Nghiên cứu điều khiển tán sắc và sự phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử được bơm nước vào lớp vỏ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình khoa học nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn TS Chu Văn Biên, kết trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khoa học khác Tác giả luận văn Hà Nhƣ Hiền i LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử cách bơm nước vào lớp vỏ” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn thạc sĩ sau hai năm theo học chƣơng trình cao học chuyên ngành Vật l l thuyết Vật l toán trƣờng Đại học H ng Đức Để hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn này, lời tơi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS Chu Văn Biên, BM Vật lý, Khoa khoa học tự nhiên, Đại học H ng Đức Trong trình làm việc thực Luận văn, nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy Thầy động viên, khích lệ tơi vƣợt qua khó khăn cơng việc, nhƣ đặt v n đề nghiên cứu có t nh thời cao tạo hứng khởi nghiên cứu để theo đu i đề tài Luận văn Nhân dịp này, xin cảm ơn Ph ng Đào tạo sau đại học, Trƣờng Đại học H ng Đức, lãnh đạo khoa KHTN, Bộ môn Vật l thầy cô công tác trƣờng tạo điều kiện, thời gian đóng góp nh ng kiến qu áu cho tơi suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, xin cảm ơn nh ng ngƣời thân, bạn è, đ ng nghiệp ên tôi, động viên tơi hồn thành khóa học Luận văn Trân trọng cảm ơn! n n 25 tháng 06 năm 2020 Tác giả luận văn Hà Nhƣ Hiền ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.1 Mở đầu 1.2 Sợi tinh thể quang tử (PCFs) Phân loại sợi tinh thể quang tử 4 Chế tạo PCF Sự phát siêu liên tục PCFs 2.1 Sự lan truyền tuyến tính 10 2.2 Tán sắc vận tốc nhóm 13 2.3 Sự lan truyền phi tuyến 15 Các hiệu ứng phi tuyến 17 2.4.1 Tự điều chế pha (SPM) 17 Điều chế chéo pha (XPM) 18 Tán xạ Raman 18 Phƣơng pháp số (Phƣơng pháp Slip-Step-Fourier) 20 CHƢƠNG III 22 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Mơ hình c u trúc sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy nƣớc nguyên ch t 24 3.2.1 Vật liệu Borosilicate 24 2 Nƣớc 25 3.3 Kết số thảo luận 26 3 Đặc trƣng tán sắc sợi tinh thể quang tử đƣợc l p đầy nƣớc nguyên ch t 26 3.3.2 Sự phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc l p đầy nƣớc nguyên ch t 28 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tham số cấu trúc sợi tinh thể quang tử NL_33B1 25 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mặt cắt index guidinh PCF với lõi làm từ silica [10] Hình 1.2 Ảnh chụp mặt cắt ngang sợi suspended NL_35B1.[2] Hình 1.3 Các loại khác sợi tinh thể loại bandgap: (a) Sợi dạng tổ ong [15], (b) Sợi lõi rỗng Bragg [9], (c) Sợi dạng lục giác [5], (d) Sợi dạng lưới lục giác - PBF5B3 Hình 1.4 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình t àn k n p (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hoàn chỉnh [4] Hình 1.5 Sơ đồ biểu diễn trình phát siêu liên tục sợi quang phi tuyến [13] Hình 2.1 Tán sắc sợi qu n đơn mode án sắc tổng (D), tán sắc vật liệu (DM) tán sắc ống dẫn sóng (DW) [6] 15 Hình 2.2 Phonon quang học âm học 19 Hình 3.1 Đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy chất lỏng khác [12] 23 Hình 3.2 Mặt cắt ngang cấu trúc sợi tinh thể quang tử với lớp lỗ khí bên ngồi lớp vỏ bơm đầy nước d đường kính lỗ k í Λ k oảng cách hai lỗ 24 Hình 3.3 Thành phần chiết suất thực củ nước silica 26 Hình 3.4 Phân bố cườn độ sáng sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước T = 300C 27 Hình 3.5 Đặc trưn tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước nhiệt độ 30 0C 27 Hình 3.6 Xun đầu với giá trị khác chiều dài sợi quang: aVùng rộng; b-Vùng hẹp 29 v CÁC CHỮ VIẾT TẮT FWM: Trộn bốn ƣớc sóng GVD: Tán sắc vận tốc nhóm PCF: Sợi tinh thể quang tử SBS: Tán xạ Brillouin SC: Sự phát siêu liên tục SPM: Quá trình tự điều chế pha SSFM: Phƣơng pháp tách – ghép XPM: Điều chế chéo pha ZDW: Bƣớc sóng tán sắc khơng vi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khác với sợi quang thông thƣờng, sợi tinh thể quang tử có khả giới hạn ánh sáng vùng lõi sợi C u trúc sợi quang tinh thể đơn giản khối ch t dạng sợi làm ằng hợp ch t silica có nh ng lỗ kh chạy song song xếp với trục sợi Lõi vỏ sợi quang tử đƣợc làm ằng loại vật liệu, nên t nh ch t truyền dẫn ánh sáng sợi quang tử có mặt nh ng lỗ kh Vì đa dạng cách xếp lỗ kh ( ằng cách thay đ i khoảng cách hay án k nh chúng) nên sợi quang tử có khả điều khiển mạnh phản xạ ánh sáng gi a lõi tinh thể quang vùng phản xạ (lớp vỏ) Ngoài việc sử dụng vật liệu khác ao g m silica tinh khiết, ch t với hệ số phi tuyến cao, hay không kh , ch t lỏng mở ƣớc nhảy vọt thiết kế sợi quang Sợi quang tử có nhiều ƣu điểm tốc độ, ăng thông, khả uốn cong, tán sắc th p,… kết hợp với nh ng t nh ch t nhƣ thu đƣợc đơn mode, chênh lệch chiết su t th p, có khả trì phân cực Đây nh ng đặc điểm n i ật để sợi quang tử tƣơng lai thay cho sợi quang Sự đời sợi quang tử mở kỷ nguyên với r t nhiều ứng dụng truyền dẫn thông tin, laser quang học, thiết ị phi tuyến, truyền công su t cao, dụng cụ cảm iến kh nhạy cảm cao, vv… Đặc iệt với phát triển công nghệ truyền dẫn thông tin, sợi quang tử yếu tố thiết yếu c u thành nên hệ thống viễn thông đại giúp thúc đẩy cách mạng thông tin nhân loại với ứng dụng r t nhiều lĩnh vực then chốt đời sống, kinh doanh, công nghiệp, khoa học quân Từ việc tìm cách thức điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử ằng cách ơm nƣớc vào lớp vỏ, hƣớng tới ứng dụng thông tin quang, y tế y sinh Ch nh nh ng l mà chọn làm hƣớng nghiên cứu ch nh Trong đề tài mục tiêu nghiên cứu điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử ằng cách ơm nƣớc vào lớp vỏ Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm nƣớc vào lớp vỏ sợi quang ằng phƣơng pháp mô Từ nh ng nghiên cứu ảnh hƣởng ch t lỏng lên đặc t nh tán sắc sợi quang tử, đặc t nh quang học sợi tinh thể phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử hƣớng tới ứng dụng thông tin quang, y tế y sinh Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp mô phỏng, ằng cách sử dụng phần mềm mô MODE Lumerical - Phƣơng pháp số Slipt-step- Fourieir Dự kiến kết đạt đƣợc - Tìm đƣợc phƣơng pháp cách thức điều khiển tán sắc phát siêu liên tục số sợi quang có ơm nƣớc vào lớp vỏ Nội dung nghiên cứu Ngoài phần mở đầu, kết luận phụ lục, luận văn g m chƣơng: Chƣơng I: T ng quan Chƣơng II: Sợi quang tinh thể Chƣơng III: Nghiên cứu phát siêu liên tục sợi quang tử tinh thể ơm ch t lỏng ằng phƣơng pháp mô CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Trong chƣơng này, chúng tơi trình ày nh ng kiến thức t ng quan sợi tinh thể quang tử, loại sợi tinh thể quang tử thuộc t nh chúng Ngồi ra, phƣơng pháp chế tạo q trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc đề cập đến 1.1 Mở đầu Với phát minh laser vào năm 1960 đƣa đến nh ng tƣởng hệ thống quang học truyền tải d liệu Sự xu t Laser đ i hỏi phải có mơi trƣờng truyền dẫn thích hợp sợi quang học đời, đƣợc sử dụng r t rộng rãi Các sợi quang thơng thƣờng khơng có ứng dụng lĩnh vực thơng tin quang mà cịn có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhƣ y học, gia công, cảm biến r t nhiều lĩnh vực khác Các yếu tố ảnh hƣởng đến ch t lƣợng truyền sợi quang học m t mát độ tán sắc Trong nh ng năm gần đây, với phát triển không ngừng kỹ thuật cơng nghệ nói chung cơng nghiệp chế tạo sợi quang nói riêng, ản, sợi quang thông thƣờng tiến gần tới tiệm cận giới hạn Sợi quang tử tinh thể (PCF) đƣợc Russell đ ng nghiệp đƣa vào năm 1996 loại sợi quang Sự đời sợi quang tinh thể (PCFs) đƣợc coi cách mạng lĩnh vực chế tạo nghiên cứu sợi quang Nó kết hợp t nh ch t sợi quang thông thƣờng với t nh ch t tinh thể quang tử, so với sợi quang thơng thƣờng, sợi tinh thể quang tử có nhiều ƣu điểm tốc độ, mở rộng xung, m t mát th p, tán sắc th p v v… PCFs khắc phục nh ng hạn chế nội sợi quang thông thƣờng tạo tảng l tƣởng để quan sát tƣợng quang học mới, đặc iệt trình phát siêu liên tục Trong thực tế, trình phát siêu liên tục kết tƣơng tác gi a tán sắc hiệu ứng phi tuyến với cƣờng độ lớn xung ơm Trong khoảng mƣời năm vài thập kỷ gần đây, phát siêu liên tục thu hút đƣợc quan tâm đặc iệt nhà khoa học ởi nh ng ứng dụng đầy hứa hẹn lĩnh vực khác nhƣ đo lƣờng, quang ph , quân sự, y học hay công nghệ y sinh v v… Trong chƣơng chúng tơi trình ày cách t ng quan PCFs Mục nêu lên c u tạo sợi tinh thể quang tử Các loại sợi tinh thể quang tử phƣơng pháp chế tạo đƣợc trình ày mục Mục chúng tơi trình ày sơ lƣợc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử 1.2 Sợi tinh thể quang tử (PCFs) Sợi tinh thể quang tử (PCFs) đƣợc chế tạo với lỗ không khí chạy song song xếp với trục sợi có hình dạng giống mạng lục giác Lõi vùng vỏ sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ loại vật liệu Vì đa dạng cách xếp lỗ kh nên sợi quang tử có khả điều khiển mạnh phản xạ ánh sáng gi a lõi tinh thể quang vùng phản xạ Sợi tinh thể quang tử với nhiều tính ch t mới, đặc biệt mà thu đƣợc sợi quang thông thƣờng Sợi tinh thể quang tử với nhiều ƣu điểm tốc độ, ăng thông, khả uốn cong, tán sắc th p,… thay cho sợi quang Ngoài việc sử dụng linh động vật liệu khác bao g m silica tinh khiết, ch t thủy tinh mềm với hệ số phi tuyến cao, khơng khí, hay ch t lỏng mở ƣớc nhảy vọt trình thiết kế sợi tinh thể quang tử Sự đời sợi tinh thể quang tử mở kỷ nguyên với r t nhiều ứng dụng truyền dẫn thông tin, Laser quang học, thiết bị phi tuyến, truyền công su t cao, hay dụng cụ cảm biến vv… 1.3 Phân loại sợi tinh thể quang tử Dựa theo nguyên tắc truyền dẫn ánh sáng sợi quang, sợi tinh thể quang tử đƣợc chia thành hai loại chính: Loại thứ nh t, sợi dẫn theo chiết su t (index guiding PCF) đó, ống dẫn kh đƣợc bố trí xung quanh phần trung tâm lõi đặc sợi (do c n đƣợc gọi sợi lõi chiết su t cao - high-index core fibres) Bản ch t loại ánh sáng truyền dẫn lõi thơng qua q trình phản xạ toàn phần gi a lớp Ảnh hƣởng: Làm suy yếu lƣợng t n hiệu tới, lƣợng làm giảm khoảng cách độ sợi quang cho phép Hệ số độ lợi: gB ~ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào ƣớc sóng Cơng su t ngƣỡng cho SBS: PthSBS =21Aeff /gB Leff 2.5 Phƣơng pháp số (Phƣơng pháp Slip-Step-Fourier) Trong luận văn này, tập trung vào nghiên cứu phƣơng pháp tách – ghép (SSFM) để giải phƣơng trình Schrưdinger phi tuyến Phƣơng trình Schrưdinger phi tuyến t ng quát phải đƣợc viết dƣới dạng [20]: A(z, t) ˆ  N)A(z, ˆ  (D t) z (2.48) ˆ toán tử vi phân chi phối tán sắc h p thụ mơi Trong D trƣờng tuyến tính; N tốn tử phi tuyến chi phối ảnh hƣởng phi tuyến sợi lên xung truyền Các toán tử đƣợc đƣa theo công thức sau:  i k 1  k A(z, t) ˆ D   A(z, t)   k k! t k k 2 (2.49)      i  ˆ  N  i 1   A(z, t)  R(t ') A(z, t  t ') dt '    0 t     (2.50) Nói chung, tán sắc phi tuyến tác động qua lại dọc theo ˆ thỏa mãn hệ thức sau: ˆ N sợi quang Trong SSFM, hai toán tử D ˆ ˆ A(z  h, t)  exp(hD)exp(hN)A(z, t), (2.51) ˆ ) đƣợc giả định thỏa mãn điều kiện: với exp( hD ˆ ˆ )  FA(z,t) , exp(hD)A(z,t)  F1 exp hD(i  (2.52) ˆ ) F iểu thị biến đ i Fourier  tần số miền Fourier, D(i đƣợc l y từ phƣơng trình (2 49) thay toán tử  / t thuật ng i Vì ˆ ) số không gian Fourier, sau l y biểu thức Fourier D(i ˆ D 20 Nghiệm phƣơng trình (2.48) đƣợc viết lại nhƣ sau: ˆ  N)A(z,t) ˆ  A(z  h,t)  exp (hD  (2.53) Độ xác SSFM đƣợc cải thiện cách áp dụng số quy trình khác để truyền xung quang qua đoạn từ z đến z + h Phƣơng trình (2.51) trở thành:  zh  h ˆ  h ˆ  ˆ A(z  h, t)  exp  D  exp   N(z')dz'  exp  D  A(z, t)   2     z  (2.54) Phƣơng trình (2.54) cho phép xác định phi tuyến thơng qua h Nếu h đủ nhỏ, toán tử phi tuyến đƣợc l y x p xỉ theo biểu thức: zh  z h ˆ ˆ ˆ  h)  N(z')dz'   N(z)  N(z  (2.55) SSFM r t h u ích cho nhiều loại v n đề quang học bao g m lan truyền sóng khí [20], sợi chiết su t biến đ i[19], Laser bán dẫn [8] cộng hƣởng không n định [21] 21 CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ ĐƢỢC LẤP ĐẦY BỞI NƢỚC BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Trong chƣơng chúng tơi trình ày kết số q trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ borosilicate với lỗ khí đƣợc ơm đầy nƣớc nguyên ch t Kết hợp gi a phƣơng pháp số Slip-StepFourie phƣơng pháp mô phỏng, ảnh hƣởng xung đầu với chiều dài sợi tinh thể quang tử đƣợc đề cập đến 3.1 Giới thiệu Phƣơng pháp chung để tạo ngu n phát siêu liên tục sử dụng sợi tinh thể quang tử đƣợc chế tạo silica thủy tinh mềm có độ phi tuyến cao Sợi silica đƣợc sử dụng r t hiệu việc tạo ngu n siêu liên tục, nhiên quang ph lại bị giới hạn vùng ƣớc sóng nhìn th y vùng gần h ng ngoại Ngoài ra, độ phi tuyến silica tƣơng đối th p [17] Trong đó, sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ thủy tinh mềm có hệ số phi tuyến cao (cao silica) quan sát đƣợc vùng gi a h ng ngoại [10, 18] Nhờ độ phi tuyến cao vật liệu này, thu đƣợc ph với n định cao vùng ăng thông rộng Tuy nhiên nhƣợc điểm phƣơng pháp sợi thủy tinh mềm thƣờng khơng ngun ch t Nó đƣợc chế tạo từ r t nhiều thành phần khác gặp khó khăn việc chế tạo giá thành cao Một phƣơng pháp khác đạt đƣợc ăng thơng rộng sử dụng sợi tinh thể quang tử ơm đầy ch t lỏng vào lỗ khí Phƣơng pháp thu hút đƣợc nhiều đặc biệt nhà khoa học giải đƣợc hầu hết nhƣợc điểm mà phƣơng pháp mang lại Lý ch t lỏng có chiết su t phi tuyến tƣơng đối cao so với ch t rắn [5, 10, 22], điều cho phép quan sát tƣợng phi tuyến cách dễ dàng với cƣờng độ th p so với sợi lõi đặc thông thƣờng Bên cạnh đ y, sử dụng ch t 22 lỏng với chiết su t khác cho phép sửa đ i đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử mà khơng làm thay đ i thơng số hình học Điều mở hƣớng thiết kế c u trúc sợi tinh thể quang tử Một ƣu điểm n a việc sử dụng sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy ch t lỏng ph đƣợc phát đƣợc kiểm soát cách thay đ i nhiệt độ áp su t ơm ởi kiểm sốt thuộc tính quang học sợi tinh thể quang tử cách điều chỉnh yếu tố Các kết nghiên cứu rằng, cách ơm ch t lỏng vào lỗ khí, thay đ i đặc tính sợi tinh thể quang tử nhƣ: dịch chuyển ƣớc sóng tán sắc khơng; thay đ i hình dạng độ dốc đƣờng tán sắc (mô tả nhƣ Hình 1) Hình 3.1 Đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy chất lỏng khác [12] Đặc biệt cách sử dụng ch t lỏng có độ phi tuyến cao, thu đƣợc vùng ph mong muốn với đặc tính ph nhƣ độ phẳng, ăng thông rộng hay độ n định cao ph Trong chƣơng tập trung nghiên cứu trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy nƣớc Chúng chọn nƣớc để nghiên cứu nƣớc dung mơi điển hình, hịa tan hầu hết hợp ch t lƣỡng phân tử hợp ch t h u Thêm vào đ y, thực tế 23 sợi tinh thể quang tử với lõi l p đầy nƣớc đƣợc sử dụng để tạo môi trƣờng phi tuyến nghiên cứu q trình phát siêu liên tục 3.2 Mơ hình cấu trúc sợi tinh thể quang tử đƣợc bơm đầy nƣớc nguyên chất Mặt cắt ngang c u trúc sợi tinh thể quang tử đƣợc biểu diễn nhƣ Hình 3.2 Sợi tinh thể quang tử đƣợc thiết kế dựa c u trúc NL_33B1 với tham số c u trúc đƣợc mô tả bảng 3.1 Sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ borosilicate, lỗ khí lớp vỏ đƣợc l p đầy nƣớc nguyên ch t Hình 3.2 Mặt cắt ngang cấu trúc sợi tinh thể quang tử với lớp lỗ khí bên lớp vỏ bơm đầy nước, d đường kính lỗ khí, Λ khoảng cách hai lỗ 3.2.1 Vật liệu Borosilicate Chúng giả sử rằng, sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ borosilicate Chúng xem xét sợi tinh thể đƣợc làm borosilicate chiết su t phi tuyến cao Ngồi borosilicate có nhiệt độ nóng chảy tƣơng đối cao so với nƣớc việc sử dụng r t phù hợp nghiên cứu ảnh hƣởng đặc tính quang học sợi tinh thể quang tử nhiệt độ thay đ i Borosilicate đƣợc làm từ hỗn hợp ch t khác với thành phần: 55% SiO2, 1% Al2O3, 26% B2O3, 3% Li2O, 9.5% Na2O, 5.5% K2O, 0.8% 24 As2O3 [20] Chiết su t orosilicate đƣợc mô tả cách sử dụng công thức Sellmeier: n()   B3 B1 B2      C1   C2   C3 (3.1) Trong đó: B1 = 1.15702228, B2 = 0.14959764, B3 = 1.36007514, C1 = 0.00614152 m2 , C2 = 0.02521981 m2 , and C3 = 122.8441325 m2 hệ số Sellmeier Bảng 3.1 Tham số cấu trúc sợi tinh thể quang tử NL_33B1 Tham số cấu trúc NL_33B1 Số vịng lỗ khí Hằng số mạng - Λ [ 3.38 ] Đường kính lõi – dlõi [ 4.73 ] Đường kính lỗ khí vịng – d1 [ Đường kính lỗ khí vịng khác [ 1.859 ] ] 1.25-1.77 3.2.2 Nước Chúng sử dụng công thức Cauchy để mô tả chiết su t nƣớc, kh chiết su t hàm ƣớc sóng nhiệt độ Đƣợc mơ tả cơng thức (3.2) [18]: n w (, t)  A(t)  Trong B(t) C(t) D(t)   2   (3.2) ƣớc sóng đƣợc đo ằng đơn vị nm; t nhiệt độ đƣợc tính C A(t), B(t), C(t), D(t) hệ số Cauchy đƣợc mơ tả phƣơng trình [12]: A  t   1.3208  1.2325.105 t  1.8674.106 t  5.0233.109 t (3.3) B t   5208.2413  0.5179t  2.284.102 t  6.9608.105 t (3.4) C  t   5208.2413  0.5179t  2.284.102 t  6.9608.105 t (3.5) 25 D  t   9.3495  1.7855.103 t  3.6733.105 t  1.2932.107 t (3.6) Hình 3.3 Thành phần chiết suất thực nước silica 3.3 Kết số thảo luận Trong phần mô phỏng, cách sử dụng phần mềm Lumerical MODE Solutions [26] thiết kế c u trúc sợi tinh thể NL_33B1 dựa vào thông số an đầu Chúng tơi giả sử, ch t đƣợc làm từ thủy tinh mềm orosilicate, lớp vỏ sợi tinh thể đƣợc l p đầy nƣớc 3.3.1 Đặc trưng tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước nguyên chất Để nghiên cứu đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử, mơ phỏng, chúng tơi tính tốn cho phƣơng thức lan truyền sóng ản nhƣ hàm ƣớc sóng vùng 0.5m – 2m Chúng sử dụng nhiệt độ nƣớc nhiệt độ phịng 30oC 26 Hình 3.4 Phân bố cường độ sáng sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước T = 300C Hình 3.4 mơ tả phân bố cƣờng độ sáng sợi tinh thể quang tử đƣợc l p đầy nƣớc T = 300C phƣơng thức truyền dẫn ản Kết cho th y rằng, ánh sáng chủ yếu tập trung lớp lõi sợi tinh thể quang tử Hình 3.5 Đặc trưng tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước nhiệt độ 30 0C 27 Hình 3.5 mơ tả đặc trƣng tán sắc sợi tinh thể quang tử đƣợc l p đầy nƣớc nhiệt độ 300C Kết rằng, sợi đƣợc l p đầy nƣớc đặc tính tán sắc dịch chuyển từ vùng tán sắc dị thƣờng sang vùng tán sắc thông thƣờng Cụ thể: ƣớc sóng tán sắc khơng (ZDW) có giá trị 1.08 m 1.17 m sợi tinh thể khô (khi chƣa ơm nƣớc) sợi tinh thể ơm nƣớc Ngoài ra, cách ơm đầy nƣớc vào lớp vỏ làm cho độ dốc đƣờng cong tán sắc giảm xuống Điều vô quan trọng trình phát siêu liên tục tốt nh t ƣớc sóng ơm đƣợc sử dụng gần với ƣớc sóng tán sắc khơng với độ tán sắc th p Ngoài ra, trƣờng hợp thu đƣợc đặc tính tán sắc t n vùng chế độ tán sắc ình thƣờng vùng dị thƣờng Tán sắc phẳng thu đƣợc vùng ƣớc sóng từ 1.2 m đến 2.0 m 3.3.2 Sự phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử lấp đầy nước nguyên chất Để nghiên cứu phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử, sử dụng phƣơng pháp Slip-Step-Fourier để giải phƣơng trình Schrodinger phi tuyến t ng quát:  A  c  A  i n 1  n  A   n A  i  A A  i A A  fRA  (3.7) n z n!  c  T  T  t   n 2    Trong A iên độ trƣờng quang học,  hệ số m t mát, βn bậc khai triển Taylor, γ hệ số phi tuyến, λc ƣớc sóng trung tâm, fR hàm Raman Trong mô phỏng, giả sử xung đầu vào có dạng xung Gauss với tham số: chiều dài sợi quang 10 cm, 15cm, 20cm, 30cm, fR = 0.18, 1  12.2 fs, 2  32 fs, chiết su t phi tuyến borosilicate n2 = 1.1 x10-19 m2/w [3], ƣớc sóng ơm λ = 850 nm, lƣợng ơm E = nJ xung ơm f = 200 fs 28 Trong phần này, tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng chiều dài sợi tinh thể quang tử đến xung đầu thực tế khoảng cách lan truyền (chiều dài sợi) ảnh hƣởng r t lớn đến tín hiệu đầu (xung đầu ra) Kết nghiên cứu đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.6 (a), (b) Hình 3.6 Xung đầu với giá trị khác chiều dài sợi quang: aVùng rộng; b-Vùng hẹp Kết cho th y thay đ i chiều dài sợi, độ rộng hình dạng ph thay đ i Sự thay đ i thể hiên rỏ nét chiều dài sợi ngắn (dƣới 15 cm) Khi chiều dài sợi tăng lên (lớn 15 cm), ảnh hƣởng giảm xuống 29 độ rộng ph gần nhƣ không thay đ i (Hình 3.6 (b)) Nguyên nhân trình tính phi tuyến mơi trƣờng vật ch t thể cách tức có tác động xung đầu vào Quá trình phi tuyến thể nh ng centimet đầu tiên, đ y, m t mát sợi quang nguyên nhân chủ yếu mở rộng ph Trong trƣờng hợp chiều dài sợi quang 20 cm, lƣợng ơm nJ, f = 200 fs, ƣớc sóng ơm 850 nm, thu đƣợc xung đầu n định với độ rộng ph 296 nm vùng ƣớc sóng từ 733nm đến 1034 nm Hình 3.7 Quá trình mở rộng xung sợi tinh thể quang tử theo chiều dài sợi quang Hình 3.7 mơ tả xung đầu tiến triển theo thời gian dọc theo chiều dài sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy nƣớc nguyên ch t với lƣợng đầu vào 0.5 nJ Bởi vị tr ƣớc sóng ơm nằm vùng tán sắc thơng thƣờng, trình phi tuyến bắt đầu với hiệu ứng tự điều chế pha, xung đầu mở rộng đối xứng xung quanh ƣớc sóng ơm Các hiệu ứng phi tuyến xảy nh ng milimet sợi Tiếp sau đó, mở rộng thêm ph đ vỡ hàm sóng Sau chiều dài lan truyền đạt đƣợc cm, trình mở rộng ph kết thúc quang ph trở nên phẳng ảnh hƣởng hiệu ứng trộn bốn sóng giảm xuống 30 KẾT LUẬN Trong luận văn chúng tơi trình ày nghiên cứu số tính ch t sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy nƣớc Chúng sử dụng sợi tinh thể quang tử làm thủy tinh Borosilicate với đƣờng kính lõi 4.73 m Kết cho th y, cách ơm đầy l khí nƣớc nguyên ch t, thay đ i hình dạng đặc tính tán sắc sợi Cụ thể, dịch chuyển đƣờng cong tán sắc từ vùng dị thƣờng sang vùng tán sắc thông thƣờng Ngoài ra, độ cong tán sắc giảm xuống Giá trị ZDW dịch chuyển theo chiều hƣớng tăng ƣớc sóng lỗ kh đƣợc ơm đầy nƣớc nguyên ch t Với kết chứng tỏ rằng, sử dụng tham số c u trúc hợp lý, kết hợp với ơm đầy lỗ khí nƣớc nguyên ch t, thiết kế c u trúc sợi với đặc tính tán sắc phù hợp với mục đ ch ứng dụng sống Ngoài ra, cách sử dụng phƣơng pháp Slip-Step-Fourier, chúng tơi giải phƣơng trình Schrodinger phi tuyến t ng quát tìm lời giải cho xung đầu Kết hợp gi a phƣơng pháp mơ tính tốn số, chúng tơi nghiên cứu ảnh hƣởng chiều dài sợi quang lên đặc tính ph đầu tƣợng phát siêu liên tục Các kết rằng, độ rộng ph độ kết hợp ph đầu phụ thuộc r t lớn vào chiều dài sợi Quá trình mở rộng ph xu t nh ng centimet đầu tiên, sau đ y trình mở rộng ph n định ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến giảm Với kết nghiên cứu này, chúng tơi hy vọng góp phần làm phong phú thêm kiến thức sợi tinh thể quang tử nói chung sợi tinh thể quang tử đƣợc l p đầy nƣớc nói riêng Chúng tơi hy vọng nghiên cứu ƣớc đầu, sở để kết hợp với phƣơng pháp khác nhằm xác định đƣợc đặc t nh quan trọng ch t lỏng Từ xem xét ứng dụng thực tế 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A B Salem, M Diouf, A Cherif, A Wague and M Zghal (2016), Ultraflat-top mid- infrared coherent broadband supercontinuum using all normal As2S5-borosilicate hybrid photonic crystal fiber, Optical Engineering, 55(6) 066109 [2] A S Webb, F Poletti, D J Richardson, J K Sahu (2007) Suspendedcore holey fiber for evanescent-field sensing, Optical Engineering, 46, pp 1-3 [3] D Lorenc, M Aranyosiova, A Vincze, D Velic R Buczynski, (2008), “Nonlinear R Stepien, refractive I Bugar, index of multicomponent glasses designed for fabrication of photonic crystal fibers”, Applied Physics B, 0946-2171 [4] D Pysz, I Kujawa, R Stepien, M Klimezak, A Filipkowski, M Franczyk, L Kociszewski, J Buzniak, K Harasny, and R Buczynski, Stack and draw fabrication of soft glass micro-structured fiber optics, Bull Pol Ac Tech 62(4), 2300-1917 (2014) [5] F Luan, A K George, T D Hedley, G J Pearce, D M Bird, J C Knight, and P S J Russell, All-solid photonic bandgap fiber, Opt Lett 29, 2369-2371 (2004) [6] G P Agrawal, Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, ISBNS: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic) [7] G P Agrawal, (2007), Nonlinear Fiber Optics, Academic, San Diego, Calif [8] G P Agrawal (1984), Fast-Fourier-transform based beam- propagation model for stripe- geometry semiconductor Lasers: Inclusion of axial effects, J Appl Phys 56, 3100 [9] G Vienne, Y Xu, C Jakobsen, H J Deyerl, J B Jensen, T Sorensen, T P Hansen, Y Huang, M Terrel, R K Lee, NA Mortensen , J 32 Broeng, H Simonsen, A Bjarklev, and A Yariv (2004), Ultra-large bandwidth hollow-core guiding in all-silica Bragg fibers with nanosupports, Opt Express 12, pp 3500-3508 [10] Le Van Hieu (2018), Dispersion Managenement and Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers infiltrated with liquids, Doctoral thesis, University of Zielona Góra [11] Le Van Hieu, Nguyen Thi Hue, Ho Dinh Quang (2018), “ Influence Temperature And Concentration of water on Borosilicate Glass Photonic Crystal Fiber Mixture” Communications in of Properties of Infiltrated by Water– Nƣớc Physics, Vol 28, pp 61-73 [12] Le Van Hieu, R Buczynski, Cao Long Van, M Trippenbach, K Borzycki, Nguyen Manh An and R Kasztelanic (2017), “Measurement of temperature and concentration influence on the dispersion of fused silica glass photonic crystal fiber infiltrated with water-nƣớc mixture”, Optics Communications 407, 417-422 [13] Huanhuan Liu, Ye Yu, Wei Song, Qiao Jiang and Fufei Pang (2019), “Recent development of flat supercontinuum generation in specialty optical fi ers” , Opto-Electronic Advances, Vol 2, No 2, DOI: 10.29026/oea.2019.180020 [14] J A Armstrong N Bloembergen, J Ducuing, and P S Pershan, (1962), “Interactions etween light waves in a nonlinear dielectric”, Phys Rev 127, pp 1918-1939 [15] J Broeng, T Sondergaard, S E Barkou, P M Barbeito, and A Bjarklev (1999), “Waveguiding y the photonic bandgap effect in optical fi ers”, J Opt A 1, pp 477 - 482 [16] J Pniewski, T Stefaniuk, Le Van Hieu, Cao Long Van, L C Van, R Kasztelanic, G Stepniewski, A Ramaniuk, M Trippenbach, and R Buczynski (2016), “Dispersion engineering in nonlinear soft glass 33 photonic crystal fi ers infiltrated with liquids”, Applied Optics 55 (19) 1559-128X [17] K M Gundu, M Kolesik, and J V Moloney(24 July 2006), “Ultraflattened - dispersion selectively liquid - filled photonic crystal fi ens”, OPTICS EXPRESS, Vol 14, No 15, 6870 [18] M DiDomenico (1966), “Generation of Ultrashort Optical Pulses y Mode Locking the 171 YAIG:Nd Laser”, Applied Physics Letters 8, 180 [19] M D Feit and J A Fleck (1978), “Light propagation in graded-index optical fi ers”, Appl Opt 17, 3990 [20] M Lax, J H Batteh, and G P Agrawal (1981), “Channeling of intense electromagnetic eams”, J Appl Phys 52, 109 [21] M Lax, G P Agrawal, M Belic, B J Coffey, and W H Louisell (1985), “Electromagnetic-field distribution in loaded unstable resonators”, J Opt Soc Am A 2, 732 [22] R H Stolen, J E Bjorkholm, and A Ashkin (1974), “Phase-matched three-wave mixing in silica fi er optical waveguides”, Applied Physics Letters 24, 308 [23] R R Alfano and S L Shapiro (1970), “Emission in the region 4000 to 7000 A via four- photon coupling in glass”, Phys Rev Lett Vol 24, NO 11 [24] T A Birks, J C Knight, and P St J Russell (1997), “Endlessly singlemode photoie crystal fiber", Opt Lett., vol 22, no 13, pp 961-963 [25] T Miya, Y Terunuma, T Hosaka, and T Miyoshita (1979), “Ultimate low-loss single- mode fiber at 1.55 m”, Electron Lett 15, 106 TÀI LIỆU WEB [26] https://www.lumerical.com 34