Bài toán truy hồi cho thiết bị lưỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môi trường kerr kính thước nano

Trờng đại học Vinh Khoa sau đại học Võ Đình hoà Bài toán truy hồi cho thiết bị lỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môI trờng kerr kích th- ớc NANO. Tóm tắt luận văn thạc sỹ Chuyên ngành: Quang học 1 VINH, 10 / 2007 Trờng đại học Vinh Khoa sau đại học Võ Đình hoà Bài toán truy hồi cho thiết bị lỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môI trờng kerr kích thớc NANO. luận văn thạc sỹ Chuyên ngành : Quang học Mã số: 60.44.11 2 VINH, 10 / 2007 Lời cảm ơn! Luận văn đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn khoa học của PGS TS Hồ Quang Quý, tác giả xin đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt cả quá trình thực hiện với tấm lòng hết mực của ngời thầy nh những ngời thân ruột thịt để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, khoa Sau Đại Học- Đại Học Vinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám Hiệu Trờng Truyền thông đa phơng tiện VTC, các phòng ban chức năng khác của trờng đã tạo điều kiện giúp tác giả học tập và nghiên cứu trong suốt hai năm qua. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã quan tâm động viên và giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận văn này. Tác giả Võ Đình Hoà 3 Mục lục Mở đầu 1 Chơng I: Lý thuyết về lỡng ổn định quang học 4 1.1. Hiệu ứng lỡng ổn định quang học . 4 1.2. Nguyên lý ổn định quang học 7 1.3. Môi trờng phi tuyến - Môi trờng Kerr 10 1.4. Giao thoa kế Fabry - Perot phi tuyến . 14 1.4.1. Nguyên lý hoạt động . 14 1.4.2. Lý thuyết về lỡng ổn định của giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến với sự hấp thụ tuyến tính 16 1.5. Kết luận: 19 Chơng II : Kích thớc vùng cấm trong cấu trúc quang học của thiết bị lỡng ổn định môi trờng phi tuyến Kerr . 20 2.1. Giới thiệu. . 20 2.2. Lỡng ổn định quang học cờng độ thấp gây nên bởi tính phi tuyến cao trong cấu trúc dị thể nhiều lớp . 21 2.3. Tối u hoá tính chất lỡng ổn định quang học trong các lớp cấu trúc GaAs/AlAs bằng cách thay đổi vùng chiếu sáng 22 2.4. Phơng trình sóng và điều kiện biên . 24 2.4.1. Mô hình giải tuyến tính. 27 4 2.4.2. Mô hình phi tuyến tính 31 2.4.3. Phơng pháp giải phi tuyến (Nonlinear solver) . 32 Chơng III: Nghiên cứu tính chất lỡng ổn định quang trong cấu trúc chu kỳ có lớp phá cách . 37 3.1. Thuật toán giải bài toán cho cấu trúc chu kỳ có lớp phá cách 37 3.2. ảnh hởng của số lớp trong chu kỳ. 38 3.3. ảnh hởng của chiết suất lên đặc trng lỡng ổn định quang học 40 3.4. ảnh hởng của độ dày lớp phá cách 44 3.5. ảnh hởng tần số lên ngỡng 46 3.6. Kết luận 49 Kết luận chung 50 Tài liệu tham khảo 51 5 Mở đầu Một thành công quan trọng của các thiết bị điện tử là khả năng thu nhỏ các cơ cấu của nó. Điều đó cho phép ra đời các hệ thống máy tính mạnh, nhng tiêu thụ năng lợng thấp. Các nhà nghiên cứu tin tởng rằng các thiết bị sẽ đạt tới kích thớc cỡ nguyên tử hoặc phân tử. Điều này luôn là mơ ớc của thời đại, và cũng đã có nhiều thành tựu đạt đợc theo hớng này. Ba thao tác cơ bản của máy tính: phép toán số học, phép toán lôgic và việc lu giữ thông tin (ví dụ bộ nhớ), tất cả những chức năng đó đều có thể thực hiện đợc từ các thiết bị có hai trạng thái ổn định hay gọi là thiết bị lỡng ổn định. Nh vậy máy tính đợc cấu tạo từ các thiết bị có trạng thái lỡng ổn định và tốc độ của nó luôn đợc giới hạn bởi tốc độ chuyển giữa hai trạng thái của các thiết bị trên. Lỡng ổn định quang học là các trạng thái lỡng ổn định mà chùm laser truyền qua môi trờng phi tuyến, chúng là một cơ cấu quan trọng và thực tiễn để tạo nên hệ máy tính lợng tử có tốc độ rất cao. Những thành tựu về lĩnh vực này và những tiến bộ của nó đã đợc quan tâm nghiên cứu và bớc đầu áp dụng vào thực hiện từ ba thập kỷ qua. Để nâng cao tác động nhanh và giảm kích thớc điều rất quan trọng là chúng ta phải nghiên cứu trạng thái lỡng ổn định và hiệu ứng nhớ đợc thể hiện bởi hệ nguyên tử và phân tử và phải nắm bắt đợc nguyên lý cơ sở của nó. Một dạng mà ta biết rất rõ của hiện tợng nhớ trong hệ thống nguyên tử và phân tử là khám phá thực nghiệm về tiếng vọng spin hoặc tiếng vọng photon. Khả năng nhớ ở đây là kết quả của sự đảo ngợc tính đối xứng của thời gian và đợc 6 giới hạn thời gian hồi phục ngang (hoặc pha) cả vectơ từ hoá hoặc vectơ phân cực.[1] Nh vậy, các hệ điện tử số có tốc độ lớn và tinh tế (ví dụ nh máy tính) bao gồm số lớn các khối cơ bản gắn nối với nhau thông qua các khoá, các cổng, các bộ điều khiển v.v . Tất cả các thiết bị này có thể coi nh là các chuyển mạch (Switch) hoạt động nh là các hệ lỡng ổn định (bistable system). Tốc độ làm việc của hệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó phụ thuộc rất lớn vào tốc độ của các chuyển mạch. Có nhiều loại chuyển mạch: cơ khí, điện tử, quang-cơ, quang-điện, quang-quang. Trong các loại chuyển mạch đó, chuyển mạch quang-quang mà tiêu biểu là các linh kiện lỡng ổn định quang học (bistable optical devices) với tác nhân là các chùm laser có cờng độ lớn, là loại chuyển mạch với nhiều u điểm, đặc biệt là nó có tốc độ chuyển mạch lớn (thời gian chuyển mạch ngắn), nên xu hớng gần đây ngời ta rất chú trọng tới việc nghiên cứu các linh kiện lỡng ổn định quang học chuyển từ điện tử (electronic) sang lợng tử (photonic), từ máy tính điện tử sang máy tính quang là một vấn đề đợc quan tâm nhiều trong thời gian qua. Đề tài : Bài toán truy hồi cho thiết bị lỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môi trờng phi tuyến kerr kích thớc nano: nằm trong xu hớng đó với mục đích : Nghiên cứu các đặc trng của thiết bị lỡng ổn định, chồng chất nhiều lớp điện môi. Nghiên cứu phơng pháp truy hồi điểm cố định để khảo sát sự ảnh hởng của một vài tham số lên hiệu ứng lỡng ổn định quang học của chồng chất nhiều lớp môi trờng phi tuyến Kerr. Nội dung của luận văn đợc trình bày với bố cục gồm: Mở đầu, ba chơng nội dung và phần kết luận chung. 7 Chơng I: Giới thiệu tổng quan về lý thuyết lỡng ổn định quang học. Chơng II: Kích thớc vùng cấm trong cấu trúc quang học của thiết bị lỡng ổn định môi trờng phi tuyến Kerr Chơng III: Nghiên cứu tính chất lỡng ổn định quang trong cấu trúc chu kỳ có lớp phá cách Kết luận chung: Nêu lên một vài kết quả đạt đợc trong quá trình nghiên cứu đề tài Luận văn đợc thực hiện và hoàn thành dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS. TS. Hồ Quang Quý, Trung tâm Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ quân sự. Nhân dịp này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Hồ Quang Quý, ngời thầy đã dành nhiều thời gian, công sức tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý, ngành quang học khoa sau đại học, Trờng Đại học Vinh và các Học viên Cao học ngành Vật lý đã giúp đỡ động viên tác giả rất nhiều trong quá trình học tập cũng nh thời gian làm luận văn. Vinh, tháng 10 năm 2007 Tác giả 8 Chơng I lý thuyết về lỡng ổn định quang học 1.1. Hiệu ứng lỡng ổn định quang học Lỡng ổn định quang học (Optical Bistability-OB) là hiện tợng mà trong đó có thể xuất hiện 2 trạng thái quang học ra ổn định của một hệ quang học đối với cùng một trạng thái quang học vào. Nói cách khác trong hiện tợng này tồn tại một sự phụ thuộc kiểu trễ của đặc trng quang học vào-ra của hệ. Nguyên nhân gây ra hiện tợng này là sự thay đổi đột biến của các trạng thái vật lý của hệ khi các điều kiện vật lý (các tham số thiết kế) biến đổi trong những giới hạn nhất định. Để thu đợc OB có nhiều phơng pháp lý thuyết cũng nh thực nghiệm, song nguyên tắc cơ bản của hiện tợng này có thể trình bày dới dạng tổng quát nh sau.[1] Hãy xét một máy quang học có hệ số truyền qua là T=I ra /I vao (I ra là cờng độ ánh sáng ra từ hệ, I vao là cờng độ ánh sáng vào hệ) phụ thuộc phi tuyến vào chiết suất N của nó. Hệ số này có thể viết N = N(U); U là các tham số của môi trờng (nh mật độ điện tích, nhiệt độ .). Hệ này có đặc tính khác biệt với các hệ quang học thông thờng ở chỗ dòng ánh sáng truyền qua hệ I ra có một phần kI ra đợc hồi tiếp trở lại hệ theo một cách thức nào đó, kết quả là tham số trạng thái U của hệ biến đổi một lợng là: ra kQIU = , trong đó Q là hệ số biến đổi. Khi đó U = U 0 +kQI ra sẽ dẫn đến 9 ra NQkINNN += 00 , (1.1) với 0 UU U N N = = . Kết quả hệ số truyền qua thay đổi nh sau: k)T(N)-1( I I k)-1( vao ra ' == TT . (1.2) Từ (1.1) và (1.2) ta có: )( NQkI N- in 0 NT N = (1.3) Nh vậy, việc xác định các giá trị N và T theo I vao có thể thực hiện bằng đồ thị, đó là giao điểm giữa các đờng thẳng ( ) ( ) vao0 NQkIN- N = với đồ thị T(N) (hình 1.1). Nh vậy trong một miền xác định của I vao sẽ tồn tại 3 giá trị của T và N ứng với một giá trị của I vao . Kết quả cho ta một dạng đặc trng đồ thị hình chữ S 10 T(N) I vao I 2 I 1 + KI ra N(U 0 ) + N(I ra ) (1-k)I ra (I vao) N 0 (I 0 ) 2 1 p (a) (b) I ra Hình 1.1 a) Sự phụ thuộc đầu ra vào đầu vào. Đường đứt nét đặc trưng không ổn định. b) Điểm N 0 là điểm hoạt động của máy quang học. . Khoa sau đại học Võ Đình hoà Bài toán truy hồi cho thiết bị lỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môI trờng kerr kích th- ớc NANO. Tóm tắt luận văn thạc sỹ. Vinh Khoa sau đại học Võ Đình hoà Bài toán truy hồi cho thiết bị lỡng ổn định chồng chất nhiều lớp môI trờng kerr kích thớc NANO. luận văn thạc sỹ Chuyên ngành