghiên cứu phát xung quang học đa bước sóng bằng hiệu ứng Raman – Trộn bốn sóng. ...................................................................................................... 22 1.4.1. Tổng quan phát xung quang học đa bước sóng bằng hiệu ứng Raman-trộn bốn sóng ........................................................................................ 23 1.4.2. Raman-trộn bốn sóng trong môi trường khí hydro ........................... 27 1.4.2.1. Các mức năng lượng dao động - quay của phân tử hydro ............. 28
5. 1.4.2.2. Raman-trộn bốn sóng trong môi trường khí hydro ........................ 33 1.4.3. Điều kiện hợp pha ............................................................................. 34 Điều kiện phù hợp pha trong sợi quang rỗng (hollow fiber or capillary): .... 41 Chương 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 44 2.1. Raman- trộn bốn sóng sử dụng hai xung bơm .......................................... 44 2.1.1. Xung bơm trong vùng hồng ngoại gần .............................................. 44 2.1.2. Xung bơm trong vùng tử ngoại gần .................................................. 45 2.2. Raman – trộn bốn sóng sử dụng ba xung bơm.......................................... 47 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 50 3.1. Hiệu suất kết nối và truyền xung laser trong sợi rỗng .............................. 50 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới phát Raman – trộn bốn sóng và các điều kiện tối ưu. ..................................................................................................... 51 3.2.1. Tác động của tự điều biến pha và điều biến pha chéo. ...................... 51 3.2.2. Sự ảnh hưởng của thời gian trễ các xung bơm lên quá trình Raman – trộn bốn sóng ..................................................................................................... 59 3.3. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc theo môi trường ........ 62 3.3.1. Trộn bốn sóng trong môi trường không khí ............................................ 62 3.3.2. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng trong môi trường khí hydro 67 3.3.2.1. Ống kín chứa khí hydro ................................................................... 67 3.3.2.2. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng trong sợi rỗng ................. 73 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng 1 – Tổng quan quang học phi tuyến và laser xung cực ngắn Hình 1.1: Sự phản ứng của lưỡng cự với trường tác dụng, (a) Các lưỡng cực khi không có điện trường tác dung, (b) Khi có điện trường tác dụng ...5 Hình 1.2: a) Cường độ tín hiệu hòa ba bậc hai của chất KDP với chiều dài khác nhau. b) Chiết suất của KDP phụ thuộc vào bước sóng .......................................10 Hình 1.3: Sơ đồ năng lượng quá trình phát Raman – trộn bốn sóng ..23 Hình 1.4: Sơ đồ không phù hợp vector sóng trong quá trình Raman – trộn bốn sóng, đường nét liền là sự không phù hợp vectơ sóng, đường nét đứt là sự phù hợp vectơ sóng ... .. ..26 Hình 1.5: Thế năng của phân tử hai nguyên tử theo sự dịch chuyển nguyên tử trong quá trình rung động, đường nét đứt là dao động điều hòa theo định luật Hook, đường nét liền là dao động không điều hòa theo mô hình của Morse ..........29 Hình 1.6: Sơ đồ Raman – trộn bốn sóng trong môi trường khí hydro, hai xung bơm 800 nm (ωP ~2ω) và xung stoke 1200 nm (ωs ~2ω), phát ra xung đối stoke bậc một có tần số 4ω . .33 Hình 1.7: Sơ đồ Raman – trộn bốn sóng thác đổ phát xung đối stoke bậc cao, với xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm ... ...34 Hình 1.8: Sơ đồphù hợp vector sóng không đồng trục của hiện tượng trộn bốn sóng trong môi trường phi tuyến ...35 Hình 1.9: (a) Sơ đồ vector sóng phù hợp pha quá trình phát Raman – trộn bốn sóng phát đa bước sóng, (b) phù hợp pha các quá trình phát vạch đối stoke bậc 1 (1), vạch đối stoke bậc hai (2), và vạch đối stoke bậc 3 (3) ..36 Hình 1.10: Chiết suất môi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng ở điều kiện chuẩn 0oC và 1 atm (760 Torr) . 37 Hình 1.11: Tán sắc vận tôc nhóm GVD vủa môi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng ở điều kiện chẩn 0oC và 1 atm (760 Torr) ..37 Hình 1.12: Chiết suất môi trường hydro phụ thuộc vào bước sóng ở điều kiện phòng thí nghiệm 20 oC và áp suất 35 atm . 39 i
7. Hình 1.13: Tán sắc vận tốc nhóm GVD môi trường khí hydro phụ thuộc vào bước sóng ở điều kiện phòng thí nghiệm 20oC và áp suất 35 atm ....39 Hình 1.14:Góc phát vạch đối stoke bậc 1( β) phụ thuộc vào góc tới (훂) giữa hai xung bơm và xung stoke, Raman – trộn bốn sóng trong ống khí hydro áp suất 1 atm ....40 Chƣơng 2 – Thực nghiệm Hình 2.1: Sơ đồ thí nghiệm Raman-trộn bốn sóng sử dụng hai nguồn bơm, M: gương phản xạ, DM: gương phản xạ lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, λ/2: bản 1/2 bước sóng, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ ... .45 Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm phát xung laser trong vùng tử ngoại gần (DUV – Deep ultraviolet), M: gương phản xạ, DM: gương lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, BBO: tính thể β-barium borate, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ . .46 Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm Raman – trộn bốn sóng sử dụng ba xung bơm, M: gương phản xạ, DM: gương lưỡng chiết, CM: gương cầu phản xạ, BBO: tính thể β- barium borate, λ/2: bản 1/2 bước sóng, DL: hệ điều chỉnh thời gian trễ ....48 Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận Hình 3.1: Hiệu xuất kết nối xung laser hội tụ vào sợi quang rỗng với một số mode xung truyền HE1m, xung laser 400 nm, tiêu cự gương cầu 1000 mm .. .....50 Hình 3.2: Phổ xung bơm 800 nm ở các áp suất khác nhau . 52 Hình 3.3: Phổ xung đối Stoke bậc nhất 600 nm ở các áp suất khác nhau .53 Hình 3.4: Phổ xung đối Stoke bậc hai 480 nm ở các áp suất khác nhau ..53 Hình 3.5: Độ rộng phổ ban đầu của các xung 400 nm và 480 nm trước khi hội tụ vào sợi rỗng . .55 Hình 3.6: Sự mở rộng phổ của xung 400 nm theo áp suất khí hydro trong sợi rỗng do hiện tượng tự điều biến pha (SPM) ....56 Hình 3.7: Độ bán rộng phổ xung bơm 400 nm theo áp suất .. 56 Hình 3.8: Sự mở rộng phổ của xung Stoke 480 nm theo áp suất khí hydro trong sợi rỗng do hiện tượng tự điều biến pha (SPM) .57 Hình 3.9: Độ bán rộng phổ xung Stoke 480 nm theo áp suất ..57 ii
8. Hình 3.10: Sự mở rộng phổ do SPM và XPM của hai xung 400 nm và 480 nm tương ứng với năng lượng 104 µJ và 100 µJ. Đường màu đỏ là sự mở rộng phổ do SPM ở áp suất 1 atm, đường màu đen là sự mở rộng phổ do cả SPM và XPM ở áp suất 1 atm, đường màu xanh là sự mở rộng phổ do cả SPM và XPM ở áp suất 2 atm 59 Hình 3.11: Phổ xung đối Stoke bậc nhất ở thời gian trễ khác nhau . ..60 Hình 3.12: Phổ xung đối Stoke bậc hai 480 nm ở thời gian trễ khác nhau 61 Hình 3.13: Phổ xung đối Stoke bậc ba 400 nm ở thời gian trễ khác nhau 61 Hình 3.14: Phổ trộn bốn sóng phát trong không khí, hai xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm. a) Quan sát bằng máy quang phổ hồng ngoại với dải bước sóng quan sát 200 – 1100 nm (Maya Ocean Optics USB2000), b) Quan sát bằng máy quang phổ tử ngoại với dải bước sóng quan sát 175 – 420 nm (Maya Ocean Optics USB2000) .. .. .63 Hình 3.15: Vạch đối stoke bậc 8 đươc quan sát bằng cách sử dụng lăng kính tán sắc . .. ..65 Hình 3.16: Quá trình chuyển hóa năng lượng xung bơm sang các vạch đối stoke phụ thuộc vào áp suất không khí. . .. .66 Hình 3.17: Hiệu suất phát các vạch đối Stoke phụ thuộc vào áp suất không khí....67 Hình 3.18: Phổ phát Raman – trộn bốn sóng, A) quan sát bằng quang phổ hồng ngoại Ocean optics USB 2000 pro, B) phóng to trong dải từ 200 – 325 nm. Hai xung bơm 1200 nm và 800 nm, hội tụ vào ống GC chứa khí hydro ở áp suất 1.95 atm, thời gian trễ 0 fs, tiêu cự của gương cầu phản xạ f = 750 mm ..68 Hình 3.19: Phổ phát Raman – trộn bốn sóng phụ thuộc theo áp suất . 69 Hình 3.20: Sự chuyển hóa năng lượng từ xung bơm sang các xung đối Stoke theo áp suất .. 70 Hình 3.21: A) Hiệu suất phát của các vạch đối Stoke phụ thuộc theo áp suất khí hydro, B) Năng lượng các vạch đối Stoke theo áp suất khí hydro 71 Hình 3.22: Độ bán rộng phổ (FWHM) xung bơm và các xung đối Stoke bậc nhất và bậc hai phụ thuộc vào áp suất khí hydro trong ống khí .. . .72 iii
9. Hình 3.23: a) Phổ xung bơm và các xung đối Stoke quá trình FWRM trong sợi rỗng , b) cường độ xung bơm và các xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất khí hydro trong sợi rỗng ... ... . ... ..74 Hình 3.24: Hiệu suất phát các vạch đối Stoke phụ thuộc áp suất khi hydro .75 Hình 3.25: a) Phổ vạch Stoke và đối Stoke bậc nhất trong quá trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm và xung dò 200 nm, ba xung bơm hội tụ vào sợi rỗng chứa khí hydro ở áp suất 1.1 atm (đường màu đỏ). Đường màu xanh là quá trình FWRM sử dụng xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm với cùng áp suât. b) Cường độ xung đối Stoke bậc nhất ở bước sóng 187 nm phụ thuộc vào áp suất khí hydro trong sợi rỗng . ... 77 Hình 3.26: Vết xung bơm và xung đối Stoke quan sát được trên màn chắn sử dụng lăng kính tán sắc ... 78 iv
10. DANH MỤC BẢNG BIỂU Chƣơng 1 – Tổng quan quang học phi tuyến và laser xung cực ngắn Bảng 1.1: Các lượng tử rung động và quay của một số phân tử chất khí ..... 32 Bảng 1.2: Năng lượng các mức rung động – quay phân tử hydro [cm-1] . 32 Bảng 1.3: Hệ số phương trình Sellmeier của một số chất khí ... ....38 Bảng 1.4: Góc phù hợp pha và khoảng cách giữa hai xung bơm khi áp xuất thay đổi, bước sóng hai xung bơm 800 nm và 1200nm, gương cầu phản xạ có tiêu cự f = 750 mm............................................................................................................................40 Bảng 1.5: Một số giá trị của unm ....41 Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận Bảng 3.1: Năng lượng hai xung bơm và xung Stoke trước ống khí GC ...70 Bảng 3.2: Năng lượng hai xung bơm và xung Stoke sau khi truyền qua ống khí GC .. .. .70 Bảng 3.3: Năng lượng các vạch đối Stoke trong quá trình phát Raman – trộn bốn sóng ... 72 v