Nghiên cứu quá trình Mode-Lock trong Laser sợi trên cơ sở vật liệu quang tử cấu trúc NaNô

đại học quốc gia hà nội tr-ờng đại học Công nghệ Đặng Hoàng long nghiên cứu Quá trình mode-lock trong laser sợi trên cơ sở vật liệu quang tử cấu trúc nanô Ngành: Khoa học và Công ng

đại học quốc gia hà nội

tr-ờng đại học Công nghệ

Đặng Hoàng long

nghiên cứu Quá trình mode-lock trong laser sợi trên cơ sở vật liệu

quang tử cấu trúc nanô

Ngành: Khoa học và Công nghệ Nanô

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô

Mã số:

luận văn thạc sỹ

Hà nội – 2005

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới

tôi trong thời gian thực hiện khoá luận

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.VS Nguyễn Văn Hiệu ng-ời đã soi

đ-ờng chỉ lối và luôn khuyến khích động viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng nh- thời gian thực hiện luận văn

Cũng nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô tr-ờng Đại học Công nghệ-ĐHQGHN đã tận tình chỉ dạy, trang bị kiến thức và tạo điều kiện để tôi có thể học tập tốt trong suốt những năm qua Trong thời gian thực hiện luận văn tôi đã nhận đ-ợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các anh chị và các bạn

đồng nghiệp ở phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi-Viện Khoa học vật liệu Cuối cùng, tôi đặc biệt cảm ơn những ng-ời thân trong gia đình đã cổ

vũ động viên tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, tháng 11 năm 2005

Đặng Hoàng Long

Mục lục

Trang

Mở đầu 1

Ch-ơng 1: Laser sợi pha tạp Erbium 3

1.1 Sự khuếch đại quang sợi 3

1.1.1 Giản đồ mức năng l-ợng 3

1.1.2 Các ph-ơng trình tốc độ 5

1.1.3 Các tính chất của khuếch đại quang 11

1.2 Laser sợi 13

1.2.1 Ng-ỡng phát laser 13

1.2.2 Công suất laser ra và hiệu suất chuyển đổi 16

1.3 Hiệu ứng nồng độ cao 20

Ch-ơng 2: Ph-ơng pháp mode-lock 24

2.1 Mở đầu 24

2.2 Nguyên lý hoạt động của chế độ mode-lock 27

2.3 Các ph-ơng pháp mode-lock 32

2.3.1 Ph-ơng pháp mode-lock chủ động 32

2.3.2 Ph-ơng pháp mode-lock bị động 36

2.4 Các yếu tố ảnh h-ởng tới quá trình mode-lock trong laser sợi 37

Ch-ơng 3: Kỹ thuật thực nghiệm 40

3.1 Xây dựng hệ thí nghiệm 40

3.2 Các vật liệu và thiết bị dùng trong thí nghiệm 44

3.2.1 Sợi quang pha tạp Er nồng độ cao 44

3.2.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 45

3.2.3 Các thiết bị khác 49

Ch-ơng 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận 50

4.1 Nghiên cứu sự bức xạ của laser sợi 50

4.2 Nghiên cứu quá trình mode-lock trong laser sợi 52

4.2.1 Đặc điểm vể phổ bức xạ 52

4.2.2 Đặc điểm về tần số dao động của laser trong buồng cộng h-ởng 53

4.2.3 Đặc điểm về dạng xung laser ra 58

Kết luận 62

Các công trình của tác giả có liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Mở đầu

Ngay sau khi laser đầu tiên ra đời vào năm 1960 ng-ời ta đã quan tâm đến việc phát xung quang học ngắn Sự phát minh ra các ph-ơng pháp mode-lock vào khoảng cuối những năm 70 đã tạo ra các xung có thời gian cỡ nano giây Ngày nay vật lý và kỹ thuật phát xung laser ngắn đã phát triển mạnh mẽ và thu đ-ợc nhiều thành tựu

Laser xung cực ngắn đ-ợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, cả trong khoa học lẫn trong công nghiệp Giá trị của xung laser cực ngắn nằm ở những đặc tính thời gian và tần số của chúng Trong phạm vi thời gian, các xung laser ra có c-ờng độ lớn trong khoảng thời gian cực nhỏ lên đến femto giây Trong phạm vi tần số, đoàn xung

đ-ợc tạo ra sau khi thực hiện mode-lock bao gồm một phổ rộng các mode cách đều nhau

có mối quan hệ về pha chặt chẽ Laser xung cực ngắn có khả năng thăm dò tự nhiên đến thang đo thời gian cỡ femto giây, cho phép giải quyết một l-ợng lớn các nghiên cứu về phản ứng hoá học, sinh học, vật lý ở tốc độ cao Chẳng hạn những laser có khả năng khởi

động và điều khiển các phản ứng hoá học tốc độ cao, sự nghiên cứu các quá trình tĩnh và hiện t-ợng biến đổi, giải quyết động lực học phân tử, khảo sát sự t-ơng tác giữa ánh sáng

và vật chất đồng thời laser xung femto giây có ứng dụng lớn trong các thiết bị chính xác

sử dụng trong y tế Đây là lĩnh vực khoa học hiện đại, đã và đang phát triển trên thế giới trên suốt hơn một thập kỷ qua Những ứng dụng tiềm năng nằm trong cả những lĩnh vực nh- thông tin, quá trình xử lý tín hiệu và điện tử tốc độ cao Trong lĩnh vực tần số, phổ rộng của những mode cách đều nhau có thể sử dụng nh- một th-ớc đo tần số phía trong

đồng thời cũng có thể sử dụng nh- một cầu tần số để nỗi các vùng tần số xa nhau Chính vì vậy, ng-ời ta luôn mong muốn tạo ra những laser xung cực ngắn

Hiện nay các chất bán dẫn có cấu trúc nanô và các ion đất hiếm (nh- Er3+-, Nd3+, ) pha tạp trong nền thuỷ tinh Silica thuộc lớp vật liệu quang đang đ-ợc quan tâm nghiên cứu do những đặc tính -u việt của nó Qua những nghiên cứu về sợi quang pha tạp Erbium cho thấy khả năng tạo các hiệu ứng khuếch đại trong vùng b-ớc sóng 1530-1570nm thuộc cửa sổ thứ hai của hệ thống thông tin quang Với mong muốn nâng cao hiệu suất và giảm chiều dài trong các bộ khuếch đại sợi và laser sợi, ng-ời ta đã tìm cách tăng nồng độ pha

tạp dẫn đến hiện t-ợng tụ đám và gây nên một số hiệu ứng bất lợi tuy nhiên chúng đang dần đ-ợc khắc phục Các chất bán dẫn cấu trúc nanô cũng có những đặc tính đặc biệt mà cấu trúc ba chiều (bán dẫn khối) không có Các vật liệu mới này giúp tạo ra các linh kiện, thiết bị dựa trên nguyên tắc hoàn toàn mới, mang tính cách mạng trong công nghệ vi điện

tử, quang phi tuyến và rất nhiều các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật khác

Kết hợp những -u điểm đó cùng các ứng dụng rất lớn của laser xung ngắn, bản luận văn này đ-ợc thực hiện với mục đích nghiên cứu về đặc tính của laser sợi pha tạp Erbium và ph-ơng pháp mode-lock cho laser sợi trên cơ sở vật liệu quang tử cấu trúc nanô

Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận đ-ợc chia thành 4 ch-ơng:

Ch-ơng 1: Trình bày về cơ sở lý thuyết của laser sợi Qua đó tìm hiểu các tính chất

và đặc tr-ng chủ yếu của laser sợi pha tạp Erbium

Ch-ơng 2: Nói về nguyên lý và các ph-ơng pháp tiến hành mode-lock cho laser

nói chung và laser sợi nói riêng Ngoài ra các yếu tố ảnh h-ởng tới quá trình mode-lock cho laser sợi pha tạp Erbium cũng sẽ đ-ợc đề cập đến

Ch-ơng 3: Ch-ơng này trình bày về phần kỹ thuật thực nghiệm: cách xây dựng hệ

thí nghiệm, các vấn đề vật lý và kỹ thuật liên quan trực tiếp đồng thời tìm hiểu về một số vật liệu quang tử cấu trúc nanô, các thiết bị đ-ợc sử dụng trong quá trình thí nghiệm

Ch-ơng 4: Kết quả thí nghiệm và thảo luận Ch-ơng này sẽ phân tích các quá trình

vật lý, các đặc tính về phổ bức xạ, tần số và dạng xung laser ra Kết quả thu đ-ợc ở ch-ơng này cũng cho thấy sự phù hợp giữa các tính toán lý thuyết, lý thuyết giải thích và thực nghiệm

Ch-ơng 1

Laser sợi pha tạp Erbium

Laser bao gồm ba bộ phận chính là hoạt chất, buồng cộng h-ởng và bộ phận kích thích hay bơm [5] Sợi pha tạp là hoạt chất dùng trong laser sợi, nguồn bơm là laser bán dẫn có b-ớc sóng thích hợp Laser sợi có một số cấu hình khác nhau nh- dạng buồng cộng h-ởng vòng (hình 1.1a) hoặc buồng cộng h-ởng Fabry-Ferot tạo bởi hai g-ơng (hình 1.1b)

Hình 1.1 Sơ đồ cấu hình laser sợi buồng cộng h-ởng dạng vòng (a) và buồng cộng h-ởng

Fabry-Perot tạo bởi hai g-ơng (b)

Trong ch-ơng này chúng ta sẽ xây dựng mô hình toán học cụ thể cho laser sợi

Đầu tiên là xét đến sự khuếch đại quang sợi, từ đó rút ra biểu thức giải tích cho hệ số khuếch đại và là cơ sở để tính toán quá trình phát laser: ng-ỡng bơm, công suất laser ra, hiệu suất chuyển đổi Mô hình này áp dụng cho loại sợi pha tạp kiểu đơn mode, chiết suất nhảy bậc và chất pha tạp chỉ pha tạp trong vùng lõi với nồng độ đồng đều trên toàn sợi

1.1 Sự khuếch đại quang sợi

1.1.1 Giản đồ mức năng l-ợng

Với khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium, cách đơn giản nhất là xét sự khuếch đại trong hệ 3 mức Hầu hết các đặc tr-ng quan trọng của khuếch đại có thể thu đ-ợc qua mô hình hệ 3 mức này [11]

Xét hệ 3 mức nh- hình vẽ với:

 Mức 1 là mức cơ bản (ion ở mức này gọi là ở trạng thái cơ bản)

G-ơng 1 G-ơng 2

Sợi pha tạp

Sợi pha tạp

Coupler Coupler

 Mức 2 là mức siêu bền (ion ở mức này gọi là ở trạng thái kích thích)

 Mức 3 là mức trung gian (t-ơng đ-ơng với mức hấp thụ photon bơm gọi là dải bơm)

Trong cấu trúc mức năng l-ợng của Er3+ các mức 1, 2 và 3 t-ơng ứng là các mức

4I15/2, 4I13/2 và 4I11/2 [7]

Hình 1.2 Sơ đồ hệ ba mức năng l-ợng

Photon bơm bị hấp thụ bởi các ion tại mức 1 và nhảy lên mức 3 Do mức 3 có thời gian sống rất ngắn nên các ion này sẽ phân rã một cách nhanh chóng không bức xạ xuống mức 2 Từ mức 2 điện tử chuyển dời xuống mức 1 đồng thời bức xạ ra các photon tự phát

hoặc photon kích thích Bức xạ tự phát đ-ợc đặc tr-ng bởi thời gian sống tự phát τ2 và bức

xạ kích thích đ-ợc đặc tr-ng bởi tiết diện hiệu dụng σ e Photon tín hiệu cũng có thể bị hấp thụ từ trạng thái cơ bản (gọi tắt là GSA: Signal photon ground state absorption) từ mức 1

lên mức 2 và đ-ợc đặc tr-ng bởi tiết diện hấp thụ hiệu dụng σ a

Trong tr-ờng hợp lý t-ởng của hệ laser ba mức thì tỷ số γ s = σ a /σ e bằng đơn vị Tuy nhiên đối với thuỷ tinh silica pha tạp Erbium các mức 1 và 2 (t-ơng ứng mức 4I15/2 và

4I13/2) có sự tách mức Stark Do vậy đối với b-ớc sóng tín hiệu thì tiết diện hấp thụ và bức

xạ hiệu dụng nói chung là không bằng nhau và tỷ số γ s không phải luôn bằng đơn vị Tỷ

số này phụ thuộc vào b-ớc sóng tín hiệu và đã đ-ợc quan sát bởi thực nghiệm trên laser

Sự hấp thụ photon

bơm từ trạng thái

cơ bản

Sự hấp thụ photon tín hiệu

Sự bức xạ photon tín hiệu

Trạng thái kích thích

Sự hấp thụ photon bơm từ trạng thái kích thích

Dải bơm

R 13

R 24

Trạng thái cơ bản

sợi pha tạp Erbium [16] Tỷ số γ s là một thông số quan trọng và có thể nhận một giá trị

d-ơng tuỳ ý Trong tr-ờng hợp đặc biệt γ s = 1 t-ơng ứng với hệ thuần tuý ba mức, γ s = 0 t-ơng ứng với hệ thuần tuý bốn mức

Trong một số các laser thì các photon bơm cũng có thể bị hấp thụ từ mức 2 lên mức

4 Đây là cơ chế hấp thụ photon bơm từ trạng thái kích thích (gọi tắt là ESA: Pump excited state absorption) Trong thuỷ tinh pha tạp Er, mức 4 có thời gian sống rất ngắn và phân rã nhanh chóng xuống mức 2 thông qua bức xạ đa phonon Sự phân rã quay trở về mức 1 kèm theo sự bức xạ photon có b-ớc sóng ngắn cũng có thể xảy ra nh-ng rất yếu không đáng kể Do đó ESA là nguyên nhân mất mát tổng cộng của các photon bơm nh-ng hoàn toàn không làm suy giảm độ tích luỹ của mức laser trên Do vậy trong quá trình tính toán đối với thuỷ tinh pha tạp Er chúng ta cũng phải tính đến ESA, tuy nhiên bỏ qua bức xạ từ mức 4 xuống mức 1 [9]

1.1.2 Các ph-ơng trình tốc độ

Khuếch đại quang của laser sợi do sự nghịch đảo độ tích luỹ có thể diễn tả toán học chính xác thông qua các ph-ơng trình tốc độ [11] Các ph-ơng trình này mô tả mối quan

hệ giữa mật độ photon bơm và photon tín hiệu vói độ tích luỹ N i tại mức năng l-ợng thứ i Vói giả thiết thời gian sống τ3, τ4 của mức 3 và mức 4 nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian

sống τ2 của mức 2 kéo theo độ tích luỹ N3 và N4 có thể bỏ qua trong độ tích luỹ toàn phần

N0, tức là N0 ≈ N1+N2 Chúng ta có thể đ-a ra một cách dễ dàng các ph-ơng trình tốc độ

cho các biểu diễn với N1 và N2:

13 2 2 0

1

/ 1

/ 1

R W

W

W N

N

e a

e















13 2 13 0

2

/

W W

R W N

N

e a

e











Trong đó R13, Wa và We là tốc độ chuyển dời nh- trên hình 1 và đ-ợc định nghĩa R13

= σ p I p /hν p , W a = σ a I s /hν s và W e = σ e I s /hν s trong đó σ p là tiết diện hấp thụ hiệu dụng từ mức

1 lên mức 2 do GSA; hν p , hν s là năng l-ợng photon bơm và photon tín hiệu; I p và I s là c-ờng độ photon bơm và photon tín hiệu Tất cả đều là hàm theo bán kính sợi và vị trí theo chiều dài sợi

Tµi liÖu tham kh¶o

[1] §inh V¨n Hoµng TrÞnh §×nh ChiÕn “VËt lý laser vµ øng dông” Hµ Néi, (1999) [2] A.Musset and A.Thelen “Multilayer antireflection coatings” Optics Vol 8, pp

203 - 237 (1970)

[3] Auston.D.H “Measurement of picosecond pulse shape and background level“

Quantum electron, QE – 7.456 (1971)

[4] Armitage J R “Three level fiber laser amplifier: A theoretical model“ Appl Opt., 27(23), 4831-4836 (1988)

[5] B.E.A Saleh and M.C Teich “Fundamental of photonics“ Wiley Interscience publication (1991)

[6] Claude RulliÌre “Femtosecond Laser Pulse “ Principles and Experiments“

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, pp 53-81 (1998)

[7] Emmanuel Desurevire “Erbium Doped Fiber Amplifiers- Principles and Applications“ A Wiley-Interscience Publication John Wiley & Sons, Inc

Newyork (1994)

[8] Frigo N.J “Ultrashort pulse propagation in saturable media: a simple physical model“ IEEE J.Quantum Electron, QE-19, No.4, 511-519 (1983)

[9] Larning R I, S B Poole and E.J Tarbox “Pump excited-state absorption in erbium-doped fibers“ Opt Lett , 13(12), 1084-1086 (1988)

[10] L.E Hargrove, R.L Fork, M.A Pollack: Appl Phys Lett 5 4 (1964)

[11] Michel J.F.Digonnet “Rare Earth Doped fiber Lasers and Amplifiers“ Marcel

Dekker, Inc New York, pp.181-237 (1993)

[12] P C Becker, N A Olsson, J R Simpson, “Erbium Doped Fiber Amplifiers - Fundamentals and Technology”, Academic Press, pp 131-149 (1999)

[13] Peter S Zory “Quantum well laser diode” Academic Press Inc, Harcourt Brace

Jovanovich Publishers (1999)

[14] Phillips, M W., A I Ferguson and D.C Hanna, Opp Lett., 14, 219 (1989)

[15] P.W.Smith, M.A.Duguay, E.P.Ippen “Mode-locking of lasers“, Pergamon Press

(1974)

[16] Reekie L., I M Jaucey, S B Poole and D N Payne “Diode laser pumped operation of an Er 3+ doped single mode fiber laser“ Electron Lett., 23(20),

1076-1078 (1987)

[17] R.S Quimby “Upconversion and 980-nm excited-state absorption in erbium doped glass“ in Fiber Laser Source and Aplifier IV M J F Digonnet and E

Snitzer Ed., Proc SPIE 1789, pp 50-57 (1993)