BỘ C3ÁODỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠIHỌCYTNH

BỘ GLÁOEỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VŨ ĐÌNH HÙNG
vủ ĐÌNH HÙNG

PHÂN TÍCH CÁC HỆUỨNG PHI TUYẾN
FI
IÂTS iioQUÁ
I c ÁcTRÌNHTẠOXUNGÁNH
IIII; 1 ỨNG F1 II TUVÉNTRONG
TRONG
SÁNG
QUÁ
TKÌNHTẠOxnNGÁNHSÁiNGTRẮNG
TRẢNG
BẰNG SỢI QUANGHNHTHẾ
RẰNGSỢI QUANGTINHTHẺ

HẬN VĂN THẠC Sĩ VẬT LÝ
Người hướng cfin kỈHKi ĩtoci
T5L tÊCGNCNHẶỈV

liẶN VĂN THẠC Sĩ VẬTIÍ
•••



1.2.................................................................................................. Che
hiệa ứng phi tmyến trcog sợi quarỊg............................................ 18

2 PHÂN TÍCH CÁC HEỆU ÚNG PHE THUYẾTNT TRONG
QUÁ TRÈNH TẠO XUNG ÁNH SẮNG TRANG
sct QUANG TINH THỂ

BANG

28


2

Eteửi sách lánh\e

1.1

a. Sợi PCF có lõi rỗng, b. Sợi PCF có lõi đặc [17]................................... 10

1.2

Tần số chuẩn hóa của PCF mạng lục giác, yếu tố làm đầy

0,2. PCP tmyèn dẫn chỉ inode Gơ bốn trong vùng nhìn thấy
mhà]gngoại gần [14].)

12


Đường cong tán sắc của mode cơ bản Z7QI mcủamodebậc
nhất LF\ [ . Hỉnh ảnh chèn là mặt cắt của sợi PCF phi hứdng
chiết [29]...................................................................................30

2.3

Đường cong tán sắc của bốn mode Lỉh1-T-, LFfay, LF\Lr, Lĩịiy
. Hưh ảnh chèn là mặt cắt, của sợi PCF lứ3ng (ljiết. [29] . . 31

2.4

Tho XI mg ánh sáng trắng bằng cách bơmxi mg lascr \ào sci

PGP. \à Aĩy. gutỉng, A/2: bảnnĩteibưâc sáng, 2SX: thấu
kứhhiểnvi, XYZ: trục(Ịch chuyển theo ba chiều, PCF: scẳ
qỊuang phi ti^ổn[29].......................................................................33

2.5

Sự phân bố cường độ theo không gian của các mo de khác

nhau[29]....................................................................................................33

2.6

Tạo xungánl 1 sáng traiỊg(Si TJ XIX XKitiium ISO) bằngsci quang

tinh thể(Fhotc3iiic ĩưber Cbystal: PCF) tại Viện Vạt Lí Việt
Nam [29]...................................................................................................31


scng laser cơ bản gậy ra [29]
2.12 Phổ

......................................................42

sc hình thành ở đầu ra của sợi MF với công suất trung

tinh p(w, \p = 79í>ơụAr = 27/s[28].........................................................43
trong sc.ã MFvtl Pav = HSrrayAp =7SOnrrìịAr = 27/8 [28]. 45

41


5

2.14 ]Vb tả trang thái phổ lần h t t đutl sự kết hợp của các hiệu
ứng a) Ị32. b)/?2 + ss + HOD. c)p2 +RS + SS. d)/?2 +
HOD^rBS^rSS

[29]


6

DANH SÁCH KÍ HEẸU

FWM: trội bốn scng
GVD: tán SBC \ện tốc nhem
HCX): tán sắc bậc cao
IA IA : diện tích inodc lớn

quan tâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất cao. Nhờ vào tính chất phi
tuyến cao do diện tích lõi nhỏ và sự chênh lệch lớn vè chiết suất, giũa lõi
và mạng l\fị lỗ trống, mà loại PCF này GÓ khả năng tạo ra xung ánh sáng
trắng (Si qx rmiỂim n mi SC) ngay cả vrì nhũng nguồn lascr năng họng
thấp. Đặc điềm của xung ánh sáng trắng là có độ rộng phổ lớn (có thẻ lên
trên 1000 nrn) và thcả gian xung ngắn (có thể rút xuống cỡ đuổi rrột trăm
íemto giây). Ngày nay việc phát triền PCF để tạo ra se có phổ lệch về
phía bước sóng ngắn đang là hướng được quan tâm nhiều[2,3,4]. Bên cạnh
đó, quá trình hình thành se chứa đựng rất nhiều yếu tố quang phi tuyến
đan xen lẫn nhau, nên việc kiểm soát các tính chất của se là rất phức tạp.
Chính điều này mà sự hình thành se đang là vấn đề được nghiên cứu rất
mạnh hiện nay vè ca mặt thực nghiệm lẫn lí thuyết [5,6,7,8,9].


8

Sự hình thành va phát, triểấr của sc là kết quả của sự tưỉrg tác giữì
xung lasa: cơ bản và sợi PCF trong quá trình lan trụyèn. Vĩ việc tạo ra
sc là một quá trình phứo hơp, tập trung nhiều hiộu lìng phi tiỊyổn khác"
nhau, các yếu tố tán sắc, sự lưỡng chiết của nôi trrỀng và, các mode lan
truyền[10,11,12,13], nên để thỏa mãn các yêu cầu trên là rất phức tạp. Để
hiểu được quá trình này tôi phân tích sự biến đổi phỗ của sc trong từng
chiều dài khác nhau của sợi PCF. Từ kết quả này, tôi hiểu được quá trình
biến đổi phổ và phân tích được một cách định tính vai trò của các hiện
tượng quang học phi tuyến trong quá trình mở rộng phổ.
Mục đích của nghiên cứu này là tìm hiểu được các hiện tượng phi
tuyến biến đổi trong sợi PCF thông qua tính chất phổ của sc qua các
chiều dài khấc nhau. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : "Phân tíđi các hiệu.
útỊg


khí sao cho thích họp. TI lông thuỀng sự sắp xốp nạy có cấu trúc, thitìng
được sử dụng với các dạng mạch vòng, các đa giác, nhiều đa giác...bởi vì


10

khi đó sợi quang có khả năng chế tạo cao, có nhiều tính chất đặc biệt và có
khả năng kiểm soát quang phổ cũng như những đặc tính khác. Cấu trúc
của các lỗ khí troọg sợi PCF chay dọc thno trục của sợi với hai thcng Hố
cần quan tâm là đường kính của lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khí
liền hồ nhai 1A. Sợi PQP là sc.i oó cấL

1

trúc IIÌCTO (ME7) 1x1 mọt sự sáp xốp

hợp nhất giữa silicat và các lỗ khí, sợi biểu hiện tính đối xứng tịnh tiến
dọc theo trục của sợi (z). Tác dụng chủ yếu của cấu trúc định kì này là để
thay đổi chỉ số khúc xạ hiệu dụng cho việc dẫn truyền trong sợi dẫn đến
tìúoh chất tán sắc ral trcọg sợi.
(b)

Năm 1991 Russell đã phát hiện ra rằng ánh sáng có thể bị giam (bị
giới hạn) trong lõi rỗng và cho đến nâm 1999 sợi đơn mode có lõi rỗng
được chế tạo thành công với vùng cấm quang có cơ chế dần sóng rất mạnh
mẽ, ánh sáng vẫn 1Ị gi(l hạn troog lõi ngay cả khi bị uốn. ccng. Hỉnh 1. la
(ho thấy xung quanh lỗ khí trung tâm là sự sắp xếp tuần hoàn của lỗ khí
và silic tạo thành một cấu trúc tinh thể quang tử. Phần lõi được thay là
một lỗ khí lớn hơn các lỗ khí xung quanh khi đó tồn tại một vùng cấm
quang tử (PBG). Sự định hướng ánh sáng được xem tương tự như cách

sợi, kz là hằng số trụyền và trang các tài liệu quang thà tán sắc fi =kz (cu
theo /5) [17].
Khi nghiên cứu sợi PCF chúng ta có thể thiết kế các sợi luôn là đơn
mode với phổ được mở rộng từ vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng
ngoại gần. Đối với phần thân của sợi luôn tồn tại một ngưỡng giới hạn tần
số để sợi từ đơn mode trở thành sợi đa mode. Để đo số lượng mode dẫn
có trong phần thân sợi ta xác định tần số chuản tắc ư :

Trong đó p là bốn kính lõi, ritxxc kci TìrijTrVtiTìg là chỉ số khúc xạ của lõi
và, phần thân sợi. Trong truồng hợp sợi chuẩn thà chỉ số của phần thân
phụ thuộc vào buớc sóng,

V

tăng khi bước sóng giảm. Điều đó cho kết quả

hoạt động của vùng đa mode từ ngưỡng tần số lớn hơn 2,405. Đối với sợi
PCF chỉ số khúc xạ hiệu dụng của phần thân phụ thuộc rất mạnh vào


12

bước sóng, trong khi đối với những sợi cổ điển thì nó dường như không
đổi. Tần số chuẩn tắc có xu hướng ổn định ở bước sóng ngắn (Hình 1.2).
Chỉ số khúc xạ ở phần thân quang tử và giá trị ổn định của tần số chuẩn
tắc này được đặc trưng bởi cấu trúc phần thân của sợi, hay yếu tố điền
đầy (chính là tỉ số giữa đường kính lỗ khí d và khoảng cách giữa hai lỗ khí
A trong mạng). Với một thiết kế nhất định ta có thể giữ cho tần số V GÓ
một giá trị dưới bất kì vùng bước sóng nào, trong điều kiện đó sợi luôn là
đơn mode. Đối với sợi PCF tần số ngưỡng ước tính vào khoảng 2,5. Trong

nó. Được xác định bằng hệ thức :
.
Trong đó Ị3X và Ị5y _lần liíỢt là hằng A
số truyền khác nhan theo. hai
phương phân cực trực giao. Khi đó độ lưỡng chiết B được định nghĩa là
sự khác nhan giữa hằng số dẫn trựyèn Ị3X và Ị3y của hai thành phần phân
cực HE\\ v à

a i a

ĩ i r x d e cơ bản:
B = \(px- Ị3y)/2ỉĩ = |7?effic - ??effy I

Trong việc tạo ra nguồn

sc,

(1.3)

tính lưỡng chiết trong sợi PCF được chú

ý để cải thiện sự ỗn định quang phổ và sự mỡ rộng tối đa của một nguồn
bơm nhất định bằng cách chọn sợi PCF phi tuyến phân cực duy trì (PM).
Khi đó quang phổ của sc cũng phãn cực[ 14,16,17].
Tiếp theo một đặc tính không kém phần quan trọng trong sợi quang
là tán sắc. Tăn sắc là hiộn tượng dãn XI mg ánh sáng thno thơi gian Idá


14


1, Gp.m [15,16,18].

Một thuộc tính qian trọng rÉĩa là tính phi tiryốn cao, trong SỘL PCF
lõi đặc ta có thể có chỉ số tương phản hiệu dụng cao hơn nhiều so với sợi


15

quang thông thưrìig bằng cách tạo lỗ khí lớn hoặc giảm kích thuốc của
lõi, điều đó ánh sáng sẽ được bó buộc vào trong lõi silicat. Bằng cách này
một lượng lớn mode dẫn được giam hãm trong lõi dẫn đến nâng cao các
hiệu ứng phi tuyến do đó tạo môi trường với cường độ cao trong lối. Rất
nhiều thí nghiệm xác định thuộc tính tán sắc trong sợi phi tuyến đã được
thực hiện, điều đó giúp khai thác thành công sợi PCF trong các thiết bị
quang với một mức độ tán sắc thích hợp. Hiện nay đây là một ứng dụng
quan trọng, đặc biệt trong việc hình thành và mở rộng quang phổ liên tục
SO Cốc hiệu ứọg phi tuyến thamgia xào quá trình nở rộng phổ phoụ thuộc
nhiều vào tán sắc trung bình nen các thiết kế phù hẹp) với thuộc tính tán
sắc để giảm công suất nguồn bơm. Theo các nghiên cứu quang phổ được
mỏ rộng có thề thu được bằng xung bơm với bước sóng gần với bước sóng
không tán sắc[14,15,16].
Sợi có diện tích mode lớn. Bằng việc thay đổi cấu trúc hình học của sợi
PCF ta có thể thu được những sợi có diện tích hiệu dụng lớn (LMA). Sợi
với lỗ khí mạng tam giác mà lõi của sợi được xác định thiếu đi một lỗ khí.
Trong PCF mạng tam giác đường kính lõi c^ore = 2A — ứng với khoảng
cách giữa 2 mép đối diện của 2 lỗ khí của vùng lõi. Khi tỉ số d/A
Đầu tiên ta xét đến sự suy hao do tán xạ. Khi sóng điện từ truyền
trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợi
quang, cấc khiỊyổt tật như bợt khí, các vổt, nứt, sẽ gậy ra tán xạ Khi tia
sáng truyền qua chỗ không đồng nhất tán xạ ra nhiều hướng và chỉ có một
phần năng luợng ánh sáng truyền theo huống cũ phần còn lại truyền theo
các hướng khác nhau thậm chí có thể truyền ngược lại nguồn quang. Độ
sựy hao do tán xạ Raykigh tỉ lệ nghịch với lụy thùa bậc 4 của brtíe sóng
(d/À4) non sụy hao giam nhanh vè phía bước sáng dai. ơừn thành phần
sụy hao B xuất hiện là do nhũng khiếm khựyết trcng sc.i, ngiỊýìi nhân chủ
yếu là do độ nhám của bề mặt các lỗ khí đây là một vấn đề quan trọng vì
thự" tế trcng quá trình chế tạo bề mặt của các lỗ khí có thể 1Ị ảnh huởng


17

lấp đầy của lỗ khí thay đổi cũng là một nguyên nhân gây ra sự suy hao
đáng kề. Ảnh hưởng tiếp theo sợi PCF được chế tạo từ vật liệu Silicat nên
các licỲi hốt giũa SiOS và ion CH CÒI sót lại trong vật hẹu trong quá trình
chế tạo sợi quang cũng gây ra suy hao. Đối với những sợi quang ngay khi
được chế tạo bằng thủy tinh tinh khiết thì sự hấp thụ vần xảy ra do bản
thân thụy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh s áng ở vừng cục tím. và, hcng
ngoại. Điều này gây ra trỡ ngại với việc dùng bước sóng dài trong thông
tin quang. Một lí do nào đó sợi quang có thể bị chèn ép tạo nên những chỗ
1Ị uốn cong nhỏ thà sựy hao của sợi cũng tăng lân Sự sựy hao nạy xuất
hiện là do sự ổn định của phương truyền bị biến đổi dẫn đến tia sáng bị
lệch- trục. Mọt cách chính xác GÓ thể hiểu là do sự phân bố của tnòig 1Ị
xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra
kho sộ [15].
Trang phần CIO của rrục này ta sẽ tìm hiểu quá trình chế tạo scấ
PCF. Bao gồm các bước như Hìnhl.4. Bước đầu tiên là tạo các ống nhỏ

phôi, những tham số xác định đường kính của sợi, phân bố nhiệt độ trên
mặt cắt, của sđi[14,15].
ĨOmm
5mm
^
\ầ
1200-1800°c

4- -►
lOmm
^ ^00-1800°C
1
^00'180°Cc
mm Xo,lmm

lmm

di

a)
Hình 1.4: Qiỵ trình chế tạo scỉ quang [14]

1.2.

Cốc liệu ulỊg ỊÌn trụyến tropg sọí quang

Như ta đã biết sóng ánh sáng là sóng điện từ do đó quá trình truyền
ánh sáng chính là sự lan truyền của điện từ trường trong môi trường sợi



để
khác nhau
đánh
giá thành
của xung
phần truyền
p có thể
dẩn xem
đến xét
vận thông
tốc truyền
qua quá
là khác
trình nhau
tần số
do quang
bước
sóngcộng
thì
phụ hưởng
thuộc gần
vào với
chỉ tần
số khúc
số daoxạ.động
Ngoài
củara,phân
với tửtrường
môi trường.
có cường

tả nó. Xuất phát từ hộ phưtLỊg trình Lhxvoll chúng ta có thổ xậy dựig
phưiig trình Schcrìngor trong môi trừtqg phi tựyến dọc theo chiều dài sợi
ĩược trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :
theo trục z được trình bày trong các tài liệu [18,19,20,21,22] :
ỠA a
ô^A ,
ỡ,
~dz + 2 A ~ Xrrr '''•'T777 —^(
k>‘2

x(A(z,T) r H T X )\A Z ,T- T X )\ H T x )

- \ế trái của phrOrg trình thể hiện các hiệu lítig tuyến tính: vci Oi là
si.rsiiy @ảmcông suất tụyếntírih, là hệ số tán sắc hên quan đến khai

- ^ " fl ũ i

(L5)


20

triển