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

Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất, bán kính lõi rỗng tới độ rộng vạch phổ Raman trong môi trường khí H2 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mở rộng vạch phổ raman trong môi trường khí H2 chứa trong sợi quang tử lõi rỗngNghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG VẠCH PHỔ RAMAN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ H2 CHỨA TRONG SỢI QUANG TỬ LÕI RỖNG 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 H2 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 haichiều (2D). Nó có thể hoạt động như hệ dẫn sóng ưu việt với nhiều tính năng vượt trộinhư: mất mát thấp, chiều dài ương tác không bị giới hạn bởi nhiễu xạ, ánh sáng và khí hoạtchất bị giam chặt trong lõi rỗng với bán kính hiệu dụng chỉ vài µm, có thể thay đổi đượccửa sổ truyền [1]. Những đặc tính vượt trội này làm cho hiệu suất chuyển đổi tần sốRaman 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 rộngvạch phổ Raman do các yếu tố như áp suất khí, hiệu ứng Doppler, bởi va chạm giữa cácphân tử khí và các phân tử khí với thành của lõi rỗng bên trong của HC-PCF. Các hiệuứng này trở nên đặc biệt đáng kể tại áp suất khí thấp (< 1bar) khi đó độ dài di chuyển tự dotrung bình xấp xỉ với bán kính của lõi rỗng của HC-PCF. Tuy nhiên, ảnh hưởng này vẫnchưa được nghiên cứu đầy đủ cho đến nay [6,7], điều này có thể do chưa chế tạo đượcbình chứa với ưu điểm và kích thước như là HC-PCF. Sự mở rộng vạch phổ gây ảnhhưởng đến những ứng dụng yêu cầu độ kết hợp cao như tạo xung cực ngắn từ dải tần sốcomb, chế độ tán xạ Raman nhanh [8-11]. Do đó, nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đếnđộ rộng phổ Raman như áp suất khí, bán kính lõi rỗng của sợi quang là cần thiết. Mặtkhác, nghiên cứu độ rộng phổ Raman cũng cho phép chúng ta biết những thông tin quantrọng của môi trường tán xạ như là các lực nội phân tử, tốc độ phân hủy của kết hợp vàmật độ nghịch đảo cư chú của hệ phân tử hoạt chất Raman. Trong bài báo này, chúng tôisẽ dự đoán, tính toán ảnh hưởng của áp suất khí hoạt chất Raman, bán kính lõi sợi HC-PCF đến sự thay đổi độ rộng của vạch phổ Raman dao động quay trong môi trường khí H2. 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 chấtlà khá phức tạp. Đối với vùng áp suất khí Raman thấp (1bar) sẽ dẫn đến mở rộng vạch phổ do va chạm trao đổinội trạng thái trong phân tử khí. Mở rộng do va chạm đóng góp phân bố phổ Lorentzian vàđộ rộng vạch phổ tỷ lệ thuận với mật độ khí hoạt chất, được biểu diễn như sau: Γ R  B (3) Trong đó, B (MHz/amagat) là hằng số mở rộng của vạch phổ Raman [14]. Sự mở rộngvạch 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 hoạtchất sẽ cung cấp cho chúng ta bức tranh vật lý đầy đủ hơn. Chẳng hạn, với mô hình vachạm mềm trong đó trao đổi vận tốc của một va chạm đơn nhỏ hơn nhiều vận tốc nhiệttrung bình [15], mô hình va chạm cứng trong đó trao đổi vận tốc của một va chạm đơn cóthể so sánh với vận tốc nhiệt trung bình [16] mà nó cho phép thay đổi liên tục áp suất khítừ 0 tới 1bar và loại bỏ sự phân kỳ tại mật độ khí bằng 0 trong mô hình khuếch tán củabiểu thức (3). Khi so sánh với mô hình va chạm cứng, thì giới hạn đúng của biểu thức (2)được giới hạn bởi các mật độ phân tử cao hơn mật độ cắt ρ c  3.33A  137mbar [13]. ΓD Đóng góp chi phối tới mở rộng vạch phổ tại áp suất khí nhỏ hơn 1bar gây ra bởi va chạmcủa các phân tử khí với tường của lõi sợi HC-PCF, được mô tả trong Hình 2 (va chạm phântử -HC-PCF). Trong trường hợp này, chúng ta giả sử rằng các phân tử khí va chạm vớiTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 59, 02 - 2019 163 Vật ật lýtường ờng của llõi sợi quang sao cho sao khi va chạm chúng b ...