Đây là bản chính thức của đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học trường đại học Vinh năm 2020 Xây dựng hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục. Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm quang tử của trường đại học Vinh.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2020 XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM TẠO PHỔ SIÊU LIÊN TỤC SỬ DỤNG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ Đăng ký tham gia xét thưởng Hội đồng khối ngành: (Đánh dấu X vào ô tương ứng) Khối Khối Khối Khối ngành Khoa học Giáo ngành Kinh tế ngành Tự nhiên, ngành Khoa học X dục Luật Kĩ thuật Công nghệ Xã hội Nhân văn LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan, cơng trình nói chúng tơi, nghiên cứu tài liệu gửi kèm hoàn toàn phù hợp với gốc mà giữ Nội dung kết đề tài trung thực Chúng cam kết không vi phạm quyền sở hữu trí tuệ ai, sai chúng tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm TP Vinh, ngày 17 tháng 12 năm 2020 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT, DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỪ VÀ CƠ CHẾ LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.1 SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.2 CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 1.3 CƠ CHẾ LAN TRUYỀN XUNG 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC 23 TÍNH TÁN SẮC CỦA SỢI PCF VÀ XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM PHÁT SIÊU LIÊN TỤC 2.1 MƠ HÌNH PHÁT SIÊU LIÊN TỤC 23 2.2 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH TÁN SẮC CỦA 24 PCFs 2.3 HỆ THÍ NGHIỆM PHÁT SIÊU LIÊN TỤC 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 KẾT LUẬN CHUNG 39 KIẾN NGHỊ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT VIẾT TẮT PCFs UV IR NA PBG GNLSE FWM SPM ZWD CW XPM GVD SSFS FFT MI TIẾNG ANH Ý NGHĨA Photonic Crystal Sợi tinh thể quang tử Fibers Ultra Violet Cực tím Vùng hồng ngoại Infrared Numerical Aperture Khẩu độ số Photonic BandGap Cấm quang tử Generalized Phương trình Nonlinear Schrodinger phi tuyến Schrodinger Equation tổng quát Four-wave mixing Trộn bốn sóng Self-phase Tự biến điệu pha Modulation Zero-Wavelenght Bước sóng tán sắc Dispersion khơng Continous Wave Sóng liên tục Cross-phase Biến điệu pha chéo Modulation Group Velocity Tán sắc vận tốc nhóm Dispersion Soliton Self- Tự dịch chuyển tần số Frequency Shift Soliton Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier nhanh Modulation Instability Sự ổn định biến điệu pha DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Cận cảnh phơi trước tạo PCF Ảnh SEM chụp mặt cắt số PCFs Tự biến điệu pha phụ thuộc thời gian tạo Sự phát triển tính tốn phổ tự biến điệu pha tạo xung Gauss trường hợp khơng có tán sắc Sự lan truyền xung sech2 với điều kiện ban đầu cho soliton N = Sự lan truyền xung sech với điều kiện ban đầu cho soliton N = Sơ đồ giao thoa kế Mach – Zehnder Hệ thí nghiệm khảo sát đặc tính tán sắc sợi quang Hình ảnh phổ thu sử dụng phổ kế AVANTES sử dụng phần mềm AvaSoft 8.9 Đường cong tán sắc theo thực nghiệm sợi quang đơn mode SMF-28-100 Đường cong tán sắc PCFs Suspended-core NL42C/2A thực nghiệm sử dụng giao thoa kế Mach – Zehnder Sơ đồ nguyên lý hệ thí nghiệm phát siêu liên tục Hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục Nguồn Laser Ti:sarrphire Vật kính hãng NEWSPORT Bộ đế ba chiều Phổ kế Phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Suspended-core NL42C/2A thay đổi công suất đầu vào Phổ siêu liên tục mode lớp vỏ PCFs Hollow-core 5C/6B MỞ ĐẦU Sự phát siêu liên tục sợi quang học nhân tố cho việc chế tạo nguồn phổ siêu liên tục (supercontinuum source), nguồn phổ siêu liên tục ứng dụng nhiều công nghệ y học cơng nghệ xử lí hình ảnh [1], kỹ thuật laser [2], nghiên cứu quang phổ [3], ứng dụng kính hiển vi [4], đặc biệt ứng dụng công nghệ sinh học y học cho trình chụp ảnh tế bào [5,6] v.v Trong thập kỷ qua, phát triển nguồn phát siêu liên tục trở thành lĩnh vực nghiên cứu Điều phần lớn phát triển công nghệ mới, cho phép tạo siêu máy tính có kiểm sốt dễ tiếp cận Những nghiên cứu tạo nhiều nguồn ánh sáng có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm chụp cắt lớp kết hợp quang học, đo lường tần số, thông tin quang, cảm biến khí nhiều thứ khác Tổng quan tình hình nghiên cứu lĩnh vực thuộc đề tài Sự phát siêu liên tục mở rộng xung đầu vào có cường độ lớn lan truyền mơi trường có độ phi tuyến cao cho xẩy đồng thời hiệu ứng phi tuyến tán xạ Raman, phân tách Solitons, tán sắc vận tốc nhóm bậc cao, trộn bốn sóng [7,8] - Nghiên cứu ứng dụng phổ siêu liên tục giới: Sự tạo siêu liên tục thường xẩy xung cực ngắn truyền qua môi trường quang phi tuyến để tạo xung có phổ băng thơng rộng liên tục Sự phát siêu liên tục nghiên cứu lần vào năm 1970 Alfano Shapiro thủy tinh BK7 sau phát triển mạnh lĩnh vực quang phi tuyến [8] Đối tượng nghiên cứu năm gần sợi quang cụ thể PCFs đặc tính PCFs tăng cường hiệu ứng phi tuyến xẩy đảm bảo tính chất kết hợp nguồn laser cung cấp linh hoạt thiết kế cấu trúc sợi để tối ưu hóa tính chất tán sắc sợi [8,9] Sự ứng dụng rộng rãi nguồn phổ siêu liên tục động lực để nhà khoa học tối ưu hóa cải tiến chúng để hướng tới đạt nguồn phổ siêu liện tục với tính chất tốt như: độ phẳng cao, độ mở rộng lớn đặc biết tính chất kết hợp phổ Một ứng dụng quan trọng nguồn phát siêu liên tục sử dụng cho kĩ thuật phổ phân giải miền thời gian Do thời gian xung ngắn (cỡ fs) nên xung sử dụng để dị q trình động học diễn bên phân tử đến cấp độ điện tử theo kĩ thuật pump-probe, ngồi ra, miền phổ kích thích trải rộng “dị” đồng thời nhiều kênh dịch chuyển phân tử kích thích quang học Đây lĩnh vực quan tâm nghiên cứu gần 30 năm qua Một số nhà khoa học có nghiên cứu tiêu biểu trao giải thưởng uy tín Nobel Hóa học (năm 1999) cho Ahmed Zewail, Nobel Vật lý năm 2018 cho Gérard Mourou Donna Strickland - Nghiên cứu phổ siêu liên tục nước: Nghiên cứu tạo xung laser cực ngắn ứng dụng vào phát siêu liên tục Việt Nam triển khai lý thuyết thực nghiệm nhóm nghiên cứu Viện Vật lý (VAST) thời gian qua Bằng việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại CPA nhóm phát triển thành cơng hệ khuếch đại cho hệ laser femto-giây Ti:sapphire Năng lượng xung laser sau khuếch đại lên đến mJ với độ rộng xung laser 100 fs Sử dụng laser cực ngắn này, nhóm nghiên cứu tạo nguồn phát siêu liên tục từ tinh thể phi tuyến Gần đây, nghiên cứu phát siêu liên tục nghiên cứu sang sợi tinh thể quang tử nhóm nghiên cứu Quang tử Trường Đại học Vinh Các nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu tính chất quang học [10], đặc điểm tán sắc sợi tinh thể quang tử dẫn nhập nước [11], ảnh hưởng nhiệt độ dẫn nhập nước vào sợi tinh thể quang tử lên đặc điểm tán sắc sợi tinh thể quang tử [12], phát siêu liên tục [13, 16] đặc điểm tán sắc sợi tinh thể quang tử lỗ khí chế tạo từ thủy tinh nóng chảy dẫn nhập hỗn hợp rượu nước, điều khiển hình dạng đặc trưng tán sắc cách thay đổi nhiệt độ nồng độ rượu [15,17] Lý lựa chọn đề tài Đề tài lựa chọn trước hết từ lòng ham học hỏi, yêu thích khoa học, muốn xây dựng ứng dụng đóng góp cho việc học tập nghiên cứu sinh viên trường Đại học Vinh Hơn lĩnh vực nghiên cứu phát siêu liên tục sử dụng PCFs lĩnh vực mang tính thời sự, nhóm nghiên cứu ngồi nước quan tâm ứng dụng to lớn Mục tiêu đề tài: Nhằm giải vấn đề nêu phần lý dựa chọn đề tài: - Trong nghiên cứu: thiết kế hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục sử dụng nguồn bơm laser femto giây Ti:sarrphire, từ - nghiên cứu phổ siêu liên tục Trong đời sống: sở nghiên cứu phổ siêu liên tục ứng dụng vào lĩnh vực đời sống y sinh, công nghệ chế tạo laser phổ rộng, định hướng ứng dụng vào công nghệ chế tạo sensor - phục vụ an ninh – quốc phịng, cơng nghiệp,… Phương pháp nghiên cứu Chúng tơi sử dụng phương pháp thực nghiệm để xây dựng hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liê tục sở nghiên cứu tài liệu - sở lý thuyết dụng cụ có phịng thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu Quang phổ liên tục, sợi tinh thể quang tử, sợi quang thông thường, - dụng cụ quang học Phạm vi nghiên cứu Sử dụng dụng cụ quang học có sẵn phịng thí nghiệm Quang tử Trường Đại học Vinh để lắp ráp thí nghiệm khảo sát đặc tính tán sắc sợi giao thoa kế Mach – Zehnder, sở xây dựng hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục Những tồn chưa giải Qua trình thực đề tài này, chúng tơi cịn vướng mắc số vấn đề như: - Hạn chế PCFs sử dụng giá thành cao - nước chưa thể sản xuất Khó khăn việc sử dụng phần mềm vẽ đồ thị Origin CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỪ VÀ CƠ CHẾ LAN TRUYỀN XUNG TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.1 SỢI TINH THỂ QUANG TỬ 1.1.1 Giới thiệu sợi tinh thể quang tử Sợi tinh thể quang tử (PCFs) tập Tinh thể quang tử Lĩnh vực PCFs lần nghiên cứu vào nửa cuối thập niên 1990 nhanh chóng phát triển thành công nghệ thương mại PCFs thương chia thành loại chính: Sợi lõi đặc sợi cấm quang tử có phần tử cấu trúc vi mơ tuần hồn lõi vật liệu có chiết suất thấp (ví dụ: lõi rỗng) Chúng cung cấp đặc điểm mà sợi quang thơng thường khơng có được, chẳng hạn như: đơn mode từ UV đến IR với đường kính trường mode lớn, độ phi tuyến cao, NA từ thấp đến khoảng 0,9 đặc tính tán sắc tối ưu hóa Các ứng dụng PCFs tìm thấy loạt lĩnh vực nghiên cứu quang phổ, đo lường, y sinh, chẩn đốn hình ảnh, gia công công nghiệp quân 1.1.2 Chế tạo đặc điểm Hình 1.1: Cận cảnh phơi trước tạo PCF Trước bắt đầu sản xuất PCFs loạt ống silica mao quản rỗng bao quanh khiết thay cho ống mao dẫn Đối cấm quang tử (PBG), nhiều ống mao dẫn bị bỏ trung tâm phôi để tạo lõi với sợi silica tinh “khuyết” Một ống trơn bao quanh toàn cụm tạo thành phơi, sau 10 phơi đưa vào tháp kéo sợi Trong tháp kéo sợi, phôi làm nóng đén khoảng kéo cẩn thận thành sợi với hỗ trợ trọng lực áp suất Đường kính ngồi sợi thường 125μm, có nhiều trường hợp đường kính sợi từ 80μm đến khoảng 700μm chế tạo Sợi sau kéo trì cấu trúc phơi kích cỡ vi mơ Các lớp phủ polime bảo vệ áp dụng cho sợi để cải thiệu đặc tính xử lý Các đặc tính tán sắc PCFs điều khiển để tạo sợi có độ tán sắc thấp, khơng dị thường vùng nhìn thấy Sự tán sắc làm phẳng thay đổi kiểu lỗ khí vật liệu sử dụng Có thể điều chỉnh đặc tính khác PCFs, chẳng hạn bước sóng đơn mode, NA hệ số phi tuyến Tính linh hoạt thiết kế lớn nhà thiết kế sử dụng nhiều mẫu lỗ khí khác để đạt thông số cụ thể PCFs Sự xếp hình tam giác lỗ khí lớp phủ polime thường sử dụng để tạo sợi đơn mode Việc tăng tỷ lệ lấp đầy khơng khí lớp phủ polime thường dẫn đến trạng thái đa mode Mỗi lõi hình elip tạo sợi lưỡng chiết cao giúp trì phân cực Silica cung cấp hiệu suất sợi quang cao cho hầu hết ứng dụng có bước sóng từ 200nm đến 2500nm, việc sử dụng vật liệu khác nâng cao thơng số cụ thể độ phi tuyến dẫn sóng bên ngồi vùng phổ Hơn nữa, danh sách dài chất pha tạp thêm vào silica Silica pha tạp kết hợp với khả độc đáo PCFs để tạo thiết bị hữu ích 1.1.3 Một số cấu trúc PCFs 33 Hình 2.3: Hình ảnh phổ thu sử dụng phổ kế AVANTES sử dụng phần mềm AvaSoft 8.9 Quy trình tiến hành thực nghiệm khảo sát đặc tính 2.2.2.2 tán sắc PCFs - Bước 1: Bật nguồn laser SuperK Compact • • • • Bật nút nguồn laser Bật chìa khóa Nhấn nút Nhấn nút Emisson - Bước 2: Điều chỉnh đế dịch chuyển ba chiều đầu vào để đưa ánh sáng vào lõi sợi quang • • Điều chỉnh phương x,y,z đế ba chiều Quan sát hình ảnh thu CCD camera đặt phía sau cho hình ảnh thu đơn mode cường độ ánh sáng thu lớn - Bước 3: Điều chỉnh đế dịch chuyển ba chiều đầu để xảy tượng giao thoa • Điều chỉnh phương x,y,z đế ba chiều cho xuất vân giao thoa • Quan sát hình ảnh phổ thu phổ kế - Bước 4: Lưu lại giá trị phổ • Ghi lại giá trị tương ứng bước sóng cân λ0 quang trình l hệ ba gương - Bước 5: Xử lí kết thí nghiệm • • Nhập giá trị λ0 l vào phần mềm MS Excel Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý vẽ đường cong tán sắc - Bước 6: Biện luận 2.2.2.3 Các kết thực nghiệm - Chúng tiến hành khảo sát đặc tính tán sắc sợi quang đơn mode SMF-28-100 hãng THORLAB sản xuất với thông số sợi SMF-28-100 sau: • Đường kính lõi: • Đường kính lớp vỏ: 8.2 μm 125 ± 0.7 μm 34 • Đường kính lớp phủ: • Sự suy giảm: • Tán sắc: 242 ± μm ≤0.32 dB/km 1310 nm ≤0.32 dB/km 1383 nm ≤0.21 dB/km 1490 nm ≤0.18 dB/km 1550 nm ≤0.20 dB/km 1625 nm ≤18.0 ps/(nm·km) 1550 nm ≤22.0 ps/(nm·km) 1625 nm • Điểm có tán sắc không (ZWD): 1310 nm Kết đo sau: Bảng 1: Số liệu thực nghiệm dùng để tính toán đặc trưng tán sắc sợi SMF-28-100 Bước Bước Bước sóng Vị trí Vị trí Vị trí sóng cân sóng cân cân gương l gương l gương l λ0 λ0 λ0 (mm) (mm) (mm) (nm) (nm) (nm) 34.84 1636.48 34.94 1049.40 35.40 864.9 34.83 1617.8 34.95 1045.05 35.42 859.6 34.82 1602.82 34.96 1035.23 35.44 854.25 34.81 1584.04 34.97 1031.41 35.46 848.64 34.80 1568.98 34.98 1026.49 35.48 843.59 34.79 1546.34 34.99 1022.12 35.50 839.65 34.78 1534.98 35.00 1013.91 35.52 834.03 34.77 1519.82 35.01 1008.43 35.55 829.53 34.76 1497.00 35.02 1002.40 35.6 817.7 34.75 1485.52 35.03 998.01 35.65 806.42 34.74 1470.29 35.04 994.71 35.70 796.82 34.73 1447.31 35.05 990.86 35.75 787.2 34.72 1439.63 35.06 984.81 35.8 777.58 34.71 1385.64 35.07 981.41 35.85 769.64 34.84 1129.12 35.08 973.25 35.90 760.56 34.83 1141.18 35.09 965.53 35.95 752.04 34.82 1153.22 35.10 965.53 36.00 745.21 34.81 1165.23 35.12 958.35 36.05 737.24 34.8 1175.27 35.14 950.06 36.10 729.26 34.79 1193.18 35.16 942.87 36.15 723.56 34.78 1201.14 35.18 935.66 36.20 716.14 34.77 1213.07 35.20 927.34 36.25 710.42 34.76 1228.94 35.22 917.9 36.30 702.42 35 34.75 34.74 34.73 34.72 34.71 34.91 34.92 34.93 1244.78 1256.63 1280.27 1284.20 1385.64 1067.89 1060.28 1055.93 35.24 35.26 35.28 35.30 35.32 35.34 35.36 35.38 910.67 903.44 898.42 892.29 887.82 881.12 875.53 870.50 36.35 36.40 36.45 36.50 36.55 36.60 36.65 697.27 691.54 685.81 679.51 674.92 669.75 663.43 Chúng sử dụng phần mềm Matlab để xử lý số liệu vẽ đường cong tán sắc, kết thu đường cong tán sắc sợi SMF-28100 hình 2.4 Hình 2.4: Đường cong tán sắc theo thực nghiệm sợi quang đơn mode SMF-28-100 Đường cong tán sắc đo thực nghiệm sợi SMF-28100 cho thấy ZWD nằm vào khoảng 1310nm hoàn toàn phù hợp với thông số kĩ thuật mà nhà sản xuất THORLAB đưa Tiếp theo, tiến hành khảo sát đặc tính tán sắc PCFs Suspended-core NL42C/2A phương pháp thực nghiệm kết thu sau: Bảng 2: Số liệu thực nghiệm dùng để tính tốn đặc trưng tán sắc PCFs Suspended-core NL42C/2A Vị trí gương l Bước sóng cân λ0 Vị trí gương l Bước sóng cân λ0 Vị trí gương l Bước sóng cân λ0 36 (mm) 48.00 47.90 47.85 47.80 47.70 47.65 47.55 47.50 47.45 47.40 47.35 47.30 47.25 47.20 47.15 47.10 47.05 47.00 46.95 46.90 46.85 46.80 46.75 46.70 46.65 46.60 46.55 46.50 46.45 (nm) 1512.22 1493.19 1477.93 1466.46 1451.14 1439.63 1420.39 1408.83 1397.24 1381.76 1370.13 1345.11 1346.80 1335.11 1323.46 1315.57 1303.85 1292.06 1284.20 1272.40 1256.63 1248.73 1232.91 1221.01 1217.04 1197.16 1185.21 1165.23 1157.22 (mm) 46.36 46.31 46.28 46.25 46.22 46.19 46.16 46.13 46.10 46.07 46.04 46.01 45.98 45.95 45.92 45.89 45.86 45.83 45.80 45.77 45.74 45.71 45.69 45.66 45.65 45.57 45.66 45.69 45.72 (nm) 1141.18 1121.07 1113.01 1096.87 1092.82 1084.73 1076.63 1068.51 1060.39 1052.12 1045.05 1037.96 1027.04 1015.55 1004.04 997.14 982.61 971.05 960.01 943.97 932.89 922.35 900.01 868.26 835.72 868.26 766.8 754 735 (mm) 45.75 45.78 45.81 45.84 45.87 45.90 45.93 45.96 45.99 46.02 46.05 46.10 46.15 46.20 46.25 46.30 46.35 46.40 46.53 46.58 46.63 46.68 46.73 46.78 46.83 46.88 (nm) 729 719 707 701 693 688 679 673 668 663 658 649 642 634 628 621 616 611 597 591 587 582 578 574 570 567 Chúng sử dụng phầm mềm Matlab để xử lý số liệu vẽ đường cong tán sắc PCFs Suspended-core NL42C/2A, kết thu hình 2.5 37 Hình 2.5 Đường cong tán sắc PCFs Suspended-core NL42C/2A thực nghiệm sử dụng giao thoa kế Mach – Zehnder Từ kết đường cong tán sắc PCFs, xác định ZWD vào khoảng 800nm, từ lựa chọn nguồn bơm laser phù hợp để tạo phổ siêu liên tục 2.3 HỆ THÍ NGHIỆM TẠO PHỔ SIÊU LIÊN TỤC 2.3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ HỆ THÍ NGHIỆM TẠO PHỔ SIÊU LIÊN TỤC Vật kính MO1 Vật kính MO2 Sợi nghiên cứu Sợi đa mode Phổ kế femto giây HìnhLaser 2.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục Trong q trình khảo sát tính chất sợi quang phát siêu liên tục vấn đề gặp phải mà cần giải đưa ánh sáng lan truyền lõi sợi quang, sợi quang có tiết diện nhỏ cỡ μm nên việc đưa ánh sáng lan truyền sợi quang để tiến hành khảo sát khó khăn lớn Do đó, để tiến hành lắp ráp hệ thí nghiệm phát siêu liên tục trước hết cần xây dựng hệ thí nghiệm nhằm đưa ánh sáng lan truyền vào lõi sợi quang, sau thiết kế lắp đặt hệ thí nghiệm phát siêu liên tục theo sơ đồ nguyên lý hình 2.6 Với sơ đồ trên, lắp ráp hệ thí nghiệm tiến hành thực nghiệm, xử lý kết đo 38 Hệ thí nghiệm phát siêu liên tục sử dụng sợi tinh thể quang tử sử dụng thiết bị sau: - 1 nguồn laser femto-giây thấu kính phổ kế máy tính cá nhân sợi quang đế ba chiều Tất đặt bàn quang học Hệ thí nghiệm thực tế hình 2.7 Hình 2.7: Hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục Trong hệ thí nghiệm sử dụng nguồn laser femtogiây Ti:sarrphire Hình 2.8: Nguồn Laser Ti:sarrphire Laser Ti:sarrphire ATSEVA LLC TIF-SP với thông số sau: thời gian phát xung 31 fs, bước sóng trung tâm 800 nm, tần số lặp Được kết nối với máy tính cá nhân 39 Để hội tụ chùm sáng song song từ laser chiếu tới để đưa vào sợi quang chúng tơi sử dung vật kính có đội hội tụ L: 20X hãng NEWSPORT Hình 2.9: Vật kính hãng NEWSPORT Đế ba chiều: Bộ đế ba chiều để điều chỉnh ánh sáng vào lõi sợi quang hãng THORLAB Hình 2.10: Bộ đế ba chiều Phổ kế: Chúng tơi sử dụng máy phân tích quang phổ YOKOGAWA-AQ370D (phạm vi 600 – 1700nm) phổ kế AVANTES sử dụng phần mềm Avasolt 8.5.10 cho ta hình ảnh phổ thu từ 200 – 900 nm 40 a) b) Hình 2.11: Phổ kế a) Phổ kế YOKOGAWA-AQ370D b) Phổ kế AVANTES 2.3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN Để tiến hành khảo sát tạo phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Suspended-core NL42C/2A khảo sát đặc trưng tán sắc phần 2.2 Ngoài ra, khảo sát thêm phát siêu liên tục số mode thuộc lớp vỏ PCFs lõi rỗng 5C/6B Chúng tơi tiến hành bước thí nghiệm sau: - Bước 1: Bật nguồn laser ATSEVA LLC TIF-SP - Bước 2: Điều chỉnh núm vặn đến ba chiều để đưa ánh sáng vào sợi quang • Điều chỉnh núm vặn tương ứng chiều x, y, z để đưa • ánh sáng vào lõi sợi quang Quan sát CCD camera đặt phía sau thấy đơn mode cường độ sáng lớn - Bước 3: Quan sát phổ kế điều chỉnh núm tinh chỉnh đế ba chiều thấy phổ đầu rộng dừng lại Sau đưa ánh sáng vào lõi sợi quang tiến • hành vặn núm tinh chỉnh đế ba chiều để xuất phổ siêu liên tục thu máy phân tích phổ - Bước 4: Lưu lại giá trị phổ • Lưu giá trị phổ phầm mềm MS Excel - Bước 5: Xử lí kết thí nghiệm • Sử dụng phần mềm Origin 2018 để vẽ phổ từ file Excel thu từ bước - Bước 6: Biện luận Một số kết phổ siêu liên tục đo: 41 • Phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Suspended-core NL42C/2A thay đổi công suất đầu vào: Hình 2.12: Phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Suspended-core NL42C/2A thay đổi công suất đầu vào Bằng phương pháp thực nghiệm, sử dụng nguồn bơm laser Ti:sappher với độ rộng xung 31fs, bước sóng trung tâm 800 nm, độ rộng phổ 20 nm Ứng với công suất đầu vào 50 mW phổ SC mà chúng tơi thu có độ rộng phổ từ 750-900nm Sau chúng tơi thay đổi công suất nguồn bơm để khảo sát phụ thuộc phổ SC vào công suất nguồn bơm vị trí 22cm với cơng suất trung bình 75mW phổ SC thu từ 750-970nm, 95mW phổ SC thu từ 550-1080nm, 110 mW phổ SC thu 5201150nm, 145 nW phổ SC thu 450-1200nm Ở chúng tơi sử dụng cơng suất trung bình tham số đo dễ dàng so với công suất đỉnh xung vào sợi quang Với việc tăng dần cơng suất đầu vào phổ SC thu mở rộng đạt cực đại P = 145 mW Tuy nhiên, phổ đầu khơng phẳng dẫn đến tính kết hợp 42 • Phổ siêu liên tục mode lớp vỏ sử dụng PCFs Hollowcore 5C/6B: Hình 2.13: Phổ siêu liên tục mode lớp vỏ PCFs Hollowcore 5C/6B Hình 2.13 cho thấy phụ thuộc phổ đầu vào nguồn bơm laser phổ đầu mode sợi tinh thể quang tử có lõi rỗng PCF 5C_6B Chúng tơi nhận thấy rằng, bơm laser có cơng suất đầu vào 800nm, mode thu phổ đầu phẳng, độ kết hợp cao, mở rộng so với mode 2, 3, Kết cho thấy mode mode tối ưu (off-core) cho trình ghép sợi quang KẾT LUẬN CHƯƠNG 43 Trong chương bày hệ thí nghiệm Mach – Zehnder khảo sát đặc trưng tán sắc PCFs, từ chúng tơi vẽ đường cong tán sắc thực nghiệm lựa chọn nguồn bơm laser phù hợp để phát siêu liên tục Chúng tơi xây dựng hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Chúng tiến hành khảo sát phổ siêu liên tục sử dụng PCFs Suspended-core NL42C/2A sau thay đổi cơng suất đầu vào để khảo sát phục thuộc công suất đầu vào đến độ rộng phổ đầu khảo sát phổ siêu liên tục mode thuộc lớp vỏ PCFs 5C/6B KẾT LUẬN CHUNG Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tơi trình bày sơ lược PCFs, hiệu ứng phi tuyến chế lan truyền xung sợi quang để từ giải thích so sánh kết thực thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục Chúng tơi tìm hiểu giao thoa kế Mach – Zehnder, từ vẽ đường cong tán sắc sợi tinh thể quang tử lõi Suspended NL42C/2A lựa chọn nguồn bơm phù hợp để tạo phổ siêu liên tục 44 Trên sở chúng tơi xây dựng hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục sử dụng sợi tinh thể quang tử thực nghiệm với loại sợi tinh thể quang tử khác với kết qua thu khả quan thực tiễn Với cương vị sinh viên, điều kiện sở vật chất phục vụ thí nghiệm q trình đầu tư xây dựng chúng tơi có kết bước đầu nghiên cứu thực nghiệm sợi quang Bên cạnh việc nâng cao kiến thức kĩ thực hành, thí nghiệm cho thân, kết đề tài có tính định hướng định cho cơng nghệ chế tạo sensor thực tiễn KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Ishida and N Nishizawa, Quantitative comparison of contrast and imaging depth of ultrahigh-resolution optical coherence tomography images in 800-1700 nm wavelength region, Biomed Opt Express 3, 282–294 (2012) [2] Y Takushima and K Kikuchi, “10-GHz over 20-channel multiwavelength pulse source by slicing super-continuum spectrum generated in normal-dispersion fiber,” IEEE Photon Technol Lett 11, 322–324 (1999) [3] Sun, Y et al Characterization of an orange acceptor fluorescent protein for sensitized spectral fluorescence resonance energy transfer microscopy using a white-light laser J Biomed Opt 14, 054009 (2009) [4] Hult, J., Watt, R S & Kaminski, C F Document High bandwidth absorption spectroscopy with a dispersed supercontinuum source.Opt Express 15, 11385– 11395 (2007) [5] Kudlinski, A et al Control of pulse-to-pulse fluctuations in visible supercontinuum Opt Express 18, 27445–27454 (2010) [6] U Sharma, E W Chang, and S H Yun, Long-wavelength optical coherence tomography at 1.7 μm for enhanced imaging depth, Opt Express 16, 19712–19723 (2008) [7] G P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 5th ed (Academic Press, Oxford, 2013) [8] J.M.Dudley, G.Genty, and S Coen, Supercontinuum generation in photonic cristal fibers, Rev Mod Phys 78, 1135 (2006) [9] R R Alfano and S L Shapiro, Emission in the region 4000 to 7000 Å via fourphoton coupling in glass, Phys Rev Lett 24, 584–587 (1970) 46 [10] C.V Lanh, V.T Quoc, D.X Khoa, N.T.H Sang, T.D Thanh, D.Q Khoa, H.Q Quy, Influence of the air hole’s diameter on optical properties of bk7-glass photonic crystal fiber, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, 44 (08), 99-104 (2016) [11]K.D Xuan, L.C Van, V.C Long, Q.H Dinh, L.V Xuan, M Trippenbach, R Buczynski, Dispersion characteristics of a suspended-core optical fiber infiltrated with water, Applied Optics, 56(4), 1012-1019 (2017) [12] K D Xuan, L C Van, V.C Long, Q.H Dinh, L.V Mai, M Trippenbach, R Buczyński, Influence of temperature on dispersion properties of photonic crystal fibers infiltrated with water, Optical and Quantum Electronics, 49:87 (2017) [13] L C Van, A Anuszkiewicz, A Ramaniuk, R Kasztelanic, K.D Xuan, V.C Long, M Trippenbach, R Buczyński, Supercontinuum generation in photonic crystal fibres with core filled with toluene, Journal of Optics 19(12), 1-12 (2017) [14] Q.H Dinh, H.L Van, K.D Xuan, R Kasztelanic, V C Long, Q H Quang, L.C Van, L.M Van, T.T Doan, R Buczyński, Properties of Photonic Crystal Fibers infiltrated with liquids, Advances in Optics Photonics Spectroscopy & Applications IX, Publishing House for Science and Technology, ISBN: 978604-913-578-1, 105-110 (2017) [15 Q.H Dinh, J Pniewski, H.L Van, A Ramaniuk, V.C Long, K Borzycki, K.D Xuan, M Klimczak, R Buczyński, Optimization of optical properties of photonic crystal fibers infiltrated with carbon tetrachloride for supercontinuum generation with subnanojoule femtosecond pulses, Applied Optics 57(14), 37383746 (2018) [16] H.L Van, H.T Nguyen, Q.D Ho, V.C Long, Influence of temperature and concentration of ethanol on properties of borosilicate glass photonic crystal fiber infiltrated by water – ethanol mixture, Communication in Physics 28(1), 61-74 (2018) [17] Phan Van Thuan, Lam Trung Hieu, Dinh Xuan Khoa, and Nguyen Huy Bang, “Measuring viscosity of a liquid by analyzing Brownian motion of micro-sized particles in an optical tweezers”, Proceedings of the 5th Academic Conference on Natural Science for Young Scientists, Masters, and PhD Students from ASEAN Countries, 350-356 47 [18] Cao long Vân, Đinh Xuân Khoa, M.Trippenback, Nhập môn quang học phi tuyến, NXBGD 2011 [19] G P Agrawal “Nonlinear Fiber Optics”, Academic, San Diego – 2001 [20] M Chemnitz, R Scheibinger, C Gaida, M Gebhardt, F Stutzki, S Pumpe, J Kobelke, A Tünnermann, J Limpert, and M A Schmidt, Thermodynamic control of soliton dynamics in liquid-core fibers, Optica 5(6), 695-703 (2018) [21] U Sharma, E W Chang, and S H Yun, Long-wavelength optical cohere ce tomography at 1.7 μm for e ced imagi g depth, Opt Express 16, 19712–19723 (2008) [22] Đinh Xuân Khoa, Nguyễn Việt Hưng, Bùi Đinh Thuận, Hoàng Thị Hồng Thanh, Các phương pháp số để giải phương trình lan truyền xung, Tạp chí khoa học Trường Đại học Vinh, tập XXXVII (2008) [23] Trần Thị Mỹ Chi (2017), “Ảnh hưởng tham số xung vào lên trình phát siêu liên tục sợi tinh thể quang tử”, Luận văn Đại học Vinh [24] P Hlubina, D Ciprian and M Kadulova, Measurement of chromatic dispersion of polarization modes in optical fibres using white-light interferometry, Meas Sci Technol 21, 045302 (2010) spectral ... tính thời sự, nhóm nghiên cứu ngồi nước quan tâm ứng dụng to lớn Mục tiêu đề tài: Nhằm giải vấn đề nêu phần lý dựa chọn đề tài: - Trong nghiên cứu: thiết kế hệ thí nghiệm tạo phổ siêu liên tục sử... khiển hình dạng đặc trưng tán sắc cách thay đổi nhiệt độ nồng độ rượu [15,17] Lý lựa chọn đề tài 8 Đề tài lựa chọn trước hết từ lòng ham học hỏi, yêu thích khoa học, muốn xây dựng ứng dụng đóng... khác nhau, bao gồm chụp cắt lớp kết hợp quang học, đo lường tần số, thông tin quang, cảm biến khí nhiều thứ khác Tổng quan tình hình nghiên cứu lĩnh vực thuộc đề tài Sự phát siêu liên tục mở rộng