Ảnh hưởng của một số tham số lên quá trình nén xung sử dụng bơm raman ngược trong sợi quang

1 giáo dục đào tạo Tr-ờng Đại học Vinh - - Lê minh đức NH HNG CA MT S THAM SỐ LÊN QUÁ TRÌNH NÉN XUNG SỬ DỤNG BƠM RAMAN NGC TRONG SI QUANG chuyên ngành: QUANG HọC MÃ số: 60 44 11 Luận văn thạc sĩ VậT Lí C¸n bé h-íng dÉn khoa häc: PGS.TS hå QUANG Q Vinh – 2011 Luận văn hoàn thành hướng dẫn khoa học thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Q Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy, người đặt đề tài, dẫn dắt tận tình động viên suốt trình thực với lịng người thầy tinh thần đầy trách nhiệm khoa học nhà nghiên cứu, giúp nâng cao kiến thức, phát huy sáng tạo hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo khoa Vật lý, khoa Sau đại học trường Đại học Vinh nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè quan tâm động viên, giúp đỡ suốt trình học tập viết luận văn Tác giả luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực, phù hợp với kiến thức chuyên ngành chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Ụ Ụ D H Ụ Á KÝ H ỆU i D H Ụ Á Ồ THỊ, HÌ H VẼ iii ẦU hương TÁ Ứ V KHU T U H 1.1 Tán xạ aman cưỡng 1.1.1 Tán xạ Raman 1.1.2 Tán xạ Raman cưỡng 1.1.3 Tán xạ Raman theo quan điểm lượng tử 1.1.4 Tán xạ Raman cưỡng theo quan điểm lượng tử 11 1.2 Khuếch đại aman sợi quang 14 1.2.1 hư ng t nh đ ng h c c a t nh hu ch đại Raman 14 1.2.2 gu n l 1.2.3 d v hu ch đại tán xạ Raman ngược 15 hu ch đại Raman d ng t ong th ng tin quang 17 1.3 Kết luận 18 hương HH Ủ U KHU H ẬT Ộ Ô UẤT U Ê Ộ Ớ 2.1 hình sợi quang khuếch đại bơm aman ngược 20 20 2.2 Hệ số khuếch đại tín hiệu 21 2.3 nh hưởng mật độ công suất lên xung khuếch đại 23 2.4 Kết luận 35 K T UẬ T HU ỆU TH 37 KH 39 PHỤ Ụ …………………………………………… ………………41 M ẦU Laser có cơng suất lớn, xung ngắn áp dụng nhiều thực tế nghiên cứu khoa học đời sống Để có cơng suất đến hàng tỉ Watt để làm nóng cháy vật liệu hay tạo plasma nghiên cứu nhiệt hạch, khơng có đường khác nén xung laser cho độ rộng xung ngắn tốt Ví dụ laser có lượng 0,1J nén thành xung có độ rộng khoảng 10-12 s, nhận nguồn ánh sáng có cơng suất 0,1 tỉ W (100 GW) Trong công nghệ thông tin quang, chủ yếu sử dụng xung laser cực ngắn phát từ laser diode Ngoài ra, xung laser cực ngắn yêu cầu thiếu cơng nghệ quang phổ phân giải cao Có nhiều phương pháp nén xung như: biến điệu công suất laser phương pháp chủ động, thụ động, tạo xung laser cỡ ns; phương pháp khóa mode buồng cộng hưởng, tạo xung kim cỡ ps; phương pháp khuếch đại Raman buồng cộng hưởng, nén xung laser xuống 10 lần; phương pháp hấp thụ bão hịa kết hợp khuếch đại buồng cộng hưởng rút ngắn xung đến hàng trăm lần Tất phương pháp dựa sở hiệu ứng phi tuyến trình hoạt động laser, tương tác laser với môi trường Hiện tượng tán xạ Raman hiệu ứng phi tuyến Trong năm gần đây, cơng nghệ thông tin sợi quang phát triển mạnh đưa vào áp dụng đời sống, việc khuếch đại tín hiệu quang sử dụng mạng đường dài cần thiết Ngay từ năm 1970, Stolen Ippen [10 thực nghiệm thành công khuếch đại Raman sợi quang Tuy nhiên, đầu thập k 80 thể k 20, khuếch đại Raman sản ph m phịng thí nghiệm Đến thập k 80 k 20, nhiều đề xuất sử dụng khuếch đại Raman vào thông tin quang, song b khuếch đại sợi quang cấy rbium ( rbium-doped fiber amplifiers - s) lấn át 2] Tuy thế, vào nửa cuối thập k 90 k 20, có nhiều quan tâm đến khuếch đại Raman o đó, vào đầu k 21 (năm 2000), phần lớn hệ mạng thông tin quang đường dài (từ 300 đến 800 km) siêu dài ( 800km) sử dụng khuếch đại Raman Khuếch đại Raman hình thành trình chuyển cơng suất chùm ánh sáng cho chùm ánh sáng khác có tần số thấp thơng qua lượng phonon Phổ khuếch đại Raman chủ yếu tập trung vùng phổ thủy tinh ăng tần khuếch đại có độ rộng đến 40THz Sự d ch chuyển băng tần khuếch đại giá tr phổ cực đại thay đổi phụ thuộc vào bước sóng bơm Khuếch đại Raman có số ưu điểm Trước hết, số khuếch đại tồn phần lớn sợi quang Thứ hai, khuếch đại Raman không cần điều kiện cộng hưởng, ngh a số khuếch đại bao trùm lên vùng phổ suốt sợi quang từ 0,3 m đến 2,0 m Thứ ba, phổ khuếch đại Raman kéo dài thêm sử dụng nguồn bơm có bước sóng phù hợp Ví dụ, bơm nhiều bước sóng sử dụng để mở rộng băng quang học phân bố theo bước sóng nguồn bơm xác đ nh độ đồng số khuếch đại [5] Gần đây, số cơng trình nghiên cứu giới tập trung vào vấn đề khuếch đại nén xung tán xạ Raman ngược [6], [7] Trong xu đó, chúng đề xuất nội dung nghiên cứu sau: “ nh hưởng số tham số lên trình nén xung sử dụng bơm Raman ngược sợi quang” Nội dung nghiên cứu trình bày luận văn theo cấu trúc sau: hương Tổng quan tán xạ Raman cưỡng bức, khuếch đại Raman bơm ngược ứng dụng thơng tin quang sợi hương Mơ q trình nén xung sợi quang sử dụng bơm Raman ngược, khảo sát ảnh hưởng số tham số mật độ công suất xung bơm, độ rộng xung bơm, số khuếch đại Raman lên hiệu suất nén xung Kết luận chung: Trình bày tóm lược kết nghiên cứu hương TÁ V KHU Ứ H T U 1.1 Tán xạ aman cưỡng Tán xạ Raman cưỡng phát nghiên cứu sau laser đời Với cường độ lớn, laser nguồn bơm thích hợp để nâng cao hiệu suất tán xạ Raman Từ đó, hiệu ứng tán xạ Raman nghiên cứu sâu đưa vào ứng dụng quang phổ đặc biệt khoa học đời sống Để tìm hiểu tán xạ Raman cưỡng bức, trước tiên, điểm qua số nét tán xạ Raman 1.1.1 Tán xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman nhà bác học Raman phát vào năm 1928 Khi hội tụ chùm sáng vào môi trường vật chất (chất lỏng, chất khí, tinh thể khơng đồng nhất), ông phát rằng, chùm sáng thứ cấp sau qua mơi trường ngồi thành phần có tần số tần số ánh sáng vào cịn có hai thành phần có tần số lớn nhỏ (hình 1.1) Hiệu tần số thành phần tần số d ch chuyển mức lượng dao động quay phân tử môi trường Như vậy, chiếu chùm ánh sáng có tần số 0 vào mơi trường gồm phân tử xảy trình tán tán xạ sau đây: Tán xạ Rayleigh tự phát, tán xạ ánh sáng thứ cấp tần số xạ tần số với nguồn sáng chiếu vào 0 Tán xạ Raman tự phát: kết tương tác ánh sáng tới với kiểu dao động quay phân tử môi trường Tán xạ Raman bao gồm hai thành phần: Stokes đối Stokes Thành phần Stokes ứng với tần số nhỏ tần số ánh sáng tới (d ch phía vạch đỏ) s = 0 -i, thành phần đối Stokes có tần số lớn tần số ánh sáng tới (d ch phía vạch lục) s = 0 + i Hiện tượng tán xạ Raman tự phát giải thích dựa sơ đồ mức lượng phân tử trình bày hình 1.2 Các mức lượng phân tử bao gồm mức điện tử, mức J mức điện tử kích thích Trong mức điện tử chứa nhiều mức lượng dao động Các mức dao động cách khoảng ứng với tần số nằm vùng hồng ngoại trung (4.000 - 650cm-1) Trong mức lượng dao động lại có nhiều mức lượng quay Các mức lượng quay cách khoảng ứng với tần số nằm vùng hồng ngoại xa (650 - 10cm-1) Đối với mơi trường tán xạ Raman mức J gọi mức kích thích cộng hưởng xa Điều trình bày cụ thể sau 10 Nguồn ánh sáng chiếu vào môi trường có tần số 0, hay lượng photon h0 Khi lượng photon thoả mãn điều kiện 