Ảnh hưởng của một vài tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định trong môi trường tuần hoàn phi tuyến kiểu kerr luận văn thạc sỹ vật lý

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ VĂN HIỆU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐẶC TRƯNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH TRONG MƠI TRƯỜNG TUẦN HỒN PHI TUYẾN KIỂU KERR LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hoàn thành hướng dẫn Thầy giáo TS Nguyễn Văn Phú Nhân dịp tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn kính trọng sâu sắc tới Thầy giáo TS Nguyễn Văn Phú, thầy dành nhiều thời gian, công sức tận tình giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Khoa Vật lý, Khoa Sau đại học, Trường đại học Vinh anh/chị học viên Cao học 17 ngành Vật lý giúp đỡ động viên tác giả nhiều trình học tập thời gian làm luận văn Cuối tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè quan tâm động viên giúp đỡ q trình hồn thành luận văn Vinh, tháng 10 năm 2011 Tác giả Lê văn Hiệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương I: Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học môi trường phi tuyến kiểu Kerr 1.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học .3 1.2 Nguyên lý ổn định quang học .9 1.3 Môi trường Kerr 11 1.4 Kết luận chương 16 Chương II: Ảnh hưởng vài tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định môi trường tuần hồn phi tuyến kiểu Kerr 2.1 Sự lan truyền sóng điện từ điện môi 17 2.2 Hệ phương trình liên kết mode 19 2.2.1 Mơ hình mơi trường tuần hoàn chiều 19 2.2.2 Hệ phương trình liên kết mode tổng quát 21 2.2.2.1 Hệ phương trình liên kết mode tuyến tính 24 2.2.2.2 Hệ phương trình liên kết mode phi tuyến 28 2.2.3 Các trạng dừng 29 2.2.3.1 Sự điều khiển cân phi tuyến: nnl = 31 2.2.3.2 Sự điều khiển phi tuyến không cân bằng: nnl 0 35 2.3 Ảnh hưởng vài tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định tinh thể CdSe 2.3.1 Mơ hình thực nghiệm 37 2.3.2 Ảnh hưởng chiết suất phi tuyến lên đặc trưng lưỡng ổn định tinh thể CdSe 40 2.3.3 Ảnh hưởng chiều dài cách tử lên lên đặc trưng lưỡng ổn định tinh thể CdSe 42 2.4 Kết luận chương 44 KẾT LUẬN CHUNG 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 MỞ ĐẦU Cùng với phát triển sống nhu cầu truyền tải thông tin ngày lớn dẫn đến hệ thống thông tin thông thường không đáp ứng kịp Một cơng nghệ có tính cách mạng truyền dẫn thông tin ánh sáng đời cải tạo mạng lưới thơng tin tồn giới Các linh kiện quang tử với tốc độ đáp ứng cao kích thước gọn nhẹ góp phần làm thay đổi phương thức truyền dẫn tin truyền thống cáp đồng trục Nhờ đó, khối lượng thơng tin khổng lồ bao gồm tín hiệu hình ảnh, tín hiệu âm xử lý truyền cách đồng thời Trong trình truyền dẫn hệ thống thông tin quang, thiết bị lưỡng ổn định quang học đóng vai trị quan trọng việc thiết lập hệ thống truyền toàn quang Ngay từ năm 1976 hiệu ứng lưỡng ổn định quang học hệ quang phi tuyến dành quan tâm ý đặc biệt học thuật thực tiễn khả đầy hứa hẹn lĩnh vực điều khiển, xử lý thông tin quang phát triển hệ máy tính túy quang học Về mặt khoa học bản, hiệu ứng lưỡng ổn định quang học ví dụ điển hình động thái tập thể tự tổ chức hệ mở nằm xa trạng thái cân nhiệt động Chu trình trễ hoạt động lưỡng ổn định quang học cho thấy tương tự với trình chuyển pha loại I hệ cân Bằng cách thay đổi tham số điều khiển bên ngồi, người ta làm cho cường độ xạ lối khơng cịn đại lượng dừng mà trở thành chuỗi xung khơng tắt dần, tuần hồn theo thời gian (tự phát xung đặn) tuần hoàn ngẫu nhiên (hỗn loạn quang) Về mặt ứng dụng công nghệ, quang hệ lưỡng ổn định dùng làm yếu tố nhớ quang học lưu giữ thông tin – sở để xây dựng hệ máy tính quang học Những hệ lưỡng ổn định quang học cịn dùng làm tất yếu tố cần thiết cho xử lý số thông tin quang học tạo xung, nén xung, phân biệt xung, hạn chế xung biến hoá xạ kết hợp từ chế độ liên tục sang chế độ xung Sự có mặt linh kiện thúc đẩy q trình thương mại hố góp phần đáng kể việc hạ giá thành hệ thống Vì nghiên cứu cấu trúc yếu tố ảnh hưởng đến thiết bị lưỡng ổn định quang học vấn đề mang tính thời Đề tài luận văn “Ảnh hưởng số tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định môi trường tuần hoàn phi tuyến kiểu Kerr” nghiên cứu vấn đề Nội dung luận văn trình bày với bố cục gồm phần: Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận chung danh mục tài liệu tham khảo Chương I Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học môi trường phi tuyến kiểu Kerr Trong chương tác giả giới thiệu tổng quan lý thuyết lưỡng ổn định quang học, trình bày nguyên tắc chung để tạo hiệu ứng lưỡng ổn định ứng dụng chúng Tìm hiểu mơi trường phi tuyến kiểu Kerr đặc điểm môi trường Chương II Ảnh hưởng vài tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định môi trường tuần hoàn phi tuyến kiểu Kerr Trong chương khảo sát cách tổng quát lan truyền ánh sáng mơi trường có cấu trúc tuần hồn Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell, hiệu ứng tuyến tính phi tuyến xảy mơi trường khảo sát Các đặc trưng truyền qua giới hạn hiệu ứng lưỡng ổn định đề cập đến Khi nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng số tham số cấu trúc lên đường cong lưỡng ổn định mơi trường có cấu trúc tuần hồn phi tuyến kiểu Kerr mơ hình chất bán dẫn cụ thể đưa vào Kết luận chung: Nêu lên số kết đạt trình nghiên cứu đề tài CHƯƠNG I HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN KIỂU KERR 1.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học Lưỡng ổn định quang học (Optical Bistability - OB) tượng mà xuất trạng thái quang học ổn định hệ quang học trạng thái quang học vào Nói cách khác tượng tồn phụ thuộc kiểu trễ đặc trưng quang học vào - hệ Nguyên nhân gây tượng thay đổi đột biến trạng thái vật lý hệ điều kiện vật lý (các tham số vật lý) biến đổi giới hạn định Để thu lưỡng ổn định quang học (OB) có nhiều phương pháp lý thuyết thực nghiệm, song nguyên tắc tượng trình bày dạng tổng quát sau [1]: Hãy xét “máy” quang học có hệ số truyền qua T = Ira /Ivao (Ira cường độ ánh sáng ra, Ivao cường độ ánh sáng vào) phụ thuộc phi tuyến vào chiết suất n Hệ số viết n = n(U); U tham số môi trường (như mật độ điện tích, nhiệt độ ) Hệ có đặc tính khác biệt với hệ quang học thông thường chỗ dịng ánh sáng truyền qua hệ Ira có phần kIra hồi tiếp trở lại hệ theo cách thức đó, kết tham số trạng thái U hệ biến đổi lượng là:  U = kQIra Trong đó: Q hệ số biến đổi k hệ số hồi tiếp Khi U = U0+kQIra dẫn đến chiết suất biến đổi lượng:  n = n - n0 = nQkIra (1.1) với n0 chiết suất ban đầu môi trường phi tuyến và: n  n U U U Kết hệ số truyền qua thay đổi lượng sau:  T = T ' - T = - kT I T’ = (1 - k)T = (1 - k) I Hay: (1.2) vao Từ (1.1) (1.2) ta có: n - n0 T(n) nQkI vao (1.3) Biểu thức (1.3) cho ta thấy hệ số truyền qua T(n) hàm phi tuyến theo n Như vậy, việc xác định giá trị n T theo Ivao thực đồ thị, giao điểm đường thẳng:  n - n0 nQkI vao Đồ thị mô tả quan hệ (1.3) mơ tả hình hình 1.1 T(n) Ira Ira (1 - k)I (Ivao) n(U ) + n(Ira)+ p KI  I1 I2 (a) Ivao N0(I0) (b) Ivao Hình 1.1 (a) Sự phụ thuộc đầu vào đầu vào Như miền xác định Ivao tồn giá trị T n ứng Đường đứt nét đặc trưng không ổn định với giá trị Ivao Kết cho ta dạng đặc trưng đồ thị hình chữ S biểu (b) Điểm N0 điểm hoạt động máy “quang học” diễn dòng Ira phụ thuộc vào tham số hệ mô tả khả hồi tiếp độ phi tuyến chiết suất Trong nghiệm hình thức n từ T có nghiệm nằm vào nhánh dưới, nghiệm thứ nằm nhánh (biểu thị đường chấm chấm, dIra/dIvao < 0) Miền chấm chấm đồ thị ứng với nghiệm không ổn định, nghĩa tồn thăng giáng nhiễu loạn nhỏ trạng thái hệ chuyển lên nhánh nhánh đồ thị Giá trị cường độ vào biểu diễn trục hoành, giá trị cường độ dịch chuyển theo nhánh giá trị Ivao đạt đến Ivao = I2, dịng truyền qua Ira nhảy lên nhánh đồ thị Vào thời điểm Ira nằm nhánh đường cong vào - ra, muốn trở nhánh cường độ Ivao phải giảm xuống thấp giá trị tới hạn khác I1 < I2 Như đường cong trễ xác lập Ngoài hai giá trị tới hạn I1, I2 hệ ổn định quang học Điểm N0 hình 1.1.b) coi điểm hoạt động "máy", tuỳ thuộc vào vị trí N0 mà OB xảy hay không Hiện tượng lưỡng ổn định quang học(OB) xảy n0 có giá trị cho độ nghiêng đường cong T(n) (dT/dn) lớn độ nghiêng đường thẳng vẽ từ N0, đường thẳng:  n - n0 nQkI (có độ nghiêng là: 1/  nQkI0) Điều cho phép ta xác định cách định tính điều kiện tới hạn OB sau: dT n - n dT nQkI0 dn  T(n)0 dn  (1.4) Từ (1.4) ta thấy n dT/dn dấu, nghĩa phải tồn hồi tiếp dương Khi tăng Ivao làm tăng Ira làm biến đổi U Sự biến đổi U gây n biến đổi T tăng lên kéo theo Ira tăng 10 Bằng cách khác ta chứng minh biểu thức (1.4) điều kiện để xảy ngưỡng lưỡng ổn định quang học Thật để hiệu ứng lưỡng ổn định xuất phải tạo bước nhảy Giả sử n T(n) chiết suất hệ số truyền qua trạng thái ổn định ứng với dòng vào Ivao đó, cường độ dịng vào Ivao tăng lượng Ivao theo phương trình (1.3) gây nên biến đổi với chiết suất:  n1 =  nQkT(n)  Ivao Nhờ hệ số truyền qua tăng lượng:  dT  T1  n1   dn  Khi T1 xuất có thay đổi chiết suất sau:  n2 =  nQkIvao(dT/dn)  n1 Quá trình hội tụ thỏa mãn điều kiện sau [1]: Ra n  n1 nQkIvao(dT/dn) < Xung Như vậy, để xuất bước nhảy điều kiện (1.4) phải xảy ra, hệ chuyển trạng thái từ nhánh lên nhánh ngược lại Rõ ràng (1.4) xác định điều kiện để xuất OB Hệ quang học xảy bất đẳng thức (1.4) mang tính chất phi tuyến Những lập luận xác định xác gần bậc nghĩa  n~ U ~ Ira Trong điều kiện cụ thể "máy" quang học, OB xảy mức độ khác nhau, mơ tả định tính có tính tổng qt hợp lý Như "máy" quang học sinh chi phối OB tương tự "máy" tai biến, tạo tai biến đỉnh với bước nhảy xác địnhVào mô tả cơng trình trước Xung vào Thiết bị lưỡng ổn định có vai trị quan trọng mạch số ứng dụng thơng tin, xử lí tín hiệu số máy tính Chúng sử dụng khóa đóng mở, cổng lơgic, phần tử nhớ Các tham số thiết t Hình 1.2 Hệ lưỡng ổn định làm việc thiết bị khuếch đại ... cấu trúc yếu tố ảnh hưởng đến thiết bị lưỡng ổn định quang học vấn đề mang tính thời Đề tài luận văn ? ?Ảnh hưởng số tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định mơi trường tuần hồn phi tuyến kiểu. .. trường phi tuyến kiểu Kerr đặc điểm mơi trường Chương II Ảnh hưởng vài tham số cấu trúc lên đặc trưng lưỡng ổn định mơi trường tuần hồn phi tuyến kiểu Kerr Trong chương khảo sát cách tổng quát... cứu chi tiết ảnh hưởng số tham số cấu trúc lên đường cong lưỡng ổn định mơi trường có cấu trúc tuần hồn phi tuyến kiểu Kerr mơ hình chất bán dẫn cụ thể đưa vào Kết luận chung: Nêu lên số kết đạt