Nén xung ngắn bằng vòng sợi quang khuếch đại raman bơm ngược phối hợp với bộ liên kết bán phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ CHU VĂN BIÊN NÉN XUNG NGẮN BẰNG VÒNG SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI RAMAN NGƯỢC PHỐI HỢP VỚI BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2016 Công trình hoàn thành tại: Viện Khoa học Công nghệ quân - Bộ Quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Quang Quý Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Quang Báu Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Quốc Hùng Phản biện 3: TS Phạm Vũ Thịnh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi……h……… ngày…… tháng…….năm…… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân sự; - Thư viện Quốc gia Việt Nam A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài Phương pháp nén xung sử dụng môi trường khuếch đại Raman bơm ngược nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm môi trường plazma, khí áp suất cao tạo xung có độ rộng giảm xuống đến hàng trăm lần so với xung bơm Trong năm gần sợi quang phi tuyến, hay sợi quang ống (hollow fiber) chứa đầy môi trường tán xạ Raman sử dụng nén xung theo nguyên lý khuếch đại Raman bơm ngược Song song với nghiên cứu nén xung khuếch đại Raman bơm ngược nghiên cứu liên kết quang phi tuyến bốn cổng nhiều cổng Ngoài tính chất tách sóng theo bước sóng theo cường độ, theo dự đoán chúng tôi, liên kết có tính chất rút ngắn độ rộng xung mức định Tính chất lọc lựa liên kết phi tuyến rút ngắn độ rộng xung tín hiệu Tính chất chưa nghiên cứu cách đầy đủ chưa ứng dụng thực tế Một ý tưởng phối hợp môi trường khuếch đại Raman bơm ngược có khả nén xung với liên kết bán phi tuyến có khả rút ngắn xung Ý tưởng thể luận án với tiêu đề: “Nén xung ngắn vòng sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược phối hợp với liên kết bán phi tuyến” Mục tiêu luận án: Trên sở tính chất khuếch đại Raman ngược môi trường Raman (hay sợi quang) tính chất lọc lựa quang liên kết bán phi tuyến, đề xuất lý thuyết hệ nén xung quang kết hợp từ môi trường tán xạ Raman liên kết bán phi tuyến Nội dung nghiên cứu: Thiết lập phương trình mô tả trình khuếch đại sợi quang Raman, phương trình vào liên kết bán phi tuyến Đề xuất mô hình lý thuyết hệ nén xung kết hợp vòng khuếch đại Raman ngược với liên kết bán phi tuyến với hai cấu hình: nén chủ động (sử dụng bơm ngoài) tự nén (không sử dụng bơm ngoài) Phân tích trình hoạt động, thiết kế qui trình mô dùng phần mềm Maple mô để minh chứng khả nén xung hệ đề xuất Đi tìm điều kiện ngưỡng để xuất hiệu ứng nén cho mô hình Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Hiệu ứng khuếch đại Raman ngược sợi quang (pha tạp Germanium); Hiệu ứng cắt gọt xung liên kết bán phi tuyến; Hệ nén xung lặp quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục với liên kết bán phi tuyến; Hệ tự nén xung quang kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược với liên kết bán phi tuyến Phạm vi nghiên cứu nghiên cứu mô hình lý thuyết, xét đến trình dừng khảo sát với liên kết bán phi tuyến Phương pháp nghiên cứu: Đề tài kết hợp phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết với phương pháp mô hình hóa Dùng phương pháp mô hình để nghiên cứu xây dựng lý thuyết hệ nén xung dựa sở kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược với liên kết bán phi tuyến Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý tưởng đề xuất hệ rút ngắn xung cách kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược rút ngắn xung liên kết bán phi tuyến Kết nghiên cứu cho thấy khả nén xung hệ mà luận án đề xuất khả quan Kết luận án sở tin cậy cho việc chế tạo hệ nén xung B NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Nội dung luận án trình bày chương Chương trình bày tổng quan khuếch đại Raman bơm ngược liên kết bán phi tuyến Chương khảo sát đặc trưng rút ngắn xung lọc lựa liên kết bán phi tuyến nhằm mục đính tìm tham số phục vụ cho chương chương Chương đề xuất hai hệ nén xung kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục với liên kết bán phi tuyến: hệ MTPFC1 MTPFC2 Chương đề xuất hai hệ tự nén xung quang kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược với liên kết bán phi tuyến: OPSC cấu hình vòng OPSC cấu hình thẳng Chương 1: KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC VÀ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 1.1 Các nguyên lý phát xung laser ngắn *Nén xung buồng cộng hưởng: Biến điệu chủ động; Biến điệu thụ động; Biến điệu đồng pha *Nén xung buồng cộng hưởng: Nén xung dựa hiệu ứng tán sắc; Nén xung dựa hiệu ứng phi tuyến Phương pháp dựa nguyên lý khuếch đại Raman bơm ngược làm ngắn xung nhờ liên kết phi tuyến vấn đề nóng hổi quan tâm nghiên cứu ứng dụng năm gần 1.2 Khuếch đại Raman bơm ngược 1.2.1 Khuếch đại Raman cưỡng Tốc độ biến đổi số photon Stokes theo phương z: dms n = DmL ( ms + 1) dz c n *Nếu ms > (cưỡng bức) ms ( z ) = ms ( ) e DnmL z c (1.9) 1.2.2 Hệ phương trình tương tác cho khuếch đại Raman bơm ngược Nguyên lý nén xung theo nguyên lý khuếch đại Raman bơm ngược trình bày hình 1.5 *Hệ phương trình tốc độ đại lượng liên kết viết sau: Hình 1.5 Nguyên lý nén xung khuếch đại Raman bơm ngược [25] 2π iν p ∂α  ∂ np ∂  N QEs  +  Ep = cn p ∂q  ∂z c ∂t  2π iν s ∂α *  ∂ ns ∂  − + E = N Q Ep s  ∂z c ∂t  cns ∂q   (1.14) (1.15) Trong điều kiện dừng (stationary), phương trình (1.14) (1.15) viết cho cường độ có dạng sau: νp  ∂ np ∂  I p Is  +  I q = −γ νs  ∂z c ∂t   ∂ ns ∂   − ∂z + c ∂t  I s = γ I p I s   (1.17) (1.18) 1.2.3 Hệ số khuếch đại *Hệ số khuếch đại Raman tổng sau N lần đụng đầu là: N G= ∏ i =1  gP τ − e−α p L  Gi = exp  L − αs L α υ − T /2 p p  A − e  (1.28) 1.2.4 Một số cấu hình khuếch đại nén xung: + Hệ khuếch đại Raman bơm ngược plasma điển hình J Ren cộng thiết kế + Cấu hình nén xung tán sắc + Cấu hình nén xung sử dụng sợi quang tán sắc thường nén tán sắc + Cấu hình nén xung sử dụng sợi quang tán sắc dị thường + Cấu hình nén xung tương tự + Cấu hình khuếch đại Raman bơm ngược 1.3 Liên kết phi tuyến 1.3.1 Cấu hình liên kết phi tuyến sợi quang Bộ liên kết bán phi tuyến gồm sợi có hệ số chiết suất phi tuyến lớn (hay gọi sợi Kerr) sợi tuyến tính có hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ không đáng kể Hình 1.20 Bộ liên kết bán phi tuyến [27] 1.3.2 Hệ số truyền đặc trưng truyền liên kết bán phi tuyến Hệ số truyền qua liên kết bán phi tuyến: I ( z) η11 = = 1− sin z Cnl2 + C I1 (0) Cnl / C + ( η12 = I2 ( z) = sin z Cnl2 + C I1 (0) Cnl / C + ( ) ) (1.31) 1.3.3 Một số cấu hình xử lý tín hiệu soliton Dựa vào tính chất phi tuyến hệ số truyền số cấu hình liên kết phi tuyến sử dụng cho mục đích xử lý tín hiệu soliton đề xuất như: khóa soliton, tách soliton, phát soltion… 1.4 Kết luận chương Trong chương này, trình bày số khái niệm tán xạ Raman cưỡng bức, khuếch đại Raman, nguyên lý “nén xung” (pulse compression) sử dụng khuếch đại Raman bơm ngược, số cấu hình khuếch đại nén xung ứng dụng khôi phục tín hiệu thông tin quang Đồng thời giới thiệu liên kết phi tuyến quang, số đặc trưng ứng dụng chúng xử lý tín hiệu quang, đặc biệt soliton quang Từ nguyên lý khuếch đại cấu hình nén xung sử dụng Raman bơm ngược tính chất liên kết phi tuyến, đặc biệt tính chất tách tín hiệu lọc lựa theo cường độ vào, rút số nhận xét sau: i) Những vấn đề khoa học liên quan đến ảnh hưởng trình khuếch đại Raman bơm ngược lên biến dạng xung tín hiệu hay nén xung sợi quang nhờ khuếch đại Raman bơm ngược chưa đề cập ii) Nhờ khuếch đại Raman bơm ngược, xung mầm khuếch đại đó, cường độ đỉnh tăng lên đáng kể, thời gian kéo dài xung không thay đổi (tuy nhiên, độ rộng xung tính ½ đỉnh thay đổi) Với mục đích rút ngắn xung, xung sau khuếch đại rút ngắn nhờ hệ nén xung tán sắc iii) Bộ tách tín hiệu quang phi tuyến tách tín hiệu cổng vào thành hai tín hiệu hai cổng Dạng tín hiệu đầu phụ thuộc vào cường độ tín hiệu vào Đặc biệt, độ rộng xung tín hiệu hai cổng nhỏ so với độ rộng xung vào Chương KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG RÚT NGẮN XUNG LỌC LỰA CỦA BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 2.1 Cấu hình đề xuất Cấu hình liên kết bán phi tuyến trình bày hình 2.1 2.2 Biểu thức cường độ tín hiệu Quan hệ cường độ tín hiệu vào tín hiệu hai cổng ra: Hình 2.1 Cấu hình liên kết bán phi tuyến    4π c 2ε n I   2 nl I1 ( z ) = I1 1 − sin  z + C  2 4   16λ  4π c ε nnl I1 +   16λ 2C     4π c 2ε n I  nl I ( z ) = I1  2 4 sin  z + C2  16λ  4π c ε nnl I1 +   16λ C (2.12)       2.3 Đặc trưng truyền Dùng công thức (1.31) sử dụng phần mềm vẽ đồ thị Maple, đặc trưng truyền η - Ivào liên kết bán phi tuyến trình bày hình 2.2; đặc trưng η - λ trình bày hình 2.3 a) b) Hình 2.2 Đặc trưng truyền liên kết theo cường độ; η11 – I1 (đường nét vạch); η12 – I1 (đường liền nét); a) lC = 2mm; b) lC = 4mm; Hình 2.3 Đặc trưng truyền liên kết theo bước sóng tín hiệu vào η11 – λ (đường nét vạch); η12 – λ (đường liền nét); a) lC = 2mm Ivào = 0,72×1012W/m2; b) lC = 4mm Ivào = 0,55×1012W/m2; c) lC = 4mm Ivào = 0,37×1012W/m2; 2.4 Tách xung lọc lựa Khảo sát với tín hiệu vào chuỗi xung Gauss: I vao (t ) = ( I + mkI m ) e  ln ( t − 3T − kT )  −  T   (2.2) Khả tách xung mô hình 2.5 c) t/T a) t/T b) t/T Hình 2.5 Tách xung truyền qua liên kết phi tuyến a – xung vào; b – xung cổng 1; c – xung cổng 2.5 Rút ngắn xung *Tối ưu xung cổng  t2  Xét xung Gaussian: I vao = I max exp  − ln 2  τ   (2.3) 11 i) Nếu chọn tham số cường độ tín hiệu vào liên kết bán phi tuyến phù hợp, xung tín hiệu cổng vào tách thành xung hai cổng Dạng xung hai cổng thay đổi phụ thuộc vào tham số liên kết cường độ tín hiệu vào ii) Khi tín hiệu vào xung, xung hai cổng có độ rộng xung thay đổi phụ thuộc vào chiều dài vùng liên kết, cường độ đỉnh xung vào hệ số chiết suất phi tuyến Độ rộng xung cổng thứ hai ngắn độ rộng xung vào iii) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung cổng thứ (còn xung cổng thứ hai loại bỏ): -12 -1 1,0.10 m /W), lC=1,9mm, C=0,694mm , λ nnl = =1,57µm, Imax= 0,75.10 W/m , với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns 12 iv) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung cổng thứ hai (còn xung cổng thứ loại bỏ): -12 nnl = -1 1,0.10 m /W, lC = 4,20mm, C=0,694mm , λ =1,57µm, Imax= 0,5625.1012W/m2 với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns v) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung cổng thứ hai (để làm xung mầm) xung cổng thứ gần giống hệt xung ban đầu (để làm xung bơm): nnl =1,0.10-12m2/W, lC=4,20mm, C=0,694mm-1, λ=1,472µm, Imax= 0,4.1012W/m2 Chương HỆ NÉN XUNG KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC LIÊN TỤC VỚI LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 3.1 Hệ nén xung cách tăng cường độ đỉnh 3.1.1 Cấu hình nguyên lý hoạt động 12 Cấu hình nguyên lý hệ nén xung quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục liên kết bán phi tuyến MTPFC1 trình bày hình 3.1 Hình 3.1 Cấu hình nguyên lý hệ MTPFC1 3.1.2 Cở sở lý thuyết cho qui trình khảo sát  Xung vào I vao (t ) = I max exp − ln 2×  t   (3.1) τ  Bước 1: Truyền qua -3dBOC; Bước 2: Truyền qua SNOC; Bước 3: Truyền qua sợi quang khuếch đại; Bước 4: Thực lại bước 1: I nen ,1 (t ) =   I max t2   C2 exp  − ln ×  1 − sin lC Cnl2 + C  exp ( I p glR ) τ   Cnl + C   ( ) Quá trình lặp lại cách sử dụng “Xung nén” lần thứ i làm “Xung đầu vào” cho trình nén lần thứ i+1 3.1.3 Khảo sát trình nén xung *Bộ SNOC: nnl = 1,0×10-12m2/W; lC = 1,9mm ; C = 0,694mm-1 *Bộ BCWRFA: lR = 10m, α = 0; g = 4,5×10-14m/W; Ip = 2,5×1012W/m2, λ = 1472nm (xung bơm); Imax = 1,5×1012W/m2; 2τ = 2,0×10-9s; λ = 1570nm (xung mầm) 3.1.3.1 Rút ngắn xung lần thứ qua SNOC Xung Ira,7(t) cổng SNOC có cường độ đỉnh 0,75×1012W/m2, độ rộng xung rút ngắn lại 1,32×10-9 s, giảm 1,5 lần 13 3.1.3.2 Khuếch đại lần thứ Sau khuếch đại lần thứ nhất, chúng thu xung với độ rộng ≈ 1,29×10-9s cường độ đỉnh ≈ 11,56×1011W/m2 So với xung vào cường độ đỉnh xung nén lần thứ tăng 1,5 lần, độ rộng xung rút ngắn lại 64% xung ban đầu Điều cho thấy hiệu suất rút gọn xung hệ MTPFC1 3.1.4 Ảnh hưởng số tham số lên hệ số nén 3.1.4.1 Ảnh hưởng số lần nén Xung nén sau chu kỳ thứ nhất, thứ hai thứ ba trình bày hình 3.4, hình 3.5 hình 3.6 Bảng 3.1 Các tham số xung nén hệ số nén Xung Imax(W/m2) 2τ(s) Fnen(W/m2s) η theo lần nén qua hệ MTPFC1 Vào Lần “1” Lần “2” 12 12 0,75.10 1,156.10 1,744.1012 2.10-9 1,29.10-9 1,26.10-9 3,75.1020 8,961.1020 13,841.1020 2,390 3,691 Lần “3” 2,653.1012 1,23.10-9 21,57.1020 5,752 Từ kết bảng 3.1 cho thấy, xung truyền qua hệ MTPFC1, hệ số nén tăng nhanh sau chu kỳ 14 3.1.4.2 Tối ưu hệ số nén Bảng 3.2 Hiệu suất nén xung hệ MTPFC1 sau lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác Hệ số KĐ I max (W/m2) 0,540 0,900 1,000 1,125 1,200 2,300 η[*] 0,59 2,14.1020 0,57 0,61 20 0,98 -9 (IpglR) 0,5 F (W/m2s) 2τ (10 s) 1,26.1011 11 2,24.10 12 1,26.10 12 1,84.10 12 2,653.10 12 3,33.10 13 9,35.10 1,23 1,23 1,23 1,26 1,28 3,67.10 20 2,73 20 3,99 20 5,75 20 7,05 10,24.10 14,96.10 21,57.10 26,43.10 20 730,47.10 194,79 *Fvao = 3,75.1020 W/m2s Từ bảng 3.2 có nhận xét sau: 1) Khi giá trị hệ số (IpglR) tăng, công suất đỉnh xung tăng lên; 2) Độ rộng xung thay đổi (IpglR) tăng; độ rộng xung dao động khoảng (1,23÷1,28).10-9s (IpglR) thay đổi khoảng từ 0,9 đến 2,3; 3) Hệ số nén η = 1, giá trị ngưỡng (IpglR) = 0,54 với g = 4,5.10-14 m/W tương ứng với cường độ laser bơm ngưỡng Ip = 1,2.1012W/m2, cường độ mức trung bình laser thông dụng 3.2 Hệ nén xung cách giảm độ rộng xung Cấu hình hệ nén xung lặp quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục liên kết bán phi tuyến MTPFC2 trình bày hình 3.13 15 Hình 3.13 Cấu hình hệ MTPFC2 Hệ thiết kế với mục đích sử dụng xung cổng thứ hai liên kết bán phi tuyến Hệ MTPFC2 giống với MTPFC1 khác chỗ tín hiệu lấy từ liên kết bán phi tuyến cổng thứ hai *Bộ SNOC: nnl = 1,0×10-12m2/W; lC = 4,2mm; C = 0,694mm-1 *Bộ BCWRFA: lR = 10m; α = 0; g = 4,5×10-14m/W ; Ip = 3,6×1012W/m2;λ = 1472nm (xung bơm); Imax = 1,125×1012W/m2; 2τ = 2,0×10-9s;λ = 1570nm (xung mầm) 3.2.1 Rút ngắn xung lần thứ qua SNOC Xung Ira,6(t) cổng SNOC có cường độ đỉnh giảm xuống khoảng 2,25×1011W/m2, giảm 2,5 lần so với cường độ đỉnh xung vào, độ rộng xung rút ngắn lại 1,0×10-9s, giảm hai lần 3.2.2 Khuếch đại lần thứ Hình 3.18 So sánh xung nén lần 0, 1, hệ MTPFC2 Quá trình thực mô cho thấy, qua lần nén cường độ đỉnh giữ ổn định độ rộng xung giảm dần từ lần nén thứ ba trở xung nén xung nén giữ ổn định (hình 3.18) Điều giải thích dựa theo tính chất rút ngắn xung lọc lựa liên kết bán phi tuyến SNOC, theo đó, xung sau 16 nén lần trở thành xung vuông với cường độ đỉnh không đổi có cân trình khuếch đại mát Kết khảo sát trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Các tham số xung nén hệ số nén theo lần nén qua hệ MTPFC2 Lần “0” Lần “1” Lần “2” Lần “3” 11 11 11 5,625.10 5,625.10 5,625.10 5,625.1011 -9 -9 -9 2,000.10 1,000.10 0,675.10 0,564.10-9 2,8125.1020 5,625.1020 8,333.1020 9,970.1021 η 1,00 2,00 2,96 3,55 Kết bảng 3.3 cho thấy, xung truyền qua hệ MTPFC2 thích hợp (với tham số khảo sát) chu kỳ hệ số nén tăng dần đến giá trị cực đại 3,55 chu kì thứ trở xung nén xung vuông gần giống với hệ số nén 3,55 Với tham số thiết kế để (IpglR = 1,62) hệ số nén hệ MTPFC2 đạt giá trị “bão hòa” η = 3,55 Tiếp theo khảo sát xung nén sau ba chu kì thay đổi giá trị (IpglR) từ 1,52 đến 1,66 tương ứng với cường độ bơm từ 3,38.1012 W/m2 đến 3,69.1012 W/m2 Bảng 3.4 Hiệu suất nén xung hệ MTPFC2 sau lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác Hệ số KĐ Imax (W/m2) 2τ (10-9 s) F (W/m2s) η (IpglR) 1,52 6,000.1010 0,32 1,875.1020 0,67 1,53 1,100.1011 0,34 3,235.1020 1,15 1,54 1,760.1011 0,37 4,757.1020 1,69 11 20 1,56 3,340.10 0,41 8,146.10 2,90 1,58 4,760.1011 0,46 1,035.1021 3,68 1,62 5,625.1011 0,564 9,973.1020 3,55 1,64 5,750.1011 0,61 9,43.1020 3,35 1,66 5,800.1011 0,64 9,06.1020 3,22 Xung Imax(W/m2) 2τ(s) Fnen(W/m2s) *Fnen, vao(W/m2s) = 2,8125.1020 17 Từ bảng 3.4 có nhận xét sau: Khi (IpglR) thay đổi khoảng từ 1,52 đến 1,66 hệ số nén tăng dần đến giá trị cực đại 3,68 sau giảm xuống Với hệ số nén η = 1, giá trị ngưỡng (IpglR) = 1,529 3.3 Kết luận chương Trên sở đặc trưng phi tuyến dẫn đến khả rút ngắn xung lọc lựa liên kết phi tuyến, hai hệ nén xung lặp (MTPFC1, MTPFC2) kết hợp liên kết bán phi tuyến với khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục đề xuất Với cấu hình đề xuất gồm liên kết tuyến tính -3dB, liên kết bán phi tuyến khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục, nguyên lý hoạt động nén xung hệ phân tích, từ đó, xây dựng sở lý thuyết trình nén xung Áp dụng tham số cụ thể phù hợp thực nghiệm cho mẫu hệ MTPFC1 MTPFC2, trình nén xung khảo sát bình luận ảnh hưởng số lần nén xung lên hệ số nén xung Hơn nữa, chương phân tích điều kiện ngưỡng cho trình nén đề xuất trường hợp hoạt động tối ưu cho hệ Trong cấu hình hệ MTPFC1, độ rộng xung rút ngắn bớt cỡ 44% theo cách “cắt gọt” phần đầu xung phần cuối xung; cường độ đỉnh khuếch đại lên hàng trăm lần Trong cấu hình hệ MTPFC2, độ rộng xung rút ngắn bớt cỡ 70% - 80%; cường độ đỉnh khống chế giá trị định chọn tham số định (Ví dụ: nnl = 1,0×10-12m2/W; lC = 4,2mm; C = 0,694mm-1; IpglR = 1,62, λ = 1570nm, Imax = 1,125×1012W/m2 (sau qua -3dBOC cường độ đỉnh Imax = 0,5625×1012W/m2)) 18 Chương HỆ TỰ NÉN XUNG QUANG KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC VỚI BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 4.1 Cấu hình nguyên lý hoạt động *Cấu hình thứ Hình 4.1 OPSC cầu hình vòng *Cấu hình thứ hai Hình 4.3 OPSC cấu hình thẳng 4.2 Cơ sở lý thuyết trình nén xung Dạng xung sau nén cổng SNOC cấu hình vòng cổng nộ -3dBOC cấu hình thẳng:  C2 I ( t ) = I kd , s ( t ) 1 − sin lC C nl + C  (  C nl2 + C   ) (4.12) đó, Ikd,s tính chương 4.3 Khảo sát trình nén xung * Bộ SNOC: C = 0,694mm-1; nnl = 1,0.10-12m2/W; lC = 4,20mm * Sợi BPRFA: g = 4,5.10-14m/W; vg ≈ 2,0.108 m/s; lR ≈ Ltt = vgτ = 200m; Imax = 0,4.1012W/m2; 2τ = 2.10-6s 19 Với tham số OPSC cho trên, kết tính toán khảo sát cho xung sau khuếch đại hình 4.8 Hình 4.8 Xung khuếch đại OPSC: a – Vẽ thời gian 1µs ÷ 7µs; b – Vẽ thời gian 3,5µs ÷ 4,5µs; Cường độ đỉnh đạt Imax ≈ 3,80.1013W/m2, tăng gần 95 lần so với cường độ đỉnh xung vào, độ rộng xung rút xuống 0,48.10-6 s, giảm 4,17 lần so với độ rộng xung vào 4.4 Ảnh hưởng số tham số lên hệ số nén 4.4.1 Ảnh hưởng hệ số khuếch đại Raman (g) Bảng 4.1 Các thông số xung nén với hệ số khuếch đại Raman g khác g [m/W] 2,50.10-14 3,00.10-14 3,20.10-14 3,25.10-14 3,50.10-14 4,00.10-14 4,50.10-14 xung vào không đổi Imax,nen τ [s] F [W/m2.s] [W/m ] 2,92.109 0,51.10-6 5,73.1015 10 -6 3,10.10 0,50.10 6,20.1016 7,79.1010 0,49.10-6 1,59.1017 11 -6 1,00.10 0,49.10 2,04.1017 11 -6 3,40.10 0,48.10 7,08.1017 12 -6 3,60.10 0,48.10 7,50.1018 3,80.1013 0,46.10-6 7,92.1019 ηnen [*] 28,65.10-3 0,31 0,80 1,01 3,54 37,50 396,00 *Fvao = 2,0.1017 Wm-2s-1 (Imax = 0,4.1012W/m2, 2τ = 2.10-6s) 20 Chúng ta sử dụng loại sợi quang khác cho hệ OPSC, hệ số khuếch đại Raman g thay đổi Kết bảng 4.1 cho thấy, so với xung vào độ rộng xung nén giảm lần; giá trị hệ số khuếch đại Raman ngưỡng khoảng g =3,25.10-14m/W, đó, hệ số nén gần η ≈ Khi tăng hệ số khuếch đại Raman lớn giá trị ngưỡng, hệ số nén tăng nhanh độ rộng xung giảm chậm 4.4.2 Ảnh hưởng cường độ đỉnh xung vào Cường độ đỉnh Imax,vao thay đổi khoảng từ (0,2.1012 ÷ 0,42.1012) W/m2 kết khảo sát thống kê bảng 4.2 Từ bảng 4.2 rút nhận xét, hệ số nén gần η ≈ 1(η =1,13) cường độ đỉnh xung vào 0,327.1012 W/m2, nghĩa tích Imax.g ≈ 0,015m-1 Khi tăng cường độ đỉnh từ 0,2.1012 W/m2 lên 0,42.1012 W/m2 độ rộng xung giảm xuống đến giá trị cực tiểu (0,21.10-6s) tăng lên hệ số nén tăng Bảng 4.2 Các thông số xung nén với cường độ đỉnh khác nhau, hệ số khuếch đại Raman không đổi (g = 4,5.10-14m/W) Imax, vao Fvao Imax, nen 2τnen Fnen η 1012w/m2 1017W/m2s [w/m2] 10-6s [W/m2s] 0,200 1,00 0,33.109 0,55 6,00.1014 0,006 10 0,325 1,625 2,75.10 0,21 1,31.1017 0,81 0,327 1,635 4,24.1010 0,23 1,84.1017 1,13 0,330 1,65 7,75.1010 0,24 3,23.1017 1,96 0,340 1,70 3,72.1011 0,29 1,28.1018 6,40 0,350 1,75 1,25.1012 0,30 4,17.1018 23,81 0,370 1,85 7,60.1012 0,37 2,05.1019 102,50 13 0,400 2,00 3,80.10 0,48 7,92.1019 396,00 0,420 2,10 5,91.1013 0,61 9,69.1019 461,43 -6 *Độ rộng xung vào 2τvao = 2,0.10 s 21 4.4.3 Ảnh hưởng độ rộng xung Độ rộng xung vào thay đổi khoảng (0,6.10-6s ÷ 2,1.10-6s) kết thống kê bảng 4.3 Bảng 4.3 Các thông số xung nén với độ rộng xung khác 2τvao -6 Fvao Imax, nen 2 2τnen -6 η Fnen [10 s] [W/m s] [W /m ] [10 s] [W/m s] 1,40 2,86.1017 6,79.1010 0,27 2,51.1017 0,88 1,44 17 11 0,34 17 1,10 17 1,29 17 1,96 18 17,45 19 47,75 19 396,00 1,46 1,50 1,70 1,80 2,00 2,77.10 1,04.10 17 11 2,74.10 1,27.10 17 11 2,67.10 1,94.10 17 12 2,35.10 1,64.10 17 12 2,22.10 4,65.10 17 13 2,00.10 3,80.10 12 0,36 0,37 0,40 0,44 0,47 3,06.10 3,53.10 5,24.10 4,10.10 1,06.10 7,92.10 *Với Imax, vao = 0,4.10 W/m Từ kết bảng 4.3 thấy, với cường độ đỉnh không đổi, tồn giá trị độ rộng xung ngưỡng (1,44.10-6s), hiệu ứng nén xuất η ≈ 1, hệ số nén tăng độ rộng xung tăng Trong trường hợp η < 1, xung ngắn xung vào, rút ngắn xung nén xung cường độ đỉnh xung giảm) 4.5 Kết luận chương Dựa sở tính chất phi tuyến liên kết bán phi tuyến khả khuếch đại Raman bơm ngược sợi quang cấy Germani, hai cấu hình tự nén xung đề xuất Sau phân tích nguyên lý hoạt động hệ tự nén xung dẫn sở lý thuyết 22 mô tả biến đổi xung hệ, kết khảo sát xung nén mô đánh giá thông qua hệ số nén định nghĩa Hệ OPSC nén xung với hệ số nén định - Hệ số nén xung tăng hệ số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh xung vào tăng độ rộng xung vào tăng (chiều dài vùng tương tác tăng); - Tồn tổ hợp giá trị ngưỡng hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh độ rộng xung để hiệu suất nén η = KẾT LUẬN Dựa nguyên lý hoạt động liên kết quang bán phi tuyến khuếch đại Raman bơm ngược môi trường sợi quang, luận án đề xuất hệ nén xung lặp (bơm liên tục) hệ tự nén xung (bơm xung) Các biểu thức giải thích cho xung nén, hệ số nén dẫn mô tả phụ thuộc tham số nén vào tham số thiết kê hệ với gần cường độ suy giảm không đáng kể Bằng phương pháp sử dụng phần mềm Maple khảo sát máy tính với thông số đầu vào sát thực tế, kết nghiên cứu cho thấy khả nén xung hệ 1) Đã khảo sát tượng tách xung lọc lựa liên kết quang bán phi tuyến Có thể rút nhận định sau: i) Với tham số phù hợp, xung tín hiệu cổng vào tách thành xung hai cổng Dạng xung hai cổng thay 23 đổi phụ thuộc vào tham số liên kết cường độ tín hiệu vào ii) Khi tín hiệu vào xung, xung hai cổng có hình dạng có độ rộng xung thay đổi phụ thuộc vào chiều dài vùng liên kết, cường độ đỉnh xung vào hệ số chiết suất tuyến tính Khả rút ngắn độ rộng xung cổng (cổng thứ cổng thứ hai theo yêu cầu) khả quan chọn hợp lý: chiều dài vùng liên kết, hệ số chiết suất phi tuyến cường độ đỉnh xung tín hiệu vào 2) Đã khảo sát tính chất nén xung hai hệ nén xung lặp (MTPFC1, MTPFC2), kết hợp liên kết bán phi tuyến, khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục liên kết tuyến tính -3dB Có thể rút nhận định sau: i) Với MTPFC1, hệ số rút ngắn độ rộng xung thấp, hệ số tăng cường độ đỉnh cao, phụ thuộc vào cường độ xung bơm hệ số khuếch đại sợi quang Do đó, sử dụng hệ cho mục đích khuếch đại đỉnh xung ii) Với MTPFC2, chọn tham số hợp lý, cường độ đỉnh độ rộng xung đạt đến giá trị ổn định Do đó, sử dụng hệ cho mục đích tạo xung vuông ổn định iii) Quá trình lặp hệ phụ thuộc vào điều kiện ngưỡng đó, tồn chế độ hoạt động tối ưu cho hệ 24 3) Đã khảo sát tính chất nén xung hai cấu hình vòng thẳng hệ tự nén xung (OPSC) kết hợp liên kết quang bán phi tuyến sợi quang Germani Từ kết rút nhận định sau: i) Hệ OPSC nén xung với hệ số nén định ii) Hệ số nén xung tăng hệ số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh xung vào tăng độ rộng xung vào tăng; iii) Tồn tổ hợp giá trị ngưỡng (hệ số nén 1) hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh độ rộng xung bơm Những đóng góp luận án: 1) Đã đề xuất nghiên cứu lý thuyết hai hệ nén xung lặp sở phối hợp liên kết quang bán phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman với nguồn bơm ngược liên tục 2) Đã đề xuất nghiên cứu lý thuyết hai hệ tự nén xung cấu trúc vòng thẳng sở phối hợp liên kết quang bán phi tuyến sợi quang khuếch đại Raman (sợi quang cấy Germani) bơm ngược Ý tưởng đề xuất hệ rút ngắn xung cách kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược rút ngắn xung liên kết bán phi tuyến Những vấn đề cần nghiên cứu phát triển: Hướng nghiên cứu phát triển theo nội dung sau: - Kết hợp với liên kết quang phi tuyến (sử dụng hai sợi phi tuyến); - Tiến hành xây dựng hệ thực nghiệm sở hệ đề xuất Danh mục công trình khoa học công bố Chu Van Bien, Le Van Hoang, Le Anh Tuan, Ho Quang Quy (2011), Output signal selection of nonlinear coupler, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 14, 08-2011, pp.91-96 Ho Quang Quy, Vu Ngoc Sau, Nguyen Thi Thanh Tam, Chu Van Bien (2012), Using a nonlinear coupler to sort a sequence of weak and strong pulses, Proc National conference on Theoretical Physics 37 (2012), pp.193-198 Quang Quy Ho, Van Bien Chu (2012), Two models of optical pulse self-compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier, J Electromagnetic Analysis and Applications, (2012), pp.379-385 Le Thi Ngoc Hieu, Chu Van Bien, Chu Van Lanh (2012), Multitrips pulse compression by the system of nonlinear coupler and optical amplification fiber, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 18, 04-2012, pp.97-103 Ho Quang Quy, Chu Van Lanh, Thai Doan Thanh, Mai Van Luu and Chu Van Bien (2012), Optical pulse self-compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier, Commun In Phys., 22, 3, pp.254-262 Chu Van Bien, Nguyen Manh An, Cao Thanh Le, Chu Van Lanh (2013), Selective output pulse separation and duration reduction of the semi-nonlinear coupler, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 25, 06-2013, pp.125-131 Chu Van Bien, Le Thi Ngoc Hieu, Ho Quang Quy, Thai Doan Thanh and Chu Van Lanh (2013), Multi-trips pulse compression by the system of nonlinear coupler and optical amplification fiber with CW pump, Advance in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VII, 2013, ISSN 1859 – 4271, pp.401- 406 Nguyen Manh An, Chu Van Bien and Ho Quang Quy (2014), Influence peak intensity and duration of input pulse on the compression efficiency of the self-compressor consisting of nonlinear coupler and backward-pumped Raman fiber amplifier, Proc 3th ACNS for M&PhD S from ASEAN Countries, Publ House for ST-2014, ISBN 978-604-9813-0088-5, pp.330-336 Chu Văn Biên, Hồ Quang Quý, Đào Sỹ Nhiên, Đặng Quốc Phong, Lương Thị Tú Oanh, Khảo sát hệ số nén xung sử dụng sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược liên kết bán phi tuyến, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, Số 43, 06 – 2016, pp.119-125 [...]... tuyến, hai hệ nén xung lặp (MTPFC1, MTPFC2) kết hợp giữa bộ liên kết bán phi tuyến với bộ khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục đã được đề xuất Với cấu hình đề xuất gồm bộ liên kết tuyến tính -3dB, bộ liên kết bán phi tuyến và bộ khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục, nguyên lý hoạt động nén xung của hệ đã được phân tích, từ đó, xây dựng cơ sở lý thuyết của quá trình nén xung Áp dụng... tự nén xung cấu trúc vòng và thẳng trên cơ sở phối hợp bộ liên kết quang bán phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman (sợi quang cấy Germani) bơm ngược Ý tưởng mới là đề xuất các hệ rút ngắn xung bằng cách kết hợp giữa khuếch đại Raman bơm ngược và rút ngắn xung của bộ liên kết bán phi tuyến Những vấn đề cần nghiên cứu phát triển: Hướng nghiên cứu có thể phát triển theo những nội dung sau: - Kết hợp với. .. 0,5625.1012W/m2 với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns v) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung ở cổng thứ hai (để làm xung mầm) và xung ra ở cổng thứ nhất gần giống hệt xung ban đầu (để làm xung bơm) : nnl =1,0.10-12m2/W, lC=4,20mm, C=0,694mm-1, λ=1,472µm, Imax= 0,4.1012W/m2 Chương 3 HỆ NÉN XUNG KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC LIÊN TỤC VỚI LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 3.1 Hệ nén xung bằng. .. số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh của xung vào tăng và độ rộng xung vào tăng; iii) Tồn tại các tổ hợp giá trị ngưỡng (hệ số nén bằng 1) của hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh và độ rộng xung bơm Những đóng góp mới của luận án: 1) Đã đề xuất và nghiên cứu lý thuyết hai hệ nén xung lặp trên cơ sở phối hợp giữa bộ liên kết quang bán phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman với nguồn bơm ngược liên. .. giảm độ rộng xung Cấu hình của hệ nén xung lặp quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục và liên kết bán phi tuyến MTPFC2 được trình bày trên hình 3.13 15 Hình 3.13 Cấu hình của hệ MTPFC2 Hệ này được thiết kế với mục đích sử dụng xung ra ở cổng thứ hai của bộ liên kết bán phi tuyến Hệ MTPFC2 về cơ bản giống với MTPFC1 chỉ khác ở chỗ tín hiệu được lấy ra từ bộ liên kết bán phi tuyến là cổng... chất phi tuyến của bộ liên kết bán phi tuyến và khả năng khuếch đại Raman bơm ngược của sợi quang cấy Germani, hai cấu hình tự nén xung đã được đề xuất Sau khi phân tích nguyên lý hoạt động của hệ tự nén xung và dẫn cơ sở lý thuyết 22 mô tả sự biến đổi xung trong hệ, kết quả khảo sát các xung nén đã được mô phỏng và đánh giá thông qua hệ số nén được định nghĩa Hệ OPSC có thể nén xung với hệ số nén nhất... định - Hệ số nén xung tăng khi hệ số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh của xung vào tăng và độ rộng xung vào tăng (chiều dài vùng tương tác tăng); - Tồn tại các tổ hợp giá trị ngưỡng của hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh và độ rộng xung để hiệu suất nén η = 1 KẾT LUẬN Dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ liên kết quang bán phi tuyến và khuếch đại Raman bơm ngược trong môi trường sợi quang, luận... bộ khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục và bộ liên kết tuyến tính -3dB Có thể rút ra nhận định sau: i) Với MTPFC1, hệ số rút ngắn độ rộng xung thấp, hệ số tăng cường độ đỉnh cao, phụ thuộc vào cường độ xung bơm và hệ số khuếch đại của sợi quang Do đó, có thể sử dụng hệ này cho mục đích khuếch đại đỉnh xung ii) Với MTPFC2, khi chọn được bộ tham số hợp lý, cường độ đỉnh và độ rộng xung có thể... vùng liên kết, cường độ đỉnh xung vào và hệ số chiết suất tuyến tính Khả năng rút ngắn độ rộng xung ra ở mỗi cổng (cổng thứ nhất hoặc cổng thứ hai theo yêu cầu) là khả quan nếu chọn hợp lý: chiều dài vùng liên kết, hệ số chiết suất phi tuyến và cường độ đỉnh của xung tín hiệu vào 2) Đã khảo sát tính chất nén xung của hai hệ nén xung lặp (MTPFC1, MTPFC2), kết hợp giữa bộ liên kết bán phi tuyến, bộ khuếch. .. bản của hệ nén xung quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục và liên kết bán phi tuyến MTPFC1 được trình bày trên hình 3.1 Hình 3.1 Cấu hình nguyên lý cơ bản của hệ MTPFC1 3.1.2 Cở sở lý thuyết cho qui trình khảo sát  Xung vào I vao (t ) = I max exp − ln 2×  t 2   (3.1) τ 2  Bước 1: Truyền qua bộ -3dBOC; Bước 2: Truyền qua bộ SNOC; Bước 3: Truyền qua sợi quang khuếch đại; Bước