BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH VÀ LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ - 2013 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH VÀ LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Trịnh Đình Chiến VINH - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trịnh Đình Chiến. Các số liệu, kết quả trong bản luận án là hoàn toàn trung thực và chưa ai công bố trong bất cứ luận án nào hoặc các công trình nào khác. Tác giả luận án Bùi Xuân Kiên LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trịnh Đình Chiến, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo, những người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin được chân thành cảm ơn các thầy giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp, Khoa Vật lý và Công nghệ, phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Vinh, Viện KH & CNQS – Bộ Quốc phòng, Viện Vật liệu – Viện hàn lâm khoa học Việt Nam đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Đại học Điện lực, khoa Khoa học cơ bản, phòng chức năng khác của trường đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu luận án Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Bùi Xuân Kiên i MỤC LỤC Lời cảm ơn…………………………………………………………………… Lời cam đoan………………………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………… i Danh mục các ký hiệu……………………………………………………… iii Danh mục các hình vẽ……………………………………………………… iv MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1: CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG DẪN QUANG VÀ LASER SOLITON SỢI QUANG …………………………… 5 1.1. Phương trình truyền ánh sáng trong sợi quang 5 1.1.1. Hệ phương trình Maxwell 5 1.1.2. Phương trình lan truyền xung phi tuyến 8 1.1.3. Các hiệu ứng phi tuyến bậc cao 12 1.2. Cấu hình và nguyên lý hoạt động của laser sợi quang 21 1.2.1. Cấu tạo của laser sợi quang 21 1.2.2. Kỹ thuật khóa mode 24 1.2.3. Một vài cấu hình laser sợi quang tiêu chuẩn 26 1.3. Kết luận 31 CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA CHIRP TRONG KỸ THUẬT NÉN XUNG 33 2.1. Sự tạo chirp và bù trừ chirp trong các thiết bị quang học 33 2.1.1. Quá trình tạo chirp 34 2.1.2. Quá trình bù trừ chirp 38 2.2. Kỹ thuật nén xung sáng 41 2.2.1.Nén xung trong buồng cộng hưởng 41 2.2.2. Nén xung ngoài buồng cộng hưởng. 45 2.3. Kết luận 51 ii CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN SỰ BIẾN DẠNG XUNG GAUSS TRONG SỢI QUANG 53 3.1. Sự mở rộng xung tán sắc cảm ứng 53 3.1.1. Hệ số mở rộng xung Gauss có chirp 53 3.1.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc và tham số chirp 56 3.1.3. Sự thay đổi dạng xung truyền trong sợi quang 59 3.1.4. Tốc độ mở rộng xung 62 3.1.5. Khảo sát sự phụ thuộc của chiều dài sợi vào tham số chirp C 64 3.2. Mở rộng xung khi có tán sắc bậc ba 67 3.2.1. Hệ số mở rộng xung 67 3.2.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc bậc ba 70 3.3. Kết luận 74 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT XUNG SOLITON CỦA LASER SỢI QUANG BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE THỤ ĐỘNG77 4.1. Cấu hình laser sợi quang buồng cộng hưởng vòng khóa mode thụ động 77 4.2. Phương trình truyền lan 78 4.3. Điều kiện tồn tại soliton 79 4.4. Quá trình biến đổi xung trong laser sợi quang 82 4.5. Ảnh hưởng của tham số chirp 83 4.6. Ảnh hưởng của các tham số lên chiều dài buồng cộng hưởng cho trường hợp phát Soliton 87 4.6.1. Ảnh hưởng của tham số chirp C……………………………… 87 4.6.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc β 2 ……………………….……89 4.7. Kết luận 93 KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………… 95 Các công trình khoa học đã công bố liên quan đến đề tài………………… 98 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….100 Phụ lục…………………………………………………………………… 110 iii DANH MỤC VIẾT TẮT CPM Colliding Pulse Mode – Locking DBR Distributed Bragg Reflectors LD Laser Diode NA Number Aperture NLSE Nonlinear Schrodinger Equation MM Multiple Mode MQW Multiple Quantum Well GVD Group Velocity Dispersion GNLSE Generalized Nonlinear Schrodinger Equation GI Grade Index SM Single Mode SI Step Index SPM Self - Phase Modulation SESAM Semiconductor Saturable Absorber Mirror SQW Semiconductor Quantum Well SRS Stimulated Raman Scattering SBS Stimulated Brillouin Scattering XPM Cross - Phase Modulation FWHM Full Width at Half Maximum WDM Wave Division Multiplexing iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình Trang 1 Hình 1.1. Thay đổi tham số tán sắc D = d  1 /d  (liên tục) và  2 (đường đứt ) của sợi thủy tinh. 11 2 Hình 1.2. Biến đổi theo thời gian của hàm đáp ứng Raman rút ra từ phổ khuếch đại Raman thực nghiệm. 18 3 Hình 1.3. Cấu tạo của sợi quang hai vỏ (a); phân bố chiết suất trên tiết diện ngang (b). 22 4 Hình 1.4. Cấu tạo của cách tử Bragg sợi quang. 23 5 Hình 1.5. Laser bơm và cách liên kết với sợi laser. 23 6 Hình 1.6. Cấu hình laser sợi quang công suất cao 24 7 Hình 1.7. Một số linh kiện SESAM 26 8 Hình 1.8. Sơ đồ laser quang sợi khoá mode bằng quay phân cực phi tuyến 27 9 Hình 1.9. Sơ đồ của buồng cộng hưởng laser với cách tử bragg có chirp 29 10 Hình 2.1. Hệ hai lăng kính (a); hệ bốn lăng kính để điều chính tán sắc vận tốc nhóm (b) 39 11 Hình 2.2. Sơ đồ tính toán GVD của cặp cách tử G 1 , G 2 40 12 Hình 2.3. Sơ đồ tính toán GVD của cặp lăng kính P 1 và P 2 40 13 Hình 2.4. Buồng cộng hưởng vòng cho laser màu CPM. Hệ số 4 lăng kính, GVD trong buồng cộng hưởng có thể điều chỉnh được 42 14 Hình 2.5. Buồng cộng hưởng vòng cho laser CPM dùng một hoặc hệ hai lăng kính. 42 15 Hình 2.6. Xung được truyền qua bộ khuếch đại và bộ hấp thụ bão hoà 44 16 Hình 2.7. Minh hoạ bộ nén xung hai tầng 46 17 Hình 2.8. Bộ nén xung một tầng dùng cách tử và sợi quang 47 18 Hình 3.1. Sự phụ thuộc vào tham số chirp của độ rộng xung truyền qua sợi quang 100km với các tham số tán sắc: -50ps 2 /km (liên tục); -20ps 2 /km (gạch); +20ps 2 /km (chấm) và +50ps 2 /km (gạch-chấm). 57 19 Hình 3.2. Độ rộng xung ra phụ thuộc vào tham số tán sắc mô phỏng với xung vào Gauss có tham số chirp khác nhau. 58 20 Hình 3.3. Dạng xung Gauss không có chirp lan truyền trong sợi quang 60 v ứng với trường hợp tán sắc thường 2 2 50 / ps km   . 21 Hình 3.4. Dạng xung Gauss có chirp C = 2 lan truy ền trong sợi quang ứng với trường hợp tán sắc thường 2 2 50 / ps km   . 61 22 Hình 3.5. Dạng xung Gauss có chirp C = -2 lan truy ền trong sợi quang ứng với trường hợp tán sắc thường 2 2 50 / ps km   . 61 23 Hình 3.6. Cường độ đỉnh của xung Gauss phụ thuộc vào tham số chirp C lan truyền trong sợi quang ứng với trường hợp tán sắc thường 2 2 50 / ps km   . 62 24 Hình 3.7. Thay đổi độ rộng xung theo quãng đường truyền 63 25 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của chiều dài vào tham số chirp C với giá trị của hệ số mở rộng  cho trước. 65 26 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của chiều dài lan truyền để xung không bị mở rộng theo tham số chirp C trong môi trường tán sắc thường 66 27 Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ rộng xung ra vào tham số tán sắc cảm ứng 2  với các tham số tán sắc bậc ba khác nhau 3 3 0.0;50;100 / ps km   và 0 100 T ps  , 6 C   , 100 L km  71 28 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của độ rộng xung ra vào tham số tán sắc cảm ứng 2  với các tham số tán sắc bậc ba khác nhau 3 3 0.01;0,1;10 / ps km   và 0 10 T ps  , 6 C   , 100 L km  72 29 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của độ rộng xung ra vào tham số tán sắc cảm ứng 2  với các tham số tán sắc bậc ba khác nhau 3 3 0.01;0,05;1 / ps km   và 0 1 T ps  , 6 C   , 100 L km  . 73 30 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của độ rộng xung ra vào tham số chirp C với các tham số tán sắc bậc ba khác nhau 3 3 0,0;1,0;2,0 / ps km   và 0 1 T ps  , 6 C   , 100 L km  2 2 2 / ps km   . 74 31 Hình 4.1. Sơ đồ laser sợi quang khóa mode. 77 32 Hình 4.2. Quá trình biến đổi xung trong sợi quang laser với C=5. 82 33 Hình 4.3. Quá trình biến đổi xung trong sợi quang laser với C=-5. 83 34 Hình 4.4. Xung Gauss không chirp (C = 0) sau một số vòng qua lại trong BCH. 84 vi 35 Hình 4.5. Xung vào chirp âm sau một số vòng trong BCH với C = -5. 85 36 Hình 4.6. Xung vào chirp âm sau một số vòng trong BCH với C = -10. 85 37 Hình 4.7. Xung vào chirp dương sau một số vòng trong BCH với C = 5. 86 38 Hình 4.8. Xung vào chirp dương sau một số vòng trong BCH với C = 10. 86 39 Hình 4.9. Phụ thuộc L c vào C với các giá trị khác nhau của công suất đỉnh 88 40 Hình 4.10. Phụ thuộc của L c vào  2 , P 0 với các tham số khác nhau của công suất đỉnh 90 41 Hình 4.11. Phụ thuộc L c vào P 0 với các giá trị khác nhau của tham số chirp dương 91 42 Hình 4.12. Phụ thuộc L c vào P 0 với các tham số khác nhau của tham số chirp âm. 92 [...]... tranh tổng thể trong quá trình tạo xung soliton với các dạng xung laser khởi phát có chirp tần số Xuất phát từ lý do nêu trên, chúng tôi đề xuất một số nội dung nghiên cứu trong luận án với tiêu đề: Ảnh hưởng của chirp tần số trong quá trình hình thành và lan truyền xung cực ngắn trong môi trường phi tuyến ” Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu quá trình tiến triển của xung laser khởi... một trong những môi trường phi tuyến vì chiết suất thay đổi theo cường độ của ánh sáng mạnh lan truyền Các xung Laser ngắn và cực ngắn luôn luôn có cường độ lớn, vì vậy chúng chịu tác động bởi các hiệu ứng phi tuyến của môi trường sợi quang Lan truyền xung laser ngắn và cực ngắn trong sợi quang đã gắn với hàng loạt hiện tượng quan trọng trong thực tế [30, 31, 34, 51, 52, 54, 61] Tính chất tán sắc và phi. .. hiệu ứng ảnh hưởng đến quá trình biến dạng xung laser trong môi trường tán sắc phi tuyến Từ đó, trình bày về cấu hình chung của laser sợi quang và một số lý thuyết và công nghệ laser sợi quang Chương 2: Trình bày về chirp tần số, quá trình sinh chirp và hủy chirp Phân tích ảnh hưởng của chirp lên quá trình biến đổi xung trong môi trường tán sắc Từ đó, dẫn ra những vấn đề nghiên cứu trong chương 3 và chương... ta thu được chỉ số chiết suất của sợi quang 1.1.2 Phương trình lan truyền xung phi tuyến Nghiên cứu đa số các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang liên quan đến việc sử dụng các xung sáng cực ngắn với độ rộng xung nằm trong vùng từ 10ns đến 10fs Khi một xung quang học như thế lan truyền trong sợi quang thì cả hai hiệu ứng tán sắc và phi tuyến sẽ ảnh hưởng lên phổ và hình dạng của chúng Trong phần này... phương trình lan truyền xung Gauss có chirp tần số trong sợi quang tán sắc cảm ứng và tán sắc bậc ba cho xung Gauss có chirp Khảo sát ảnh hưởng của tham số chirp và tham số tán sắc lên quá trình biến đổi độ rộng xung Từ biểu thức tính hệ số biến đổi độ rộng xung, tìm điều kiện xuất hiện soliton Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của tham số chirp bậc ba lên hệ số biến đổi độ rộng với các xung có độ rộng... Gauss có chirp tần số lan truyền trong sợi quang tán sắc và trong buồng cộng hưởng với mục đích xác định điều kiện hình thành soliton quang học từ xung này Mục đích của luận án: Khảo sát quá trình hình thành và biến dạng xung laser dạng Gauss có chirp trong laser sợi quang và trong quá trình truyền trong sợi quang tán sắc, phân tích điều kiện hình thành soliton quang học thời gian từ xung Gauss có chirp. .. ứng phi tuyến bậc cao Ở trên ta đã dẫn ra phương trình lan truyền của các xung ngắn trong môi trường phi tuyến (sợi quang) NLSE mô tả sự biến đổi các xung ngắn hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm Tuy nhiên, trong những năm 80 - 90 của thế kỷ XX, các nghiên cứu thực nghiệm đã nhận thấy rằng các xung cỡ femtô - giây (xung cực ngắn) vi phạm phương trình (1.20) Tức là nếu mô tả sự lan truyền của các xung cực. .. tả quá trình truyền lan xung ngắn trong môi trường tán sắc và môi trường tán sắc 3 khuếch đại và biểu thức cho các điều kiện mô tả sự phụ thuộc giữa các tham số nguyên lý Sử dụng phương pháp số và phần mềm tính toán để mô phỏng các quá trình tiến triển và đặc trưng của xung Cấu trúc của luận án: Chương 1: Trình bày về quá trình lan truyền ánh sáng trong môi trường tán sắc nói chung và trong sợi quang... tạo xung cực ngắn và tương tác laser với môi trường, ví dụ, laser sợi quang, quang học phi tuyến, vật lý plazma, sinh học,…[9, 13, 29, 97] Trước khi trở thành xung soliton, các xung laser lan truyền trong sợi quang chịu tác động của nhiều hiệu ứng khác nhau, tùy thuộc vào tính chất của môi trường và đặc trưng của xung Xung laser luôn luôn bị mở rộng do hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm trong sợi quang, và. .. biến điệu xung (1978) [5, 6, 7, 69] là những hiệu ứng phi tuyến đã được nghiên cứu rất kỹ trong thời gian qua Soliton là một trạng thái truyền dẫn đặc biệt của các xung quang ngắn và cực ngắn lan truyền trong môi trường phi tuyến vì chúng không bị méo dạng xung do tán sắc và không suy giảm về năng lượng [29] Lý thuyết về xung soliton quang học đã được đề cập trong năm 1973 như là kết quả của quá trình . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH VÀ LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH VÀ LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN . hình thành và lan truyền xung cực ngắn trong môi trường phi tuyến ”. Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu quá trình tiến triển của xung laser khởi phát dạng Gauss có chirp tần số