Đại học Khoa học tự nhiên Hà nội, ngày 09 tháng 08 năm 2017
Lễ bảo vệ luận văn Thạc sĩ khoa học

PHÁT XUNG QUANG HỌC
ĐA SẮC BẰNG PHƢƠNG PHÁP
RAMAN-TRỘN BỐN SÓNG
ĐỀ TÀI:

Phan Đình Thắng
Chuyên ngành: Quang học, khoa Vật lý, trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN
Cán bộ hướng dẫn: TS. Hoàng Chí Hiếu – Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH QGHN
TS. Nguyễn Mạnh Thắng – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

1


CỞ SỞ LÝ THUYẾT

PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN
SÓNG PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC

SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN
2


I. CỞ SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình trộn bốn sóng (FWM)

1

2

4

Môi trường
phi tuyến

3

4  1  2  3

25000
22500

Quá trình Raman-trộn bốn sóng (FWRM)

20000

S

17500
P

15000

I (a.u.)

1  2  

12500

10000

Tần số dao động của phân tử môi
trƣờng phi tuyến

ν01

=

Xung đối Stoke

Xung bơm

Xung Stoke

1 2
Xung bơm

Năng lƣợng

Trạng thái
năng lƣợng ảo



7500
as1

5000
2500

0
200

s1

as2
300

400

500

600

700

800

 (nm)

Tần số vạch đối Stoke (as) bậc nhất

as  1  1  2

Tần số vạch Stoke (s) bậc nhất

s  2  2 1

3



I. CỞ SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình Raman-trộn bốn sóng (FWRM)
k's

k'as

kas

ks
kp

kp

Δk

Giản đồ vec tơ sóng quá trình Raman – trộn bốn sóng

Điều kiện phù hợp pha

 k  2k p  k s  k as  0
Xung đối Stoke bậc nhất

(3)

(2)

kas2

kas1  2k p  ks


kas1

kas1

(1)
kp

kp

kas2

kp
kas2

kp

Xung đối Stoke bậc m

kas3

kas1
ks

kasm  (m  1)k p  mks
Hiệu suất phát vạch đối Stoke

kas3

ks


ks
(a)

(b)

ks

ks1
ks2

4


II. PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG
PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC
Tinh thể: PbWO4, LiNbO3, diamond, KNbO3, TiO2, BBO, Fused silica, CaF2 …
FWM sử dụng CaF2

laser Ti:sapphire (800 nm, 50 fs, 1 kHz)

Hiệu suất ∼3.8%. λ0 = 257 nm – 277 nm,
FWHM = 16.8 nm

400 nm

800 nm

Xung cơ bản


FWM thác đổ sử dụng tinh thể BBO
CaF2

267 nm, 20 fs

FWM thác đổ sử dụng tấm Fused silica

6


II. PHƢƠNG PHÁP RAMAN – TRỘN BỐN SÓNG
PHÁT XUNG QUANG HỌC ĐA SẮC
Môi trƣờng khí
800 nm

FWM, FWDM
Khí hiếm: Ar, Kr…

267 nm

160 nm

+ Ít bị tán sắc hơn môi trường chất rắn
+ Xung đối Stoke có băng thông rộng hơn(tử ngoại sâu tới vùng khả kiến)

Phân tử

H2

Li2


N2

O2

I2

HCl

CO

NO

D2

Hằng số dao động
phân tử [cm-1]

4155

351

2358

1580

214

2990


2170

1904

3115

Các xung đối Stoke phát ra từ quá trình Raman – trộn bốn sóng sử dụng xung
bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm trong khí hydro

7


III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM
1. Thí nghiệm với hai xung bơm và xung Stoke trong vùng hồng ngoại gần

Ti:sapphire laser , 800 nm,
3.5 W, 35 fs, 1 kHz

Xung bơm: λbơm = 800 nm, 285 µJ, 35 fs, 1
kHz.

M

DL1
M

OperAsolo

Thí nghiệm 1: ống khí chứa khí hydro,
CM: f =750 mm.


λ/2

1200 nm

Xung Stoke: λStoke = 1200 nm, 205 µJ, 50
fs, 1 kHz

M

DM

M

M
M

M

800 nm
M

M

M

Thí nghiệm 2: sợi quang rỗng chứa
khí hydro, l =220 mm, a =140 µm,

Spectrometer


Tấm khuếch tán

DL2

M

ống khí, sợi quang rỗng

CM

M

M

8


III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM
2. Thí nghiệm với ba xung bơm
Ti:sapphire laser, 800
nm, 3.5 W, 35 fs, 1 kHz

Xung bơm: λbơm = 800 nm, 285 µJ,
35 fs, 1 kHz.

M
BBO
BBO
DL3


λ/2

M
M

λ/2

M
SFGC
M

Buồng chân không

OperAsolo

M

M

Xung dò: λdò = 200 nm, 10 µJ,
46 fs, 1 kHz

M

DL1
M
1200 nm

Xung Stoke: λStoke = 1200 nm,

60 µJ, 50 fs, 1 kHz

M

DM1 M

M
M

M 800 nm

200 nm

M

DL2

Sợi quang rỗng

M

M

M

DM2
M

DL4


M

M

Spectrometer

Tấm khuếch tán

9


III.SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM
3. Thí nghiệm với hai xung bơm và xung Stoke trong vùng tử ngoại
M

M

480 nm

M

Topas Prime

NirUvis

M
M

M
BBO


M

M
BS

DM
DL

M

Solstice laser,
800 nm, 5,6
mJ, 35 fs, 1
kHz

spectrometer

M

400 nm

CM

Sợi quang rỗng

Tấm khuếch tán

Xung bơm: λbơm = 400 nm, 215 µJ, 46 fs, 1kHz
Xung Stoke: λStoke = 480 nm, 160 µJ, 50 fs, 1kHz

Gương cầu phản xạ CM: f = 1000 mm, sợi quang rỗng l = 250 mm, a = 140 µm

10


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất môi trƣờng
Raman – Trộn bốn sóng trong ống khí hydro kín
1.0

3

A

B
0.08

4
0.8

0.6

I (a.u.)

I (a.u.)

0.06

0.4




5

0.2
8
0.0
200

0.04

300

7

0.02

6

400






500

600


 (nm)

700

800

900

0.00
200

220

240

260

280

300

320

 (nm)

Phổ phát xạ các xung Raman đối Stoke trong quá trình FWRM, (A) Quan sát bằng quang
phổ hồng ngoại Ocean optics USB 2000 pro, (B) Quan sát trong dải từ 200 – 325 nm. Hai
xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm, hội tụ vào ống GC chứa khí hydro ở áp suất
11
1.95 atm, gương cầu phản xạ có tiêu cự f = 750 mm.



IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất môi trƣờng
Raman – Trộn bốn sóng trong ống khí hydro kín

70000
60000

I (a.u.)

50000

1.1

A

B

P2
AS1
AS2
AS3
AS4
AS5
AS6
AS7
AS8

1.0


2 atm
1.5 atm
1 atm
0.5 atm
0.1 atm
0.04 atm

0.9
0.8
0.7

I (a.u.) norm

80000

40000
30000

0.6
0.5
0.4
0.3

20000

0.2

10000
0

200

0.1

300

400

500

600

nm

700

800

900

0.0
0.00

0.25

0.50

0.75

1.00


1.25

1.50

1.75

2.00

P (atm)

(A) Phổ phát xạ các xung Raman đối Stoke ở các áp suất khác nhau, (B)
Cường độ xung bơm 800 nm và các xung đối Stoke phụ thuộc vào áp suất

12


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Hiệu suất phát Raman – Trộn bốn sóng phụ thuộc vào áp suất môi trƣờng
Raman – Trộn bốn sóng trong ống khí hydro kín
0.30

0.25



0.20

AS1
AS2

AS3
AS4
AS5
AS6
AS7
AS8

26.2 %

Xung bơm

Năng lượng

Công suất

1200 nm

208.7 µJ

208.7 mW

800 nm

250 µJ

250 mW

0.15

0.10


0.05

0.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
P (atm)

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ xung bơm sang các
xung Raman đối Stoke phụ thuộc theo áp suất

Xung đối Stoke

Năng lượng [µJ]

AS1

61.6

AS2

16.7

AS3

5.2

AS4

1.9


AS5

0.65

AS6

0.2

AS7

0.09

13


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Raman – Trộn bốn sóng trong sợi quang rỗng chứa khí hydro
2 atm
1.5 atm
1 atm
0.5 atm
0.05 atm

60000
50000

80000
70000
60000
50000

I (a.u.)

I (a.u.)

40000

P2
AS1
AS2
AS3
AS4
AS5

30000

40000
30000

20000
20000

10000

200

10000

400

600

nm

Phổ phát Raman – trộn bốn
sóng phụ thuộc theo áp suất

800

0
0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

P (atm)

Cường độ các xung đối Stoke và
xung bơm theo áp suất

14


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Raman – Trộn bốn sóng trong sợi quang rỗng chứa khí hydro

Xung bơm

Trước sợi quang rỗng

Sau sợi quang rỗng

Hiệu xuất kết nối

1200 nm

107 mW

31 mW

28.9 %

800 nm

117 mW

42 mW

35.9 %

30

25

AS1
AS2

AS3
AS4

27.275 %

n (%)

20

15

10

9.178 %

5
1.459 %

0
0.0

0.5

1.0

1.5

Xung

Năng lượng [µJ]


Xung bơm 800 nm

42

AS1

11.45

AS2

3.86

AS3

0.73

AS4

0.15

2.0

P (atm)

Hiệu suất phát của các xung đối
Stoke phụ thuộc vào áp suất

15



IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Cường độ (a.u.)

Raman – Trộn bốn sóng trong sợi quang rỗng chứa khí hydro sử
dụng ba xung 800 nm, 1200 nm và xung dò 200 nm.

Bước sóng (nm)

Phổ xung đối Stoke: đường màu đỏ quá trình
FWRM sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke
1200 nm và xung dò 200 nm với áp suất 1.1
atm, đường màu xanh là quá trình FWRM sử
dụng xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200
nm với cùng áp suât

Cường độ xung đối Stoke bậc nhất ở
bước sóng 187 nm phụ thuộc vào áp
suất khí hydro trong sợi rỗng.

16


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Raman – Trộn bốn sóng trong sợi quang rỗng chứa khí hydro sử
dụng ba xung 800 nm, 1200 nm và xung dò 200 nm.

800


600

480

400

343

300

267

243

219

200

187

nm

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng: 17 % ở 1.5 atm

17


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2. Tác động của tự điều biến pha (SPM) và điều biến pha chéo (XPM) tới quá trình FWRM


22500
2 atm
1.75 atm
1.5 atm
1.25 atm
1 atm
0.75 atm
0.5 atm
0.25 atm
0.04 atm

17500

I (a.u.)

15000
12500
10000

8000

6000
I (a.u.)

20000

2 atm
1.75 atm
1.5 atm
1.25 atm

1 atm
0.75 atm
0.5 atm
0.25 atm
0.04 atm

4000

7500
5000

2000

2500
0
560

580

600
 (nm)

620

640

0
450

460


470

480

490

500

510

520

 (nm)

Sự mở rộng phổ của hai xung đối Stoke bậc nhất và bậc hai theo áp suất khí hydro trong
ống khí
19


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2. Tác động của tự điều biến pha (SPM) và điều biến pha chéo (XPM) tới quá trình FWRM
Hiệu ứng SPM của các xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến
35000
30000

at 2 atm, FWHM = 110 nm
at 1.5 atm, FWHM = 102 nm
at 1.0 atm, FWHM = 86 nm
at 0.5 atm, FWHM = 53 nm

at 0.07 atm, FWHM = 24 nm

100

80

FWHM (nm)

I (a.u.)

25000
20000
15000

60

40

10000
20

5000
0
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
 (nm)

0
0.0

0.5


1.0

1.5

2.0

P (atm)

Sự mở rộng phổ của xung bơm 400 nm do hiệu ứng SPM phụ thuộc vào áp suất môi
trường khí hydro

20


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2. Tác động của tự điều biến pha (SPM) và điều biến pha chéo (XPM) tới quá trình FWRM
Hiệu ứng SPM của các xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến
40000

at 2.0 atm
at 1.5 atm
at 1.0 atm
at 0.5 atm
at 0.1 atm

35000

100


80

30000

FWHM (nm)

I (a.u.)

25000
20000
15000

60

40

10000

20
5000

0

0
350

400

450


500

550

(nm)

600

650

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
P (atm)

Sự mở rộng phổ của xung Stoke 480 nm do hiệu ứng SPM phụ thuộc vào áp suất
môi trường khí hydro

21


IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2. Tác động của tự điều biến pha (SPM) và điều biến pha chéo (XPM) tới quá trình FWRM

Hiệu ứng SPM và XPM của các xung bơm truyền qua môi trƣờng phi tuyến
1.2
1.1

SPM and XPM of 400 nm and 480 nm at 1.0 atm
only SPM of 400 nm and 480 nm at 1 atm
SPM and XPM of 400 nm and 480 nm at 2.0 atm


1.0
0.9

Sự mở rộng phổ quá trình FWRM ,
xung bơm 400 nm và xung Stoke
480 nm.

I (a.u.)

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
200

300

400

500

600

 (nm)


700

800

900

22


V. KẾT LUẬN
1. Phát đƣợc các xung laser đa sắc trong dải bƣớc sóng từ tử ngoại
sâu tới vùng khả kiến bằng phƣơng pháp Raman – trộn bốn sóng
sử dụng cặp xung bơm 800 nm và xung Stoke 1200 nm đƣợc hội
tụ trong ống khí và sợi quang rỗng chứa khí hydro.
2. Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng xung đối Stoke bậc nhất trong
trƣờng hợp ống khí chứa hydro đạt cao nhất 26.2 % ở áp suất 1.85
atm, trong trƣờng hợp sợi quang rỗng chứa hydro cao hơn với
27.27 % ở áp suất 1.5 atm.
3. Phát xung laser đa sắc trong vùng tử ngoại chân không bằng
phƣơng pháp Raman – trộn bốn sóng trong môi trƣờng khí hydro
sử dụng xung bơm 800 nm, xung Stoke 1200 nm và xung dò 200
nm. Xung đối Stoke bậc nhất phát ở bƣớc sóng 187 nm với hiệu
suất chuyển đổi năng lƣợng khoảng 17 % năng lƣợng xung dò ở
áp suất 1.5 atm.
23


V. KẾT LUẬN
4. Đánh giá tác động làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng từ xung
bơm sang các xung đối Stoke do hiện tƣợng SPM và XPM làm mở rộng

phổ xung bơm theo áp suất khí hydro và công suất xung bơm và xung
Stoke dẫn tới sự mở rộng phổ của các xung Stokes và đối Stokes.
- Các xung bơm trong vùng tử ngoại thì hiện tƣợng SPM và XPM xảy ra
mạnh hơn các xung bơm trong vùng hồng ngoại
- Phát Raman – trộn sử dụng xung bơm 400 nm và xung Stoke 480 nm
bốn sóng trong ống khí chứa hydro ở áp suất 2 atm, phổ các xung đối
Stoke phát ra trong vùng tử ngoại sâu mở rộng không phân tách thành
các đỉnh phổ riêng biệt mà thành một dải phổ liên tục.
- xung bơm 400 nm mở rộng khoảng hơn 20 lần từ 5.1 nm tới 110 nm và
xung Stoke 480 nm mở rộng hơn 10 lần từ 12 nm đến hơn 100 nm ở áp
suất 2 atm.
5. Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai:
- Nâng cao hiệu suất quá trình Raman – trộn bốn sóng, phát các xung
laser cực ngắn trong vùng tử ngoại chân không với bƣớc sóng ngắn
hơn 187 nm.
- Sử dụng các cấu trúc bơm khác cấu trúc hội tụ đồng trục nhƣ cấu trúc
FOLDED BOXCARS hoặc PLANAR BOXCARS để phân tách các xung
đối Stoke theo các hƣớng nhất định
24


25