Luận văn Ảnh hưởng của Chirp phi tuyến với xung dạng Secant-hyperbole trong buồng cộng hưởng Laser CPM

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của Chirp phi tuyến với xung dạng Secant-hyperbole trong buồng cộng hưởng Laser CPM

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ THỊ THÚY ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ THỊ THÚY ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM Chuyên ngành:QUANG HỌC Mã số:664411 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN Hà Nội – Năm 2011 2
3. MỤC LỤC Mục lục Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt Chương 1: SỰ TẠO THÀNH XUNG CỰC NGẮN ................................................... 9 1.1 Mở đầu ................................................................................................................... 9 1.2. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất ................................................................... 9 1.3. Nguyên tắc đồng bộ mode ................................................................................. 10 1.3.1. Phương pháp khoá mode chủ động ............................................................... 13 1.3.2. Phương pháp khoá mode bị động .................................................................. 15 1.4. Một số hiệu ứng phi tuyến tác động đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng[21] .................................................................................................................. 18 1.4.1. Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) .......................................................................... 18 1.4.2. Tự biến điệu pha (SPM)[21] ............................................................................ 20 Chương II: LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN ........................................................ 22 2.1. Laser màu ............................................................................................................... 22 2.1.1. Hoạt chất cho laser màu ................................................................................... 22 2.1.2. Tính chất của laser màu ................................................................................... 22 2.1.3. Mode-locking của laser màu ........................................................................... 25 2.2. Laser màu CPM ................................................................................................. 29 2.2.1. Quá trình tạo chirp ........................................................................................... 29 2.2.2. Quá trình bù trừ chirp ..................................................................................... 29 2.2.3. Cấu trúc buồng cộng hưởng ............................................................................ 31 2.2.4. Đồng bộ mode bị động của laser màu CPM ................................................ 33 Chương III: ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SECANT- HYPERBOLE TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM ......................... 35 3.1. Xung secant-hypebole ....................................................................................... 35 3.2. Ảnh hưởng của chirp đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser ................................................................................................................ 35 3.2.1. Ảnh hưởng của chirp khi qua môi trường hấp thụ bão hòa .................... 35 3.2.1.1 Xung secant – hyperbole không có chirp ............................................ 39 3.2.1.2. Xung secant – hyperbole có chirp ...................................................... 41 3.2.1.2.2. Chirp phi tuyến ............................................................................. 46 3
4. 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của chirp đối với sự biến đổi xung dạng secant – hyperbole qua môi trường khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser CPM. 54 3.2.2.1. Khảo sát trường hợp xung secant – hyperbole không có chirp ....... 56 3.2.2.2 Khảo sát xung vào có dạng secant – hyperbol có chirp ..................... 57 3.2.2.2.1. Chirp tuyến tính ............................................................................ 57 3.2.2.2.2. Chirp phi tuyến .............................................................................. 60 3.2.3. Ảnh hưởng của chirp đối với dạng xung secant – hyperbole khi đi qua môi trường hấp thụ bão hoà và môi trường khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser CPM.......................................................................................................... 68 3.2.4.1. Trường hợp xung vào dạng secant – hyperbole không chirp .......... 68 3.2.4.2. Trường hợp xung dạng secant – hyperbole có chirp ........................ 69 3.2.4.2.1 Chirp tuyến tính ............................................................................. 69 3.2.4.2.2. Chirp phi tuyến ................................................................................... 73 KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 4
5. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a0: Biên độ cực đại của xung CW: Bơm liên tục c: Vận tốc ánh sáng trong chân không C: Tham số chirp D: Tham số tán sắc và có đơn vị ps GDV: Tán sắc vận tốc nhóm G: Hệ số khuếch đại FL: Mật độ dòng photon abs Is : Cƣờng độ hấp thụ bão hoà Ld: Chiều dài một sợi đơn mode LD: Độ dài tán sắc c n2 : Hệ số chiết suất phi tuyến n1, n2, n3: Mật độ hạt (độ tích luỹ) của nguyên tử ở các mức 1,2,3. n: Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tƣơng tác N: Bậc của Soliton ng: Chiết suất nhóm SPM: Sự tự biến điệu pha SAM: Sự tự biến điệu biên độ Tc: Khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hoà và môi trƣờng khuếch đại u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hoà  p : Năng lƣợng xung 4
6.  L : Độ rộng xung 12 : (Thƣờng viết tắt là T2), thời gian tích thoát( hồi phục) ngang  : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng  : Độ rộng phổ của xung 2 : Tham số GDV : Toán tử mật độ  L : Tần số của laser 5
7. MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phƣơng pháp quang phổ học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển vƣợt bậc, các đối tƣợng và phạm vi ứng dụng đƣợc mở rộng hơn. Đặc biệt cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi hỏi thông tin phải đƣợc truyền với tốc độ cao, xung càng ngắn thì thông tin truyền càng nhanh. Sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan trọng trong thông tin quang. Vì vậy nghiên cứu về xung cực ngắn là một vấn đề cần thiết. Khi xung sáng truyền trong môi trƣờng phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tƣợng tán sắc vận tốc nhóm ( GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trên đƣờng truyền thì việc khảo sát ảnh hƣởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là ảnh hƣởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trọng. Thực nghiệm đã chứng tỏ dùng phƣơng pháp khóa mode bị động của laser màu để thu đƣợc xung cực ngắn bằng cách dùng nguồn bơm là laser ngắn cỡ fs kết hợp với buồng cộng hƣởng dạng vòng và sử dụng kết hợp với chất hấp thụ bão hòa đặt bên trong buồng cộng hƣởng. Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đề tài ảnh hƣởng của chất hấp thụ bão hòa và môi trƣờng khuếch đại đối với sự rút ngắn xung khi không có chirp. Nhƣng khi có chirp thì chƣa đƣợc khảo sát. Vì vậy để thấy đƣợc sự ảnh hƣởng của chirp lên dạng xung nhƣ thế nào, tôi đã lựa chọn khảo sát vấn đề này với xung Secant – hyperbole. Bố cục luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Sự tạo thành xung cực ngắn Chƣơng 2: Laser màu xung cực ngắn Chƣơng 3: Ảnh hƣởng của chirp đối với xung dạng Secant – Hyperbole khi đi qua môi trƣờng khuếch đại và hấp thụ bão hoà trong buồng cộng hƣởng CPM 8
8. Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu xót và hạn chế, rất mong đƣợc sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn! 9
9. Chƣơng 1: SỰ TẠO THÀNH XUNG CỰC NGẮN 1.1. Mở đầu Xung cực ngắn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kĩ thuật. trong quang phổ học laser, xung cực ngắn đƣợc dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hoá, sinh. Đặc biệt trong thông tin quang, xung sáng cực ngắn thƣờng đƣợc sử dụng để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin. Có hai nguyên tắc phổ biến để phát xung laser cực ngắn là: nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất Q ( Q-Switching) và nguyên tắc đồng bộ mode. Cả hai nguyên tắc này đều sử dụng cơ chế biến điệu trong buồng cộng hƣởng và dẫn đến nhiều phƣơng pháp phát xung laser cực ngắn khác nhau. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất với các phƣơng pháp nhƣ: quay gƣơng, khoá điện quang, sử dụng các chất màu hấp thụ bão hoà. Nguyên tắc khoá mode thƣờng sử dụng các phƣơng pháp chủ yếu là khoá mode chủ động, bơm đồng bộ hoặc khoá mode bị động. 1.2. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất Độ phẩm chất Q đo sự mất mát trong buồng cộng hƣởng, độ phẩm chất càng cao thì độ mất mát trong buồng cộng hƣởng càng thấp. Quá trình có xung cực ngắn đƣợc phát ra khi có sự chọn lựa hệ số Q của buồng cộng hƣởng gọi là “biến điệu độ phẩm chất”. Mặc dù đạt đƣợc điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ nhƣng nếu tại thời điểm kích thích môi trƣờng hoạt chất, mất mát trong buồng cộng hƣởng lớn, độ phẩm chất Q thấp thì không thể phát đƣợc laser. Khi đạt tới ngƣỡng thì Q đột ngột tăng dẫn đến phát laser có năng lƣợng lớn. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện cơ, điện quang, từ quang và quang hoá trong buồng cộng hƣởng. Khi van đóng, bơm kích thích có thể tạo đƣợc hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngƣỡng nhiều nhƣng laser không phát. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hƣởng có giá trị nhỏ [2]. Sau đó nhanh chóng mở rộng van thì độ phẩm chất Q của buồng 10
10. cộng hƣởng tăng lên đột ngột, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dƣới. Vì vậy hiệu độ tích luỹ giảm rất nhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lƣợng lớn, thời gian xung ngắn (10-7- 10-9s ) và công suất cao (10 ÷ 103 MW).  Trên nguyên tắc này đã có một số phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc khảo sát nhƣ: - Phƣơng pháp quay gƣơng - Phƣơng pháp khoá điện quang - Phƣơng pháp sử dụng các chất màu hấp thụ bão hoà 1.3. Nguyên tắc đồng bộ mode Khi laser làm việc ở chế độ đa mode, các mode phát không đều tạo nên các đỉnh không đều nhau. Tuy nhiên nếu bằng cách nào đó giữ cho các mode đƣợc phát có biên độ gần nhƣ nhau và pha của chúng đƣợc đồng bộ thì thu đƣợc xung có công suất lớn. Chế độ hoạt động không dừng này đƣợc gọi là chế độ đồng bộ mode của laser. Môi trƣờng khuyếch đại ánh sáng đƣợc đặt trong buồng cộng hƣởng gồm hai gƣơng cách nhau một đoạn L chỉ có những tần số quang học  q qc2 L là tập hợp các mode của laser. Khi phát trong vùng đa mode cƣờng độ lối ra của laser phụ thuộc vào thời gian. Để đơn giản, xét N mode dao động dạng hàm sin có các tần số góc i , các pha giống nhau tại thời điểm t=0, với biên độ E bằng nhau ( Eii Esin t ) và i k  i k  , k là số nguyên, là độ rộng phổ cố định. Tại t = 0, biên độ tổng hợp ET=NE do tất cả các thành phần đƣợc định hƣớng dọc theo trục X theo giản đồ Fresnel hình (1.1 a). Sau khoảng thời gian  , véc tơ biểu diễn quay đi một góc: i t và độ chênh lệch góc  giữa hai mode liên tiếp ( hình 1.2b):  . t (1.1) Khi  2 N thì biên độ tổng hợp ET 0 , tức là t  , trong đó: 11