Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu tương tác tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường phi tuyến chứa trong sợi tinh thể quang tử lõi rỗng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:118

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng được các mô hình lý thuyết cho các quá trình tương tác tán xạ Raman kết hợp trong môi trường phi tuyến chứa trong HC-PCF; nghiên cứu đặc trưngcủa tín hiệu phát như chuỗi soliton, tự tương tự, vai trò của trường kết hợp và ảnh hưởng của các tham số nguồn kích thích và áp suất khí chứa trong HC-PCF lên hiệu suất phát.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu tương tác tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường phi tuyến chứa trong sợi tinh thể quang tử lõi rỗng

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ THÁI DOÃN THANH NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC TÁN XẠ RAMAN CƯỠNG BỨC TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN CHỨA TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI RỖNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ THÁI DOÃN THANH NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC TÁN XẠ RAMAN CƯỠNG BỨC TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN CHỨA TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI RỖNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9.44.01.10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS. Nguyễn Mạnh Thắng 2. PGS.TS. Hồ Quang Quý HÀ NỘI LỜI CAM– ĐOAN 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Mạnh Thắng và PGS.TS. Hồ Quang Quý. Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Mạnh Thắng và PGS.TS. Hồ Quang Quý, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn, những người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, Viện Vật lý Kỹ thuật, Phòng Đào tạo, Tạp chí Nghiên cứu KH-CN quân sự thuộc Viện KH-CN quân sự và Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án cũng như đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................. ix MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TÁN XẠ RAMAN VÀ TƯƠNG TÁC RAMAN TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI RỖNG .............................. 9 1.1. Tán xạ Raman tự phát và tán xạ Raman cưỡng bức ....................... 9 1.1.1. Tán xạ Raman tự phát ................................................................... 9 1.1.2. Tán xạ Raman cưỡng bức và mối quan hệ với Raman tự phát .... 16 1.2. Phát, khuếch đại và laser Raman trong sợi quang ........................ 18 1.3. Sợi tinh thể quang tử lõi rỗng (HC-PCF) ...................................... 21 1.3.1. Cấu trúc của HC-PCF ................................................................. 21 1.3.2. Dẫn sóng dựa trên vùng cấm quang tử ........................................ 25 1.3.3. Mật độ trạng thái ........................................................................ 28 1.3.4. Ứng dụng của HC-PCF ............................................................... 30 1.4. Chế độ SRS kết hợp nhanh trong HC-PCF ................................... 32 1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................... 35 CHƯƠNG 2. TƯƠNG TÁC TÁN XẠ RAMAN CƯỠNG BỨC KẾT HỢP BƠM NGƯỢC TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN CHỨA TRONG HC-PCF ...................................................................... 36 2.1. Một số hiệu ứng nguyên lý trong tương tác Raman ...................... 36 2.2. Hệ phương trình liên kết tán xạ Raman cưỡng bức ...................... 39 2.2.1. Dao động kích thích vật liệu đồng bộ như các phô nôn quang học ........................................................................................................... 39 2.2.2. Sơ đồ hợp pha cho SRS .............................................................. 40 2.2.3. Phương trình truyền sóng............................................................ 41
iv 2.2.4. Hình thức luận Hamiltonian ........................................................ 44 2.2.5. Hình thức luận toán tử ma trận mật độ ........................................ 47 2.4. Mô hình BSRS kết hợp cho tính toán mô phỏng ........................... 63 2.5. Kết quả mô phỏng và bình luận ...................................................... 64 2.5.1. Mô phỏng số sự xuất hiện của chuỗi xung tín hiệu Stokes ......... 64 2.5.2. Mô phỏng dạng tiệm cận soliton của chuỗi xung Stokes ............ 66 2.5.3. Hiệu ứng tự tương tự trong chế độ tuyến tính và phi tuyến ......... 68 2.6. Kết luận chương 2 ........................................................................... 71 CHƯƠNG 3. ĐỘNG HỌC TƯƠNG TÁC TRONG CHẾ ĐỘ TÁN XẠ RAMAN KẾT HỢP NHANH BƠM THUẬN ................................ 72 3.1. FSRS kết hợp nhanh trong môi trường khí H2 chứa bởi HC- PCF ......................................................................................................... 72 3.1.1. Hệ phương trình liên kết FSRS ................................................... 73 3.1.2. Mô hình FSRS kết hợp cho tính toán mô phỏng ......................... 74 3.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận ...................................................... 75 3.2.1. Tiến triển của trường bơm, trường Stokes và trường kết hợp ..... 75 3.2.2. Tiến triển của trường kết hợp và mật độ nghịch đảo ................... 77 3.2.3. Quá trình trao đổi năng lượng giữa các trường ........................... 79 3.3. Kết luận chương 3 ........................................................................... 85 KẾT LUẬN ............................................................................................. 86 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....... 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................... 90
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Hằng số tán xạ Ap Giá trị biên độ trường bơm As Giá trị biên độ trường Stokes B Hằng số mở rộng của vạch phổ Raman c Vận tốc ánh sáng trong chân không D Hằng số tỉ lệ (hệ số tán xạ) En0 Năng lượng tổng của tần số bơm và Stokes Enp Năng lượng bơm dư Ens Năng lượng Stokes tạo thành Ep Cường độ điện trường bơm Es Cường độ điện trường Stokes Ep Véc tơ cường độ điện trường bơm g Hệ số khuếch đại Raman G Hệ số tán xạ Raman cưỡng bức I0 Cường độ ánh sáng kích thích Ip Cường độ của nguồn laser bơm Is Cường độ sóng Stokes k Số sóng kB Hằng hằng số Boltzmann m Khối lượng phân tử H2 m0 Khối lượng rút gọn của hạt nhân
vi mp Số phô tôn trung bình trong mốt laser ms Số phô tôn trung bình trong mốt Stokes Số phô tôn trong mode Stokes tại đầu vào của môi trường ms(0) Raman n Chiết suất N Mật độ số phân tử np Chiết suất của sóng bơm ns Chiết suất của sóng Stokes P Công suất bức xạ phát PL Công suất đỉnh của xung Ps Công suất tổng phát ra từ mô men lưỡng cực dao động Q  z, t  Hàm bao phức, phụ thuộc vào không – thời gian của chuyển động hạt nhân T Nhiệt độ Kelvin T1 Thời gian hồi phục của mật độ cư trú của các phân tử kích thích T2 Thời gian sống của sóng kết hợp V Thể tích môi trường tán xạ vp, vs Vận tốc nhóm của xung bơm và xung tín hiệu z Chiều dài tương tác hiệu dụng L Tần số sóng kích thích  Tiết diện tán xạ Raman  Mô men lưỡng cực điện cảm ứng  Bước sóng
vii  góc giữa mômen lưỡng cực cảm ứng của phân tử và hướng bức xạ bị tán xạ r Hằng số Planck rút gọn 0 Tần số góc ánh sáng chiếu vào 0 Độ điện thẩm của chân không  t  Độ phân cực Raman 0 Độ phân cực của phân tử khi không có trường ngoài kích thích q t  Tọa độ chuyển động hoặc độ lệch của hạt nhân so với vị trí cân bằng P t  Độ phân cực vĩ mô của môi trường tán xạ as Tần số ánh sáng tán xạ đối Stokes  Pha ngẫu nhiên của dao động của hạt nhân p Tần số ánh sáng kích thích hay tần số ánh sáng bơm s Tần số ánh sáng tán xạ Stokes Tần số dao động cưỡng bức của phân tử hoặc tần số kết hợp  nguyên tử do ánh sáng kích thích gây ra p Khoảng xung bơm 2 Là nghịch đảo thời gian hồi phục của kết hợp phân tử T2   -12 0 Độ từ thẩm của chân không  Hằng số truyền p Hằng số mất mát sóng bơm s Hằng số mất mát tín tín hiệu Stokes s s là bước sóng Stokes trong môi trường
viii  2,1 Cường độ liên kết Raman vp Tần số sóng bơm vr Tần số chuyển dịch Raman kích thích vs Tần số sóng Stokes Tán xạ Raman cưỡng bức ngược (Backward stimulated BSRS Raman scattering) DOS Mật độ trạng thái (Density of states) Tán xạ Raman cưỡng bức thuận (Forward stimulated Raman FSRS scattering) Sợi tinh thể quang tử lõi rỗng (Hollow-core photon crystal HC-PCF ﬁber) Sợi tinh thể quang tử lõi lỏng (Liquid crystal modified photon LC-PCF crystal fiber) Sợi dẫn sóng vùng cấm lõi rỗng (Photon bandgaphollow-core PGB-PCF fiber) PBG Vùng cấm quang tử (Photon bandgap) PCF Sợi tinh thể quang tử (Photon crystal ﬁber) SC-PCF Sợi tinh thể quang tử lõi đặc (Solid-core photon crystal ﬁber) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope) SRS Tán xạ Raman cưỡng bức (Stimulated Raman scattering) Sợi quang “chiết suất bậc” truyền thống hoạt động bằng cơ TIR chế phản xạ toàn phần bên trong sợi quang ( Total internal reflection)
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ năng lượng biểu diễn tán xạ Raman và Rayleigh (a) Tạo tần số Stokes, (b) Tán xạ đàn hồi Rayleigh, (c) Tán xạ đối Stokes [26] ........10 Hình 1.2. Tán xạ Raman quay và dao động một chiều của phân tử H2. Sóng bơm kích thích phân tử tạo ra sóng Stokes H2 [75] .......................................11 Hình 1.3. Sơ đồ hình học mô men lưỡng cực cảm ứng cho tán xạ Raman của một phân tử [26] ...................................................................................14 Hình 1.4. Mô hình phát sóng đối Stokes bậc cao sử dụng hai laser femto giây kích thích lên PbWO4 của Zhdanova [129] ..........................................18 Hình 1.5. Sơ đồ khuếch đại Raman bơm thuận (a), ngược (b) và lai (c) .......20 Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý laser Raman sợi quang [130] ..............................20 Hình 1.7. Một số HC-PCF sử dụng các cơ chế khác nhau: (a) Sử dụng cơ chế PBG ngoài lớp vỏ, (b) Cấu trúc Kagome, (c) Lõi rỗng siêu nhỏ, (d) Cách tử Bragg, và (e) Chíp ống dẫn sóng tích hợp [24] ................................22 Hình 1.8. HC-PCF với cấu trúc PBG của lớp vỏ [104] .................................24 Hình 1.9. a) Phản xạ Bragg ở lớp vỏ b) truyền ánh sáng trong lõi rỗng [104].............................................................................................................25 Hình 1.10. Sơ đồ truyền sóng trong sợi quang tử PCFs [104] ......................26 Hình 1.11. Cấu trúc lớp vỏ và DOS tương ứng với tỉ lệ đổ khí khác nhau: a) Cấu trúc mảng dạng tổ ong b) Biên DOS càng mở rộng khi d /  tăng [105].............................................................................................................28 Hình 1.12. a) Hình ảnh SEM mặt cắt sợi quang HC-PCF, b) Cửa sổ truyền ánh sáng của HC-PCF với độ rộng cỡ 150nm, mất mát cỡ 1,7dB/km [105] .....................................................................................................................29 Hình 1.13. Hình ảnh đo thực nghiệm sự tiến triển của chuỗi xung đồng bộ chuyển động với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong BSRS nhanh [92] ....34
x Hình 2.1. Sơ đồ hình học minh họa: a) FSRS trong đó hai xung bơm và xung Stokes cùng chiều trong môi trường hoạt chất Raman; b) BSRS với hai xung bơm và xung Stokes mầm truyền ngược chiều [66] .......................36 Hình 2.2. a) Nguyên lý khuếch đại Raman bơm thuận [2]; b) Nguyên lý nén xung trong tương tác Raman bơm ngược [1] ..........................................37 Hình 2.3. Sơ đồ hợp pha quang học cho SRS [92] ........................................41 Hình 2.4 . Sơ đồ mức năng lượng 2 mức cho SRS [27, 102] ........................51 Hình 2.5. Chế độ khuếch đại của tán xạ Raman ngược: a) Tuyến tính; b) Phi tuyến [1], [79] ........................................................................................60 Hình 2.6. Mật độ phô tôn chuẩn hóa IN thay đổi theo biến tự tương tự Z ......62 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý tối thiếu của BSRS .............................................63 Hình 2.8. Sự tiến triển của ba trường: Trường sóng bơm E p , trường Stokes Es và trường kết hợp Q [CT.1] .....................................................................65 Hình 2.9. Sự thay đổi của chuỗi xung Stokes mô phỏng với năng lượng bơm tăng dần [CT.1] ....................................................................................67 Hình 2.10. Sự dịch chuyển của chuỗi xung Stokes thu được bằng thực nghiệm với năng lượng bơm tăng dần [CT.1] ...............................................68 Hình 2.11. Xung Stokes phát triển không tuân theo qui tắc tự tương tự trong BSRS chế độ tuyến tính (dưới ngưỡng năng lượng bơm) với năng lượng bơm khác nhau [CT.2]........................................................................69 Hình 2.12. Chế độ BSRS nhanh thực hiện hoạt động tự tương tự của xung Stokes, cường độ Stokes được chuẩn hóa theo xung thứ 2, với năng lượng bơm khác nhau [CT.2]..................................................................................70 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cơ bản FSRS ......................................................74 Hình 3.2. Cấu hình thời gian của a) xung Stokes và b) xung bơm ban đầu [CT.3] ..........................................................................................................75
xi Hình 3.3. Sự tiến triển và tương tác của ba trường bơm dư (Ip)- Stokes (Is) - kết hợp (Ic) theo thời gian trong môi trường khí H2 tại các vị trí khác nhau dọc theo sợi quang HC-PCF. a) z = 0,5m, b) z = 1m, c) z = 2m, d) z = 2,5m, e) z = 3m, f) z = 4m. [CT.3] .........................................................................76 Hình 3.4. Sự tiến triển độ lớn của trường kết hợp (hình trên) và mật độ nghịch đảo (hình dưới) phân tử hoạt chất khí H2 theo không – thời gian [CT.3] ..........................................................................................................77 Hình 3.5. Sự biến đổi của cường độ chùm bơm và Stokes theo không gian – thời gian [CT.4] .........................................................................................78 Hình 3.6. Trao đổi năng lượng bơm và năng lượng tín hiệu Stokes, trong đó: En0 là năng lượng tổng của tần số bơm và Stokes, Enp là năng lượng bơm dư, Ens là năng lượng Stokes tạo thành; ES,max là năng lượng tần số sóng Stokes cực đại thu được tại chiều dài sợi quang Zmax [CT.4] ................79 Hình 3.7. Ảnh hưởng của độ rộng xung bơm tới sự trao đổi năng lượng xung bơm và tín hiệu Stokes dọc theo sợi quang HC-PCF [CT.4] ................81 Hình 3.8. Hiệu suất phát Stokes tại đầu ra của sợi HC-PCF phụ thuộc vào độ rộng xung bơm [CT.4] .............................................................................82 Hình 3.9. Ảnh hưởng của áp suất khí hoạt chất H2 tới sự trao đổi năng lượng xung bơm và tín hiệu Stokes dọc theo sợi quang HC-PCF [CT.4] ......83 Hình 3.10. Hiệu suất phát Stokes tại đầu ra của sợi HC-PCF thay đổi theo áp suất khí hoạt chất H2 [CT.4] ....................................................................84
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Vào năm 1923, A. Smekal đã dự đoán hiện tượng tán xạ Raman [13], [120] và sau đó 5 năm (1928) C.V. Raman đã quan sát bằng thực nghiệm [100]. Đây là tán xạ ánh sáng không đàn hồi và bức xạ mới thứ cấp có cường độ rất yếu, hiệu suất chuyển đổi tần số chỉ khoảng một phần triệu. Nếu tần số của ánh sáng tán xạ phát ra nhỏ hơn tần số ánh sáng tới thì được gọi là ánh sáng Stock hay tán xạ Stock; ngược lại nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn thì được gọi là tán xạ đối Stock. Hiệu ứng tán xạ Raman đã được ứng dụng vào quang phổ Raman trong y sinh, phát hiện các chất khí, lỏng dựa trên phổ phát xạ Raman của chúng [30], [48-49], [87], [124]. Hiệu suất tán xạ Raman là rất nhỏ khi sử dụng nguồn ánh sáng không kết hợp, bài toán nâng cao hiệu suất là thách thức lớn trong lĩnh vực quang phổ một thời gian rất dài. Bài toán được giải quyết khi laser ra đời vào những năm sáu mươi của thế kỷ 20 [121]. Laser là nguồn ánh sáng kết hợp, định hướng và có cường độ rất cao, do đó nó có thể tăng hiệu suất tán xạ Raman tự phát trong các môi trường khí, lỏng thông thường và hơn nữa kích thích tạo ra hiệu ứng phi tuyến quang học nói chung và tán xạ Raman cưỡng bức nói riêng trong môi trường có hệ số khuếch đại Raman [68], [75]. Trong quá trình tán xạ Raman tự phát phô tôn thứ cấp phát ra trong không gian 360 0 theo mô hình lưỡng cực điện cổ điển. Trong tán xạ Raman cưỡng bức có thể phát bằng cách sử dụng thấu kính hội tụ để tạo ra chiều dài tương tác cỡ vài mm (chiều dài Rayleigh), do đó hiệu suất có thể lên tới hàng triệu lần so với chế độ tự phát [29], [109]. Tán xạ Raman cưỡng bức được quan sát và được giải thích do sự kích thích kết hợp của các phô tôn quang [4], [55]. Đây là các kích thích vật liệu đồng bộ, cùng pha của phân tử của môi trường hoạt chất do sóng bơm gây ra, được giải thích như là các phô tôn quang học.
2 Tán xạ Raman cưỡng bức (SRS) có thể xảy ra trong các môi trường khác nhau như rắn, lỏng, khí, plasma, tuy nhiên hiệu suất phụ thuộc vào hệ số khuếch đại Raman, nồng độ, kích thước của vùng tương tác và cường độ của nguồn laser kích thích. Bức xạ Raman trong chế độ cưỡng bức sở hữu một số đặc tính nổi trội so với chế độ tự phát như: bức xạ được định hướng trong một hình nón hẹp theo phương của chùm kích thích; hiệu suất chuyển đổi tần số rất cao, độ rộng vạch phổ hẹp. Những đặc tính này làm cho SRS trở thành công cụ hữu ích với nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống như máy phân tích phổ phân giải cao; thiết bị quang phổ Raman từ xa [8-9], [87], [112]; bộ chuyển đổi tần quang học [61], [98], [103-104], [116], [129], nguồn laser điều hưởng tần số hay gọi là laser Raman [33], [73], [81], [86]; đặc biệt nó còn có thể tạo ra các soliton [3], [43], [46], [63], [72], [84], [92], [103]. Ngay từ ban đầu, laser Raman sử dụng môi trường dạng khối tinh thể cấy các tâm hoạt Raman và sử dụng buồng cộng hưởng ngoài [121]. Môi trường Raman dạng khối tinh thể có hệ số khuếch đại thấp nên sau đó đã được đưa vào trong buồng cộng hưởng của laser bơm (gọi là laser Raman trong buồng cộng hưởng) [111]. Bằng cách này, hiệu suất phát của laser được nhân lên chính bằng hiệu suất phát của laser bơm. Trong xu thế phát triển của thông tin quang, laser Raman được cải tiến sử dụng hoạt chất Raman dạng sợi, ví dụ như laser Raman sợi silicon [27]. Laser Raman sợi ra đời tăng khả năng kết nối với hệ thống sợi quang truyền tín hiệu và cung cấp thêm linh kiện khuếch đại tín hiệu trong tuyến. Tuy nhiên, hiệu suất phát của laser Raman sợi cũng có những hạn chế do hạn chế về nồng độ tâm hoạt cấy vào môi trường nền. Nhờ công nghệ quang sợi phát triển, sợi quang tử tinh thể lõi rỗng (HC- PCF) ra đời. HC-PCF có một số tính chất ưu việt: cho phép ánh sáng lan truyền không nhiễu xạ (độ dài Rayleigh về cơ bản là không bị giới hạn), mất mát cực thấp cỡ 1,2 dB/km, điều chỉnh được cửa sổ vùng cấm (giam cầm ánh sáng theo
3 hiệu ứng vùng cấm) [18], [105], [106] dựa trên thiết kế lớp vỏ sợi quang, cường độ ánh sáng cao được truyền dọc theo sợi quang, cấu hình ngang và độ chồng lấn giữa laser và phân tử khí tốt [19], [107]. Kết hợp giữa tính chất ưu việt của nó, HC-PCF được sử dụng để thiết kế sensor chất khí [49], [71], [93], [128], chất lỏng [74]. Đặc biệt laser Raman sử dụng các chất khí chứa trong HC-PCF đã được nghiên cứu và chế tạo [88], [117]. Hiệu suất của laser Raman sẽ được nâng lên cao hơn nhiều nhờ mất mát sợi quang thấp, chiều dài tương tác không bị giới hạn bởi nhiễu xạ, khí hoạt chất được giam chặt trong lõi sợi có bán kính chỉ vài µm, thay đổi áp suất khí,… Sử dụng HC-PCF có thể giảm đáng kể công suất ngưỡng phát SRS, nhờ đó có thể tránh được một số hiệu ứng như các Stokes bậc cao, đối Stokes, tự biến điệu, tự hội tụ…. không làm cho quá trình tán xạ Raman cưỡng bức trở nên phức tạp [21-22]. Điều này giúp hạ mức năng lượng ngưỡng tạo SRS tới hàng triệu lần so với trước đó, hiệu suất chuyển đổi tần số Stokes lên tới 92%, thực hiện được chế độ kết hợp nhanh (transient regime) ngay cả với các xung bơm siêu dài (~hàng trăm ns) thay vì ps như trước đó [20], [23], [38]. Những tính chất vượt trội trên cho phép chúng ta khám phá những quá trình tương tác quang học phi tuyến phức tạp trong chế độ kết hợp nhanh như tương tác soliton [3], [6], tự dịch tần Raman [84], phát dải cực tím xa (UV) dựa vào hiệu ứng trộn sóng [53], phát soliton [63], [95], [118], [122], phân hoạch soliton và sinh sóng tán sắc [15], hiện tượng khóa mode phát chuỗi tần số Raman phân bố kiểu răng lược (comb) [5], [86], [119], quan sát trực tiếp hiện tượng tự tương tự [91], phát phổ đám [64] hay chirp tần số Raman [76] mà khó có thể tiếp cận trong môi trường khí chứa trong buồng thông dụng [19], [37] và sử dụng laser công suất thấp [22-23]. Các hiện tượng trên phát hiện được là nhờ tính chất ưu việt của sợi quang HC-PCF, tối ưu hóa khí hoạt chất Raman phi tuyến [32], [36- 37], [106]. Khi thay đổi áp suất của khí trong lõi HC-PCF thí nghiệm đã phát
4 hiện ảnh hưởng của nó lên chất lượng của dòng khí [80] và độ mở rộng phổ Raman [92], [115]. Cho đến nay, những phát hiện về sự suất hiện của soliton trong tán xạ Raman cưỡng bức ngược (BSRS) kết hợp nhanh mới chỉ dừng lại ở dạng xung soliton đơn [3], [43], [72], [98]. Trong đó tác giả Abdolvand A. và cộng sự [3] dự đoán có thể hình thành chuỗi xung soliton gây ra bởi khả năng khuếch đại ngược và duy trì khả năng nhớ trường kết hợp trong chế độ tán BSRS kết hợp nhanh trong môi trường mất mát thấp như HC-PCF [92]. Tuy nhiên việc giải thích bằng lý thuyết vẫn là câu hỏi chưa có lời giải đáp. Ngoài ra hiệu ứng tự tương tự phổ quát đã được chứng minh trong tán xạ Raman cưỡng bức thuận (FSRS) kết hợp nhanh [52], [82], [91], tuy nhiên hiện tượng này vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể trong tương tác BSRS kết hợp nhanh. Tương tự, các kết quả nghiên cứu lý thuyết trong một số công trình trước đây chưa tập trung khảo sát chi tiết quá trình FSRS kết hợp nhanh trong HC- PCF môi trường khí hoạt chất Raman như ảnh hưởng của trường kết hợp, mật độ nghịch đảo phân tử khí, chiều dài sợi quang, áp suất khí tới quá trình, hiệu suất phát tần số Stokes [42], [63], [65], [91], [120]. Các nghiên này chưa phân tích sự khác biệt giữa tương tác thuận và tương tác ngược, ảnh hưởng của các tham số cấu trúc sợi HC-PCF, đặc biệt là áp suất khí chứa trong nó. Hơn nữa, quá trình tán xạ Raman cưỡng bức thuận kết hợp nhanh là quá trình song hành cùng tán xạ thuận vẫn còn nhiều điều chưa được khám phá, như khả năng duy trì kết hợp của trường bơm sau khi tương tác với trường tín hiệu Stokes [3], nó cũng là chìa khóa trong việc tạo xung cực ngắn từ dải tần số xếp răng lược (comb) cũng như các ứng dụng trong quang phổ hiện đại [5], [89]. Rõ ràng cho đến lúc này hiện tượng phát chuỗi soliton, hay tự tương tự trong chế độ tương tác Raman kết hợp ngược vẫn còn chưa giải thích một cách tường minh bằng lý thuyết. Đồng thời vai trò của trường kết hợp hay tiến triển
5 của trường kết hợp, nghịch đảo mật độ phân tử dọc theo chiều dài sợi quang trong tương tác Raman cưỡng bức thuận kết hợp nhanh vẫn còn bỏ ngỏ, đây là vấn đề cần quan tâm khi mà khí chứa trong lõi HC-PCF được thay đổi. Để làm rõ thêm bản chất tán xạ Raman trong HC-PCF chứa môi trường phi tuyến nói chung, môi trường khí nói riêng, chúng tôi đã tiếp tục sử dụng hệ phương trình tương tác Raman để nghiên cứu quá trình SRS kết hợp nhanh trong cả hai cấu hình là tán xạ Raman cưỡng bức ngược và tán xạ Raman cưỡng bức thuận trong môi trường phi tuyến. Khảo sát bằng số hiện tượng phát chuỗi xung soliton thời gian và hiệu ứng tự tương tự cho trong trường hợp khí hydro trong chế độ tương tác ngược; khảo sát và đánh giá vai trò của trường kết hợp cũng như ảnh hưởng của các thông số nguồn kích thích và áp suất khí chứa trong HC-PCF lên tín hiệu phát trong chế độ tương tác thuận. Do đó đề tài “Nghiên cứu tương tác tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường phi tuyến chứa trong sợi tinh thể quang tử lõi rỗng” sẽ góp phần hoàn thiện về lý thuyết, bổ sung định hướng cho thực nghiệm nghiên cứu tương tác tán xạ Raman cưỡng bức trong môi trường phi tuyến, đặc biệt khi môi trường chứa trong sợi quang tử lõi rỗng. Qua đó, có thể khẳng định tính khoa học, tính thực tiễn và cấp thiết của luận án. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được các mô hình lý thuyết cho các quá trình tương tác tán xạ Raman kết hợp trong môi trường phi tuyến chứa trong HC-PCF; nghiên cứu đặc trưng của tín hiệu phát như chuỗi soliton, tự tương tự, vai trò của trường kết hợp và ảnh hưởng của các tham số nguồn kích thích và áp suất khí chứa trong HC-PCF lên hiệu suất phát. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên các chế độ tương tác Raman nhanh.
6 - Nghiên cứu, phân tích quá trình tạo soliton và hiện tượng tự tương tự trong tán xạ Raman cưỡng bức nhanh xẩy ra trong môi trường phi tuyến chứa trong HC-PCF. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Nghiên cứu hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức xảy ra trong môi trường phi tuyến chứa trong HC-PCF. - Phạm vi: Khảo sát sự phụ thuộc của dạng, cường độ bức xạ Raman vào các tham số đầu vào như tham số nguồn bơm, môi trường, áp suất khí chứa trong HC-PCF. 5. Phương pháp nghiên cứu - Sử du ̣ng phương pháp lý thuyế t: bao gồ m hình thức luận ma trận mâ ̣t đô ̣ và các gầ n đúng lưỡng cực điê ̣n, gần đúng sóng quay và gần đúng hàm bao biến thiên chậm; - Sử du ̣ng phương pháp số để giải hệ phương trình tương tác tán xạ Raman kết hợp trong môi trường khí và mô phỏng các kết quả nghiên cứu thông qua các đồ thi,̣ như: phát tần số Stokes, quá trình hình thành chuỗi soliton quang, tự tương tự; khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên quá trình trao đổi năng lượng và hiệu suất tương tác Raman trong môi trường phi tuyến chứa trong HC-PCF. - Phân tích, bình luận và so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm chứng kết quả khảo sát lý thuyết. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Đã khảo sát quá trình tán xạ Raman kết hợp ngược và thuận trong HC-PCF, từ đó chỉ ra sự hình thành chuỗi xung soliton thời gian và hiện tượng tự tương tự trong cả hai quá trình, góp phần hoàn thiện lý thuyết về tán xạ Raman trong sợi quang.
7 - Ý nghĩa thực tiễn: Đã giải thích rõ sự xuất hiện trường kết hợp trong tương tác Raman trong môi trường phi tuyến; Đưa ra một số bình luận về tham số tối ưu cho quá trình tương tác Raman bơm thuận gợi ý cho thực nghiệm. 7. Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, nội dung luận án được bố cục theo ba chương như sau: Chương 1: Tán xạ Raman và tương tác Raman trong HC-PCF Chương này trình bày về hiện tượng tán xạ Raman trong môi trường; quan hệ giữa tán xạ tự phát và cưỡng bức từ đó thấy rằng quá trình cưỡng bức là phi tuyến phụ thuộc mạnh vào độ dài tương tác; từ đó dẫn ra một số ứng dụng của tán xạ Raman cưỡng bức, đặc biệt trong thông tin quang sợi. Cấu trúc và một số tính chất đặc biệt của HC-PCF cũng đã được trình bày với mục đích chỉ ra vai trò của chúng khi được sử dụng chứa môi trường phi tuyến trong nghiên cứu quang học nói chung và tương tác Raman nói riêng, đặc biệt là chế độ SRS kết hợp nhanh (transient regime). Cuối cùng là tổng quan về phát soliton, hiệu ứng tự tương tự, ảnh hưởng của tham số như độ dài sợi quang, áp suất,… trong quá trình tương tác Raman kết hợp nhanh xảy ra trong môi trường phi tuyến chứa trong lõi HC-PCF, từ đó rút ra một số vấn đề cần làm sáng tỏ thêm bằng lý thuyết. Chương 2: Tương tác tán xạ Raman cưỡng bức kết hợp ngược trong môi trường khí H2 chứa bởi HC-PCF Chương này trình bày hệ phương trình liên kết mô tả quá trình tán xạ Raman cưỡng bức kết hợp, bao gồm cả tán xạ Raman cưỡng bức bơm ngược (BSRS) và bơm thuận FSRS. Phát triển mô hình lời giải tiệm cận gần đúng cho BSRS kết hợp nhanh trong môi trường phi tuyến H2 để giải thích cho sự xuất hiện chuỗi soliton từ một xung “đơn” tín hiệu ban đầu và hiệu ứng tự tương tự đã được quan sát bằng thực nghiệm.