Mô phỏng ảnh hưởng của một vài tham số lên hệ số khuếch đại raman bơm ngược phân bố trong sợi quang luận văn thạc sỹ vật lý

1  Trêng §¹i häc Vinh ---------------------- Lª minh ĐANG    !"#$% &#%'! LuËn v¨n th¹c sÜ VËT LÝ ()*+,* 2  Tr êng §¹i häc Vinh Lª minh ĐANG    !"#$% &#%'! -./011231-4 '.512-67 89:4 60 . 44 . 01 . 09 NGH(,*;*+,* 3 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hồ Quang Quý. Chúng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến quí thầy giáo, đặc biệt là PGS.TS Hồ Quang Quý, đã dẫn dắt tận tình và động viên chúng tôi trong quá trình thực hiện với tấm lòng hết mực của người thầy và tinh thần đầy trách nhiệm với khoa học của nhà nghiên cứu, đã góp phần thúc đẩy, giúp đỡ tôi nâng cao kiến thức, thêm nghị lực, phát huy sáng tạo và hoàn thành được luận văn này. Chúng tôi xin chân thành cám ơn quí thầy giáo PGS.TS Đinh Xuân Khoa (Hiệu trưởng trường Đại học Vinh), TS Đoàn Hoài Sơn (Chủ nhiệm Khoa Vật Lý), TS Nguyễn Huy Bằng (Chủ nhiệm chuyên ngành Quang học) và quí thầy cô giáo trong khoa Vật Lý, khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Sài Gòn, Phòng Tổ chức Cán bộ … đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian chúng tôi học tập và thực hiện nghiên cứu đề tài. Tôi cũng xin chân thành cám ơn Sở Giáo dục và Đào tạo thành phố Hồ Chí Minh, Ban Lãnh đạo Phòng Giáo dục và Đào tạo Quận Tân Phú - TP.HCM, Ban giám hiệu trường THCS Hùng Vương, quí đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi an tâm học tập và nghiên cứu trong suốt hai năm qua. Cuối cùng xin gửi lời cám ơn đến gia đình, vợ Hồng Hạnh và hai con Minh Quân, Minh Thư, những người thân, bạn bè gần xa đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn này. Tác giả luận văn 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do chính bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình và đầy trách nhiệm của PGS.TS Hồ Quang Quý. Các số liệu cùng kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực, phù hợp với kiến thức chuyên ngành và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận văn 5 MỤC LỤC <512=->?@5AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAB CB7DEF1AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAB i CB75EGH51 AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA Bii >7I>7AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABJ 51-E>77K7LM-BN.AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAJB 51-E>77K7-@1-JO(GPQ-RAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAJBBB ->I>7 46 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ω [rad/s] : Tần số E a , E b [J] : Năng lượng ứng với các mức dao động a và b ε : Hằng số điện môi I [W.m -2 ] : Cường độ ánh sang V [m 3 ] : Thể tích môi trường tán xạ R : Hệ số tán xạ L [m] : Chiều dài sợi quang đơn mode. φ [rad] : Góc tạo bởi hướng thu và trục của chùm tia tới c ≈ 3.10 8 [m.s -1 ] : Vận tốc ánh sáng trong chân không N a , N b [m -3 ] : Mật độ cư trú ở các mức a và b 34 1,05.10 J.s − =h : Hằng số Plank 23 k 1,38.10 J / K − = : Hằng số Boltzmann T [K] : Nhiệt độ tuyệt đối m L , m s : Số photon trong mode Laser và mode Stokes P s [s -1 ] : Xác suất để một photon trong mode laser biến đổi thành photon trong mode Stokes trong 1s G : Hằng số tán xạ Raman cưỡng bức E [V/m] : Cường độ điện trường k p , k s [m - 1 ] : Vector sóng bơm và vector sóng Stokes Q : Số lượng phonon quang A [m 2 ] : Tiết diện tán xạ Raman hiệu dụng (A = 5.10 -11 m 2 ) G(t) [dB] : Hệ số khuếch đại tín hiệu do xung bơm gây ra. P p (t) : Phân bố công suất bơm theo 7 dạng Gauss v g [m/s] : Vận tốc nhóm của bơm: v g = 2.10 8 m/s n(t) : Nhiễu quang học của hệ khuếch đại W [W/m 2 ] : Mật độ công suất W max [W/m 2 ] : Mật độ công suất đỉnh λ [m] : Bước sóng ánh sáng p s ,α α [dB/m ] : Hệ số suy giảm tương ứng của sợi quang đối với hai sóng tín hiệu (α s = 0,191.10 -3 dB/m) và sóng bơm (α p = 0,91.10 -3 dB/m) B [W/m 2 s] : Hệ số mô tả sức mạnh của xung η [W/m 2 ] : Hệ số nén xung T : Tần số lặp của chuỗi xung. P o [W] : Công suất bơm trung bình (P o = PL.τ /T) g [m/W] : Hằng số khuếch đại Raman ( Wmg /10.25,1 11 − = ) n ∆ : Hiệu chiết suất giữa vỏ và lõi P L [W] : Công suất đỉnh xung /T τ : Chu kỳ lặp τ [s] : Độ rộng xung 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ, đồ thị Trang 1.1. Hiện tượng tán xạ Raman…………………… 7 1.2. Sơ đồ các mức năng lượng và các dịch chuyển trong tán xạ Raman………………………………… 8 1.3. Các quá trình tán xạ…………………… 9 1.4. Phân bố trường tán xạ Raman……… 11 1.5. Nguyên lí nén xung sử dụng tán xạ Raman ngược………… 18 1.6. Cấu hình cơ bản của hệ nén xung sử dụng tán xạ Raman ngược……………… 18 1.7. Hệ khuếch đại Raman, kết hợp khuếch đại Raman phân bố và khuếch đại Raman rời rạc…………… 20 1.8. Phân bố Boltzmann……………… 22 9 2.1. Sơ đồ cấu trúc khuếch đại xung bằng Raman bơm ngược…………………………………………… 25 2.2. Biến đổi các xung trong quá trình tương tác… 26 2.3. Xung bơm Gauss với mật độ công suất đỉnh 1.10 13 W/m 2 và độ rộng xung 8 2 10 s − × .……………… 29 2.4. Xung tín hiệu Gauss với mật độ công suất đỉnh 1.10 -4 W/m 2 và độ rộng xung 8 2 10 s − × .………………………… 30 2.5. Xung được khuếch đại với mật độ công suất đỉnh 7.10 2 W/m 2 và độ rộng xung 0,2.10 -8 s……………………………… 30 2.6. Xung tín hiệu được khuếch đại với mật độ công suất đỉnh của xung bơm W max =2.10 13 W/m 2 . ……………… 32 Hình vẽ, đồ thị Trang 2.7. Hiệu suất nén phụ thuộc mật độ công suất đỉnh của xung…. 32 *ASATruyền ngược nhau và gặp nhau của các xung trong sợi quang.…………………………… . 35 *ATAG max phụ thuộc T/τ với P L và τ không đổi … .………… 37 *A,+AL opt phụ thuộc vào T/τ với P L và τ không đổi…… . 38 2.11. G max phụ thuộc Δn với T/τ =20 . 39 2.12.L opt phụ thuộc Δn với T/τ =20 ………………………… . 40 2.13. G max phụ thuộc vào T/τ với P 0 = 0,01W và τ = 0,1μs … 41 *A,UAL opt phụ thuộc T/τ với P 0 = 0,01W và τ = 0,1μs 42 10 $V&W! ,AMXH7-61GYQ3B Laser có công suất lớn, xung ngắn được ứng dụng nhiều trong thực tế nghiên cứu khoa học và đời sống. Để có công suất đến hàng tỉ Watt để làm nóng cháy vật liệu hay tạo plasma trong nghiên cứu nhiệt hạch, không có còn đường nào khác là nén xung laser sao cho độ rộng xung càng ngắn càng tốt và công suất đỉnh càng cao càng tốt. Ví dụ một laser có năng lượng 0,1J được nén thành xung có độ rộng khoảng 10 -12 s, chúng ta sẽ nhận được nguồn ánh sáng có công suất 0,1 tỉ W (100 GW). Trong công nghệ thông tin quang, chủ yếu sử dụng các xung laser cực ngắn được phát ra từ laser diode. Ngoài ra, các xung laser cực ngắn là yêu cầu không thể thiếu trong công nghệ quang phổ phân giải cao. Có nhiều phương pháp nén xung như: biến điệu công suất laser bằng phương pháp chủ động, thụ động, tạo ra các xung laser cỡ ns; phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng, tạo ra các xung kim cỡ ps; phương pháp khuếch đại Raman trong buồng cộng hưởng, có thể nén xung laser xuống 10 lần; phương pháp hấp thụ bảo hòa kết hợp khuếch đại trong buồng cộng hưởng có thể rút ngắn xung đến hàng trăm lần. Tất cả các phương pháp trên đều dựa trên cơ sở hiệu ứng phi tuyến trong quá trình hoạt động của laser, cũng như tương tác laser với môi trường. Hiện tượng tán xạ Raman là một trong những hiệu ứng phi tuyến trên. Trong những năm gần đây, khi công nghệ thông tin sợi quang phát triển mạnh và được đưa vào ứng dụng trong đời sống, thì việc khuếch đại tín hiệu quang sử dụng trong mạng đường dài là rất cần thiết. . về mô hình sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược, hệ số khuếch đại bơm phân bố, hệ số khuếch đại tín hiệu bơm đơn xung trong sợi quang sử dụng Raman bơm. tâm. Trong xu thế đó, chúng tôi đề xuất nội dung nghiên cứu: Mô phỏng ảnh hưởng của một vài tham số lên hệ số khuếch đại Raman bơm ngược phân bố trong sợi