Mô phỏng quá trình nén xung gauss bằng hệ liên kết phi thuyến và khuếch đại laser luận văn thạc sỹ vật lý

1 MỞ ĐẦU Laser có công suất cực đại, xung ngắn áp dụng nhiều thực tế nghiên cứu khoa học đời sống Muốn có laser 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 Ví dụ, laser có lượng 0,1J nén thành xung có độ rộng khoảng 10-12s, nhận nguồn ánh sáng 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 Mặc dù, lượng laser diode nhỏ, xung ngắn nên công suất chúng tăng lên đáng kể, đủ để truyền sợi quang với khoảng cách lớn 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 khóa mode buồng cộng hưởng, tạo xung kim cỡ ps; phương pháp khuếch đại Raman buồng cộng hưởng, nén xung laser xuống 10 lần; phương pháp hấp thụ bão hòa kết hợp khuếch đại buồng cộng hưởng rút ngắn xung đến hàng trăm lần Tất phương pháp dựa sở hiệu ứng phi tuyến trình hoạt động laser, tương tác laser với môi trường Gần đây, công trình mình, tác giả Hồ Quang Quý cộng đề xuất liên kết quang phi tuyến sở liên kết sợi quang tuyến tính sợi quang phi tuyến 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 Nếu kết hợp với khuếch đại quang rút xung laser ngắn đến mức Từ lý trên, đề xuất nội dung nghiên cứu với tên đề tài sau: “Mô trình nén xung Gauss liên kết phi tuyến khuếch đại laser” Nội dung nghiên cứu trình bày luận văn theo cấu trúc sau: Chương Tổng quan nén xung, khuếch đại laser, liên kết phi tuyến Trình bày kiến thức lý thuyết thực nghiệm liên quan đến nén xung, khuếch đại quang liên kết phi tuyến Chương Mô trình nén xung hệ liên kết phi tuyến khuếch đại quang Xây dựng cấu hình hệ, phân tích nguyên lý hoạt động hệ, dẫn phương trình mô tả trình nén xung: phương trình cho hệ số truyền phương trình khuếch đại Kết luận chung: Trình bày tóm lược kết nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO XUNG NGẮN, KHUẾCH ĐẠI LASER VÀ BỘ LIÊN KẾT SỢI QUANG PHI TUYẾN 1.1 Một số phương pháp tạo xung ngắn Khi xét trình tiến triển theo thời gian, xạ laser phát tồn hai dạng: liên tục xung Một số laser laser He-Ne, laser màu bơm đèn xung, … hoạt động chế độ liên tục, số laser khác như: laser CO2, laser YAG: Nd, laser bán dẫn hoạt động chế độ xung Tuy nhiên, laser hoạt động chế độ xung phát xung tự với độ rộng xung lớn, đến hàng trăm micro giây, đó, công suất không lớn (hình 1.1) a b c Hình 1.1: Phát tự laser Ruby [1] a) Phát xung giảm b) Phát xung c) Phát xung không Nhằm nâng cao công suất, đồng thời rút ngắn thời gian xung, số phương pháp nén xung sử dụng công nghệ laser [1] 1.1.1 Phương pháp tạo xung biến điệu Phương pháp biến điệu thường dùng cho laser liên tục (hình 1.2) Sử dụng khóa quang chủ động, xạ laser liên tục chia thành xung ngắn có độ rộng xung xác định tần số lặp xác định Bằng phương pháp này, có xung ngắn, nhiên, công suất không nâng cao Công suất đỉnh cao đạt công suất trung bình chế độ liên tục [6] Hình 1.2: Biến điệu laser liên tục [1] a) Laser với tế bào biến điệu ngoài; b) Cường độ laser chế độ liên tục; c) Xung laser sau biến điệu 1.1.2 Biến điệu cường độ buồng cộng hưởng Trong chế độ phát tự bơm đèn phóng khí (độ rộng xung bơm khoảng 500ms), xung laser xung dài có độ rộng hàng trăm µs Phụ thuộc vào độ ổn định đèn bơm, buồng cộng hưởng, chùm tia laser nhiều chuỗi xung nhỏ với lượng đỉnh thay đổi ngẫu nhiên Với xung vậy, laser có công suất thấp, cao đến hàng chục W đưa vào ứng dụng rộng rãi thực tế Cùng với lượng, ta rút thời gian xuống cỡ ns công suất phát tăng lên hàng nghìn đến hàng vạn lần Quá trình rút ngắn thời gian xung laser biến điệu xung [1] Biến điệu chủ động Bằng phương pháp biến điệu độ phẩm chất Q buồng cộng hưởng laser bơm xung, nhận xung ngắn, công suất lớn lần đầu năm 1962, thay chuỗi xung kim có lượng ngẫu nhiên Bằng cách điều khiển hệ số Q buồng cộng hưởng, nâng mát ích lên cao, tức nâng ngưỡng phát lên cao Điều giúp cho nghịch đảo mật độ cư trú hoạt chất nâng cao đáng kể Tại thời điểm đó, điều khiển tín hiệu (biến điệu chủ động) làm cho mát ngưỡng phát giảm đột ngột xuống mức thấp Kết nghịch đảo mật độ ban đầu trở nên lớn, giá trị ngưỡng thấp Trong điều kiện xung ngắn công suất lớn (xung khổng lồ) phát thay chuỗi xung kim Công suất xung khổng lồ thông thường cỡ 109W Độ rộng xung khoảng 10 - 100ns Độ rộng xung nhỏ đạt - 3ns Để có trình phát xung khổng lồ, biến điệu (khoá mát) đặt buồng cộng hưởng laser điều khiển tín hiệu Dưới tác động tín hiệu ngoài, biến điệu thay đổi đột ngột, từ trạng thái mát cao sang trạng thái mát thấp (hoặc ngược lại) Quá trình biến điệu gọi biến điệu chủ động (active modulation) Hàng loạt phương pháp biến điệu chủ động ứng dụng, nói phần sau Một biến điệu làm việc cửa chớp quang học có điều khiển Quá trình ánh sáng qua cửa chớp tức nhiên bị mát buồng cộng hưởng Mất mát điều khiển tín hiệu Khi cửa chớp “mở” mát thấp (buồng cộng hưởng có Q cao) Trong vài trường hợp gương laser quay nhanh đóng vai trò biến điệu gọi biến điệu học Rõ ràng, chuyển từ đóng sang mở cửa chớp phải đồng với xung bơm: cửa chớp mở mật độ nghịch đảo mức đạt mức cực cao, thời điểm thích hợp xung bơm Trên hình 1.3 mô tả trình hình thành xung khổng lồ trình biến điệu Q buồng cộng hưởng Đường cong P(t) mô tả thay đổi theo thời gian công suất xạ phát Sự thay đổi cuả Q(t) nghịch đảo mật độ N(t) theo thời gian trình bày hình Tại trạng thái ban đầu, giá trị Q thấp (Q = Qmin) nghịch đảo mật độ ban đầu cao (N = N1) Dưới tác động tín hiệu ngoài, Q bắt đầu tăng kéo theo giá trị ngưỡng mật độ nghịch đảo bắt đầu giảm [6] Hình 1.3: Động học phát laser [1] Cho đến giá trị ngưỡng giảm đến N1, phát bắt đầu Thời điểm chọn điểm ban đầu t = hình Từ thời điểm trình phát xung khổng lồ xảy theo hai giai đoạn: giai đoạn tương đối dài trình tăng xung chậm (thời gian t0 giai đoạn khoảng 100ns), giai đoạn ngắn cuả tăng nhanh xung, thời gian giai đoạn cỡ 10ns Hầu toàn lượng xung phát xạ giai đoạn hai đó, độ rộng xung xem thời gian giai đoạn hai (với thời gian t1) Cần ý giảm mật độ nghịch đảo xảy thời gian mà xung tăng đột ngột Giả thiết tQ khoảng thời gian mà hệ số Q tăng từ giá trị cực tiểu lên giá trị cực đại (thời gian đóng mở Q) Khi tQ [...]... để nén xung 29 Chương 2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NÉN XUNG GAUSS BẰNG HỆ LIÊN KẾT PHI TUYẾN VÀ KHUẾCH ĐẠI LASER 2.1 Xây dựng cấu hình của hệ Một hệ nén xung, gồm bộ liên kết tuyến tính (3dB) nối với bộ liên kết phi tuyến và bộ khuếch đại quang, được đề xuất và trình bày như hình 2.1 Về nguyên tắc, một xung laser được lấy từ cổng 3 của bộ liên kết 3dB, gọi là xung vào Xung này sẽ được rút gọn tại đầu ra phi. .. rút gọn, xung này tiếp tục được khuếch đại cường độ nhờ bộ khuếch đại laser Bộ khuếch đại quang gồm môi trường hoạt chất được bơm bằng nguồn laser liên tục Như vậy, sau khi đi qua bộ liên kết và bộ khuếch đại xung laser, xung đầu vào đã được nén một lần Để xung này được nén nhiều lần, cấu hình lặp xung được thiết kế nhờ bộ liên kết tuyến tính 3dB Như vậy, một xung vào tại cổng 1 của bộ liên kết tuyến... đến bộ liên kết tuyến tính 3dB và đi ra ở cổng 3 và 4 như trên Xung ra từ cổng 4 của bộ kiên kết 3dB là xung cần thu, còn xung đi qua cổng 3 sẽ đi vào hệ nén xung, thực hiện quá trình nén tiếp theo Quá trình này sẽ lặp lại đến khi xung bị nén đến mức ngắn nhất có thể và có cường độ đỉnh lớn nhất có thể 2.3 Các phương trình sử dụng cho mô phỏng quá trình nén xung 2.3.1 Hệ phương trình cho cường độ xung. .. hiệu suất nén xung của hệ 2.5 Mô phỏng quá trình nén xung 2.5.1 Mô phỏng quá trình rút gọn xung nhờ bộ liên kết phi tuyến Chúng ta thực hiện mô phỏng quá trình rút gọn xung với các tham số đặc trưng của bộ liên kết, C = 0,694mm-1, l = 2,5mm, n2 = 1.10-12mm2/W, λ = 1,53µm Xung vào có dạng Gauss như trên hình 2.2 với các tham số sau: Iin = 8.1012 W/mm2, τ = 2.10-9s Hình 2.2: Xung đầu vào dạng Gauss tại... 6,5 Các xung được khuếch đại sau ba chu kỳ được mô phỏng và trình bày trên hình 2.7, 2.8 và 2.9 So sánh với xung vào (hình 2.2), thấy rằng xung ra ngày càng được khuếch đại về cường độ, nhưng độ rộng xung của chúng không đổi Tuy rằng, hệ số nén tăng, nhưng không cao ( xem bảng 2.2) ΔT Xung vào 1 2 4 3dB-C Xung đã được khuếch đại 3 Bộ khuếch đại L, α Bơm laser Hình 2.6: Quá trình khuếch đại xung ... độ laser tại đầu vào (l = 0) của môi trường khuếch đại, I(λ,z) là cường độ laser tại đầu ra của môi trường khuếch đại, γ(λ) là hệ số khuếch đại của môi trường phụ thuộc vào bước sóng laser, l là độ dài của môi trường Như vậy, độ khuếch đại I(λ,l) / I(λ,0) = eγ(λ)l phụ thuộc vào hệ số 19 khuếch đại và chiều dài của môi trường Với một kích thước môi trường cho trước, độ khuếch đại chủ yếu phụ thuộc vào... bơm liên tục chiếu vào môi trường các nguyên tử (phân tử), điều kiện nghịch đảo mật độ cư trú luôn luôn đảm bảo không đổi (hình 1.14), môi trường sẽ trở thành môi trường khuếch đại với hệ số khuếch đại không đổi Hình 1.14 : Quá trình khuếch đại trong môi trường nhiệt độ âm [1] 21 1.2.3 Hệ số khuếch đại Môi trường hoạt chất hay môi trường khuếch đại laser đặc trưng bởi hệ số khuếch đại (khuếch đại. .. lại, bộ liên kết phi tuyến có khả năng rút gọn độ rộng xung Đây là một yếu tố có lợi trong quá trình nén xung Tuy nhiên để để nâng cao hiệu suất, các xung sau khi đi qua NOC cần được khuếch đại 36 2.5.2 Mô phỏng quá trình khuếch đại bởi LA Giả sử rằng xung vào tại cổng 3 không đi qua bộ liên kết phi tuyến mà đi trực tiếp vào bộ khuếch đại laser (LA) (hình 2.6) Giả sử các tham số của bộ khuếch đại được... được nén nhiều lần sau nhiều chu kỳ Các xung nén sau mỗi chu kỳ sẽ nhận được ở đầu ra 4 của bộ liên kết tuyến tính 3dB ΔT Xung đã được khuếch đại Xung vào 1 2 4 3dB 3 NOC Bộ khuếch đại l, α Cổng tuyến tính Cổng phi tuyến Bơm quang học Hình 2.1 : Hệ liên kết phi tuyến và khuếch đại quang 30 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ Xung vào cổng 1 truyền qua bộ liên kết tuyến tính 3dB rồi đi ra cổng 3 và 4 Xung. .. theo (1.19) và (1.20) 2.3.2 Phương trình khuếch đại Giả sử tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại, tức là tín hiệu ra từ cổng phi tuyến của bộ liên kết phi tuyến là xung: I in ,amp  t   f ( I in (t ), ( I in )) (2.2) trong đó, Iin(t) là xung đầu đầu vào cần nén, η(Iin) là hệ số truyền của bộ lên kết phi tuyến Giả thiết chiều dài môi trường khuếch đại là l, hệ số khuếch đại α và công suất của laser bơm trung ... nén xung 29 Chương MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NÉN XUNG GAUSS BẰNG HỆ LIÊN KẾT PHI TUYẾN VÀ KHUẾCH ĐẠI LASER 2.1 Xây dựng cấu hình hệ Một hệ nén xung, gồm liên kết tuyến tính (3dB) nối với liên kết phi. .. đến nén xung, khuếch đại quang liên kết phi tuyến Chương Mô trình nén xung hệ liên kết phi tuyến khuếch đại quang Xây dựng cấu hình hệ, phân tích nguyên lý hoạt động hệ, dẫn phương trình mô tả trình. .. đại hay nén xung Sau đây, trình bày khuếch đại sử dụng môi trường khuếch đại laser 1.2 Khuếch đại laser 1.2.1 Nguyên lý khuếch đại Nếu chùm ánh sáng qua môi trường khuếch đại, sau qua môi trường