1 Tổng quan về Laser
2.1Sợi quang học tinh thể
Sợi quang tinh thể (Photonic Cristal Fiber: PCF), sợi quang có cấu trúc micro hay sợi quang có cấu trúc lỗ... là những tên gọi dành cho nhóm các sợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ trống micro mét bao bọc bởi silic. Cách sắp xếp này cho phép nén ánh sáng trong cấu trúc của sợi và dẫn truyền ánh sáng trong lõi silice (sợi quang với lõi chiết suất cao) hay dẫn truyền ánh sáng trong lõi không khí (sợi quang với lõi chiết suất thấp) [1, 3]. Sợi quang với cách thiết kế mới này được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 bởi nhóm nghiên cứu Quang điện tử tại Đại học Bath. Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này đã xuất hiện trong nhiều lãnh vực ứng dụng như: truyền tải dữ liệu, truyền tải năng lượng cao, đo lường chính xác [6], và quang học phi tuyến...Bên cạnh đó nó còn được sử dụng như một nguồn sáng mới, chuyên cung cấp ánh sáng trắng cho các kĩ thuật tạo hình ảnh và quang phổ.
Nghiên cứu của chúng tôi về SC được tiến hành trên các loại sợi PCF được cung cấp bởi phòng thí nghiệm Xlim của Đại học Limoge và nhóm nghiên cứu của Đại học Franche -Comté, cộng hòa Pháp, xem hình 2.1 và hình 2.12, 2.13 ở phần phụ lục. Đấy là các 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 [1]. Cấu trúc mặt cắt ngang của các 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 điểm này cho phép sợi PCF thứ nhất không
có tính lưỡng chiết còn sợi PCF thứ hai thì có tính lưỡng chiết, nhờ vào sự bất đối xứng về chiết suất do yếu tố hình học gây ra. Hai kiểu sợi PCF này đại diện cho hai thể loại đặc trưng nhất của các sợi PCF mà ta thường gặp trên thị trường sợi quang phi tuyến. Phần thân của sợi là một mạng lưới tuần hoàn micro mét gồm các lỗ trống chứa không khí được bao bọc bởi silic, là vật liệu phi kim có tính đẳng hướng. Ở giữa phần thân xuất hiện một lỗi phá vỡ trật tự tuần hoàn, vị trí này đóng vai trò lõi của PCF.
Hình 2.1: Ảnh chụp, bằng kính hiển vi điện tử, mặt cắt ngang của sợi PCF.
(a) sợi phi lưỡng chiết, (b) sợi lưỡng chiết. Vật liệu Silice được hiển thị bằng màu xám còn các lỗ không khí thì được hiển thị bằng màu đen.
Sợi PCF phi lưỡng chiết có một lõi tròn được bao bọc bởi những lỗ không khí có đường kính trung bình d = 1,8µm. Các lỗ trống này nằm cách nhau một bước trung bình khoảng Λ = 2,26µm. Như vậy, tỷ lệ d/Λ
là 0,796. Tỷ lệ này có nghĩa rằng độ phi tuyến của sợi là cao và sự dẫn truyền sáng có tính chất lưỡng mode [20]. Sợi PCF này có hai mode truyền sáng ở lõi: mode cơ bản LP01 và mode bậc nhất LP11. Đối với mode cơ bản LP01, cường độ sáng phân bố theo không gian có dạng gần với phân bố gaussienne, còn mode bậc nhất LP11 thì lại có sự phân bố cường độ theo dạng hai gaussienne (xem Hình 2.6). Vì sự phân bố cường độ sáng theo không gian này không giống nhau, nên hai mode không chịu cùng
chiết suất môi trường trong quá trình lan truyền. Như vậy 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 1.2. Đường cong tán sắc của mode cơ bản có một giá trị tán sắc bằng không (zero dispersion wavelength: ZDW) tại 814 nm, trong khi đường cong tán sắc của mode 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 này cho phép tạo ra các sóng tán sắc trong vùng khả kiến và trong vùng hồng ngoại nếu bơm bằng xung laser có bước sóng nằm trong vùng tán sắc bất bình thường của sợi PCF [21]. Trong trường hợp này, sự nở rộng phổ là hiệu quả hơn bởi có sự tương tác với soliton [11, 14, 22], được hình thành trong vùng tán sắc bất thường, cho phép các sóng tán sắc nở rộng về phía vùng bước sóng ngắn và vùng các bước sóng dài.
Hình 2.2: Đường cong tán sắc của mode cơ bản LP01 và của mode bậc nhấtLP11. Hình ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF phi lưỡng chiết.
Ngoài vấn đề dẫn truyền sóng trong lõi, một số vị trí trên vách ngăn của thân sợi cũng có thể truyền sáng với cùng nguyên lí, truyền sáng bởi
khúc xạ toàn phần. Trong trường hợp này, các vách ngăn đóng vai trò là lõi còn các thành phần xung quanh đóng vai trò là thân. Sự dẫn truyền ánh sáng trong các vách ngăn thường là đơn mode bởi đường kính của vách ngăn là đủ nhỏ. Cần lưu ý là chỉ những vách ngăn có đường kính lớn hơn bước sóng ánh sáng được dẫn truyền mới có khả năng này. Về phần tính chất tán sắc, chưa có tính toán đường cong tán sặc cho sự dẫn truyền trong các vách ngăn. Nhưng thường nó phải có một giá trị ZDW trong vùng bước sóng ngắn hoặc có hai giá trị ZDW, bởi đường kính của vách ngăn là rất giới hạn.
Sợi PCF lưỡng chiết có lõi hình elíp được bao bọc bởi hai lỗ không khí lớn, đường kính lần lượt là 3,3 và 3,6µm. Phần thân là một mạng lưới tuần hoàn các lỗ nhỏ có đường kính trung bình d = 1,8µm với khoảng cách giữa các lỗ là Λ = 2,6µm. Tỷ lệ d/Λ là 0,71. Sự khác biệt về đường kính của hai lỗ lớn bên cạnh lõi làm gia tăng tính chất lưỡng chiết của lõi elíp. Độ lưỡng chiết về pha và về nhóm lần lượt là Bθ = 2.10−3 và
Bφ = 3.10−3, điều này dẫn tới một sự phụ thuộc mạnh vào tính chất tán sắc theo trục của PCF. Phần lõi có thể dẫn truyền ánh sáng bằng bốn mode: hai mode cơ bản LP01x, LP01y và hai mode bậc nhất LP11x, LP11y. Vị trí ZDW của bốn mode này lần lượt nằm ở các bước sóng 827, 866, 757, 764 nm (Hình 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 4,9µm2
đối với bước sóng 850 nm, và 5,3µm2 cho bước sóng 1064 nm [22]. Ưu điểm của sợi PCF phi tuyến là khả năng bảo toàn tính phân cực ánh sáng hoặc tạo ra SC phân cực thẳng.
Tương tự như sợi PCF phi lưỡng chiết, các vách ngăn của thân cũng có thể dẫn truyền ánh sáng. Như vậy việc tạo SC với sợi PCF lưỡng chiết cũng có thể thực hiện được ở trong phần thân của sợi.
Hình 2.3: Đường cong tán sắc của bốn modeLP01x, LP01y,LP11x, LP11y. Hình ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF lưỡng chiết.
Tóm lại, các tính chất không gian, các dữ liệu về tính chất tán sắc của các mode truyền sóng trong lõi của hai sợi PCF này đã được xác định. Các đường cong tán sắc có ZDW tập trung xung quanh bước sóng 800 nm. Như vậy, sự nở rộng phổ của SC sẽ hiệu quả nếu như PCF được bơm bởi những xung laser cơ bản có bước sóng trong lân cận và lớn hơn 800 nm. Nghĩa là phải bơm trong vùng tán sắc bất bình thường. Về phần các vách ngăn trong mạng lưới, thông tin về đường cong tán sắc là chưa có. Nhưng đặc thù của cấu hình vách là nhỏ, nên vị trí ZDW có khả năng nằm trong vùng bước sóng khả kiến. Đây là điểm quan trọng bởi nó có khả năng tạo ra SC với sự nở rộng phổ tiến xa về các bước sóng ngắn [23, 24, 25].