MỤC LỤC Danh mục bảng biểu - Hình vẽ - Chữ viết tắ t MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VÈ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng 1.1.1 Quá trình tán xạ tự phát .8 1.1.2 Tán xạ Brillouin ánh sáng 10 1.1.3 Tán xạ Raman ánh sáng 10 1.1.4 Quá trình tán xạ cưỡng 12 1.1.5 Phương trình sóng phân cực phi tuyến 15 1.1.6 Lý thuyết tán xạ Brillouin cưỡng 17 1.1.7 Tán xạ Brillouin cưỡng nhiệt 22 1.1.8 SosánhSRS vàSBS.Ĩ 23 1.2 Vật liệu SBS đặc trưng SBS 24 1.3 Ket luận chương 26 CHƯƠNG I I T 28 KHẢO SÁT S ự TĂNG CƯỜNG TRỘN BỔN SÓNG 28 TRONG TÁN XẠ BRILLOUIN 28 2.1 Cấu hình tương tác BEFWM 28 2.2 Mô hình lý thuyết BEFWM 30 2.3 Lý thuyết khử phân cực BEFWM 32 2.3.1 Trạng thái dừng biểu thức giải tích độ phản xạ 33 2.3.2 BEFWM khử phân cực tức thờ i 38 2.4 Các thí nghiệm khảo sát BEFWM phân cực không liên kết 38 2.5 Hiệu suất tán xạ nhiễu âm 47 2.6 Các thí nghiệm kết BEFWM với tạo ảnh có độ phân giải cao 48 2.7 Kết luận chương 54 KẾT LUẬN CHUNG 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Danh mục Bảng biểu - Hình ve - Chư viết tắt Danh mục hình vẽ Hình 1 Tán xạ tức thời ánh sáng tới Hình Pho tần sổ ánh sáng tần sổ thấp tần sổ ánh sáng tới (Stokes) tần so cao tần so ánh sáng tới (đoi stokes) G .7 Hình Sự tương tác photon tới, photon tán xạ phonon môi trường Hình Bức tranh tương tác photon-phonon tán xạ cho thay moi quan hệ (a) tần so (b) véc tơ sóng Hình Ouá trình tản xạ Raman rung động tán xạ Raman quay dao động phân tử .11 Hình Tản xạ ngược kích thích (6 = 180°) chế chủ yếu đổi với SBS 14 Hình 1: Trộn bon sóng tăng cường Brillouin tương tác hai chùm tia trưyền ngược chiền (El E2) chùm tỉa kết hợp (E4) môi trường hoạt Briỉlouỉn 29 Hình 2 Sơ đồ khử phân cực BEFW M 31 Hình Độ phản xạ BEFWM trạng thái dừng (R) phụ thuộc vào độ điều tần cộng hưởng chuấn hóa ( rị) với thông sổ khếch đại bơm Ị1Ỉ khác tỷ so bơm cổ định Ro = (Ak =0) 35 Hình Độ phản xạ BEFWM trạng thái dừng (R) phụ thuộc vào độ điều tần cộng hưởng chuấn hóa (rj) với tỷ sổ bơm thay đ o i, thông sổ khuếch đại bơm không đối Jiil =8 (Ak=0) 36 Hình Độ phản xạ BEFWM trạng thái dừng (R) phụ thuộc vào điều hưởng tần so chuấn hỏa (rj) tỉnh toán từ thông sổ thỉ nghiệm CS2 l,06jLim Đường (a) ( đường nét đậm ) bỏ qua Ak hiệu ứng Kerr, đường (b) ( đường nét đứt) bao gồm Ak đường (c) (đường nét đứt điếm chấm) bao gồm hiệu ứng Kerr (ịấỉ =8 , R = 5) .37 Hình Đặc trưng thời gian độ phản xạ BEFWM tức độ khuếch đại ///thay đổi tỷ số bom không đổi Hình Đặc trưng thời gian độ phản xạ BEFWM tức thời vớithông số Ro = 39 thời vớithông sổ độ khuếch đại không đối /Lii =5 tỷ so bơm thay đoi Ro 40 Hình Sơ đo thỉ nghiệm khảo sát khử phân cực BEFWM chẩt lỏng axeton cs2 41 Hình Bằng thỉ nghiệm xác định độ phản xạ liên hợp pha axeton hàm thông sổ độ khuếch đại Ị^-j,g-s/ i0/ đổi với thành phần chiều dài ( hình tam giác = lcm ; hình tròn = cm; hình vuông = 5cm) Các đường cong dự đoán lý thtryết nghiệm cụ phương trình tức thời 43 Hình 10 Bằng thỉ nghiêm xác định độ phản xạ liên hợp pha c s hàm thông sổ độ khuếch đại BILũl đổi với thành phần chiều dài ( hình tam giác = lem; hình tròn ỉ = cm; hình vuông = 5cm) .44 Hình 11 Độ phản xạ BEFWM CS2 dẫn sóng hàm tần sổ lệch hửng sinh thay đoi góc đầu dò Đường nét đậm ỉ tính toán cụ thể BEFWM bao gồm Kerr phi tityến c s đường nét đứt bao gồm Brillouin 46 Hình 12 Bố trí thí nghiệm đổi với việc khảo sát tạo ảnh độ phân giải cao 48 Hình 13 Độ liên hợp pha dựa vào cường độ bơm đổi với BEFW M 50 Hình 14 (a) Hình ảnh liên hợp pha (b) Hình ảnh liên hợp pha qua distorter (c) Hình ảnh sơ đồ thỉ nghiệm với gương (d) Hình ảnh sau truyền lần qua distorter 52 Bảng biểu Bảng 1: So sánh tần so dịch chuyến, độ rộng vạch pho, hệ so khuếch đại, thời gian song dao động tán xạ Raman tán xạ Brilỉouin 12 Chữ viết tắt SBS STBS SRS BEFWM FWM Tán xạ Brillouin cưỡng Tán xạ Brillouin cưỡng nhiệt Tán xạ Raman cưỡng Tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin Trộn bốn sóng M Ở ĐẦU Tán xạ Brillouin nhà Vật lý Louis Brillouin phát năm 1922 Đó tượng tán xạ ánh sáng xảy ánh sáng tương tác với sóng âm môi trường vật chất như: rắn, lỏng, khí Tán xạ Brillouin khó quan sát sử dụng nguồn sáng thông thường Tuy nhiên, đến năm 1960, nhà khoa học dùng nguồn sáng laser có cường độ cực lớn chiếu vào môi trường vật chất, làm xuất tán xạ Brillouin cưỡng (SBS) có cường độ lớn dễ quan sát Lúc này, tán xạ Brillouin nhà khoa học quan tâm đặc biệt có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác như: tạo liên họp pha, tạo nén xung, tăng cường trộn bốn sóng sợi quang Đặc biệt vào năm 2007, nhóm nhà nghiên cứu Vật lý người Mĩ trường Đại học Duke Đại học Rochester nghiên cứu thành công phòng thí nghiệm phương pháp cho phép “lưu giữ” tín hiệu ánh sáng dạng sóng âm nhờ áp dụng hiệu ứng tán xạ Brillouin cưỡng sợi quang Đây thành công đáng mừng công nghệ sản xuất nhớ toàn quang cho hệ thống viễn thông tương lai Trong năm gần xuất số công trình nước nghiên cứu trình tán xạ như: tán xạ Raman, tán xạ Bragg, tán xạ Brillouin chưa quan tâm nhiều, bỏ ngỏ! Chính chọn đề tài nghiên cứu: “ Khảo sát tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouỉn” CHƯƠNG I TỎNG QUAN VÈ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng Khi có ánh sáng có sóng điện từ qua môi trường vật chất trình tán xạ khác xảy Vật chất dạng lỏng, rắn khí, trường hợp ánh sáng bị tán xạ dao động kích thích đặc tính quang học môi trường (cụ thể thay đổi mật độ môi trường) Quá trình tán xạ làm photon tới sinh photon tán xạ lệch so với hướng ban đầu có tần số dịch so với tần số ban đầu Một số tán xạ biết tán xạ Rayleigh, tán xạ Billouin tán xạ Raman Trong điều kiện ánh sáng thường, tán xạ trình thống kê ngẫu nhiên xảy vùng tần số góc rộng hình 1.1 Trong chương này, chủ yếu làm rõ tượng tán xạ Billouin Tuy nhiên, dành phần để đề cập cách ngắn gọn đến trình tán xạ Raman, đóng vai trò quan trọng quang học phi tuyến song hành với tán xạ Billouin, chế tán xạ chiếm ưu [1], [2] Ở cấp độ nhất, tán xạ mô tả phương pháp học lượng tử, thực tế chất số dạng tán xạ mô tả đầy đủ chế cổ điển ( Ví dụ tán xạ Brillouin, phonon có lượng bé kßT, kß hang so Boltzmann T nhiệt độ) Tán xạ xảy tương tác sóng ánh sáng (cổ điển) với kích thích (dao động) môi trường Trong lý thuyết lượng tử, ánh sáng xem tập họp photon (lượng tử trường điện từ) môi trường bị kích thích gồm phonon (lượng tử môi trường kích thích dao động môi trường) Đối với ánh sáng có cường độ yếu (mật độ photon thấp), sử dụng photon phonon để mô tả trình cần thiết Trong thực tế, nguồn ánh sáng có cường độ cao (ví dụ laser) môi trường kích thích mạnh - mức lượng tử lớn, sử dụng lý thuyết bán cổ điển để mô tả tương tác thích hợp Trong phần này, sử dụng cách tiếp cận sóng để mô tả cách định lượng tương tác ánh sáng với môi trường Tuy nhiên, sử dụng tranh photon phonon để mô tả cho đơn giản có nhìn sâu sắc vào trình Môi trường tán xạ Ánh sáng tới A /Y ^ J~^ ~~^Ị ^ tán xạ Hình 1.1 Tán xạ tức thời ánh sáng tới Tán xạ ánh sáng Brillouin bắt nguồn từ tương tác ánh sáng với lan truyền sóng âm (hoặc phonon âm) Các photon tới bị đi, với việc sinh làm phonon dẫn đến photon tán xạ (bức xạ), có tần số tương ứng gọi Stokes đối Stokes Thành phần Stokes có tần số dịch phía thấp thành phần đối Stokes có tần số dịch phía cao Khi nhìn vào phổ tần số ánh sáng tán xạ theo hướng cụ thể (xem hình 1.2) xuất hai vạch có tần số gần với tần số ánh sáng tới, tần số âm nhỏ nhiều so với tần số quang, gọi vạch đôi Brillouin ( hình 1.2) Mặt khác, ánh sáng bị tán xạ dao động phân tử, phonon quang học, tán xạ Raman Dịch chuyển tần số với tần số khác nhau, hàng trăm hàng ngàn số dao động (em’1), xảy sir tán xạ Raman xác định tần số dao động khác (và tần số quay) vật chất Khoảng dịch tần so sánh với tần số quang học (ví dụ ánh sáng xanh bước sóng X = 500nm, có số dao động = / X = 20000cm"1) Trong nguyên tử hay phân tử có tồn trạng thái dao động trạng thái quay Hình 1.2, mô tả vạch Raman Tại trung tâm, có thành phần tán xạ Rayleigh Nó thay đổi tần số tán xạ môi trường thăng giáng mật độ Rayleigh ^ STOKES Brillouin C3- K C -cạ *0 Tần số dịch chuyển Ilùih 1.2 Phổ tần so ánh sáng tần so thấp tần sổ ánh sáng tới (Stokes) tần so cao tần số ánh sáng tới (đổi stokes)G Cũng giống vài hình thức tán xạ khác, phụ thuộc vào bước sóng, bước sóng ngắn tán xạ mạnh (ví dụ ánh sáng màu xanh) giúp giải thích nhìn thấy trời màu xanh ngày Khi cường độ ánh sáng tới yếu, trình tán xạ ánh sáng gọi tự phát Trong trạng thái tán xạ đirợc gây kích thích lượng tử kích thích nhiệt môi trường cường độ tán xạ tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới Mặt khác, với ánh sáng có cường độ lớn cường độ ánh sáng tán xạ trở nên mạnh dao động vật chất sinh có mặt ánh sáng tới Trong chế độ này, tán xạ ánh sáng gọi tán xạ cưỡng Các trình tán xạ cưỡng dễ dàng quan sát cường độ ánh sáng nằm khoảng_ : M fw ic m < / L[...]... S ự TĂNG CƯỜNG TRỘN BÓN SÓNG TRONG TÁN XẠ BRILLOUIN Tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) xảy ra dễ dàng với bức xạ laser công suất cao trong môi trường cấu trúc khối hoặc ống dẫn sóng Áp dụng các điều kiện trong phạm vi rộng, cả hội tụ và dẫn sóng, sóng Stokes tán xạ ngược được tìm thấy chủ yếu là phân bố không gian liên hợp pha ( mặt đầu sóng ngược) của ánh sáng tới Điều cần thiết phải có ngưỡng cường. .. cần tăng một phần nhỏ cường độ tới sẽ dẫn đến thay đổi cường độ tán xạ lên một bậc Ngoài ra, tán xạ mạnh nhất đạt được tại tần số trung tâm của quá trình tán xạ cưỡng bức gB (0) Sự phụ thuộc theo hàm số mũ của độ khuếch đại vào hệ số khuếch đại của quá trình tán xạ cưỡng bức sẽ làm cho độ rộng phổ hẹp hơn so với trường hợp tán xạ tự phát Trong tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) hướng chiếm ưu thế của sự. .. nhau như tán xạ Rayleigh, tán xạ Raman, tán xạ Brilloin > Tán xạ Brilloin xảy ra khi có sự tương tác của ánh sáng kích thích với một sóng âm Khi cường độ ánh sáng kích thích nhỏ thì xảy ra quá trình tán xạ Brillouin tự phát Khi cường độ ánh sáng kích thích đủ lớn thì xảy ra quá trình tán xạ Brilouin cường bức Tán xạ Brilouin cưỡng bức xảy ra theo hai cơ chế đó là xảy ra do sự thay đổi mật độ cảm ứng... năng lượng và xung lượng Do đó đòi hỏi sự kết họp hoàn toàn về thời gian và không gian của các nguồn bức xạ (ví dụ như tia laser) Quá trình tán xạ tự phát có thể được mô tả bằng quang học tuyến tính Nhưng khi cường độ bức xạ tới cao, cường độ của tán xạ cưỡng bức không còn tuyến tính, sự tăng cường của môi trường kích thích dẫn đến sự tăng cường trong tán xạ Cường độ ánh sáng tới lớn hơn một ngưỡng... (FWM) Phương pháp này, như tên gọi gợi ý, sử dụng bốn sóng thường là 3 sóng tới và sóng thứ tư được tạo ra là liên hợp pha của một sóng trong chùm tia tói Khi sự tương tác xảy ra trong một môi trường hoạt chất Brillouin và tính phi tuyến sẽ liên kết các trường chính tạo ra sóng âm, quá trình này được gọi là : tăng cường trộn bốn sóng trong tán xạ Brillouin (BEFWM) 2.1 Cấu hình tương tác BEFWM Quá... không gian của các tán xạ bức xạ dẫn đến hiện tượng thú vị và quan trọng được gọi là liên hợp pha quang (học) hoặc còn gọi là đảo đầu sóng 1 4 h ► h Hình 1 6 Tán xạ ngược kích thích (6 = 18(f) là cơ chế chủ yếu đối vói SBS Trong hầu hết các trường hợp thí nghiệm [2], cường độ ban đầu của tán xạ Is (đầu vào) bắt nguồn từ sự tán xạ tự phát yếu Đối với kiểu tán xạ ngược (hình 1.6), sự tán xạ tự phát xảy... đại, thời gian sống của các dao động giữa tán xạ Raman và tán xạ Brillouin 1.1.4 Quá trình tán xạ cưỡng bức Tán xạ cưỡng bức ánh sáng [3] khác với tán xạ tự phát qua các yếu tố sau: •N ó được quan sát bởi ánh sáng có cường độ cao trên ngưỡng nhất định • Nó xảy ra với bức xạ đơn sắc có độ rộng phổ hẹp • Phổ tán xạ cho từng vạch riêng (phổ gián đoạn) Hiện tượng tán xạ ánh sáng có thể xảy ra do hiện tượng... gian tắt dần trong SBS dài nên cần có sự phân tích quá trình trong suốt trong lời giải của các phương trình Hiện tượng trong suốt nói trên không đề cập trong chế độ ổn định • Tán xạ SRS thẳng và tán xạ SRS ngược đều có thể xảy ra với độ khuếch đại cực đại và thường là theo hướng thuận Do điều kiện hợp pha trong SBS, 23 chỉ có tán xạ ngược xảy ra, không có sự tán xạ theo hướng thuận như có trong môi trường... xạ cưỡng bức thông thường hiệu quả hơn nhiều so với tán xạ tự phát Ví dụ, một phần 10"5 công suất chùm laser sẽ bị 12 tán xạ tự nhiên khi đi qua lcm nước, nhưng hầu như 100% công suất sẽ tán xạ trong quá trình cưỡng bức Tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS) và tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) rõ ràng là quá trình được tăng cường do sử dụng bức xạ mạnh Tán xạ cũng là một quá trình kết họp, phải thỏa mãn định... trưng của sóng siêu âm (vb = 1GHz) là h = VĨB = 1/Lim 1.1.3 Tán xạ Raman ánh sáng Tán xạ Brillouin là do một sự kích thích của các thành phần cấu tạo nên vật liệu (Ví dụ như sự lan truyền của sự thăng giáng mật độ môi trường do sóng âm gây ra) Các tần số âm trong một phổ liên tục tương tác mạnh nhất 10 với ánh sáng xảy ra trong sự bảo toàn đồng thời năng lượng và xung lượng Tuy nhiên, tán xạ Raman là ... động tán xạ Raman tán xạ Brilỉouin 12 Chữ viết tắt SBS STBS SRS BEFWM FWM Tán xạ Brillouin cưỡng Tán xạ Brillouin cưỡng nhiệt Tán xạ Raman cưỡng Tăng cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouin. .. Brillouin Trộn bốn sóng M Ở ĐẦU Tán xạ Brillouin nhà Vật lý Louis Brillouin phát năm 1922 Đó tượng tán xạ ánh sáng xảy ánh sáng tương tác với sóng âm môi trường vật chất như: rắn, lỏng, khí Tán xạ Brillouin. .. cường trộn bốn sóng tán xạ Brillouỉn” CHƯƠNG I TỎNG QUAN VÈ TÁN XẠ BRILLOUIN 1.1 Quá trình tán xạ tự phát tán xạ kích thích ánh sáng Khi có ánh sáng có sóng điện từ qua môi trường vật chất trình tán