1 Tổng quan về Laser
2.3.2 Quan sát sự mở rộng phổ theo chiều dài của sợi PCF
Để quan sát quá trình phát triển của SC theo chiều dài của PCF thì ta cần ghi nhận hình ảnh phổ theo các chiều dài khác nhau. Kết quả của sự quan sát này được trình bày trên Hình 2.10 và Hình 2.11. Trong thí nghiệm này, xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, thời 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 quả thực nghiệm của SC tạo bởi sợi PCF phi lưỡng chiết và lưỡng 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 thay đổi về sự phân phối cường độ. Nếu so sánh hình ảnh phổ của SC tạo bởi chiều dài 22 mm và chiều dài trong khoảng 12 mm thì trong cả hai trường hợp ta đều thấy rằng độ đồng đều của phổ giảm khi chiều dài của phổ tăng.
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 lưỡng chiết. Ứng với chiều dài 3,4 nm, ta thấy rằng sự nở 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 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 phổ 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 ứng phi tuyến khác. Ta có thể giải thích rằng kết quả của
Hình 2.10: Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của sợi PCF.
Hình ảnh chèn trên cùng là sự phân bố cường độ theo không gian của SC, tạo bởi lõi của PCF phi lưỡng chiết, với mode truyền sáng cơ bảnLP01. Phổ ứng với chiều dài bằng không là phổ của xung laser.
Hình 2.11: Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của sợi PCF.
Hình ảnh chèn trên cùng là sự phân bố cường độ theo không gian của SC, tạo bởi lõi của PCF lưỡng chiết, với mode truyền sáng cơ bảnLP01X. Phổ ứng với chiều dài bằng không là phổ của xung laser.
tín hiệu trong vùng 700 nm đến 760 nm là do hiệu ứng biến điệu chéo pha từ tương tác của các sóng trong soliton cơ bản. Các bước sóng lớn hơn 814 nm, nằm trong vùng tán sắc bất bình thường nên di chuyển gần như cùng vận tốc và duy trì soliton. Còn các bước sóng nằm trong vùng tán sắc bình thường thì có hiện tượng màu xanh di chuyển nhanh hơn màu đỏ nên có sự giãn xung trong quá trình lan truyền. Nếu quan sát tại vị trí bước 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 này là kết quả của sự tương tác giữa soliton ở 950 nm 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 [21] trong vấn đề giải thích sự nở rộng phổ của SC tạo bởi sợi PCF, với chiều dài lớn (cỡ mét). Tương tự như vậy sự xuất hiện của cường độ tại bước sóng 590 nm thì ta có thể giải thích là kết quả của sự tương tác giữa soliton và sóng 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 sóng tán sắc ở 590 nm không lan truyền cùng với nhau nên không có sự tương tác để 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 tuyến như trộn lẫn bốn bước sóng hay tổng hợp tần số. Thật vậy, nếu có có các hiện tượng phi tuyến này tham gia thì ta phải quan sát được các photon trong vùng tử ngoại, bởi tần số của các hiện tượng này lấy giá trị là ω12 = ω1 +ω2. Trong thực tế, để tín hiệu của các hiện tượng này xuất hiện đủ mạnh
thì cần phải đảm bảo được sự hợp pha của các sóng cơ bản và sóng tín hiệu.Với cấu trúc của sợi PCF 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 mm của sợi PCF phi lưỡng chiết và 3,7 mm 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 tuyến. Tuy nhiên vai trò của các hiệu ứng phi tuyến trong sự nở rộng phổ này là hoàn toàn tương tự với trường hợp thứ nhất. Cần lưu ý là SC tạo bởi sợi PCF lưỡng chiết là có phân cực thẳng. Ở đây ta không đề cập đến hiệu ứng tương tác giữa các thành phần phân cực khác nhau. Bởi, trong thí nghiệm này hướng phân cực của tia laser đã được chọn theo phương quang trục X nên ta chỉ có duy nhất một thành phần phân cực.
Từ các kết quả của việc khảo sát các thông số vật lí của SC, ta có thể kết luận rằng: sự tạo thành SC femto 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 sợi PCF. Sự nở rộng phổ trong quá trình lan truyền của SC là do sự đóng góp chính của các hiện tượng phi 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 hưởng của nó vượt xa so với các hiệu ứng còn lại như: tổng hợp tần số,
Kết luận và Kiến nghị
Trong nghiên cứu này chúng tôi đã xây dựng thí nghiệm phóng tia laser femto giây vào sợi PCF và đã tạo thành công xung ánh sáng trắng. Kết quả này mở ra triển vọng cho hướng nghiên cứu thực nghiệm về các tính chất phi tuyến trong sợi quang ở Việt Nam. Cấu trúc của sợi PCF và tính chất tán sắc của mode dẫn truyền (đặc biệt là vị trí ZDW), đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì các hiệu ứng phi tuyến. Để có thể tạo được SC thì bước sóng của laser phải nằm trong vùng tán sắc bất thường hoặc tại vị trí lân cận với ZDW. Về thao tác kỹ thuật, chúng tôi đã đưa ra sơ đồ nguyên lý cùng với qui trình phóng tia laser vào lõi sợi PCF, nhằm đảm bảo an toàn thí nghiệm và hạn chế những khó khăn do độ nhạy cơ học gây ra.
Tài liệu tham khảo
[1] P. Russell. Photonic crystal fibers. Science, 299: 358-362, 2003. [2] C. Rulliere, Femtosecond Laser Pulses. Springer, 2010.
[3] W.H. Reeves, J.C. Knight, P.St.J. Russell, P.J. Roberts. Demonstra- tion of ultra-flattened dispersion in photonic crystal fibers. Optics express, 10:609-613, 2002.
[4] J. M. Dudley, G. Genty, S. Coen. Supercontinuum generation in pho- tonic crystal fiber. Reviews of modern physics, 78: 1135-1184, 2006. [5] J. M. Dudly, J.R. Taylor. Supercontinuum Generation In Optical
Fibers. Cambridge University, 2010.
[6] J. C. Knight, J. Arriaga, T. A. Birks, A. Ortigosa-Blanch, W. J. Wadsworth and P. St. J. Russell. Anomalous dispersion in photonic crystal fiber. IEEE Photonics Technology Letters, 12: 807-809, 2000. [7] W. H. Reeves, D. V. Skryabin, F. Biancalana, J. C. Knight, P. St. J. Russell, F. G. Omenetto, A. Efimov, A. J. Taylor. Transformation and control of ultra-short pulses in dispersion engineered photonic crystal fibres. Nature, 424: 511-515, 2003.
[8] J. K. Ranka, R. S. Windeler and A. J. Stentz. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm. Optics Letters, 25:25-27, 2000.
[9] W. J. Wadsworth, J. C. Knight, A. Ortigosa-Blanch, J. Arriaga, E. Silvestre and P. St. J. Russell. Soliton effects in photonic crystal fibres at 850 nm. Electronics Letters, 36: 53-55, 2000.
[10] G. Millot, A. Sauter, J. M. Dudley, L. Provino, R. S. Windeler. Po- larization mode dispersion and vectorial modulational instability in air–silica microstructure fiber. Optics letters, 27:695-697, 2002.
[11] A. Ortigosa-Blanch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, J. Arriaga, B. J. Mangan, T. A. Birks, and P. St. J. Russell. Highly birefringent photonic crystal fibers. Optics letters, 25: 1325-1327, 2000.
[12] J. Léonard, N.Lecong, J.P Likforman, O. Crégut, S. Haacke, P.Viale, P. Leproux, V.Couderc. Broadband ultrafast spectroscopy using a photonic crystal fiber: application to the photophysics of malachite green. Optics express, 15: 1624-1629, 2007.
[13] T. P. Hansen, J. Broeng, S. E. B. Libori, E. Knudsen, A. Bjarklev, J. R. Jensen, and H. Simonsen. Highly birefringent index-guiding pho- tonic crystal fibers. IEEE Photonics Technology Letters 13: 588-590, 2001.
[14] K. Suzuki, H. Kubota, S. Kawanishi, M. Tanaka, and M. Fujita. Opti- cal properties of a low-loss polarization-maintaining photonic crystal fiber. Optics express, 9: 676-680, 2001.
[15] T. A. Birks, J. C. Knight and P. St. J. Russell. Endlessly single-mode photonic crystal fiber. Optics Letters, 22: 961-963, 1997.
[16] B. T. Kuhlmey, R. C. Mc Phedran and C. M. de Sterke. Modal cut off in microstructured optical fibers. Optics letters. 27: 1684-1686, 2002. [17] R. Buczynski. Photonic Crystal Fibers. 106, 141-167, 2004.
[18] F. Poli, A. Cucinotta, S. Selleri. Photonic Crystal Fibers Properties and Applications. Springer, 2007.
[19] Karen Marie Hilligsøe. Wave Propagation in Photonic Crystal Fibers. Department of Physics and Astronomy and Department of Chemistry, University of Aarhus, NKT Academy, 2003.
[20] R. K. Sinha and Shailendra K. Varshney. Dispersion Properties Of Photonic Crystal Fibers. Optics letters , 37: 129–132, 2003.
[21] J. R. Taylor. Supercontinuum Light Sources. Femtosecond Optics Group, Imperial College London, 2009.
[22] F. Mitschke. Fiber Optics, Physics and Technology, Springer, 2009. [23] Danqing Liu, D.Meschede. Supercontinuum. Summary of the Seminar
on Recent Topics in Applied Optics and Condensed Matter.
[24] Josep Pérez Diez. Single-pulsed supercontiuum generation in millime- ter pieces of a birefringent microstructured silica fiber under femtosec- ond laser injection. Master in Photonics, Escola Tescnica Superrior d’Enginyeria de Telecomunicacio’ de Barcelona, 2009.
[25] C. Lesvigne, V. Couderc, A. Tonello, P. Leproux, A. Barthélémy, S. Lacroix, F. Druon, P. Blandin, M. Hanna, and P. Georges. Visible su- percontinuum generation controlled by intermodal four-wave mixing in microstructured fiber. Optics letters, 32: 2173-2175, 2007.
[26] G.P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics. Academic Press, San Diego, CA, 2001.
[27] G. Millot, P. Tchofo Dinda. Nonlinear effects in optical fibres. Novem- bre 26, 2003.
[28] E. Bourkoff, W. Zhao, R. I. Joseph, and D. N. Christodoulides. Evolu- tion of femtoseconde pulses in single-mode fibers having higher-order nonlinearity and dispersion. Optics letters 12: 272-274, 1987.
[29] G. Genty, M. Lehtonen and H. Ludvigsen. Effect of cross-phase mod- ulation on Supercontinuum generated in microstructured fibers with sub-30 fs pulses. Optics express, 12: 4614-4624, 2004.
[30] L.C.Nhân. Development of a femtosecond spectrometer based on a photonic crystal fiber and ultrafast photophysics of malachite green. Seminar tại Viện Vật Lí, 7, 2011.
[31] Lê Công Nhân. Laser và các kĩ thuật đo quang phổ. Tài liệu tham khảo, 2012.
[32] G. Genty,M. Lehtonen, and H. Ludvigsen. Spectral broadening of fem- tosecond pulses into continuum radiation in microstructured fibers. Optics express, 10: 1083-1098, 2002.
Phụ lục
Tạo xung ánh sáng trắng bằng laser femto giây và sợi quang tinh thể
Supercontinuum generation by femtosecond laser and photonic crystal fiber Bùi Yến Duya, Huỳnh Ngọc Linh Phượnga, Nguyễn Thị Thu Ngâna, Lê Công Nhâna,
Nguyễn Ngọc Hiếub
aĐại học Sài Gòn, 273 An Dương Vương, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Sai Gon University, 273 An Duong Vuong street, Ho Chi Minh city, Vietnam
bViện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ cao, Đại học Duy Tân, K7/25 Quang Trung, Đà Nẵng Việt Nam Institute of Research and Development, Duy Tan University, K7/25 Quang Trung street, Da Nang Vietnam
Tóm tắt
Xung ánh sáng trắng đã được tạo ra bằng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể. Nhờ vào cấu trúc micro mét của sợi, xung laser được nén trong một tiết diện nhỏ gây nên hiện tượng mở rộng phổ thành xung ánh sáng trắng thông qua hàng loạt các hiệu ứng quang học phi tuyến bậc ba như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn lẫn bốn bước sóng, tán xạ Raman cảm ứng...Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả thí nghiệm và những chi tiết kĩ thuật liên quan đến qui trình tạo xung ánh sáng trắng.
Từ khóa: Ánh sáng trắng, laser femto giây, sợi quang tinh thể
Abstract
Supercontinuum pulse are produced in photonic crystal fibers under femtosecond laser injection. Thank to the microstruc- tured silica of fiber, laser pulses are compressed in a small section leading to ultrabroad spectra of light, which is called supercontinuum, through a series of third-order nonlinear effects such as: self phase modulation, cross phase modulation, four-wave mixing, stimulated Raman scattering... In this paper, we present experimental results and the technical details related to the process of creating supercontinuum pulse.
Keywords: Supercontinuum, femtosecond laser, photonic crystal fiber c
2013 Bản quyền thuộc Đại học Duy Tân
1. Giới thiệu
Hiện tượng mở rộng phổ của chùm tia laser, từ nguồn sáng gần như đơn sắc thành nguồn sáng trắng (supercontinum: SC), đã được quan sát lần đầu tiên trong môi trường nước vào năm 1970 [1]. Hiệu ứng vật lý này là kết quả của sự tương tác giữa một cường độ laser mạnh với
môi trường phi tuyến. Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của laser femto giây [2] đã cho ra các xung laser với công suất đỉnh rất lớn nên các hiện tượng quang học phi tuyến được tạo ra một cách dễ dàng hơn. Hiện nay, nguồn ánh sáng trắng ở dạng xung cực ngắn được ứng dụng rất nhiều trong các kĩ thuật quang phổ, y sinh, xử lý hình ảnh... [3]. Sự phát triển
của các sợi quang học tinh thể (Photonic Crystal Fibers: PCF) [4], từ năm 1996, đã mở ra hướng mới cho việc phát triển các nguồn sáng SC. Điểm đặc biệt ở PCF là các yếu tố tán sắc và phi tuyến có thể điều chỉnh được thông qua cách thiết kế cấu trúc của sợi. Tính chất này cho phép tạo ra SC bằng những nguồn laser công suất thấp. Tạo xung ánh sáng trắng là một quá trình phức hợp giữa các yếu tố tán sắc và nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến, có nguồn gốc phi tuyến bậc ba, như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn bốn sóng, tán xạ cảm ứng Raman, hiện tượng soli- ton... [1, 5, 6]. Sự phức hợp các hiệu ứng quang học này gây ra sự mở rộng phổ cực lớn, có thể lên trên 1000 nm. Vật liệu tạo ra sợi PCF thường là thủy tinh hoặc thủy tinh pha tạp nên môi trường có tính đẳng hướng, vì vậy, hầu như không có sự tham gia của các hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai. Tùy vào mục đích ứng dụng mà các yêu cầu về tính chất của xung ánh sáng trắng có thể khác nhau. Tuy nhiên, phần lớn các yêu cầu đặt ra cho