Đặc trưng lưỡng ổn định quang học của giao thoa kế fabry perot phi tuyến

Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học vinh Lê thị đặc tr-ng l-ỡng ổn định quang học cña giao thoa kÕ fabry – perot phi tuyÕn LuËn văn thạc sĩ vật lí Vinh 2011 Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học vinh Lê thị đặc tr-ng l-ỡng ổn định quang học giao thoa kế fabry perot phi tuyến Chuyên ngành: quang học Mà số: 60 44 11 Luận văn thạc sĩ vật lí Ng-ời h-ớng dẫn khoa học TS Nguyễn văn hoá Vinh 2011 Mục lục Trang Lời cảm ơn Mở đầu Ch-ơng I Tổng quan nguyên lí ổn định quang học I.1 Hiệu ứng l-ỡng ổn định quang học I.2 Nguyên lí ổn định quang häc 10 I.3 M«i tr-êng phi tuyÕn – m«i tr-ờng Keer 12 I.4 Linh kiện l-ỡng ổn định quang học sở giao thoa kế 15 Ch-ơng II Đặc tr-ng l-ỡng ổn định quang học giao thoa kế Fabry Perot 19 II.1 Tính l-ỡng ổn định quang häc cña giao thoa kÕ Fabry- Perot phi tuyÕn 19 II.2 Quan hệ vào c-ờng độ quang 21 II.2.1 TÝnh tia truyÒn qua sau qua NFPI (tia từ M2) 24 II.2.2 Tính tia phản xạ sau qua NFPI (tia từ M1) 27 II.3 Đặc tr-ng l-ỡng ổn định 29 II.3.1 Đặc tr-ng l-ỡng ổn định tia truyền qua (tia từ M2) 29 II.3.2 Đặc tr-ng l-ỡng ổn định tia phản xạ (tia từ M1) 33 Kết luận chung 39 Tài liệu tham khảo 40 Phụ lục 41 Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hoá đà giúp định h-ớng đề tài dành nhiều công sức dẫn cho tr ong trình làm luận văn Tôi xin cảm ơn thầy phản biện đà dành thời gian đọc góp ý để hoàn chỉnh luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí Tr-ờng Đại học Vinh, thầy cô giáo giảng dạy Cao học Vật lí khoá 17 đà giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lÃnh đạo tr-ờng Cao đẳng Nghề Công Nghiệp Thanh Hoá đà tạo điều kiện cho phép đ-ợc tham gia học tập Tôi xin chân thành cảm ơn ng-ời thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tất học viên Cao học Vật l í khoá 17 đà động viên giúp đỡ thời gian học tập hoàn thành luận văn Vinh, tháng 12 năm 2011 Tác giả Mở đầu Một thành công quan trọng thiết bị điện tử khả thu nhỏ kích th-ớc cấu Điều cho phép đời hệ thống máy tính mạnh với tỉ trọng linh kiện cao nh-ng tiêu thụ l-ợng lại thấp Các nhà nghiên cứu tin t-ởng thiết bị đạt tới kích th-ớc cỡ nguyên tử phân tử Điều mơ -ớc thời đại, đà có nhiều thành tựu đạt đ-ợc theo h-ớng này[2] Ba thao tác máy tính: phép toán số học, phép toán lôgic việc l-u giữ thông tin (ví dụ nhớ), tất chức thực đ-ợc từ thiết bị có hai trạng thái ổn định hay gọi thiết bị l-ỡng ổn định Trong phép toán số học hai trạng thái 1, phép toán logic "true" "false", nhớ việc đạt đ-ợc hai trạng thái xác định Nh- máy tính đ-ợc cấu tạo từ thiết bị có trạng thái l-ỡng ổn định tốc độ đ-ợc giới hạn tốc độ chuyển hai trạng thái thiết bị [2] L-ỡng ổn định quang học hai trạng thái ổn định xẩy chùm laser truyền qua môi tr-ờng phi tuyến, chúng cấu quan trọng thực tiễn để tạo nên hệ máy tính l-ợng tử có tốc độ cao[2] Những thành tựu lĩnh vực tiến đà đ-ợc quan tâm nghiên cứu b-ớc đầu áp dụng vào thực từ ba thập kỷ qua Để đạt đ-ợc hai mục tiêu tốc độ nhanh kích th-ớc bé, hệ điện tử cần sử dụng nhiều linh kiện l-ỡng ổn định quang học, chúng bao gồm số lớn khối nối với thông qua khoá, cổng, điều khiển v.v Tất thiết bị coi nhlà chuyển mạch hoạt động nh- hệ l-ỡng ổn định Tốc độ làm việc hệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố phụ thuộc lớn vào tốc độ chuyển mạch Có nhiều loại chuyển mạch: khí, điện tử, quang-cơ, quangđiện, quang-quang Trong loại chuyển mạch đó, chuyển mạch quang-quang mà tiêu biểu linh kiện l-ỡng ổn định quang học với tác nhân chùm laser với c-ờng độ lớn, loại chuyển mạch với nhiều -u điểm, đặc biệt có tốc độ chuyển mạch lớn (thời gian chuyển mạch ngắn), vậy, xu h-ớng gần ng-ời ta trọng tới việc nghiên cứu linh kiện l-ỡng ổn định quang học Cho đến nhiều linh kiện l-ỡng ổn định quang học đà đ-ợc quan tâm nghiên cứu nh-: laser với chất hấp thụ bÃo hoà; cặp photodiode-LED; giao thoa kế Fabry-Perot; giao thoa kế Mach-Zehnder Các linh kiện đ-ợc áp dụng công nghệ chế tạo mạch biến đổi tín hiệu t-ơng tự thành tín hiệu số Trong thiết bị trên, giao thoa kế phi tuyến, đặc biệt lµ giao thoa kÕ Fabry – Perot phi tun, víi cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, sở cho cho nhiều giao thoa kế khác đ-ợc quan tâm, nghiên cứu [2], [3], [7] Trong công trình đà đ-ợc công bố giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến, đặc biệt quan tâm tới báo cña Sakata H (2001), “Photonic analog-to digital conversion by use of nonlinear Fabry-Perot resonators Appl.Phys.,40,240-248 Trong công trình này, tác giả đà đ-a quan hệ vào tín hiệu quang, sau xây dựng mạch biến đổi tÝn hiƯu víi viƯc lùa chän c¸c tham sè vËt lÝ thĨ cđa giao thoa kÕ Víi hi väng tìm hiểu đ-ợc ph-ơng pháp xây dựng khảo sát linh kiện l-ỡng ổn định quang học nói chung thông qua việc nghiên cứu giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến làm sở cho ph-ơng pháp nghiên cứu hệ l-ỡng ổn định, chọn đề tài Đặc trưng l-ỡng ổn định quang học giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến cho luận văn với mục đích: - Dẫn đ-ợc công thức mô tả mối quan hệ vào -ra c-ờng độ sáng đà đ-ợc công bố - Khảo sát cách tổng quát ảnh h-ởng tham số vật lí lên quan hệ đà đ-ợc Từ phân tích trên, nội dung nghiên cứu luận văn tập trung vào vấn đề sau: Trên sở giao thoa kÕ Fabry-Perot chøa m«i tr-êng phi tun Kerr, chóng xây dựng ph-ơng trình mô tả mối quan hệ vào -ra c-ờng độ sáng Từ khảo sát đặc tr-ng l-ỡng ổn định giao thoa kế phi tuyến, rút yếu tố định tính l-ỡng ổn định chúng, từ thảo luận định h-ớng xây dựng hệ tham số ảnh h-ởng đến tính chất l-ỡng ổn định Để thực nội dung nghiên cứu trên, ph-ơng pháp sau đ-ợc sử dụng: Những định luật vật lý quang học sóng, quang phi tuyến, quang l-ợng tử vật lí laser, đặc biệt lí thuyết lan truyền sóng ánh sáng môi tr-ờng Bằng ngôn ngữ lập trình Mathematica, khảo sát ph-ơng trình phi tuyến vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ vào-ra, sau đánh giá thảo luận đặc tr-ng l-ỡng ổn định giao thoa kế dựa đồ thị đà thu đ-ợc với tham số thiết kế cụ thể Luận văn đ-ợc trình bày với bố cục gồm: Mở đầu, hai ch-ơng nội dung phần kết ln chung Ch-¬ng 1: Giíi thiƯu tỉng quan vỊ l-ìng ổn định quang học, chủ yếu giao thoa kÕ Fabry-Perot phi tun vµ øng dơng cđa nã Từ phân tích vấn đề bất cập tồn đ-a h-ớng nghiên cứu cho ch-ơng sau Ch-ơng 2: Nghiên cứu đặc tr-ng l-ỡng ổn định giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến Tính toán để đ-a công thức quan hệ vào c-ờng độ quang Xây dựng đồ thị cho ph-ơng trình đó, nhận xét ảnh h-ởng tham số: hệ số hấp thụ , độ dày môi tr-ờng hệ số phản xạ hai g-ơng lên quan hệ CHƯƠNG i TổNG QUAN Về NGUYÊN Lí ổn ®Þnh quang häc I.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang hc L-ỡng ổn định quang học (Optical Bistability-OB) t-ợng mà xuất trạng thái quang học ổn định hệ quang học trạng thái quang học vào Nói cách khác t-ợng tồn phụ thuộc kiểu trễ đặc tr-ng quang học vào-ra hệ Nguyên nhân gây t-ợng thay đổi đột biến trạng thái vật lí hệ điều kiện vật lí (các tham số thiết kế) biến đổi giới hạn định Để thu đ-ợc OB có nhiều ph-ơng pháp lí thuyết nhthực nghiệm, song nguyên tắc t-ợng trình bày d-ới dạng tổng quát nh- sau: Hy xét my quang häc cã hƯ sè trun qua l¯ T=Ira /Ivao (I c-ờng độ ánh sáng từ hệ, Ivao c-ờng độ ánh sáng vào hệ) phụ thuộc phi tun vµo chiÕt st N cđa nã HƯ sè viết N = N(U); U tham số môi tr-ờng (nh- mật độ điện tích, nhiệt độ ) Hệ có đặc tính khác biệt với hệ quang học thông th-ờng chỗ dòng ¸nh s¸ng trun qua hƯ Ira cã mét phÇn kIra đ-ợc hồi tiếp trở lại hệ theo cách thức đó, kết tham số trạng thái U hệ biến đổi l-ợng là: U kQIra Q hệ số biến đổi Khi U = U0+kQIra sÏ dÉn ®Õn N  N  N  NQkIra (1.1) víi N  N U U U KÕt qu¶ hƯ sè trun qua thay ®ỉi nh- sau: T  T '  (1 - k) I  (1 - k)T(N) I vao (1.2) Mµ ta cã: N - N0  T (N ) NQkIin (1.3) Nh- vậy, việc xác định giá trị N T theo Ivao thực đồ thị, giao điểm ®-êng th¼ng   N - N  NQkIvao với đồ thị T(N) T(N) (hình 1.1) Iout Iout (Iin ) p (1-k)Iout N(U0) + N(Iout ) + KIout  Iin I1 I2 (a) N0(I0) Iin (b) Hình 1.1 a) Sự phụ thuộc đầu vào đầu vào Đ-ờng đứt đặc tr-ng không ổn định b) Điểm N0 điểm hoạt động máy quang học Nh- miền xác định Ivao tồn giá trị T N ứng với giá trị Ivao Kết cho dạng đặc tr-ng đồ thị hình chữ S biểu diễn dòng Ira phụ thuộc vào tham số hệ, mô tả khả hồi tiếp ®é phi tun cđa chiÕt st Trong nghiƯm h×nh thức N từ T có nghiệm nằm vào nhánh d-ới, nghiệm thứ nằm nhánh (biểu thị đ-ờng chấm chấm, dIra/dIvao