1.2.3.1. Laser sợi quang cấy Yb khóa mode thụ động bằng kỹ thuật quay phân cực phi tuyến
Sơ đồ nguyên lý của một laser sợi quang khóa mode sử dụng kỹ thuật quay phân cực dựa trên hiệu ứng phi tuyến được trình bày trong hình 1.8.
Nguồn bơm được cấp vào sợi quang qua bộ liên kết. Bộ liên kết này có tỉ lệ truyền 90/10, nhờ đó, một cổng của bộ liên kết này có thể sử dụng như
cổng ra laser. Đây là cấu trúc của buồng cộng hưởng laser vòng một hướng. Buồng cộng hưởng này phải có bản phân cực (phân lập phân cực - định hướng phân cực) đặt giữa hai bộ điều khiển phân cực. Trạng thái phân cực tiến triển theo quy luật phi tuyến trong sợi quang là kết quả của hiệu ứng Kerr. Các bộ điều khiển phân cực phải định hướng hợp lý sao cho các tấm phân cực cho phép truyền qua vùng xung có cường độ lớn nhất và chặn lại vùng có cường độ thấp.
Hình 1.8. Sơ đồ laser quang sợi khóa mode bằng quay phân cực phi tuyến.[43]
Trong cấu hình tổng quát này chúng ta sử dụng hai cặp bản phân cực
/2 và /4.
Khác với laser khóa mode thụ động bằng SESAM, trong cấu hình khóa mode sử dụng kỹ thuật quay phân cực phi tuyến phương trình truyền lan phải được viết cho hai thành phần phân cực của biên độ điện trường.
Phương trình Ginzburg - Landau của hai thành phần phần cực của biên độ điện trường có dạng sau:
u
i Ku
z
v
z 2
trong đó,g [m-1] là hệ khuếch đại tuyến tính, g 1013s1 là độ rộng vạch khuếch đại (của sợi cấy Yb),A 2 / 3 vàB 1 / 3 là tham số lưỡng chiết (tùy chọn theo sợi quang) và hệ số phi tuyến.
Lời giải giải tích có thể tìm được với giả thiết rằng hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) 2 , hiệu ứng phi tuyến và hiệu ứng lọc khuếch đại
g / g2 là rất nhỏ trong một lần qua lại trong buồng cộng hưởng. Chúng ta có thể sử dụng phương pháp nhiễu loạn để giải hệ phương trình trên [43].
Chúng ta dẫn thêm các tham số có giá trị nhỏ và thay cho các đại
lượng 2, và bằng 2, và . Cho là các thành phần của
trường ở đầu vào vàu ( L ), v ( L) là các thành phần của trường ở đầu ra của sợi quang có chiều dàiL . Nhiễu loạn bậc nhất sẽ cho
u ( L ) u (0)e i u (0) i Bv (0) v ( L ) v (0)e i v (0) u (0), v (0)
Các biểu thức này chỉ áp dụng cho quá trình lan truyền ánh sáng trong sợi quang lưỡng chiết phi tuyến. Để có được xung laser nhờ kỹ thuật khóa mode, chúng ta xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng quay phân cực phi tuyến.
1.2.3.2. Laser sợi quang khóa mode với gương cách tử có chirp
Cấu hình hoàn chính của laser sợi quang cấy Er khóa mode như trong hình 1.9.
Hình1.9. Sơ đồ của buồng cộng hưởng laser với cách tử Bragg có chirp[91].
Hoạt chất là sợi quang cấy thêm nguyên tố erbium (Er). Một đầu được nối với cách tử Bragg có chirp, đầu kia được ghép với gương SESAM [91]. Gương này có hai tác dụng: tạo phản hồi quang và hấp thụ bào hòa cho quá trình khóa mode. Sợi quang được bơm qua cách tử Bragg. Bộ liên kết đầu ra sẽ trích công suất ra trước và sau khi xung laser tương tác với chất hấp thụ bão hòa. Đây là một buồng cộng hưởng mất mát lớn, đến 60% sau một vòng qua lại. Cách tử Bragg có chirp sẽ sẽ làm tăng tính chất tán sắc của buồng cộng hưởng [55, 66]. Đây là một yêu cầu cho việc ổn định xung. Phần tử MQW sẽ tạo ra hiệu ứng tự biến điệu pha. Hai hiệu ứng này kết hợp với nhau là yêu cầu cần thiết cho quá trình tạo xung.
Nguồn bơm là laser diode, dẫn vào sợi quang qua cổng tách ghép đa sóng (WDM). Cổng này cũng là một đầu ra của laser.
Chùm laser trong sợi quang được mở rộng bằng một hệ quang trước khi đi vào SESAM với mục đích tăng diện tích hấp thụ trên lớp hấp thụ bão hòa MQW.
Hoạt động của laser sợi quang nói chung, cũng như laser có khóa mode được mô tả bằng phương trình Ginzburg - Landau. Đối với trường hợp khóa mode, điều kiện sử dụng phương trình này là thay đổi nhỏ của xung sau một lần qua lại trong buồng cộng hưởng. Hấp thụ bão hòa được mô tả bởi hệ phương trình tốc độ hai mức năng lượng, trong đó, có tính đến ảnh hưởng của hạt tải gây nên sự thay đổi chiết suất trong chất hấp thụ. Sự thay đổi chiết suất này sẽ gây thêm hiện tượng chirp tần số Raman trong sợi quang. Tán sắc của buồng cộng hưởng được xác định bởi chirp của cách tử. Mất mát trong buồng cộng hưởng chủ yếu gây ra bởi MQW.
Phương trình Ginzburg - Landau có dạng
Az z A A 2 5 A
trong đó, A là biên độ phức của trường laser, t là thời gian thay đổi, z là
khoảng không gian trong một vòng qua lại buồng cộng hưởng có chiều dài Lc . Hai số hạng đầu bên phải là những đóng góp phức, trong đó,D là tán sắctrong buồng cộng hưởng, 3 lên quan đến hiệu ứng phi tuyến Kerr trong buồng cộng hưởng. Bốn số hạng sau có các hệ số thực gắn với ý nghĩa sau: Dg là khuếch đại,l g là mất mát tổng trong buồng cộng hưởng sau một lần quá lại, l là mất mát,g là độ khuếch đại tuyến tính sau một lần qua lại.
Một số tham số vật lý khác như sau:
D
trong đó, 2 là tán sắc vận tốc nhóm của sợi quang, Lc là quang trình của buồng cộng hưởng,Dgr tán sắc của cách tử Bragg có chirp. Các tham số phụ trợ: g( f)
là độ rộng vạch khuếch đại, các tham số hấp thụ bào hòa như 3q0 / Ps và 5 q0 /
hòa của phần tử MQW. Tán sắc phi tuyến có hai đóng góp: một do sợi quang
Lc ( 2.6 / Wkm là hệ số Kerr) và một do hấp thụ bão hòa. Tham số cho biết thay đổi chiết suất phi tuyến trong chất hấp thụ bão hòa.
1.3. Kết luận
Trong chương này chúng ta đã quan tâm đến quá trình lan truyền xung quang học trong sợi quang và một số hiệu ứng như: Tán sắc vận tốc nhóm; tán sắc sợi quang; tán sắc mode;…ảnh hưởng tới hiệu năng truyền, đồng thời xem xét đến các hiệu ứng phi tuyến như tự biến điệu pha; tự dựng xung hay dịch tần Raman cảm ứng tác động lên quá trình truyền xung ánh sáng thông qua hệ phương trình phi tuyến Schrodinger tổng quát. Phương trình phi tuyến Schrodinger tổng quát là công cụ để khảo sát sự biến đổi dạng xung trong quá trình lan truyền của xung ánh sáng trong sợi quang. Ngoài ra nó cũng giúp cho việc nghiên cứu quá trình hình thành soliton khi xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang đặt trong buồng cộng hưởng laser gồm cách tử Bragg và gương biến điệu hấp thụ bão hòa.
Nội dung của chương này đã xem xét đến một số kiến thức cơ bản cho việc tính toán và thiết kế đối với laser sợi quang. Trên cơ sở phương trình truyền sóng Ginzburg - Landau, chúng ta đã phân tích sự có mặt của các tham số thiết kế lên quá trình hình thành xung.
Từ phương trình tổng quát Ginzburg – Landau đã rút ra phương trình cụ thể áp dụng cho laser sợi quang ở chế độ biến điệu thụ động và biến điệu chủ động. Tuy nhiên, việc xem xét chi tiết cho các dạng xung khác nhau vẫn đang còn bỏ ngỏ, đặc biệt đối với các xung có chirp tần số.
Quá trình sinh và hủy chirp tần số là vấn đề cần quan tâm trong tính toán cho laser cũng như trong việc khảo sát sự lan truyền xung trong sợi quang. Do đó, trong chương 2, chúng ta sẽ xem xét đến kỹ thuật tạo và bù trừ
chirp. Sự xuất hiện của chirp tần số sẽ ảnh hưởng đến quá trình biến dạng xung, do đó, kỹ thuật nén xung cũng sẽ được nghiên cứu trong chương 2.
Chương 2