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

131 591 1
  • Loading ...
1/131 trang
Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 18/06/2014, 17:15

MỤC LỤCLời cảm ơn……………………………………………………………………...Lời cam đoan…………………………………………………………………...Mục lục………………………………………………………………………...iDanh mục các ký hiệu………………………………………………………..iiiDanh mục các hình vẽ………………………………………………………..ivMỞ ĐẦU……………………………………………………………………...1CHƯƠNG 1: CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG DẪNQUANG VÀ LASER SOLITON SỢI QUANG ……………………………..51.1. Phương trình truyền ánh sáng trong sợi quang......................................... 51.1.1. Hệ phương trình Maxwell........................................................... 51.1.2. Phương trình lan truyền xung phi tuyến...................................... 81.1.3. Các hiệu ứng phi tuyến bậc cao ................................................ 121.2. Cấu hình và nguyên lý hoạt động của laser sợi quang............................ 211.2.1. Cấu tạo của laser sợi quang ...................................................... 211.2.2. Kỹ thuật khóa mode.................................................................. 241.2.3. Một vài cấu hình laser sợi quang tiêu chuẩn ............................. 261.3. Kết luận ................................................................................................ 31CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA CHIRP TRONG KỸ THUẬT NÉN XUNG ..332.1. Sự tạo chirp và bù trừ chirp trong các thiết bị quang học. ..................... 332.1.1. Quá trình tạo chirp .................................................................. 342.1.2. Quá trình bù trừ chirp ............................................................... 382.2. Kỹ thuật nén xung sáng ......................................................................... 412.2.1.Nén xung trong buồng cộng hưởng............................................ 412.2.2. Nén xung ngoài buồng cộng hưởng. ......................................... 452.3. Kết luận................................................................................................. 51iiCHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN SỰBIẾN DẠNG XUNG GAUSS TRONG SỢI QUANG ................................ 533.1. Sự mở rộng xung tán sắc cảm ứng......................................................... 533.1.1. Hệ số mở rộng xung Gauss có chirp ......................................... 533.1.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc và tham số chirp...................... 563.1.3. Sự thay đổi dạng xung truyền trong sợi quang.......................... 593.1.4. Tốc độ mở rộng xung ............................................................... 623.1.5. Khảo sát sự phụ thuộc của chiều dài sợi vào tham số chirp C ... 643.2. Mở rộng xung khi có tán sắc bậc ba...................................................... 673.2.1. Hệ số mở rộng xung ................................................................ 673.2.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc bậc ba ..................................... 703.3. Kết luận................................................................................................. 74CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT XUNG SOLITON CỦA LASERSỢI QUANG BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE THỤ ĐỘNG774.1. Cấu hình laser sợi quang buồng cộng hưởng vòng khóa mode thụ động 774.2. Phương trình truyền lan ......................................................................... 784.3. Điều kiện tồn tại soliton......................................................................... 794.4. Quá trình biến đổi xung trong laser sợi quang ....................................... 824.5. Ảnh hưởng của tham số chirp................................................................ 834.6. Ảnh hưởng của các tham số lên chiều dài buồng cộng hưởng cho trườnghợp phát Soliton .......................................................................................... 874.6.1. Ảnh hưởng của tham số chirp C………………………………..874.6.2. Ảnh hưởng của tham số tán sắc β2……………………….……894.7. Kết luận................................................................................................. 93KẾT LUẬN CHUNG………………………………………………………..95Các công trình khoa học đã công bố liên quan đến đề tài…………………...98Tài liệu tham khảo………………………………………………………….100Phụ lục……………………………………………………………………...110 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN VẬT - 2013 - BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ***************** BÙI XUÂN KIÊN ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ TRONG SỰ HÌNH THÀNH LAN TRUYỀN XUNG CỰC NGẮN TRONG MÔI TRƯỜNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN VẬT 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 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 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 các bạn đồng nghiệp, Khoa Vật 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 giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập 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 tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập 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 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 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 nguyên 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 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 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)  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 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. đồ laser quang sợi khoá mode bằng quay phân cực phi tuyến 27 9 Hình 1.9. 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. đồ tính toán GVD của cặp cách tử G 1 , G 2 40 12 Hình 2.3. đồ tính toán GVD của cặp lăng kính P 1 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 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 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) +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   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   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   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   0 1 T ps  , 6 C   , 100 L km  2 2 2 / ps km   . 74 31 Hình 4.1. 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 [...]... trình hình thành lan truyền xung cực ngắn trong môi trường phi tuyếnTrong 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 lan truyền trong sợi quang tán sắc 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 biến dạng xung. .. tham số nguyên Sử dụng phương pháp số phần mềm tính toán để mô phỏng các quá trình tiến triển 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 trong sợi quang nói riêng Phân tích những 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. .. 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 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 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 phi. .. sợi quang một số thuyết công nghệ laser sợi quang Chương 2: Trình bày về chirp tần số, quá trình sinh chirp 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 chương 4 Chương 3: Dẫn phương trình lan truyền xung Gauss có chirp tần số trong sợi quang tán sắc cảm ứng tán sắc bậc ba cho xung Gauss... 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 phi tuyến sẽ ảnh hưởng lên phổ hình dạng của chúng Trong phần này... tả sự lan truyền của các xung cực ngắn Các xung cực ngắn, có phổ rộng so sánh được với tần số sóng mang nên hiệu ứng tán sắc xảy ra mạnh hơn, nghĩa là ta cần phải tính đến các thành phần tán sắc bậc cao xẩy ra trong phương trình lan truyền Thời gian của các xung cực ngắn có thể so sánh được với các quá trình nguyên tử, công suất của chúng cũng rất lớn Ta không thể xem phản ứng phi tuyến của môi trường. .. phi tuyến đối với xung ngắn cực ngắn Trong chương này chúng ta xem xét các hiệu ứng trên thông qua phương trình lan truyền ánh sáng Schrodinger phi tuyến Tiếp theo, chúng ta xem xét laser soliton sợi quang hoạt động dựa trên nguyên lan truyền ánh sáng trong sợi quang với các hiệu ứng phi tuyến nguyên hoạt động của laser Phương trình Schrodinger phi tuyến đã được áp dụng nghiên cứu lan truyền. .. các xung ngắn lan truyền trong sợi quang tán sắc ( môi trường Kerr ), với các dạng xung Parabol [25, 26, 38], Gauss [39], Secant Secant có chirp [43] Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ dừng lại cho xung laser khởi phát có dạng Parabol, Gauss, Secant Secant có chirp Các xung laser ngắn cực ngắn dạng Gauss hay siêu Gauss luôn có hiện tượng chirp tần số khi chúng lan truyền trong môi trường tán sắc... trở thành phân cực ellip Hướng độ lớn ellip của phân cực phụ thuộc hoàn toàn vào chiều dài độ lưỡng chiết của sợi Tuy nhiên, nếu cường độ của ánh sáng 24 lớn, hiệu ứng phi tuyến Kerr cần được quan tâm vì nó làm thay đổi phân cực Như vậy, sự thay đổi phân cực ánh sáng sẽ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Do đó, nếu đặt một tấm phân cực phía sau sợi quang, thì hệ số truyền ánh sáng qua tấm phân cực. .. thông số bốn sóng (1974)[84] tự 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 cực ngắn lan truyền trong môi trường phi tuyến vì chúng không bị méo dạng xung do tán sắc không suy giảm về năng lượng [29] thuyết về xung soliton quang học đã được đề cập trong . gian phụ thuộc vào chiều dài sợi quang. 5 Chương 1 CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG DẪN QUANG VÀ LASER SOLITON SỢI QUANG Khi ánh sáng truyền trong môi trường dẫn quang (sợi quang),. secant mà còn cho các dạng xung khác. Thí dụ, một xung Gauss ban đầu có thể trở thành xung soliton sau khi lan truyền qua một đoạn sợi quang và giữ nguyên trạng thái đó trong quá trình lan. 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 tuyến của sợi quang
- Xem thêm -

Xem thêm: 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, 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, 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

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn