Nghiên cứu các đặc trưng phổ thời gian của xung laser cực ngắn femto giây lan truyền trong sợi quang tử tinh thể

Nghiên cứu các đặc trưng phổ thời gian của xung laser cực ngắn femto giây lan truyền trong sợi quang tử tinh thể Nghiên cứu các đặc trưng phổ thời gian của xung laser cực ngắn femto giây lan truyền trong sợi quang tử tinh thể luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG PHỔ - THỜI GIAN CỦA XUNG LASER CỰC NGẮN FEMTO-GIÂY LAN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG TỬ TINH THỂ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, 12/2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG PHỔ - THỜI GIAN CỦA XUNG LASER CỰC NGẮN FEMTO-GIÂY LAN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG TỬ TINH THỂ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Xuân Kiên TS Nguyễn Văn Hảo THÁI NGUYÊN, 12/2020 LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo, TS Bùi Xuân Kiên TS Nguyễn Văn Hảo, người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình giúp đỡ em suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất Thầy, Cô giáo Khoa Vật lý Công nghệ, trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên, truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu tạo điều kiện giúp đỡ em việc học tập hoàn thành luận văn Em tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô Ban giám hiệu, đồng nghiệp tổ Vật lý - Công nghệ trường THPT Tiên Yên tạo điều kiện giúp đỡ em suốt thời gian học Cuối em xin cảm ơn tồn thể gia đình bạn bè giúp đỡ động viên em suốt trình học tập Thái Nguyên, ngày 02 tháng 12 năm 2020 Học viên Đinh Văn Hoàng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIÊT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG TINH THỂ 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cấu tạo sợi quang 1.3 Một số tính chất sợi quang 1.3.1 Tán sắc sợi quang 1.3.2 Suy hao sợi quang 14 1.3.3 Tính chất của sợi quang tử 15 CHƯƠNG LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI QUANG PHI TUYẾN 18 2.1 Phương trình lan truyền xung ngắn môi trường phi tuyến 18 2.2 Phương trình lan truyền xung cực ngắn môi trường phi tuyến 21 2.3 Các hiệu ứng xảy lan truyền xung cực ngắn sợi quang phi tuyến 25 2.3.1 Tán xạ Raman kích thích 25 2.3.2 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 27 2.3.3 Trợn bốn sóng 29 CHƯƠNG ĐẶC TRƯNG PHỔ – THỜI GIAN TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT SIÊU LIÊN TỤC CỦA SỢI QUANG TINH THỂ 31 3.1 Phát siêu liên tục mô hình nghiên cứu 31 3.1.1 Phát siêu liên tục PCF 31 3.1.2 Mẫu sợi PCF đề xuất 33 3.2 Khảo sát đặc tính tán sắc phi tuyến của sợi PCF 35 ii 3.3 Khảo sát trình mở rộng phổ hiệu ứng phi tuyến 37 3.4 Khảo sát độ trễ thời gian của thành phần phổ phổ siêu liên tục 41 3.5 Khảo sát phổ siêu liên tục phụ thuộc vào công suất độ rộng xung 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIÊT TẮT Viêt tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt SPM Self-Phase Modulation Tự điều biến pha GVD Group velocity dispersion Tán sắc tốc đợ nhóm PCF Photonic crystal fiber Sợi tinh thể quang tử ISRS Induced-Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman cưỡng bức cảm ứng SF Soliton fusion Tách soliton DWG Dispersion wave generation Sự phát song tán sắc FWM Four-wave mixing Trợn bốn sóng SCG Super continuum generation Phát siêu liên tục CW Continuum wave Sóng lien tục PBG Photonic band gap Vùng cấm quang tử FBPG Full photonic band gap Tồn bợ vùng cấm quang tử MM Multi-mode Đa mode SM Single-mode Đơn mode TIR Total internal reflection Phản xạ nợi tồn phần PMD Polarization mode dispersion Tán sắc mode phân cực SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman cưỡng bức XPM Cross-phase modulation Biến điệu pha chéo FFT Fourier fast transform Biến đổi Fourier nhanh iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt của mẫu PCF lõi đặc có đường kính lỗ khí 300 nm khoảng cách lỗ liền kề 2.3 μm Hình 1.2 Mặt cắt sợi PCF lõi rỗng với Λ = 4,9 μm đường kình lõi d = 14,8μm Hình 1.3 Cấu tạo sợi quang thông thường Hình 1.4 (a) Sợi PCF cấu trúc lõi rỗng; (b) Sợi PCF lõi đặc, (c) Tham số mạng Hình 1.5 Sơ đồ truyền sóng sợi quang tử PCFs Hình 2.1 Sự phụ thuộc của D = d1/d (nét liền) 2 (nét đứt) của sợi thủy tinh Hình 2.2 Biến đởi theo thời gian của hàm đáp ứng Raman rút từ phở khuếch đại Raman thực nghiệm Hình 2.3 (a) Phở khuyếch đại Raman của thủy tinh nóng chảy 𝑝 = 1µm (b) Giản đồ mức lượng q trình SRS Hình 2.4 Sự biến đởi theo thời gian gây bởi SPM: (a) độ dịch pha NL (b) độ chirp tần số cho xung Gauss (đường xanh) siêu Gauss (đường đỏ) Hình 2.5 Quá trình trợn bốn sóng (a) trường hợp hai sóng bơm (b) trường hợp chỉ mợt sóng bơm Hình 3.1 Sơ đồ tiến triển phát siêu liên tục PCF Hình 3.2 (a) Mặt cắt của sợi PCF đề xuất; (b) Phân bố hai chiều của mode bản bước sóng 1,560 m Hình 3.3 Đường cong tán sắc của sợi PCF với đường kính lỗ khí khác Hình 3.4 Ảnh hưởng đường kính lỗ khí d lên tiết diện hiệu dụng hệ số phi tuyến Hình 3.5 Tiến triển sự tách xung Gauss trình lan truyền theo chiều dài sợi quang Hình 3.6 Phổ của xung lan truyền sau quãng đường L = 0,1m v Hình 3.7 Độ trễ thời gian khoảng cách lan truyền Hình 3.8 Phổ siêu liên tục L= 0,1 m, T=30fs, =20 nm, E=0,5 nJ (đỏ), nJ (cam), 1,5 nJ (xanh nước biển), nJ (xanh lá), 2,5 nJ (xanh da trời) Hình 3.9 Phổ siêu liên tục L= 0,01, =20 nm, E= nJ, T=35fs (đỏ), 30 fs (cam), 25fs (xanh nước biển) 20fs (xanh lá), 15fs (xanh da trời) MỞ ĐẦU Nghiên cứu trình lan truyền xung ánh sáng môi trường vật chất một vấn đề bản quan trọng của ngành quang học Q trình lan trùn xung ánh sáng mơi trường quang học phi tuyến mợt q trình phức tạp chịu ảnh hưởng của nhiều hiệu ứng khác như: hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm, hiệu ứng tự biến điệu pha, phi tuyến bậc cao… Đặc biệt xung cực ngắn lan truyền sợi quang phi tuyến hiệu ứng tán sắc bậc cao phi tuyến gây nhiễu lên soliton, dẫn đến sự dịch chuyển phổ tán xạ Raman cảm ứng gây tạo nên sóng tán sắc ở tần số [2, 5] Khi bị nhiễu loạn, soliton bậc cao có xu hướng phân tách thành một số soliton bản ở tần số khác Quá trình thường gọi phân tách soliton bậc cao, một chế bản để tạo trình phát siêu liên tục Phát siêu liên tục hiện tượng mở rộng phổ của một xung hẹp có cường đợ lớn lan trùn mợt mơi trường có đợ phi tuyến cao, cho xuất hiện đồng thời ít hiệu ứng phi tuyến như: phân tách solion, tán xạ Raman cưỡng bức cảm ứng, tán sắc vận tốc nhóm bậc cao tương tác bốn sóng [1, 5] Sự tạo siêu liên tục thường xảy xung cực ngắn truyền qua môi trường quang phi tuyến để tạo ở đầu mợt xung có phở băng rợng liên tục Phát siêu liên tục khảo sát lần vào năm 1970 bởi lfano Shapiro sau phát triển nghiên cứu mạnh lĩnh vực quang phi tuyến [1,4] Đối tượng nghiên cứu chính cho sự phát siêu liên tục hai thập kỷ qua sợi quang học cụ thể sợi quang tử bởi vì đặc tính cấu trúc của sợi quang tử tăng cường hiệu ứng phi tuyến đảm bảo tính chất kết hợp của nguồn bơm laser cung cấp sự linh hoạt thiết kế để tối ưu hóa tính chất tán sắc [1, 5] Do đó, phát siêu liên tục sử dụng sợi PCF thực hiện lần bởi Ranka cợng sự [11] Kể từ đó, đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu sâu rộng cho cả hai khía cạnh bản ứng dụng Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về sự phát siêu liên tục sử dụng chế độ bơm khác nhau, từ sóng liên tục nano giây, pico giây đến femto giây thập kỷ qua Các nghiên cứu đã thực hiện với sợi PCF cho ứng dụng khác công nghệ xử lí hình ảnh [4], kỹ thuật laser [5], nghiên cứu quang phổ [1], ứng dụng kính hiển vi [4], đặc biệt ứng dụng công nghệ sinh học y học cho trình chụp ảnh tế bào [5] … Đối với ứng dụng trên, đều cần phổ siêu liên tục trải dài tới vùng hồng ngoại trung Cho đến nay, sợi PCF chế tạo dựa silica thường sử dụng làm môi trường phi tuyến cho phát siêu liên tục ở vùng nhìn thấy vùng hồng ngoại gần [5,7] Tuy nhiên, cửa sổ truyền qua của silica bị giới hạn mạnh ở khoảng bước sóng 2,3 µm Do đó, để đáp ứng tiêu chí cần thiết của hầu hết ứng dụng quang phổ, cần phải tìm vật liệu thay với cửa sổ truyền rộng độ phi tuyến mạnh Các vật liệu có đợ phi tuyến cao suốt khoảng bước sóng mong muốn chế tạo PBG – telluride, vật liệu dùng để chế tạo sợi quang có đợ phi tuyến cao cho phát siêu liên tục [5-9] Đồng thời chúng phù hợp với laser ở bước sóng 1560 nm để mở rộng phổ siêu liên tục trải dài tới vùng hồng ngoại trung Tuy nhiên, đến đặc trưng phổ thời gian trình truyền lan xung laser ngắn cực ngắn sợi quang nói chung sợi quang tử nói riêng mợt vấn đề cần tìm hiểu một cách tường tận, đặc biệt người nghiên cứu quang học Do đó, luận văn này, chúng tơi tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tham số đến đặc trưng của phổ - thời gian xung trình lan truyền xung laser cực ngắn sợi quang tử tinh thể thủy tinh-lỗ khí Xuất phát từ lý trên, tập trung nghiên cứu một số nội dung trình bày luận văn với tên sau: “Nghiên cứu đặc trưng phổ - thời gian xung laser cực ngắn femto giây lan truyền sợi quang tử tinh thể” Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu trình biến dạng xung laser cực ngắn sợi quang tử tinh thể - Mô phỏng phân tích hiệu ứng phi tuyến đóng góp vào trình phát siêu liên tục biến dạng xung 33 truyền lan sóng tán sắc Các trình lặp lại tuần tự tất cả soliton sau quãng đường truyền iv) Kết hợp với q trình mở rợng xung đơn tán sắc bậc của bản xung liên kết phi tuyến nên trình chồng lấn phổ xẩy ở cuối quãng đường truyền Phụ thuộc vào độ dài sợi quang (trục z) mà lượng bước sóng của phở siêu liên tục thay đổi 3.1.2 Mẫu sợi PCF đề xuất Mô hình sợi PCF mà chúng tơi đề xuất biểu diễn hình 3.2 Sợi tinh thể quang tử PB, làm thủy tinh có chiết suất phi tuyến cao có cấu trúc lục giác đều bao gồm bảy vịng Trong đường kính của lỗ tḥc vòng thứ d lỗ lại d’, số mạng , lỗ lấp đầy bởi không khí Mô hình đã đề xuất cơng trình [6, 8] sử dụng nhiều nghiên cứu, cả về thực nghiệm lý thuyết về phát siêu liên tục Trong phần đề xuất một sợi quang tinh thể PCF lõi đặc có chứa lỗ khí Trong nghiên cứu sau đây, xem xét ảnh hưởng của đường kính vòng d lên đặc tính tán sắc của phi tuyến của sợi PCF cách thay đổi d khoảng 0,8  2,8 μm Với giá trị cố định d’ = 2,6 μm,  = μm Từ xác định cấu trúc tối ưu trình phát siêu liên tục ứng với bước sóng 1550 nm của xung vào a) b) Hình 3.2 (a) Mặt cắt sợi PCF đề xuất; (b) Phân bố hai chiều mode bước sóng 1550 nm [6, 8] 34 Như đã đề xuất ở chương 1, người ta dựa vào định nghĩa về hệ số tán sắc vật liệu đặc điểm sau: DM  DM ( )    d n(0 ) c d [Ps/km.m] (3.1) Hệ số tán sắc vật liệu đặc điểm cho biết độ lệch thời gian lan truyền xung quanh ánh sáng độ dài 1km sợi quang với phở bức xạ của nguồn có đợ rợng nm Với phổ bức xạ rộng 1nm, độ dãn xung sáng ở đầu vào máy thu chính độ lệch thời gian truyền nhóm '  '  tn  DM ( ) .L   L (3.2) Ở  độ dãn xung sáng truyền qua độ dài km Độ dãn xung T gây méo xung, nên hạn chế cự ly truyền dẫn số hạn chế độ rộng của băng truyền dẫn Tán sắc vật liệu một sợi quang chính chiết suất của điôxit silic, chất liệu dùng làm sợi quang, thay đởi theo tần số (hay bước sóng) Biểu thức chiết suất n() gần theo công thức của Sellmeir M Bj j 1  2j   n ( )    Hay sử dụng:  j  (3.3) 2 c j M Bj j 1 (   j2 ) n ( )    (3.4) ở đây, j bước sóng cợng hưởng cịn Bj cường đợ của dao đợng tử, cịn n thay cho n1 hay n2 tuỳ theo khảo sát tính chất tán sắc của lõi hay vỏ sợi quang Theo kinh nghiệm sợi quang, thông số B j j chọn với M = để phù hợp với đường cong tán sắc đo thực nghiệm Những thông số cịn phụ tḥc vào lượng lượng pha tạp đã lập bảng cho nhiều loại sợi Với sợi Silica ta có: j: Hằng số Bj: 35 1: 68,40nm B1: 0,6961663 2: 116,24nm B2: 0,4079426 3: 989,61nm B1: 0,8974794 Như vậy, chiết suất hàm của bước sóng biểu diễn theo công thức: n( )  Bj j 1 (   j2 ) 1  (3.5) Từ ta tính đạo hàm bậc một, hai, ba của n () Do xác định hệ số tán sắc vật liệu DM    d n( ) c d (3.6) Trong khoảng bước sóng 1250 nm  1660 nm người ta sử dụng biểu thức gần rút từ thực nghiệm: DM  1, 22 (1  ZDW )  (3.7) ở ZDW bước sóng khơng tán sắc Tại bước sóng 1550 nm giá trị hao phí nhỏ ở 1300 nm giá trị tán sắc lại lớn Để loại trừ tán sắc bước sóng người ta phải sử dụng công nghệ "dịch chuyển tán sắc" để tạo sợi quang có tán sắc vật liệu  = 1550 nm 3.2 Khảo sát đặc tính tán sắc phi tuyến sợi PCF Để xem xét ảnh hưởng của đường kính lỗ lên đặc trưng tán sắc của sợi PCF ta cho đường kính lỗ khí thay đổi từ d = 0,8  2,4 µm Đợ chuyển dịch bước sóng tán sắc phụ tḥc vào đường kính của lỗ Kết quả khảo sát tán sắc nhóm với đường kính vịng khác hình 3.3 đã khẳng định điều 36 Hình 3.3 Đường cong tán sắc sợi PCF với đường kính lỗ khí khác Từ hình 3.3 thấy đường kính d giảm dần thì bước sóng khơng tán sắc (ZDW) dịch chuyển về phía bước sóng dài Các sợi PCF thiết kế với đường kính lỗ thay đởi từ 1785,6 nm đến 1471,6 nm cho bước sóng khơng tán sắc ZDW dịch chuyển từ 1841,3 nm đến 1506,9 nm Điều giải thích sau, thay đởi đường kính lỗ khí, tức cấu trúc mạng tinh thể đã thay đổi dẫn đến chiết suất hiệu dụng thay đởi Trong gồm chiết suất vật liệu thay đởi, mode dẫn sóng thay đởi, tán sắc của sợi thay đổi theo Như vậy, đường kính lỗ khí giảm dẫn đến chiết suất hiệu dụng vật liệu tăng tán sắc dịch về phía bước sóng dài Có thể khẳng định thay đởi đường kính của lỗ dẫn đến sự thay đổi hệ số phi tuyến Đây hệ số ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng phi tuyến Do đó, kích thước đường kính lỗ khí mợt tham số có tính định đến đặc trưng phát siêu liên tục Khi thay đổi đường kính d khơng dẫn đến bước sóng khơng tán sắc (ZDW) thay đởi mà diện tích mode hiệu dụng Aeff thay đổi theo Thay đổi tiết diện mode hiệu dụng tất nhiên dẫn đến sự thay đổi của hệ số phi tuyến theo biểu thức  = 2n2/ Aeff Vì thế, trình khảo sát trình phát siêu liên tục sợi PCF cho phở của xung bơm có bước sóng trung tâm 1550 nm Vì vậy, chúng tơi 37 khảo sát sự thay đởi của diện tích mode hiệu dụng Aeff hệ số phi tuyến  theo đường kính d bước sóng 1550 nm Hình 3.4 Ảnh hưởng đường kính lỗ khí d lên tiết diện hiệu dụng hệ số phi tuyến Kết quả hình 3.4 cho thấy diện tích mode hiệu dụng Aeff tăng đường kính d giảm ngược lại, cịn hệ số phi tuyến  giảm thuận chiều với đường kính lỗ d Khi d thay đổi từ 0,8 m đến 2,8 m Aeff thay đởi từ 16,7933 µm2 đến 4,90844 µm2, cịn  thay đởi từ 0,1031 W-1m-1 đến 0,3528 W-1m-1 3.3 Khảo sát quá trình mở rộng phổ hiệu ứng phi tuyến Lan truyền của xung quang học sợi quang mơ tả bởi phương trình Schrodinger:   ( ) i n 1  n A( z, T )   A( z, T )    n A( z, T ) z n ! t n n2  i (1   i  )  R(T ') A( z, T  T ') dT ' 0 T  (3.8) ở A(z,t) hàm bao biến thiên chậm của điện trường xung quang học,  tần số phụ thuộc vào độ mát  n tán sắc bậc thứ n tần số trung tâm  ; R(T) hàm hồi đáp Raman định nghĩa R(T) = (1-fr)  (T)+ frhr(T) Đối với sợi thủy tinh fr = 0,18; hr    32 fs 12   22   exp( )sin( ) 1  12, fs 2 1  2 1 38 Phương trình Schrodinger phi tuyến giải phương pháp split-step Fourier Chúng ta giải phương trình cách viết phương trình Schrodinger phi tuyến dạng sau: A  Dˆ  Nˆ A Z   Dˆ tốn tử của số hạng tuyến tính biểu thị sự mát Nˆ toán tử ứng với hiệu ứng phi tuyến, đóng vai trị xung lan trùn  i n1  n Dˆ      n n2 n ! t n   i   ˆ N  i 1    R(T ') A( z , T  T ') dT '  0 T   Khi xung quang học lan truyền sợi PCF tán sắc hiệu ứng phi tuyến tác đợng đồng thời q trình lan truyền ở sợi quang Tuy nhiên, phương pháp Split Step Fourie với giả thiết khoảng cách bước h bé ta coi hiệu ứng tán sắc hiệu ứng phi tuyến đóng vai trị đợc lập Điều làm cho tồn bợ vấn đề đơn giản gặp một lỗi không đáng kể Trong phương pháp này, sự lan truyền từ z đến z + ℎ thực hiện hai bước, bước chỉ xem xét hiệu ứng tuyến tính bước thứ hai bước, hiệu ứng phi tuyến Phần tuyến tính giải cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) Sau sử dụng phương pháp Split Step Fourier phần mềm Matlab, giải phương trình (3.8) miền thời gian miền tần số Nghiệm miền thời gian cho biết động lực học của trình tách xung trình lan trùn (sự thay đởi về hình dạng xung), cịn miền tần số giúp xác định sự thay đởi về phở của xung q trình lan truyền Trong mô phỏng số sử dụng xung đầu vào có dạng Gauss sau:  T2  A(0,T)  P0 exp     2T0  (3.9) 39 tham số đầu vào ta lựa chọn trình khảo sát sau [7]: Độ rộng xung T0 = 30 fs Công suất đỉnh xung P0 = 28,5 kW Bước sóng khơng tán sắc ZDW = 1550 nm, Với tham số tán sắc 2 = -7,187.10-3 (ps2/m); 3 = 4,113.10-4 (ps3/m); 4 = -8,8357.10-7 (ps4/m); 5 = 3,6562.10-9 (ps5/m), số mạng d = 2,2 µm Bằng cách khảo sát trình xung Gauss lan truyền dọc theo chiều dài sợi quang, ta thu trình tách xung chiều dài sợi quang khác mô phỏng hình 3.5 Kết quả xét sự đồng thời xảy hiệu ứng phi tuyến bao gồm: Tán sắc, điều biến pha, phi tuyến bậc cao, trợn bốn sóng tán xạ Raman Quá trình giải thích sau: Trong giai đoạn đầu xung truyền qua quãng đường ngắn sự mở rộng của xung quang hiện tượng tán sự chi phối bởi hiện tượng tự biến điệu pha (Hình 3.5a), sự tách soliton thứ sinh sóng tán sắc hiệu ứng trợn bốn sóng (Hình 3.5b) sau xuất hiện trình dịch tần Raman, trình đồng thời dẫn đến hiện tượng nén xung chính (Hình 3.5c) ở khoảng cách 0,9 mm kể từ lúc lan truyền Trong giai đoạn xung bị nén lại Sau đó, sự mở rợng quang phở trở nên bất đối xứng mạnh, với đỉnh khác biệt ở cạnh bước sóng dài ngắn Các thành phần bước sóng dài biểu hiện trình phân chia xung đầu vào thành nhiều xung nhỏ, gọi sự tách soliton tán sắc bậc cao, tác động của hiệu ứng phi tuyến Các thành phần bước sóng ngắn liên quan đến hiệu ứng tự biến điệu pha sự phát sinh sóng phân tán 40 L=0,1 mm 1530 Intensity (5 dB/div) Intensity (5 dB/div) L=0 mm (a) 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 (b) 1530 1570 1535 1540 1545 1550 L=0,7 mm 1540 1560 1580 1600 1520 1540 1540 1560 1580 1600 (f) 1450 1620 1500 1550 1600 L=3,6 mm (g) 1550 Wavelength (nm) 1600 1650 Intensity (5 dB/div) Intensity (5 dB/div) L=2,1 mm 1500 1650 Wavelength (nm) Wavelength (nm) 1450 1600 Intensity (5 dB/div) Intensity (5 dB/div) 1520 1580 L=1,8 mm (e) 1500 1560 Wavelength (nm) L= 1,4 mm 1480 1570 (d) 1500 Wavelength (nm) 1460 1565 Intensity (5 dB/div) Intensity (5 dB/div) 1520 1560 L=0,9 mm (c) 1500 1555 Wavelength (nm) Wavelength (nm) 1000 (h) 1200 1400 1600 1800 2000 Wavelength (nm) Hình 3.5 Tiến triển tách xung Gauss trình lan truyền theo chiều dài sợi quang 41 Đến khoảng cách L = 1,4 mm sự tách soliton thứ đồng thời sinh sóng tán sắc thứ cấp (Hình 3.5e) tiếp đến trình dịch tần Raman nén xung lặp lại (Hình 3.5f) Đến khoảng cách L = 3,6 mm Phổ mở rộng từ 1070 nm đến 1930 nm (Hình 3.5h) Như vậy, đợ rợng ban đầu 20 nm, đã mở rộng thành Intensity (5 dB/div) phở có đợ rợng 860 nm, đỉnh phở phẳng 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wavelength (nm) Hình 3.6 Phổ xung lan truyền sau quãng đường L = 100 mm Do đó, ta nhận thấy chiều dài để tách soliton L = 0,7 mm, Khoảng hình thành soliton thứ cấp 0,9 mm Trong khoảng từ L = 0,2 mm trình mở rộng xung hiệu ứng tán sắc, dịch tần Raman cảm ứng tự biến điệu pha Sau chu kỳ sinh thêm hai đỉnh phổ ở hai phía đỉnh phổ xung bơm phổ ngày mở rộng Quá trình chồng lấn phần ngồi đỉnh q trình mở rợng phổ tán sắc đến khoảng cách L = 100 mm, phổ đã liên tục mở rợng từ 1030 nm đến 1970 nm thấy ở Hình 3.6 3.4 Khảo sát độ trễ thời gian các thành phần phổ phổ siêu liên tục Chúng ta nhận thấy qua trình lan truyền xung sáng sợi quang có đợ phi tuyến cao, tác động của hiệu ứng đặc biệt hiệu ứng tán sắc đã làm cho sự mở rộng xung thêm rõ rệt, để thấy điều khảo sát thời gian trễ của xung khoảng cách lan truyền Sau một khoảng lan truyền đủ lớn độ trễ xảy lớn 42 Hình 3.7 Độ trễ thời gian khoảng cách lan truyền Trong khoảng chiều dài đến 0,01 m xung truyền sợi quang không bị trễ, trễ khơng đáng kể Điều giải thích rằng, khoảng chiều dài này, chỉ có xung thứ cấp xuất hiện hiệu ứng dịch tần tán xạ Raman cảm ứng yếu, đỉnh phở lân cận truyền lan với tốc độ pha gần kết quả khơng có đợ trễ xung lớn Sau khoảng cách này, xung thứ cấp bậc cao xuất hiện trình dịch chuyển tán xạ Raman cảm ứng mạnh hơn, xuất hiện đỉnh phổ xa truyền lan với vận tốc pha hoàn toàn khác nhau, xung thứ cấp tách dần Kết quả xuất hiện độ trễ xung sợi quang 43 3.5 Khảo sát phổ siêu liên tục phụ thuộc vào công suất độ rộng xung Trong mục khảo sát ảnh hưởng cơng suất của xung vào lên q trình phát siêu liên tục, trường hợp xem xét trình phát vùng tán sắc dị thường Như đã biết lượng của xung thay đởi hiệu ứng phi tuyến trình lan truyền thay đổi cách thay đổi lượng, độ rộng xung, ta khảo sát đặc tính phi tuyến của sợi quang -35 Power (dBm/nm) -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wavelength (nm) Hình 3.8 Phổ siêu liên tục L = 0,1 m, T = 30 fs,  = 20 nm, E = 0,5 nJ (đỏ), nJ (cam), 1,5 nJ (xanh nước biển), nJ (xanh lá), 2,5 nJ (xanh da trời) Nếu độ rộng xung giữ không đổi lượng xung tăng lên thì độ rộng phổ tăng Sự gia tăng lượng không dẫn đến sự gia tăng phổ không đổi sau đạt độ rộng quang phổ cực đại Tuy nhiên, lượng xung tăng với độ rộng xung giữ không đổi, độ phẳng phổ cải thiện Điều bởi vì lượng bù đắp cho vật liệu tổn thất tán sắc xảy ở bước sóng dài bước sóng ngắn Trên hình 3.8 ta trình bày ảnh hưởng của lượng xung lên hình dạng phở xung trình lan truyền, lượng xung lớn thì độ mở rộng phổ 44 lớn Điều giải thích lượng xung vào lớn thì hiệu ứng phi tuyến sợi quang cao, hiệu ứng tán xạ Raman tách xung hiệu ứng trợn bốn sóng thể hiện rõ nét Như vậy, thay đổi công suất xung vào dẫn đến sự thay đổi về độ lớn của quãng đường tương tác đặc trưng cho hiện tượng phân tách soliton Rõ ràng quãng đường tương tác tỉ lệ nghịch với độ lớn của công suất -40 Power (dBm/nm) -45 -50 -55 -60 -65 -70 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wavelength (nm) Hình 3.9 Phổ siêu liên tục L= 0,01,  = 20 nm, E = nJ T = 35 fs (đỏ), 30 fs (cam), 25 fs (xanh nước biển) 20 fs (xanh lá), 15 fs (xanh da trời) Các độ rộng xung khác sử dụng 15 fs, 20 fs, 25 fs, 30 fs 35 fs, với một xung lượng của nJ Ảnh hưởng của chiều dài sợi quang độ rộng xung công suất phát độ mở rộng phổ đã thể hiện Hình 3.9 tương ứng Ở độ rộng xung ngắn (15 fs), tốc độ thay đổi cường độ nhanh chóng dẫn đến điều chế tự pha hiệu quả mô tả chương Khi độ rộng xung tăng tốc độ thay đổi cường độ giảm dần Điều dẫn đến việc giảm tự điều chế pha Khi giảm độ rộng xung tương tự tăng lượng xung làm tăng cường đợ laser, đó, trùn một chiều dài sợi quang, trình tách soliton xuất hiện nhanh số bậc soliton bản tăng lên trình phi tuyến kèm theo tăng lên (về mặt số lượng) phở mở rợng Mặt khác, q trình tách soliton nhanh giảm cường độ đỉnh của soliton 45 bản, nhận một phổ siêu lên tục đều phẳng với công suất đỉnh thấp Xung trải qua điều chế tự pha, điều chế pha chéo, trợn bốn sóng tán xạ Raman kích thích Khi xung truyền dọc theo sợi quang, hiệu ứng phi tuyến dẫn đến mở rộng Ở độ dài tối ưu, tất cả hiệu ứng phi tuyến hoàn thành dẫn đến sự mở rợng quang phở cực đại Ngồi đợ dài sự mở rộng quang phổ không đáng kể Do hiệu ứng phi tuyến trình lan truyền, công suất trung bình của phổ tăng lên Phổ có cơng suất cực đại tất cả hiệu ứng phi tuyến đã hồn thành Ngồi đợ dài này, phổ trải nghiệm sự suy giảm dẫn đến công suất đầu thấp 46 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn này, nghiên cứu trình lan trùn xung laser cực ngắn (cỡ fs) có bước sóng trung tâm 1550 nm mơi trường sợi tinh thể quang tử Luận văn thu một số kết quả chính sau: - Với việc khảo sát q trình mở rợng phở ở chiều dài sợi quang tử khác nhau, đã phân biệt rõ ảnh hưởng của hiệu ứng lên xung truyền lan - Đã khảo sát phân tích ảnh hưởng của q trình mở rợng phở soliton bản lên hiện tượng trễ của thành phần phổ qua trình lan truyền - Đã khảo sát phân tích ảnh hưởng của lượng xung lên q trình phát siêu liên tục, mở rợng phở tăng cường độ phổ Sử dụng xung dài lượng lớn chỉ thu phở siêu liên tục cải thiện về cường đợ, về mặt phổ không cải thiện - Tuy nhiên, với một lượng định, rút ngắn độ rộng xung, thu phổ siêu liên tục cải thiện Đó phở mở rợng, cường độ phẳng Một phổ chính điều mong muốn nhận một nguồn laser phổ rộng phân bố cường độ đều Những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của độ rộng lượng xung vào ở tương đương với việc nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính lõi (tiết diện mode hiệu dụng thay đổi) độ phi tuyến (hệ số phi tuyến thay đởi) lên q trình phát siêu liên tục Kết quả nhận khẳng định cho nhà thực nghiệm rằng, muốn có phát siêu liên tục với phổ rộng đều không thiết phải chọn sợi quang có tham số mạng khác nhau, đường kính lõi độ phi tuyến khác mà lựa chọn hợp lý độ rộng xung vào hợp lý với tham số của sợi quang tử đã có sẵn 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Long Vân, Đinh Xuân Khoa, M Trppenbach, (2010), Nhập môn Quang học phi tuyến, Nhà xuất bản Giáo dục [2] Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, Nhà xuất bản Bưu điện, Hà Nội, 2008 [3] Vũ Đình Hùng, Phân tích hiệu ứng phi tuyến trình tạo xung ánh sáng trắng bằng sợi quang tinh thể, Luận văn thạc sĩ, 2013 [4] G P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 5th ed (Academic Press, Oxford, 2013) [5] J M Dudley and J R Taylor, eds., Supercontinuum Generation in Optical Fibers (Cambridge University Press, New York, USA, 2010) [6] J M Dudley, L Provino, N Grossard, H Maillotte, R S Windeler, B J Eggleton, and S Coen, Supercontinuum generation in air-silica microstructured fibers with nanosecond and femtosecond pulse pumping, J Opt Soc Am B 19, 765–771 (2002) [7] J.M.Dudley,G.Genty, and S Coen, Supercontinuum generation in photonic cristal fibers, Rev Mod Phys 78, 1135 (2006) [8] A V Husakou and J Herrmann, Supercontinuum Generation of HigherOrder Solitons by Fission in Photonic Crystal Fibers, Phys Rev Lett 87, 203901 (2001) [9] S Coen, A.H.L Chau, R Leonhardt, J.D Harvey, J.C Knight, W.J Wadsworth, P.S.J Russell, White-light supercontinuum generation with 60-ps pump pulses in a photonic crystal fiber, Opt Lett 26 (2001) 1356–1358 [10] G Fanjoux, S Margueron, J.-C Beugnot, and T Sylvestre, Supercontinuum generation by stimulated Raman–Kerr scattering in a liquid-core optical fiber, J Opt Soc Am B34(8), 1677-1683 (2017) [11] M Liao, X Yan, G Qin, C Chaudhari, T Suzuki, and Y Ohishi, A highly non-linear tellurite microstructurefiber with multi-ring holes for supercontinuum generation, Opt Express 17(18), 15481–15490 (2009) [12] Roman Khakimov, Igor Shavrin, Steffen Novotny, Matti Kaivola, and Hanne Ludvigsen, Numerical solver for supercontinuum generation in multimode optical fibers, OPTICS EXPRESS, 14388 (2013) ... ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG PHỔ - THỜI GIAN CỦA XUNG LASER CỰC NGẮN FEMTO- GIÂY LAN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG TỬ TINH THỂ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN... trung nghiên cứu một số nội dung trình bày luận văn với tên sau: ? ?Nghiên cứu đặc trưng phổ - thời gian xung laser cực ngắn femto giây lan truyền sợi quang tử tinh thể? ?? Mục tiêu đề tài - Nghiên. .. quan sợi quang tinh thể Chương 2: Sự lan truyền xung sợi quang phi tuyến Chương 3: Đặc trưng phổ- thời gian trình phát siêu liên tục sợi quang tinh thể CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG TINH THỂ