Ảnh hưởng của chirp lên xung secant hyperbole trong chất hấp thụ bão hòa luận văn thạc sỹ vật lý

luận văn, khóa luận, chuyên đề, báo cáo, đề tài, thạc sĩ

- 1 - Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học Vinh THI TH HNG NH HNG CA CHIRP LấN XUNG SECANT-HYPERBOLE TRONG CHT HP TH BO HềA luận văn thạc sĩ vật Lý Chuyên ngành: Quang học M số: 60.44.11ã Ngời hớng dẫn khoa học: TS. trần mạnh hùng VINH - 2012 - 2 - LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Mạnh Hùng người đã định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và giúp tác giả vượt qua rất nhiều khó khăn để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, khoa Đào tạo sau đại học trường đại học Vinh đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn các học viên lớp Cao học 17 chuyên nghành Quang học đã giúp đỡ và đóng góp cho tác giả những ý kiến quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn này. Vinh, tháng 9 năm 2011 Tác giả Thái Thị Hằng MỤC LỤC - 3 - Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Mở đầu …………………………………………………………………… 1 Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn ………………………… .3 1.1. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất ………………………………… 4 1.2. Nguyên tắc đồng bộ mode …………………………………………….5 1.2.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………………… .8 1.2.2. Phương pháp khóa mode chủ động…………………… .10 1.2.2.1. Biến điệu biên độ ………………………………… 10 1.2.2.2. Biến điệu tần số ………………………………………… 11 1.2.2.3. Bơm đồng bộ …………………………………………….12 1.2.3. Phương pháp khóa mode bị động…………………………… .13 1.3. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng………………………………………………………………… 16 Chương 2 : ảnh hưởng của chirp lên xung dạng secant- hyperbole trong chất hấp thụ bão hòa 2.1. Cấu trúc buồng cộng hưởng………………………………………… 19 2.2. Quá trình tạo chirp…………………………………………………… 22 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của chirp đối với xung secant- hyperbole trong chất hấp thụ bão hòa………………………………………………… 22 2.3.1. Xung secant-hyperbole không có chirp………………………… 26 2.3.2. Xung secant-hyperbole có chirp………………………………….28 2.3.2.1. Chirp tuyến tính………………………………………… .30 2.3.2.2. Chirp phi tuyến ………………………………………… .35 Kết luận chung…………………………………………………………….39 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………… 40 - 4 - - 5 - Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt abs s I : Cường độ hấp thụ bão hòa d L : Chiều dài một sợi đơn mode D L : Độ dài tán sắc c n 2 : Hệ số chiết suất phi tuyến n : tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác. g n : Chiết suất nhóm C : Tham số chirp D: Tham số tán sắc GVD : Tán sắc vận tốc nhóm SPM : Sự tự biến điệu pha ( Self – phase Modulation) c T : Khoảng thời gian xung đi một vòng quanh buồng cộng hưởng 12 T : Thời gian tích thoát (hồi phục) dọc ( thường viết tắt là 1 T ) u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa L τ : Độ rộng xung 12 τ : Thời gian tích thoát (hồi phục) ngang( thường viết tắt là 2 T ) ω ∆ : Độ rộng phổ của xung σ : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng 2 β : Tham số GVD L ν : Tần số của laser - 6 - MỞ ĐẦU Hiện nay xung cực ngắn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong quang phổ học laser, xung cực ngắn được dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hóa, sinh. Đặc biệt trong thông tin quang để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin, xung ánh sáng thường được sử dụng, xung càng ngắn thì tốc độ truyền tin càng cao. Vì vậy việc nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm để phát triển và truyền dẫn xung cực ngắn là vấn đề có tính thời sự. Việc nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn đến nay đã có nhiều thành tựu cơ bản. Thực nghiệm đã cho thấy ưu điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng. Chẳng hạn như năm 1985, Shank và Fork cải tiến nguồn bơm laser CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệu pha đã thu được xung 8 fs. Để phát xung cực ngắn hiện nay các nhà thực nghiệm thường dùng các phương pháp đồng bộ mode. Có hai phương pháp đồng bộ mode chủ yếu là phương pháp đồng bộ mode chủ động và đồng bộ mode bị động. Trong phương pháp đồng bộ mode chủ động, người ta điều khiển trực tiếp từ bên ngoài lên buồng cộng hưởng, còn trong phương pháp đồng bộ mode thụ động thì không điều khiển trực tiếp từ bên ngoài mà đặt trong buồng cộng hưởng chất hấp thụ bão hòa. Ưu điểm của khóa mode thụ động so với khóa mode chủ động là không cần sự đồng bộ của thiết bị ngoại vi và độ nhạy của sự biến điệu thụ động là cao hơn, vì thế cho phép tạo ra những xung cực ngắn và ổn định hơn nhiều. Với buồng cộng hưởng vòng sử dụng phương pháp khóa mode thụ động bằng va chạm xung thì ảnh hưởng của sự biến điệu thụ động rõ ràng hơn, nhờ sự - 7 - tương tác của hai xung trong chất hấp thụ bão hòa. Vì vậy, buồng cộng hưởng này hiện đang được sử dụng rất rộng rãi. Về lý thuyết, để giải thích cơ chế tạo xung cực ngắn trong các buồng cộng hưởng, lý thuyết bán lượng tử đã được áp dụng rộng rãi. Với lý thuyết bán lượng tử thì trường điện từ được khảo sát theo quan điểm cổ điển còn hệ nguyên tử được khảo sát theo quan điểm lượng tử. Nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng, chiều dài chất hấp thụ, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khác đặt trong buồng cộng hưởng. Tuy nhiên, một vấn đề là ảnh hưởng của tham số chirp lên các dạng xung trong các môi trường thì chưa được khảo sát. Đề tài luận văn: “ ảnh hưởng của chirp đối với xung dạng Secant- hyperbole trong môi trường hấp thụ bão hòa” sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này. Nội dung của luận văn được trình bày với bố cục gồm: Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo. Mở đầu: Trình bày tóm tắt lý do chon đề tài. Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn. Tập trung trình bày tổng quan về các phương pháp tạo xung cực ngắn và những yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn. Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của chirp đối với xung secant- hyperbole trong môi trường hấp thụ bão hòa. Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số chirp lên xung dạng secant- hyperbole trong môi trường hấp thụ bão hòa. - 8 - CHƯƠNG I PHƯƠNG PHÁP TẠO XUNG CỰC NGẮN Trong chương này, chúng tôi trình bày khái quát về các phương pháp tạo xung cực ngắn và những hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng. Một buồng cộng hưởng laser thường tạo bởi hai gương và môi trường hoạt chất có thể phát laser ở chế độ phát xung bức xạ hoặc phát bức xạ liên tục phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và chế độ bơm. Để phát được laser thì buồng cộng hưởng thoã mãn điều kiện nghịch đảo độ tích lũy và điều kiện ngưỡng. Luôn tồn tại một số lượng lớn các mode laser gồm các mode ngang và mode dọc. Các mode ngang xác định hình ảnh phân bố của cường độ điện trường theo độ rộng của chùm laser thường kí hiệu là TEM l.m . Các mode dọc có tần số L Nc N 2 = ν ( 1.1). N là một số nguyên, c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không thõa mãn điều kiện ngưỡng dao động dọc theo trục buồng cộng hưởng phát được laser. Khoảng cách giữa hai mode liên tiếp 2 c L δν = . Khi đó contour vạch phổ của laser phát ra gồm N mode cách đều nhau một khoảng δν . Để thu được laser tại mode dọc đơn, cần phải thiết kế buồng cộng hưởng laser đủ ngắn để 2 c L lớn hơn nhiều so với độ rộng dải của chất khuyếch đại của vật liệu laser hoặc thiết kế buồng cộng hưởng phức tạp mà có sự tổn hao cao đối với tất cả các mode trong độ rộng dải dao động ngoại trừ một mode ưu tiên. Hiện nay có các phương pháp cơ bản tạo xung cực ngắn: biến điệu độ phẩm chất và khóa mode. Laser liên tục chỉ hoạt động ở một chế độ còn laser - 9 - dạng xung hoạt động ở các chế độ trên. Sau đây lần lượt khảo sát các phương pháp trên. 1.1. Nguyên tắc bíên điệu độ phẩm chất Về bản chất, độ phẩm chất Q đo sự mất mát trong buồng cộng hưởng, độ phẩm chất Q càng cao thì mất mát trong buồng cộng hưởng càng thấp. Quá trình có xung cực ngắn được phát ra khi có sự lựa chọn hệ số Q của buồng cộng hưởng gọi là biến điệu độ phẩm chất. Trong trường hợp này tại thời điểm kích thích môi trường hoạt chất, tổn hao trong buồng cộng hưởng lớn, Q thấp làm cho không thể phát được laser mặc dù đạt được điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy. Khi đạt tới ngưỡng thì Q đột ngột tăng dẫn đến phát laser có năng lượng lớn. Trong thực tế phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện cơ, điện quang, từ quang và quang hóa trong buồng cộng hưởng. Khi van đóng, bơm kích thích có thể tạo ra được hiệu độ tích lũy cao hơn giá trị ngưỡng nhiều nhưng laser không phát. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có giá trị nhỏ. Sau đó nhanh chóng mở rộng van thì độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột ngột, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới. Vì vậy, hiệu độ tích lũy giảm rất nhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lượng lớn, thời gian xung ngắn ( 10 -7 - 10 -9 s ) và công suất cao ( 10 - 10 3 MW). Dựa trên nguyên tắc này đã có một số phương pháp thực nghiệm được khảo sát như: phương pháp gương quay, phương pháp khóa điện quang, phương pháp sử dụng các chất hấp thụ bão hòa. Sau đây, chúng tôi trình bày sơ lược về phương pháp sử dụng các chất hấp thụ bão hòa. Phương pháp này sử dụng một chất hấp thụ bão hòa mà hệ số hấp thụ của nó có thể bão hòa bởi tia bức xạ laser. Khi cường độ bức xạ tăng thì hệ số - 10 - hấp thụ giảm, tiến tới không khi cường độ lớn hơn rất nhiều cường độ bão hòa abs s I của môi trường lúc này hấp thụ trở thành bão hòa. Giữa hoạt chất laser và một gương đặt chất hấp thụ bão hòa hấp thụ miền phổ bức xạ của laser. Khi cường độ laser trong buồng cộng hưởng thấp, bức xạ đi qua chất hấp thụ bị giảm và độ phẩm chất của buồng cộng hưởng nhỏ. Bơm tiếp tục làm tăng nghịch đảo độ tích lũy và tăng dần cường độ bức xạ. Đến giá trị bão hòa ánh sáng đi qua chất hấp thụ không bị hấp thụ (hệ số hấp thụ bằng 0) để tới gương phản xạ. Lúc này độ phẩm chất của buồng cộng hưởng đạt giá trị cực đại và laser được phát ra ngoài có dạng xung công suẩt lớn. Nhìn chung chất hấp thụ bão hòa được chọn kích thước như thế nào để khi đạt trạng thái hấp thụ bão hòa nó truyền qua khoảng 50% năng lượng bức xạ là tốt nhất. Để cải tiến phương pháp này hiện nay có thể dùng phương pháp hỗn hợp cả tế bào Kerr và chất màu hấp thụ bão hòa để thu được các xung cực ngắn. 1. 2. Nguyên tắc đồng bộ mode Khi laser làm việc ở chế độ đa mode, các mode phát ra không đều tạo nên các đỉnh không đều nhau. Tuy nhiên bằng cách nào đó giữ cho các mode được phát có biên độ gần như nhau và pha của chúng được đồng bộ thì thu được xung có công suất lớn. Môi trường khuyếch đại ánh sáng được đặt trong buồng cộng hưởng gồm hai gương cách nhau một đoạn L chỉ có những tần số quang học / 2 q qc L ν = là tập hợp các mode của laser. Khi phát trong vùng đa mode cường độ lối ra của laser phụ thuộc vào thời gian. Để đơn giản ta xét N mode dao động dạng hàm sin có các tần số góc , i ω các pha giống nhau tại thời điểm t = 0 với biên độ E bằng nhau ( i E = E sin i ω t) và i k ω + - i ω = k ω ∆ , k là số nguyên, ω ∆ là độ rộng phổ cố định. Tại t =0, biên . trong môi trường hấp thụ bão hòa. Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số chirp lên xung dạng secant- hyperbole trong môi trường hấp thụ bão hòa. - 8 - CHƯƠNG. độ bão hòa abs s I của môi trường lúc này hấp thụ trở thành bão hòa. Giữa hoạt chất laser và một gương đặt chất hấp thụ bão hòa hấp thụ miền phổ bức xạ của