5 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN THỊ CAO Đề tài luận văn: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG XUNG BƠM VÀ MẤT MÁT LÊN CÔNG SUẤT CỦA LASER ĐỐI STOKES LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC VINH, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN THỊ CAO Đề tài luận văn: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG XUNG BƠM VÀ MẤT MÁT LÊN CÔNG SUẤT CỦA LASER ĐỐI STOKES Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 60.44.01.09 Người hướng dẫn: TS Chu Văn Lanh VINH, 2012 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Trường Đại học Vinh – Khoa Vật Lý- Đào tạo sau Đại học, người trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức bổ ích cho em Đặc biệt em cám ơn Thầy Tiến sĩ Chu Văn Lanh người trực tiếp hướng dẫn góp ý cho đề tài Cảm ơn Thầy tận tình, quan tâm, giúp đỡ em, giải đáp thắc mắc trình làm báo cáo luận văn Nhờ đó, giúp em hồn thành luận văn tốt nghiệp Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cácThầy : - Thầy PGS Tiến sĩ Hồ Quang Quý, Thầy tận tụy giúp đỡ tất học viên có lời bảo bổ ích Thầy gương sáng cho em học tập phấn đấu noi theo - Thầy chủ nhiệm lớp Quang học Tiến sĩ Nguyễn Huy Bằng, dù Thầy bận rộn công việc dành thời gian dẫn, tạo điều kiện tốt cho học viên hoàn thành luận văn Tuy nhiên trình làm báo cáo luận văn, khơng tránh khỏi sai sót, kính mong Thầy Cơ góp ý, bảo để em chỉnh sửa hoàn thiện đề tài tốt Kính chúc q Thầy, Cơ bạn đồng nghiệp dồi sức khỏe, thành công công việc có nhiều niềm vui sống Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Trần Thị Cao MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn .2 Mục lục MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương Tổng quan tán xạ Raman 1.1 Tán xạ Raman 1.2 Cường độ thành phần tán xạ 11 1.3 Cường độ tán xạ Raman 15 1.4 Tán xạ Raman cưỡng .18 1.5 Giới hạn tán xạ Raman tự phát¸ tán xạ Raman cưỡng .20 1.6 Tán xạ Raman cưỡng mô tả qua độ phân cực phi tuyến 23 1.7 Cường độ tán xạ Raman cưỡng khơng gian ba chiều 33 1.7.1 Phương trình Maxwell - Block ba chiều .33 1.7.2 Lời giải cận trục phương trình Maxwell – Block 35 1.7.3 Lời giải không cận trục phương trình Maxwell-Block 37 1.7.4 Cường độ sóng Stokes tổng quát ba chiều 38 1.7.5 Cường độ Stokes trường hợp giới hạn thời gian ngắn 39 1.7.6 Cường độ Stokes thời gian ổn định 39 1.7.7 Trường hợp tổng quát 40 1.8 Kết luận chương .40 Chương Khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes 2.1 Hệ phương trình tốc độ cho cơng suất trường buồng cộng hưởng 42 2.2 Biểu thức tỉ số công suất Stokes đối Stokes chế độ ổn định 46 2.3 Ảnh hưởng tỉ số mát buồng cộng hưởng .47 2.4 Ảnh hưởng độ lệch pha 49 2.5 Hệ phương trình tốc độ khơng thứ ngun chế độ khơng ổn định50 2.6 Q trình hình thành xung buồng cộng hưởng 51 2.7 Ảnh hưởng lượng xung bơm 53 2.8 Ảnh hưởng mát .55 2.9 Kết luận chương 56 Kết luận chung 58 Tài liệu tham khảo .60 10 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bức xạ laser nguồn sáng kết hợp với nhiều tính chất ưu việt như: tính định hướng, mật độ công suất cao đơn sắc Những tính chất ưu việt đó mở ứng dụng rộng lớn khoa học, công nghệ đời sống hàng ngày Hiệu ứng dụng cao nhu cầu nâng cao phẩm chất chùm tia laser lớn Một nhu cầu mở rộng vùng phổ phát xạ thay đổi bước sóng phát xạ laser Nhiều laser có bước sóng thay đổi nghiên cứu, thiết kế chế tạo dựa sở phổ phát xạ băng rộng phân tử hoạt chất hiệu ứng quang phi tuyến Các laser đưa vào sử dụng khoa học, kĩ thuật đời sống Dựa hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tạo laser Raman Laser Raman có ưu điểm bật so với laser thông thường sử dụng nhiều loại vật liệu làm môi trường khuếch đại phát bước sóng thay đổi vùng hồng ngoại gần Đồng thời laser Raman có nhiều ứng dụng khoa học - công nghệ đời sống Trong năm gần đây, số kết nghiên cứu lý thuyết laser Raman cơng bố Tuy nhiên kết tập trung chủ yếu cho laser phát liên tục, cơng suất thấp Trong nhiều ứng dụng đời sống cần đến laser Raman có sơng suất cao phát xung, đặc biệt laser Raman phát bước sóng khơng ảnh hưởng đến mắt ứng dụng quân Những nghiên cứu lý thuyết cho laser loại quan trọng, song c bỏ ngỏ Chính chọn 11 đề tài nghiên cứu: “ Khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên cơng suất Laser đối Stokes” Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn là: 1) Nghiên cứu trình tán xạ Raman cưỡng 2) Nghiên cứu sở lý thuyết laser Raman Stokes 3) Khảo sát trình hình thành xung buồng cộng hưởng 4) Ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes Nhiệm vụ nghiên cứu Để thực mục đích trên, nhiệm vụ luận văn là: 1) Khảo sát trình tán xạ Raman cưỡng khơng gian ba chiều 2) Từ hệ phương trình tốc độ L.S Meng phát triển thành hệ phương trình tốc độ khơng thứ ngun biểu diễn lượng độ rộng xung bơm dạng Gauss Bằng cách áp dụng thông số thực nghiệm, nghiên cứu ảnh hưởng thông số lên q trình hình thành xung sóng buồng cộng hưởng, lên công suất đỉnh xung số hiệu ứng phi tuyến liên quan ảnh hưởng lên q trình hoạt động Từ rút điều kiện tối ưu cho công suất đỉnh xung laser Raman phát sóng đối Stokes Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận văn tán xạ Raman cưỡng 12 Phạm vi nghiên cứu luận văn Laser Raman phát sóng đối Stokes khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết xuất phát từ nguyên lý hoạt động laser, tượng tán xạ Raman cưỡng q trình tương tác phi tuyến bốn sóng Sử dụng lý thuyết bán cổ điển, phương pháp gần sóng quay, gần đường bao biến đổi chậm, Ý nghĩa lý luận thực tiễn đề tài Đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes” đóng góp vào: Hồn thiện lý thuyết Laser Raman; Giải thích chế hoạt động Laser Raman phát sóng đối Stokes; Khẳng định xuất q trình tương tác bốn sóng buồng cộng hưởng bội ba laser Raman phát hai sóng; Đưa định hướng cho thực nghiệm chế tạo Laser Raman bơm xung ngắn; Hệ thống hoá bổ sung thêm kiến thức tán xạ cưỡng bức, lý thuyết Laser tương tác phi tuyến bốn sóng, 13 Chương TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN Trong chương nghiên cứu tổng quan tán xạ Raman sở quan trọng để chế tạo laser đối stokes Qua chúng tơi dẫn công thức xác định biên độ trường Stokes trường đối Stokes tán xạ Raman cưỡng Sau chúng tơi xác lập cường độ Raman khơng gian ba chiều Đây sở để dẫn hệ phương trình tốc độ cho biên độ trường, hệ phương trình tốc độ cho cơng suất buồng cộng hưởng laser đối Stokes Từ giúp ta nghiên cứu ảnh hưởng tham số đặc trưng buồng cộng hưởng lên chế phát laser đối Stokes 1.1 Tán xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman nhà bác học Raman phát vào năm 1928 Khi hội tụ chùm sáng vào môi trường vật chất (chất lỏng) ông phát rằng, chùm sáng thứ cấp sau qua môi trường, ngồi thành phần có tần số tần số ánh sáng vào cịn có hai thành phần có tần số lớn nhỏ (hình 1.1) [1], [2], [3] 14 Ánh sáng bơm tần số Môi trường tán xạ Raman Ánh sáng tán xạ tần số S , A Hình 1.1- Hiện tượng tán xạ Raman Hiệu tần số thành phần tần số dịch chuyển mức lượng dao động quay phân tử môi trường Như chiếu chùm ánh sáng có tần số 0 vào môi trường gồm phân tử xảy trình tán xạ sau đây: Tán xạ Rayleigh tự phát, tán xạ ánh sáng thứ cấp, tần số xạ tần số nguồn sáng chiếu vào 0; Tán xạ Raman tự phát: kết tương tác ánh sáng tới với kiểu dao động quay phân tử môi trường Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần: Stokes đối Stokes Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ tần số ánh sáng tới (dịch phía phổ màu đỏ-red shift) S = 0 -d, thành phần đối Stokes có tần số lớn tần số ánh sáng tới (dịch phía phổ màu lụcblue shift) A = 0 + d ... cứu luận văn Laser Raman phát sóng đối Stokes khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý. ..6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN THỊ CAO Đề tài luận văn: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG XUNG BƠM VÀ MẤT MÁT LÊN CÔNG SUẤT CỦA LASER ĐỐI STOKES Chuyên ngành: QUANG... Chương Khảo sát ảnh hưởng lượng xung bơm mát lên công suất Laser đối Stokes 2.1 Hệ phương trình tốc độ cho cơng suất trường buồng cộng hưởng 42 2.2 Biểu thức tỉ số công suất Stokes đối Stokes