Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh - CHU TH TUYT KHO ST NH HNG CA XUNG BM DNG GAUSS LấN HOT NG CA LASER NGU NHIấN PHT HAI MODE Luận văn thạc sĩ vật lý nGHệ aN - 2013 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh - KHO ST NH HNG CA XUNG BM DNG GAUSS LấN HOT NG CA LASER NGU NHIấN PHT HAI MODE Chuyên ngành: quang học Mã số: 60.44.01.09 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngườiưhướngưdẫnưkhoaưhọc: ts.nguyễn văn phú nGHệ aN - 2013 LI CM N Bn lun ny c hon thnh nh quỏ trỡnh n lc ca bn thõn v s hng dn tn tỡnh ca thy giỏo TS Nguyn Vn Phỳ Thy ó t bi toỏn, tn tỡnh hng dn, luụn quan tõm, ng viờn v giỳp tỏc gi sut thi gian hon thnh lun i vi tỏc gi, c hc v nghiờn cu di s hng dn ca thy l mt nim vinh d ln lao Nhõn dp ny, em xin by t lũng bit n sõu sc n thy giỏo v s giỳp quý bỏu v nhit tỡnh ú Em cng xin phộp c cm n cỏc thy, cụ giỏo ó tham gia ging dy, o to ti lp Quang hc 19, cm n Ban ch nhim khoa Vt lý, Khoa o to Sau i hc, Ban lónh o Trng i hc Vinh ó to iu kin thun li cho em quỏ trỡnh hc tp, nghiờn cu ti c s o to Tụi by t lũng bit n ti gia ỡnh, bn bố, ng nghip v cỏc anh, ch hc viờn lp Cao hc 19 chuyờn ngnh Quang hc Trng i hc Vinh ó ng viờn, giỳp tụi sut quỏ trỡnh hc Xin chõn thnh cm n ! Vinh, thỏng nm 2013 Tỏc gi Chu Th Tuyt MC LC Trang M u Chng 1: Tng quan v laser ngu nhiờn Gii thiu chung v laser ngu nhiờn 1.1 Laser ngu nhiờn 1.2 Phõn loi 1.2.1 Laser ngu nhiờn phn hi khụng kt hp 1.2.2 Laser ngu nhiờn phn hi kt hp Cỏc c trng c bn ca laser 10 2.1 Ngng phỏt 10 2.2 S ph thuc ca ph phỏt x laser ngu nhiờn vo xung bm 12 Mt s cỏch tip cn nghiờn cu v laser ngu nhiờn 17 3.1 H phng trỡnh tc vit cho laser 17 3.2 Quan nim bỏn c in v laser ngu nhiờn 19 3.3 Quan nim lng t v laser ngu nhiờn 20 KT LUN CHNG 20 Chng II nh hng ca xung bm dng Gauss lờn hot ng ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode 21 H phng trỡnh tc vit cho laser ngu nhiờn hai mode 21 1.1 H phng trỡnh tc 21 1.2 Cỏc mode phỏt ca laser ngu nhiờn cú mt xung bm Gauss 23 Vai trũ ca xung bm dng Gauss lờn cỏc mode ca laser ngu nhiờn 26 2.1 Vai trũ ca h s o1 lờn cỏc c trng ca mode laser phỏt 25 2.2 Vai trũ ca h s o2 lờn cỏc c trng ca mode laser phỏt 29 KT LUN CHUNG 34 TI LIU THAM KHO 35 M u Trong hn na thp k qua laser ngu nhiờn (Random Laser) ó nhn c s quan tõm ca cỏc nghiờn cu lớ thuyt v thc nghim nh nhng ng dng to ln khoa hc, i sng v giỏ thnh h S khỏc bit gia laser thụng thng v laser ngu nhiờn ú l bung cng hng ca laser ngu nhiờn khụng hỡnh thnh bi cỏc gng m s tỏn x nhiu ln mụi trng gm nhiu tõm tỏn x, ú l mụi trng khụng trt t, v cú tớnh khuych i Mụi trng khuch i ny cú th tn ti di dng bt gm cỏc tinh th nh, hay dung dch hoc mng vt liu cha cỏc ht tỏn x ngu nhiờn S phõn b ngu nhiờn ca cỏc ht tỏn x cỏc mụi trng ú to thnh cỏc vi bung cng hng cú chc nng khuch i ỏnh sỏng Khi ỏnh sỏng c chiu vo mụi trng ngu nhiờn, cỏc photon s b bc x v phỏt theo cỏc hng ngu nhiờn Nu iu ny xy mt cỏch liờn tc thỡ qu o ca mt photon cỏc vi bung cng hng s rt di v cú th c khuch i mt cỏch ỏng k i li nhiu ln cỏc vi bung cng hng ú Nu s khuch i ln hn mt mỏt thỡ ỏnh sỏng khuch i tr thnh ỏnh sỏng laser Cỏc nghiờn cu c v lý thuyt cng nh thc nghim v laser ngu nhiờn cho thy tớnh cht quang ca mụi trng ngu nhiờn bao gm c s khuch i v tỏn x ỏnh sỏng, ngng phỏt laser gim mc hn n mụi trng tng lờn Khi cng bm tng trờn giỏ tr ngng cc i thỡ s mode phỏt laser khụng i, chỳng bóo ho ti mt giỏ tr ti hn c xỏc nh bi mc hn n h, Vit Nam, nghiờn cu v laser ngu nhiờn ó c cp n cỏc cụng trỡnh [1-3] Trong cỏc cụng trỡnh ny ng hc phỏt x cỏc mode ca laser ngu nhiờn ó c nghiờn cu v s tng tỏc gia chỳng ó c quan sỏt song cũn nhiu cn c nghiờn cu chi tit b sung Nhm gúp phn tỡm hiu mt mt no ú v vt lớ v cụng ngh ca laser ngu nhiờn, lun ny, chỳng tụi t : KHO ST NH HNG CA XUNG BM DNG GAUSS LấN HOT NG CA LASER NGU NHIấN PHT HAI MODE Ngoi phn m u v kt lun, lun c chia thnh hai chng vi cỏc ni dung chớnh nh sau: Chng I Tng quan v laser ngu nhiờn Trong chng ny chỳng tụi trỡnh by mt cỏch tng quan, nguyờn tc hot ng v mt s c trng ng hc phỏt x ca laser ngu nhiờn Chng II Kho sỏt nh hng ca xung bm dng Gauss lờn hot ng ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode Trong chng II, xut phỏt t h phng trỡnh tc mụ t hot ng ca laser ngu nhiờn kớch thc dng bt cú cu trỳc c micro hoc nanomet, c kớch thớch bi ngun xung bm Gauss thớch hp chỳng tụi s kho sỏt hot ng phỏt xung cng nh nh hng ca mt s thụng s xung bm lờn cỏc xung laser phỏt CHNG I TNG QUAN V LASER NGU NHIấN Gii thiu chung v laser ngu nhiờn Laser ngu nhiờn (random laser) l mt loi laser mi, khỏc vi cỏc laser thụng thng, ỏnh sỏng c chiu vo mt cht cú kh nng tỏn x mnh thỡ cỏc photon s phỏt theo cỏc hng ngu nhiờn Nu iu ny xy mt cỏch liờn tc thỡ qu o ca mt photon mụi trng khuch i s rt di v ỏnh sỏng cú th khuch i mt cỏch ỏng k i li nhiu ln qua nhng ht tinh th nh nh Nu s khuch i ln hn mt mỏt thỡ ỏnh sỏng khuch i tr thnh ỏnh sỏng laser Mụi trng khuch i ny cú th cú dng bt gm cỏc tinh th nh, hay dung dch hoc mng vt liu cha cỏc ht tỏn x ngu nhiờn Hỡnh 1.1 nh sỏng tỏn x vi cng tng lờn mụi trng hn n, ngu nhiờn, c khuych i nh quỏ trỡnh tỏn x cỏc vi bung cng hng Ngun TLTK [9] Laser ngu nhiờn thỡ s tỏn x ca hot cht bung cng hng din mnh hn rt nhiu ú hot ng ca laser din d dng hn Trờn thc t quỏ trỡnh phỏt laser ngu nhiờn l mt quỏ trỡnh din rt phc bờn vt liu, khụng ging laser thng phỏt l n mode, laser ngu nhiờn phỏt l nhiu mode vỡ vy quỏ trỡnh chn mode l rt quan trng Nh chỳng ta ó bit i vi laser thụng thng thỡ bung cng hng cú vai trũ lm cho bc x ca hot cht phỏt cú th i qua i li nhiu ln mụi trng hot cht v c khuch i lờn, bung cng hng thng s dng nht l bung cng hng Fabry-Perot c hỡnh thnh t hai gng, mt gng cú h s phn x rt cao c 99,99% cũn mt gng cú h s phn x thp hn tia sỏng i ngoi nh sỏng trỡ bung cng hng giao thoa tng cng sau i qua mt chu trỡnh kớn gia cỏc gng v tr li v trớ ban u ca nú, s tr pha ca mt chu trỡnh kớn phi bng s nguyờn ln Khi khuych i quang hc ln bự s mt mỏt gõy s truyn qua ca gng v s hp th ca vt liu thỡ hot ng laser xy tn s cng hng Tuy nhiờn, nu cú tỏn x bờn bung cng hng thỡ ỏnh sỏng s b tỏn x theo nhng hng khỏc lm tng s mt mỏt v ngng phỏt laser (hỡnh 1.1a) Hỡnh 1.3 a) Laser vi bung cng hng Fabry Perrot b) Laser ngu nhiờn Ngun TLTK [9] Nhng vi laser ngu nhiờn s tỏn x mnh cú th lm cho hot ng laser xy d dng Laser cú bung cng hng ngu nhiờn cú c trng c bn khỏc vi laser truyn thng l khụng nht thit phi cú hiu ng giao thoa cỏc tia phn x t gng to thnh bung cng hng Súng ng bung cng hng ngu nhiờn to thnh tỏn x nhiu ln mụi trng khụng cú trt t v cú tớnh cht khuch i quang Trong bung cng hng cú mt hiu ng vt lý rt thỳ v xy l tng tỏc gia mt hoc mt s nguyờn t vi mụi trng quang hc cng hng (tn s cng hng ca bung cng hng) hoc vt liu cú cu trỳc vựng cm quang t (photonic band gap) Hỡnh 1.2 Mụi trng hot cht v cỏc vi bung cng hng vt liu polyme ca laser ngu nhiờn Ngun TLTK [6] S tỏn x cng mnh ỏnh sỏng cng c khuych i Nh vy vi laser ngu nhiờn chỳng ta khụng cn gng gi ỏnh sỏng mụi trng khuych i v s tỏn x t nú ó cú th lm vic ny Laser hot ng da trờn tớnh cht c bn ny c gi l laser ngu nhiờn Hỡnh 1.4 nh chp hin vi v s to ỏnh sỏng laser ngu nhiờn mu c kớch thớch bng ỏnh sỏng mu lc Ngun TLTK [7] Phõn loi laser ngu nhiờn Nhm cung cp mt cỏi nhỡn y hn v c im ca laser ngu nhiờn thỡ õy chỳng tụi da vo c tớnh phn hi ca chỳng xy s tỏn x mụi trng hn n m chia laser ngu nhiờn thnh hai loi l: laser ngu nhiờn phn hi khụng kt hp v laser ngu nhiờn phn hi kt hp 2.1 Laser ngu nhiờn phn hi khụng kt hp Laser ngu nhiờn phn hi khụng kt hp l laser phn hi cng hay phn hi nng lng Hot ng ca laser ngu nhiờn phn hi khụng kt hp xy trng thỏi khuch tỏn Trong mụi trng hn n, ỏnh sỏng b tỏn x v i mt quóng ng ngu nhiờn trc ri mụi trng Khi cú mt s khuch i, mt photon cú th gõy bc x cng bc cho photon th hai Khi chiu di khuych i bng chiu di trung bỡnh ca quóng ng ỏnh sỏng i mụi trng thỡ xy kh nng mt photon phỏt mt photon th hai trc ri mụi trng khuych i, vỡ th mt photon tng lờn i vi laser phn hi khụng kt hp nhiu mụ hỡnh ó c ỏp dng nghiờn 10 (1.5) l phng trỡnh biờn ph thuc thi gian, t õy cú iu kin ngng " ( ) = Phng trỡnh ny cng cho biờn n nh ca cng trng Q trờn ngng phỏt laser 3.3 Lý thuyt lng t Lý thuyt lng t l cn thit hiu bit cỏc tớnh cht thng kờ lng t ca laser ngu nhiờn Lý thuyt lng t chun cho laser ch ỏp dng i vi cỏc mode chun ri rc v khụng th gii thớch cho s phỏt laser cú mt cỏc mode chng chp Trong mt mụi trng ngu nhiờn, c trng ca cỏc mode phỏt laser ph thuc vo s mt hn n Nu s hn n yu s dn ti ỏnh sỏng b giam ớt v cỏc mode chng chp mnh H Cao [6] ó nghiờn cu s thng kờ t nhiờn ca lý thuyt tỏn x t nhng s tip cn ny b hn ch i vi mụi trng tuyn tớnh v khụng th mụ t laser ngu nhiờn trờn ngng phỏt Nm 2002 ụng v cng s ó phỏt trin mt s lng t hoỏ cho cỏc bung cng hng quang hc cú s mode chng chp Vi vic a vo mụi trng khuych i nú cú th c s dng nh l im xut phỏt cho lý thuyt lng t ca laser ngu nhiờn Kt lun chng I Trong chng ny chỳng tụi ó trỡnh by mt cỏch tng quan v laser ngu nhiờn Da trờn nguyờn tc hot ng ca laser ngu nhiờn chỳng tụi ó phõn tớch, rỳt mt s kt lun sau: - Da trờn c s lý thuyt, cỏc nghiờn cu ca cỏc nh khoa hc, lun ó cp n nguyờn tc hot ng, phõn loi v cỏc c im ca laser ngu nhiờn So sỏnh mt cỏch tng i laser ngu nhiờn v laser thng - ó tỡm hiu v ng hc phỏt x ca laser ngu nhiờn, s ph thuc ca ph phỏt x v cỏc c trng ca ph phỏt x vo cỏc c trng ca ngun bm 22 Chng II NH HNG CA XUNG BM DNG GAUSS LấN HOT NG CA LASER NGU NHIấN HAI MODE Nh ó thy phn tng quan, ng hc ca laser ngu nhiờn ang l mt c quan tõm ca nhiu nh nghiờn cu lý thuyt v thc nghim Cỏc mode laser ngu nhiờn xut hin quỏ trỡnh ng hc no xy mụi trng hn n? Cng , tn s ca cỏc mode ph thuc vo nhng yu t no ca mụi trng hay ca c trng bm, õy l nhng cn nghiờn cu nhm lm sỏng t c ch hot ng ca laser ngu nhiờn tim cn vi t ra, chỳng tụi gi thit laser ngu nhiờn ó phỏt c hai mode n nh Trờn c s lp phng trỡnh ng hc v s bin i mt photon ca cỏc mode theo thi gian chỳng tụi hy vng cú th hiu c quỏ trỡnh ng hc xy laser ngu nhiờn Bi toỏn c gii quyt vi gi thit laser ngu nhiờn dng bt cú cu trỳc c micro hoc nanomet, c kớch thớch bi ngun xung bm Gauss thớch hp H phng trỡnh tc ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode 1.1 H phng trỡnh tc Gi s laser ngu nhiờn phỏt hai mode cú mt photon ca cỏc mode ln lt l n1, n2 H phng trỡnh biu din s thay i mt photon ca cỏc mode theo thi gian cú dng [8]: dn1 = 1n1 1n1 12 n1n2 + 12 n2 dt (2.1) dn2 = n2 n2 21n2 n1 + 21n1 dt (2.2) Trong ú: i: l h s khuych i i: l h s mt mỏt 23 ij: l h s liờn kt trng ij: l h s photon hopping Du ca cỏc h s mang cỏc ý ngha nh sau: H s i: mang du dng (+) vỡ s khuych i lm tng mt photon H s i: mang du õm (-) vỡ c trng cho s mt mỏt photon b thoỏt ngoi bung cng hng, b hp th mụi trng H s ij: mang du õm (-) vỡ ij c trng cho s mt mỏt photon tng tỏc gia cỏc mode gn Trng b rũ t mode ny cú th b hp th bi nhng mode khỏc, cỏc mode cú s liờn kt trng vi ij cho bit mode j nh hng lờn mode i lm mt photon mode i gim xung Cỏc mode cú s cnh tranh nờn tng tỏc ca chỳng l khỏc nhau, ú ij khỏc ji H s liờn kt trng cho bit thụng tin v s bao ph khụng gian, ph ca cỏc mode H s ij: mang du dng (+) vỡ nú c trng cho hiu ng photon hopping, cỏc photon cú th nhy t mode ny sang mode khỏc nh s tỏn x biờn ij nj biu din s photon t mode j sang mode i lm tng mt photon mode i Bi toỏn vi cỏc h s khuch i l hng s ó c mt s tỏc gi gii quyt v cho kt qu tt, cú s phự hp nht nh vi thc nghim [3] Trong lun ny chỳng tụi gi thit rng cỏc h s khuch i bin i theo thi gian c biu din di dng hm Gauss: i = 0iexp(-T.t2) Trong ú T l mt h s v i = 1, Khi ú h phng trỡnh (2.1), (2.2) s c vit li dng: dn1 = 01 exp( T.t ) n1 1n1 12 n1n2 + 12 n2 dt (2.3) dn2 = 02 exp(T.t )n2 n2 21n2 n1 + 21n1 dt (2.4) 24 S dng phn mm MatLab gii h phng trỡnh vi phõn (2.3), (2.4) chỳng ta cú th kho sỏt c nh hng ca cỏc tham s ng hc, hay tham s mụi trng lờn ng hc phỏt xung ca laser ngu nhiờn hai mode 1.2 Cỏc mode phỏt ca laser ngu nhiờn cú mt ca xung bm Gauss Trong [3] kho sỏt cỏc mode phỏt ca laser ngu nhiờn hai mode chỳng tụi s dng ngụn ng lp trỡnh Matlab gii h phng trỡnh tc (2.1) v (2.2) vi cỏc thụng s khuch i i bng hng s Kt qu thu c mode laser phỏt l cỏc ng cong biu din s ph thuc ca cng photon phỏt vo thi gian Vi trng hp cỏc thụng s khuch i i cú dng Gauss, h phng trỡnh (2.3), (2.4) cng c gii ngụn ng lp trỡnh Matlab vi iu kin ban u cho s photon ca mode v tng ng l n1(0) = 0.05 v n2(0) = 0.5 n v tng i (a.u) Giỏ tr cỏc tham s v h s mt mỏt, h s khuych i, h s liờn kt trng v h s hiu ng photon hopping c ly t cỏc kt qu thc nghim cho laser ngu nhiờn phỏt hai mode [6], cho bng sau: Bng 2.1 Giỏ tr cỏc tham s ng hc laser cú h (2.1), (2.2) Ngun TLTK [6]: = 0.4 cm3.s-1 12 = 0.8 cm3.s-1 12 = 0.4 s-1 = 0.3 cm3.s-1 21 = 0.7 cm3.s-1 21 = 0.4 s-1 Trong s cú mt ca xung bm Gauss, giỏ tr cỏc thụng s xung bm c chn 01 = 0.9s-1, 02 = 1.3 s-1, T = 0.2s-2 th hỡnh 2.1 mụ t cỏc xung phỏt hot ng khụng dng ca laser ngu nhiờn hai modetrong thi gian 35ns Cú th nhn thy trờn th, quỏ trỡnh phỏt xung ca laser ngu nhiờn c chia lm cỏc giai on: giai on phỏt, giai on cc i v giai on cng gim nhanh giỏ tr 25 0.6 imax 0.55 n1 n2 Cuong photon phats (a.u) 0.5 0.45 0.4 0.35 i 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 imax 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 Hỡnh 2.1 Cỏc xung phỏt ca laser ngu nhiờn hai mode Chỳng ta cú th phõn tớch cỏc giai on phỏt x cỏc thi im nh sau: thi im ban u, cỏc mode laser xut hin ng thi, mt photon ca chỳng tng lờn Thi gian cc i ca cng bc x ca mode n c khong 2.0564ns v ca mode n2 c khong 1.976ns sau phỏt Sau cỏc khong thi gian ú cỏc mode laser gim nhanh Vi cỏc mode laser chỳng tụi quan tõm n cỏc c trng ca mode, nh l: - rng xung i (ns) l rng ca xung laser phỏt th i ti v trớ cú cng bng mt na cng cc i - Cng cc i ca xung phỏt Iimax (a.u) th i - Thi gian Timax t n giỏ tr Iimax ca mode th i 26 Chng hn trờn th hỡnh 2.1, giỏ tr cỏc tham s ny tng ng vi cỏc xung laser phỏt l = 6.8548 (ns), I1max = 0.42 (a.u), T1max = 2.0564 ns; = 5.403 (ns), I2max = 0.57 (a.u) v T2max = 1.976 ns; Nh vy: - Khi bm kớch thớch cú dng xung thỡ laser ngu nhiờn cng cho cỏc mode phỏt laser dng xung - Khi cú xung bm tỏc dng, cỏc mode laser phỏt ng thi, t n giỏ tr cc i v sau ú gim dn - Cng mode, thi gian cỏc mt photon ca mode t cc i, rng thi gian ca cỏc mode khỏc l khỏc Cỏc kt qu m chỳng tụi thu c õy ó cú s phự hp nht nh vi mt s kt qu nghiờn cu ng hc ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode c phn ỏnh [5,6] Chớnh vỡ vy kho sỏt nh hng ca cỏc thụng s ca xung bm Gauss lờn cỏc mode laser ngu nhiờn cú c s khoa hc ỏng tin cy v c trỡnh by phn tip theo Vai trũ ca xung bm dng Gauss lờn cỏc mode ca laser ngu nhiờn Trong phn ny chỳng tụi kho sỏt vai trũ ca cỏc thụng s khuch i dng xung bm cú dng Gauss lờn cỏc c trng ca xung laser phỏt bng cỏch thay i giỏ tr tham s xung bm gi nguyờn cỏc tham s khỏc cng nh c nh cỏc tham s (vt liu) ca mụi trng xột s nh hng ca cỏc tham s 0i lờn hot ng ca laser chỳng ta ln lt thay i tng h s 01, 02 v gi nguyờn cỏc h s khỏc 2.1 Vai trũ ca h s 01 lờn cỏc c trng ca mode laser phỏt Trong phn ny, kho sỏt vai trũ ca h s 01 lờn cỏc c trng ca xung laser phỏt chỳng tụi chn cỏc giỏ tr ca 01 thay i t 0.1s-1 n 2.0s-1 v c nh giỏ tr ca cỏc tham s khỏc nh bng 2.1 Cỏc kt qu s thu c biu din trờn cỏc bng s liu 2.2, cỏc th tng ng c cho trờn cỏc hỡnh 2.2 27 Bng 2.2 Kt qu kho sỏt nh hng ca h s 01 cỏc c trng xung phỏt ca laser o(s-1) T1max(ns) 0.1 3.6693 0.3 3.2661 0.5 2.9435 0.7 2.5403 0.9 2.2983 1.1 2.0564 1.3 1.8145 1.5 1.7338 1.7 1.6145 1.6145 I1max(a.u) 0.315 0.322 0.340 0.350 0.357 0.420 0.457 0.532 0.600 0.790 (ns) 10.8871 10.2419 9.35448 9.2741 7.8225 6.5322 5.7258 3.9516 3.6290 2.5806 T2max(ns) 1.9758 2.0564 1.9758 2.0564 2.0564 1.9758 1.9758 1.8145 1.8051 1.5351 I2max(a.u) 0.495 0.550 0.5505 0.5510 0.5515 0.5541 0.5570 0.5580 0.5801 0.600 (ns) 5.0806 4.9193 4.9193 4.7580 4.6129 4.3225 4.1201 3.8387 3.241 3.124 0.6 n1 n2 Cuong photon phats (a.u) 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 (2.2a) 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 Hỡnh 2.2 nh hng ca h s 01 lờn cỏc mode phỏt Trong hỡnh 2.2a) 01 = 0.1s-1 28 35 0.6 n1 n2 0.55 Cuong photon phats (a.u) 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 10 (2.2b) 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 0.6 n1 n2 0.55 Cuong photon phats (a.u) 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 (2.2c) 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 Hỡnh 2.2 nh hng ca h s 01 lờn cỏc mode phỏt (tip theo) Trong hỡnh 2.2b)01 = 0.5s-1; 2.2c) 01 = 1,7s-1 29 0.8 n1 n2 Cuong photon phats (a.u) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 (2.2d) s 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 Hỡnh 2.2 nh hng ca h s 01 lờn cỏc mode phỏt (tip theo) Trong hỡnh 2.2d) 01 = 2.1s-1 Hỡnh 2.2e) nh hng ca h s 01 lờn mode laser phỏt n1 gin pha 30 T bng cỏc s liu v cỏc th trờn hỡnh 2.2, chỳng ta cú nhn xột v nh hng ca h s 01 nh sau: - H s o1 cú nh hng rừ rt lờn cỏc c trng ca mode n1 - Khi o1 tng thỡ cng cc i ca mode n1 tng lờn, thi gian T1max mode n1 t giỏ tr cc i gim xung (thi gian t n cc i nhanh hn) Cng cc i ca mode cng tng theo V mt vt lý tỏc ng ca h s photon hopping lm cho mt s photon mode n chuyn sang mode n2 lm cng mode ny tng lờn - Khi o1 tng rng xung ca mode gim xung (cng cc i tng thỡ rng xung hp li), ngha l chỳng ta cú th chn c giỏ tr ca 01 phự hp to c xung cú cng cao v rng xung 2.2 Vai trũ ca 02 lờn cỏc c trng xung laser phỏt Trong phn ny kho sỏt vai trũ ca h s 02 lờn cỏc c trng xung laser phỏt, chỳng tụi thc hin tng t nh mc trờn, giỏ tr ca 02 thay i t 0.5s-1 n 2.5s-1, giỏ tr ca cỏc tham s khỏc c gi c nh nh bng 2.1 Cỏc kt qu s thu c cho trờn cỏc bng s liu 2.3, cỏc th tng ng c biu din trờn hỡnh 2.3 Bng 2.3 Kt qu kho sỏt nh hng ca h s 02 lờn cỏc c trng xung phỏt ca laser o1 (s-1) T1max(ns) 0.5 1.9758 1.0 1.9758 1.5 2.0564 2.0 1.9780 2.5 1.8951 3.0 1.8951 3.5 1.8951 4.0 1.5725 I1max(a.u) 0.375 0.400 0.425 0.425 0.425 0.425 0.425 0.521 1(ns) 7.3387 7.7419 7.2580 6.6129 5.2419 6.0463 6.1663 5.0000 31 T2max(ns) 3.5887 2.2984 1.8951 1.8145 1.6532 1.5725 1.5725 1.4919 I2max(a.u) 0.325 0.415 0.520 0.805 1.150 1.602 2.205 3.000 (ns) 12.5000 9.5161 5.2419 2.9838 2.4193 2.0967 1.9354 1.7742 0.45 n1 n2 Cuong photon phats (a.u) 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 10 (2.3a) 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 0.5 n1 n2 0.45 Cuong photon phats (a.u) 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 (2.3b) 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 Hỡnh 2.3 nh hng ca h s 02 lờn cỏc mode phỏt: 2.3a) 02 = 0.5s-1; 2.3b) 02 = 1.0s-1 32 35 0.9 n1 n2 0.8 Cuong photon phats (a.u) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 35 n1 n2 Cuong photon phats (a.u) 2.5 1.5 0.5 (2.3d) 10 15 20 Thoi gian (ns) 25 30 Hỡnh 2.3 nh hng ca h s 02 lờn cỏc mode phỏt 2.3c) 02 = 4.0s-1; 2.3d) 02 = 4.0s-1 33 35 Hỡnh 2.3e) Gin pha nh hng ca h s a02 lờn mode phỏt n2 T kt qu trờn cỏc bng s liu v cỏc th chỳng ta nhn thy tng h s 02, cng cỏc mode n2 tng nhanh, rng xung hp li Bờn cnh ú cựng vi s tng lờn ca mode n 2, cng mode n1 cng tng theo iu ny c gii thớch hiu ng photon hopping nờn mt s cỏc photon ca mode n chuyn sang mode n1 lm cng mode ny tng lờn iu lu ý l o2 ln (02 > 4), cng mode n2 tng lờn rt ln, laser ngu nhiờn hai mode xem nh hot ng n mode (hỡnh 2.3d) Kt lun chng II Chỳng tụi ó kho sỏt nh hng ca xung bm dng Gauss lờn xung phỏt ca laser ngu nhiờn hai mode Cỏc kt qu cho thy ngun khuch i cú dng xung, cỏc mode laser cng ó phỏt di dng xung Cỏc h s 01, 02 cú nh hng n cỏc c trng ca xung laser phỏt Khi thay i giỏ tr cỏc h s ny, cỏc c trng xung phỏt nh cng I imax, rng xung i, thi gian t n giỏ tr cc i ca xung Timax cng ó bin i 34 KT LUN CHUNG Chỳng tụi ó kho sỏt hot ng khụng dng ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode s cú mt ca xung bm dng Gauss Ni dung chớnh ca lun cú th c túm tt nh sau: Lun ó trỡnh by mt cỏch tng quan v mt vt lý v quỏ trỡnh phỏt trin ca laser ngu nhiờn Bng cỏch gii h phng trỡnh tc mụ t hot ng ca laser s cú mt ca xung bm Gauss, chỳng tụi kho sỏt thy ó cú s xut hin cỏc xung laser hot ng khụng dng ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode Kt qu kho sỏt nh hng thụng s xung bm dng Gauss nh cỏc h s bm 0i (i = 1, 2) lờn quỏ trỡnh cnh tranh cỏc mode hot ng khụng dng ca laser ngu nhiờn phỏt hai mode cho thy: + Cỏc tham s bm cú nh hng n cỏc c trng ca xung laser phỏt + Khi thay i 0i thỡ c trng ca cỏc mode laser phỏt nh mt photon, thi gian t n giỏ tr cc i ca mode v m rng xung ó thay i S thay i 0i ca mode no thỡ nh hng rừ rt nht n c trng ca mode ú, chng hn nh hng ca h s 01 cho mode n1 Mc dự lun ó thu c nhng kt qu nht nh, nhiờn cũn nhiu ni dung cn kho sỏt, chng hn nh kho sỏt nh hng ca cỏc thụng s ng hc laser lờn xung phỏt cú mt xung bm Gauss Chỳng tụi hy vng, nhng ni dung ny c kho sỏt thi gian ti õy 35 TI LIU THAM KHO [1] Dinh Van Hoang, Nguyen Van Phu, Nguyen Thi Phuong (2010), Random Lasers: Characteristics, Applications and Some Research Results, Computational methods in Science and Technology, Special Issue (2), Poland Pp 47-51 [2] Dinh Van Hoang, Nguyen Van Phu, Le Ngoc Anh (2012), Influence of time dependence of dynamic laser parameter on the three modes random laser operation, Communication in Physics, Vol 22, No (2012), pp 349-355 [3] ng Ngc Thỏi (2012), Nghiờn cu quỏ trỡnh tng tỏc giu hai mode laser ngu nhiờn, Lun Cao hc Thc s, H Vinh [4] H Cao et al (2000), Spatial confinement of laser light in active random media Phys Rev Lett 84, pp 5584 [5] H Cao, et al (1999), Random laser action in semiconductor powder, Phys Rev Lett 82, 2278 [6] X Jiang et al (2004), Coupling, competition, and stability of modes in random lasers, Physical Review B 69, pp 104202 [7] X Jiang, C Soukoulis (2000), Time dependent theory for random lasers, Phys Rev Lett 85, pp.70 [8] C Soukoulis et al (2002) , Dynamic response and relaxation oscillations in random lasers, Physical Review B 69, pp 041103 [9] D S Wiersma (2008), The physics and applications of random lasers, Nature Physics, VOL 4, pp 359 36 [...]... động học của laser ngẫu nhiên phát hai mode được phản ánh trong [5,6] Chính vì vậy khảo sát ảnh hưởng của các thông số của xung bơm Gauss lên các mode trong laser ngẫu nhiên có cơ sở khoa học đáng tin cậy và được trình bày ở phần tiếp theo 2 Vai trò của xung bơm dạng Gauss lên các mode của laser ngẫu nhiên Trong phần này chúng tôi khảo sát vai trò của các thông số khuếch đại dạng xung bơm có dạng Gauss. .. 4), cường độ mode n2 tăng lên rất lớn, laser ngẫu nhiên hai mode xem như hoạt động đơn mode (hình 2.3d) Kết luận chương II Chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng của xung bơm dạng Gauss lên xung phát của laser ngẫu nhiên hai mode Các kết quả cho thấy khi nguồn khuếch đại có dạng xung, các mode laser cũng đã phát ra dưới dạng xung Các hệ số α 01, α02 có ảnh hưởng đến các đặc trưng của xung laser phát Khi thay... ngẫu nhiên Bằng cách giải hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động của laser trong sự có mặt của xung bơm Gauss, chúng tôi khảo sát thấy đã có sự xuất hiện các xung laser trong hoạt động không dừng của laser ngẫu nhiên phát hai mode Kết quả khảo sát ảnh hưởng thông số xung bơm dạng Gauss như các hệ số bơm α0i (i = 1, 2) lên quá trình cạnh tranh các mode trong hoạt động không dừng của laser ngẫu nhiên phát. .. của các nhà khoa học, luận văn đã đề cập đến nguyên tắc hoạt động, phân loại và các đặc điểm của laser ngẫu nhiên So sánh một cách tương đối laser ngẫu nhiên và laser thường - Đã tìm hiểu về động học phát xạ của laser ngẫu nhiên, sự phụ thuộc của phổ phát xạ và các đặc trưng của phổ phát xạ vào các đặc trưng của nguồn bơm 22 Chương II ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG BƠM DẠNG GAUSS LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA LASER NGẪU NHIÊN... trưng xung phát như cường độ I imax, độ rộng xung Δτi, thời gian đạt đến giá trị cực đại của xung ΔTimax cũng đã biến đổi 34 KẾT LUẬN CHUNG Chúng tôi đã khảo sát hoạt động không dừng của laser ngẫu nhiên phát hai mode trong sự có mặt của xung bơm dạng Gauss Nội dung chính của luận văn có thể được tóm tắt như sau: Luận văn đã trình bày một cách tổng quan về mặt vật lý và quá trình phát triển của laser ngẫu. .. laser ngẫu nhiên phát hai mode cho thấy: + Các tham số bơm có ảnh hưởng đến các đặc trưng của xung laser phát + Khi thay đổi α0i thì đặc trưng của các mode laser phát như mật độ photon, thời gian đạt đến giá trị cực đại của mode và độ mở rộng xung đã thay đổi Sự thay đổi α0i của mode nào thì ảnh hưởng rõ rệt nhất đến đặc trưng của mode đó, chẳng hạn ảnh hưởng của hệ số α01 cho mode n1 Mặc dù luận văn... Hình 2.2 Ảnh hưởng của hệ số α01 lên các mode phát (tiếp theo) Trong hình 2.2d) α01 = 2.1s-1 Hình 2.2e) Ảnh hưởng của hệ số α01 lên mode laser phát n1 trong giản đồ pha 30 Từ bảng các số liệu và các đồ thị trên hình 2.2, chúng ta có nhận xét về ảnh hưởng của hệ số α01 như sau: - Hệ số αo1 có ảnh hưởng rõ rệt lên các đặc trưng của mode n1 - Khi αo1 tăng thì cường độ cực đại của mode n1 tăng lên, thời... viết lại dạng: dn1 2 = α 01 exp( − ΔT.t 2 ) n1 − β1n1 − θ12 n1n2 + γ 12 n2 dt (2.3) dn2 2 = α 02 exp(−ΔT.t 2 )n2 − β 2 n2 − θ 21n2 n1 + γ 21n1 dt (2.4) 24 Sử dụng phần mềm MatLab giải hệ phương trình vi phân (2.3), (2.4) chúng ta có thể khảo sát được ảnh hưởng của các tham số động học, hay tham số môi trường lên động học phát xung của laser ngẫu nhiên hai mode 1.2 Các mode phát của laser ngẫu nhiên khi... cm3.s-1 γ21 = 0.4 s-1 Trong sự có mặt của xung bơm Gauss, giá trị các thông số xung bơm được chọn α01 = 0.9s-1, α02 = 1.3 s-1, ΔT = 0.2s-2 Đồ thị hình 2.1 mô tả các xung phát trong hoạt động không dừng của laser ngẫu nhiên hai modetrong thời gian 35ns Có thể nhận thấy trên đồ thị, quá trình phát xung của laser ngẫu nhiên được chia làm các giai đoạn: giai đoạn khởi phát, giai đoạn cực đại và giai đoạn... 2.1 Các xung phát của laser ngẫu nhiên hai mode Chúng ta có thể phân tích các giai đoạn phát xạ ở các thời điểm như sau: Ở thời điểm ban đầu, các mode laser xuất hiện đồng thời, mật độ photon của chúng tăng lên Thời gian cực đại của cường độ bức xạ của mode n 1 cỡ khoảng 2.0564ns và của mode n2 cỡ khoảng 1.976ns sau khi phát Sau các khoảng thời gian đó các mode laser giảm nhanh Với các mode laser chúng