Tạo xung ánh sáng trắng bằng Laser Femto giây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI YẾN DUY TẠO XUNG ÁNH SÁNG TRẮNG BẰNG LASER FEMTO GIÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI YẾN DUY TẠO XUNG ÁNH SÁNG TRẮNG BẰNG LASER FEMTO GIÂY CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ CÔNG NHÂN Nghệ An, 2015 i Lời cảm ơn Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến thầy TS.Lê Công Nhân - người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, đóng góp ý kiến quí báu cho luận văn động viên tác giả suốt trình thực luận văn Đồng thời, tác giả xin cảm ơn chân thành đến thầy: PGS.TS Nguyễn Huy Bằng, TS Đoàn Hoài Sơn dành thời gian đọc góp ý để luận văn hoàn thiện Tác giả không quên gửi lời cảm ơn đến quý thầy Khoa Vật lý Công nghệ, Trường Đại học Vinh truyền đạt kiến thức cho tác giả suốt trình học cao học Cũng qua luận văn thạc sĩ này, tác giả muốn bày tỏ quí mến biết ơn đến bạn, anh chị tập thể lớp Quang học Khoá 21 gắn bó, hỗ trợ tác giả thời gian học tập Tân An, ngày 20 tháng năm 2015 ii Mục lục Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng v Các từ viết tắt vi Mở đầu Laser tương tác với môi trường phi tuyến 1.1 Cấu tạo máy phát laser 1.2 Xung laser cực ngắn 1.2.1 Đặc điểm laser xung ngắn 1.2.2 Mối quan hệ thời gian xung độ rộng phổ 1.2.3 Kỹ thuật tạo xung laser cực ngắn 1.3 Tương tác xung laser với môi trường phi tuyến 1.3.1 Các hiệu ứng quang phi tuyến bậc ba 1.3.2 Hiệu ứng ánh sáng trắng Kết luận chương 1 3 6 12 13 19 20 Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây 21 2.1 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng 21 2.2 Phân tích vai trò hiệu ứng phi tuyến trình tạo xung ánh sáng trắng 25 Kết luận chương 35 Kết luận Kiến nghị 36 iii A Hình ảnh 37 Công trình tác giả 39 Tài liệu tham khảo 40 iv Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Phát xạ tự nhiên phát xạ cảm ứng Buồng cộng hưởng tán sắc Buồng cộng hưởng laser femto giây Ti:sapphire Mối liên hệ thời gian xung độ rộng phổ Mô tả phương pháp bơm đồng laser khoá mode Buồng cộng hưởng laser khoá mode bị động sử dụng hấp bão hòa 1.7 Buồng cộng hưởng laser Ti:sapphire tự khoá mode 1.8 Môi trường phi tuyến bậc ba có tác dụng thấu kính 1.9 Trộn bốn sóng 1.10 Trộn bốn sóng suy biến 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 thụ Tạo xung ánh sáng trắng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể Sơ đồ tạo xung ánh sáng trắng cách bơm xung laser vào sợi PCF Sự phân bố cường độ theo không gian mode khác Đường cong tán sắc bốn mode LP 01x , LP 01y , LP 11x , LP 11y Phổ phân giải theo thời gian SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 01x Phổ phân giải theo thời gian SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 11x Sự phát triển phổ SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 01x So sánh thực nghiệm mô phổ SC sợi PCF chiều dài khác mode LP 01x So sánh thực nghiệm mô phổ SC sợi PCF chiều dài khác mode LP 11x A.1 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m A.2 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 5 10 11 16 17 18 22 23 24 25 27 29 31 33 34 37 38 v Danh sách bảng 1.1 Bảng giá trị K phụ thuộc vào hình dạng xung vi Các từ viết tắt CARS Coherent Anti-Stokes Raman Scattering DFWM Degenerate Four Wave Mixing FWM Four Wave Mixing PCF Photonic Crystal Fibers SC Super Continuum SESAM Semiconductor Saturable Absorber Mirror SPM Seft Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering THG Third Harmonic Generation XPM Cross Phase Modulation Mở đầu Hiện tượng mở rộng phổ chùm tia laser để trở thành nguồn ánh sáng trắng quan sát lần môi trường nước vào năm 1970 Alfano Shapiro Sau tượng nghiên cứu môi trường khác chất rắn, chất lỏng vô hữu cơ, chất khí loại ống dẫn sóng 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 [1] cho xung ánh sáng với công suất đỉnh lớn nên tượng quang học phi tuyến tạo cách dễ dàng Về mặt vật lý trình tạo xung ánh sáng trắng trình phức hợp nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến, chủ yếu hiệu ứng phi tuyến bậc ba [2, 3] tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, tán xạ Raman kích thích, Các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến việc mở rộng phổ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tán sắc, chiều dài môi trường phi tuyến, thời gian xung, bước sóng bơm, Đồng thời trình tương tác với môi trường phi tuyến, nhiễu loạn nhỏ ảnh hưởng mạnh đến đặc tính pha biên độ xung ánh sáng trắng Hiện nay, nguồn ánh sáng trắng dạng xung ngắn ứng dụng nhiều kĩ thuật quang phổ, y sinh, xử lý hình ảnh Tùy vào mục đích ứng dụng mà yêu cầu tính chất xung ánh sáng trắng khác Nhưng 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 Cụ thể vài ứng dụng đặc biệt, quang phổ phân giải theo thời gian yêu cầu ánh sáng trắng phải đơn xung; hay ứng dụng phép đo liên quan đến bất đẳng hướng phải cần đến ánh sáng trắng phân cực Vì vậy, việc nghiên cứu mở rộng phổ cách liên tục hay gọi tượng ánh sáng trắng (supercontinum: SC) nhiều vấn đề đặt ra, lý thuyết lẫn thực nghiệm [3] Ở Việt Nam, nghiên cứu SC nhóm GS Nguyễn Đại Hưng tiến hành thực nghiệm môi trường nước thuỷ tinh với hệ laser nano giây [4] Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm hay lý thuyết trình tạo SC laser femto giây chưa tiến hành Chính lí trên, chọn đề tài: “Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây” Mục đích đề tài tạo nguồn ánh sáng trắng dạng xung cực ngắn Đồng thời phân tích vai trò hiệu ứng quang phi tuyến góp phần mở rộng phổ xung laser Nhằm đạt mục đích đề ta cần nghiên cứu laser, hiệu ứng phi tuyến xảy trình tương tác xung laser môi trường phi tuyến Từ sử dụng nguồn laser femto giây để xây dựng thí nghiệm tạo SC Trong đó, phạm vi nghiên cứu giới hạn vấn đề sau: hiệu ứng quang phi tuyến bậc ba, mối quan hệ tính chất sợi PCF với chế động học xung laser femto giây trình lan truyền Để giải vấn đề nghiên cứu trên, đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp phân tích tài liệu để thu kiến thức cần thiết Bên cạnh tiến hành thí nghiệm để tạo SC Tạo SC thành công đóng vai trò quan trọng vấn đề khảo sát tượng cực nhanh phát triển để làm nguồn sáng cho kĩ thuật đo phổ phân giải theo thời gian Kết nghiên cứu mở hướng nghiên cứu thực nghiệm cho lĩnh vực quang phi tuyến Tương ứng với nội dung nghiên cứu, đề tài trình bày với nội dung phân bố hai chương Chương đầu trình bày kiến thức tổng quát laser hiệu ứng phi tuyến bậc ba Chương hai tập trung vào vấn đề với thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng tiến hành phân tích hiệu ứng phi tuyến xảy trình hình thành xung ánh sáng trắng dựa sở kiến thức chương 27 Hình 2.5: Phổ phân giải theo thời gian SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 01x sóng xuất vùng khả kiến phổ sóng lan truyền chậm thành phần lại phổ Sau chiều dài 11mm nở rộng phổ không đáng kể có thay đổi mặt phân bố cường độ So sánh hình ảnh phổ SC tạo chiều dài 13mm 20mm hai trường hợp ta thấy độ đồng phổ giảm chiều dài phổ tăng Sau đây, ta tiến hành phân tích vai trò hiệu ứng phi tuyến tham gia vào trình hình thành SC sợi PCF lưỡng chiết mode LP 01x Ứng với chiều dài 8mm, xung vào ban đầu có bước sóng trung tâm 840nm, sau lan truyền sợi xảy tượng mở rộng phổ hai phía bước sóng trung tâm Điều chứng tỏ trình hình thành SC milimét hiệu ứng SPM Quá trình SPM dẫn đến biến đổi tần số làm phổ nở phía bước sóng ngắn lẫn bước sóng dài Đầu tiên SPM kết hợp với tán sắc thường dẫn đến mở rộng tần số phổ xung, thứ hai SPM kết hợp với tán sắc xảy miền 28 tán sắc dị thường ống dẫn sóng không làm biến đổi xung miền thời gian sau trình biến đổi động học để tạo thành soliton Tăng chiều dài sợi PCF lên 11mm, trình hình thành SC có biến đổi phổ theo thời gian, phổ không đối xứng chứng tỏ hiệu ứng SPM không chiếm ưu thế, mà thay vào hiệu ứng XPM XPM xảy có chồng lấn xung ban đầu với sóng tán sắc có véc tơ sóng vùng tán sắc thường Kết xuất đỉnh sóng tán sắc, đỉnh sóng xác định từ điều kiện hợp pha Trong hình 2.5b, ta quan sát thấy sóng khả kiến tạo gần bước sóng 600nm đỉnh sóng tán sắc tạo thành Trong trình tạo SC, xung lượng cao bơm vào vùng tán sắc dị thường, giai đoạn đầu trình xung quang có phổ mở rộng thời gian co lại Lúc xung bơm biến thành soliton bậc cao Soliton bậc cao không ổn định ảnh hưởng tán sắc bậc ba Đồng thời với xuất tán xạ Raman trình tự dốc dẫn đến soliton ban đầu bị vỡ thành soliton phụ có biên độ thấp Quá trình gọi phân hạch soliton Đáng ý thành phần tần số anti-Stokes dịch chuyển xanh Stokes dịch chuyển đỏ xuất quang phổ gần bước sóng không tán sắc Để trì hình dạng soliton trình phân rã, soliton xạ tạo đối soliton màu xanh có bước sóng thỏa mãn điều kiện hợp pha Bên cạnh dẫn đến tự dịch chuyển đỏ đạt ổn định Quan sát hình 2.5c,d ta thấy xung vào biến đổi thành soliton dịch chuyển đỏ hiệu ứng tán xạ Raman kích thích Có thể nhìn thấy rõ hầu hết lượng xung vào tập trung xung quanh bước sóng 1000nm Những soliton tương tác với thành phần lại phổ SC XPM tiếp tục lan truyền Ở chiều dài 13mm sợi PCF ta quan sát thấy tín hiệu có bước sóng gần 650nm Tín hiệu giải thích kết tương tác soliton bước sóng gần 950nm kết hợp với sóng tán sắc 760nm Tương tự, xuất cường độ sáng bước sóng gần 600nm tương tác soliton với sóng tán sắc có bước sóng gần 650nm Tóm lại, xuất hai thành phần cường độ sáng ứng với bước sóng 650nm 600nm kết soliton tương tác với sóng tán sắc Sự mở rộng phổ phía bước sóng ngắn không chiều dài 13mm 20mm Nếu tiếp tục tăng chiều dài sợi, phổ 29 không mở rộng mà xảy tượng cường độ sáng bước sóng 600nm tăng cường Qua cho thấy đặc tính tán sắc có vai trò quan trọng bước sóng ngắn Soliton sóng tán sắc không lan truyền nên tương tác để tạo sóng Mặt khác, tán sắc làm giảm lượng cực đại soliton nên hiệu ứng phi tuyến mà soliton tạo không trì Trường hợp tạo SC chiếu xung vào mode LP 11x xảy tương tự mode LP 01x Hình 2.6: Phổ phân giải theo thời gian SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 11x Hình 2.6 cho ta thấy xung ban đầu tách thành hai đỉnh riêng biệt hiệu ứng SPM Nhưng hai đỉnh nằm đối xứng qua xung trung tâm nằm vùng tán sắc dị thường, bước sóng có giá trị tán sắc không 757nm Soliton tiếp tục lan truyền sợi kết hợp với sóng vùng tán sắc dị thường thông qua hiệu ứng XPM sinh sóng tán sắc vùng khả kiến gần bước sóng 550nm Soliton tạo từ xung bơm qua trình tự biến đổi tần số soliton nên bước sóng trung tâm dịch chuyển phía màu đỏ nằm miền tán sắc dị thường Do vận tốc nhóm soliton giảm, kết dẫn đến thành phần phổ dịch chuyển phía màu đỏ sóng tán sắc bắt kịp soliton Khi soliton tương tác với sóng tán sắc XPM, tạo đỉnh với tần số cao hơn, hình 2.6c Các thành phần di chuyển với vận tốc nhóm khác so với soliton sóng tán sắc, chúng tán sắc dọc theo trình truyền sợi Sóng tiếp tục lan truyền dọc theo chiều dài sợi công suất đỉnh sóng tán sắc thấp soliton nên XPM gây sóng tán sắc soliton không đáng kể, bỏ qua 30 Trong phương trình 1.3 có xuất hiệu ứng tự dốc Tự dốc hệ cường độ xung phụ thuộc vào vận tốc nhóm Đỉnh xung truyền chậm so với cạnh dẫn đến mép sau xung bị dốc Hiệu ứng tham gia vào trình hình thành SC rõ phổ đo Các soliton tạo thông qua tán xạ Raman hoạt động sóng bơm cho trình trộn lẫn bốn sóng Các sóng Stokes anti-Stokes tạo dãy phổ soliton góp phần hợp chúng Tuy nhiên tần số dịch chuyển lớn liên quan đến thành phần Stokes anti-Stokes làm cho trình FWM yếu đi, hay sóng xạ soliton bước sóng tạo rơi vào phổ, ta không quan sát điều khác biệt lớn tần số sóng đóng vai trò sóng bơm trình XPM Trong thực tế điều kiện hợp pha FWM xảy PCF khó nên quan sát phổ ta không thấy biểu FWM Chính vậy, hiệu ứng đóng vai trò không đáng kể trình tạo SC Kết thực nghiệm đo phổ SC PCF lưỡng chiết với mode LP 01x thể hình 2.7 Việc đo thực cách cắt sợi PCF thành độ dài khác Sau chiếu xung laser vào độ dài đo phổ SC đầu Từ kết thực nghiệm cho thấy nở rộng phổ thay đổi chiều dài sợi thay đổi Phổ mở rộng nhanh chiều dài sợi PCF ngắn Còn sau chiều dài 10mm nở rộng phổ không đáng kể có thay đổi mặt cường độ Ứng với chiều dài 13,8mm 22mm độ đồng phổ giảm chiều dài phổ tăng Theo dõi trình phát triển SC ta thấy ứng với chiều dài sợi PCF 3.7mm, nở rộng phổ phía bước sóng ngắn lẫn bước sóng dài Kết hiệu ứng SPM chiếm ưu sinh Đặc điểm SPM phổ nở đối xứng với xung trung tâm thông qua phương trình [11]: ω(t) = ω0 + 2k Ln2 I0 −t2 t exp( ) τ2 τ2 (2.2) Tăng chiều dài sợi lên 7mm, phổ tách thành hai đỉnh riêng biệt, tập trung mạnh vào vùng 750nm đến 800nm vùng từ 850nm đến 900nm Sự bất đối xứng bắt đầu xuất cho thấy hiệu ứng SPM suy giảm, hiệu ứng XPM bắt đầu chiếm ưu Các bước sóng nằm vùng tán sắc dị thường di chuyển gần 31 Hình 2.7: Sự phát triển phổ SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 01x [10] vận tốc trì soliton Còn bước sóng nằm vùng tán sắc thường có tượng màu xanh di chuyển nhanh màu đỏ có dịch chuyển phổ phía bước sóng ngắn Quan sát đến chiều dài 13mm, hai đỉnh phổ hình thành miền tán sắc thường Kết tương tác soliton với sóng tán sắc hiệu ứng XPM Đối với chiều dài 13,8mm 22mm nở rộng phổ phía bước sóng ngắn mà có tượng cường độ sáng bước sóng gần 600nm tăng cường so với vùng 32 lại Hơn chiều dài sợi tăng tán sắc làm giảm lượng cực đại soliton nên hiệu ứng liên quan đến soliton suy yếu Sóng tán sắc soliton không lan truyền với nên tương tác để tạo bước sóng Ta quan sát không thấy tín hiệu phi tuyến trộn bốn sóng hay tổng hợp tần số Vì hiệu ứng phi tuyến tham gia phải quan sát photon vùng tử ngoại tần số tượng lấy giá trị ω12 = ω1 + ω2 Trong thực tế, để tín hiệu tượng xuất đủ mạnh điều kiện hợp pha sóng sóng tín hiệu phải thỏa mãn Nhưng với cấu trúc sợi PCF điều kiện hợp pha trình lan truyền không thực Chính điều nên đóng góp hai hiệu ứng không đáng kể, bỏ qua So sánh kết thực nghiệm với mô cho mode LP 01x LP 11x , hình 2.8, 2.9 Mặc dù, mode LP 01x cường độ chưa phù hợp tốt, thể tương hợp thực nghiệm mô Sự khác cường độ đỉnh giải thích phần chức máy phân tích Mục đích việc so sánh để công nhận kết mô Sau cho phép giải thích tạo nhiều SC điều kiện thường, đồng thời cho phép dự đoán kết xảy ta thay đổi vài tham số lượng bơm, phân cực, bước sóng Vì thay đổi yếu tố thực thí nghiệm khó Từ kết phân tích đến kết luận rằng: tạo thành SC laser femto giây hiệu độ dài khoảng 10mm sợi PCF Chiều dài ứng với laser có đặc điểm nêu ban đầu vị trí kích thích lõi sợi Sự phát triển phổ SC trình lan truyền theo chiều dài sợi PCF hệ kết hợp hàng loạt hiệu ứng phi tuyến: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, soliton, tán xạ Raman kích thích, Thông qua kết mô thí nghiệm thấy SC hình thành bắt nguồn từ hiệu ứng SPM, dẫn đến phổ nở hai bên bước sóng ngắn bước sóng dài milimét Còn tăng chiều dài sợi PCF hiệu ứng SPM không chiếm ưu mà thay hiệu ứng khác XPM Lúc phổ tập trung miền bước sóng ngắn với tương tác soliton sóng tán sắc 33 Hình 2.8: So sánh thực nghiệm mô phổ SC sợi PCF chiều dài khác mode LP 01x [12] Đồng thời phổ không mở rộng phía màu xanh tiếp tục tăng chiều dài sợi Còn hiệu ứng phi tuyến khác trộn lẫn bốn sóng, tự dốc, đóng góp không đáng kể trình 34 Hình 2.9: So sánh thực nghiệm mô phổ SC sợi PCF chiều dài khác mode LP 11x [12] 35 Kết luận chương Trong nội dung chương hai, trình bày cách chi tiết mặt nguyên lý kĩ thuật cho thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây Kết thí nghiệm cho thấy SC tạo thành có độ rộng phổ lớn thời gian xung ngắn Phổ mở rộng từ miền hồng ngoại sang miền khả kiến Sau tiến hành mô phổ phân giải theo thời gian SC theo chiều dài khác sợi PCF mode LP 01x LP 11x Dựa vào kết mô phân tích trình mở rộng phổ hình thành SC thông qua hiệu ứng phi tuyến nghiên cứu chương 36 Kết luận Kiến nghị Trong nghiên cứu tổng hợp kiến thức laser hiệu ứng phi tuyến bậc ba Cùng với trình đó, sử dụng kết thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng để phân tích hiệu ứng phi tuyến xảy trình hình thành SC Thông qua kết thí nghiệm cho thấy cấu trúc sợi PCF tính chất tán sắc mode dẫn truyền (đặc biệt vị trí bước sóng có giá trị tán sắc không) đóng vai trò quan trọng việc trì hiệu ứng phi tuyến, bước sóng laser phải nằm vùng tán sắc bất thường vị trí lân cận với bước sóng có giá trị tán sắc không xung ánh sáng trắng hình thành 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 Kết nghiên cứu mở triển vọng cho hướng nghiên cứu thực nghiệm tính chất phi tuyến sợi quang Việt Nam Qua cho thấy tạo xung ánh sáng trắng có vai trò quan trọng phát triển lĩnh vực quang phổ, y sinh, thí nghiệm cần triển khai cách rộng rãi để có bước tiến nghiên cứu sâu đáp ứng nhu cầu phát triển khoa học 37 Phụ lục A Hình ảnh Hình A.1: Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 38 Hình A.2: Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài m 39 Công trình tác giả Huynh Ngoc Linh Phuong, Bui Yen Duy, Le Cong Nhan Improving ef- ficiency of second-harmonic generation with femtosecond Ti:sapphire laser pulses The th International Conference on Photonics and Applications, Da Nang, August 2014 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 40 Tài liệu tham khảo [1] C Rulliere Femtosecond Laser Pulses,5th Springer, 2010 [2] J M Dudly and J.R Taylor Supercontinuum Generation In Optical Fibers Cambridge University, 2010 [3] J M Dudley, G Genty, and S Coen Supercontinuum generation in photonic crystal fiber Review of modern physics, 78:1135–1184, 2006 [4] ] N Đại Hưng and P.Văn Thích Thiết bị Linh kiện Quang học, Quang phổ, Laser NXB Đại học quốc gia Hà Nội, 2005 [5] Lê Công Nhân Laser kĩ thuật đo quang phổ Tài liệu tham khảo, 2012 [6] Orazio Svelto Principles of Laser Springer, 2010 [7] F.Mitchke Fiber optics, Physics and Technology Springer, 2009 [8] F.Trager (Ed) Handbook of Laser and Optics Springer, 2007 [9] B.E.A.Saleh and M.C.Teich Fundamental of photonic, part A Willey Interscience pulication, 1992 [10] L.C.Nhan Development of a femtosecond spectrometer based on a photonic crystal fiber and ultrafast photophysics of malachite green Seminar Viện Vật Lý, 7- 2011 [11] R.Buczynski Photonic crystal fibers Acta Physica Polonica A, 106:141–167, 2004 41 [12] 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 [...]... những lí do đó nên trong đề tài này chúng tôi chọn tạo xung SC bằng laser femto giây và sợi PCF Tuy nhiên, để có thể sử dụng PCF như một nguồn phát xung ánh sáng trắng cho các ứng dụng thì các thông số của SC ở đầu ra phải thỏa mãn các yêu cầu khắc khe về mặt kĩ thuật 2.1 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... tả bằng phương trình Schrodinger phi tuyến Đồng thời qua phương trình Schrodinger, chúng tôi tìm hiểu về những hiệu ứng quang phi tuyến như SPM, XPM, SRS, soliton, Mỗi hiệu ứng có những đặc điểm riêng và các hiệu ứng này có thể xảy ra đồng thời trong quá trình tương tác giữa xung ánh sáng và môi trường phi tuyến 21 Chương 2 Tạo xung ánh sáng trắng bằng laser femto giây Ánh sáng trắng có thể được tạo. .. nm) và thời gian xung ngắn (có thể rút xuống cỡ dưới một trăm femto giây) Với những đặc điểm nổi bật đó thì xung ánh sáng trắng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong kĩ thuật đo phổ quang học phân giải theo thời gian 20 Kết luận chương 1 Thông qua quá trình tìm hiểu về laser xung ngắn và kĩ thuật tạo xung laser cực ngắn, chúng tôi nhận thấy rằng: laser xung có công suất... Còn về thời gian xung SC thì vào cỡ vài pico giây, ước tính dựa trên chiều dài 10 mm của sợi PCF Hình 2.2: Sơ đồ tạo xung ánh sáng trắng bằng cách bơm xung laser vào sợi PCF M1 và M2 : gương, λ/2: bản nửa bước sóng, 28X : thấu kính hiển vi, XYZ: trục dịch chuyển theo ba chiều, PCF: sợi quang tinh thể Về mặt nguyên lý, chúng tôi minh họa thí nghiệm tạo SC bằng PCF trên hình 2.2 Xung laser cơ bản, có... số của soliton 1.3.2 Hiệu ứng ánh sáng trắng Hàng loạt các hiệu ứng phi tuyến nêu trên như tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn bốn sóng, tán xạ Raman kích thích, hiện tượng soliton, tham gia vào quá trình mở rộng phổ một cách liên tục của xung laser lan truyền trong môi trường phi tuyến Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng ánh sáng trắng Xung ánh sáng trắng được tạo ra có đặc điểm độ rộng phổ... phụ thuộc vào hình dạng xung. [1] 1.2.3 Kỹ thuật tạo xung laser cực ngắn Để tạo xung laser cực ngắn người ta thường sử dụng phương pháp khoá mode của laser Khi thực hiện khoá mode thì mỗi mode hoạt động với một pha xác định Các mode này sẽ giao thoa tăng cường với nhau để laser phát ra một chuỗi xung ngắn tuần hoàn với chu kì T = 2L/c, trong đó T cũng chính là thời gian để ánh sáng đi một vòng kín trong... tương tác giữa xung laser và sợi PCF đã mở rộng phổ từ hồng ngoại xuống khả kiến Hình 2.1: Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể 23 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 vì vậy chúng tôi chưa xác định được chính xác độ rộng phổ cũng như thời gian của xung SC Tuy... như trường hợp laser femto giây, chỉ cần một năng lượng xung rất bé vào khoảng 1 µJ và thời gian xung khoảng 50 fs thì công suất đỉnh của xung lên tới 20 GW Nhờ độ lớn của công suất đỉnh nên việc tạo ra các hiện tượng quang học phi tuyến hay thậm chí môi trường plasma là rất dễ đối với laser xung Bên cạnh đó, công suất trung bình thấp của laser xung cũng là một lợi thế, nó cho phép tránh được các hiệu... nhưng cần phải kích thích bằng những xung laser có năng lượng cao Để cung ứng đủ mức năng lượng trên thì phải sử dụng tới những hệ laser khuếch đại Nhược điểm của việc sử dụng nguồn laser năng lượng cao là chi phí lớn, phải dùng kết hợp với các phương tiện hỗ trợ thoát nhiệt để ổn định SC, ví dụ như trường hợp tạo SC bằng tinh thể CaF2 Còn tạo SC bằng sợi PCF chỉ cần những xung laser có năng lượng nhỏ... của laser femto là rất cao Ta có sơ đồ buồng cộng hưởng laser femto giây Ti:sapphire ở hình 1.3 1.2 Xung laser cực ngắn 1.2.1 Đặc điểm của laser xung ngắn Từ năm 1960 trở đi, hàng loạt laser khác nhau đã ra đời Để đơn giản trong cách gọi tên, chúng thường được chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lí của môi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học Hoặc dựa vào đặc tính bức xạ laser ... 12 13 19 20 Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây 21 2.1 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng 21 2.2 Phân tích vai trò hiệu ứng phi tuyến trình tạo xung ánh sáng trắng ... trình tương tác xung ánh sáng môi trường phi tuyến 21 Chương Tạo xung ánh sáng trắng laser femto giây Ánh sáng trắng tạo môi trường nước, thuỷ tinh, cần phải kích thích xung laser có lượng cao... thụ Tạo xung ánh sáng trắng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể Sơ đồ tạo xung ánh sáng trắng cách bơm xung laser vào sợi PCF Sự