Nén xung ngắn bằng vòng sợi quang khuếch đại raman bơm ngược phối hợp với bộ liên kết bán phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ CHU VĂN BIÊN NÉN XUNG NGẮN BẰNG VÒNG SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI RAMAN NGƯỢC PHỐI HỢP VỚI BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN Ch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

CHU VĂN BIÊN

NÉN XUNG NGẮN BẰNG VÒNG SỢI QUANG KHUẾCH ĐẠI RAMAN NGƯỢC PHỐI HỢP VỚI BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 62 44 01 09

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2016

Công trình được hoàn thành tại:

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính cấp thiết của đề tài

Phương pháp nén xung sử dụng môi trường khuếch đại Raman bơm ngược đã được nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm trong môi trường plazma, khí áp suất cao và đã tạo ra xung có độ rộng giảm xuống đến hàng trăm lần so với xung bơm Trong những năm gần đây khi sợi quang phi tuyến, hay sợi quang ống (hollow fiber) chứa các đầy môi trường tán xạ Raman đã được sử dụng nén

xung theo nguyên lý khuếch đại Raman bơm ngược

Song song với những nghiên cứu nén xung bằng khuếch đại Raman bơm ngược là những nghiên cứu về bộ liên kết quang phi tuyến bốn cổng hoặc nhiều cổng Ngoài tính chất tách sóng theo bước sóng và theo cường độ, theo dự đoán của chúng tôi, bộ liên kết còn có tính chất rút ngắn độ rộng xung ở một mức nhất định nào đó Tính chất lọc lựa của bộ liên kết phi tuyến sẽ rút ngắn độ rộng xung

tín hiệu Tính chất này vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

và chưa được ứng dụng trong thực tế Một ý tưởng mới của chúng tôi

là phối hợp môi trường khuếch đại Raman bơm ngược có khả năng nén xung với bộ liên kết bán phi tuyến cũng có khả năng rút ngắn

xung Ý tưởng này đã thể hiện ở luận án với tiêu đề: “Nén xung

ngắn bằng vòng sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược phối hợp với bộ liên kết bán phi tuyến”

2 Mục tiêu của luận án:

Trên cơ sở tính chất khuếch đại Raman ngược trong môi trường Raman (hay sợi quang) và tính chất lọc lựa quang của bộ liên kết bán phi tuyến, đề xuất trên lý thuyết các hệ nén xung quang kết hợp từ môi trường tán xạ Raman và bộ liên kết bán phi tuyến

3 Nội dung nghiên cứu:

Thiết lập các phương trình mô tả các quá trình khuếch đại trong sợi quang Raman, các phương trình vào ra của bộ liên kết bán

phi tuyến

Đề xuất mô hình lý thuyết các hệ nén xung kết hợp vòng khuếch đại Raman ngược với bộ liên kết bán phi tuyến với hai cấu hình: nén chủ động (sử dụng bơm ngoài) và tự nén (không sử dụng bơm ngoài)

Phân tích quá trình hoạt động, thiết kế qui trình mô phỏng và dùng phần mềm Maple mô phỏng để minh chứng khả năng nén xung của các hệ đề xuất Đi tìm điều kiện ngưỡng để xuất hiện hiệu ứng nén cho từng mô hình

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Hiệu ứng khuếch đại Raman ngược trong sợi quang (pha tạp Germanium); Hiệu ứng cắt gọt xung của bộ liên kết bán phi tuyến;

Hệ nén xung lặp quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục với liên kết bán phi tuyến; Hệ tự nén xung quang kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược với bộ liên kết bán phi tuyến

Phạm vi nghiên cứu chỉ nghiên cứu mô hình lý thuyết, xét đến các quá trình dừng và chỉ khảo sát với bộ liên kết bán phi tuyến

5 Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài kết hợp phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết với phương pháp mô hình hóa Dùng phương pháp mô hình để nghiên cứu xây dựng trên lý thuyết các hệ nén xung dựa trên cơ sở kết hợp giữa khuếch đại Raman bơm ngược với bộ liên kết bán phi tuyến

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý tưởng mới là đề xuất các hệ rút ngắn xung bằng cách kết hợp giữa khuếch đại Raman bơm ngược và rút ngắn xung của bộ liên kết bán phi tuyến

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy khả năng nén xung của các hệ

mà luận án đề xuất là rất khả quan Kết quả của luận án là cơ sở tin

cậy cho việc chế tạo các hệ nén xung

B NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

Nội dung luận án được trình bày trong 4 chương Chương 1 trình bày tổng quan về khuếch đại Raman bơm ngược và liên kết bán phi tuyến Chương 2 khảo sát đặc trưng rút ngắn xung lọc lựa của bộ liên kết bán phi tuyến nhằm mục đính tìm ra các bộ tham số phục vụ cho chương 3 và chương 4 Chương 3 đề xuất hai hệ nén xung kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục với liên kết bán phi tuyến: hệ MTPFC1 và MTPFC2 Chương 4 đề xuất hai hệ tự nén xung quang kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược với bộ liên kết bán phi tuyến: OPSC cấu hình vòng và OPSC cấu hình thẳng

Chương 1: KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC

VÀ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 1.1 Các nguyên lý phát xung laser ngắn

*Nén xung trong buồng cộng hưởng: Biến điệu chủ động; Biến

điệu thụ động; Biến điệu đồng bộ pha

*Nén xung ngoài buồng cộng hưởng: Nén xung dựa trên hiệu ứng

tán sắc; Nén xung dựa trên hiệu ứng phi tuyến

Phương pháp dựa trên nguyên lý khuếch đại Raman bơm ngược

và làm ngắn xung nhờ liên kết phi tuyến là vấn đề nóng hổi được

quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây

1.2 Khuếch đại Raman bơm ngược

1.2.1 Khuếch đại Raman cưỡng bức

Tốc độ biến đổi số photon Stokes theo phương z:

m z =m e

1.2.2 Hệ phương trình tương tác cho khuếch đại Raman bơm ngược

Nguyên lý nén

xung theo nguyên lý

khuếch đại Raman bơm

ngược được trình bày

trong hình 1.5

*Hệ phương trình tốc

độ của các đại lượng

liên kết có thể viết như

1.2.3 Hệ số khuếch đại

*Hệ số khuếch đại Raman tổng sau N lần đụng đầu sẽ là:

/2 1

1 exp

p

L N

1.2.4 Một số cấu hình khuếch đại và nén xung:

+ Hệ khuếch đại Raman bơm ngược trong plasma điển hình được J Ren và cộng sự thiết kế

+ Cấu hình bộ nén xung tán sắc

Hình 1.5 Nguyên lý nén xung b ằng khuếch đại Raman bơm ngược [25]

+ Cấu hình nén xung sử dụng sợi quang tán sắc thường và bộ nén tán sắc

+ Cấu hình nén xung sử dụng sợi quang tán sắc dị thường

+ Cấu hình nén xung tương tự

+ Cấu hình khuếch đại Raman bơm ngược

1.3 Liên kết phi tuyến

1.3.1 Cấu hình bộ liên kết phi tuyến sợi quang

Bộ liên kết bán phi tuyến gồm một sợi có hệ số chiết suất phi tuyến lớn (hay gọi là sợi Kerr) và một sợi tuyến tính có hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ không đáng kể

Hình 1.20 B ộ liên kết bán phi tuyến [27]

1.3.2 Hệ số truyền và đặc trưng truyền của bộ liên kết bán phi tuyến

Hệ số truyền qua của bộ liên kết bán phi tuyến:

nl nl

1.3.3 Một số cấu hình xử lý tín hiệu soliton

Dựa vào tính chất phi tuyến của hệ số truyền một số cấu hình

bộ liên kết phi tuyến sử dụng cho mục đích xử lý tín hiệu soliton đã

được đề xuất như: khóa soliton, tách soliton, phát soltion…

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này, đã trình bày một số khái niệm về tán xạ Raman cưỡng bức, khuếch đại Raman, nguyên lý “nén xung” (pulse compression) sử dụng khuếch đại Raman bơm ngược, một số cấu hình khuếch đại và nén xung ứng dụng khôi phục tín hiệu thông tin quang Đồng thời cũng đã giới thiệu về bộ liên kết phi tuyến quang, một số đặc trưng và ứng dụng của chúng trong xử lý tín hiệu quang, đặc biệt các soliton quang

Từ nguyên lý khuếch đại và các cấu hình nén xung sử dụng Raman bơm ngược cũng như tính chất của bộ liên kết phi tuyến, đặc biệt tính chất tách tín hiệu lọc lựa theo cường độ vào, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét sau:

i) Những vấn đề khoa học liên quan đến ảnh hưởng của quá trình khuếch đại Raman bơm ngược lên sự biến dạng xung tín hiệu hay nén xung trong sợi quang nhờ khuếch đại Raman bơm ngược vẫn chưa được đề cập

ii) Nhờ khuếch đại Raman bơm ngược, một xung mầm được khuếch đại và do đó, cường độ đỉnh tăng lên đáng kể, mặc dù thời gian kéo dài xung hầu như không thay đổi (tuy nhiên, độ rộng xung tính tại ½ đỉnh sẽ thay đổi) Với mục đích rút ngắn xung, các xung sau khi khuếch đại được rút ngắn nhờ hệ nén xung tán sắc

iii) Bộ tách tín hiệu quang phi tuyến sẽ tách tín hiệu cổng vào thành hai tín hiệu ở hai cổng ra Dạng tín hiệu ở các đầu ra phụ thuộc vào cường độ tín hiệu vào Đặc biệt, độ rộng xung tín hiệu ra ở hai cổng

có thể nhỏ hơn so với độ rộng xung vào

Chương 2 KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG RÚT NGẮN XUNG LỌC LỰA

CỦA BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN

2.1 Cấu hình đề xuất

Cấu hình cơ bản của bộ

liên kết bán phi tuyến được

trình bày trong hình 2.1

2.2 Biểu thức cường độ tín

hiệu ra

Quan hệ giữa cường độ

tín hiệu vào và tín hiệu ra ở

1 16

4 1

( )

1 16

c n I

c n I C

a) b)

Hình 2.2 Đặc trưng truyền của bộ liên kết theo cường độ;

η11 – I 1 (đường nét vạch);η12 – I 1 (đường liền nét);

a) l C = 2mm; b) l C = 4mm;

Hình 2.1 C ấu hình của bộ liên kết bán phi tuyến.

Hình 2.3 Đặc trưng truyền của bộ liên kết theo

bước sóng tín hiệu vào

η11 – λ (đường nét vạch);η12 – λ(đường liền nét);

a) l C = 2mm và I vào = 0,72×10 12 W/m 2 ; b) l C = 4mm và I vào = 0,55×10 12 W/m 2 ; c) l C = 4mm và I vào = 0,37×10 12 W/m 2 ;

( )

t T kT T

Hình 2.5 Tách xung khi truy ền qua bộ liên kết phi tuyến

a – xung vào; b – xung ra cổng 1; c – xung ra cổng 2

2.5 Rút ngắn xung

*Tối ưu xung ra cổng 1

Xét xung Gaussian: I vao I maxexp ln 2t22

τ

Với: n nl = 1,0.10 -12 m 2 /W ; l C = 2mm ; C = 0,694mm -1; λ = 1,57µm ; 2τ = 2,0.10 -9 s ; I max = 0,4.10 12

W/m 2 đến 1,1.10 12 W/m 2

+Khảo sát theo cường độ:

Qua khảo sát ta thấy, với bộ tham số: n nl = 1,0.10 -12 m 2 /W , l C = 2mm ;C = 0,694mm -1, λ = 1,57µm , 2τ = 2,0.10 -9 s, xung ra ở cổng thứ

0,75); I vao - đường chấm, I ra1 -

đường vạch và I ra2 - đường liên

I vao - đường chấm, I ra1 - đường vạch và

I ra2 - đường liên tục.

*Tối ưu xung ra cổng 2

*Khảo sát theo chiều dài liên kết: Bộ

tham số tối ưu cho xung ra ở cổng thứ 2

I vao - đường chấm, I ra1 - đường vạch và

I ra2 - đường liên tục

*Tối ưu xung ra cổng 1 và cổng 2: Bộ tham số phù hợp là C =

0,694mm -1 , n nl = 1,0.10 -12 m 2 /W , l C = 4,2mm, 2τ = 2.10 -9 s , I max = 0,4.10 12 W/m 2

Hình 2.31 Độ rộng xung ra khi I max = 0,4.10 12 W/m 2 ; λ = 1,570 µm:

i) Nếu chọn bộ tham số của cường độ tín hiệu vào và bộ liên kết bán phi tuyến phù hợp, một xung tín hiệu cổng vào có thể được tách ra thành các xung ở hai cổng ra Dạng xung ở hai cổng ra thay đổi phụ thuộc vào các tham số của bộ liên kết và cường độ tín hiệu vào ii) Khi tín hiệu vào là một xung, thì xung ở hai cổng ra có độ rộng xung thay đổi phụ thuộc vào chiều dài vùng liên kết, cường độ đỉnh xung vào và hệ số chiết suất phi tuyến Độ rộng xung ra ở cổng thứ hai luôn ngắn hơn độ rộng xung vào

iii) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung ở

cổng thứ nhất (còn xung ra ở cổng thứ hai loại bỏ): n nl = 1,0.10 -12 m 2 /W ), l C =1,9mm, C=0,694mm -1 , λ =1,57µm, I max = 0,75.10 12 W/m 2 , với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns

iv) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung ở

cổng thứ hai (còn xung ra ở cổng thứ nhất loại bỏ): n nl = 1,0.10 -12 m 2 /W , l C = 4,20mm, C=0,694mm -1 , λ =1,57µm, I max = 0,5625.10 12 W/m 2 với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns

v) Bộ liên kết bán phi tuyến với tham số tối ưu cho việc nén xung ở cổng thứ hai (để làm xung mầm) và xung ra ở cổng thứ nhất gần

giống hệt xung ban đầu (để làm xung bơm): n nl =1,0.10 -12 m 2 /W,

l C =4,20mm, C=0,694mm -1 , λ=1,472µm, I max = 0,4.10 12 W/m 2

Chương 3

HỆ NÉN XUNG KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC LIÊN TỤC VỚI LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN 3.1 Hệ nén xung bằng cách tăng cường độ đỉnh

3.1.1 Cấu hình và nguyên lý hoạt động

Cấu hình nguyên lý cơ bản của hệ nén xung quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên

tục và liên kết bán phi tuyến

MTPFC1 được trình bày trên hình

Bước 1: Truyền qua bộ -3dBOC;

Bước 2: Truyền qua bộ SNOC;

Bước 3: Truyền qua sợi quang khuếch đại;

Bước 4: Thực hiện lại bước 1:

Quá trình này được lặp lại bằng cách sử dụng “Xung nén” lần

thứ i làm “Xung đầu vào” cho quá trình nén lần thứ i+1

3.1.3 Khảo sát quá trình nén xung

*Bộ SNOC: n nl = 1,0×10 -12 m 2 /W ; l C = 1,9mm ; C = 0,694mm -1

*Bộ BCWRFA: l R = 10m, α = 0; g = 4,5×10 -14 m/W ; I p = 2,5×10 12 W/m 2, λ = 1472nm (xung bơm); I max = 1,5×10 12 W/m 2;

2τ = 2,0×10-9s; λ = 1570nm (xung mầm)

3.1.3.1 Rút ngắn xung lần thứ nhất qua bộ SNOC

Xung I ra,7 (t) ở cổng 7 của bộ SNOC có cường độ đỉnh vẫn là

0,75×10 12 W/m 2 , nhưng độ rộng xung rút ngắn lại còn 1,32×10 -9 s, giảm 1,5 lần

3.1.3.2 Khuếch đại lần thứ nhất

Sau khi khuếch đại lần thứ nhất, chúng thu được xung với độ rộng ≈ 1,29×10 -9 s và cường độ đỉnh ≈ 11,56×10 11 W/m 2 So với xung vào thì cường độ đỉnh của xung nén lần thứ nhất tăng 1,5 lần, độ rộng xung được rút ngắn còn lại bằng 64% xung ban đầu Điều này

cho thấy hiệu suất rút gọn xung của hệ MTPFC1

3.1.4 Ảnh hưởng của một số tham số lên hệ số nén

3.1.4.2 Tối ưu hệ số nén

Bảng 3.2 Hiệu suất nén xung của hệ MTPFC1 sau

lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác nhau

1) Khi giá trị hệ số (I p gl R ) tăng, công suất đỉnh của xung sẽ tăng lên;

2) Độ rộng xung thay đổi rất ít khi (I p gl R ) tăng; độ rộng xung dao động trong khoảng (1,23÷1,28).10-9s khi (I p gl R ) thay đổi trong khoảng từ 0,9 đến 2,3;

3) Hệ số nén η = 1 , giá trị ngưỡng (I p gl R ) = 0,54 với g = 4,5.10-14

m/W tương ứng với cường độ laser bơm ngưỡng I p = 1,2.10 12 W/m 2, đây là cường độ mức trung bình của laser thông dụng hiện nay

3.2 Hệ nén xung bằng cách giảm độ rộng xung

Cấu hình của hệ nén xung lặp quang sợi kết hợp khuếch đại Raman bơm ngược liên tục và liên kết bán phi tuyến MTPFC2 được trình bày trên hình 3.13

chỗ tín hiệu được lấy ra từ bộ liên

kết bán phi tuyến là cổng thứ hai

*Bộ SNOC: n nl = 1,0×10 -12 m 2 /W ; l C = 4,2mm ; C = 0,694mm -1

*Bộ BCWRFA: l R = 10m; α = 0 ; g = 4,5×10 -14 m/W ;

I p = 3,6×10 12 W/m 2;λ = 1472nm (xung bơm); I max = 1,125×10 12 W/m 2;

2τ = 2,0×10 -9 s;λ = 1570nm (xung mầm)

3.2.1 Rút ngắn xung lần thứ nhất qua bộ SNOC

Xung I ra,6 (t) ở cổng 6 của bộ SNOC có cường độ đỉnh giảm

xuống còn khoảng 2,25×10 11 W/m 2, giảm 2,5 lần so với cường độ đỉnh của xung vào, độ rộng xung rút

ngắn lại còn 1,0×10 -9 s, giảm hai lần

3.2.2 Khuếch đại lần thứ nhất

Hình 3.18 So sánh xung nén l ần 0, 1,

2 và 3 trong hệ MTPFC2

Quá trình thực hiện mô phỏng cho

thấy, qua các lần nén thì cường độ

đỉnh giữ ổn định còn độ rộng xung

giảm dần và từ lần nén thứ ba trở đi xung nén xung nén giữ ổn định (hình 3.18) Điều này có thể giải thích dựa theo tính chất rút ngắn xung lọc lựa của bộ liên kết bán phi tuyến SNOC, theo đó, xung sau

khi nén lần 3 đã trở thành xung vuông với cường độ đỉnh không đổi

do có sự cân bằng giữa quá trình khuếch đại và mất mát Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.3

Tiếp theo chúng ta khảo sát xung nén sau ba chu kì khi thay

đổi giá trị (I p gl R ) từ 1,52 đến 1,66 tương ứng với cường độ bơm từ 3,38.1012 W/m2 đến 3,69.1012 W/m2

Bảng 3.4 Hiệu suất nén xung của hệ MTPFC2 sau

lần thứ ba với hệ số khuếch đại khác nhau