Nghiên cứu hệ tự nén xung bằng hệ liên kết phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Laser có công suất lớn, xung ngắn áp dụng nhiều thực tế nghiên cứu khoa học đời sống [1,2] Để có công suất đến hàng tỉ Watt để làm nóng cháy vật liệu hay tạo plasma nghiên cứu nhiệt hạch, đường khác nén xung laser cho độ rộng xung ngắn tốt [1029] Ví dụ, laser có lượng 0,1J nén thành xung có độ rộng khoảng 10-12 s, nhận nguồn ánh có công suất 0,1 tỉ W (100 GW) Trong công nghệ thông tin quang, chủ yếu sử dụng xung laser cực ngắn phát từ laser diode Ngoài ra, xung laser cực ngắn yêu cầu thiếu công nghệ quang phổ phân giải cao Có nhiều phương pháp nén xung như: biến điệu công suất laser phương pháp chủ động, thụ động, tạo xung laser cỡ ns; phương pháp biến điệu pha hay khóa mode buồng cộng hưởng, tạo xung kim cỡ ps; phương pháp sử dụng buồng cộng hưởng Q thấp nén xung laser xuống 10÷ 100 lần; phương pháp hấp thụ bão hòa kết hợp khuếch đại buồng cộng hưởng rút ngắn xung đến hàng trăm lần Nén xung phương phướng pháp khuếch đại Raman bơm ngược quan tâm nhiều năm gần [6,7,8] Tất phương pháp dựa sở hiệu ứng phi tuyến trình hoạt động laser, tương tác laser với môi trường [2,9,10,15,19] Gần đây, công trình mình, tác giả Hồ Quang Quý, Nguyễn Thị Thanh Tâm cộng đề xuất liên kết quang phi tuyến sở liên kết sợi quang tuyến tính sợi quang phi tuyến [3] Đặc trưng phi tuyến hiệu suất truyền qua liên kết- hệ số truyền qua phụ thuộc vào công suất tín hiệu laser vào cho thấy tính lọc lựa Với tính chất lọc lựa này, liên kết quang xem hệ hấp thụ bão hòa Nhờ tính chất tựa hấp thụ bão hòa mà xung tín hiệu quang bị rút ngắn Hơn nữa, hai năm trở lại đây, tác giả Hồ Quang Quý, Chu Văn Biên, Lê Thị Ngọc Hiếu cộng đề xuất kết hợp liên kết phi tuyến với khuếch đại laser sợi quang khuếch đại Raman thành nén xung Bộ nén xung, kết hợp liên kết phi tuyến khuếch đại Laser, tác giả Lê Thị Ngọc Hiếu đề xuất nghiên cứu cho hệ nén xung cao, nhiên, phải sử dụng nguồn bơm [?] Trong đó, tín hiệu mạnh phát từ đầu tuyến tính liên phi tuyến không sử dụng (xem hình 0) Hình Hệ nén xung kết hợp liên kết phi tuyến khuếch đại laser ? Nguồn bơm Như biết, để nén xung sử dụng hai phương pháp, rút ngắn xung khuếch đại xung, sử dụng đồng thời hai phương pháp Do liên kết phi tuyến cho hai tín hiệu đầu có cường độ đỉnh độ rộng xung khác nhau, nên sử dụng hai tín hiệu xung tín hiệu (cần nén), có độ rộng xung hẹp xung bơm, có cường độ mạnh độ rộng xung lớn Nếu đưa hai tín hiệu vào sợi quang khuếch đại Raman theo chiều ngược nhau, có xung nén so với xung đầu vào Từ lý trên, đề xuất nội dung nghiên cứu với tên sau: “Nghiên cứu tự nén xung kết hợp liên kết phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman” Cấu trúc luận văn Chương : Tổng quan liên kết phi tuyến khuếch đại Raman bơm ngược sợi quang 1.1 Bộ liên kết phi tuyến 1.2 Sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược 1.3 Kết luận chương Chương : Mô trình tự nén xung hệ liên kết phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược 2.1 Cấu hình, nguyên lý hoạt động hệ tự nén xung hệ liên kết phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược 2.2 Các phương trình mô tả trình nén xung 2.3 Mô trình nén xung 2.4 Kết thảo luận: Kết mô xung vào, ra, xung nén, bình luận hệ số nén xung 2.5 Kết luận chương Kết luận chung Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ LIÊN KẾT PHI TUYẾN VÀ KHUẾCH ĐẠI BƠM RAMAN NGƯỢC TRONG SỢI QUANG 1.1 Bộ liên kết phi tuyến 1.1.1 Cấu tạo liên kết phi tuyến Bộ liên kết phi tuyến gồm có hai sợi quang, sợi thứ có lõi bên môi trường phi tuyến, sợi thứ hai có lõi bên môi trường tuyến tính [3,4] Chỗ tiếp xúc hai sợi gọi chiều dài tương tác, chiều dài ghép hay khu hợp liên hợp Sóng ánh sáng vào cổng vào hai cổng cổng liên kết ( hình 1.1) Sợi tuyến tính Ivào Cổng I ra-1 Cổng vào Sợi phi tuyến Ira-2 Khu liên kết Cổng Hình 1.1: Bộ liên kết phi tuyến 1.1.2 Nguyên lý hoạt động liên kết phi tuyến Khi ánh sáng truyền sợi quang qua khu liên kết, ánh sáng truyền từ sợi sang sợi kia, lúc ta nói có ghép mode hai đường dẫn sóng [9] Bộ liên kết phi tuyến dựa ứng khúc xạ phản xạ hình 1.2 Ánh sáng vào từ cổng vào sợi tuyến tính đến khu liên kết có phần ánh sáng truyền vào sợi phi tuyến Sau ánh sáng khỏi khu hợp ánh sáng vào sợi quang cổng cổng Để ghép sóng có hiệu quả, tức mức độ chuyển công suất quang từ đường dẫn sóng sợi quang sang đường dẫn sóng sợi quang phải lớn hay tỉ lệ đó, chiều dài khu liên kết phải xác định Chiều dài ghép phụ thuộc vào yếu tố như: khoảng cách đường dẫn sóng, suất đường dẫn sóng, dạng hình học đường dẫn sóng Tỷ số công suất đầu công suất vào gọi hệ số truyền công suất liên kết Hình 1.2: Đường ánh sáng liên kết phi tuyến Mặt khác, cường độ tín hiệu quang qua liên kết lớn có khả xuất hiệu ứng phi tuyến hệ hiệu ứng Kerr hiệu ứng tự hội tu, tự tụ tiêu, tự biến điệu pha ,…ảnh hưởng đến tín hiệu cổng Để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu quang học tín hiệu quang học vào qua liên kết phi tuyến phải có cường độ nhỏ ngưỡng hiệu ứng phi tuyến đó, tức giá trị cường độ tín hiệu quang học vào đủ để hiệu ứng phi tuyến bắt đầu gây ảnh hưởng đến tín hiệu Tuy nhiên, với hiệu ứng này, ngưỡng cường độ rát lớn 1.1.3 Tính chất rút ngắn xung lọc lựa tín hiệu liên kết phi tuyến 1.1.3.1 Phương trình sóng liên kết phi tuyến Ta chọn đường dẫn sóng có kích thước chiết suất cho công suất quang vào thấp truyền vào đường dẫn khác, ngược lại công suất quang vào cao chiết suất đường dẫn sóng phi tuyến biến đổi làm cho công suất nguyên đường dẫn sóng Sự chệch hướng gây tính phi tuyến Kerr sợi phi tuyến dẫn đến thay đổi hệ số truyền qua độ dài xác định liên kết Từ phương trình sóng liên kết [5], biểu diễn biểu thức mô tả mối quan hệ cường độ hai cổng cường độ sáng vào Xét sóng có dạng sau : E ( x, y , z , t ) = ∑ Ai ( z ).Fi ( x, y ).exp[i (ωt − βi z )] i (1.1) đó, Fi(x,y) làm hàm phân bố không gian i, βi số truyền mode, Ai(z) biên độ Ta có chiết suất liên kết phi tuyến xác định [4] : n12 ( x, y ) = nv2 ( x, y ) + n01 ( x, y ) + nnl2 F1 ( x, y ) n22 ( x, y ) = nv2 ( x, y ) + n02 ( x, y ) (1.2) với nv1 = nv = nv chiết suất lớp vỏ hai sợi quang n01 , n02 chiết suất tuyến tính lõi sợi Kerr lõi sợi tuyến tính nnl hệ số chiết suất phi tuyến sợi Kerr Hai sóng liên kết thỏa mãn phương trình Helmholtz [9]: ∆E + n ( x, y ).k02 E = đó, k0 = (1.3) ω = ωµ0ε vectơ sóng c Khi đó, hàm Fi(x,y) xác định cách giải phương trình (1.3) thỏa mãn phương trình Helmholtz: ∂ Fi ( x, y ) ∂ Fi ( x, y ) + + [ni2 ( x, y )k02 − β i2 ]Fi ( x, y ) = 2 ∂x ∂y (1.4) Tương tự, để xác định biên độ A i cách giải phương trình (1.3) sử dụng phương pháp gần hàm bao biến đổi chậm sau rút gọn, biểu thức đạo hàm biên độ sau : dA1 ( z ) = −iC11 A1 ( z )Cnl A1 ( z ) − iC12 A2 ( z ) exp[i ( β1 − β ) z ] dz dA2 ( z ) = −iC22 A2 ( z ) − iC21 A1 ( z ) exp[ −i( β1 − β ) z ] dz (1.5) Ở đây, Cij hệ số liên kết, cụ thể sau : Cij = ωε ∫∫ F * ( x, y )n02i F j ( x, y )dxdy mô tả liên kết hai sóng sợi thứ i Cii = ωε ∫∫ F * ( x, y )n02 j Fi ( x, y )dxdy mô tả truyền sóng từ sợi lân cận i i Cnl = ωε ∫∫ F i * ( x, y )nnl2 E ( x, y ) Fi ( x, y )dxdy mô tả ảnh hưởng hiệu ứng Kerr sợi phi tuyến Trong thực tế, hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ nhiều so với chiết suất, đó, nnl [...]... liên kết phi tuyến - sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược Hệ nén xung, gồm một bộ liên kết phi tuyến (NOC), bộ sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược (PBRFA – Pump-Backward Raman Fiber Amplifier) với bộ liên kết tuyến tính (3dB) được trình bày như hình 2.1 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ tự nén xung kết hợp bộ liên kết phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman Nguyên lý hoạt động của hệ này như sau: 24 1 Một xung. .. một hệ thống có khả năng nén xung đạt được theo yêu cầu mong muốn Đây là ý tưởng mà chúng tôi đề ra nghiên cứu trong chương 2 của luận văn, là sử dụng kết hợp bộ liên kết phi tuyến và khuếch đại bơm Raman ngược trong sợi quang 23 Chương 2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỰ NÉN XUNG BẰNG HỆ LIÊN KẾT PHI TUYẾN VÀ SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC 2.1 Xây dựng cấu hình, và phân tích nguyên lý hoạt động của hệ liên. .. Iv là cường độ của xung vào ở sợi tuyến tính, IOP1 là cường độ của xung từ cổng ra OP1 của sợi tuyến tính, IOP2 là cường độ của xung từ cổng ra OP2 của sợi phi tuyến, ω là tần số gốc của xung vào, nnl là hệ số chiết suất phi tuyến của sợi quang phi tuyến, lcpl là chiều dài bộ liên kết phi tuyến, C là hệ số truyền của bộ liên kết tuyến tính được tính theo công thức (1.13) Giả sử xung vào có dạng Gauss... hình 2.4) Kết quả này hoàn toàn phù Mật độ công suất [w/mm2] hợp với kết quả mà tác giả Hồ Quang Quý và Chu Văn Biên đã công bố [35] Thời gian xung [s] Hình 2.5 So sánh giữa xung nén và xung đầu vào 36 Từ biểu thức (2.12) và (2.13), xung nén phụ thuộc vào hệ số khuếch đại tăng lên đến γ Để thấy rõ ảnh hưởng của hệ số khuếch đại Raman vào hiệu ứng nén xung, các xung với hệ số khuếch đại Raman khác... xung τ và các g tham số của hệ như: vận tốc nhóm v , chọn độ dài sợi quang L= g v τ, hệ số khuếch đại Raman γ, tiết diện khuếch đại hiệu dụng A, nl hệ số liên kết tuyến tính C, hệ số chiết suất phi tuyến n , chiều nl dài vùng liên kết l Bước 2 Sử dụng biểu thức (2.1) để xác định: cường độ đỉnh và bán độ rộng xung ra cổng OP2: I max,S xung ra cổng OP2: I max,P P và τ , cường độ và bán độ rộng S và τ... phải khuếch đại xung tín hiệu này lên nhờ bộ khuếch đại Raman bơm ngược bằng xung lớn ra từ cổng OP1 27 Hình 2.2 Cường độ ra ở hai đầu ra của hệ NOC với các tham số của hệ , , ,, Xung ra từ cổng OP1 Xung ra từ cổng OP2 2.2.2 Phương trình khuếch đại Xét bộ khuếch đại bơm Raman ngược là sợi đơn mode có chiều dài L, Sợi quang có hệ số suy giảm là α , hằng số khuếch đại Raman γ , tiết diện tán xạ Raman. .. vào (2.13) để tính xung ra từ cổng P3 2.4 Kết quả mô phỏng các xung vào, ra, xung nén bình luận về hệ số nén xung Các gía trị đầu vào sử dụng tỏng mô phỏng như sau: 12 2 - Mật độ năng lượng đỉnh của xung vào: Wmax,in = 1.0 ×10 W / m , 33 - Bán độ rộng xung vào: τ = 1×10−6 s , - Hệ số khuếch đại Raman của sợi quang: γ = 1.0 ×10−13 m / W , 8 - Vận tốc nhóm của xung vg = 2 ×10 m / s 34, - Độ dài sợi quang. .. nguyên lý này, xung tín hiệu không những được khuếch đại mà còn được rút ngắn như hình 1.5 15 Xung tín hiệu khuếch đại Xung bơm suy giảm Hình 1.5 : Biến đổi của các xung trong quá trinh tương tác 1.2.2 Các phương trình động học cho quá trình nén xung bằng sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược 1.2.2.1 Hệ số khuếch đại tín hiệu bơm đơn xung Giả thiết một sợi quang đơn mode có chiều dài L Một xung tín hiệu... một xung có cường độ phân bố trong cả ba vùng thì tín hiệu ra bị tách theo nguyên lý lọc lựa, tức là: phần cường độ lớn sẽ ra cổng tuyến tính và phần cường nhỏ sẽ ra ở cổng phi tuyến Tính chất này sẽ được khảo sát cụ thể trong chương 2 1.2 Sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược 1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược 14 Hệ khuếch đại Raman bơm ngược là sợi quang Raman. .. thấy độ khuếch đại tổng phụ thuộc vào các tham số cấu tạo của sợi quang như: tiết diện tán xạ Raman hiệu dụng A, độ dài L, hệ số suy giảm αS ,αP và hằng số khuếch đại Raman γ Mà hằng số khuếch đại Raman phụ thuộc vào bước sóng λ, hiệu chiết suất giữa vỏ và lõi Δn [5], vào công suất đỉnh Pmax,P và độ rộng xung τ Qua công thức (1.28) ta sẽ thấy rằng có một giá trị tối ưu L opt của độ dài sợi quang để ... Chương : Mô trình tự nén xung hệ liên kết phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược 2.1 Cấu hình, nguyên lý hoạt động hệ tự nén xung hệ liên kết phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược... đề nghiên cứu chương luận văn, sử dụng kết hợp liên kết phi tuyến khuếch đại bơm Raman ngược sợi quang 23 Chương MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỰ NÉN XUNG BẰNG HỆ LIÊN KẾT PHI TUYẾN VÀ SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI... sợi quang khuếch đại Raman Cấu trúc luận văn Chương : Tổng quan liên kết phi tuyến khuếch đại Raman bơm ngược sợi quang 1.1 Bộ liên kết phi tuyến 1.2 Sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược 1.3 Kết