Khảo sát quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi quang tinh thể tt

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ Đỗ Thanh Thùy KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG SỢI QUANG TINH THỂ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Nghệ An - 2020 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Người hướng dẫn khoa học :1 GS.TS Đinh Xuân Khoa TS Bùi Đình Thuận Phản biện: GS.TS Trần Công Phong Phản biện: PGS.TS Nguyễn Huy Công Phản biện: PGS.TS Lưu Tiến Hưng Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Trường Đại học Vinh chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng 03 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện Trường đại học Vinh MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nghiên cứu trình lan truyền xung soliton quang học sợi quang chủ đề thú vị thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học thập kỉ qua, ứng dụng mà mang lại viễn thơng, chuyển mạch tồn quang xử lý liệu quang học Thông thường, soliton truyền ổn định công suất xung quang đủ lớn cho hiệu ứng phi tuyến Kerr cân với hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm Phụ thuộc vào cơng suất xung tham số đặc trưng môi trường truyền, soliton có bậc khác nhau, nhiên có soliton bậc (cơ bản) trì nghiêm ngặt hình dạng phổ xung trình truyền Đối với soliton bậc cao hình dạng phổ xung thay đổi cách có chu kỳ Đối với xung cực ngắn lan truyền sợi quang phi tuyến hiệu ứng tán sắc bậc cao phi tuyến gây nhiễu lên soliton, dẫn đến dịch chuyển phổ tán xạ Raman cảm ứng gây tạo sóng tán sắc tần số Khi bị nhiễu loạn, soliton bậc cao có xu hướng phân tách thành số soliton tần số khác Quá trình thường gọi phân tách soliton bậc cao, chế để tạo trình phát siêu liên tục Phát siêu liên tục (Supercontinuum generation-SC) tượng mở rộng phổ xung hẹp có cường độ lớn lan truyền mơi trường có độ phi tuyến phi tuyến cao cho xuất đồng thời hiệu ứng phi tuyến như: tách solion, tán xạ Raman cưỡng cảm ứng, tán sắc vận tốc nhóm bậc cao tương tác bốn sóng Một nguồn siêu liên tục thường bao gồm laser xung phần tử phi tuyến sợi quang tinh thể với tính phi tuyến cao đặc tính tán sắc phù hợp Gần đây, nhóm nghiên cứu Quang học Trường Đại học Vinh nghiên cứu phát xạ siêu liên tục sử dụng sợi tinh thể quang tử Kết nghiên cứu định hướng cho phát siêu liên tục miền hồng ngoại Những năm gần đây, cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm phát siêu liên tục nước nước tập trung vào ảnh hưởng cấu trúc sợi tinh thể quang tử, chủ yếu dạng câu trúc, vật liệu vật liệu thẩm thấu đến hiệu suất độ rộng phổ SC Việc phân tích cách tường minh trình tương tác phi tuyến ảnh hưởng chúng lên sợi tinh thể quang tử ảnh hưởng đến q trình lan truyền xung cịn chưa ý cách xứng đáng Trước vấn đề có tính thời phân tích đây, chúng tơi chọn đề tài “Khảo sát q trình lan truyền xung cực ngắn sợi quang tinh thể” làm nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng tán sắc phi tuyến bậc cao lên trình phân tách xung mở rộng phổ xung cực ngắn lan tryền sợi tinh thể quang tử - Đề xuất mơ hình sợi PCF dẫn nhập Ethanol tối ưu cho q trình phát siêu liên tục bước sóng 1560nm -Khảo sát ảnh hưởng tham số xung bơm lên trình phát siêu liên tục - Xây dựng, lắp đặt hệ thí nghiệm khảo sát phổ SC sử dụng sợi tinh thể quang tử cụ thể với mục đích kiểm chứng ảnh hưởng vài thông số lên công suất phổ SC Nội dung nghiên cứu - Dẫn giải phương trình lan truyền xung cực ngắn môi trường sợi tinh thể quang tử Từ khảo sát ảnh hưởng tán sắc bậc cao phi tuyến lên trình mở rộng phổ - Đề xuất nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc sợi PCF đề xuất lên đặc trưng tán sắc, bước sóng tán sắc khơng hệ số phi tuyến Từ rút giá trị tối ưu cho trình phát siêu liên tục bước sóng 1560nm - Nghiên cứu ảnh hưởng tham số xung vào lên trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử theo mơ hình đề xuất - Xây dựng lắp ráp hệ thí nghiệm khảo sát q trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử có sẵn phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm Những đóng góp luận án Từ kết rút điểm sau: i) Đã đề xuất mô hình sợi tinh thể quang tử PBG08 dẫn nhập ethanol khảo sát đặc trưng quang học, tìm mẫu phù hợp cho phát siêu liên tục ii) Đã mô q trình phi tuyến đóng iii) góp vào phát soliton phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử ảnh hưởng tham số cấu trúc PCF PBG08-ethanol xung laser lên phổ siêu liên tục Đã xây dựng hệ thí nghiệm phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử Chương TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Trong cương này, tác giả tổng quan lịch sử phát triển sợi quang nói chung sợi quang tinh thể nói riêng Một số cấu hình, phân loại tính chất quang chiết suất hiêu dụng, hệ số mát, tán sắc, diện tích mode hiệu dụng hệ số phi tuyến đẫn giải nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu trình truyền lan xung ngắn xung cực ngắn sợi quang Chương 2.LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG PHI TUYẾN 2.1 Phương trình lan truyền xung sợi quang 2.1.1 Hệ phương trình Maxwell Quá trình lan truyền sóng điện từ mơi trường vật chất mơ tả hệ phương trình Maxwell Từ hệ phương trình Maxwell dẫn phương trình sóng phương trình Schrodinger phi tuyến mơ tả truyền xung ánh sáng ngắn cực ngắn môi trường phi tuyến nói chung sợi quang nói riêng 2.1.2 Lan truyền xung ngắn Từ dạng tường minh sóng phân cực phi tuyến, đưa vào phương trình (2.9) Thực số biến đổi thu phương trình lan truyền hàm bao biến thiên chậm:  3 (3)  2   i A  z, t   i 1 A  z, t   2 A  z, t   A  z, t  A  z, t   (2.14) z t t 2c  hệ số đặc trưng cho hiệu ứng phi tuyến bậc ba   3 (3) 0 / 8n 0  c  n20 / c với n2  3 (3) n 0  hệ số chiết suất phi tuyến 2.1.3 Lan truyền xung cực ngắn Vì q trình vi mơ có đặc trưng thời gian từ 0.1  10 fs Cịn xung cực ngắn có thời gian từ 10 fs đến hàng trăm fs nên giả thiết xem đáp ứng môi trường tức thời khơng cịn xác Do đó, thiết lập biểu thức sóng phân cực phi tuyến, cần phải có thêm số hạng diễn tả trễ phản ứng môi trường Chúng ta thu được: i A  z, t  z  i 1 A  z, t    A  z, t  i  A  z , t   02  (3)     t t t c2  t    n '      1  i     1  f R  A  z, t  A  z, t   f R A  z, t  hR t  t1  A  z , t1  dt1      n   t     (2.20)  Sau lập biến chuẩn hóa hàm mới: U   ,    t  1 z 0 P0 , A  z , t  , LD   02 L , LN  , N2  D , 2  P0 LN 3 z  , 3  , LD 2  (2.27)  T S  s , R  R 0 0 Sau chuẩn hóa (2.26) viết lại:  U U i 2U  3U   sign      3  i N  U 2U  i S U 2U   R U              (2.28) 2.2 Phương pháp số mô trình lan truyền xung Sử dụng phương pháp split-step Fourier phương pháp Runge-Kutta bậc để giải phương trinh (2.28) với điều kiện khác 2.3 Khảo sát hiệu ứng gây tán sắc phi tuyến lên xung lan truyền sợi quang 2.3.1 Ảnh hưởng tán sắc bậccao lên trình lan truyền xung môi trường sợi quang phi tuyến Trước tiên xem xét trường hợp đơn giản nhất, quan tâm đến tán sắc bậc ba với giả thiết hiệu ứng tự dựng xung Raman cảm ứng bỏ qua Trong trường hợp phương trình (2.28) rút gọn sau: (2.48)  Chúng xem xét trường hợp bước sóng xung nằm nằm vùng lân cận bước sóng tán sắc khơng, 3 đóng vai trị chi phối hiệu ứng tán sắc Trong trường hợp tìm cách chuẩn hóa phương trình (2.48) với tham số độ rộng sau:  , ,N = phương trình (2.48) viết lại:  U  3   sign( 3 )  iN | U |2  U     (2.49) Chúng ta xem xét việc truyền tín hiệu xung hyperbolic với β3=0,1 ps3/km Hình 2.1 Lan truyền xung Hyperbolic với β3 = 0,1 ps3/km qua khoảng cách  = 12 Trong trường hợp này, tán sắc bậc ba làm cho cường độ tách làm nhiều phần nhỏ tiến phía thời gian muộn Điều dẫn đến phổ xung tách hai phần chính, nằm hai bên phổ ban đầu Tiếp tục chúng tơi xét trường hợp tính đến tán sắc bậc 2, tán sắc bậc xem nhiễu loạn, cách đặt = 0,02, S = = phương trình (2.28) ta có: U i 2U  3U  sign       i N U 2U 3    (2.50) Hình 2.2 chúng tơi biểu diễn q trình lan truyền soliton bậc ba ảnh hưởng tán sắc bậc ba mà không ý đến hiệu ứng phi tuyến bậc cao khác Từ hình vẽ thấy phân tách xung xảy khoảng cách  =0,38 Điều có nghĩa sóng tán sắc phát dịch phía sóng ngắn Hình 2.2 (a) Sự thay đổi hình dạng xung (b) Sự thay đổi phổ xung q trình lan truyền sợi quang Trong N = khoảng cách lan truyền z = 1,2LD = 0,02, S = = Mặt khác hệ số tán sắc nhận giá trị âm dương hình 2.3 chúng tơi xem xét lan truyền xung môi trường tán sắc dị thường, nhiên sợi quang có