Luận án Khảo sát quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi quang tinh thể

Nội dung tài liệu: Luận án Khảo sát quá trình lan truyền xung cực ngắn trong sợi quang tinh thể

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TR N ĐẠ C V N ---------- ĐỖ THANH THÙY K ẢO SÁT QUÁ TRÌN LAN TRUYỀN XUN CỰC N ẮN TRON SỢ QUAN T N T Ể LU N ÁN T N S V T L N AN
2. BỘ ÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TR N ĐẠ C V N ---------- ĐỖ T AN T ÙY K ẢO SÁT QUÁ TRÌN LAN TRUYỀN XUN CỰC N ẮN TRON SỢ QUAN T N T Ể LU N ÁN T N S V T L C uy n n n : QUAN C M số: 9 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Đin Xuân K oa 2. TS. Bùi Đìn T uận N AN
3. i L CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TS Đinh Xuân Khoa và TS Bùi Đình Thuận. Các kết quả đƣợc công bố trong luận án đảm bảo tính trung thực và đƣợc công bố trên các t p ch khoa học trong nƣớc và quốc tế c uy t n. c gi u Đỗ Thanh Thùy
4. ii L CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS. TS Đinh Xuân Khoa và TS Bùi Đình Thuận đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng nghiên cứu, cung cấp tài liệu, tháo gỡ những kh khăn, giúp đỡ tôi rất nhiều về cả mặt kiến thức cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Đào t o Sau đ i học, Viện Sƣ ph m Tự nhiên cùng các thầy, cô giáo đồng nghiệp trong ngành Vật lý trƣờng Đ i học Vinh đã giúp đỡ và t o mọi điều kiện thuận lợi và đ ng g p nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn gia đình, những ngƣời thân yêu ruột thịt, anh em b n bè đã luôn động viên và t o điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án. Với khả năng c h n, mặc dù đã c nhiều cố gắng song luận án không tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả k nh mong đƣợc sự góp ý của các thầy cô giáo và b n bè gần xa. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án
5. iii DAN MỤC CÁC T V T TẮT DÙN TRON LU N ÁN PCF Photonic crystal fiber - Sợi tinh thể quang tử SC Super continuum - Siêu liên tục SCG Spontanneously generated coherence - Độ kết hợp đƣợc t o bởi phát x tự phát GVD Group velocity dispersion - Tán sắc vận tốc nhóm SM Single mode - Sợi quang đơn mode STIN Step index - Chiết suất phân bậc GRIN Graded index - Chiết suất thay đổi liên tục FWM Fourwave mixing - Trộn 4 sóng XPM Cross-phase modulation - Hiệu ứng biến điệu pha chéo SPM Self-phase modulation - Hiệu ứng tự biến điệu pha ZDW Zero dispersion wavelength - Bƣớc sóng có tán sắc bằng không SBS Stimulated Brillouin scattering - Tán x Brillouin cƣỡng bức SRS Stimulated Raman scattering - Tán x Raman cƣỡng bức MM-STIN Multi-STIN - Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc MM-GRIN Multi-GRIN - Sợi đa mode c chiết suất giảm dần PBG Photonic band gap - Vùng cấm quang CW Continuous wave - sóng liên tục DW Dispersion wave - Sóng tán sắc DOS Density of state - Mật độ tr ng thái HC-PCF PCF - hollow core - Sợi có lõi rỗng ở tâm cấu trúc TOD Third optical dispersion - Tán sắc quang bậc ba PMD Polarized dispersion mode - Tán sắc mốt phân cực TIR Total internal reflection - Phản x nội toàn phần ESM Endlessly single - mode - Vô h n đơn mode RIFS The Raman - induced frequency shift - Dịch tần Raman cảm ứng
6. iv DAN MỤC CÁC K U DÙN TRON LU N ÁN K i u Đ n v N a T0 [s] Độ rộng xung n không thứ nguyên Chiết suất tuyến t nh neff không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng [dB/km] Hệ số suy hao -1 γ [(W.km) ] Hệ số phi tuyến  [cm-1] Hằng số lan truyền -1 k [cm ] Số s ng , 0 [μm] Bƣớc s ng ánh sáng P0 [KW] Công suất cực đ i của xung laser vào n n [ps /km] Hệ số tán sắc bậc n D [ps/km.nm] Tham số tán sắc DM [ps/km.nm] Tán sắc vật liệu Dw [ps/km.nm] Tán sắc ống dẫn s ng  [rad/s] Tần số g c của s ng quang  [rad/s] Độ lệch tần 8 c 2,998 10 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không L [μm] Độ dài lan truyền ZD [μm] Bƣớc s ng tán sắc không b không thứ nguyên Hằng số lan truyền chuẩn hóa S [ps/km.nm2] Tham số độ dốc tán sắc B Bit/s Tốc độ b t 2 Aeff [μm ] Diện t ch mode hiệu dụng  [μm] Hằng số m ng d [μm] Đƣờng k nh của các lỗ vòng trong cùng
7. v hi Đ n v N a d’ [μm] Đƣờng k nh của các lỗ các vòng còn l i RC [μm] Bán k nh cong tới h n z [cm] Chiều dài sợi quang (,)rt - Mật độ điện tích - j(,) r t Mật độ dòng điện E r, t - Véc tơ cƣờng độ điện trƣờng - D r, t Véc tơ cảm ứng điện H r, t - Véc tơ cƣờng độ từ trƣờng - B r, t Véc tơ cảm ứng từ P r, t - Véc tơ phân cực điện cảm ứng -12 0 8,85 10 F/m Độ điện thẩm trong chân không -6 μ0 1,26 10 H/m Độ từ thẩm trong chân không hR(t) - Hàm phản ứng Raman 0 [fs] Độ rộng thời gian xung vào LN [cm] Chiều dài đặc trƣng phi tuyến LD [cm] Chiều dài đặc trƣng tán sắc N số vô hƣớng Số bậc soliton  không thứ nguyên Thời gian chuẩn h a  không thứ nguyên Quãng đƣờng lan truyền chuẩn hóa 3 không thứ nguyên Đặc trƣng cho hiệu ứng tán sắc bậc 3 S không thứ nguyên Đặc trƣng cho hiệu ứng tự dựng xung R không thứ nguyên Đặc trƣng cho hiệu ứng tự dịch chuyển tần số
8. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Bảng 1.1. T m lƣợc quá trình phát triển của sợi PCF ....................................... 10 Hình 1.1. Cấu t o sợi quang thông thƣờng ........................................................ 11 Hình 1.2. Mô tả về sợi quang tinh thể ................................................................ 12 Hình 1.3. Sơ đồ truyền sóng trong sợi quang tử PCFs....................................... 13 Hình 1.4. Cấu trúc lớp vỏ và DOS tƣơng ứng với lỷ lệ chứa khí khác nhau ..... 16 Hình 1.5. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang STIN ......................................... 17 Hình 1.6. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang GRIN ........................................ 18 Hình 1.7. Truyền ánh sáng trong sợi SM, sợi MM STIN và sợi MM GRIN .................................................................................................................. 19 Hình 1.8. Phân lo i các lo i sợi tinh thể quang tử theo cấu trúc. ....................... 21 Hình 1.9. Đồ thị biểu diễn chiết suất, chiết suất nhóm của thủy tinh ................ 27 Hình 1.10. Sự biến đổi của b và các đ o hàm số d(Vb)/dV và số Vd2(Vb)/dV2 vào tham số V ................................................................................ 30 Hình 1.11. Các đặc t nh suy hao theo bƣớc sóng của sợi quang........................ 36 Hình 1.12. Mô tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia ....................................... 39 Hình 1.13. Trƣờng mode cơ bản trong đo n sợi bị uốn cong ............................ 40 Hình 1.14. Diện tích mode hiệu dụng ................................................................ 42 3 Hình 2.1. Lan truyền xung Hyperbolic với β3 = 0,1 ps /km qua khoảng cách  = 12 ......................................................................................................... 59 Hình 2.2. (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang. Trong đ N = 3 khoảng cách lan truyền z = 1,2 LD và 3 = 0,02, S = 0 và R = 0 ..................................... 61 Hình 2.3. (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang. Trong đ N = 3 khoảng cách lan truyền z = 1,2 LD và 3 = - 0,02; S = 0 và R = 0 ................................. 63
9. vii Hình 2.4. (a) Sự thay đổi của hình d ng xung (b) Sự thay đổi phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi quang. Trong đ N = 3,2 khoảng cách lan truyền z = 2 LD và 3 = 0,02; 4 = 0,0005. ................................................... 64 Hình 2.5. Ảnh hƣởng của tán x Raman lên soliton cơ bản .............................. 67 Hình 2.6. Ảnh hƣởng của tán x Raman lên quá trình lan truyền soliton bậc ba ........................................................................................................................ 68 Hình 2.7. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng tự dựng xung và tự điều chế pha lên quá trình lan truyền của xung cực ngắn ............................................................. 69 Hình 2.8. Lan truyền xung đầu vào hyperbol với tham số công suất N = 1 ...... 69 Hình 2.9. Lan truyền xung đầu vào hyperbol với tham số công suất N = 2 ...... 70 Hình 3.1. Sơ đồ tiến triển phát siêu liên tục trong PCF ..................................... 75 Hình 3.2. (a) Mặt cắt của sợi PCF đề xuất. (b) Phân bố hai chiều của mode cơ bản t i bƣớc sóng 1,56 m ............................................................................ 76 Hình 3.3. Đƣờng tán sắc vận tốc nhóm của sợi PCF PBG 08 có các lỗ chứa ethanol (màu đỏ) và PCF PBG 08 với lỗ khí (xanh) ứng với d = d’= 2 µm ..... 78 Hình 3.4. (a) Đƣờng cong tán sắc của sợi PCF - ethanol với đƣờng kính lỗ d khác nhau; (b) Phụ thuộc của bƣớc sóng có tán sắc bằng vào đƣờng kính lỗ d ...................................................................................................................... 79 Hình 3.5. Phụ thuộc của diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến vào đƣờng kính d t i bƣớc sóng 1,560 m ............................................................... 81 Bảng 3.1. Giá trị của hệ số tán sắc βm theo khai triển Taylor đối với PCF PBG 08 - ethanol t i bƣớc sóng 1560 nm .......................................................... 84 Hình 3.6. Sự thay đổi của phổ của xung t i z =10cm khi t nh đến các số h ng tán sắc bậc cao khác nhau .......................................................................... 85 Hình 3.7. Đƣờng cong tán sắc thu đƣợc bằng phƣơng pháp FE (màu đen) phù hợp với khai triển Taylor đến β10 ................................................................ 86 Hình 3.8. Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung hyperbolic secant theo khoảng cách lan truyền ứng với công suất đầu vào 10 kW ............................... 87
10. viii Hình 3.9. Ảnh hƣởng của tham số d lên độ mở rộng của xung ......................... 88 Hình 3.10. Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung hyberbol secant theo khoảng cách lan truyền (d = 1,2 μm; d = 2,4 μm; d = 2,6 μm) .......................... 89 Hình 3.11. Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung theo khoảng cách lan truyền ứng với P0 = 3 kW (hình a), P0 = 6 kW (hình b) và P0 = 12 kW (hình c) ......................................................................................................................... 91 Hình 3.12. Phân bố phổ của xung theo bƣớc sóng t i z = 15cm ứng với P0 = 3kW, P0 = 6 kW và P0 = 12 kW .................................................................... 93 Hình 3.13. Sự thay đổi hình d ng và phổ của xung theo khoảng cách lan truyền ứng với TFWHM = 400 fs (a), 200 fs (b) và 50 fs (c) ............................... 94 Hình 3.14. Sơ đồ bố trí hệ phát siêu liên tục trong sợi PCFs ............................. 96 Hình 3.15. Ảnh hệ thí nghiệm t i phòng thí nghiệm sợi PCF t i Trƣờng đ i học Vinh ............................................................................................................. 96 Hình 3.16. Laser femto giây của hãng Atseva ................................................... 97 Hình 3.17. Hệ ba gƣơng nhằm mục đ ch chuẩn trực chùm laser ....................... 98 Hình 3.18. Ảnh tiết diện ngang của PCFs femto White ..................................... 98 Hình 3.19. Phổ siêu liên tục với công suất của laser bơm khác nhau. Bƣớc s ng laser 760 nm, độ rộng xung 40 fs. ............................................................. 99 Hình 3.20. Phổ siêu liên tục với bƣớc sóng của laser bơm khác nhau. Công suất laser 75 mW, độ rộng xung 40 fs. ............................................................. 100