Khi tăng độ lớn của độ khuếch đại được hồi tiếp bờn trong giao thoa kế hay trong buồng cộng hưởng laser tới một giỏ trị giới hạn thỡ giỏ trị đỉnh của độ
khuếch đại truyền qua (hoặc phản xạ) trong buồng cộng hưởng laser sẽ lờn và xuống một cỏch vụ hạn - kết quả của sự tỏi tạo trong buồng cộng hưởng laser.
Hỡnh 2-1 thể hiện độ khuếch đại cụng suất truyền Etrans/Einc 2 theo tần số được cho bởi phương trỡnh (37) với thang loga, mụi trường khuếch đại được cố định với giỏ trịđộ khuếch đại trung tõm khỏ rộng là exp[αmpm - α0p0] = 2, và dải phản xạ gương từ R1=R2=0 tới R1=R2≈35%.
37
Hỡnh 2-1: Độ tỏi khuếch đại cụng suất (thang loga) trong buồng cộng hưởng của bộ tỏi khuếch đại laser phụ thuộc hiệu chỉnh tần số. Hỡnh (a) thể hiện độ khuếch đại qua buồng laser khụng cú gương.
Từ hỡnh (b) đến hỡnh (d) biểu diễn độ khuếch đại tổng cộng của mỗi độ phản xạ khỏc nhau [9]
Hai hành vi khuếch đại trong hệ thống thoạt tiờn là rừ ràng. Đầu tiờn, khi gương cú độ phản xạ nhỏ, độ khuếch đại tổng g(ω)2tại tần số trung tõm cú thể
lớn lờn, và trở nờn rất lớn hơn độ khuếch đại khi trong mụi trường khụng cú gương. Thứ hai, những tần số độ khuếch đại cao xảy ra chỉ trong những dải tần số
rất hẹp tại những khoảng cỏch đều nhau quanh mode cộng hưởng của buồng. Chiều dài buồng cộng hưởng L trong những tớnh toỏn thụng thường được chọn sao cho một trong những đường cộng hưởng mode nằm chớnh xỏc tại tần số
trung tõm ωa, và những mode kề bờn thỡ cũng nằm bờn cạnh trong dải phổ. Sự tỏi khuếch đại của những mode nằm ở đường trung tõm này bị giảm rừ rệt liờn quan tới mode trung tõm nhất, đặc biệt là với gương cú độ phản xạ cao do sự giảm của
38
Hỡnh 2-2: Đồ thị độ khuếch đại tương tự như hỡnh 2-1, với thang tuyến tớnh và với phản xạ gương khụng đổi R1= R2=40%. (a) Sự truyền qua “buồng lạnh” hay giao thoa kế thụđộng khụng cú hệ số khuếch đạị (b) Sự truyền qua buồng khuếch đại hay giao thoa kế thụđộng được tăng cường độ khuếch
đại nội [9]
Hỡnh 2-2 biểu diễn một tập hợp cỏc đường cong độ khuếch đại phụ thuộc vào tần số theo thang tuyến tớnh và với độ phản xạ của gương cố định là R1= R2=40%, cựng với sự gia tăng của độ khuếch đại bờn trong. Hỡnh 2-2(a) thể hiện
độ khuếch đại chung hay sự truyền cường độ qua buồng khụng cú khuếch đại laser nội và suy giảm 4% cụng suất vũng bờn trong, nú phản ỏnh diễn biến cộng hưởng thụng thường của buồng giao thoa kế thụ động. Đỉnh của tổng quỏ trỡnh truyền thấp hơn một chỳt so với quỏ trỡnh đồng nhất và cỏc đỉnh trong quỏ trỡnh truyền nằm trong vựng tần số gần vựng phổ tự do thụng thường của giao thoa kế. Việc thờm lượng nhỏ khuếch đại nội sẽ chuyển đổi nhanh chúng cỏc đỉnh cộng hưởng này tới cỏc đỉnh tỏi khuếch đại, với cỏc đỉnh khuếch đại lớn hơn khuếch
đại đồng nhất, nhưđược chỉ ra trong hỡnh 2-2(b).
2.4. í nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng
í nghĩa vật lý khỏc của độ tỏi khuếch đại lớn được quan sỏt ở buồng cộng hưởng cú thể giải thớch như sau: Giả sử gương lối vào của bộ tỏi khuếch đại cú hệ số phản xạ rất lớn R= 98%. Khi đú 98% của tớn hiệu lối vào bị phản xạ và bị
39
Tuy nhiờn cỏc gương cú độ phản xạ cao cộng độ khuếch đại bờn trong buồng cho phộp mọi năng lượng trong buồng quay vũng nhiều lần, trớch ra năng lượng từ buồng laser sau mỗi lần phản xạ, do đú cỏc súng quay vũng cũng tạo nờn biờn độ rất lớn trong khoang laser, phự hợp với biờn độ súng tương ứng ở
ngoài buồng. Điều này tạo nờn việc cộng tớch lũy dẫn tới năng lượng bờn trong chu trỡnh hồi tiếp tăng mạnh tương ứng với năng lượng chiếu tới cỏc gương từ
bờn ngoàị Trong mỗi quỏ trỡnh phản xạ, ở cuối gương một phần của năng lượng quay vũng rất lớn này cũng được truyền trở lại qua cả cỏc gương lối ra và lối vào tạo ra sự khuếch đại phản xạ lớn ở buồng cộng hưởng.
2.5. í nghĩa hỡnh học
Khớa cạnh chớnh trong biểu diễn của độ khuếch đại tổng là yếu tố hồi tiếp
1- grt(ω). Độ khuếch đại vũng grt(ω) cú độ lớn bộ hơn độ đồng nhất (đối với cỏc buồng cộng hưởng bơm dưới ngưỡng), và gúc pha quay rất nhanh quanh trục tần số. Chiều dài của vộc tơ này thay đổi một cỏch từ từ tương đương với tốc độ quay của nú khi thay đổi độ khuếch đại của laser cũng như tần số khi bị hiệu chỉnh gần tới đường trung tõm.
40
Hỡnh 2-3 chỉ ra vector này bị quay như thế nào tại điểm 1+j0 và tốc độ
quay tại điểm đú. Độ khuếch đại truyền trong buồng cộng hưởng tương ứng với khoảng cỏch từ điểm gốc tới đầu mỳt của vectơ. Vỡ thế, mỗi lần đầu mỳt của vect tơ 1−grt(ω)quột gần tới điểm gốc của nú thỡ độ khuếch đại trở nờn rất lớn và một chu kỳ vũng trũn và cộng hưởng mode quanh trục được phỏt rạ
Sự tồn tại của những mode cộng hưởng và đặc biệt là sự tỏi khuếch đại xảy ra tại những đỉnh của mode ngang trong buồng cộng hưởng laser khi bơm dưới ngưỡng xuất hiện đó được nghiờn cứu với laser bỏn dẫn.
Hỡnh 2-4: Phổ bức xạ tự phỏt được tỏi khuếch đại của laze bỏn dẫn GaAs tại hai mức của tỏi khuếch đại dưới ngưỡng[9]
Khoảng cỏch giữa những mode dọc trong những laser này (Δωax ≈ 10 Ao) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
được đặt trong dịnh chuyển nguyờn tử (độ rộng đường lớn hơn 100 Ao) và cú thể
quan sỏt được những mode này với giao thoa kế quang độ phõn giải thấp.
Hơn thế nữa, khụng chỉ thực hiện phộp đo độ tỏi khuếch đại của laser phụ
thuộc vào tần số (đũi hỏi một nguồn tớn hiệu cú thểđiều chỉnh và những phức tạp khỏc), chỳng ta cú thể đo một cỏch đơn giản bức xạ tự phỏt được khuếch đại bờn trong laser bỏn dẫn, cũng như bức xạ này được tỏi khuếch đại trong buồng cộng
41
hưởng laser. Những phộp đo này cũng được sự đúng gúp mạnh của bức xạ tự
phỏt.
Một vớ dụ điển hỡnh của phộp đo này được chỉ ra trờn hỡnh 2-5. Chỳ ý rằng
đường cong trong hỡnh b chỉ dũng điều khiển cao hơn qua laser, nú tạo ra độ
khuếch đại lớn hơn, do đú khiến cho laser dao động gần ngưỡng hơn (sự khỏc nhau giữa 2 trục tung của 2 hỡnh). Độ tăng tỏi khuếch đại của những mode trung tõm liờn quan tới những mode xa đường cong khuếch đại do đú khụng được đỏnh dấụ
2.6. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy cao độ nhạy cao
Như trong cỏc phần trờn, laser đó từng được sử dụng như một bộ tỏi khuếch đại tuy nhiờn chưa chỉ ra được những đặc tớnh phổ tương thớch với sự
khuếch đại của tớn hiệu phổ hẹp bờn trong một đường cộng hưởng rộng hơn. í tưởng ở đõy là laser tự hồi tiếp trờn bức xạ tự phỏt, được lọc và khuếch
đạị Hiệu ứng lọc dời những dải tần số rất nhỏ nhưng hiệu ứng khuếch đại thỡ cực rộng.
Sử dụng hàm Airy cho laser như ta đó làm ở chương trờn ta cú thể miờu tả
một cỏch đơn giản về độ rộng đường và cường độ của laser đối với bất kỳ hệ số
khuếch đại nàọ Trong phương phỏp này, cường độ phổ y(ν) của trường laze
được viết dưới dạng tần số. Nú liờn quan đến cường độ phổ của nguồn (cường độ
phổ của bức xạ tự phỏt) thụng qua hàm truyền laser (hàm truyền này là sự mở
rộng cho laze của hàm Airy) [3]. Xung quanh tần số cộng hưởng, cường độ phổ
y2 = y2(ν) của laze lỳc thu giống như cường độ phổ của laser khi nú độc lập nhưng nú cú thờm một phần và phần đú lớn lờn từ trường được tiờm. Điều đú
được viết như sau: 2 0 2 2 2 0 2 1 2 ) ( 1 )) 1 /( exp( L g Y x x S y y − + Γ + + − + = η (39) Trong đú, g0 là độ khuếch đại tớn hiệu nhỏ, Y2 =∫y2dx là cường độ bóo hũa,
42
là mất mỏt và Γ2 là độ rộng đường. Trong phần nguồn S2 là ký hiệu của cường độ
phổ của bức xạ tự phỏt (phần phẳng trong dải phổ ta quan tõm)và ηy1 là ký hiệu nguồn được tiờm. η là hệ số kết hợp. Cấu trỳc nhiễu là do nhiều nguyờn nhõn, gồm nhiễu từ nguồn laser bơm, từ tớn hiệu tiờm vào và từ bức xạ tự phỏt. Nhưng
độ lớn của nhiễu do bức xạ tự phỏt cú thể bỏ qua nờn trong phương trỡnh (39) khụng cú thành phần nhiễu tự phỏt. Trong thớ nghiệm, năng lượng được tiờm tới laser rất nhỏ so với sự thay đổi của Y2. Tại những mức rất thấp, sự phõn bố độ
rộng phổ y2 chỉ bị ảnh hưởng trong vựng hẹp tương ứng với y1 thụng qua thay đổi nguồn. Đõy là lý do mà ta cú thể quan sỏt được một đỉnh nhỏ trờn dải rộng phổ
của laser thụ Cụng thức này cũng như thớ nghiệm của chỳng tụi chỉ ra rằng khi cường độ tớn hiệu tiờm vào laser thu tăng lờn, phõn bố trờn suốt độ rộng của laser thu dần dần thu hẹp lại, chuyển thành một vạch hẹp cú độ rộng và vị trớ hoàn toàn của tớn hiệu tiờm vàọVà chỳng ta cũng lưu ý thấy rằng sự khuếch đại cũng tăng theo độ khuếch đại của laser tiờm.
Độ nhạy của laser là một cõu hỏi liờn quan đến trường điện động lực lượng tử. Người ta đó chỉ ra rằng buồng cộng hưởng làm thay đổi sự phõn bố tần số của thăng giỏng chõn khụng, thăng giỏng trường cộng hưởng tại những tiờu hao tần số khụng cộng hưởng. Những thớ nghiệm này đó được làm với buồng cộng hưởng gồm vài photon và nguyờn tử[7], giỳp ta hiểu thờm về đo lượng tử. Một cỏch đơn giản cũng cú thể dựng laser đặt vào điều khiển một số lượng lớn nguyờn tử và photon. Những phản ứng xảy ra giữa những nguyờn tử (như là va chạm đặc biệt giữa điện tử và lỗ trống) và những phụ cận của chỳng (phonon) cựng với nhau tạo ra bức xạ và thăng giỏng chõn khụng. Những phản ứng này tạo ra những ỏnh sỏng ngẫu nhiờn bức xạ, chớnh là S2. Hiệu ứng lọc mạnh (quang và điện tử) sẽ làm giảm nhiễu N xuống mức nhiễu lượng tử, tỉ lệ với căn bậc 2 của độ rộng dải B:
B a (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
N = . Đối với tớn hiệu vào được đặc trưng bởi cựng nhiễu đú, tỷ lệ tớn hiệu
Sout trờn nhiễu tại lối ra của laser tăng theo hàm 1/ B: Sout /N =Sint /a B.
Cú thể quan sỏt được độ nhạy tốt hơn khi tớn hiệu vào cú độ rộng vạch phổ
nhỏ hơn. Hiệu ứng này là do khả năng của buồng cộng hưởng hoạt động để tớch lũy trường tiờm. Nú cho phộp năng lượng nhỏ nhất được nhận biết là nhỏ vụ hạn khi mà độ rộng đường cũng trở nờn nhỏ vụ hạn.
43
Mục tiờu của vấn đềđược đặt ra là để xem xột khả năng sử dụng laser thực tế là một đầu thu cực nhạy đối với ỏnh sỏng kết hợp. Ánh sỏng được thu nhận phải cú cựng tần số và độ rộng phổ nhỏ hơn của laser thu nhận. Độ nhạy này là hệ quả của sự đỏp ứng của laser khi bị kớch thớch bởi tớn hiệu cực nhỏ (bức xạ tự
phỏt trong) và trường cực mạnh. Khi được kớch thớch từ bờn ngoài bởi một tớn hiệu nhỏ được điều khiển, hàm đỏp ứng (hàm truyền) vẫn như cũ và cho phộp ỏp
đặt tới tớn hiệu nhỏ này sự khuếch đại hay núi cỏch khỏc là bỏ lại trường nhiễu ngẫu nhiờn. Thụng qua hiệu ứng khúa, độ khuếch đại tiếp tục được hỡnh thành từ
tần số khỏc tới độ rộng đường của tớn hiệu tiờm tới khi hiệu ứng bóo hũa xuất hiện. Nguyờn lý này giống như là trong radio điện tử trong thu nhận tỏi sinh quỏ mức [5]. Quỏ trỡnh thu nhận thụng thường sử dụng sự truyền năng lượng quang (photon) tới 1 điện tử tự do và điện tử này sẽ được nhõn lờn thụng qua quỏ trỡnh thỏc lũ trong APD hay PM. Sự kết hợp của ỏnh sỏng khụng đúng vai trũ gỡ vỡ thời gian thu nhận thỡ ngắn hơn thời gian kết hợp của ỏnh sỏng. Trong phương phỏp này, ỏnh sỏng đầu tiờn sẽ được khuếch đại thụng qua quỏ trỡnh bức xạ cưỡng bức, do đú nú đảm bảo được tớnh kết hợp của ỏnh sỏng, sau đú, nú sẽ được lọc đảm bảo sự phõn chia tốt hơn từ nhiễu so với bộ thu nhận nguyờn thuỷ.
44
Chương 3: Khảo sỏt hệ thu tớn hiệu laser độ nhạy cao và
ứng dụng
3.1. Hệ thu tớn hiệu laser độ nhạy cao
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo
Hỡnh 3-1: Sơđồ khối của hệđo
Trong Hỡnh 3-1 là sơ đồ khối của hệ thực nghiệm. Hệ bao gồm: 1. Nguồn bơm 2. Nguồn tớn hiệụ 3. Bộ suy giảm 4. Isolator. 5. Coupler 6. Laser thu tớn hiệụ 7. Mỏy phõn tớch phổ 8. Mỏy đo cụng suất
45
3.1.2. Nguồn bơm
Nguồn bơm là laser diode đơn mode Nortel LC92A-20 cú bước súng là 980 nm, cụng suất lớn nhất là 37 mW. Nguồn bơm dựng để kớch thớch mụi trường khuếch đại của laser nguồn và laser thụ
3.1.3. Nguồn tớn hiệu
Nguồn tớn hiệu là laser phản hồi phõn bố DFB quang sợi pha tạp erbium cú thể thay đổi được bước súng.
Để thay đổi bước súng, trờn thực tế cú thể sử dụng phương phỏp kộo căng hoặc thay đổi nhiệt độ. Ở đõy sử dụng phương phỏp kộo căng để thay đổi bước súng.
Như trong phần lý thuyết đó nờu, laser quang sợi cú chiều dài buồng cộng hưởng là Lc sẽ phỏt laser tại bước súng cộng hưởng của buồng là:
c nL m 2 0 = λ (40)
Trong đú λ0 là bước súng cộng hưởng; n là chiết suất tỏn xạ; m là một số
nguyờn lớn.
Mối liờn quan giữa bước súng trung tõm của cỏch tử và chu kỳ cỏch tử là: Λ
= n
B 2
λ (41) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi cú một lực kộo căng tỏc động lờn laser tức là tỏc động đều lờn 2 cỏch tử Bragg và phần quang sợi là mụi trường khuếch đạị Cả hai cỏch tử Bragg và phần sợi quang bờn trong hai cỏch tử đều bị kộo gión và chiều dài bị thay đổị Sự
thay đổi đú làm thay đổi chu kỳ của cỏch tử Bragg và kộo theo sự thay đổi bước súng của cỏch tử Bragg.
Đồng thời, khi chiều dài sợi quang bờn trong cỏch tử thay đổi, tức là chiều dài buồng cộng hưởng Lc thay đổi thỡ bước súng phỏt laser cũng thay đổị Bước súng thay đổi của cỏch tử Bragg phự hợp với bước súng phỏt laser của buồng cộng hưởng.
46
Như vậy, khi bị kộo căng, cỏch tử phản xạ Bragg cũng được thay đổi bước súng phản xạđảm bảo chọn lọc mode cho laser.
Một cỏch tổng quỏt, sự thay đổi bước súng laser khi laser cú sự thay đổi nhiệt độ hoặc bị kộo căng là: const T const T pe = + + = − = δε α ζ δ ε λ δλ ) ( ) 1 ( (42)
Trong đú α là hệ số mở rộng, ζ là hệ số quang nhiệt, pe là hằng số, ε là lực kộo tỏc động.
Hỡnh 3-2 là hỡnh ảnh phổ laser thu được khi thay đổi sự tỏc động của lực kộọ 1539 1540 1541 1542 1543 1544 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060 0.065 0.070 Binh thuong,dinh=1540.355 nm Keo 250 μm,dinh=1540.489 nm Keo 500 μm,dinh=1541.292 nm Keo 800 μm,dinh=1541.827 nm C u on g do Buoc song (nm)
Hỡnh 3-2: Đồ thị phổ dịch chuyển bước súng phụ thuộc vào độ kộo căng
Từ Hỡnh 3-2 ta thấy, phổ của laser bị dịch chuyển về phớa bước súng dài hơn khi lực kộo tăng lờn và dạng phổ của laser khụng thay đổị