Nghiên cứu mở rộng vạch phổ raman trong môi trường khí H2 chứa trong sợi quang tử lõi rỗng

Tuy nhiên việc giam chặt các phân tử khí bên trong lõi rỗng có thể gây thay đổi độ rộng vạch phổ Raman do các yếu tố như áp suất khí, hiệu ứng Doppler, bởi va chạm giữa các phân tử khí[r]

Trang 1

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 161

NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG VẠCH PHỔ RAMAN TRONG MÔI

Thái Doãn Thanh1, Hồ Quang Quý1,2, Nguyễn Mạnh Thắng2,*

Tóm tắt: Sợi quang tử lõi rỗng (HC-PCF) cho phép thực hiện bơm laser cường

độ cao tại công suất thấp và giam chặt khí hoạt chất Raman bên trong lõi rỗng Tuy nhiên, việc giam chặt các phân tử khí bên trong lõi rỗng có thể gây ảnh hưởng tới độ rộng vạch phổ Raman Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất, bán kính lõi rỗng tới độ rộng vạch phổ Raman trong môi trường khí H 2 được chứa bởi HC-PCF Kết quả chỉ ra rằng trong vùng áp suất thấp thì sự mở rộng vạch phổ trong tán xạ Raman chủ yếu gây ra do va chạm của các phân tử khí với

thành của lõi rỗng

Từ khóa: Độ rộng vạch phổ Raman; Tán xạ Raman cưỡng bức (SRS); Raman khí H2; HC-PCF

1 MỞ ĐẦU

Sợi quang tử lõi rỗng (HC-PCF) hoạt động dựa trên cơ chế vùng cấm quang tử hai chiều (2D) Nó có thể hoạt động như hệ dẫn sóng ưu việt với nhiều tính năng vượt trội như: mất mát thấp, chiều dài ương tác không bị giới hạn bởi nhiễu xạ, ánh sáng và khí hoạt chất bị giam chặt trong lõi rỗng với bán kính hiệu dụng chỉ vài µm, có thể thay đổi được cửa sổ truyền [1] Những đặc tính vượt trội này làm cho hiệu suất chuyển đổi tần số Raman xấp xỉ hiệu xuất lượng tử, tạo được dải tần số comb Raman siêu rộng v.v [2-5] Tuy nhiên việc giam chặt các phân tử khí bên trong lõi rỗng có thể gây thay đổi độ rộng vạch phổ Raman do các yếu tố như áp suất khí, hiệu ứng Doppler, bởi va chạm giữa các phân tử khí và các phân tử khí với thành của lõi rỗng bên trong của HC-PCF Các hiệu ứng này trở nên đặc biệt đáng kể tại áp suất khí thấp (< 1bar) khi đó độ dài di chuyển tự do trung bình xấp xỉ với bán kính của lõi rỗng của HC-PCF Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ cho đến nay [6,7], điều này có thể do chưa chế tạo được bình chứa với ưu điểm và kích thước như là HC-PCF Sự mở rộng vạch phổ gây ảnh hưởng đến những ứng dụng yêu cầu độ kết hợp cao như tạo xung cực ngắn từ dải tần số comb, chế độ tán xạ Raman nhanh [8-11] Do đó, nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến

độ rộng phổ Raman như áp suất khí, bán kính lõi rỗng của sợi quang là cần thiết Mặt khác, nghiên cứu độ rộng phổ Raman cũng cho phép chúng ta biết những thông tin quan trọng của môi trường tán xạ như là các lực nội phân tử, tốc độ phân hủy của kết hợp và mật độ nghịch đảo cư chú của hệ phân tử hoạt chất Raman Trong bài báo này, chúng tôi

sẽ dự đoán, tính toán ảnh hưởng của áp suất khí hoạt chất Raman, bán kính lõi sợi

2 LÝ THUYẾT MỞ RỘNG VẠCH PHỔ RAMAN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ CHỨA BỞI HC-PCF

Sự phụ thuộc của hình dạng và độ rộng của vạch phổ Raman vào mật độ khí hoạt chất

là khá phức tạp Đối với vùng áp suất khí Raman thấp (<10mbar), ảnh hưởng gây ra do va chạm của giữa các phân tử khí tới sự mở rộng vạch phổ là không đáng kể, chủ yếu gây ra bởi hiệu ứng Doppler Hiệu ứng này gây ra do chuyển động tịnh tiến của của các phân tử khí tương đối với máy đo phổ Ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler cho vùng áp suất thấp

hướng với sóng bơm z (chuyển động với vận tốc ánh sáng c) [12,13] Nó sẽ gây ra dịch chuyển tần số Doppler

c

v

P

c

v

S

Trang 2

Vật lý

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng, “Nghiên cứu mở rộng … sợi quang tử lõi rỗng.”

162

tán xạ Raman ( tán xạ thuận) Do đó, dịch chuyển tần số tổng cộng từ cộng hưởng Raman

c

v ω

S

P 

Hình 1 Sơ đồ chuyển động của tán xạ Raman

Giả sử chuyển động của các phân tử khí trong trạng thái cân bằng nhiệt, phân bố vận tốc tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann

m

T 2kB , trong đó, T là nhiệt độ Kelvin (giả

D



Hình 2 Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ tán xạ Raman quay vào mở rộng Doppler, mở

rộng do ap suất và do va chạm với thành lõi rỗng HC-PCF (bán kính 5µm) trong môi trường hoạt chất khí H 2 Trục tung mô tả độ rộng vạch theo đơn vị MHz, trục hoành mô

tả theo thang lograrit của áp suất Đóng góp của hiệu ứng Doppler, va chạm gây hẹp phổ,

mở rộng do áp suất và vạch kết hợp của cả 3 hiệu ứng được mô tả trên cùng hình 2 Ảnh hưởng chi phối gây ra do va chạm phân tử - sợi quang HC-PCF được biểu diễn (đường

cong màu đỏ) trên hình [13,15,16]

Mở rộng vạch phổ Doppler cho tán xạ Raman được mô tả bởi đường thẳng trên Hình 2 Khi mật độ khí tăng lên dẫn đến tần suất va chạm cũng tăng lên, va chạm giữa các phân tử bắt đầu đóng góp vào sự thay đổi độ rộng vạch Raman Nếu va chạm này là quá trình trao

Trang 3

đổi vận tốc đàn hồi (không gây ra ảnh hưởng tới trạng thái nội phân tử) thì xảy ra quá trình làm hẹp vạch phổ do va chạm Hiệu ứng làm hẹp vạch phổ có thể được giải thích như là kết quả của quá trình va chạm trao đổi vận tốc và hệ quả của qui tắc bất định [14] Theo qui tắc bất định thì một photon có mô men



h

chỉ cho biết thông tin khoảng dịch chuyển

của phân tử lớn hơn giá trị





chuyển một đoạn





chạm ít xảy ra trong suốt khoảng thời gian mà nó di chuyển phân tử trong khoảng cách đó thì vận tốc trung bình là vận tốc nhiệt của phân tử Dịch chuyển Doppler sẽ tỷ lệ thuận với với vận tốc này và phân tử bức xạ sẽ đóng góp phân bố phổ dạng Gaussian có độ rộng vạch được biểu diễn như biểu thức (1)

Ngược lại, tần suất va chạm của phân tử tăng lên, vận tốc trung bình của một phân tử sẽ

bị triệt tiêu khi lấy trung bình qua các va chạm (tất cả các trạng thái có thể của vận tốc), do

đó vận tốc trung bình của một phân tử trong khoảng





hẹp thay bị mở rộng như hiệu ứng Doppler Trong giới hạn tần suất va chạm cao giữa các phân tử khí H2, va chạm trao đổi vận tốc đóng góp phân bố phổ dạng Lorentzian và độ



A

(cm2.amagat.s-1); (amagat) là mật độ khí Raman Tuy nhiên, mô hình này phân kỳ tại

mật độ khí bằng 0 Hiệu ứng hẹp độ rộng vạch phổ được chỉ trên Hình 2 (đường cong va

chạm gây hẹp phổ)

Khi mật độ khí tăng đáng kể (>1bar) sẽ dẫn đến mở rộng vạch phổ do va chạm trao đổi nội trạng thái trong phân tử khí Mở rộng do va chạm đóng góp phân bố phổ Lorentzian và

độ rộng vạch phổ tỷ lệ thuận với mật độ khí hoạt chất, được biểu diễn như sau:



B



R

Trong đó, B (MHz/amagat) là hằng số mở rộng của vạch phổ Raman [14] Sự mở rộng

vạch phổ do áp suất khí được biểu diễn trên Hình 2 (đường cong va chạm gây mở rộng)

Nghiên cứu chi tiết hơn sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ Raman vào mật độ khí hoạt

chất sẽ cung cấp cho chúng ta bức tranh vật lý đầy đủ hơn Chẳng hạn, với mô hình va

chạm mềm trong đó trao đổi vận tốc của một va chạm đơn nhỏ hơn nhiều vận tốc nhiệt

trung bình [15], mô hình va chạm cứng trong đó trao đổi vận tốc của một va chạm đơn có

thể so sánh với vận tốc nhiệt trung bình [16] mà nó cho phép thay đổi liên tục áp suất khí

từ 0 tới 1bar và loại bỏ sự phân kỳ tại mật độ khí bằng 0 trong mô hình khuếch tán của biểu thức (3) Khi so sánh với mô hình va chạm cứng, thì giới hạn đúng của biểu thức (2)

Γ 3.33A ρ

D

Đóng góp chi phối tới mở rộng vạch phổ tại áp suất khí nhỏ hơn 1bar gây ra bởi va chạm

của các phân tử khí với tường của lõi sợi HC-PCF, được mô tả trong Hình 2 (va chạm phân

tử -HC-PCF) Trong trường hợp này, chúng ta giả sử rằng các phân tử khí va chạm với

Trang 4

tường của l

Raman gây ra do va ch

truy

3.1

rỗng

rộng vạch v

bởi sợi quang tử l

như sau: Trong

tán), hi

va ch

là tích ch

với độ rộng l

Trong

ch

Lorentzian, v

ch

và ngư

Hình 3.

164

ờng của l

Trong đó

truyền giữa các va chạm li

3.1 S

ỗng

Từ các nghi

ộng vạch v

ởi sợi quang tử l

như sau: Trong

tán), hi

va ch

là tích ch

ới độ rộng l

Trong

chạm phân tử khí với th

Lorentzian, v

chỉ ra rằng sự mở rộng của vạch phổ c

và ngư

Hình 3.

ờng của l

Trong đó

ền giữa các va chạm li

Sự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b HC

ừ các nghi ộng vạch v

như sau: Trong

tán), hiện t

va chạm giữa các phân tử khí với th

là tích ch

ới độ rộng l

Trong vùng áp su

ạm phân tử khí với th

Lorentzian, v

ỉ ra rằng sự mở rộng của vạch phổ c

và ngược lại Kết quả dự đoán của chúng tôi đ

Hình 3.

T D Thanh, H Q Quý, N M Th

ờng của l

Trong đó

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b HC-PCF

ừ các nghi ộng vạch v

như sau: Trong

ện tư

ạm giữa các phân tử khí với th

là tích chập của các cấu h

ới độ rộng l

vùng áp su

Lorentzian, v

ợc lại Kết quả dự đoán của chúng tôi đ

Hình 3 Ph

ờng của lõi s

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b PCF

ừ các nghi ộng vạch và c

như sau: Trong

ượng hẹp vạch phổ gây ra

ập của các cấu h

ới độ rộng là t

vùng áp su

Lorentzian, với

Phụ thuộc của

õi sợi quang sao cho sao khi va chạm chúng bị Raman gây ra do va ch

πσ

4k



ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b PCF

ừ các nghiên c

à cấu trúc h

như sau: Trong vùng

ợng hẹp vạch phổ gây ra

à tổng c

vùng áp su

ới đ

ụ thuộc của

ợi quang sao cho sao khi va chạm chúng bị Raman gây ra do va ch

πσ

4k

2 B

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí b

ên cứu khác nhau của các tác giả đ

ấu trúc h

ởi sợi quang tử lõi r

vùng

ập của các cấu h ổng c

vùng áp suất thấp

độ rộng vạch phổ đ

ụ thuộc của bởi sợi quang tử l

ợi quang sao cho sao khi va chạm chúng bị Raman gây ra do va chạm phân

ρ

T

2

B là đ

ứu khác nhau của các tác giả đ

ấu trúc h

õi rỗng HC

vùng áp su

ập của các cấu h ổng cơ h

ất thấp

ộ rộng vạch phổ đ

ụ thuộc của

ởi sợi quang tử l

ợi quang sao cho sao khi va chạm chúng bị

ạm phân

là đ

ền giữa các va chạm liên ti

ấu trúc hình d ỗng HC

áp su

ơ học c

ất thấp

ạm phân tử khí với thành trong lõi s

ụ thuộc của độ rộng vạch phổ Raman quay v

ạm phân

là độ d

ên ti

3 K

ứu khác nhau của các tác giả đ ình dạng phổ Raman trong môi ỗng

HC-áp suất trung b

ập của các cấu hình Lorentzian thành ph

ọc c

ρ 

ạm phân tử khí với thành trong lõi s

ộ rộng vạch phổ Raman quay v

ạm phân tử

Γ

ộ dài t

ên tiếp); k

3 K

ạng phổ Raman trong môi -PCF cho tán x

ất trung b

ình Lorentzian thành ph

ọc của các độ rộng th

c

ρ



ành trong lõi s

ử - tư



W

Γ

ài tự do trung b ếp); k

3 KẾT QU

ạng phổ Raman trong môi PCF cho tán x

ất trung b

ủa các độ rộng th

c, đóng góp chi ph ành trong lõi s

tường của sợi HC

 2.405

ự do trung b ếp); kB(J.K

T QU

ất trung bình

ợng hẹp vạch phổ gây ra do va ch

ạm giữa các phân tử khí với thành c

ủa các độ rộng th , đóng góp chi ph ành trong lõi s

ộ rộng vạch phổ được xác định trong biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ỉ ra rằng sự mở rộng của vạch phổ càng l

ởi sợi quang tử lõi r

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng

ờng của sợi HC

2.405

ự do trung b (J.K

T QUẢ

ình

-do va ch ành của l ình Lorentzian thành ph

ủa các độ rộng th , đóng góp chi ph ành trong lõi s

ợc xác định trong biểu thức (4) Trong biểu thức (4) àng l

õi rỗng HC

ắng,

2

2.405

ự do trung b (J.K-1) là h

Ả VÀ TH

ạng phổ Raman trong môi PCF cho tán xạ Raman c

- cao

do va ch

ủa l ình Lorentzian thành ph

ủa các độ rộng th , đóng góp chi ph ành trong lõi sợi quang sẽ chi phối phân bố vạch phổ dạng

ợc xác định trong biểu thức (4) Trong biểu thức (4) àng lớn nếu bán kính của l

ỗng HC

, “Nghiên c

c

ρr

ự do trung bình (kho

) là h

VÀ TH

ạng phổ Raman trong môi

ạ Raman c

cao

do va chạm, mở rộng do va chạm giữa các phân tử v

ủa lõi s ình Lorentzian thành ph

ủa các độ rộng th , đóng góp chi ph

ợi quang sẽ chi phối phân bố vạch phổ dạng

ợc xác định trong biểu thức (4) Trong biểu thức (4)

ớn nếu bán kính của l

ợc lại Kết quả dự đoán của chúng tôi được tr

ỗng HC

Nghiên c







2

c 1

ình (kho ) là hằng số

VÀ TH

ứu khác nhau của các tác giả đư

ạng phổ Raman trong môi

ạ Raman c

ρ 

ạm, mở rộng do va chạm giữa các phân tử v

õi sợi quang tử HC ình Lorentzian thành ph

ủa các độ rộng thành ph , đóng góp chi ph

ợc tr

ỗng HC-PCF v

Nghiên c

ờng của sợi HC-PCF đư



o

6.8 1 D

ình (kho ằng số

VÀ THẢO LU

ược phân tích ở tr ạng phổ Raman trong môi

ạ Raman c

c

ρ



ợi quang tử HC ình Lorentzian thành phần gây n

ành ph , đóng góp chi phối tới độ rộng vạch phổ gây ra do va

ợc trình bày trong Hình 3

PCF v

Nghiên cứu mở rộng

PCF đư

o

6.8

ình (khoảng cách trung b ằng số Boltzmann

O LU

ợc phân tích ở tr ạng phổ Raman trong môi trư

ạ Raman cưỡng bức đ

c(gi

ợi quang tử HC

ần gây n ành phần trong biểu thức (2), (3) v

ối tới độ rộng vạch phổ gây ra do va

ình bày trong Hình 3

PCF với bán kính 5µm.

ứu mở rộng

ợi quang sao cho sao khi va chạm chúng bị m

PCF đư







c

r

l 6.8

ảng cách trung b Boltzmann

O LUẬ

ợc phân tích ở tr trường khí hoạt chất H ỡng bức đ

(giới hạn đúng của mô h

ợi quang tử HC

ần gây n

ần trong biểu thức (2), (3) v

ộ rộng vạch phổ Raman quay vào áp su

ới bán kính 5µm.

mất kết hợp

PCF được xác định bởi [17]







ẬN

ợc phân tích ở tr

ờng khí hoạt chất H ỡng bức đ

ới hạn đúng của mô h

ợi quang tử HC

ần gây nên s

ào áp su

ất kết hợp

ợc xác định bởi [17]

ự thay đổi độ rộng vạch phổ Raman theo áp suất khí bên trong s

ợc phân tích ở tr

ờng khí hoạt chất H ỡng bức đ

ợi quang tử HC-PCF, thì c

ên sẽ cho cấu h

ớn nếu bán kính của lõi r

ào áp suất của khí H

ứu mở rộng …

ất kết hợp

ên trong s

ợc phân tích ở trên, s

ờng khí hoạt chất H ỡng bức được dự đoán v

PCF, thì c

ẽ cho cấu h

õi rỗng HC ình bày trong Hình 3

ất của khí H

… sợi quang tử l

ất kết hợp Đ

ảng cách trung bình c

ên trong s

ên, s ờng khí hoạt chất H

ợc dự đoán v

PCF, thì c

ẽ cho cấu h

ỗng HC ình bày trong Hình 3

ất của khí H

ợi quang tử l

Độ rộng vạch phổ

ình c

ên trong sợi quang tử l

ên, sự phát triển của độ ờng khí hoạt chất H

ợc dự đoán v

PCF, thì c

ẽ cho cấu h

ỗng HC ình bày trong Hình 3

ất của khí H

ới bán kính 5µm

ộ rộng vạch phổ

ình của mỗi phân tử

ự phát triển của độ ờng khí hoạt chất H

ợc dự đoán v

PCF, thì cấu h

ẽ cho cấu hình Lorentzian

ỗng HC-PCF càng nh

ất của khí H 2

ủa mỗi phân tử

ự phát triển của độ

ợc dự đoán và đánh giá

ới hạn đúng của mô hình khu

ấu hình k ình Lorentzian

PCF càng nh

2 đư

ợi quang tử lõi r

được chứa

à đánh giá ình khu

ình k ình Lorentzian

PCF càng nh

được chứa

Vật lý

õi rỗng

ợc chứa

à đánh giá ình khu

ình kết hợp ình Lorentzian

ần trong biểu thức (2), (3) và (4)

PCF càng nh

ợc chứa

ật lý

ỗng.”

(4)

ợi quang tử lõi

ợc chứa

à đánh giá ình khuếch

ạm, mở rộng do va chạm giữa các phân tử và

ết hợp ình Lorentzian

à (4)

PCF càng nhỏ

ợc chứa

ật lý

”

(4)

õi

ợc chứa

à đánh giá ếch

à

ết hợp ình Lorentzian

à (4)

ỏ

ợc chứa

Trang 5

Nghiên c

Tạp chí Nghi

quay v

Raman B=110 (MHz/amagat) [

nhi

µm, bán kính c

Raman thu

thay đ

độ

Các k

thành c

cũng nh

Raman trong c

ảnh h

bình

3.2

vạch phổ Raman

su

mà không xu

Raman, hình 4 ch

rỗng

ghi chú như trên h

rỗng của sợi quang gần nh

trong d

và gi

Nghiên c

ạp chí Nghi

Ở đây chúng tôi nghi

quay v

nhiệt độ ph

µm, bán kính c

Raman thu

thay đ

ộng tròn theo áp su

Các k

thành c

ũng nh

Raman trong c

ảnh h

bình đ

3.2 Ảnh h

ạch phổ Raman

Trong m

suất thấp chủ yếu cho va chạm của các phân tử với th

mà không xu

Hình 4.

Như v

Raman, hình 4 ch

ỗng

ỗng của sợi quang gần nh

trong d

và gi

Nghiên c

ạp chí Nghi

quay với các thông số đ

ệt độ ph

µm, bán kính c

Raman thu

thay đổi t

ng tròn theo áp su

Các kết quả n

thành của sợi quang tử l

ũng nh

Raman trong c

ảnh hưởng chủ yếu do mở rộng Doppler v

đến cao l

Ảnh h ạch phổ Raman

Trong m

ất thấp chủ yếu cho va chạm của các phân tử với th

mà không xu

Hình 4.

Như v

Raman, hình 4 ch

trong dải á

và giảm mạnh khi qua mật độ (áp suất) cắt

ạp chí Nghi

ới các thông số đ Raman B=110 (MHz/amagat) [

ệt độ ph

µm, bán kính c

Raman thuận dao động quay

i từ

ết quả n

ủa sợi quang tử l ũng như h

Raman trong c

ởng chủ yếu do mở rộng Doppler v

ến cao l

Ảnh hư ạch phổ Raman

Trong m

mà không xu

Hình 4

Như vậy bán kính của l

Raman, hình 4 ch

=3µm; 5µm và 10µm tương ghi chú như trên h

ải áp su

ảm mạnh khi qua mật độ (áp suất) cắt

ứu khoa học công nghệ

ạp chí Nghiên c

ệt độ phòng T=298 (K);

µm, bán kính c

ận dao động quay

ừ 0.001 bar t

ết quả n

ủa sợi quang tử l

ư hình d Raman trong c

ến cao là do va ch

ưởng của bán kính l ạch phổ Raman

Trong mục 3.1 chúng tôi đ

mà không xuất hiện trong cấu h

Ảnh h

ậy bán kính của l Raman, hình 4 ch

p su

ên cứu KH&CN

òng T=298 (K);

µm, bán kính của s

ận dao động quay 0.001 bar t

ết quả này cho th

ủa sợi quang tử l ình dạng của cấu trúc phổ, điều n Raman trong cấu h

à do va ch

ởng của bán kính l ạch phổ Raman

ục 3.1 chúng tôi đ

ất hiện trong cấu h

Ảnh h

ậy bán kính của l Raman, hình 4 ch

p suất lớn h

ứu KH&CN

òng T=298 (K);

a sợ

ày cho th

ạng của cấu trúc phổ, điều n

ấu hình laser h ởng chủ yếu do mở rộng Doppler v

à do va ch

ởng của bán kính l ạch phổ Raman

Ảnh hưởng của bán kính l

ậy bán kính của l Raman, hình 4 chỉ ra sự thay đổi của độ rộng vạch Raman dao động tr

=3µm; 5µm và 10µm tương ghi chú như trên hình 4

ất lớn h

ứu KH&CN

òng T=298 (K);

ợi quang lõi r

ng tròn theo áp suất khí H

ày cho th

ạng của cấu trúc phổ, điều n ình laser h

à do va ch

ởng của bán kính l

ởng của bán kính l

ậy bán kính của l

ỉ ra sự thay đổi của độ rộng vạch Raman dao động tr

=3µm; 5µm và 10µm tương

ình 4

ất lớn hơn 1bar Quá tr

ứu KH&CN

Ở đây chúng tôi nghiên c

ới các thông số được chọn nh Raman B=110 (MHz/amagat) [

òng T=298 (K);

i quang lõi r

ận dao động quay 0.001 bar tới 10 bar K

t khí H

ày cho thấy trong dải áp suất thấp th

ủa sợi quang tử lõi r

ạng của cấu trúc phổ, điều n ình laser h

à do va chạm giữa các phân tử khí gây ra

ậy bán kính của l

ình 4 K ỗng của sợi quang gần nh

ơn 1bar Quá tr

ứu KH&CN quân s

ên cứu sự thay đổi độ rộng vạch phổ của tán xạ Raman dao động

ợc chọn nh Raman B=110 (MHz/amagat) [

i quang lõi r

ận dao động quay

i 10 bar K

t khí H

ấy trong dải áp suất thấp th

õi rỗng HC ạng của cấu trúc phổ, điều n ình laser h

ạm giữa các phân tử khí gây ra

ậy bán kính của lõi r

Kết quả tính toán tr ỗng của sợi quang gần như không đáng k

ơn 1bar Quá tr

uân s

ứu sự thay đổi độ rộng vạch phổ của tán xạ Raman dao động

ợc chọn nh Raman B=110 (MHz/amagat) [14

σ  2.8 A

i quang lõi r

i 10 bar K

t khí H2 ch

ấy trong dải áp suất thấp th ỗng HC

ạng của cấu trúc phổ, điều n ình laser hội tụ trong không gian tự do (các b ởng chủ yếu do mở rộng Doppler v

ục 3.1 chúng tôi đã phân tích s

ất hiện trong cấu hình chùm laser h

õi rỗng HC

ết quả tính toán tr

ư không đáng k

ơn 1bar Quá tr

uân sự, Số

ợc chọn nh 14]; D

σ  2.8 A

i quang lõi rỗng HC

P

i 10 bar K chứa bên trong lõi r

ấy trong dải áp suất thấp th ỗng HC

ạng của cấu trúc phổ, điều n

ội tụ trong không gian tự do (các b ởng chủ yếu do mở rộng Doppler v

ởng của bán kính lõi r

ã phân tích s

ình chùm laser h

trong

ỗng HC

ư không đáng k

ơn 1bar Quá tr

ự, Số

ợc chọn như sau: A=6.16 (MHz.amagat);

]; D



σ  2.8 A

ng HC

ωS

i 10 bar Kết qu

a bên trong lõi r

ấy trong dải áp suất thấp th ỗng HC-PCF là nguyên nhân ch ạng của cấu trúc phổ, điều n

õi rỗng sợi quang tử HC

ã phân tích s

ình chùm laser h

ởng của bán kính lõi r

trong

ỗng

HC-ỉ ra sự thay đổi của độ rộng vạch Raman dao động tr

=3µm; 5µm và 10µm tương ứng v

ư không đáng k

ơn 1bar Quá trình

ự, Số 59

ư sau: A=6.16 (MHz.amagat);

]; Do =1.32 cm



0

ng HC-PCF;

17.4



t quả

a bên trong lõi r

PCF là nguyên nhân ch ạng của cấu trúc phổ, điều n

ỗng sợi quang tử HC

ã phân tích s

ình chùm laser h

õi rỗng HC trong môi trư

-PCF có vai trò chính trong s

ng v

ư không đáng k

ình ảnh h

9, 02

=1.32 cm

0

σ 2.8 A là đư

PCF;

17.4

ả sự

a bên trong lõi r

PCF là nguyên nhân ch ạng của cấu trúc phổ, điều n

ội tụ trong không gian tự do (các b ởng chủ yếu do mở rộng Doppler và hi

ã phân tích sự thay đổi của độ rộng vạch Raman trong

ình chùm laser h

ỗng HC môi trư

PCF có vai trò chính trong s

ng với các đư

ư không đáng kể tới sự mở rộng vạch phổ Raman c

ảnh h

2 - 20

=1.32 cm

là đường kính va chạm của phân tử khí PCF; k

10 17.4

ự thay đ

a bên trong lõi r

PCF là nguyên nhân ch ạng của cấu trúc phổ, điều này là khác v

ội tụ trong không gian tự do (các b

à hiệu ứng hẹp phổ Tr

ự thay đổi của độ rộng vạch Raman trong

ình chùm laser h

ỗng HC môi trường khí H

i các đư

ết quả tính toán trên hình 4 ch

ể tới sự mở rộng vạch phổ Raman c ảnh hư

2019

ờng kính va chạm của phân tử khí

kB=1.38.10

106

thay đ

a bên trong lõi r

PCF là nguyên nhân ch

ày là khác v

ệu ứng hẹp phổ Tr

ình chùm laser hội tụ trong không gian tự do

ỗng HC-PCF đ ờng khí H

i các đư

ên hình 4 ch

ể tới sự mở rộng vạch phổ Raman c ưởng tăng dần khi áp suất giảm dần từ 1 bar

c

ρ  0.137 bar

9

.amagat.s ờng kính va chạm của phân tử khí

=1.38.10

6

thay đổ

a bên trong lõi rỗng HC

ấy trong dải áp suất thấp thì s

PCF là nguyên nhân ch

ày là khác v

ội tụ trong không gian tự do

PCF đ ờng khí H

i các đường cong màu xanh, đ

ên hình 4 ch

ể tới sự mở rộng vạch phổ Raman c ởng tăng dần khi áp suất giảm dần từ 1 bar

ρ  0.137 bar

=1.38.10

MHz

ổi c

ng HC

ì sự va chạm của các phân tử khí với PCF là nguyên nhân ch

ày là khác v

ất thấp chủ yếu cho va chạm của các phân tử với thành trong lõi r

PCF đến sự mở rộng vạch phổ Raman ờng khí H 2

ng cong màu xanh, đ

ên hình 4 ch

ρ 0.137 bar

=1.38.10-23

 MHz ;

i của đ

ng HC

ự va chạm của các phân tử khí với PCF là nguyên nhân ch

ày là khác với trong các thí nghiệm tán xạ

ỗng sợi quang tử HC-PCF đ

ành trong lõi r

ến sự mở rộng vạch phổ Raman

2

ên hình 4 chỉ ra rằng ảnh h

ρ 0.137 bar

.amagat.s-1 là h ờng kính va chạm của phân tử khí

23

(JK

; ρ

a độ

ng HC-PCF

ự va chạm của các phân tử khí với PCF là nguyên nhân chủ yếu g

ới trong các thí nghiệm tán xạ

PCF đ

ành trong lõi r

ỉ ra rằng ảnh h

ρ 0.137 bar Bán kính lõi r

là hằng số tự khuếch tán tại ờng kính va chạm của phân tử khí

(JK-1); c=3.10

là m rộn PCF

ự va chạm của các phân tử khí với

ủ yếu g

ội tụ trong không gian tự do (các bình khí) tr

ệu ứng hẹp phổ Trong d

PCF đ

ành trong lõi r

ρ 0.137 bar Bán kính lõi r

ư sau: A=6.16 (MHz.amagat); h

ằng số tự khuếch tán tại ờng kính va chạm của phân tử khí

); c=3.10

là mật đ

ng v PCF được mô tả tr

ủ yếu gây m

ới trong các thí nghiệm tán xạ ình khí) tr

ong d

PCF đến sự

ành trong lõi r

PCF có vai trò chính trong sự thay đổi độ rộng vạch

Bán kính lõi r

hằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán tại ờng kính va chạm của phân tử khí

); c=3.10

t độ

g vạch ph

ợc mô tả tr

ây m

ới trong các thí nghiệm tán xạ ình khí) tr

ong dải áp suất khí trung

ến sự

ành trong lõi rỗng của sợi HC

ự thay đổi độ rộng vạch

ỉ ra rằng ảnh hư

Bán kính lõi r

ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán tại ờng kính va chạm của phân tử khí

); c=3.108

ộ khí (amagat) cho

ch ph

ợc mô tả tr

ây mở rộng vạch phổ

ới trong các thí nghiệm tán xạ ình khí) trư

ải áp suất khí trung

ến sự thay đ

ỗng của sợi HC

ỉ ra sự thay đổi của độ rộng vạch Raman dao động tròn t

ng cong màu xanh, đỏ

ưởng của bán kính

Bán kính lõi r

8

m/s; v khí (amagat) cho

ch phổ

ợc mô tả tr

ở rộng vạch phổ

ước đây khi các

thay đ

òn tại các bán l

ỏ và h ởng của bán kính

Bán kính lõi rỗng c

m/s; v khí (amagat) cho

ổ Raman dao

ợc mô tả trên hình 3

ớc đây khi các

thay đổi độ rộng

ại các bán l

và h ởng của bán kính

ỗng c

ằng số mở rộng vạch ằng số tự khuếch tán tại

m/s; với tán xạ khí (amagat) cho Raman dao

ên hình 3

ớc đây khi các

ổi độ rộng

ại các bán l

và hồng đư ởng của bán kính

ưỡng bức ởng tăng dần khi áp suất giảm dần từ 1 bar

ỗng càng nh

165

2; rc

ới tán xạ khí (amagat) cho Raman dao

ên hình 3

ớc đây khi các

dải áp ỗng của sợi HC-PCF

ại các bán l

ng đư ởng của bán kính

ỡng bức ởng tăng dần khi áp suất giảm dần từ 1 bar

àng nh

165

c =5

ên hình 3

ớc đây khi các

ải áp PCF

ại các bán lõi

ng được ởng của bán kính

àng nhỏ

165

=5

ên hình 3

ớc đây khi các

ải áp PCF

õi

c ởng của bán kính

ỏ

Trang 6

Vật lý

T D Thanh, H Q Quý, N M Thắng, “Nghiên cứu mở rộng … sợi quang tử lõi rỗng.”

166

thì sự mở rộng càng mạnh và tốc độ mở rộng càng tăng, tốc độ mở rộng vạch Raman tỷ lệ nghịch với hàm bậc hai của bán kính lõi sợi quang

4 KẾT LUẬN

Trong bài báo này chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của mở rộng Doppler, va chạm

HC-PCF lên sự mở của vạch phổ Raman Ảnh hưởng thứ ba đặc biệt mạnh và chiếm ưu thế so với các hiệu hứng khác trong dải áp suất thấp và giảm dần khi áp suất tăng Ảnh hưởng của bán kính sợi quang tử lõi rỗng cũng được nghiên cứu, khi bán kính lõi rỗng giảm dẫn tới sự mở rộng nhanh của vạch phổ Nghiên cứu này cung cấp một cách khá đầy

đủ và toàn diện đến các yếu tố gây mở rộng vạch phổ Raman khí trong sợi quang tử lõi rỗng HC-PCF, nó cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo vạch tần số Raman trong bán

kính lõi rỗng không quá nhỏ (thích hợp) để đảm bảo tính kết hợp của vạch phổ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P St.J Russell “Photonic Crystal Fibers.”, Science 299 (2003), pp 358–362 (cit on

pp 3, 40,41)

scattering in hydrogen-filled hollow-core photonic crystal fiber,” Science 298, 399–

402 (2002)

efficiency laser wavelength conversion in a gas-filled hollow core photonic crystal fiber by pure stimulated rotational Raman scattering in molecular hydrogen,” Phys

Rev Lett 93, 123903 (2004)

photonic guidance of multioctave optical-frequency combs,” Science 318, 1118–

1121(2007)

[5] Pooria Hosseini , Alexey Ermolov, Francesco Tani, David Novoa, and Philip St.J

Russell “Soliton Dynamics and Raman-Enhanced Supercontinuum Generation in

Photonic Crystal Fiber”, ACS Photonics, 2018, 5 (6), pp 2426

[6] Haverkort, J., H Werij, and J Woerdman, Numerical study of light-induced drift of

Na in noble gases Physical Review A, 1988 38(8): p 4054

[7] Graf, M., et al., Doppler broadening and collisional relaxation effects in a

lasing-without-inversion experiment Physical Review A, 1995 51(5): p 4030

[8] Couny, F., O Carraz, F Benabid, Control of transient regime of stimulated Raman

scattering using hollow-core PCF JOSA B, 2009 26(6): p 1209

phase-locked Stokes and antiStokes components in an impulsively excited Raman

medium,” Phys Rev Lett 83, 2560–2563 (1999).

[10] Nazarkin, A., et al., Direct observation of self-similarity in evolution of transient

stimulated Raman scattering in gas-filled photonic crystal fibers Physical review

letters, 2010 105(17): p 173902

[11] T.D.Thanh, H.Q Quy, N.M.Thang, “Coherent Raman scattering interaction in

hydrogen gas-filled hollow core photonic crystal fibres”, Optik 161 (2018) 156–160

[12] Murray, J., et al., Raman pulse compression of excimer lasers for application to laser

fusion Quantum Electronics, IEEE Journal of, 1979 15(5): p 342-368

[13] Herring, G., M.J Dyer, and W.K Bischel, Temperature and density dependence of

the linewidths and line shifts of the rotational Raman lines in N_ {2} and H_ {2}

Physical Review A, 1986 34(3): p 1944

Trang 7

[14] Murray, J and A Javan, Effects of collisions on Raman line profiles of hydrogen and

deuterium gas J of Molecular Spectroscopy, 1972 42(1): p 1

[15] Galatry, L., Simultaneous effect of Doppler and foreign gas broadening on spectral

lines Physical Review, 1961 122(4): p 1218

[16] Gersten, J.I and H.M Foley, Combined Doppler and collision broadening JOSA,

1968 58(7): p 933-935

[17] Cussler, E.L., Diffusion: mass transfer in fluid systems1997: Cambridge university

press

ABSTRACT

GAS FILLED HOLLOW CORE PHOTONIC CRYSTAL FIBRE

Hollow core optical fiber (HC-PCF) allows high-intensity laser pumps to be performed at low power and confine the Raman active gas inside the hollow core However, the tightly confinement of hollow core gas molecules can broaden Raman linewidth In this paper, we study the effect of Raman active gas pressure and radius

on the Raman spectral linewidth in the H 2 gas medium contained by HC-PCF The results show that in the low pressure area, the spectral linewidth expansion in the case of Raman scattering is mainly caused by the collision of gas molecules with the

walls of the hollow core

Keywords: Raman spectral linewidth; Stimulated Raman scattering (SRS); Raman gas H2 ; HC-PCF

Nhận bài ngày 10 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 14 tháng 01 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 02 năm 2019 Địa chỉ: 1Đại học Công nghiệp thực phẩm HCM;

2Viện KH-CNQS

*Email: thangnm@jmst.info.

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	732,61 KB