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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn TS Chu Văn Biên, kết đề tài nghiên cứu trung thực, chƣa công bố tài liệu khác Tác giả luận văn Lê Nhất Trƣởng Tuấn i LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử cách bơm ethanol 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 lí l thuyết Vật lí tốn 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 tới thầy - TS Chu Văn Biên, TS Lê Văn Hiệu mơn Vật lí, Khoa khoa học tự nhiên, Đại học H ng Đức Trong trình làm việc thực Luận văn, nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy Các Thầy động viên, khích lệ tơi vƣợt qua khó khăn cơng việc, nhƣ đặt vấn 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 kiến qu áu cho tơi suốt q trình nghiên cứu Các nghiên cứu luận văn đƣợc thực tài trợ đề tài khoa học cấp tỉnh: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình đào tạo thực hành thí nghiệm sợi quang gắn với phát triển hoạt động nghiên cứu khoa học hợp tác quốc tế trƣờng Đại học H ng Đức”, Số hợp đ ng 796/2019 HĐKHCN-ĐTKHCN Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ Cuối cùng, xin cảm ơn ngƣời thân, bạn bè, đ ng nghiệp ln ên tơi, động viên tơi hồn thành khóa học Luận văn Trân trọng cảm ơn! Thanh H n tháng năm 2020 Tác giả luận văn Lê Nhất Trƣởng Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỀU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.1 Mở đầu 1.2 Sợi tinh thể quang tử (PCFs) 1.3 Các loại sợi tinh thể quang tử 1.4 Chế tạo PCF CHƢƠNG II LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 2.1 Sự lan truyền tuyến tính sợi quang 2.3 Tán sắc vận tốc nhóm 12 2.5 Sự lan truyền phi tuyến sợi quang 13 2.6 Tạo phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử 14 2.7 Các hiệu ứng phi tuyến 15 Phƣơng pháp số (Phƣơng pháp Slip-Step-Fourier) 18 CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ ĐƢỢC LẤP ĐẦY BỞI HỖN HỢP NƢỚC VÀ ETHANOL BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG………… ……… .20 3.1 Giới thiệu 20 3.2 Mô hình cấu trúc sợi tinh thể quang tử……………………………….21 3.2.1 Chất Borosilicate……………………………………………… 22 3.3.2 Sự phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy etanol thay đ i chiều dài sợi quang 26 KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT FWM (Four-Wave Mixing): Trộn bốn sóng GVD (Dispersion group velocity) : Tán sắc vận tốc nhóm HC – PCF (Hollow Core-Photonic crystal fiber): Sợi tinh thể quang tử lõi rỗng PBG (Photonic Band Gap): Sợi tinh thể quang tử Band gap guiding PCF (Photonic crystal fiber) : Sợi tinh thể quang tử SG (Supercontinuum generation): Sự phát siêu liên tục SPM (Self- Phase Modulation): Quá trình tự điều chế pha SSFM (Slip-Step-Fourier): Phƣơng pháp tách – ghép XPM (Cross- Phase Modulation): Điều chế chéo pha ZDW (Zero Dispersion Wavelength): Bƣớc sóng tán sắc khơng iv DANH MỤC BẢNG BIỀU Bảng 3.1 Tham số cấu trúc sợi tinh thể quang tử NL_33B1……………22 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2 Các loại khác sợi tinh thể loại bandgap: (a) Sợi lõi rỗng Bragg [12], (c) Sợi dạng lục giác [8] Hình 1.3 Chế tạo sợi tinh thể quang tử: (a) tạo ống nhỏ riêng rẽ, (b) hình th nh khn phơi (c) bước tạo hình trung gian, (d) bước tạo sợi hoàn chỉnh [7] Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn trình phát siêu liên tục sợi quang học [17] 15 Hình 3.1 Đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy chất lỏng khác [16] 21 Hình 3.2 Phần thực (a) phần ảo (b) chiết suất cho số chất lỏng thông dụng [23] 22 Hình 3.3 Mặt cắt ngang cấu trúc sợi tinh thể quang tử với lớp lỗ khí bên ngồi lớp vỏ bơm đầy eth nol d l đường kính lỗ khí Λ l khoảng cách hai lỗ khí [16] 23 Hình 3.4 Phần thực chiết suất ethanol [18] 24 Hình 3.5 Hệ số lan truyền ethanol nhiệt độ 200C [19] 24 Hình 3.6 phân bố cườn độ sáng sợi tinh thể quang tử lấp đầy ethanol t = 300C 25 Hình 3.7 Đặc trưn tán sắc sợi tinh thể quang tử lấp đầy ethanol nhiệt độ 300C 26 Hình 3.8 Phân bố xun đầu với năn lượn bơm khác nh u chiều dài sợi L = 20 cm 27 Hình 3.9 Phân bố xun đầu với chiều dài sợi khác nh u năn lượn bơm E = 0.8 nJ 28 vi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Năm 1966, Charles Kuen Kao George Hockman, hai kỹ sƣ trẻ phịng thí nghiệm chuẩn viễn thơng (Anh) công ố khám phá đầy hứa hẹn khả sử dụng sợi quang – sợi thủy tinh nhựa suốt linh hoạt mỏng sợi tóc Nhƣng đến cuối năm 70 với tiến cải tiến vật liệu làm sợi quang, công ty viễn thông định triển khai sử dụng công nghệ này, mạng cáp quang bắt đầu ph biến thành phố nhƣ dƣới l ng đại dƣơng Nhƣng làm nên cách mạng vào năm 90, internet khiến công nghệ cáp quang thực bùng n Cáp quang trở thành sở Internet Wi-fi, đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực nhƣ truyền hình mạng trụ cột mạng giải tr gia đình Năm 1996, sợi tinh thể quang tử (PCF) đƣợc khám phá lần Đại học Bath, Vƣơng quốc Anh, cải tiến đột phá quan trọng công nghệ sản xuất sợi quang Sợi tinh thể quang tử kế thừa đƣợc ƣu việt sợi quang thơng thƣờng nhƣng có tính chất đột phá quan trọng: dựa tính chất tinh thể quang tử có khả giới hạn ánh sáng vùng lõi sợi, mà điều thu đƣợc sợi quang thông thƣờng Một điểm ƣu việt sợi tinh thể quang tử khiến ƣu việt sợi quang thơng thƣờng tính tùy biến cao: Một sợi quang tinh thể ản sợi quang hợp chất silica có lỗ khí chạy song song xếp với trục sợi Không giống nhƣ sợi quang thông thƣờng, lõi vùng vỏ sợi quang tử đƣợc làm loại vật liệu, tính chất truyền dẫn ánh sáng sợi quang tử bắt ngu n từ có mặt lỗ khí Do đa dạng cách xếp lỗ khí (bằng cách thay đ i khoảng cách hay bán kính chúng) nên sợi quang tử có khả điều khiển mạnh phản xạ ánh sáng lõi tinh thể quang vùng phản xạ (lớp vỏ) Ngoài việc sử dụng vật liệu khác bao g m silica tinh khiết, chất với hệ số phi tuyến cao, hay khơng khí, chất lỏng mở bƣớc nhảy vọt thiết kế sợi quang Nhƣ cách thay đ i đƣờng kính lỗ khoảng cách lỗ mà tính chất truyền ánh sáng sợi quang khác điều mà sợi quang thƣờng khơng làm đƣợc, đặc biệt có nhiều cách thiết kế sợi quang thay đ i mơi trƣờng lấp đầy, từ có nhiều cách thiết kế sợi quang để mang đến tính chất n i bật lĩnh vực Sợi tinh thể quang tử ngồi tính chất sợi quang thơng thƣờng, cịn có nhiều tính chất mới, đặc biệt mà ta khơng thể thu đƣợc sợi quang thông thƣờng Sợi quang tử với nhiều ƣu điểm tốc độ, ăng thông, khả uốn cong, tán sắc thấp, kết hợp với tính chất nhƣ ln ln đơn mode, chênh lệch chiết suất thấp, có khả trì phân cực Đây đặc điểm n i bật để sợi quang tử tƣơng lai thay cho sợi quang Sự đời sợi quang tử mở kỷ nguyên với nhiều ứng dụng truyền dẫn thông tin, laser quang học, thiết bị phi tuyến, truyền công suất cao, v.v… Đặc biệt với phát triển công nghệ truyền dẫn thông tin, sợi quang tử yếu tố thiết yếu cấu thành nên hệ thống viễn thông (telecommunication) đại giúp thúc đẩy cách mạng thông tin nhân loại với ứng dụng nhiều lĩnh vực then chốt đời sống, kinh doanh, công nghiệp, khoa học quân Các sợi quang tử ngày đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu đặc biệt ơm chất lỏng khác dẫn tới nhiều tƣợng đặc biệt, có phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy chất lỏng, ví dụ nhƣ Etanol Từ việc tìm cách thức điều khiển tán sắc phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy chất lỏng, hƣớng tới ứng dụng thông tin quang, y tế y sinh Chính l mà chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC VÀ SỰ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ BẰNG CÁCH BƠM ETHANOL VÀO LỚP VỎ” làm hƣớng nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Mục đ ch nghiên cứu đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ n ng độ etanol lên đặc tính sợi tinh thể quang tử, từ tìm cách thức điều chỉnh đặc tính quang học sợi tinh thể quang tử ơm đầy etanol chất lỏng có độ phi tuyến cao Phƣơng pháp nghiên cứu Chúng sử dụng phƣơng pháp: - Phƣơng pháp mô cách sử dụng phần mềm mô MODE Solution - Phƣơng pháp t nh toán số Dự kiến kết đạt đƣợc - Đề xuất đƣợc phƣơng pháp thay đ i đặc tính sợi tinh thể quang tử cách ơm đầy etanol vào lỗ trống - Tìm đƣợc ảnh hƣởng n ng độ nhiệt độ etanol lên đặc tính sợi quang nhƣ đặc tính tán sắc, diện tích hiệu dụng, độ mát Từ tối ƣu đƣợc cấu trúc sợi tinh thể quang tử cho mục đ ch khác thực tiễn Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận chung, tài liệu tham khảo, luận văn có a chƣơng g m: Chƣơng I: T ng quan sợi tinh thể quang tử Chƣơng II: L thuyết lan truyền ánh sáng sợi quang Chƣơng III: Nghiên cứu phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol phƣơng pháp mô CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Chƣơng I trình bày vấn đề khái quát sợi tinh thể quang tử nhƣ: Kiến thức t ng quan, loại sợi tinh thể quang tử đặc tính loại, phƣơng pháp chế tạo trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử 1.1 Mở đầu Đầu năm 1960 việc phát minh Laser mở thời đại lĩnh vực quang học, nhiều ứng dụng Laser tạo lĩnh vực chun mơn hồn tồn khoa học nói riêng tạo đƣợc nhiều đột phá quan trọng công nghệ giúp thay đ i giới N i bật điều việc phát sợi quang có đƣờng kính thay đ i giới viễn thơng, đặc biệt internet Năm 1996 đánh dấu đời sợi tinh thể quang tử (PCFs) Đây loại sợi quang học Sợi quang học vừa kế thừa đƣợc ƣu điểm sợi quang thơng thƣờng với tính chất tinh thể quang tử nên có nhiều ƣu điểm tốc độ, mở rộng xung, mát thấp, tán sắc thấp v.v… Ngoài ra, lan truyền ánh sáng sợi tinh thể quang tử cho phép dễ dàng thu đƣợc đơn mode (một phƣơng thức truyền dẫn tối ƣu nhất, hao phí thấp nhất) Đặc biệt việc thay đ i chất tham số hình học, ngƣời ta tạo sợi tinh thể quang tử có vùng chế độ tán sắc ình thƣờng tán sắc dị thƣờng vùng ánh sáng nhìn thấy vùng gần h ng ngoại Nhờ tính chất đó, PCFs trở thành cơng cụ vơ hữu ích cho phép nhà khoa học nghiên cứu tƣợng quang học hay hiệu ứng phi tuyến Bên cạnh đấy, sợi tinh thể quang tử cho phép điều chỉnh kiểm soát đƣợc đặc tính quang học cách dễ dàng, từ giúp nhà khoa học khai thác đặc t nh cho mục đ ch yêu cầu khác nhƣ mô hay thực nghiệm CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ ĐƢỢC LẤP ĐẦY BỞI HỖN HỢP NƢỚC VÀ ETHANOL 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 ethanol Kết hợp phƣơng pháp số Slip-Step-Fourie phƣơng pháp mô phỏng, ảnh hƣởng xung đầu với chiều dài sợi tinh thể quang tử lƣợng xung ơm đƣợc đề cập đến 3.1 Giới thiệu Những năm gần đây, phƣơng pháp để đạt đƣợc ăng thông rộng ngu n phát Laser sử dụng sợi tinh thể quang tử ơm đầy chất lỏng có hệ số phi tuyến cao vào lỗ khí Phƣơng pháp thu hút đƣợc nhiều đặc biệt nhà khoa học giải đƣợc hầu hết nhƣợc điểm sử dụng vật liệu silica hay thủy tinh mềm mang lại Lý chất lỏng có chiết suất phi tuyến tƣơng đối cao so sánh với chất rắn [5, 10, 34], điều cho phép quan sát tƣợng phi tuyến (ví dụ nhƣ phát siêu liên tục) cách dễ dàng với cƣờng độ thấp so với sợi lõi đặc thông thƣờng Bên cạnh đấy, sử dụng chất lỏng với chiết suất khác cho phép sửa đ i đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử mà không làm thay đ i thơng số hình học Điều mở hƣớng thiết kế cấu trúc sợi tinh thể quang tử Một ƣu điểm việc sử dụng sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy chất lỏng ph đƣợc phát đƣợc kiểm soát cách thay đ i nhiệt độ áp suất 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 chất lỏng vào lỗ khí, thay đ i đặc tính sợi tinh thể quang tử nhƣ: dịch 20 chuyển ƣớc sóng tán sắc khơng; thay đ i hình dạng độ dốc đƣờng tán sắc (đƣợc mô tả nhƣ Hình 1) Hình 3.1 Đặc tính tán sắc củ sợi tinh thể qu n tử lấp đầ chất lỏn khác nh u [16] Đặc biệt cách sử dụng chất 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 Hiện nghiên cứu chủ yếu tập trung vào chất lỏng có hệ số phi tuyến cao Tuy nhiên, chất lỏng có hệ số phi tuyến cao thƣờng độc hại, điều làm giới hạn ứng dụng tiềm tàng thực tế Hình 3.2 biểu diễn phần thực phần ảo chiết suất số loại chất lỏng có độ phi tuyến cao 21 Hình 3.2 Phần thực ( ) v phần ảo (b) củ chiết suất cho số chất lỏn thôn dụn [23] Trong nghiên cứu chúng tơi lựa chọn ethanol ethanol có hệ số phi tuyến tƣơng đối cao so sánh với silica Bên cạnh đấy, ethanol độc hại Điều vô quan trọng ứng dụng thực tế Ngồi ethanol có hệ số hấp thụ tƣơng đối thấp vùng ƣớc sóng nhìn thấy vùng gần h ng ngoại 3.2 Mơ hình cấu trúc sợi tinh thể quang tử Mặt cắt ngang cấu trúc sợi tinh thể quang tử đƣợc biểu diễn nhƣ Hình 3.3 Sợi tinh thể quang tử đƣợc thiết kế dựa cấu trúc NL_33B1 với tham số cấu trúc đƣợc mô tả bảng 3.1 Sợi tinh thể quang tử đƣợc làm từ borosilicate, lỗ khí lớp vỏ đƣợc lấp đầy ethanol 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 [ m Đường kính lõi – dlõi [ m ] 3.38 ] 4.73 Đường kính lỗ khí vịng – d1 [ m Đường kính lỗ khí vịng khác [ m 22 ] 1.859 ] 1.25-1.77 Hình 3.3 Mặt cắt n n cấu trúc sợi tinh thể qu n tử với lớp lỗ khí bên n o i lớp vỏ bơm đầ eth nol d l đườn kính lỗ khí Λ l khoản cách iữ h i lỗ khí [16] 3.2.1 Chất Borosilicate Chúng xem xét sợi tinh thể đƣợc làm borosilicate chiết suất phi tuyến cao Borosilicate đƣợc làm từ hỗn hợp chất khác với thành phần hóa học: 55% SiO2, 1% Al2O3, 26% B2O3, 3% Li2O, 9.5% Na2O, 5.5% K2O, 0.8% As2O3 [29] Chiết suất borosilicate đƣợc mô tả cách sử dụng công thức Sellmeier: n ( )   B3 2 B12 B2    2  C1 2  C 2  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 3.2.2 Chất lỏng ethanol Sự phụ thuộc chiết suất ethanol ne vào nhiệt độ t ƣớc sóng đƣợc biểu diễn cơng thức [25]: ne ( , t )   B12 B22    e (t  T0 ) 2  C1 2  C2 23 (3.2) Với T0 200C, số nhiệt ethanol e=3.94.10-4/K hệ số Sellmeier ethanol: B1 = 0.83189, B2 = - 0.15582, C1 = 0.0093 m2, C2 = 49.452m2 Hình 3.4 Phần thực chiết suất củ eth nol [18] Hình 3.5 Hệ số l n tru ền củ eth nol nhiệt độ 200C [19] Hình 3.5 mơ tả hệ số lan truyền ethanol Kết cho thấy rằng, hệ số lan truyền xấp xỉ vùng ánh sáng nhìn thấy Nói cách khác, vùng ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng bị hấp thụ lan truyền Trong vùng gần h ng ngoại, hệ số lan truyền cao ƣớc sóng 1064 nm Trong đó, ánh sáng ị hấp thụ lớn ƣớc sóng 1700 nm 3.3 Kết phân tích số 24 Trong phần mô phỏng, cách sử dụng phần mềm Lumerical MODE Solutions [43] thiết kế cấu trúc sợi tinh thể NL_33B1 dựa vào thông số an đầu Chúng tơi giả sử, chất đƣợc làm từ thủy tinh mềm Borosilicate, lớp vỏ sợi tinh thể đƣợc lấp đầy ethanol Trong tất trƣờng hợp, xem xét cho q trình lan truyền sóng ản nhiệt độ ph ng Đây phƣơng thức truyền dẫn với độ mát sợi nhỏ Hình 3.4 biểu diễn phân bố cƣờng độ sáng sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol T = 300C Kết cho thấy rằng, ánh sáng chủ yếu tập trung lớp lõi sợi tinh thể quang tử Hình 3.6 phân bố cườn độ sán tron sợi tinh thể qu n tử lấp đầ ethanol t = 300C 3.3.1 Đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol Để xem xét đặc tính tán sắc sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy lỗ khí ethanol, chúng tơi t nh tốn đặc tính tán sắc mode ản nhƣ hàm ƣớc sóng vùng 0.5m – 2m Hình 3.7 mơ tả đặc trƣng tán sắc sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol nhiệt độ 300C Kết rằng, sợi quang tử t n tán sắc phẳng khoảng vùng gần h ng ngoại từ 1.15 m đến 1.75m Bên cạnh đấy, tán sắc t n vùng chế độ tán sắc ình thƣờng vùng dị thƣờng 25 Hình 3.7 Đặc trưn tán sắc củ sợi tinh thể qu n tử lấp đầ eth nol nhiệt độ 300C Kết cịn rằng, sợi khơ, ƣớc sóng tán sắc khơng có giá trị 1.08 m, giá trị 1.19 m ơm ethanol vào lớp vỏ Ngoài ra, độ dốc đƣờng tán sắc giảm xuống Điều khẳng định rằng, cách sử dụng ethanol lớp vỏ, thay đ i đặc tính tán sắc nhƣ hình dạng, độ dốc ƣớc sóng tán sắc không Điều vô quan trọng cách thiết kế cấu trúc với đặc tính mong muốn để sử dụng ứng dụng thực tế 3.3.2 Sự phát siêu liên tục tron sợi tinh thể qu n tử lấp đầ et nol th đổi chiều d i sợi qu n Trong phần tiếp theo, chúng tơi sử dụng phƣơng pháp Slip-Step-Fourier để giải phƣơng trình Schrodinger phi tuyến t ng quát, tìm lời giải đầu trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol Phƣơng trình Schrodinger phi tuyến t ng qt đƣợc mơ tả công thức:  A  i n1  n    2    A   n A  i 1   (1  f R ) A A  f R A hR (t ) A( z, T  t ) dt  n z n ! T 0  T   n  (3.3) 26 Trong A = A (z, t) iên độ trƣờng quang học, α hệ số mát lan truyền, βn bậc khai triển Taylor, γ hệ số phi tuyến, fR hàm Raman đặc trƣng cho phân cực phi tuyến, hR(t) đặc trƣng cho hàm Raman đƣợc xác định hR (t )  ( 12   22 ) 11 22 exp(t /  ) sin(t /  ) Trong mô phỏng, giả sử xung đầu vào có dạng xung Gauss với tham số: fR = 0.18, 1  12.2 fs, 2  32 fs, chiết suất phi tuyến Borosilicate n2 = 1.1 x10-19 m2/w [6], xung ơm f = 100 fs, ƣớc sóng ơm λ = 1030 nm, với chiều dài sợi lƣợng ơm thay đ i Hình 3.8 Phân bố xun đầu r với năn lượn bơm khác nh u chiều d i sợi L = 20 cm Quá trình mở rộng ph chiều dài sợi 20 cm với lƣợng xung ơm khác đƣợc mơ tả Hình 3.8 Kết rằng, hình dạng độ rộng ph xung đầu phụ thuộc lớn vào lƣợng xung ơm Khi tăng lƣợng xung đầu vào, độ rộng ph tăng lên, nhiên điều dẫn đến tăng độ nhiễu cho tín hiệu đầu Độ rộng ph xung đầu đạt đƣợc 470 nm, 586 nm, 725 nm 904 nm lƣợng có giá trị tƣơng ứng 0.5 nJ, 0.8 nJ, 1.0 nJ 1.5 nJ 27 Hình 3.9 Phân bố xun đầu r với chiều d i sợi khác nh u năn lượn bơm E = 0.8 nJ Hình 3.9 mô tả phân bố xung đầu với chiều dài sợi khác lƣợng ơm E = nJ Kết cho thấy, thay đ i chiều dài sợi, độ rộng hình dạng ph thay đ i Cụ thể độ rộng ph xung đầu tăng tăng chiều dài sợi Ngoài ra, tăng chiều dài sợi làm tăng độ nhiễu xung đầu ra, hay làm giảm n định xung Nguyên nhân trình mát đáng kể tín hiệu quảng đƣờng lan truyền lớn 28 KẾT LUẬN Trong luận văn chúng tơi trình ày nghiên cứu số trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử đƣợc ơm đầy ethanol Chúng sử dụng sợi tinh thể quang tử làm thủy tinh borosilicate bao g m bảy vòng lỗ kh đƣợc đặt mạng lục giác có đƣờng kính ngồi lõi 4.73 m Kết cho thấy, cách ơm đầy lỗ khí ethanol, 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 Trong trƣờng hợp độ cong đƣờng tán sắc giảm xuống Ngoài ra, giá trị ZDW dịch chuyển theo chiều hƣớng tăng ƣớc sóng lỗ kh đƣợc ơm đầy ethanol Bên cạnh đấy, cách sử dụng phƣơng pháp Slip-Step-Fourier, giải phƣơng trình Schrodinger phi tuyến t ng quát tìm lời giải cho xung đầu Kết hợp phƣơng pháp mơ tính tốn số, nghiên cứu ảnh hƣởng lƣợng xung ơm chiều dài sợi tƣợng phát siêu liên tục Các kết rằng, độ rộng ph độ kết hợp ph phụ thuộc lớn vào tham số mà đề cập đến Độ rộng ph xung đầu tăng tăng lƣợng ơm hay tăng chiều dài sợi Tuy nhiên, điều dẫn đến tăng độ nhiễu tín hiệu đầu q trình phát siêu liên tục Kết nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm kiến thức sợi tinh thể quang tử ơm chất lỏng nói chung sợi tinh thể quang tử đƣợc lấp đầy ethanol nói riêng Ngồi ra, kết nghiên cứu ghóp phần tạo ngu n phát siêu liên tục thƣơng mại với chi phí thấp đƣợc ứng dụng rộng rãi thực tiễn 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] H Quang Quý (2006), Cơ sở quang tử học, NXB ĐHQGHN [2] H Quang Quý (2007), Quang phi tuyến ứng dụng, NXB ĐHQGHN TIẾNG ANH [3] 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 [4] 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 [5] C Lin and R H Stolen (1978), Self-phase-modulation in silica optical fibers, Physical Review A 17, 1448 [6] D Lorenc, M Aranyosiova, R Buczynski, A Vincze, D Velic R Stepien, I Bugar, (2008), “Nonlinear refractive index of multicomponent glasses designed for fabrication of photonic crystal fi ers”, Applied Physics B, 0946-2171 [7] 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) [8] 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) [9] G P Agrawal, Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, ISBNS: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic) [10] G P Agrawal, (2007), Nonlinear Fiber Optics, Academic, San Diego, Calif 30 [11] 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 [12] 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 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 [13] H Haus (1975), “Theory of mode locking with a slow saturable absorber”, IEEE Journal of 161 Quantum Electronics 11, 736 [14] Le Van Hieu (2018), Dispersion Managenement and Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers infiltrated with liquids, Doctoral thesis, University of Zielona Góra [15] Le Van Hieu, Nguyen Thi Hue, Ho Dinh Quang (2018), “ Influence of Temperature And Concentration of Ethanol on Borosilicate Glass Photonic Crystal Fiber Properties Infiltrated of by Water– Ethanol Mixture” Communications in Physics, Vol 28, pp 61-73 [16] Le Van Hieu, R Buczynski, Cao Long Van, M Trippenbach, Borzycki, Nguyen Manh An and R K Kasztelanic (2017), “Measurement of temperature and concentration influence on the dispersion of fused silica glass photonic crystal fiber infiltrated with water-ethanol mixture”, Optics Communications 407, 417-422 [17] 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 [18] J A Armstrong N Bloembergen, J Ducuing, and P S Pershan, (1962), “Interactions between light waves in a nonlinear dielectric”, Phys Rev 127, pp 1918-1939 31 [19] J Broeng, T Sondergaard, S E Barkou, P M Barbeito, and A Bjarklev (1999), “Waveguiding by the photonic bandgap effect in optical fi ers”, J Opt A 1, pp 477 - 482 [20] J C Knight, J Broeng, T A Birks, and P St J Russell (1998), Photonic band gap guidance in optical fibers, Science 282, 1476-1478 [21] J M Dudley (2006) “Supercontinuum generation in photonic crystal fiber”, Reviews of Modern Physics 78, 1135 [22] J Park, S Lee, S E Kim, and O Kyunghwan (2012), “Dispersion control in square lattice photonic crystal fiber using hollow ring defects”, OPTICS EXPRESS Vol 20, No 5281 [23] 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 photonic crystal fibers infiltrated with liquids”, Applied Optics 55 (19) 1559-128X [24] K J Blow and D Wood (1989), “Theoretical description of transient stimulated Raman scattering in optical fibers”, IEEE J Quantum Electron 25 [25] K M Gundu, M Kolesik, and J V Moloney(24 July 2006), “Ultraflattened - dispersion selectively liquid - filled photonic crystal fibens”, OPTICS EXPRESS, Vol 14, No 15, 6870 [26] M DiDomenico (1966), “Generation of Ultrashort Optical Pulses by Mode Locking the 171 YAIG:Nd Laser”, Applied Physics Letters 8, 180 [27] M D Feit and J A Fleck (1978), “Light propagation in graded-index optical fibers”, Appl Opt 17, 3990 [28] M Koshiba and K Saitoh (2003), “Structural dependence of effective area and mode field diameter for holey fibers”, Optics Express 11, 1746 32 [29] M Lax, J H Batteh, and G P Agrawal (1981), “Channeling of intense electromagnetic beams”, J Appl Phys 52, 109 [30] 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 [31] M Schubert and B Wilhelmi (1986), Nonlinear Optics and Quantum Electronics, Wiley, New York, Chap [32] N A Mortensen, J R Folkenberg, M D Nielsen, and K P Hansen (2003), “Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers”, Optics Letters 28, 1879 [33] R Buczynski (2004), “Photonic Crystal Fibers”, Acta Physica Polonica A, 106, pp 141-167 [34] R H Stolen, J E Bjorkholm, and A Ashkin (1974), “Phase-matched three-wave mixing in silica fiber optical waveguides”, Applied Physics Letters 24, 308 [35] R H Stolen, J P Gordon, W J Tomlinson, and H A Haus (1989), “Raman response function of silica-core fibers”, J Opt Soc Am B, Vol 6, 1159-1166 [36] R H Stolen and W J Tomlinson (1992), “Effect of the Raman part of the nonlinear refractive index on propagation of ultrashort optical pulses in fibers”, J Opt Soc Am B, Vol 9, 565-573 [37] 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 [38] S V Chernikov and P V Mamyshev (1991), “Femtosecond solitons propagation in fibers with slowly decreasing dispersion”, J Opt Soc Am B, 8, 1633-1641 33 [39] T A Birks, J C Knight, and P St J Russell (1997), “Endlessly single-mode photoie crystal fiber", Opt Lett., vol 22, no 13, pp 961963 [40] T Miya, Y Terunuma, T Hosaka, and T Miyoshita (1979), “Ultimate low-loss single- mode fiber at 1.55 m”, Electron Lett 15, 106 [41] Y R Shen (1984), Principles of Nonlinear Optics, Wiley, New York, Chap.1 [42] Y S Kivshar and G P Agrawal (2007), Optical solitonss, Academic press TÀI LIỆU WEB [43] https://www.lumerical.com 34