Tạo xung ánh sáng trắng femto giây bằng sợi quang tinh thê

1 Mục lục Trang phụ bìa i Thành viên tham gia đề tài ii Mục lục Danh sách hình vẽ Danh mục chữ viết tắt Thông tin kết nghiên cứu Giới thiệu Tổng quan Laser 11 1.1 Lịch sử đời máy phát laser 11 1.2 Cấu tạo chung hệ laser 12 1.3 Sự nghịch đảo độ tích lũy 17 1.4 Laser Ruby 23 1.5 Laser xung ngắn 24 1.6 An toàn laser 25 Tạo xung ánh sáng trắng femto giây sợi quang tinh thể 27 2.1 Sợi quang học tinh thể 29 2.2 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng 33 2.3 Khảo sát tính chất xung ánh sáng trắng 37 2.3.1 Đo phân bố phổ theo thời gian 37 2.3.2 Quan sát mở rộng phổ theo chiều dài sợi PCF 42 Kết luận Kiến nghị 48 Tài liệu tham khảo 49 Phụ lục 53 Danh sách hình vẽ 1.1 Phát xạ tự nhiên phát xạ cảm ứng 14 1.2 Buồng cộng hưởng tán sắc 16 1.3 Buồng cộng hưởng laser femto giây Titane:saphir 17 1.4 Sự biến thiên cường độ sáng qua môi trường hoạt tính 1.5 17 Minh họa dịch chuyển hai trạng thái 1, kích thích 18 1.6 Nghịch đảo độ tích lũy 19 1.7 Sự hấp thụ xạ sơ đồ hai mức lượng 19 1.8 Sự hấp thụ xạ sơ đồ ba mức lượng 21 1.9 Sự hấp thụ xạ sơ đồ bốn mức lượng 22 24 1.10 Môi trường hoạt tính Ruby 2.1 Ảnh chụp, kính hiển vi điện tử, mặt cắt ngang sợi PCF 2.2 30 Đường cong tán sắc mode LP01 mode bậc LP11 31 2.3 Đường cong tán sắc bốn mode LP01x , LP01y , LP11x , LP11y 33 2.4 Tạo xung ánh sáng trắng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể 2.5 Tạo xung ánh sáng trắng cách bơm xung laser vào sợi PCF 2.6 34 36 Sự phân bố cường độ theo không gian mode khác 37 2.7 Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây 39 2.8 Phổ phân bố phổ theo thời gian SC sinh đoạn PCF có chiều dài 7,2 mm 2.9 40 Tín hiệu hấp thụ hai photon mẫu bán dẫn ZnS có bề dày 40µm 41 2.10 Sự phát triển phổ SC theo chiều dài khác sợi PCF 43 2.11 Sự phát triển phổ SC theo chiều dài khác sợi PCF 44 2.12 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 53 2.13 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 54 Danh mục chữ viết tắt Viết tắt Thuật ngữ SC Supercontinuum PCF Photonic Crystal Fibers ZDW Zero Dispersion Wavelength LP Linear Polarization Thông tin kết nghiên cứu Kết nghiên cứu • Xung ánh sáng trắng (SC) femto giây tạo sợi quang tinh thể (PCF) Đây kết thực nghiệm Việt Nam theo hướng nghiên cứu SC tạo sợi PCF • Cấu trúc sợi PCF tính chất tán sắc mode dẫn truyền (đặc biệt vị trí ZDW), đóng vai trò quan trọng việc trì hiệu ứng phi tuyến gây mở rộng phổ để hình thành xung ánh sáng trắng • Đưa sơ đồ nguyên lý với qui trình phóng tia laser vào lõi sợi PCF Kết đào tạo Đào tạo hai học viên cao học: Vũ Đình Hùng Phân tích hiệu ứng phi tuyến trình tạo xung ánh sáng trắng sợi quang tinh thể Bảo vệ luận văn vào tháng năm 2013 Chương trình đào tạo liên kết Đại học Vinh Đại học Sài Gòn Bùi Yến Duy Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây Dự kiến bảo vệ luận văn vào tháng năm 2015 Chương trình đào tạo liên kết Đại học Vinh Đại học Long An Công bố khoa học Bùi Yến Duy, Huỳnh Ngọc Linh Phượng, Nguyễn Thị Thu Ngân, Nguyễn Ngọc Hiếu, Lê Công Nhân Supercontinuum generation by femtosecond laser and photonic crystal fibers Journal of Science and Technology, Duy Tan University, 2014 Nguyen Ngoc Hieu, Le Cong Nhan Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers under Femtosecond Laser Injection The 7th Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Science, Thailand, July 2013 Le Cong Nhan Single-pulse supercontinuum generation in photonic crystal fibers The th International Conference on Photonics and Applications, Da Nang, August 2014 Huynh Ngoc Linh Phuong, Bui Yen Duy, Le Cong Nhan Improving efficiency of second-harmonic generation with femtosecond Ti:sapphire laser pulses The th International Conference on Photonics and Applications, Da Nang, August 2014 Giới thiệu Hiện tượng mở rộng phổ chùm tia laser, từ nguồn sáng gần đơn sắc thành nguồn ánh sáng trắng (supercontinum: SC), quan sát lần môi trường nước vào năm 1970 [1] Hiệu ứng vật lý kết tương tác cường độ laser mạnh với môi trường phi tuyến Trong khoảng 30 năm trở lại đây, phát triển mạnh mẽ laser femto giây [2] cho xung laser với công suất đỉnh lớn nên tượng quang học phi tuyến tạo cách dễ dàng Hiện nay, nguồn ánh sáng trắng dạng xung cực ngắn ứng dụng nhiều kĩ thuật quang phổ, y sinh, xử lý hình ảnh Sự phát triển sợi quang học tinh thể (Photonic Crystal Fibers: PCF), từ năm 1996, mở hướng cho việc phát triển nguồn sáng SC [3] Điểm đặc biệt PCF yếu tố tán sắc phi tuyến điều chỉnh thông qua cách thiết kế cấu trúc sợi Tính chất cho phép tạo SC nguồn laser công suất thấp Về mặt vật lý trình tạo xung ánh sáng trắng PCF trình phức hợp nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến, chủ yếu hiệu ứng phi tuyến bậc ba yếu tố tán sắc [4, 5] Tùy vào mục đích ứng dụng mà yêu cầu tính chất xung ánh sáng trắng khác Tuy nhiên, phần lớn yêu cầu đặt cho xung ánh sáng trắng phổ phải rộng, hình dạng phổ phải ổn định, độ thăng giáng cường độ phải tối thiểu Việc tạo xung ánh sáng trắng sợi PCF với tính chất vật lý kiểm soát nhiều vấn đề cần nghiên cứu, lý thuyết lẫn thực nghiệm [4] Ở Việt Nam, nghiên cứu SC nhóm GS Nguyễn Đại Hưng tiến hành thực nghiệm với hệ laser nano giây Các kết thực nghiệm triển khai môi trường nước thủy tinh Tuy nhiên, nghiên cứu chuyên sâu lý thuyết hay mô chưa có nhóm thưc Việc tạo SC laser femto giây sợi PCF tiến hành thử nghiệm lần đầu vào năm 2012 Dù vậy, nghiên cứu thực nghiệm hay lý thuyết trình tạo SC laser femto giây chưa tiến hành Trên giới, hướng nghiên cứu SC tạo PCF phát triển mạnh từ năm 1996, sau sợi PCF đời Hiện nay, nhóm đứng đầu hướng nghiên cứu điều hành GS J M Dudly , Đại học Franche - Comté [4, 5] Ngoài có số trung tâm chuyên nghiên cứu sản xuất sợi PCF, ví như trung tâm nghiên cứu Xlim, đại học Limoge, với hướng nghiên cứu SC điều hành Dr Philippe Leproux Mục đích đề tài "Tạo xung ánh sáng trắng femto giây sợi quang tinh thể " phát triển nguồn ánh sáng trắng dạng xung cực ngắn dựa sở sợi PCF Nhiệm vụ nghiên cứu sử dụng nguồn laser femto giây sợi PCF để xây dựng thí nghiệm tạo xung SC Vì vậy, nội dung nghiên cứu xếp vào lãnh vực quang học phi tuyến Trong đó, phạm vi nghiên cứu giới hạn vấn đề sau: hiệu ứng quang học phi tuyến bậc ba, mối quan hệ tính chất sợi PCF chế động học xung laser femto giây trình lan truyền Bên cạnh việc tiến hành thực nghiệm, đề tài có nhiệm vụ tổng hợp nghiên cứu SC tạo sợi PCF Nguồn laser femto giây Việt Nam trang bị phòng thí nghiệm Điện tử Quang tử, Viện Khoa học Công nghệ Hà Nội 10 Báo cáo tổng kết trình bày dạng tài liệu tham khảo với nội dung phân bố hai chương Chương đầu giới thiệu tổng quan laser, chương mang tính chất tham khảo Chương hai tập trung vào vấn đề với phần sở lý thuyết, cách bố trí thí nghiệm thảo luận kết Bên cạnh báo cáo tổng kết này, có đính kèm tóm tắt nội dung sáu trang Đây phần trình bày xúc tích nhất, cho phép bạn đọc vừa tiết kiệm thời gian vừa dễ nắm bắt kết nghiên cứu 46 cần phải đảm bảo hợp pha sóng sóng tín hiệu.Với cấu trúc sợi PCF điều kiện hợp pha trình lan truyền thực Chính điều nên đóng góp hai hiệu ứng phi tuyến kể xem không đáng kể, bỏ qua Đối với sợi PCF lưỡng chiết ta quan sát biến đổi tương tự Chỉ có điểm khác biệt nở rộng phổ diễn chậm so với sợi PCF phi lưỡng chiết Ta nhận điều dễ dàng so sánh phổ SC 3,4 mm sợi PCF phi lưỡng chiết 3,7 mm sợi PCF lưỡng chiết Sự nở chậm trường hợp thứ hai đường kính sợi phi lưỡng chiết lớn nên mật độ lượng laser chiếu vào không cao trường hợp thứ Điều kéo theo chậm trễ hiệu ứng phi tuyến Tuy nhiên vai trò hiệu ứng phi tuyến nở rộng phổ hoàn toàn tương tự với trường hợp thứ Cần lưu ý SC tạo sợi PCF lưỡng chiết có phân cực thẳng Ở ta không đề cập đến hiệu ứng tương tác thành phần phân cực khác Bởi, thí nghiệm hướng phân cực tia laser chọn theo phương quang trục X nên ta có thành phần phân cực Từ kết việc khảo sát thông số vật lí SC, ta kết luận rằng: tạo thành SC femto giây hiệu chiều dài sợi dây khoảng 10 mm Chiều dài ứng với điều kiện laser kể vị trí kích thích lõi sợi PCF Sự nở rộng phổ trình lan truyền SC đóng góp tượng phi tuyến như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, tương tác soliton sóng tán sắc Ba yếu tố phi tuyến kể đóng vai trò ảnh hưởng vượt xa so với hiệu ứng lại như: tổng hợp tần số, 47 trộn lẫn bốn bước sóng, tán xạ Raman 48 Kết luận Kiến nghị Trong nghiên cứu xây dựng thí nghiệm phóng tia laser femto giây vào sợi PCF tạo thành công xung ánh sáng trắng Kết mở triển vọng cho hướng nghiên cứu thực nghiệm tính chất phi tuyến sợi quang Việt Nam Cấu trúc sợi PCF tính chất tán sắc mode dẫn truyền (đặc biệt vị trí ZDW), đóng vai trò quan trọng việc trì hiệu ứng phi tuyến Để tạo SC bước sóng laser phải nằm vùng tán sắc bất thường vị trí lân cận với ZDW Về thao tác kỹ thuật, đưa sơ đồ nguyên lý với qui trình phóng tia laser vào lõi sợi PCF, nhằm đảm bảo an toàn thí nghiệm hạn chế khó khăn độ nhạy học gây 49 Tài liệu tham khảo [1] P Russell Photonic crystal fibers Science, 299: 358-362, 2003 [2] C Rulliere, Femtosecond Laser Pulses Springer, 2010 [3] W.H Reeves, J.C Knight, P.St.J Russell, P.J Roberts Demonstration of ultra-flattened dispersion in photonic crystal fibers Optics express, 10:609-613, 2002 [4] J M Dudley, G Genty, S Coen Supercontinuum generation in photonic crystal fiber Reviews of modern physics, 78: 1135-1184, 2006 [5] J M Dudly, J.R Taylor Supercontinuum Generation In Optical Fibers Cambridge University, 2010 [6] J C Knight, J Arriaga, T A Birks, A Ortigosa-Blanch, W J Wadsworth and P St J Russell Anomalous dispersion in photonic crystal fiber IEEE Photonics Technology Letters, 12: 807-809, 2000 [7] W H Reeves, D V Skryabin, F Biancalana, J C Knight, P St J Russell, F G Omenetto, A Efimov, A J Taylor Transformation and control of ultra-short pulses in dispersion engineered photonic crystal fibres Nature, 424: 511-515, 2003 [8] J K Ranka, R S Windeler and A J Stentz Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm Optics Letters, 25:25-27, 2000 50 [9] W J Wadsworth, J C Knight, A Ortigosa-Blanch, J Arriaga, E Silvestre and P St J Russell Soliton effects in photonic crystal fibres at 850 nm Electronics Letters, 36: 53-55, 2000 [10] G Millot, A Sauter, J M Dudley, L Provino, R S Windeler Polarization mode dispersion and vectorial modulational instability in air–silica microstructure fiber Optics letters, 27:695-697, 2002 [11] A Ortigosa-Blanch, J C Knight, W J Wadsworth, J Arriaga, B J Mangan, T A Birks, and P St J Russell Highly birefringent photonic crystal fibers Optics letters, 25: 1325-1327, 2000 [12] J Léonard, N.Lecong, J.P Likforman, O Crégut, S Haacke, P.Viale, P Leproux, V.Couderc Broadband ultrafast spectroscopy using a photonic crystal fiber: application to the photophysics of malachite green Optics express, 15: 1624-1629, 2007 [13] T P Hansen, J Broeng, S E B Libori, E Knudsen, A Bjarklev, J R Jensen, and H Simonsen Highly birefringent index-guiding photonic crystal fibers IEEE Photonics Technology Letters 13: 588-590, 2001 [14] K Suzuki, H Kubota, S Kawanishi, M Tanaka, and M Fujita Optical properties of a low-loss polarization-maintaining photonic crystal fiber Optics express, 9: 676-680, 2001 [15] T A Birks, J C Knight and P St J Russell Endlessly single-mode photonic crystal fiber Optics Letters, 22: 961-963, 1997 [16] B T Kuhlmey, R C Mc Phedran and C M de Sterke Modal cut off in microstructured optical fibers Optics letters 27: 1684-1686, 2002 [17] R Buczynski Photonic Crystal Fibers 106, 141-167, 2004 51 [18] F Poli, A Cucinotta, S Selleri Photonic Crystal Fibers Properties and Applications Springer, 2007 [19] Karen Marie Hilligsøe Wave Propagation in Photonic Crystal Fibers Department of Physics and Astronomy and Department of Chemistry, University of Aarhus, NKT Academy, 2003 [20] R K Sinha and Shailendra K Varshney Dispersion Properties Of Photonic Crystal Fibers Optics letters , 37: 129–132, 2003 [21] J R Taylor Supercontinuum Light Sources Femtosecond Optics Group, Imperial College London, 2009 [22] F Mitschke Fiber Optics, Physics and Technology, Springer, 2009 [23] Danqing Liu, D.Meschede Supercontinuum Summary of the Seminar on Recent Topics in Applied Optics and Condensed Matter [24] Josep Pérez Diez Single-pulsed supercontiuum generation in millimeter pieces of a birefringent microstructured silica fiber under femtosecond laser injection Master in Photonics, Escola Tescnica Superrior d’Enginyeria de Telecomunicacio’ de Barcelona, 2009 [25] C Lesvigne, V Couderc, A Tonello, P Leproux, A Barthélémy, S Lacroix, F Druon, P Blandin, M Hanna, and P Georges Visible supercontinuum generation controlled by intermodal four-wave mixing in microstructured fiber Optics letters, 32: 2173-2175, 2007 [26] G.P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics Academic Press, San Diego, CA, 2001 [27] G Millot, P Tchofo Dinda Nonlinear effects in optical fibres Novembre 26, 2003 52 [28] E Bourkoff, W Zhao, R I Joseph, and D N Christodoulides Evolution of femtoseconde pulses in single-mode fibers having higher-order nonlinearity and dispersion Optics letters 12: 272-274, 1987 [29] G Genty, M Lehtonen and H Ludvigsen Effect of cross-phase modulation on Supercontinuum generated in microstructured fibers with sub-30 fs pulses Optics express, 12: 4614-4624, 2004 [30] L.C.Nhân Development of a femtosecond spectrometer based on a photonic crystal fiber and ultrafast photophysics of malachite green Seminar Viện Vật Lí, 7, 2011 [31] Lê Công Nhân Laser kĩ thuật đo quang phổ Tài liệu tham khảo, 2012 [32] G Genty,M Lehtonen, and H Ludvigsen Spectral broadening of femtosecond pulses into continuum radiation in microstructured fibers Optics express, 10: 1083-1098, 2002 53 Phụ lục Hình 2.12: Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 54 Hình 2.13: Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m Journal of Science and Technology xxx(xxx) (2014) 1–6 Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây sợi quang tinh thể Supercontinuum generation by femtosecond laser and photonic crystal fiber Bùi Yến Duya , Huỳnh Ngọc Linh Phượnga , Nguyễn Thị Thu Ngâna , Lê Công Nhâna , Nguyễn Ngọc Hiếub a Đại học Sài Gòn, 273 An Dương Vương, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Sai Gon University, 273 An Duong Vuong street, Ho Chi Minh city, Vietnam b Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao, Đại học Duy Tân, K7/25 Quang Trung, Đà Nẵng Việt Nam Institute of Research and Development, Duy Tan University, K7/25 Quang Trung street, Da Nang Vietnam Tóm tắt Xung ánh sáng trắng tạo cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể Nhờ vào cấu trúc micro mét sợi, xung laser nén tiết diện nhỏ gây nên tượng mở rộng phổ thành xung ánh sáng trắng thông qua hàng loạt hiệu ứng quang học phi tuyến bậc ba như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn lẫn bốn bước sóng, tán xạ Raman cảm ứng Trong báo này, trình bày kết thí nghiệm chi tiết kĩ thuật liên quan đến qui trình tạo xung ánh sáng trắng Từ khóa: Ánh sáng trắng, laser femto giây, sợi quang tinh thể Abstract Supercontinuum pulse are produced in photonic crystal fibers under femtosecond laser injection Thank to the microstructured silica of fiber, laser pulses are compressed in a small section leading to ultrabroad spectra of light, which is called supercontinuum, through a series of third-order nonlinear effects such as: self phase modulation, cross phase modulation, four-wave mixing, stimulated Raman scattering In this paper, we present experimental results and the technical details related to the process of creating supercontinuum pulse Keywords: Supercontinuum, femtosecond laser, photonic crystal fiber c 2013 Bản quyền thuộc Đại học Duy Tân Giới thiệu Hiện tượng mở rộng phổ chùm tia laser, từ nguồn sáng gần đơn sắc thành nguồn sáng trắng (supercontinum: SC), quan sát lần môi trường nước vào năm 1970 [1] Hiệu ứng vật lý kết tương tác cường độ laser mạnh với môi trường phi tuyến Trong khoảng 30 năm trở lại đây, phát triển mạnh mẽ laser femto giây [2] cho xung laser với công suất đỉnh lớn nên tượng quang học phi tuyến tạo cách dễ dàng Hiện nay, nguồn ánh sáng trắng dạng xung cực ngắn ứng dụng nhiều kĩ thuật quang phổ, y sinh, xử lý hình ảnh [3] Sự phát triển Emails: lcnhan@yahoo.fr (Lê Công Nhân), hieunn@duytan.edu.vn (Nguyễn Ngọc Hiếu) Bùi Yến Duy / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân xxx(xxx) (2014) 1–6 sợi quang học tinh thể (Photonic Crystal Fibers: PCF) [4], từ năm 1996, mở hướng cho việc phát triển nguồn sáng SC Điểm đặc biệt PCF yếu tố tán sắc phi tuyến điều chỉnh thông qua cách thiết kế cấu trúc sợi Tính chất cho phép tạo SC nguồn laser công suất thấp Tạo xung ánh sáng trắng trình phức hợp yếu tố tán sắc nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến, có nguồn gốc phi tuyến bậc ba, như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn bốn sóng, tán xạ cảm ứng Raman, tượng soliton [1, 5, 6] Sự phức hợp hiệu ứng quang học gây mở rộng phổ cực lớn, lên 1000 nm Vật liệu tạo sợi PCF thường thủy tinh thủy tinh pha tạp nên môi trường có tính đẳng hướng, vậy, tham gia hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai Tùy vào mục đích ứng dụng mà yêu cầu tính chất xung ánh sáng trắng khác Tuy nhiên, phần lớn yêu cầu đặt cho xung ánh sáng trắng phổ phải rộng, hình dạng phổ phải ổn định, độ thăng giáng cường độ phải tối thiểu Việc tạo xung ánh sáng trắng sợi PCF với tính chất vật lý kiểm soát nhiều vấn đề cần nghiên cứu, lý thuyết lẫn thực nghiệm [5] Trên giới, hướng nghiên cứu SC tạo PCF phát triển mạnh từ năm 1996 sau sợi PCF đời Hiện nay, nhóm đứng đầu hướng nghiên cứu điều hành GS J M Dudly, Đại học Franche - Comté [5, 6] Ngoài có số trung tâm chuyên nghiên cứu sản xuất sợi PCF, ví dụ trung tâm nghiên cứu Xlim, đại học Limoge Ở Việt Nam, hạn chế thiết bị thí nghiệm nên chưa có nhóm nghiên cứu SC tạo PCF lãnh vực quan tâm cộng đồng quang học giới suốt ba thập kỉ qua Chính mà mục đích giới thiệu kĩ thuật tạo ánh sáng trắng dạng xung cực ngắn, báo hướng đến phổ biến kiến thức laser femto giây sợi PCF Laser đặc điểm laser xung ngắn Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạt động dựa nguyên lý khuyếch đại cường độ ánh sáng nhờ vào tượng phát xạ cảm ứng Hiện tượng Albert Einstein đưa giả thuyết đăng tạp chí Physikalische Zeitschrift vào năm 1917 Tuy nhiên để quan sát thực nghiệm phải chờ tới phát minh, vào năm 1954 -1955, nhà vật lí người Nga (Basov, Prokhnov) người Mĩ (Towns) Họ chế tạo máy khuyến đại sóng điện từ với môi trường hoạt tính khí amoniac NH4 Do máy phát sóng điện từ với bước sóng cỡ µm nên thời gọi tên MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Mặc dù vậy, laser đời họ chế tạo mà T Maiman, nhà vật lí người Mĩ, làm việc viện nghiên cứu Hughes Vào năm 1960, Maiman tạo máy laser đầu tiên, sử dụng môi trường hoạt tính chất rắn Ruby, phát sóng ánh sáng vùng quang phổ khả kiến 0,69 µm Từ năm 1960 trở đi, hàng loạt laser khác đời Để đơn giản cách gọi tên, chúng thường phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lí môi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học Hoặc dựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện Hoặc dựa vào đặc tính xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung Trong cách phân chia cuối cùng, hai nhóm laser có khác biệt lớn mặt công suất Laser xung thường có công suất trung bình thấp so với laser liên tục, công suất đỉnh xung cao Bởi toàn lượng xung tập trung khoảng thời gian ngắn Ví dụ trường hợp laser femto giây, cần lượng xung bé vào khoảng µJ thời gian xung khoảng 50 fs công suất đỉnh xung lên tới 20 GW Nhờ độ lớn công suất đỉnh nên việc tạo tượng quang học phi tuyến hay chí môi trường plasma dễ laser xung Bên cạnh đó, công suất trung bình thấp laser xung lợi nữa, cho phép tránh hiệu ứng nhiệt Cần lưu ý thêm điểm khác biệt tính chất phổ Bùi Yến Duy / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân xxx(xxx) (2014) 1–6 laser liên tục laser xung ngắn, phổ laser liên tục đơn sắc phổ laser xung ngắn có độ rộng định Thời gian xung độ rộng phổ có liên hệ với thông qua nguyên lý bất định thời gian - lượng, ∆t∆ν ≥ 1/2 [2] Như vậy, để tạo xung ngắn độ rộng phổ phải lớn Hình Ảnh chụp mặt cắt ngang sợi PCF kính hiển vi điện tử (a) sợi phi lưỡng chiết, (b) sợi lưỡng chiết Vật liệu Silica hiển thị màu xám lỗ không khí hiển thị màu đen Sợi quang tinh thể Sợi quang tinh thể (Photonic Cristal Fiber: PCF), sợi quang có cấu trúc micro hay sợi quang có cấu trúc lỗ tên gọi dành cho nhóm sợi quang chế tạo dựa xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ trống micro mét bao bọc silica (thủy tinh) Cách xếp cho phép nén ánh sáng cấu trúc sợi dẫn truyền ánh sáng lõi silica (sợi quang với lõi chiết suất cao) hay dẫn truyền ánh sáng lõi không khí (sợi quang với lõi chiết suất thấp) [1, 4–6] Trong nghiên cứu này, sử dụng loại sợi PCF cung cấp phòng thí nghiệm Xlim Đại học Limoge nhóm nghiên cứu Đại học Franche - Comté, cộng hòa Pháp Đấy loại sợi có lõi chiết suất cao, chế tạo cách tập hợp ống thủy tinh lại thành bó kết hợp nung - kéo với điều kiện nhiệt độ nung tốc độ kéo ổn định [1] Cấu trúc mặt cắt ngang sợi PCF trình bày hình Sợi thứ có cấu trúc lõi đối xứng (a), sợi thứ hai có cấu trúc lõi bất đối xứng (b) Đặc điểm cho phép sợi PCF thứ tính lưỡng chiết sợi PCF thứ hai có tính lưỡng chiết, nhờ vào bất đối xứng chiết suất yếu tố hình học gây Hai kiểu sợi PCF đại diện cho hai thể loại đặc trưng sợi PCF mà ta thường gặp thị trường sợi quang phi tuyến Phần thân sợi mạng lưới tuần hoàn micro mét gồm lỗ trống chứa không khí bao bọc thủy tinh, vật liệu phi kim có tính đẳng hướng Ở phần thân xuất lỗi phá vỡ trật tự tuần hoàn, vị trí đóng vai trò lõi PCF Sợi PCF phi lưỡng chiết có lõi tròn bao bọc lỗ không khí có đường kính trung bình d = 1, µm Các lỗ trống nằm cách bước trung bình khoảng Λ = 2, 26 µm Như vậy, tỷ lệ d/Λ 0,796 Tỷ lệ có nghĩa độ phi tuyến sợi cao dẫn truyền sáng có tính chất lưỡng mode [7] Sợi PCF có hai mode truyền sáng lõi: mode LP01 mode bậc LP11 Đối với mode LP01 , cường độ sáng phân bố theo không gian có dạng gần với phân bố Gauss, mode bậc LP11 lại có phân bố cường độ theo dạng hai Gauss Đường tán sắc mode có giá trị tán sắc không (zero dispersion wavelength: ZDW) 814 nm, đường tán sắc mode bậc lấy hai giá trị ZDW 650 nm 1050 nm Điều làm xuất hai vùng phổ mà PCF có tán sắc bình thường Cấu trúc tán sắc cho phép tạo sóng tán sắc vùng khả kiến vùng hồng ngoại bơm xung laser có bước sóng nằm vùng tán sắc bất bình thường sợi PCF [8] Trong trường hợp này, mở rộng phổ hiệu có tương tác với soliton [5, 6, 8], hình thành vùng tán sắc bất thường, cho phép sóng tán sắc mở rộng phía vùng bước sóng ngắn vùng bước sóng dài Ngoài vấn đề dẫn truyền sóng lõi, số vị trí vách ngăn thân sợi truyền sáng với nguyên lí, truyền sáng khúc xạ toàn phần Trong trường hợp này, vách ngăn đóng vai trò lõi thành phần xung quanh đóng vai trò thân Sự dẫn truyền ánh sáng vách ngăn thường đơn mode đường kính vách ngăn đủ nhỏ Cần lưu ý vách ngăn có đường kính lớn bước sóng ánh sáng dẫn truyền có khả Bùi Yến Duy / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân xxx(xxx) (2014) 1–6 Sợi PCF lưỡng chiết có lõi hình elíp bao bọc hai lỗ không khí lớn, đường kính 3,3 3, µm Phần thân mạng lưới tuần hoàn lỗ nhỏ có đường kính trung bình d = 1, µm với khoảng cách lỗ Λ = 2, µm Tỷ lệ d/Λ 0,71 Sự khác biệt đường kính hai lỗ lớn bên cạnh lõi làm gia tăng tính chất lưỡng chiết lõi elíp Độ lưỡng chiết pha nhóm Bθ = 2.10−3 Bφ = 3.10−3 , điều dẫn tới phụ thuộc mạnh vào tính chất tán sắc theo trục PCF Phần lõi dẫn truyền ánh sáng bốn mode: hai mode LP01x , LP01y hai mode bậc LP11x , LP11y Vị trí ZDW bốn mode nằm bước sóng 827, 866, 757, 764 nm [12] Ở đây, x y trục nhanh trục chậm sợi PCF Diện tích thực mode ước tính 4, µm2 bước sóng 850 nm, 5, 3µm2 cho bước sóng 1064 nm [12] Ưu điểm sợi PCF lưỡng chiết khả bảo toàn tính phân cực ánh sáng tạo SC phân cực thẳng [9–11] Tương tự sợi PCF phi lưỡng chiết, vách ngăn thân dẫn truyền ánh sáng Như việc tạo SC với sợi PCF lưỡng chiết thực phần thân sợi Đối với tất mode dẫn truyền hai loại PCF này, đường tán sắc có ZDW tập trung xung quanh bước sóng 800 nm Như vậy, mở rộng phổ SC hiệu PCF bơm xung laser có bước sóng lân cận lớn 800 nm Nghĩa phải bơm vùng tán sắc bất bình thường, nơi mà thường có tượng soliton xuất nhờ lan truyền bước sóng ngắn nhanh bước sóng dài Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây sợi quang tinh thể Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây sợi quang tinh thể triển khai Viện Vật lý Hóa học Vật liệu Strasbourg, cộng hòa Pháp (hình 2) Trong thí nghiệm này, sợi PCF có chiều dài mm đặt rãnh nhỏ đế sắt giữ mẫu nam châm đặt phía Việc phóng tia laser vào sợi PCF thực thông qua đầu kính hiển vi, có độ phóng đại 60X Tuy nhiên, theo khảo sát thực nghiệm thấu kính hiển vi có độ phóng đại khoảng từ 28X đến 40X tối ưu Đầu kính hiển vi đặt hệ thống dịch chuyển XYZ Công suất laser phóng vào sợi PCF 60 mW, bước sóng trung tâm 840 nm, nằm vùng phổ hồng ngoại gần Ứng với tần số xung 27 Hz lượng xung vào cỡ 2,2 nJ Trong thực tế, việc mát lượng phản xạ bề mặt phân cách đầu vào cao, thường lên tới 50\% , nên lượng vào sợi PCF khoảng 1,1 nJ Ở đầu ra, bề mặt sợi PCF đóng vai trò nguồn sáng điểm nên ánh sáng SC phát dạng sóng cầu Các sóng cầu chuyển thành sóng phẳng gương cầu có tiêu cự cm đặt phía sau đầu sợi PCF Hình ảnh SC hứng cho ta thấy ánh sáng vùng khả kiến Như vậy, tương tác xung laser sợi PCF mở rộng phổ từ hồng ngoại xuống khả kiến Hình Tạo xung ánh sáng trắng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể Về mặt nguyên lý, minh họa thí nghiệm tạo SC PCF hình Xung laser bản, có phổ hẹp với hướng phân cực kiểm soát bước sóng, đưa vào sợi PCF đầu hội tụ thấu kính hiển vi Nhờ cấu trúc micro mét PCF, lượng nén tiết diện cỡ vài µm2 Do vậy, mật độ lượng trở nên cao giam giữ cấu trúc sợi PCF trình lan Bùi Yến Duy / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân xxx(xxx) (2014) 1–6 truyền Mật độ lượng cao trì trình lan truyền làm gia tăng tương tác phi tuyến gây mở rộng phổ [5, 6] Đây điểm khác biệt so với phương pháp truyền thống, tạo SC cách hội tụ chùm laser vào môi trường phi tuyến bậc ba, môi trường chất rắn, chất lỏng chất khí [1] Sau điểm hội tụ, chùm laser bị phân kỳ nên mật độ quang học không đủ cao cho việc trì hiệu ứng phi tuyến gây mở rộng phổ Chính vậy, thí nghiệm tạo SC phương pháp truyền thống phải cần tới hệ laser khuếch đại có công suất cao, với sợi PCF cần buồng cộng hưởng công suất nhỏ đủ lượng [3] cơ, nhiệt Để phóng tia laser vào sợi PCF bước điều chỉnh theo phương Z, điểm hội tụ sau thấu kính phải rơi bề mặt sợi PCF Sau điều chỉnh hai phương X, Y để tia laser phóng vào lõi Việc điều chỉnh vị trí đầu vào quan sát trực tiếp lắp thêm hệ thống phóng đại ảnh trước sợi PCF, hình Với hệ thống này, vị trí đầu vào xung laser hoàn toàn kiểm soát Điều cho phép định việc tạo SC với lõi sợi hay với vách ngăn Ngoài ra, trường hợp chiếu xung laser vào lõi PCF ta kiểm soát vấn đề tạo SC, với mode hay với mode bậc Hình trình bày hai mode tạo sợi quang phi lưỡng chiết (A), hai mode tạo sợi quang lưỡng chiết (B) Hình Sự phân bố cường độ theo không gian mode khác (A) Hai mode tạo sợi quang phi lưỡng chiết, (B) hai mode tạo sợi quang lưỡng chiết Hình Sơ đồ tạo xung ánh sáng trắng cách bơm xung laser vào sợi PCF M1 M2 gương, λ/2 bước sóng, 28X thấu kính hiển vi, XYZ trục dịch chuyển theo ba chiều, PCF sợi quang tinh thể Về vấn đề an toàn, cần lưu ý laser xung ngắn xếp vào hạng nguy hiểm bậc 4, hạng nguy hiểm nhất, đặc biệt mắt Vì người làm thực nghiệm phải mang kính bảo hộ quan sát tia laser qua linh kiện như: camera hồng ngoại, giấy huỳnh quang hấp thụ hai photon Trong thí nghiệm này, quan sát tín hiệu, để thực thao tác điều chỉnh, qua hình máy tính bảng, camera máy tính bảng có độ nhạy cao vùng phổ hồng ngoại gần Về mặt kỹ thuật, việc đưa xung laser vào đầu sợi PCF bước thao tác nhạy cảm Vì cấu trúc lõi PCF nhỏ, vào cỡ − µm, nên việc đưa xung laser vào phải thiết kế hệ thống ổn định, có độ dịch chuyển 0,5 µm tránh dao động Từ kết hình 4, ta nhận thấy phân bố SC theo không gian phụ thuộc vào dạng hình học lõi lẫn bậc mode dẫn truyền Trong trường hợp dẫn truyền mode bậc cường độ sáng SC phân bố theo hai hàm Gauss Điều thể rõ hình chụp với giảm cường độ sáng vị trí đường trung tâm Kết luận Trong nghiên cứu xây dựng thí nghiệm phóng tia laser femto giây vào sợi PCF tạo thành công xung ánh sáng trắng Chúng phân tích vai trò cấu trúc sợi PCF tính chất tán sắc mode dẫn truyền (đặc biệt vị trí ZDW) việc trì hiệu ứng phi tuyến Để tạo SC bước sóng laser phải nằm vùng tán sắc bất thường vị trí lân cận với ZDW Về thao tác kỹ thuật, đưa sơ đồ Bùi Yến Duy / Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Duy Tân xxx(xxx) (2014) 1–6 nguyên lý với qui trình phóng tia laser vào lõi sợi PCF, nhằm đảm bảo an toàn thí nghiệm hạn chế khó khăn độ nhạy học gây Tài liệu tham khảo [1] G.P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, San Diego, 2001 [2] C Rulliere, Femtosecond Laser Pulses, Springer, Berlin, 2010 [3] J Léonard, N.Lecong, J.P Likforman, O Crégut, S Haacke, P.Viale, P Leproux, and V.Couderc, Broadband ultrafast spectroscopy using a photonic crystal fiber: application to the photophysics of malachite green, Optics express, 15 (2007) 1624-1629 [4] P Russell, Photonic crystal fibers, Science, 299 (2003) 358-362 [5] J M Dudley, G Genty, and S Coen, Supercontinuum generation in photonic crystal fiber, Rev Mod Phys 78 (2006) 1135-1184 [6] J M Dudly, J.R Taylor, Supercontinuum generation in optical fibers, Cambridge University Press, Cambridge, 2010 [7] R K Sinha and S K Varshney, Dispersion properties of photonic crystal fibers, Opt Lett 37 (2003) 129 -132 [8] J K Ranka, R S Windeler, and A J Stentz, Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm, Opt Lett 25 (2000) 25-27 [9] A Ortigosa-Blanch, J C Knight, W J Wadsworth, J Arriaga, B J Mangan, T A Birks, and P St J Russell, Highly birefringent photonic crystal fibers, Opt Lett 25 (2000) 1325-1327 [10] T P Hansen, J Broeng, S E B Libori, E Knudsen, A Bjarklev, J R Jensen, and H Simonsen, Highly birefringent index-guiding photonic crystal fibers, IEEE Photonics Technol Lett 13 (2001) 588590 [11] K Suzuki, H Kubota, S Kawanishi, M Tanaka, and M Fujita, Optical properties of a low-loss polarization-maintaining photonic crystal fiber, Opt Exp (2001) 676-680 [12] J P Diez, Single-pulsed supercontiuum generation in millimeter pieces of a birefringent microstructured silica fiber under femtosecond laser injection, Master Thesis in Photonics, Escola Tescnica Superrior d’Enginyeria de Telecomunicacio’ de Barcelona, 2009 [...]... của đề tài chỉ 29 dừng lại ở việc tạo xung SC femto giây bằng sợi PCF và phân tích, một cách định tính, vai trò của các hiện tượng quang học phi tuyến trong quá trình mở rộng phổ 2.1 Sợi quang học tinh thể Sợi quang tinh thể (Photonic Cristal Fiber: PCF), sợi quang có cấu trúc micro hay sợi quang có cấu trúc lỗ là những tên gọi dành cho nhóm các sợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn:... có khả năng tạo ra SC với sự nở rộng phổ tiến xa về các bước sóng ngắn [23, 24, 25] 2.2 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng bằng laser femto giây và sợi quang tinh thể được chúng tôi triển khai tại phòng thí nghiệm của Trung tâm 34 Điện tử học lượng tử, Viện Vật lí, Hà Nội, hình 2.4 Trong thí nghiệm này, sợi PCF được đặt trong một hệ thống bảo vệ, nhằm tránh các va... Cách sắp xếp này cho phép nén ánh sáng trong cấu trúc của sợi và dẫn truyền ánh sáng trong lõi silice (sợi quang với lõi chiết suất cao) hay dẫn truyền ánh sáng trong lõi không khí (sợi quang với lõi chiết suất thấp) [1, 3] Sợi quang với cách thiết kế mới này được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 bởi nhóm nghiên cứu Quang điện tử tại Đại học Bath Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này đã xuất hiện trong... của xung laser hoàn toàn được kiểm soát Điều này cho phép quyết định việc tạo SC với lõi sợi hay với vách ngăn Ngoài ra, trong trường hợp chiếu xung laser cơ bản vào lõi PCF thì ta cũng kiểm soát được vấn đề tạo SC, với mode cơ bản hay với mode bậc nhất Hình 2.6 trình bày hai mode tạo bởi sợi quang phi lưỡng chiết (A), và hai mode tạo bởi sợi quang lưỡng chiết (B) Hình 2.5: Tạo xung ánh sáng trắng bằng. .. việc với laser thì tránh làm việc trong bóng tối, nhằm hạn chế thương vong cho mắt nếu xảy ra tai nạn, vì đồng tử của mắt dãn tối đa nên khả năng gom ánh sáng để hội tụ trên võng mạc là lớn nhất Thông tin trên được tổng hợp từ tạp chí Société Fran¸caise d’Optique (SFO-Avril 1998) và các tài liệu hướng dẫn về an toàn laser 27 Chương 2 Tạo xung ánh sáng trắng femto giây bằng sợi quang tinh thể Sự dãn rộng... giữa xung laser và sợi PCF đã mỡ mở rộng phổ từ hồng ngoại xuống khả kiến Hình 2.4: Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể Do hạn chế về trang thiết bị của phòng thí nghiệm nên chúng tôi chưa đo được phổ của SC cũng như sự phân bố phổ theo thời gian Chính 35 vì vậy chúng tôi chưa xác định được chính xác độ rộng phổ cũng như thời gian của xung SC Tuy nhiên,... cứu rất nhiều trong lãnh vực quang phi tuyến, và đặc biệt là sau khi ra đời máy phát laser vào năm 1960 [23] Hiện tượng này được quan sát trong quá trình tạo xung ánh sáng trắng, sinh ra khi xung laser phổ hẹp chịu một sự dãn phổ rất lớn do tương tác với môi trường phi tuyến Trong vấn đề nghiên cứu về xung ánh sáng trắng (supercontinuum:SC), chúng tôi quan tâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất... là khả năng bảo toàn tính phân cực ánh sáng hoặc tạo ra SC phân cực thẳng Tương tự như sợi PCF phi lưỡng chiết, các vách ngăn của thân cũng có thể dẫn truyền ánh sáng Như vậy việc tạo SC với sợi PCF lưỡng chiết cũng có thể thực hiện được ở trong phần thân của sợi 33 Hình 2.3: Đường cong tán sắc của bốn mode LP01x , LP01y , LP11x , LP11y Hình ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF lưỡng chiết Tóm lại, các... này thì có thể tham khảo sơ đồ cấu tạo của laser femto giây Titane:saphir ở hình 1.3 1 Cường độ sáng của tia laser không phân bố một cách liên tục theo thời gian mà dưới dạng xung, năng lượng tập trung trong một khoảng thời gian xung càng ngắn thì cho công suất cực đại càng lớn 17 Hình 1.3: Buồng cộng hưởng của laser femto giây Titane:saphir a) Môi trường hoạt tính: tinh thể Titane:saphir ; b) Hệ tán... lượng xung vào cỡ 1,25nJ Trong thực tế, việc mất mát năng lượng do phản xạ tại bề mặt phân cách ở đầu vào là rất cao, thường lên tới 50% , nên năng lượng đi vào sợi PCF chỉ khoảng 0,6nJ Ở đầu ra, bề mặt sợi PCF đóng vai trò như một nguồn sáng điểm nên ánh sáng của SC phát ra dưới dạng sóng cầu Hình ảnh SC được hứng trên màn hình cho ta thấy ánh sáng của vùng khả kiến Như vậy, sự tương tác giữa xung ... quan trọng có khả tạo SC với nở rộng phổ tiến xa bước sóng ngắn [23, 24, 25] 2.2 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây sợi quang tinh thể triển khai... LP11x , LP11y 33 2.4 Tạo xung ánh sáng trắng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể 2.5 Tạo xung ánh sáng trắng cách bơm xung laser vào sợi PCF ... xung ánh sáng trắng sợi quang tinh thể Bảo vệ luận văn vào tháng năm 2013 Chương trình đào tạo liên kết Đại học Vinh Đại học Sài Gòn Bùi Yến Duy Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây Dự kiến