7 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH MAI VĂN LƯU MỘT SỐ ẢNH HƢỞNG CỦA CHÙM LASER XUNG GAUSS LÊN QUÁ TRÌNH PHÂN BỐ CỦA MÔI TRƢỜNG BỊ KÍCH THÍCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Quang Quý PGS TS Đinh Xuân Khoa VINH, 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Quang Quý PGS.TS Đinh Xuân Khoa Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Mai Văn Lƣu LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Quang Quý PGS.TS Đinh Xuân Khoa, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo, người đặt đề tài, dẫn dắt tận tình động viên tác giả suốt trình nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học bạn đồng nghiệp khoa Vật lý, khoa Sau đại học - Trường Đại Học Vinh, Viện Khoa học & Công nghệ Quân - Bộ Quốc Phòng đóng góp ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thời gian học tập nghiên cứu Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án 10 MỞ ĐẦU Một thành tựu quan trọng phát triển khoa học công nghệ kỷ XX đời LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) Khác với ánh sáng thông thường, xạ laser chùm ánh sáng kết hợp, đơn sắc với độ phân kỳ nhỏ có cường độ lớn Ngoài tính chất trên, có số laser thay đổi bước sóng liên tục vùng phổ định Nhờ đó, ứng dụng laser khoa học, công nghệ sống ngày đa dạng, phong phú Một tham số đặc trưng cho chùm laser cường độ chùm tia Nói chung, cường độ chùm xung laser đại lượng phụ thuộc không gian thời gian, mà hầu hết có dạng phân bố Gauss Khi chùm laser truyền môi trường, tác động môi trường vật chất thay đổi trạng thái (hay bị kích thích) Chúng ta biết rằng, môi trường tập hợp hạt vi mô Các hạt vi mô có cấu trúc vật chất, cấu trúc lý - hoá, vị trí, tốc độ định tập trung không gian với mật độ xác định Khi chịu tác động laser, thành phần môi trường thay đổi thông qua trình lượng tử (hấp thụ phát xạ cưỡng bức), thay đổi nhiệt độ thông qua trình không lượng tử (tích thoát dao động) thay đổi vị trí, vận tốc thông qua trình va chạm lượng tử (tương tác xung lượng) Trong tự nhiên xảy tương tác, trình thay đổi trạng thái nói chung thay đổi nhiệt độ nói riêng, tất yếu - theo định luật bảo toàn lượng Mặt khác, theo định luật bảo toàn xung lượng, trình thay đổi vị trí vận tốc xảy Do đó, có tương tác laser với môi trường xảy thay đổi trạng thái nói chung, vị trí xung lượng nói riêng Mức độ thay đổi phụ thuộc vào số lượng (hay mật độ) dòng photon Hay nói cách khác, tác động chùm laser, thay đổi tính chất môi trường phụ thuộc vào cường độ chùm tia Khi xảy trình thay đổi trạng 11 thái vật chất (trong có thay đổi mật độ hạt), mật độ hạt bị kích thích thay đổi theo không gian thời gian Nghĩa là, mật độ hạt bị kích thích có phân bố lại theo không gian thời gian Phân bố mật độ vật chất có thay đổi tính chất (ví dụ mức lượng, nhiệt độ, vị trí, tốc độ,…) tác dụng chùm laser gọi chung trình quang phân bố (optical deposition) [20], [60], [82], [92] Sự thay đổi trình quang phân bố xẩy có tác động laser với môi trường Môi trường hoạt chất - môi trường khuếch đại laser đặc trưng hệ số khuếch đại (khuếch đại đơn vị độ dài) Hệ số khuếch đại mô tả tốc độ tăng mật độ dòng photon (hay cường độ trường laser) [6] Như vậy, phân bố tâm hoạt laser ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại môi trường hoạt chất ảnh hưởng đến hiệu suất công suất laser phát Mặt khác, kích thích, tâm hoạt chuyển từ mức lượng lên mức lượng cao hơn, nghĩa môi trường có thay đổi quang phân bố Khi chuyển từ mức kích thích mức laser trên, tâm hoạt tạo dao động nội làm cho nhiệt độ môi trường hoạt chất tăng lên [4], [7], [27], [47], [51], [58], [62], [67], [79], [9293] Quá trình biến đổi nhiệt hoạt chất phụ thuộc vào không gian thời gian Như vậy, trình biến đổi quang nhiệt xảy hoạt chất mà kết làm tăng nhiệt độ môi trường Do thay đổi chiết suất theo nhiệt độ mà hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành hoạt chất Sự thay đổi chiết suất trình hoạt động laser biến hoạt chất đồng ban đầu thành thấu kính - gọi thấu kính nhiệt Hiệu ứng thấu kính nhiệt ảnh hưởng đến cấu trúc chùm tia, ảnh hưởng đến tần số làm việc laser [6] Chùm tia laser làm thay đổi trình quang phân bố môi trường hoạt chất mà làm thay đổi vị trí, vận tốc hạt vi mô Sự thay đổi ảnh hưởng đến trình ổn định trạng thái hạt ảnh hưởng đến trình khảo sát, nghiên cứu đối tượng hạt vi mô 12 Ngày nay, laser rắn bơm ngang quan tâm nghiên cứu [42], [65], [67], [73], [80], [83-85], [89], [92] Đối với laser rắn, phân bố lượng bơm hay phân bố tâm hoạt bị kích thích vấn đề quan trọng trình thiết kế, chế tạo Dựa vào phân bố lượng bơm laser bán dẫn, công trình nghiên cứu trước giả thiết phân bố lượng bơm môi trường hoạt chất có dạng Gauss [92] Điều hoàn toàn không thực tế cần thay đổi nhỏ vị trí laser bán dẫn thay đổi kích thước hoạt chất, thay đổi tham số thấu kính hội tụ, làm thay đổi phân bố lượng bơm hoạt chất, làm thay đổi tính chất laser rắn Khảo sát ảnh hưởng tham số đến trình phân bố lượng bơm hoạt chất laser rắn tiếp tục nghiên cứu trình bày chương luận án Với laser Raman, tùy thuộc vào mục đích sử dụng yêu cầu tính chất mà nhiều loại laser Raman khác quan tâm nghiên cứu [2526], [28], [31-32], [51], [53-54], [69], [77-79], [87] Trong laser Raman, hiệu ứng tiêu cực ảnh hưởng đến hiệu suất hiệu ứng phát tần số đối Stokes [25], [84], [87] Hiện tượng sinh nhiệt laser Raman nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [24], [51], [69], [77-79], [87] Tuy nhiên, công trình dừng lại laser Raman phát sóng Stokes Nghiên cứu trình phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường hoạt chất laser Raman nghiên cứu trình bày nội dung chương luận án Ứng dụng chùm tia laser việc khảo sát, nghiên cứu hạt vi mô vấn đề cấp thiết, mang tính thời Khái niệm “Bẫy quang học” nhắc đến nhiều công trình nghiên cứu tác dụng laser [11-17], [19-20], [29-30], [35], [37-45], [59], [61], [75] Sử dụng hay nhiều chùm tia Gauss để bẫy hạt có kích thước cỡ nano (bẫy quang học) không vấn đề Tuy nhiên, chưa có công trình đề cập đến việc khảo sát phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi bẫy 13 quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều Nội dung tiếp tục bổ sung nghiên cứu trình bày chương Như vậy, từ vấn đề nêu trên, thấy số nội dung cần quan tâm nghiên cứu: 1) Nghiên cứu phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang laser bán dẫn 2) Khảo sát trình sinh nhiệt laser Raman phát sóng đối Stokes, ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt đến cấu trúc chùm tia phát 3) Nghiên cứu phân bố quang lực chùm tia Gauss bẫy quang học tác động lên hạt điện môi có kích thước cỡ nano Để giải vấn đề đặt ra, thời gian qua quan tâm nghiên cứu Các kết nghiên cứu trình bày luận án “Một số ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình phân bố môi trường bị kích thích” Với tên luận án xác định, mục đích nghiên cứu đề tài khảo sát ảnh hưởng chùm xung Gauss lên trình phân bố tâm hoạt bị kích thích hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến bán kính vùng chồng lấn lượng bơm hoạt chất, qua tối ưu hoá tham số nhằm nâng cao hiệu suất trình bơm Đối với laser Raman, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chùm tia Gauss lên phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Cuối cùng, luận án nghiên cứu ảnh hưởng tham số chùm tia lên phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi bẫy quang học hai chùm xung Gauss ngược chiều Để nghiên cứu nội dung nêu trên, luận án sử dụng phương pháp số tính toán lý thuyết Kết nghiên cứu trình bày chương luận án: Chƣơng Một số kết nghiên cứu tác dụng chùm laser xung Gauss 14 Trong chương khái quát kết nghiên cứu số tác giả phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang laser bán dẫn; trình sinh nhiệt laser Raman phát sóng Stokes phân bố quang lực bẫy quang học sử dụng chùm tia Gauss Từ điểm tổng quan, vấn đề cần quan tâm hoàn thiện như: phân bố hạt bị kích thích hấp thụ ánh sáng thực dịch chuyển kết hợp; phân bố hạt bị kích thích hấp thụ ánh sáng thực dịch chuyển không kết hợp (dịch chuyển nhiệt) cuối hạt bị kích thích không hấp thụ ánh sáng (hạt điện môi) đề xuất nghiên cứu chương sau Chƣơng Phân bố tâm hoạt bị kích thích hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Loại bỏ giả thiết phân bố lượng bơm có dạng Gauss hoạt chất với tham số cho trước công trình nghiên cứu W.Xie [92], chương đề xuất tham số thiết kế cần quan tâm, khảo sát phân bố tâm hoạt bị kích thích tiết diện ngang theo chiều dọc trục hoạt chất laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Qua tìm phương án tối ưu hoá tham số bơm theo tham số mode nhằm nâng cao hiệu suất trình bơm Chƣơng Phân bố tâm hoạt bị kích thích hiệu ứng gradient nhiệt laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Trong chương trình bày trình sinh nhiệt, huỷ nhiệt laser Raman quan tâm đến sóng đối Stoke laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Qua tìm phân bố nhiệt, phân bố chiết suất hoạt chất laser Raman phân tích khả loại bỏ hiệu ứng nhiệt laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Chƣơng Phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi cỡ nano bẫy quang học hai chùm xung Gauss ngược chiều 15 Giới thiệu cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss lan truyền ngược chiều Nội dung chương nghiên cứu phân bố quang lực hai chùm tia Gauss tác dụng lên hạt vi mô Qua đề cập đến tính ổn định bẫy quang học sử dụng hai chùm tia Gauss lan truyền ngược chiều Bản luận án hoàn thành khoa Vật lí, trường Đại học Vinh Kết luận án báo cáo Seminar môn Quang học - Quang phổ, khoa Vật lí, trường Đại học Vinh Các kết luận án trình bày Hội nghị Quang học - Quang phổ toàn quốc [45], [46], [47]; công bố tạp chí Nghiên cứu Khoa học, Kỹ thuật Công nghệ Quân [41], [66], [67]; tạp chí Communication in Physic [26], [27], [38], [42], [44], [65]; tạp chí chuyên ngành nước (Computational methods for Science and Technology, Ba Lan [39] Chiness Optic Letter, Trung Quốc [43]) 16 Chƣơng MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ TÁC DỤNG CỦA CHÙM LASER XUNG GAUSS 1.1 Chùm laser xung Gauss 1.1.1 Phân bố mode buồng cộng hưởng laser Lý thuyết trường điện từ cho thấy cường độ trường buồng cộng hưởng khác phân tích thành chuỗi hàm phụ thuộc vào ba tham số Mỗi tham số ứng với dạng dao động (hay gọi mode), ký hiệu TEMmnq (viết tắt mode ngang - Tranverse, mode điện - Electric mode từ - Magnetic, m n số nguyên [10]) Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ không, rìa chùm tia theo hai hướng vuông góc (m cho mode điện n cho mode từ) Hai số đầu (m,n) ứng với hàm mô tả cấu trúc ngang dao động (dạng dao động ngang) - TEMmn Mỗi dao động ngang ứng với hàng loạt dao động dọc cách nửa bước sóng, xếp theo chiều dài buồng cộng hưởng [6], dao động ứng với số q Chiều dài buồng cộng hưởng bước sóng ánh sáng tác động lẫn để tạo mode dọc phân bố lượng chùm tia Còn thiết kế buồng cộng hưởng nhân tố then chốt việc xác định phân bố cường độ theo chiều ngang chùm tia [10] Trong buồng cộng hưởng quang học tồn sóng đứng, giao thoa sóng phẳng truyền dọc quang trục theo hướng ngược sau phản xạ hai gương Khoảng cách hai bụng sóng liền nửa bước sóng Các dao động dọc xếp theo chiều dọc buồng cộng hưởng, dao động dọc ứng với tần số riêng Thực tế số dao động dọc (mode dọc) laser số nguyên lần nửa bước sóng so với chiều dài buồng cộng hưởng Bước sóng mode dọc tính theo công thức [6]: 108 4.3.3.2 Fgrad, z phụ thuộc độ rộng xung  Chọn tham số: d  10 m, w0  1mm để khảo sát ảnh hưởng độ rộng xung lên trình phân bố quang lực dọc trục z theo thời gian, kết minh họa hình 4.15 Fgrad,z (pN) (m) Fgrad,z (pN) a d b c Hình 4.15 Phân bố quang lực dọc mặt phẳng pha (z,t) với giá trị khác độ rộng xung : 0.5ps (cột a), 1ps (cột b), 1.5ps (cột c) 2ps (cột d) Tương tự trường hợp quang lực phụ thuộc bán kính mặt thắt chùm tia, nhận thấy thành phần quang lực dọc đối xứng qua gốc tọa độ ( z  ) Khi xuất hai vùng bẫy ổn định liền kề nhau, nghĩa hạt điện môi nằm ranh giới vùng bẫy hạt bị hút vào hai vùng bẫy ổn định Độ lớn vùng bẫy tăng dần theo chiều tăng độ rộng xung Tuy nhiên, độ lớn vùng bẫy tăng giá trị quang lực cực đại lại giảm Từ kết khảo sát ta thấy: với xung có độ rộng   0.5ps giá trị quang lực Fgrad , z  8,5.103 pN (cột a), với xung   1ps giá trị quang lực Fgrad , z  4,5.103 pN (cột b) 109 4.3.3.3 Fgrad,z phụ thuộc khoảng cách hai mặt thắt d Ảnh hưởng khoảng cách d lên trình phân bố thành phần quang lực dọc mặt phẳng pha ( z, t ) trình bày hình 4.16 Ở lựa chọn tham số:   ps, w0  1mm vị trí   (trên trục z) Fgrad,z (pN) ` (m) Fgrad,z (pN) a b d c Hình 4.16 Ảnh hưởng khoảng cách d lên trình phân bố quang lực dọc: d = 5m (cột a), d = 10m (cột b), d = 15m (cột c) d = 20m (cột d) Từ kết hình 4.16 ta thấy xuất hai vùng bẫy ổn định dọc theo phương lan truyền thành phần quang lực dọc phân bố đối xứng qua gốc tọa độ Theo chiều tăng d, hai vùng bẫy ổn định có xu hướng tách xa hơn, tạo nên khoảng trống ranh giới hai vùng bẫy mà hạt điện môi dao động tự Đồng thời, tăng khoảng cách d giá trị quang lực cực đại có xu hướng giảm, độ lớn vùng bẫy ổn định tăng lên 4.4 Kết luận chƣơng Trong chương đề xuất cấu hình bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss lan truyền ngược chiều Qua khảo sát lực quang học 110 hai chùm tia tác động lên hạt điện môi Rayleigh hình cầu Hình ảnh phân bố quang lực mà luận án thu phù hợp với kết khảo sát phân bố quang lực bẫy quang học sử dụng chùm xung Gauss [29] Ở đây, tìm thấy phân bố cường độ tổng phụ thuộc vào kích thước khoảng cách hai mặt thắt chùm tia Từ kết khảo sát ta thấy phân bố Gauss bị phá vỡ kích thước mặt thắt lớn Nghiên cứu phân bố thành phần quang lực mặt phẳng pha khác nhau, tìm kết ứng với kích thước mặt thắt chùm tia, khoảng thời gian xung khoảng cách chùm xung, từ sử dụng bẫy ổn định thao tác với hạt nhỏ hình cầu Đối với thành phần lực tán xạ quang lực ngang, mặt phẳng pha khác hai thành phần quang lực phân bố hai đỉnh đối xứng qua gốc tọa độ Có nhiều tham số ảnh hưởng tới phân bố độ lớn quang lực Ở xuất vùng bẫy ổn định mà kích thước phụ thuộc vào tất tham số hạt chùm tia Đối với thành phần quang lực dọc, trường hợp xuất hai vùng bẫy ổn định dọc theo hướng lan truyền, thành phần quang lực dọc phân bố đối xứng qua gốc tọa độ Hai vùng bẫy ổn định có chồng lấn tạo vùng ổn định lớn hay không, điều phụ thuộc vào nhiều tham số Với vài trường hợp, tồn khoảng trống ranh giới vùng bẫy ổn định, mà hạt điện môi dao động tự Phân bố quang lực kích thước vùng bẫy ổn định chịu ảnh hưởng trực tiếp tất tham số chùm tia Như vậy, kết khảo sát cho thấy tồn vùng bẫy khối có chiều dài khoảng cách hai đỉnh quang lực dọc với bán kính khoảng cách hai đỉnh quang lực ngang Độ lớn vùng bẫy độ lớn quang lực phụ thuộc vào tất tham số kích thước mặt thắt chùm tia, khoảng cách hai tiêu điểm, Các thành phần quang 111 lực phân bố đối xứng qua gốc tọa độ, điều chứng tỏ quang lực lực hướng tâm Sự ổn định bẫy quang học phụ thuộc vào tham số xung laser mà phụ thuộc vào khoảng cách mặt thắt hai chùm tia Vùng bẫy có ổn định hay không ổn định đến mức phụ thuộc vào tham số mẫu kích thước, chiết suất (hai tham số ảnh hưởng đến độ lớn quang lực) khối lượng riêng (ảnh hưởng đến trọng lực) Hơn nữa, độ ổn định bẫy phụ thuộc vào môi trường xung quanh mẫu dung môi, kích thước hộp mẫu (các tham số ảnh hưởng đến chuyển động Brown hạt) Như vậy, phân bố Gauss theo không gian thời gian chùm laser Gauss mà trực tiếp độ rộng xung mặt thắt chùm tia ảnh hưởng đến phân bố quang lực tác động lên hạt điện môi Hay nói cách khác, tham số chùm laser Gauss ảnh hưởng đến lực tác động lên hạt điện môi thời điểm vị trí nhác Điều làm thay đổi tốc độ bẫy vùng bẫy ổn định lên hạt điện môi 112 KẾT LUẬN CHUNG Nội dung luận án tập trung nghiên cứu tác dụng chùm xung Gauss lên hạt vi mô môi trường khác nhau, tập trung vào ba vấn đề chính: Phân bố tâm hoạt bị kích thích hoạt chất laser rắn bơm ngang chùm tia Gauss laser bán dẫn; Phân bố tâm hoạt bị kích thích hiệu ứng nhiệt laser Raman buồng cộng hưởng bội ba bơm chùm tia Gauss phân bố quang lực tác dụng lên hạt điện môi bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều Từ kết trình bày luận án, rút kết luận sau đây: Đã khẳng định ảnh hưởng vị trí nguồn bơm, bán kính mặt thắt chùm tia số lượng laser bán dẫn lên phân bố lượng bơm, phân bố tâm hoạt bị kích thích bên hoạt chất laser rắn, vùng chồng lấn lượng theo tiết diện ngang theo chiều dọc hoạt chất Đã tìm đường đặc trưng mô tả phụ thuộc vùng lượng bơm hiệu dụng vào tham số nguồn bơm đường đặc trưng mô tả phụ thuộc mặt thắt mode vào tham số buồng cộng hưởng Trên sở đường đặc trưng đề xuất phương pháp tìm tham số tối ưu (sự phù hợp tham số nguồn bơm tham số buồng cộng hưởng) cho vùng chồng lấn lượng bơm trùng với tiết diện mặt thắt mode buồng cộng hưởng, từ định hướng cho việc nâng cao hiệu suất phát nghiên cứu chế tạo laser rắn bơm ngang laser bán dẫn Luận án đề xuất nguyên lý giảm nhiệt laser Raman phát đồng thời hai sóng Stokes đối Stokes Đã dẫn biểu thức tường minh mô tả phân bố tâm hoạt bị kích thích, phân bố tâm hoạt tích thoát kết hợp, phân bố nhiệt, phân bố chiết suất hoạt chất laser Raman buồng cộng hưởng bội ba Từ biểu thức tìm điều kiện tỉ lệ lượng bơm nhằm loại trừ hiệu ứng nhiệt hoạt chất laser Raman phát đồng thời 113 hai sóng Stokes đối Stokes Đã nghiên cứu phân tích cách chi tiết tượng cân đối quang lực dọc xung Gauss tác động lên hạt điện môi kích thước nanô ổn định vùng bẫy sử dụng xung Gauss có độ rộng khác bẫy quang học, từ đề xuất bẫy quang học sử dụng hai xung Gauss lan truyền ngược chiều Đã dẫn biểu thức tường minh mô tả phân bố cường độ laser phân bố quang lực tác động lên hạt nano môi trường chất lưu Trên sở tìm thấy tồn vùng bẫy ổn định khẳng định ảnh hưởng thông số bẫy quang học tổng lượng xung, bán kính mặt thắt chùm tia, độ rộng xung, kích thước hạt lên quang lực ngang quang lực dọc bẫy Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo: Mặc dù luận án thu số kết khoa học đáng quan tâm, nhiên, luận án chưa khảo sát cách cụ thể ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt độ lệch vùng lượng hiệu dụng mặt thắt mode hay phân bố có chu kỳ lượng bơm theo trục dọc hoạt chất lên tính chất chùm tia phát Về bẫy quang học, sau nghiên cứu phát ổn định vùng bẫy phụ thuộc vào nhiều yếu tố chất hạt, môi trường chứa hạt điện môi Trên sở nghiên cứu bẫy quang học sử dụng hai chùm xung Gauss ngược chiều, nghiên cứu phân bố quang lực bẫy quang học sử dụng hai hay ba cặp chùm laser trực đối Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu thời gian tới nội dung cần phát triển đề tài 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Võ Thị Diệu Hằng, Làm để làm đông lạnh nguyên tử tia Laser? http://vietsciences.org [2] Chu Văn Lanh, Một số đặc trưng động học laser Raman, Luận án Tiến sĩ, Vinh, 2009 [3] Trần Nghiêm, Tổng quan laser, http://thuvienvatly.com [4] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 [5] Hồ Quang Quý, Cơ sở vật lí laser, Giáo trình dành cho SV ngành Vật lí, ĐH Hồng Đức, 2009 [6] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [7] Hồ Quang Quý, Nguyễn Đôn Hà, Khảo sát trường nhiệt laser YAG: Nd+3 tần số 10Hz, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 9, 2004, trang 57-61 [8] Đoàn Hoài Sơn, Nghiên cứu vật lí công nghệ laser màu phản hồi phân bố, Luận án Tiến sĩ, Vinh, 2006 [9] Cao Long Vân, Đinh Xuân Khoa, M Tripenback, Nhập môn Quang học phi tuyến, Đại học Vinh, 2005 [10] http://www.vi.wikipedia.org, Mode-locking Tiếng Anh [11] A A Ambardekar, Y Q Li, Optical levitation and manipulation of stuck particles with pulsed optical tweers, Opt Lett 30, 2005, pp.1797-1799 [12] A Ashkin, Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure, Phys Rev Lett 24, 1970, pp.156-159 115 [13] A Ashkin, J M Dziedzic, J.E Bjorkholm, S Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, Opt Lett 11, 1986, pp.288-290 [14] A Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using laser, Proc Nat Acad Sci USA 94, 1997, pp.4853-4860 [15] A Ashkin, Ph.D., Theory of optical trapping, chap [16] A Ashkin, Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure, Phys Rev Lett 44, 1978, pp.729-732 [17] A Ashkin et al, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, AT&T Bell Laboratories, Holmdel, New Jersey 07733, March 4, 1986 [18] A E Siegman, Lasers Mill Valley, CA: University Science Books, 1st ed., 1986 [19] A Isomura, N.Magome, M.I.Kohira, K.Yoshikawa, Toward the stable optical trapping of a droplet with counter laser beams under microaravity, Chemical Physics Letters, 429,2006, pp.321-325 [20] Alexander Rohrbach, Stiffness of Optical Traps: Quantitative Agreement between Experiment and Electromagnetic Theory, Phys Rev Lett 95, 2005, pp.168102.1-4 [21] A M Prochorov, Laser Handbook, Vol.2, Covieckoe Radio, Moscov, 1978 [22] B E A Saleh, and M.C Teich, Fundamentals of Photonics, A Wiley- Interscience Publication, 1991 [23] B J Comaskey, et al, High average power diode pump slab laser, IEEE J Quantum Electron, 28, 1992, pp.992-996 [24] Boyd G D., Johnston J W D and Kaminow I P., Optimization of the stimulated Raman scattering threshold, IEEE J Quan Electron, Vol.5, 1969, pp 203-206 [25] Chraplivy A R and Stone J., Synchronously pumped D2-gas-in glass fiber 116 Raman laser operating at 1560 nm, Opt Lett., Vol.9, 1984, p.241 [26] Chu Van Lanh, Mai Van Luu and Ho Quang Quy, Reduction Thermo - optic Nonlinearity in the Raman Laser Generating Stockes and Anti Stockes Wares Pumped by CW Gaussian Beam, Comm in Phys., Vol.18, No.4, 2008, pp.250-256 [27] Chu Van Lanh, Mai Van Luu, Dinh Xuan Khoa, Vu Ngoc Sau, Nguyen Thi Thanh Tam and Ho Quang Quy, Nonlinear Characteristics of the PulsePumped Anti-Stockes Laser, Comm in Phys., Vol.18, No.2, 2008, pp.119-128 [28] Chu Van Lanh, Nguyen Manh Thang, Ho Quang Quy, Copertition Between Stokes and Anti – Stokes Wares in CW - Raman Fiber Laser, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 22, 2008, trang 58-63 [29] C L Zhao, L G Wang, Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, Optical Society of America, Vol.32, 2007, pp.1393-1395 [30] C L Zhao, L G Wang, X H Lu, Radiation forces on a dielectric sphere produced by highly focused hollow Gaussian beams, Phys Lett A, 2006, pp.502-506 [31] C V Lanh et al, Quantum efficiency in pulse-pumped trio-cavity Raman fiber laser, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 19, 2007, trang 83 [32] C V Lanh, N.T.T.Hien, V.T.B.Thuy, Influence of normalized parameters on pulse shape of pulse-pumped Stokes laser, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 18, 2007, trang 90-96 [33] Chiristian Clemen et al, High - Radiance Ligh - Emitting Diodes for Optical Transmitters, Telecom Report Spcecial Issue “Optical Communications”, 1983, pp.73-84 [34] D Zwillinger and chief editor, Standard Mathematical Tables and Formulae, New York: CRC Press, 30th ed, 1996 117 [35] G Volpe, G Volpe, and D Petrol, Brownian Motion in a Non- homogeneous Force Field and Photonic Force Microscope, Phys Rev E76, 2007, 061118 [36] Hidenori Watanabe et al, Long Pulse Duration of F2 Laser for 157nm Lithography, Proc SPIE Vol.4346, 2001, pp.1074-1079 [37] H Kress, Ernest H K Stelzer, G Griffiths, and A Rohrbach, Control of Relative Radiation Pressure in Optical Traps: Application to Phagocyte Membrane binding studies, Phys Rev E71, 2005, 061927 [38] Ho Quang Quy and Mai Van Luu, Radiation Force Distribution of Optical Trapping by Two Counter-propagating CW Gaussian Beams Acting on Rayleigh Dielectric Sphere, Comm in Phys., Vol.19, No.3, 2009, pp.174-180 [39] Ho Quang Quy, Hoang Dinh Hai, Doan Hoai Son and Mai Van Luu, The Influence of Parameters on Stability of Particle in Optical Tweezer using Counter-propagating Pulsed Laser Beams, Computational methods for Science and Technology, Poland, 2010, accepted to publish [40] Ho Quang Quy, Tran Ba Chu, Influence of the Self- Focusing Effect in the Intracavity Passive Modulation on the Laser Beam's Tructure, Comm in Phys., Vol.6, No.2, 1996, pp.23-31 [41] Ho Quang Quy, Mai Van Luu and Tran Hai Tien, Total Power Distribution of Two Counter-propagating Pulsed Gaussian Beams, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 23, 2008, trang 89-93 [42] Ho Quang Quy, Mai Van Luu and Vu Ngoc Sau, Matching of Pump and Mode Volumes Inside Diode- side- pump Laser Rod, Comm in Phys., Vol.20, No.3 , 2010, pp.265-270 [43] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Hoang Dinh Hai and Donan Zhuang, The Simulation of the Stabilizing Process of Dielectric Nanoparticle in Optical Trap using Counter-propagating Pulsed Laser Beams, Chinese Optic Letter, Vol 8, No / March 10, 2010, pp.332-334 118 [44] Ho Quang Quy, Mai Van Luu and Hoang Dinh Hai, Influence of Energy and Duration of Laser Pulses on Stability of Dielectric Nanoparticles in Optical Trap, Comm in Phys., Vol.20, No.1, 2010, pp.37-43 [45] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Stable Manipulation Dielectric Sphere of Optical Trapping by Two Counter-propagating Gaussian Pulsed Beams, Proc IWP&A, Nhatrang, 2008, pp.237-241 [46] Ho Quang Quy, Mai Van Luu, Vu Ngoc Sau and Nguyen Canh Loi, Longitudial Distibution of Excited Active Centers in Laser Rod Side pumped by Laser Diodes, Proc IWP&A, Nhatrang, 2008, pp.181-186 [47] Ho Quang Quy, Tran Ba Chu, Mai Van Luu and Tran Ngoc Truoi, Influence of Intracavity Nonlinear Effects on Laser Beam’s Structure, Proc IWP&A, Cantho, 2007, pp.361-366 [48] Howie Mende, Ph.D., Optical Trapping, manipulation, translation and spinning of micron sized gears using a vertical dual Laser diode system, Laurentian University, Ontario, Canada, 2000 [49] Iu V.Baiborodin, L Z Kpiksynov and O.N Litvinenko, Cpravocznik po laserpnoi technike, Technika, Kiev, 1978, (in Russian) [50] Javier Alda, Laser and Gaussian beam propagation and transformation, In Encyclopaedia of Optical Engineering, New York, 2002 [51] J Bienfang, W.Rudolph, P.A.Roos, L.S.Meng, and J.L.Carlsten, Steady state thermo-optic model of a continuous-wave Raman laser, J Opt Soc Am.B, Vol.19, 2002, pp.1318-1325 [52] Ji-chyun Liu et al, Picosecond Pulse Shaping Circuits with Inverse Gaussian Monocycle Waveform, Journal of CCIT., Vol.34, No.1, Nov., 2005, pp.1-9 [53] J K Brasseur, P.A.Roos, L.S.Meng, and J.L.Carsten, Frequency tuning characteristics of a CW Raman laser in H2, J Opt Soc.Am Vol.17, 2000, pp.1229-1232 119 [54] J K Brasseur, R.F.Teehan, R.J.Knize, P.A.Roos and J.L.Carlsten, Phase and Frequency Stabilization of a Pump Laser to a Raman Active Resonator, IEEE J.Quantum Electron, Vol QE-37, 2001, pp.1075-1083 [55] J L.Deng, Q Wei, Y Z Wang, Y Q Li, Numerical modeling of optical levitation and trapping of the stuck particles with a pulsed optical tweerz, Opt Express 13, 2006, pp.3673-3680 [56] Joshua W Shaevitz, A partical guide to optical trapping, August 22, 2006 [57] J P.Gordon et al, Longtransient Effects in Lasers with Inserted Liquid Samples, J.App Phys., Vol.36, 1965, pp.3-8 [58] J R.Whinnery, D.T.Miller, and F.Dabby, Thermal convection and spherical aberration distortion of laser beams in low-loss liquids, IEEE J Quantum Electron., Vol QE-3,1967, pp.382-383 [59] Justin E.Molloy et al, Preface: Optical tweezers in a new light, Journal of Modern Optics, Vol.50, No.10, 2003, pp.1501-1507 [60] K E Youden et al, Pulsed laser deposition of Ga-La-S chalcogenide glass thin film optical wareuides, Appl Phys Lett 63 (12), 1993, p.1601-1603 [61] Kishan Dholakia et al, Optical tweezers:the next generation, Physics World, 2002, pp.31-35 [62] Le Thi Quynh Anh, Tran Ba Chu and Ho Quang Quy, Thermal Lens Effect in the Nd3+:YAG Active Rod of Solid - state Laser, Comm in Phys., Vol.10, No.4, 2000, pp.242-250 [63] L G.Wang et al, Effect of spatial coherence on radiation forces acting on a Rayleigh dialectic sphere, Opt Lett 32, 2007, pp.1393-1395 [64] L V.Tarasov, Laser Physics, Transiated from the Russian by Ram S.Wadhwa, Moscow, 1983 [65] Mai Van Luu, Dinh Xuan Khoa, Vu Ngoc Sau and Ho Quang Quy, Transverse Distribution of Pump Power in the Diode-laser Side-pumped Solid-state Laser Rod, Comm in Phys., Vol 19, No 1, 2009, pp 39-44 120 [66] Mai Van Luu, Nguyen Canh Loi and Ho Quang Quy, The Thermo-optic Refractive Index in the Anti-Stokes Laser Medium, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 22, 2008, trang 64-70 [67] Mai Van Luu, Vu Ngoc Sau, Hoang Dinh Hai and Tran Dinh Hieu, Pump Enery Deposition Inside Four Sides Pumped Solid State Laser’s Rod, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 25, 2008, trang 62-66 [68] Matsuno et al, Pulse Duration effects on Laser Anneal Shallow Junction, ISTC, Tokyo, Vol.2002-17, 2002, pp.148-156 [69] Meng L S., Ph.D.Thesis, CW Raman laser in H2: Classical Theory and Diode-pumping Experiments, Montana State University, Bozeman, MT 59717, 2002, pp.1-29 [70] M G Amann et al, High-power light sources for optical communication, Active and Passive components, Telecom Reports 6, Special issue “Optical Communications”, 1983, pp.79-90 [71] Michael Gögler et al, Forces on Small Spheres in a One-Beam Gradient Trap, Leipzig Uni., Germany, Wintersemester 2005/2006 [72] M J F Digonnet and C J Gaeta, Theoretical analysis of optical fiber laser amplifiers and oscillators, Appl Opt 24, 1985, pp.333-342 [73] NASA Goddard Space Flight Center, High Power Laser Diode Array Qualification and Guidelines for Space Flight Environments, NEPP, 2006, pp.6-44 [74] N D.Hung et al, Development of a Tunable Ultrashort Dye Laser System by using Molecular Photonic Processes and a Nanosecond Pumping Laser, AJSTD Vol 23 Issue 4, 2006, pp.275-284 [75] Neil A Schofield, Development of Optical Trapping for the Isolation of Environmentally Regulated Genes, Submitted in partial fulfiment of the requirement for the degree of doctor of philosophy, 1998 121 [76] Nguyen Huy Bang, Physics of Bose - Einstein Condensation of Neutron atoms: Cooling and trapping, Warsaw, Poland, 28 February 2007 [77] P A.Roos, J.K.Brasseur, and J.L.Carlsten, Intensity-dependent refractive index in a nonresonant cw Raman laser that is due to thermal heating of the Raman-active gas, J.Opt.Soc.Am.B, Vol.17, 2007, pp.758-763 [78] P A.Roos, L.S.Meng, and J.L.Carlsten, Optimization of a far-off- resonance continuous-wave Raman laser, J Opt Soc Am B, Vol.19, 2002, pp.1310-1317 [79] P A.Roos, Ph.D Dissertation, The Diode - Pump Continuous Wave Raman Laser: Classical, Quantum and Thermo - Optical Fundementals, Bozeman, Kontana, 2002 [80] P Laporta and M Brussard, Design criteria for mode size optimization in diode-pumped solid-state lasers, IEEE J Quantum Electron 27, 1991, pp.2319-2326 [81] P M Morse and H Feshback, Methods of Theoretical Physics, New York: McGraw Hill, 1st ed., 1953 [82] Rabi Rabady et al, High-resolution photometric optical monitoring for thin-film deposition, Appl Opt., Vol 43, No 1, 2004, pp.143-148 [83] R St.Pierre et al, Diode aray pumping kilowatt laser, IEEE J Sel Top Quantum Electron 3, 1997, pp.53-58 [84] Sands D., Diode Lasers, 2005, IOP Publishing, Ltd [85] S B Sutton et al, Simple analytical method to calculate the radial energy deposition profile in an isotropi diode-pumped solid-state laser rod, Appl Opt., Vol.35, 1996, pp.5937-5948 [86] S C Kuo, M P Sheetz, Optical tweezers in cell biology, Trends Cell Biol 2, 1992, pp.16-24 [87] Shinzen K., et al, Generation of highly repetitive optical pulses based on intracavity four-wave Raman mixing, Phys Rev Lett., Vol.87, 2001, pp 122 223901/1- [88] T Marszalek, Wplyw Parameterow Drobinowych na Prace Lasera Barwnikowych, UMK, Torun, Polan, 1974 [89] T Y Fan and R L Byer, Diode laser-pumped solid-state lasers, IEEE J Quantum Electron 24, 1988, pp.895-912 [90] Wener et al, Long Pulse Duration of F2 Laser for 157nm Lithography, Proceedings of the 4th International Conggress on Laser Advanced Materials Processing, Japan Laser Processing Society, Vol.2, No.1, 2007, pp.66-68 [91] W Xie et al, Fluorescence feedback control of an active Q-switched diode-pumped Nd:YVO4 laser, Appl Opt., Vol.39 (2000), pp.978-981 [92] W Xie et al, Influence of the thermal effect on TEM00 mode output power of a laser-diode side-pumped solid-state laser, Appl Opt., Vol.39, No.30, 2000, pp.5482-5487 [93] Y F Chen, T M Huang, C F Kao, C L Wang, and S C Wang, Optimization in scaling fiber-coupled laser-diode endpumped lasers to higher power: influence of thermal effect, IEEE J Quantum Electron 33, 1997, pp.1424-1429 [94] Y F Chen, T S Liao, C F Kao, T M Huang, K H Lin, and S C Wang, Optimization of fiber-coupled laser-diode endpumped lasers: influence of pump-beam quality, IEEE J Quantum Electron 32, 1996, pp.2010-2016 [95] Y Seol, A E Carpenter, and T.T Perkins, Gold Nanoparticles: Enhanced Optical Trapping and Sensitivity Coupled with Significant Heating, Opt Lett., Vol.31, No.16, 2006, pp.2429-2431 [96] http://www.photon-inc.com/products/usbeampro/laserdiode2.jpg [97] http://www.postech.ac.kr/ee/light/act/lda/18.jpg [98] http://www.microcoolingconcepts.com/images/164BarStackrear.jpg [...]... phát xung tựa Gauss Nghiên cứu về ảnh hưởng của laser [92], các kết quả thu được cho thấy laser xung Gauss tác động lên hoạt chất laser rắn (các ion) gây ra quá trình phân bố không đồng nhất các tâm hoạt bị kích thích Các kết quả nghiên cứu này sẽ được trình bày sau đây 24 1.2 Phân bố năng lƣợng bơm trong hoạt chất laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn Từ đặc trưng phổ hấp thụ của các hoạt chất laser. .. sẽ được trình bày tiếp sau đây 1.4 Phân bố quang lực của chùm xung Gauss trong quá trình bẫy hạt điện môi 1.4.1 Quang lực tác dụng lên hạt điện môi Một bẫy quang học được tạo bởi chùm laser hội tụ mạnh bằng một thấu kính có khẩu độ số NA lớn [15] Một hạt điện môi (dielectric microsphere) 36 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... 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 Chùm laser xung Gauss chiếu vào tinh thể (hoạt chất laser rắn, sợi quang) và môi trường áp suất cao (hoạt chất laser Raman) đã gây nên sự phân bố không đồng nhất (tựa Gauss) của các tâm... là quá trình bức xạ nên không sinh nhiệt 28 Tuy nhiên, trong laser Raman phát sóng Stoke thì quá trình tích thoát là quá trình nhiệt Mặc dù được bơm bằng laser, song quá trình tích thoát từ các mức kích thích xuống mức cơ bản nhờ dao động nhiệt Do đó, sự phân bố các tâm bị kích thích sẽ dẫn đến sự phân bố nhiệt trong hoạt chất laser Raman Hiệu ứng này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của chùm tia laser. .. tiết diện ngang của hoạt chất (giả thiết phân bố Gauss) nên phân bố tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang cũng không đều Kết quả là phân bố nhiệt trên tiết diện ngang của hoạt chất cũng không đều mà sẽ có dạng Gauss Nghiên cứu phân bố nhiệt và tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang của hoạt chất sẽ được trình bày tiếp theo đây 1.3.2 Phân bố mật độ tâm hoạt trong hoạt chất laser Raman Từ sơ... sinh ra do quá trình dao động này đã làm cho nhiệt độ của môi trường hoạt chất tăng dần lên [79] Hình 1.11 Quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất laser Raman phát sóng Stokes [79] 30 Trong quá trình dịch chuyển Stokes, số tâm hoạt bị kích thích lên mức trên tỉ lệ thuận với số photon bơm và số photon Stokes, tức là tỉ lệ thuận với công suất của sóng bơm và sóng Stokes Do phân bố công suất của hai sóng... bằng laser bán dẫn Hiện tượng phân bố Gauss của các tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang của thanh laser sẽ sinh ra hiệu ứng thấu kính nhiệt làm ảnh hưởng đến cấu trúc chùm tia phát Trong trường hợp laser rắn bơm bằng laser bán dẫn có bước sóng lọc lựa trùng với vùng hấp thụ của các tâm hoạt (bơm ngang) thì hiệu ứng nhiệt có thể bỏ qua Hơn nữa, quá trình tích thoát trong hoạt chất laser rắn là quá. .. phát ra 1.3 Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman phát sóng Stokes 1.3.1 Quá trình sinh nhiệt trong laser Raman phát sóng Stokes Giả sử một laser có hoạt chất tán xạ Raman đặt trong buồng cộng hưởng có chiều dài L giữa hai gương có hệ số phản xạ Rp/s Laser được bơm dọc bằng một xung laser khác có phân bố Gauss theo thời gian và không gian Khi môi trường được kích thích bởi xung laser ngoài thì sóng tán xạ Stokes,... 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 L... diện ngang của tinh thể laser có dạng phân bố Gauss (theo dạng I (chuẩn hoá) I (chuẩn hoá) vùng chồng lấn của các chùm laser Gauss) Hình 1.8 So sánh vùng chồng lấn năng lượng bơm với hàm Gauss trong mặt phẳng x (hình a) và mặt phẳng y = x (hình b) cho wp0 = 0.3mm [92] Từ kết quả nghiên cứu này [92] W.Xie và các cộng sự đã khảo sát quá trình phân bố các tâm hoạt bị kích thích trong hoạt chất laser rắn ... trình bày luận án Một số ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình phân bố môi trường bị kích thích Với tên luận án xác định, mục đích nghiên cứu đề tài khảo sát ảnh hưởng chùm xung Gauss lên. .. hiệu suất trình bơm Đối với laser Raman, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chùm tia Gauss lên phân bố tâm hoạt bị kích thích, dẫn đến phân bố nhiệt phân bố chiết suất môi trường laser Raman... truyền qua hệ quang chùm Gauss Sự phân bố lại cường độ chùm tia laser bơm hoạt chất ảnh hưởng tới phân bố tâm hoạt bị kích thích Vấn đề nghiên cứu mục 2.2 Phân bố tâm hoạt bị kích thích theo tiết