(Luận văn thạc sĩ) khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano

Đại học quốc gia hà nội Trờng đại học công nghệ =========FễG========= Vơng Thị Xuân Hơng Khả thu tín hiệu photon với độ nhạy cao laser quang sợi ứng dụng nghiên cứu tính chất cảm biến vËt liƯu cÊu tróc nano Ngµnh : Khoa häc vµ c«ng nghƯ nano Chun ngành : Vật liệu linh kin nano MÃ số : Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: TS Trần Thị Tâm Hà Nội - 2005 Tõ viÕt t¾t ASE Amplified spontaneuous emmission Bøc xạ tự phát đợc khuếch tán EDF Erbium doped fiber Sợi quang pha tạp erbium EDFL Erbium doped fiber laser Laze quang sợi pha tạp erbium EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp erbium NA Nurmerical aperture Độ mở (khẩu độ) SE Spontaneous emission Bức xạ tù ph¸t WDM Wavelength divion multiplexing Bé ghÐp / chia b−íc sãng Mục lục Mục lục Mở đầu Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium 1.1 Sợi quang 1.1.1 Các thông số sợi quang 1.1.2 Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium 1.1.3 Phân loại sợi quang 1.2 Cách tử quang khắc Bragg 12 1.2.1 Các loại cách tử 12 1.2.2 Cách tử quang khắc Bragg 14 1.2.3 Các tính chất cách tử quang khắc Bragg 15 1.2.4 Các đặc trưng cách tử quang khắc 17 1.3 Laser quang sợi pha tạp erbium 17 1.3.1 Nguyên lý laser 17 1.3.2 Phổ ion erbium 21 1.3.3 Nguyên lý khuếch đại ánh sáng sợi đơn mode pha tạp erbium 23 1.3.4 Sự chọn lọc mode 28 1.3.5 Laser sợi DFB đơn mode 29 Chương 2: Khả thu nhận ánh sáng laser 35 2.1 Giới thiệu chung 35 2.2 Hiện tượng tiền khuếch đại 35 2.3 Các đặc tính tiền khuếch đại: 36 2.4 Ý nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng 38 2.5 Ý nghĩa hình học 39 2.6 Laser quang sợi pha tạp erbium sử dụng đầu thu độ nhạy cao 41 Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao ứng dụng 44 3.1 Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao 44 3.1.1 Sơ đồ khối hệ đo 44 3.1.2 Nguồn bơm 45 3.1.3 Nguồn tín hiệu 45 3.1.4 Isolator 48 3.1.5 Bộ suy giảm 48 3.1.6 Laser thu 48 3.1.7 Máy phân tích quang phổ (OSA) 49 3.1.8 Máy đo công suất 49 3.1.9 Hiện tượng kéo tần số: 49 3.1.10 Thu nhận tín hiệu 51 3.2 Chế tạo khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang vật liệu VO2 cấu trúc nano 52 3.2.1 Màng mỏng VO2 cấu trúc nano 52 3.2.2 Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano 53 3.2.3 Phân tích kết 54 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 62 Mở đầu Mặc dù hai loại laser bán dẫn laser rắn loại có khả ứng dụng thích hợp thơng tin quang, chúng địi hỏi hồi tiếp ngược kết nối vi phân không nhậy cảm với hệ quang sợi/quang dẫn Với tương thích cao với hệ quang sợi, laser quang sợi pha tạp đất trở nên hấp dẫn so với hai loại laser nêu trên, đặc biệt EDFL xạ bước sóng 1,55μm, bước sóng cửa sổ quang học thông tin quang sợi hệ Hệ số mát 0,2-0,3dB/km so với 0,5 dB/km 1,3 μm, cho phép đặt trạm chuyển nối xa Quan trọng dây quang sợi pha tạp Er cịn sử dụng khuếch đại quang bước sóng, khơng cần đến hệ tái tạo điện quang Để tăng việc thực mở rộng lĩnh vực ứng dụng loại laser này, nhiều phịng thí nghiệm nhiều viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu laser quang sợi Rất nhiều loại laser quang sợi chế tạo để ngày phù hợp với thông tin quang Đặc biệt laser đơn mode DBR DFB, nghiên cứu phát triển Nhưng với phát triển chúng, người ta tìm ứng dụng quan trọng, ứng dụng tiêm quang học Nhờ tiêm quang học, người ta thu tín hiệu nhỏ Các đầu thu truyền thống sử dụng ngun lý quang điện ngồi Đó tín hiệu thu nhận kích thích điện tử sau dịng điện tử khuếch đại (các nhân quang điện, avanlanche photo diode….) Khi tương quan dịng điện với trường tín hiệu tới khơng đóng vai trị Thời gian tương tác photon nguyên tử ngắn, công suất quang truyền sang cho đầu thu thời gian cỡ pico Watt Hình ảnh liên tưởng tới hình ảnh thu xung, xung tương ứng với truyền lượng photon tín hiệu Việc dùng laser làm đầu thu tận dụng tính ưu việt tính chất kết hợp ánh sáng Mơ hình đầu thu là: tín hiệu kết hợp yếu có độ rộng phổ mảnh tới laser khác có tần số cộng hưởng có độ rộng vạch phổ lớn nhiều Tính chất ưu việt laser dùng khả thu nhận – khuếch đại ánh sáng khơng làm tính chất kết hợp hay nói cách khác tương quan khơng bị q trình tương tác Ở có kết hợp hai hành động: khuếch đại cộng hưởng lọc lựa Hiệu suất truyền cao Trong nghiên cứu gần nhất, tác giả sử dụng laser bán dẫn làm đầu thu thu tín hiệu nhỏ cỡ -80 dBm – tức nhạy 100 lần Và trường hợp tín hiệu thu nhận chế độ liên tục chế độ xung đầu đo truyền thống [1] Tiêm quang học có đặc tính truyền đặc trưng phổ laser phát sang laser thu tần số, độ rộng vạch nhiễu Khi q trình truyền hồn tất, laser thu chế độ gọi bị khóa hồn tồn, đóng góp cơng suất đặc trưng phổ hồn tồn laser phát Nhiều ứng dụng quan trọng thực từ tiêm quang laser giảm chiều rộng vạch laser, khóa tần số tuyệt đối, xác định số laser, giảm nhiễu, phát sinh tần số vi sóng, hồi phục tín hiệu nhịp đồng hồ tái đồng bộ……… Đây vấn đề mặt lý thuyết thực nghiệm thiết thực hấp dẫn Gần giới có số nghiên cứu tiêm quang học, sử dụng laser đầu thu cực nhạy với phương pháp khái quát hàm Airy, song chưa tiến hành với laser quang sợi pha tạp erbium điều kiện thí nghiệm khác so với Việt Nam Vì luận văn sâu nghiên cứu lý thuyết tiêm quang học, tiến hành tổng hợp, thu thập tài liệu, thực nghiệm nghiên cứu khả thu nhận laser quang sợi pha tạp erbium từ đưa kết luận ảnh hưởng tần số độ nhạy thu nhận laser quang sợi pha tạp erbium ứng dụng nghiên cứu tính chất cảm biến vật liệu cấu trúc nano điều kiện thực nghiệm Việt Nam Nội dung khóa luận bố cục thơng qua chương sau: Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium Chương 2: Khả thu nhận ánh sáng laser Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao ứng dụng Khóa luận hồn thành q trình học tập trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội phịng thí nghiệm quang tử micro – nano phịng thí nghiệm liên kết trường ĐH Công Nghệ Viện khoa học vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium 1.1 Sợi quang 1.1.1 Các thông số sợi quang Sợi gồm lõi dẫn quang có chiếu suất n1, bán kính a Lớp vỏ vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 có bán kính b Các tham số n1, n2 a định đặc tính truyền dẫn sợi quang Đó tham số cấu trúc Các chiết suất n2 n1 khác nên độ lệch chiết suất tỉ đối ∆ thường bé (∆