Ảnh hưởng của một số tham số lên quá trình nén xung sử dụng bơm raman ngược trong sợi quang luận văn thạc sỹ vật lý

Tất cả các phương pháp trên đều dựa trên cơ sở hiệu ứng phi tuyếntrong quá trình hoạt động của laser, cũng như tương tác laser với môi trường.Hiện tượng tán xạ Raman là một trong những h

bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Vinh

- -Lê minh đức

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ LấN QUÁ TRèNH NẫN XUNG SỬ DỤNG BƠM RAMAN NGƯỢC TRONG SỢI

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy, người đã đặt đề tài, dẫn dắt tận tình và động viên trong suốt quá trình thực hiện với tấm lòng hết mực của người thầy cùng tinh thần đầy trách nhiệm khoa học của một nhà nghiên cứu, đã giúp tôi nâng cao kiến thức, phát huy sáng tạo hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong khoa Vật lý, khoa Sau đại học trường Đại học Vinh đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và viết luận văn.

Tác giả luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo PGS.TS Hồ Quang Quý Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực, phù hợp với kiến thức chuyên ngành và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ i ii

PHỤ LỤC……… ……… 41

MỞ ĐẦU

Laser có công suất lớn, xung ngắn được áp dụng nhiều trong thực tếnghiên cứu khoa học và đời sống Để có công suất đến hàng tỉ Watt để làmnóng cháy vật liệu hay tạo plasma trong nghiên cứu nhiệt hạch, không có conđường nào khác là nén xung laser sao cho độ rộng xung càng ngắn càng tốt

Ví dụ một laser có năng lượng 0,1J được nén thành xung có độ rộng khoảng

10-12 s, chúng ta sẽ nhận được nguồn ánh sáng có công suất 0,1 tỉ W (100GW) Trong công nghệ thông tin quang, chủ yếu sử dụng các xung laser cựcngắn được phát ra từ laser diode Ngoài ra, các xung laser cực ngắn là yêucầu không thể thiếu trong công nghệ quang phổ phân giải cao

Có nhiều phương pháp nén xung như: biến điệu công suất laser bằngphương pháp chủ động, thụ động, tạo ra các xung laser cỡ ns; phương phápkhóa mode trong buồng cộng hưởng, tạo ra các xung kim cỡ ps; phươngpháp khuếch đại Raman trong buồng cộng hưởng, có thể nén xung laserxuống 10 lần; phương pháp hấp thụ bão hòa kết hợp khuếch đại trong buồngcộng hưởng có thể rút ngắn xung đến hàng trăm lần

Tất cả các phương pháp trên đều dựa trên cơ sở hiệu ứng phi tuyếntrong quá trình hoạt động của laser, cũng như tương tác laser với môi trường.Hiện tượng tán xạ Raman là một trong những hiệu ứng phi tuyến đó

Trong những năm gần đây, khi công nghê ̣ thông tin sợi quang pháttriển ma ̣nh và đưa vào áp du ̣ng trong đời sống, thì viê ̣c khuếch đa ̣i tín hiê ̣uquang sử du ̣ng trong ma ̣ng đường dài là rất cần thiết

Ngay từ năm 1970, Stolen và Ippen [10] đã thực nghiê ̣m thành côngkhuếch đa ̣i Raman trong sơ ̣i quang Tuy nhiên, cho đến đầu thâ ̣p kỷ 80 củathể kỷ 20, khuếch đa ̣i Raman vẫn còn là các sản phẩm trong phòng thínghiê ̣m Đến giữa thâ ̣p kỷ 80 của thế kỷ 20, nhiều đề xuất sử du ̣ng khuếch

đa ̣i Raman vào thông tin quang, song vẫn bi ̣ khuếch đa ̣i sợi quang cấyErbium (Erbium-doped fiber amplifiers - EDFAs) lấn át [2] Tuy thế, vào

nửa cuối thâ ̣p kỷ 90 của thế kỷ 20, có rất nhiều quan tâm đến khuếch đa ̣iRaman Do đó, vào đầu thế kỷ 21 (năm 2000), phần lớn các hê ̣ ma ̣ng thôngtin quang đường dài (từ 300 đến 800 km) và siêu dài (> 800km) đã sử du ̣ngkhuếch đa ̣i Raman

Khuếch đa ̣i Raman hình thành do quá trình chuyển công suất của mộtchùm ánh sáng cho chùm ánh sáng khác có tần số thấp hơn thông qua nănglươ ̣ng phonon Phổ khuếch đa ̣i Raman chủ yếu tâ ̣p trung trong vùng phổ củathủy tinh Băng tần khuếch đa ̣i có đô ̣ rô ̣ng đến 40THz Sự di ̣ch chuyển băngtần khuếch đa ̣i và giá tri ̣ phổ cực đa ̣i thay đổi phu ̣ thuô ̣c vào bước sóng bơm.Khuếch đa ̣i Raman có mô ̣t số ưu điểm cơ bản Trước hết, hằng số khuếch đa ̣itồn ta ̣i trong phần lớn các sợi quang Thứ hai, khuếch đa ̣i Raman không cầnđiều kiê ̣n cô ̣ng hưởng, nghĩa là hằng số khuếch đa ̣i bao trùm lên vùng phổtrong suốt của sợi quang từ 0,3μm đến 2,0 μm Thứ ba, phổ khuếch đạiRaman có thể kéo dài thêm khi sử du ̣ng nguồn bơm có bước sóng phù hợp

Ví du ̣, bơm nhiều bước sóng có thể sử du ̣ng để mở rô ̣ng băng quang ho ̣c và

sự phân bố theo bước sóng của nguồn bơm sẽ xác đi ̣nh đô ̣ đồng đều của hằngsố khuếch đa ̣i [5]

Gần đây, một số công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung vào vấn

đề khuếch đại và nén xung bằng tán xạ Raman ngược [6], [7] Trong xu thế

đó, chúng tôi chúng tôi đề xuất nội dung nghiên cứu như sau:

“Ảnh hưởng của một số tham số lên quá trình nén xung sử dụng bơm

Raman ngược trong sợi quang”.

Nô ̣i dung nghiên cứu sẽ được trình bày trong luâ ̣n văn theo cấu trúcsau:

Chương 1 Tổng quan về tán xa ̣ Raman cưỡng bức, khuếch đa ̣i

Raman bơm ngươ ̣c và ứng du ̣ng của nó trong thông tin quang sợi

Chương 2 Mô phỏng quá trình nén xung trong sơ ̣i quang sử du ̣ng

bơm Raman ngươ ̣c, khảo sát ảnh hưởng của mô ̣t số tham số như mâ ̣t

đô ̣ công suất xung bơm, đô ̣ rô ̣ng xung bơm, hằng số khuếch đa ̣iRaman lên hiê ̣u suất nén xung.

Kết luận chung: Trình bày tóm lược các kết quả đã nghiên cứu.

Chương 1

TÁN XẠ RAMAN CƯỠNG BỨC VÀ KHUẾCH ĐẠI RAMAN TRONG SỢI QUANG

1.1 Tán xạ Raman cưỡng bức

Tán xa ̣ Raman cưỡng bức được phát hiê ̣n và nghiên cứu sau khi laser

ra đời Với cường đô ̣ lớn, laser là nguồn bơm thích hợp để nâng cao hiê ̣usuất tán xa ̣ Raman Từ đó, hiê ̣u ứng tán xa ̣ Raman được nghiên cứu sâu vàđưa vào ứng du ̣ng trong quang phổ và đă ̣c biê ̣t trong khoa ho ̣c và đời sống.Để tìm hiểu về tán xa ̣ Raman cưỡng bức, trước tiên, chúng ta điểm qua mô ̣tsố nét chính về tán xa ̣ Raman

1.1.1 Tán xạ Raman

Hiện tượng tán xạ Raman được nhà bác học Raman phát hiện vào năm

1928 Khi hội tụ chùm sáng vào môi trường vật chất (chất lỏng, chất khí, tinhthể không đồng nhất), ông phát hiện ra rằng, trong chùm sáng thứ cấp saukhi đi qua môi trường ngoài thành phần có tần số bằng tần số ánh sáng vàocòn có hai thành phần có tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn (hình 1.1) [1]

Hiệu tần số của các thành phần chính bằng tần số dịch chuyển giữa cácmức năng lượng dao động hoặc quay trong phân tử của môi trường Nhưvậy, khi chiếu một chùm ánh sáng có tần số ω0 vào một môi trường gồm cácphân tử thì xảy ra các quá trình tán tán xạ sau đây: Tán xạ Rayleigh tự phát,

là tán xạ ánh sáng thứ cấp tần số bức xạ của nó cùng tần số với nguồn sángchiếu vào ω0 Tán xạ Raman tự phát: là kết quả tương tác của ánh sáng tớivới những kiểu dao động hoặc quay của phân tử trong môi trường Tán xạRaman bao gồm hai thành phần: Stokes và đối Stokes Thành phần Stokes

ứng với tần số nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới (dịch về phía vạch đỏ) ωs =

ω0 -ωi, thành phần đối Stokes có tần số lớn hơn tần số của ánh sáng tới (dịch

về phía vạch lục) ωs = ω0 + ωi

Hiện tượng tán xạ Raman tự phát được giải thích dựa trên sơ đồ các mứcnăng lượng của phân tử trình bày trong hình 1.2 Các mức năng lượng củaphân tử bao gồm các mức điện tử, trong đó các mức J là mức điện tử kíchthích Trong mức điện tử cơ bản chứa nhiều mức năng lượng dao động Cácmức dao động này cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần số nằmtrong vùng hồng ngoại trung (4.000 - 650cm-1)

Trong mỗi mức năng lượng dao động lại có nhiều mức năng lượng quay.Các mức năng lượng quay cách nhau một khoảng bằng nhau ứng với tần sốnằm trong vùng hồng ngoại xa (650 - 10cm-1) Đối với các môi trường tán xạRaman thì các mức J được gọi là các mức kích thích cộng hưởng xa Điềunày được trình bày cụ thể ngay sau đây [1]

Nguồn ánh sáng chiếu vào môi trường có tần số ω0, hay năng lượng của

các photon hω0 Khi năng lượng photon thoả mãn điều kiện  ω 0<Ej- Ea hoặc

Hình1.3 Các quá trình tán xạ

ω

 <Ej- Eb ta gọi là tương tác cộng hưởng xa Sau khi hấp thụ photon, các

phân tử đang ở trạng thái a hoặc b sẽ nhảy lên một mức năng lượng trung gian nào đó (E tg < EJ) Tồn tại ở đó một thời gian nhất định rồi nhảy về các

trạng thái có mức năng lượng b hoặc a và tái bức xạ các photon ra khỏi môi

trường Phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của các dịchchuyển mà ta có các bức xạ thứ cấp là Rayleigh, Stokes hay đối Stokes Hiệntượng này được trình bày trên hình 1.3

Nếu trạng thái ban đầu và trạng thái cuối đều là a hoặc đều là b (cùng

mức năng lượng) ta có tán xạ Rayleigh Nếu trạng thái ban đầu có mức nănglượng nhỏ hơn trạng thái cuối ta có tán xạ Raman Stokes Ngược lại khitrạng thái ban đầu có năng lượng lớn hơn trạng thái cuối ta có tán xạ Ramanđối Stokes Cường độ ánh sáng tán xạ là khác nhau đối với mỗi tần số khácnhau Từ hình 1.3, ta thấy mạnh nhất là tán xạ Rayleigh với tần ω 0 Điều này

có thể giải thích vì rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt, phần lớn các phân tử

nằm ở trạng thái năng lượng thấp nhất a Cũng từ nguyên tắc này mà cường

độ tán xạ Stokes cũng lớn hơn tán xạ đối Stokes Do đó khó có thể quan sát

được ánh sáng tán xạ đối Stokes khi kích thích bằng chùm ánh sáng khôngđơn sắc Tuy nhiên, điều này cũng chỉ đúng với tán xạ Raman tự phát

Từ khi laser ra đời, nhờ ánh sáng kết hợp có cường độ lớn mà hiện tượngtán xạ Raman đối Stokes cũng như Stokes được quan sát rõ ràng hơn Sauđây chúng ta sẽ xem xét điều kết luận trên

1.1.2 Tán xạ Raman cưỡng bức

Quá trình tán xạ Raman gọi là tự phát nếu sự biến đổi hằng số điện môikhông phụ thuộc vào trường ngoài

ε ε

ε = 0 + ∆ (1.1)

trong đó ε 0 là hằng số điện môi của môi trường, còn ∆ε đặc trưng cho sựthăng giáng của độ thẩm điện môi Chính thành phần này sẽ gây nên hiệntượng tán xạ Khi đó cường độ của ánh sáng tán xạ được tính theo côngthức sau:

2

0

L

RV I

I S = (1.2)

trong đó, I 0 là cường độ ánh sáng kích thích, V là thể tích môi trường tán xạ,

L là khoảng cách từ đầu thu đến tâm môi trường tán xạ và R là hệ số tán xạ.

Bằng lý thuyết nhiệt động học về tán xạ ánh sáng vô hướng ta có thể đưa rabiểu thức cho hệ số tán xạ như sau [1]:

cN

2 4 0 2

16

sin 1

π

φ ω

ε −

= (1.3)trong đó φ là góc tạo bởi hướng thu và trục của chùm tia tới (xem hình 1.4 ),

N là số phân tử trong môi trường.

Như vậy, qua công thức (1.3) ta thấy, hệ số tán xạ hoàn toàn không phụthuộc vào cường độ ánh sáng vào, hay nói cách khác cường độ tán xạ phụthuộc tuyến tính vào cường độ ánh sáng kích thích.

Ngược với tán xạ tự phát, hiện tượng tán xạ trong đó sự thăng giánghằng số điện môi phụ thuộc cảm ứng vào trường ngoài được gọi là tán xạcưỡng bức Hệ số tán xạ cưỡng bức là biểu thức có sự tham gia của cường độ

trường kích thức (I L):

L L

s

I bn

c N G

0 2

2 2

π

 (1.4)Tán xạ cưỡng bức có hiệu suất lớn hơn nhiều so với tán xạ tự phát Ví dụchỉ có gần 10-5 số photon trong chùm tia kích thích bị tán xạ tự phát trên 1cmmôi trường, trong khi đó có thể đạt đến 100% số photon bị tán xạ cưỡng bức.Một số tham số đặc trưng của các vật liệu tán xạ Raman trình bày trong bảngsau

Hình 1.4 Phân bố trường tán xạ Raman

Đặc trưng tán xạ Raman của một số vật liệu [1].

N σ [10 -8 cm -1 sr -1 ]

1.1.3 Tán xạ Raman theo quan điểm lượng tử

Tán xạ Raman tự phát xuất hiện do sự tương tác giữa ánh sáng với phân

tử Qua sự tương tác này mà lớp vỏ electron của các nguyên tử trong phân tử

bị biến dạng tuần hoàn và sẽ dẫn đến làm sai lệch vị trí của các hạt nhânnguyên tử Hay nói cách khác các nguyên tử trong phân tử bị dao động Khidao động thì nó bức xạ, năng lượng bức xạ có thể bằng hoặc nhỏ hơn nănglượng mà bức xạ kích thích cung cấp cho nó

Theo quan điểm nhiệt động học, bao giờ cũng có một số phân tử nằm ởtrạng thái kích thích nhiệt động bên cạnh các phân tử nằm ở trạng thái cơbản Tỉ lệ của các phân tử này tuân theo định luật phân bố Boltzmann:

KTi

i 0

N =N e−hω (1.5)

trong đó:

Ni: số phân tử nằm ở trạng thái kích thích nhiệt động;

N0 : số phân tử nằm ở trạng thái điện tử cơ bản;

T: nhiệt độ tuyệt đối;

ωi : tần số giao động mức i.

Như vậy, khi chiếu chùm ánh sáng ban đầu với tần số ω0 ứng với nănglượng  ω0 vào môi trường chất thì phần lớn các phân tử nằm ở trạng thái

cơ bản (có mức năng lượng E 0) sẽ tiếp nhận năng lượng này và chuyển lên

trạng thái kích thích mức trung gian gần mức J, sau đó phần lớn trong chúng

sẽ nhảy trở lại mức ban đầu và bức xạ năng lượng  ω 0dưới dạng ánh sáng cótần số ω0 Ngoài ra, một số ít trong chúng lại nhảy trở về trạng thái kích thíchnhiệt động, do đó sẽ bức xạ ra một năng lượng nhỏ hơn năng lượng ban đầuhấp thụ Giả sử trạng thái cuối cùng có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bảnmột giá trị là  ωikhi đó năng lượng các bức xạ là:

E1 = ω − ω = ω − ωh 0 h i h( 0 i) (1.6)Ngược lại, các phần tử ở trạng thái kích thích nhiệt động sẽ hấp thụ nănglượng của ánh sáng  ω 0và nhảy lên trạng thái kích thích trung gian sau đónhảy về trạng thái cơ bản, sẽ bức xạ một năng lượng lớn hơn năng lượng mà

nó hấp thụ ban đầu:

E1 = ω + ω = ω + ωh 0 h i h( 0 i) (1.7)

Do đó, trong phổ Raman bên cạnh vạch có tần số ω0, còn nhận được cácvạch có tần số ωs =ω0 - ωi và ωa = ω0 + ωi tương ứng với các vạch Stokes vàvạch đối Stokes (xem hình 1.2)

Nếu gọi I s và I a là cường độ vạch Stokes và đối Stokes, N s , N a là số phân

tử tương ứng với vạch Stokes và đối Stokes thì:

0

4 0

i s

i a

s

a

N

N I

I

ω ω

ω ω

a s a

i

e N

N I

=

≈ (1.9)

Tức là tỉ lệ cường độ giữa hai vạch Stokes và đối Stokes tuân theođịnh luật phân bố Boltzmann một cách gần đúng nhất Do đó số phân tử nằm

ở trạng thái kích thích ban đầu nhỏ hơn số phân tử nằm ở trạng thái cơ bản,nên vạch đối Stokes có cường độ nhỏ hơn rất nhiều vạch Stokes [1]

1.1.4 Tán xạ Raman cưỡng bức theo quan điểm lượng tử

Tán xạ Raman tự phát được chúng ta trình bày ở trên, tiêu biểu cho mộtquá trình yếu, hiệu suất không lớn Thậm chí đối với những chất ngưng tụmạnh (mật độ cao) tiết diện tán xạ trong một đơn vị thể tích đối với tán xạRaman Stokes chỉ khoảng 10-6 cm -1 Nghĩa là nếu có 106 hạt đi qua 1cm môi

trường tán xạ thì chỉ có một hạt được tán xạ Do đó hiệu suất của tán xạRaman tự phát rất nhỏ, nên việc khảo sát nó chưa được đầy đủ Vào nhữngnăm 60, các kỹ thuật về Laser đã ra đời và người ta bắt đầu sử dụng nó đểnghiên cứu sự tương tác của trường ánh sáng với vật chất Dưới sự kích thíchbởi cường độ Laser, sẽ thu được hiệu suất tán xạ cao từ 20 - 30% Như vậy,tán xạ Raman cưỡng bức tiêu biểu cho một quá trình tán xạ mạnh dưới tácdụng của trường Laser với vật chất

Ở đây, chúng ta sẽ trình bày tán xạ Raman tự phát và tán xạ Ramancưỡng bức gây bởi ánh sáng Laser Khi cường độ Laser nhỏ sẽ xảy ra quátrình tán xạ Raman tự phát và khi cường độ laser đủ lớn sẽ xảy ra quá trìnhtán xạ Raman cưỡng bức Vấn đề là chúng ta cần xác định được mối quan hệgiữa hai quá trình đó và chỉ ra khi nào sẽ xảy ra quá trình tán xạ Raman tựphát và tán xạ Raman cưỡng bức Để giải quyết được điều đó, chúng ta sửdụng giả thiết của Garmire như sau:

Giả sử một chùm Laser được chiếu vào một môi trường Raman Gọi m L

là số photon trung bình trong mốt Laser, m s là số photon trung bình trong

mốt Stokes, và D là một hằng số tỉ lệ nào đó có giá trị phụ thuộc vào tính

chất của môi trường Khi đó Garmire giả thiết rằng: trong một đơn vị thời

gian xác suất để một photon từ mốt laser chuyển sang mốt Stokes được xácđịnh bởi:

Ps = DmL (ms + 1) (1.10) Giả thiết này được thoả mãn vì thừa số m l dẫn tới sự phụ thuộc tuyến tính của tốc độ tán xạ vào cường độ Laser, và thừa số m s + 1 dẫn tới tán xạ cưỡng bức qua sự tham gia của số photon Stokes m s và sự tán xạ tự phát qua sự

tham gia của đơn vị Sự phụ thuộc của xác suất của P s vào thừa số m s + 1 còn

cho biết sự phụ thuộc cưỡng bức và tự phát vào tốc độ bức xạ tổng cộng đốivới sự biến đổi một photon của hệ nguyên tử

Vì P s là xác suất trong một đơn vị thời gian để một photon trong mốtlaser biến đổi thành một photon trong mốt Stokes Do đó tốc độ biến đổi theo

thời gian của số photon Stokes chính bằng xác suất P s Hay:

dt

dm

= (1.11)Thay (1.10) vào (1.11) thu được

( /

1 /

dm n c dt

dm

(1.14)

Sử dụng kết quả (1.14) để xác định quá trình tán xạ Raman tự phát vàquá trình tán xạ Raman cưỡng bức tương ứng với hai trường hợp giới hạnđối ngược nhau tương ứng với ms << 1 và m s >> 1

+ Nếu m s << 1, tức là số photon trong mốt Stokes nhỏ hơn đơn vị rất nhiều Khi đó, ta có thể bỏ qua m S ở vế phải (1.14) và thu được:

s Dm L

n c dt

dm

/

1

= (1.15)Giải (1.15) với giả thiết trường Laser không bị ảnh hưởng bởi tương tác

và m L không phụ thuộc vào z, khi đó thu được kết quả

( ) Dm z

n c z

/

1

= (1.16)Giới hạn này tương ứng với tán xạ Raman tự phát Ở đây cường độStokes tỉ lệ với chiều dài của môi trường Raman và số photon của trườngLaser

+ Nếu m s >> 1 nghĩa là số photon trong mốt Stokes rất lớn Vì vậy ta

có thể bỏ qua đơn vị trong (1.14) và thu được:

s DmLms

n c dt

dm

/

1

= (1.17) Giải (1.17) với giả thiết trường Laser với lượng photon lớn, ta được:

( ) ( ) Gz

s

s z m e

m = 0 (1.18)

ở đây: G= Dnm C L được gọi là hằng số tán xạ Raman cưỡng bức Trong

phương trình (1.18): m s(0) là số photon trong mốt Stokes tại đầu vào của môi

trường Raman Phương trình (1.17) mô tả tán xạ Raman cưỡng bức Cường

độ Stokes tăng nhanh theo quy luật hàm e mũ, với khoảng cách truyền qua

môi trường Giá trị lớn nhất của cường độ Stokes được quan sát tại lối ra củamiền tương tác

Từ công thức (1.18) chúng ta có thể nhận xét rằng, nếu một chùm ánhsáng có tần số trùng với tần số dao động của phân tử trong môi trường cótán xạ Raman cưỡng bức, được bơm bởi một nguồn laser khác, thì nó sẽđược khuếch đại khi đi qua môi trường đó Đây chính là yếu tố để áp dụngvào công nghệ khuếch đại Raman, một trong những công nghệ được áp dụngtrong thông tin quang sợi Sau đây chúng ta sẽ xem xét đến quá trình khuếchđại Raman trong sợi quang và ứng dụng của nó

1.2 Khuếch đại Raman trong sợi quang

1.2.1 Phương trình động học của quá trình khuếch đại Raman

Giả sử trong môi trường tán xa ̣ Raman truyền lan sóng bơm và sóngStokes Tương tác giữa hai sóng này sẽ làm thay đổi xác xuất của phân tử ởtra ̣ng thái kích thích ứng với sóng Stokes Giả sử E E Q tương ứng là p, s,

điê ̣n trường bơm với tần số νp, điê ̣n trường sóng Stokes với tần số νs và sốlươ ̣ng phonon quang ứng với tần số v r =ν νp − s Hai sóng và phonon thỏa

mãn điều kiê ̣n hợp pha trong quá trình tương tác, tức là: kq = kp + ks

Phương trình đô ̣ng ho ̣c cho ba đa ̣i lượng liên kết E E Q p, s, có thể viếtdưới da ̣ng sau [9]:

∆ ∂Ω là hằng số khuếch đa ̣i Raman trên mô ̣t đơn vi ̣ đô ̣ dài

và đơn vi ̣ cường đô ̣;

1/ 2

∆ = là mô ̣t nửa đô ̣ rô ̣ng va ̣ch khuếch đa ̣i Raman;

N là mâ ̣t đô ̣ tán xa ̣ (số tán xa ̣ xẩy ra trong mô ̣t đơn vi ̣ thể tích);

/

σ

∂ ∂Ω đươ ̣c đi ̣nh nghĩa là tiết diê ̣n tán xa ̣ hiê ̣u du ̣ng vi phân, hay làsố tán xa ̣ tính trên mô ̣t đơn vi ̣ góc khối và trên mô ̣t đơn vi ̣ đô ̣ dài Giá tri ̣ nàyđươ ̣c xác đi ̣nh bằng thực nghiê ̣m

s có giá tri ̣ ± 1, s nhâ ̣n giá tri ̣ bằng 1 khi tán xa ̣ Raman thuâ ̣n, bằng -1khi tán xa ̣ ngược

Từ đây chúng ta chỉ quan tâm đến tán xa ̣ Raman ngược

1.2.2 Nguyên lý khuếch đại tán xạ Raman ngược

Trong hình 1.5 mô tả nguyên lý khuếch đa ̣i sử du ̣ng tán xa ̣ Ramanngươ ̣c Trong hình 1.6 cho biết cấu hình cơ bản của hê ̣ khuếch đa ̣i Mô ̣t xunglaser có đô ̣ rô ̣ng lớn (hoă ̣c liên tu ̣c) go ̣i là xung bơm, truyền lan theo chiều từphải sang trái qua sợi quang chứa tâm hoa ̣t Raman Nguồn bơm này sẽ ta ̣o ra

hê ̣ số khuếch đa ̣i Raman ở tần số ν ν νs = p− r Mô ̣t sóng có tần số νs go ̣i làsóng Stokes, được đưa vào sợi quang ta ̣i thời điểm xung bơm gă ̣p cửa sổ raCSR Do hai sóng truyền lan ngược chiều nhau, nên sóng Stokes đượckhuếch đa ̣i ta ̣i thời điểm, khi xung bơm xuất hiê ̣n Sau mô ̣t thời gian bằng

mô ̣t nửa đô ̣ rô ̣ng xung bơm, xung Stokes đươ ̣c khuếch đa ̣i và truyền ngượcchiều với xung bơm Xung Stokes sau khi đươ ̣c khuếch đa ̣i có đô ̣ rô ̣ng ngắnhơn nhiều so với xung bơm (xem hình 1.5) Như vâ ̣y, vừa được khuếch đa ̣i,vừa rút ngắn xung, nên xung Stokes ban đầu được khuếch đa ̣i lên nhiều lầnvà trở thành xung ngắn

1.2.3 Ví dụ về khuếch đại Raman sử dụng trong thông tin quang

Khuếch đa ̣i Raman có nhiều điểm đáng lưu ý trong thông tin quang,Trước tiên, hằng số khuếch đa ̣i Raman luôn tồn ta ̣i trong tất cả các sợiquang Thứ hai, là hiê ̣n tượng khuếch đa ̣i Raman không cần điều kiê ̣n cô ̣nghưởng, nghĩa là hằng số khuếch đại tồn tại trên một cùng phổ rộng từ 0,3μm

Hình 1.5 Nguyên lý nén xung sử dụng tán xạ Raman ngược

Một xung Stokes được khuếch đại bởi một xung bơm dài truyền ngược chiều

Hình 1.6 Cấu hình cơ bản của hệ nén xung sử dụng tán xạ Raman ngược.

đến 2μm Thứ ba, phổ khuếch đại có thể mở rộng thêm nếu có bước sóngbơm phù hợp

Hê ̣ khuếch đa ̣i Raman đa bước sóng sử du ̣ng trong hê ̣ ma ̣ng đường dàiđươ ̣c thiết kế theo sơ đồ trong hình 1.7

Tín hiê ̣u được đưa vào sợi quang từ trái qua phải Trong quá trình lantruyền, tín hiê ̣u Raman ở da ̣ng nhiễu hình thành trong sợi quang truyền Nhờ

bô ̣ phâ ̣n bơm phân bố (hay khuếch đa ̣i toàn băng), các tín hiê ̣u Raman đượckhuếch đa ̣i Tuy nhiên, bô ̣ phận bơm phân bố sẽ khuếch đa ̣i nhiều bước sóngtrong vùng phổ Raman Do bơm phân bố, nên tín hiê ̣u ứng với các bước sóngkhác nhau sẽ có hằng số khuếch đa ̣i khác nhau, dẫn đến cường đô ̣ ra khácnhau Như vâ ̣y, mô ̣t số tín hiê ̣u có bước sóng cần thiết sẽ phải được khuếch

đa ̣i mô ̣t lần nữa Nhiê ̣m vu ̣ này do bô ̣ phâ ̣n khuếch đa ̣i rời ra ̣c đảm nhiê ̣m.Những bước sóng nào cần được khuếch đa ̣i mô ̣t lần nữa sẽ do khóa kiểm trabước sóng xác đi ̣nh

Hình 1.7 Hê ̣ khuếch đại Raman, kết hợp khuếch đại Raman phân bố

và khuếch đại Raman rời rạc

Ngoài hai kiểu khuếch đa ̣i đã nói trên, trong tin quang còn sử du ̣ng

mô ̣t số hê ̣ khuếch đa ̣i khác như: Khuếch đa ̣i ba băng; Khuếch đa ̣i Ramantương tự laser vòng; Khuếch đa ̣i băng S, G,… mô ̣t bâ ̣c, hai bâ ̣c,…

Tất cả các kiểu của hê ̣ khuếch đa ̣i Raman trong sợi quang đều hoa ̣t

đô ̣ng theo nguyên lý bơm ngược Hê ̣ số khuếch đa ̣i phu ̣ thuô ̣c vào công suấtcủa nguồn bơm

1.3 Kết luận

Tán xạ Raman cưỡng bức là hiệu ứng gây ra do cường độ bơm lớn tácđộng lên môi trường phi tuyến có độ cảm bậc ba lớn Tán xạ Raman có tínhchất kết hợp, do đó, có thể ứng dụng như một nguồn phát laser có bước sóngthay đổi, đặc biệt nguồn phát bước sóng vùng 1,5 μm, vùng mà hệ số hấp thụcủa sợi quang nhỏ nhất Tuy nhiên, công suất của sóng Stokes cũng như sóngđối Stokes rất nhỏ so với công suất của sóng bơm cơ bản, do đó, để có đượcnguồn tín hiệu mạnh sử dụng trong thông tin quang, các xung sóng Stokescần được khuếch đại Cũng do bản chất tán xạ cưỡng bức mà hiệu ứng tán xạRaman cũng được sử dụng để khuếch đại các xung laser có tần số trùng vớitần số Raman (Stokes wave) Trong công nghệ thông tin, do nhu cầu về sốbước sóng lớn, nên tán xạ Raman và khuếch đại Raman được sử dụng nhưnhững nhân tố tạo nguồn tín hiệu quang

Khuếch đại Raman về mặt nguyên tắc sẽ tăng được công suất củaxung tín hiệu (sóng Stokes), tuy nhiên, nếu sử dụng khuếch đại Raman bơmngược còn có thể rút ngắn được xung Một hệ đồng thời khuếch đại và rútngắn xung sẽ là hệ tạo nguồn xung mạnh rất lý tưởng Hơn nữa, hê ̣ sốkhuếch đa ̣i Raman phu ̣ thuô ̣c chủ yếu vào công suất bơm Trong chương 2luận văn sẽ trình bày cu ̣ thể về cấu hình nguyên lý hoạt động và một số kếtquả khuếch đại xung của hệ khuếch đại Raman bơm ngược Phần lớn của

chương 2, chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của công suất xung bơm lên khảnăng khuếch đa ̣i của xung tín hiê ̣u

Chương 2.

ẢNH HƯỞNG CỦA MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT XUNG BƠM LÊN ĐỘ

LỚN XUNG KHUẾCH ĐẠI

2.1 Mô hình sợi quang khuếch đại bơm Raman ngược

Hệ khuếch đại Raman bơm ngược được trình bày trên hình 2.1 Mộtxung tín hiệu có cường độ nhỏ, có bước sóng nằm trong vùng phổ Stokes