TINH THẺ
2.1. Tào xung ánh sáng trắqg bằng sọí quaiTg học tinh thể
Nhũug tìm hiểu xè 1ẼCÌ1 tưrtng quang phi tuyến trong quá trình hình thành và phát triển sc được tiến hành dựa trên các kết quả thực nghiệm của hai loại sợi PCF sản xuất tại phòng thí nghiệm Xlim, Pháp. Đây là hai loại sợi có lõi chiết suất cao, được chế tạo bằng phương pháp tập hợp các ống thủy tinh lại thành bó rồi nung và kéo với điều kiện nhiệt độ nung và tốc độ kéo luôn ổn định. Cấu trúc mặt cắt ngang của hai sợi PCF này được trình bày trên Hình 2.1. Sợi thứ nhất có cấu trúc lõi đối xứng (a), còn sợi thứ hai thì có cấu trúc lõi bất đối xứng (b). Đặc đicm này cho phóp sợi PCF thứ nhất khôiTg oó tính lưỡng chiết, ocn sợi PCF thứ hai thà oó tính lưỡng chiết, nhờ vào sự bất đối xứng về chiết suất do yếu tố hình học
29
gây ra. Hai kiều sợi PCF này đại diện cho hai thể loại đặc trưng nhất của các sợi PCF nồ ta thuỀhg gặp trên thị truỀĩqg sợi quarỊg phi tuyếư Fhần thân của sợi là một mạng li ti ti lần hoàn nicro mốt gàtncáe lỗ trống chúa không khí được bao bọc bởi silic, là vật liệu phi kim có tính đẳng hướng, ơ giũa phần thân XI lất hiộn mọt lỗi phá vỡ trật tự tuần hoàn, vị trí nạy đóng vai trò lõi của PCF. Sợi PCF phi lưỡng chiết có một lõi tròn được bao
b)••••••>> ••••••>> ••••••••• '_________ X >
bọc bởi những lỗ không khí có đường kính trung bình d = l,8fim. Che lỗ trống nạy nằmcádr nhai 1 một tu tic tnmg tinh khoảng A = 2,26/im. Nhi ỉ
vậy, tỷ lệ d/A là. 0,796. Tỷ lệ này có nghĩa rằng độ phi tuyến của sợi là cao và sự dẫn tnryồn sáng có tính chất hÕLig modo [14]. Sợi PGF này có hai mode truyền sáng ở lõi: mode cơ bồn LF[)I và mode bậc nhất LP\\. Đối với mode cơ bản ZJoi, cường độ sáng phân bố theo không gian có dạng gần với phân bố gai ìssiennc, còn mode bậc nhất LP\\ thì lại có sự phân bố cường độ theo dạng hai gaussienne (xem Hình 2.5). Vì sự phân bố cường độ sáng theo không gian này không giống nhau, nên hai mode không chịu cùng chiết suất môi truồng trong quá trình lan tnrycìL Như vây các yếu tố tán sắc cũng khác nhau tùy theo mode được dẫn. Các đường cong tán
Sắc của hai mode này được tính toán và biễu diễn trên Hình 2.2. Đường ocng tán sắc của mode cơ băn GÓ nột giá, trị tán sắc bằng không (zero dispersion wa.velength: ZDW) tại 814 nm, trong khi đường cong tán sắc của mo de bậc nhất lấy hai giá trị tán sắc tại 650 nm và 1050 nm. Điều đó làm xuất hiện hai vùng phổ mà ở đó PCF có tán sắc bình thường. Cấu trúc tán sắc nạy cho phép tạo ra các sóng tán sắc trong vùng khả, kiến và trong vừng hồng ngoại nếu bcmbằng xung laser có buớc sóng nằmtroqg vùng tán sắc bất tinh thương của scầ FCF[15]. Trong truỀtỊg hợp này, sự nở rộng phỗ là hiệu quả hon bởi có sự tương tác với soliton, được hình thành trong vừng tán sắc bết thũLỀ&ọg, cho phép các sóng tán sắc nở rạng xè phía vùng buớc sóng ngắn và vùng các buớc sổng dài. Sợi PCF lưỡng
Hình 2.2: Đường cong tán sắc của mode cơ bản ZJỏi của rmde bạc nhất LPị Ị. HLnli ảrii<±Ềnlà irặt cắt củasd FCF phi liíỉỉg <±iết[29Ị.
chiết có lõi hình elíp được bao bọc bởi hai lỗ không khí lớn, đường kính lần lượt là 3,3 và 3,6 uni Phần thân là một nrtttg lưâ tuần hoàn các lỗ nhỏ có đường kính trung bình cl = 1, Sịim^ÁẦ tdooảng’ cách @rtei các lỗ là A = 2,cụm . Tỷ d/A lệ là 0,71. Sự khác biệt về đường kính của hai lỗ lớn bên cạnh lõi làm gia tâng tính chất lưỡng chiết của lõi elíp, điều này dẫn tới một sự phụ thuộc mạnh vào tính chất, tán sắc theo trục của FCF.
31
Fhần lõi có thể dẫn truyền ánh sáng bằng bốn nxde: hai rnode oơ bản LPObc LPOly vàhai rnode bậc nhất LPlbx, LPlly. VỊ trì ZDWciia Ixxi rnodc nạy lần luợt nằm ở các bư5c sóng 827, 8G6, 757, 764 ran (Hỉnh 2.3). ở đây, X và y lần lượt là trục nhanh và trục chậm của sợi PCF. Diện tích thực của mode cơ bản được ước tính là 4,9 gra2đối với bước sóng 850 nm, và, 5,3 ịim2 có bước sóng 1064 nm. Ưu điểm của sợi PCF phi tuyến là khả năng bảo toàn tính phan cục ánh sáng hoặc tạo ra sc phân cục thẳng TLoig tự như sợi PCF phi liõng chiết, các vách ngăn của thân cũng có thể dẫn tíiỊyồn ánh sáng . Như vậy viộc tạo ra sc với sợi POF lứãqg chiết cũng có thể thực hiện được ở trong phần thân của sợi. Tóm lại, các tính
Hình 2.3: Đường cong tán sắc của bốn mode LU)\.r, LĨỊny. LPílx,LPlíy . Hhih ảnh cibỀĩi là mặt cắt của sci FCF cỉiét. [29]
chất không gian, các dữ liệu vè tính chát tán sắc của các inode tíựyèn sóng trong lõi của hai sợi PCF này đã được xác định. Các đường cong tán sắc GÓ ZDW tập tínng xưpg quanh bước scng 800 nm Nhi ĩ vây sự nồ lộng phổ của sc sẽ hiệu quả nếu như PCF được bơm bởi những xung laser cơ bản có buỡc sóng trong lẩn cạn và, l( ầi hon 800 nm Ngliia là phải bơm tr ong vìmg tán sắc bất linh thương.
rất nhiều trong lãnh vực quang phi tuyến, và đặc biệt là sau khi ra đời máy phát laser vào nẫm 1960. Hiện tượng này được quan sát trong quá trình tạo sc, sinh ra tdá xung lascr phổ họp chịu rrột sự dãn phổ rất 1ỚL1
do tuttng tác với nôi trưdng phi tiiyốĩL Thong scả KF. sự tạo thành sc là knt, quả của sự can tbáep của nhicn yếu. tố tán sắc và Ị Ìá tiryốn San thành công khi tạo được sợi PCF với tán sắc bất thường trong vùng khả kiến[23], việc khai thác sc đã đạt được những tiến bộ vượt bậc và đã có nhiều cố gắng vè thục nghiệm cũng như lý thi ryết tập trung vào rrghicài cứu Gơ chế cua sự dãn rộng phổ [25].
Phương pháp tạo sc bằng PCF được trình bày trên Hình 2.4. Xung laser cơ bản, có phổ hẹp, được đưa vào sợi PCF bằng đầu hội tụ của thấu kính hiển vi. Nhờ cấu trúc micro mét của PCF mà năng lượng được nén trong nột diện tích cỡ vài /im2. Do vậy mà mật độ năng lượng trở nên rất cao và được giam giữ trong cấu trúc của sợi PCF trong quá trình lan truyền. Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp tạo sc truyền thống như tạo sc bằng tinh thể. Mật độ năng lượng cao và được duy trì trong quá trinh lan ưiryồn làm gia tăng các hiện tuỢqg phi tuyến như tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn lần bốn bước sóng, tương tác với so li ton tán xạ Raimn.. [27]. hết, quả của sự tưng tác phi tuyến. này là phổ của xung laser dãn ra cực rộng nên ta có ánh sáng trắng ở đầu ra.
Việc đưa xung laser vào đầu của sợi PCF là một bước kĩ thuật khá nhạy cảm, bởi nó quyết định trực tiếp tới tính ổn định và độ rộng phổ của sc được tạo thành. Các hiện tượng phi tuyến rất nhạy cảm với cường độ đầu vào. Vì cấu trúc của lõi PCF là rất nhỏ nên việc đưa xung laser vào phải được thiết kế trên một hệ thống ổn định, cho phép tránh được các dao động cơ học, nhiệt...Với hệ thống phóng đại ảnh được lắp đặt trước sợi PCF, Hình 2.4, vị trí đầu vào của xung laser hoàn toàn được kiềm soát.
33
Hỉnh 2.4: Tho xung ánh sáng trắng bằng cách bơtnxuqg laser vào sậ PCF. A4\ và. gLUng A/2: bổn iriíi butìc sáng 28X: thin kứửi Hải vi, XYZ trục dỊch đxựyải t,lxx> ba chiều, ITF: sợi quang phi hpấn[2í )]
Điều này cho phép quyết định việc tạo sc với lõi sợi hay với vách ngân. Ngoài ra, trong truỀaọg bợp (hiếu xung lascr oơ bản vào lõi PQP tlầ ta cũng kiểm soát được vấn đề tạo sc, với mode cơ bản hay với mode bậc nhất. Trên lĩnh 2.5 trình bày hai inode tạo bcấ sợi quang phi lưỡng chiết (A), và hai nxx3e tạo bởi sọắ quang lưlng chiết (B).
A) B)
Hình 2.5: Sự phân bố cường độ theo không gian của các mode khác nhau[29]
Từ kết quả Hỉnh 2.5 ta nhận thấy rằng sự phân bố theo không gian phụ thuộc cả vào dạng hành học của lci lẫn bạc của ĩiodo dẫn tnryồn Trong trường hợp dẫn truyền bằng mode bậc nhất thì cường độ sáng được phân bố theo hai hàm gaussienne. Điều này thể hiện rất rõ trong hình chụp với sự giảm cường độ sáng của vị trí đường trung tâm.
Hỉnh 2.6: Tào xung ánh sáng tÈM]g(SiiỊ X1T X >1itii n un 11SỌ) bằng sậ quang tinh tliểỢRTotcnic Fìber Cbystal: PCF) tại Viện "Vặt Lí Việt Năm [29]
kĩ thuật tại Viện vật lí (Việt Nam) đã đáp ứng được những yêu cầu về mặt kĩ thuật và bằng thực nghiệm nguồn sc đã được tạo ra Hình2.6. Đây được xem là một bước tiến mới trong kĩ thuật với nguồn sc, tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu và ứng dụng sc trong nước.
2.2. Quan sát sự nở rạng phổ của xung ánh sáng trắng
Để quan sát quá trình phát triển của sc theo chiều dài của PCF tli ta cần ghi nhận hình ảnh phổ theo các chiền dài khác nhan Kct quả của sự quan sát này được trình bày trên Hình 2.7 và Hình 2.8. Trong thí nghiệm này, xung laser Gơ bản GÓ bước scng trưng tâm là 840 nin, thcẳ gian xung là 50 fs và năng lượng xung là 1,2 nJ. Việc đo phổ được thực hiện bằng cách cắt sợi PCF thành các độ dài khác nhau. Sau đó chiếu lần lượt xung laser cơ bản vào các độ dài rồi đo phổ của sc ở đầu ra . Từ kết qưả thực ngpáệmcủa sc tạo bởi sợắ. PCF phi lưlig chiết, và, hi3ng chiết, ta nhận thấy rằng độ rộng phổ thay đổi theo chiều dài. Tuy nhiên trong những mm đầu tiên thì sự phát triển phổ tiến triển rất nhanh. Còn sau chiều dài trên 10 mm thì sự nở rộng phổ là không đáng kể nhưng có sự
35
---3,4 mm ---0 mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.8: Sự ptót triổa pliổ của sc tlx» các diều dài khác ìủian của scá PQF. Hình ảnh clkn trẽa cùng là sự phân bố cường độ theo không gian của sc, tạo bỗi lõi của PCF lưỡng chiết, với mode trựyồn sái)g oơ bỏn /V 7) IA". nổ úng \cS ciíiồLi dài bằng klxõng là pliổ của >anjg lascr. [29]
Bây giờ ta sẽ phân tích định tính vai trò của các hiệu ứng phi tuyến trong quá trình phát, triển sc trong sợi PCF phi litlng chiết,. Ung với chiều dài 3,4nm, ta thấy rằng sự nỡ rộng phổ là đối xứng so với bước sóng trung tâm của tia laser cơ bản. Điều này chứng tỏ rằng quá trình hình thành sc
37
được khởi đầu bằng hiện tượng tự biến điệu pha. Đặc trưng của tự biến điệu pha là phổ nở đều cả về phía bước sóng ngắn lẫn bước sóng dài. ở đây ta nhận thấy sự đối xứng của phổ nghĩa là tín hiệu sinh ra bởi hiện tượng tự biến điệu pha chiếu ưu thế nhất. Với chiều dài 6,6 nm thì phỗ tập trung mạnh vào vùng có bước sóng 700 nm đến 760 nm. Sự bất đối xứng này cho thấy rằng vai trò của tự biến điệu pha đã giảm đi so với các hiệu
ứqg phi tựyến khác. Tà GÓ thể giải thích rằng kết qua của tín hiệu trong
vùng 700 nm đến 760 nm là do hiệu ứng biến điệu chéo pha từ tương tác
của các scng trong sditcn Gơ bổn Chc buớe sóng lớn hen 814 nm, nằm trong vừng tán sắc bất bành thrÈng nên di chuyền gần như cùng vận tốc
và duy trì soliton Gbn các buớc scaig nằnitrcng vùng tán sắc linh thũLỀng
thì có hiện tượng màu xanh di chuyển nhanh hơn màu đỏ nên có sự giãn
xung trong quá hình lan tnryồn Nếu quan sát tại vị trí buớc sóng 650 nm
thì ta thấy bắt đầu xuất hiện một cường độ sáng nhỏ. Cường độ của bước sóng 650 nm được khuyếch đại ở độ dài của PCF là. 9,6 mm. Ta có thể giải
thích rằng tín hiệu nạy lh hốt quả của sự tưtng tác giũa sditan ỏ 960 ran
và sóng tán sắc ở 760 nm. Tương tác giữa soliton và sóng tán sắc là đề tài thảo luận mà G. Genty và cộng sự đã đề cập trong vấn đề giải thích sự nở
rmg phổ của se tạo bcắ scầ PCF, với chiều dài lớn (cỡ nứt) [28]. Tưỉng
tự như vậy sự xuất hiện của cường độ tại bước sóng 590 nm thì ta có thể
giai thích là kốt quả của sự trttng tác giữi. solitoLi và song tán sắc ở 650
nm. Đối với chiều dài 11,8 mm và 22 mm thì không có sự nở rộng phổ về phía màu xanh nữa. Nhưng tỷ lệ cường độ sáng tại bước sóng 590 nm là được tăng cường so với các vùng còn lại khi chiều dài tăng. Điều này ta. có nghĩa là sự tán sắc đối với bước sóng ngắn trở nên quan trọng. Soliton
và scarg tán sắc ở 500 nm khang lan trựyèn cùng vci nhan nôn 14 rong GÓ
sự tương tác đề tạo ra bước sóng mới. Hơn nữa sự tán sắc đã làm giảm năng lượng cực đại của solition nên các hiệu ứng phi tuyến mà soliton có
thể tạo ra cũng không còn được duy trì. về mặt thực nghiệm, ta không
quát sát thấy tín hiệu phi tụyến như trộn lẫn bốn bưâc scag hay tổng hợp tàn số. Thật vậy ncu oó có các hiộn tilựng phi tiỊyổn này thamgịa thì ta
phải quan sát được các photon trong vùng tử ngoại, bởi tần số của các hiộnL tuợng này lấy giá trị là UJ\‘2 = LÚI +o_£. Trong thực tế, để tín hiện của các hiện tượng này xuất hiện đủ mạnh thì cần phải đảm bảo được sự
hợp pha của các sóng cơ bản và, song tín hiộu \fi cấu trúc của sci PGP
thì điều kiện hợp pha trong quá trình lan truyền là không thể thực hiện được. Chính điều này nên sự đóng góp của hai hiệu ứng phi tuyến kể trên là được xem như không đáng kể, có thể bỏ qua.
Đối với sợi PCF lưỡng chiết ta cũng quan sát được sự biến đổi tương tự. Chỉ có điểm khác biệt ở đây là sự nở rộng phổ diễn ra chậm hơn so với sợi PCF phi lưỡng chiết. Ta có thể nhận ra điều này dễ dàng nếu so sánh
phổ sc tại 3,4 irmcủa sci FCF phi luQqg chiết và 3,7 mai của sợi PCF
lưỡng chiết. Sự nở chậm trong trường hợp thứ hai là do đường kính của sợi phi lưỡng chiết lớn hơn nên mật độ năng lượng của laser chiếu vào không cao bằng trường hợp thứ nhất. Điều này kéo theo sự chậm trễ của các hiệu
ứng phi tựyếu Tụy nhion vai tiò của các hiệu ííug phi tựyến trong sự nở rộng phổ nạy là hoàn toàn tiílig trí với truÈng hợp thứ nhất, cần lưu ý là
sc tạo bci sci PƠF li llng chiết là có phan cục thẳng bci trong thí Ti gh iộrn
này hướng phân cực của tia laser đã được chọn theo phương quang trục X (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lân ta chỉ có duy nhất mọt thành phần phân cục.
Từ các kết quả của việc khảo sát các thôqg số vật, lí của sc, ta có thể
kết luận rằng: sự tạo thành sc íemto giây là hiệu quả nhất đối với chiều dài sợi dây trong khoảng 10 mm. Chiều dài này là ứng với điều kiện laser
kể trên và vị trí kích thích là ở lõi của sci I TT . Sự nỏ rộng phổ trong quá,
39
tuyến như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, tương tác giữa soliton và sóng tán sắc. Ba yếu tố phi tuyến kể trên đóng vai trò chính và sự ảnh huỄ&9g của nó VI*.t, xa so với các hiộu. ứng onsri lại nlĩit tống hợp tần số,