Phân bố tâm hoạt kích thích trong môi trường laser raman bơm dọc

Trong bài viết này trình bày cấu trúc laser Raman phát sóng Stokes. Xuất phát từ biểu thức mô tả phân bố Gauss của công suất các sóng tương tác, các biểu thức phân bố về mật độ tâm hoạt, nhiệt độ và chiết suất đã được dẫn giải một cách tường minh. Từ những biểu thức đó chúng tôi đã mô phỏng và bình luận về phân bố năng lượng bơm, phân bố mật độ tâm hoạt bị kích thích dẫn đến mật độ phân bố nhiệt trong hoạt chất laser.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân bố tâm hoạt kích thích trong môi trường laser raman bơm dọcNghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ ph©n bè t©m ho¹T KÝCH THÝCH TRONG M¤I TRêng laser RaMAN B¥M DäC MAI VĂN LƯU Tóm tắt: Trong bài viết này chúng tôi đã trình bày cấu trúc laser Raman phát sóng Stokes. Xuất phát từ biểu thức mô tả phân bố Gauss của công suất các sóng tương tác, các biểu thức phân bố về mật độ tâm hoạt, nhiệt độ và chiết suất đã được dẫn giải một cách tường minh. Từ những biểu thức đó chúng tôi đã mô phỏng và bình luận về phân bố năng lượng bơm, phân bố mật độ tâm hoạt bị kích thích dẫn đến mật độ phân bố nhiệt trong hoạt chất laser.Từ khóa: Phân bố Gauss, Laser Raman, Tâm hoạt kích thích. 1. MỞ ĐẦU Laser Raman là sự phát triển của công nghệ laser chất lượng cao ở gần vùng hồngngoại. Mô phỏng cơ bản về tán xạ Raman, bên cạnh những sóng Stokes thì sóng đốiStokes có thể được phát sinh với năng lượng cao bởi buồng cộng hưởng (BCH) bội ba [1]. Sự sinh nhiệt trong hoạt chất là bản chất của laser nói chung và laser Raman nói riêng.Chính vì vậy, trong công nghệ chế tạo chúng ta không thể triệt tiêu mà chỉ có thể hạn chếhiện tượng này. Tuy nhiên, cần thấy rằng có thể loại trừ nhiệt trong hoạt chất nếu chuyểncác dao động nhiệt thành dao động kết hợp, tức là chuyển năng lượng nhiệt thành nănglượng laser[2]. Trong cấu hình laser Raman, chúng ta hoàn toàn có thể thực hiện đượcđiều này nhờ phát xạ đối Stokes cưỡng bức (laser Raman BCH bội ba). Khi đó, trongmôi trường laser sẽ đồng thời xuất hiện dịch chuyển Stokes (sinh nhiệt) và đối Stokes(huỷ nhiệt), hai quá trình này sẽ cạnh tranh với nhau mà kết quả là làm giảm đi ảnhhưởng không tốt của các hiệu ứng nhiệt đến quá trình hoạt động của laser [9]. Hình 1. Cấu trúc laser Raman phát sóng Stokes[5]. Giả thiết laser Raman phát sóng Stokes có cấu trúc như hình 1. Trong quá trình hoạtđộng của laser Raman, trong BCH tồn tại hai trường, trường bơm (p) và trường Stokes (s)có biên độ uq ( r ), ( q  p, s ) . Trong nghiên cứu này chúng tôi giả thiết một laser Ramanđược bơm dọc bằng laser xung phân bố Gauss theo thời gian và không gian (trên tiết diệnngang). Khi môi trường được kích thích bởi xung laser ngoài thì sóng tán xạ Stokes, sóngđối Stokes và sóng thứ cấp phát sinh. Sóng nào trong hai sóng đó được khuếch đại còn phụthuộc vào cấu trúc của BCH [7]. BCH chỉ khuếch đại sóng tần số Stokes và tần số bơm. 2. QUÁ TRÌNH SINH NHIỆT Quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất laser Raman có thể trình bày trên hình 2. Quá trìnhchuyển dịch Stokes do bơm ngoài đã kích thích các tâm hoạt trong môi trường Raman lêntrạng thái dao động kích thích 2. Trong quá trình khuếch đại và bơm, cư trú tâm hoạt trênmức kích thích này ngày càng nhiều. Từ đây các tâm hoạt tất nhiên sẽ tích thoát về trạngT¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 30, 04-2014 91 VËt lýthái cơ bản không thông qua con đường kết hợp, tức là không tái phát sinh phô tôn. Chỉ cóthể có con đường dao động, phát sinh năng lượng nhiệt để đưa các tâm hoạt này quay vềtrạng thái cơ bản. Nhiệt sinh ra do dao động này đã làm cho nhiệt độ của môi trường hoạtngày càng tăng. Hình 2. Quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất laser phát sóng Stokes[4.] Trong quá trình dịch chuyển Stokes, số tâm hoạt bị kích thích lên mức trên tỉ lệ thuậnvới số phô tôn bơm và số phô tôn Stokes, tức là tỉ lệ thuận với công suất của sóng bơm vàsóng Stokes: N A   p I p (  ) s I S (  ) (1)trong đó, N A là tâm hoạt bị kích thích,  p , S hệ số hấp thụ hiệu dụng sóng bơm và sóngStokes, I (  ) p , S phân bố cường độ sóng bơm và sóng Stokes theo bán kính hướng tâm(trên tiết diện ngang). Do phân bố của công suất hai sóng này không đều trên tiết diện ngang của hoạt chất(giả thiết phân bố Gauss) nên phân bố tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang hay nhiệtđộ trên tiết diện ngang cũng không đều (Gauss). Cách thức phân bố của tâm hoạt bị kíchthích dẫn đến phân bố nhiệt độ trên tiết diện ngang của hoạt chất được nghiên cứu và trìnhbày dưới đây. 3. PHÂN BỐ MẬT ĐỘ TÂM HOẠT KÍCH THÍCH Giả sử chùm tia bơm là mode không gian cơ bản TEM00 của một laser khác, u ( r ) códạng sau[1]:  1  r 2kq U q r   u q r , z   e  1  i 2 z / bq bq 1  i 2 z / bq   sin k q z (2) 2 2 2 ...