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:
PGS.TS. Hồ Quang Quý.
Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Quang Báu.
Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Quốc Hùng.
Phản biện 3: TS. Phạm Vũ Thịnh.
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án
tiến sĩ họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào
hồi……h……… ngày……. tháng…….năm……
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.
1
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
2
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.
3
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:
dms n
= DmL ( ms + 1)
dz
c
n
*Nếu ms << 1 (tự phát) thì ms ( z ) = DmL z
c
*Nếu ms >> 1 (cưỡng bức) thì ms ( z ) = ms ( 0 ) e
DnmL
z
c
(1.9)
4
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
sau:
Hình 1.5. Nguyên lý nén xung bằng
khuếch đại Raman bơm ngược [25].
2π 2 iν p ∂α
∂ np ∂
N
QEs
+
Ep =
cn p
∂q
∂z c ∂t
2π 2 iν s ∂α *
∂ ns ∂
−
+
E
=
N
Q Ep
s
∂z c ∂t
cns
∂q
(1.14)
(1.15)
Trong điều kiện dừng (stationary), phương trình (1.14) và (1.15) có
thể viết cho cường độ sẽ có dạng sau:
νp
∂ np ∂
I p Is
+
I q = −γ
νs
∂z c ∂t
∂ ns ∂
− ∂z + c ∂t I s = γ I p I s
(1.17)
(1.18)
1.2.3. Hệ số khuếch đại
*Hệ số khuếch đại Raman tổng sau N lần đụng đầu sẽ là:
N
G=
∏
i =1
gP τ 1 − e−α p L
Gi = exp L
− αs L
α
υ
−
T
/2
p
p
2 A 1 − e
(1.28)
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.
5
+ 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. Bộ 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:
I ( z)
1
η11 = 1
= 1− 2
sin 2 z Cnl2 + C 2
I1 (0)
Cnl / C 2 + 1
(
η12 =
I2 ( z)
1
= 2
sin 2 z Cnl2 + C 2
I1 (0) Cnl / C 2 + 1
(
)
)
(1.31)
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…
6
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.
7
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
hai cổng ra:
Hình 2.1. Cấu hình của bộ liên
kết bán phi tuyến.
4π 2 c 2ε 2 n 4 I 4
1
2
2
0 nl 1
I1 ( z ) = I1 1 −
sin z
+ C
2 2 2 4 4
16λ 2
4π c ε 0 nnl I1 + 1
16λ 2C 2
4π 2 c 2ε 2 n 4 I 4
1
0 nl 1
+ C2
I 2 ( z ) = I1 2 2 2 4 4
sin 2 z
16λ 2
4π c ε 0 nnl I1 + 1
16λ 2 C 2
(2.12)
2.3. Đặc trưng truyền
Dùng công thức (1.31) và sử dụng phần mềm vẽ đồ thị Maple,
đặc trưng truyền η - Ivào của bộ liên kết bán phi tuyến được trình bày
trên hình 2.2; đặc trưng η - λ được trình bày trong hình 2.3.
a)
b)
Hình 2.2. Đặc trưng truyền của bộ liên kết theo cường độ;
η11 – I1 (đường nét vạch); η12 – I1 (đường liền nét);
a) lC = 2mm; b) lC = 4mm;
8
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) lC = 2mm và Ivào = 0,72×1012W/m2; b) lC = 4mm và Ivào =
0,55×1012W/m2; c) lC = 4mm và Ivào = 0,37×1012W/m2;
2.4. Tách xung lọc lựa
Khảo sát với tín hiệu vào là một chuỗi xung Gauss:
I vao (t ) = ( I 0 + mkI m ) e
ln 2 ( t − 3T − 7 kT )
−
T
2
(2.2)
Khả năng tách xung được mô phỏng trong hình 2.5.
c) t/T
a) t/T
b) t/T
Hình 2.5. Tách xung khi truyền 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
t2
Xét xung Gaussian: I vao = I max exp − ln 2 2
τ
(2.3)
9
Với: nnl = 1,0.10-12m2/W ; lC = 2mm; C = 0,694mm-1; λ =
1,57µm; 2τ = 2,0.10-9s; Imax = 0,4.1012W/m2 đến 1,1.1012W/m2.
+Khảo sát theo cường độ:
Qua khảo sát ta thấy, với bộ tham số: nnl = 1,0.10-12m2/W, lC =
2mm;C = 0,694mm-1, λ = 1,57µm, 2τ = 2,0.10-9s, xung ra ở cổng thứ
nhất nén tốt nhất khi Imax nằm
trong lân cận 0,75.1012W/m2
(Imaxnnl=0,75).
Hình 2.8. Biến dạng xung khi
Imax = 0,75.1012W/m2 (Imaxnnl =
0,75); Ivao - đường chấm, Ira1 đường vạch và Ira2 - đường liên
tục.
*Khảo sát theo chiều dài liên
kết:
Bộ tham số tối ưu cho xung ra ở cổng thứ nhất là: C =
0,694mm-1, nnl = 1,0.10-12 m2/W, Imax =
0,75.1012W/m2, lC =1,90 mm.
Hình 2.13. Biến dạng xung với chiều
dài vùng liên kết lC = 1,9 mm.
Ivao - đường chấm, Ira1 - đường vạch và
Ira2 - 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
là: C = 0,694mm-1, nnl = 1,0.10-12 m2/W,
Imax = 0,5625.1012W/m2, lC = 4,20 mm.
Hình 2.19. Biến dạng xung với chiều
dài vùng liên kết lC = 4,20 mm.
Ivao - đường chấm, Ira1 - đường vạch và
Ira2 - đường liên tục.
10
*Tối ưu xung ra cổng 1 và cổng 2: Bộ tham số phù hợp là C =
0,694mm-1, nnl = 1,0.10-12 m2/W , lC = 4,2mm, 2τ = 2.10-9s , Imax =
0,4.1012 W/m2
Hình 2.31. Độ rộng xung ra khi Imax = 0,4.1012 W/m2; λ = 1,570 µm:
a) Cổng thứ nhất; b) Cổng thứ hai.
Hình 2.32. Độ rộng xung ra khi Imax = 0,4.1012 W/m2;
λ = 1,472µm: a) Cổng thứ nhất; b) Cổng thứ hai.
2.6. Kết luận chương 2
Bằng phần mềm Maple, hiệu ứng tách các xung mạnh và các
xung yếu từ hai cổng ra của bộ liên kết và khả năng rút ngắn xung đã
được khảo sát số, từ đó, khả năng tách xung được bình luận với các
tham số có thể bảo đảm lựa chọn được trong thực nghiệm. Kết quả
khảo sát cho ta những nhận định sau:
11
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):
-12
2
-1
1,0.10 m /W), lC=1,9mm, C=0,694mm , λ
nnl =
=1,57µm, Imax=
0,75.10 W/m , với loại xung có độ rộng xung 2τ = 2ns.
12
2
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):
-12
2
nnl =
-1
1,0.10 m /W, lC = 4,20mm, C=0,694mm , λ =1,57µm, Imax=
0,5625.1012W/m2 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): nnl =1,0.10-12m2/W,
lC=4,20mm, C=0,694mm-1, λ=1,472µm, Imax= 0,4.1012W/m2.
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
12
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
3.1.
Hình 3.1 Cấu hình nguyên lý cơ
bản của hệ MTPFC1.
3.1.2. Cở sở lý thuyết cho qui trình
khảo sát
Xung vào I vao (t ) = I max exp − ln 2×
t 2
(3.1)
τ 2
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:
I nen ,1 (t ) =
I max
t2
C2
sin 2 lC Cnl2 + C 2 exp ( I p glR )
exp − ln 2 × 2 1 − 2
τ Cnl + C 2
4
(
)
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: nnl = 1,0×10-12m2/W; lC = 1,9mm ; C = 0,694mm-1.
*Bộ BCWRFA: lR = 10m, α = 0; g = 4,5×10-14m/W; Ip =
2,5×1012W/m2, λ = 1472nm (xung bơm); Imax = 1,5×1012W/m2;
2τ = 2,0×10-9s; λ = 1570nm (xung mầm).
3.1.3.1. Rút ngắn xung lần thứ nhất qua bộ SNOC
Xung Ira,7(t) ở cổng 7 của bộ SNOC có cường độ đỉnh vẫn là
0,75×1012W/m2, nhưng độ rộng xung rút ngắn lại còn 1,32×10-9 s,
giảm 1,5 lần.
13
3.1.3.2. Khuếch đại lần thứ nhất
Sau khi khuếch đại lần thứ nhất, chúng thu được xung với độ
rộng ≈ 1,29×10-9s và cường độ đỉnh ≈ 11,56×1011W/m2. 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
3.1.4.1. Ảnh hưởng của số lần nén
Xung được nén sau chu kỳ thứ nhất, thứ hai và thứ ba được
trình bày lần lượt trên hình 3.4, hình 3.5 và hình 3.6.
Bảng 3.1. Các tham số xung nén và hệ số nén
Xung
Imax(W/m2)
2τ(s)
Fnen(W/m2s)
η
theo lần nén qua hệ MTPFC1.
Vào
Lần “1”
Lần “2”
12
12
0,75.10
1,156.10
1,744.1012
2.10-9
1,29.10-9
1,26.10-9
3,75.1020 8,961.1020 13,841.1020
1
2,390
3,691
Lần “3”
2,653.1012
1,23.10-9
21,57.1020
5,752
Từ kết quả trong bảng 3.1 cho thấy, khi xung truyền qua hệ
MTPFC1, hệ số nén tăng nhanh sau mỗi chu kỳ.
14
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.
Hệ số KĐ
I max (W/m2)
0,540
0,900
1,000
1,125
1,200
2,300
η[*]
0,59
2,14.1020
0,57
0,61
20
0,98
-9
(IpglR)
0,5
F (W/m2s)
2τ
(10 s)
1,26.1011
11
2,24.10
12
1,26.10
12
1,84.10
12
2,653.10
12
3,33.10
13
9,35.10
1,23
1,23
1,23
1,26
1,28
3,67.10
20
2,73
20
3,99
20
5,75
20
7,05
10,24.10
14,96.10
21,57.10
26,43.10
20
730,47.10
194,79
*Fvao = 3,75.1020 W/m2s.
Từ bảng 3.2 chúng ta có nhận xét sau:
1) Khi giá trị hệ số (IpglR) tăng, công suất đỉnh của xung sẽ tăng lên;
2) Độ rộng xung thay đổi rất ít khi (IpglR) tăng; độ rộng xung dao
động trong khoảng (1,23÷1,28).10-9s khi (IpglR) thay đổi trong
khoảng từ 0,9 đến 2,3;
3) Hệ số nén η = 1, giá trị ngưỡng (IpglR) = 0,54 với g = 4,5.10-14
m/W tương ứng với cường độ laser bơm ngưỡng Ip = 1,2.1012W/m2,
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.
15
Hình 3.13. Cấu hình của
hệ MTPFC2.
Hệ này được thiết kế với
mục đích sử dụng xung ra ở cổng
thứ hai của bộ liên kết bán phi
tuyến. Hệ MTPFC2 về cơ bản
giống với MTPFC1 chỉ khác ở
chỗ tín hiệu được lấy ra từ bộ liên
kết bán phi tuyến là cổng thứ hai.
*Bộ SNOC: nnl = 1,0×10-12m2/W; lC = 4,2mm; C = 0,694mm-1.
*Bộ BCWRFA: lR = 10m; α = 0; g = 4,5×10-14m/W ;
Ip = 3,6×1012W/m2;λ = 1472nm (xung bơm); Imax = 1,125×1012W/m2;
2τ = 2,0×10-9s;λ = 1570nm (xung mầm).
3.2.1. Rút ngắn xung lần thứ nhất qua bộ SNOC
Xung Ira,6(t) ở cổng 6 của bộ SNOC có cường độ đỉnh giảm
xuống còn khoảng 2,25×1011W/m2, giảm 2,5 lần so với cường độ
đỉnh của xung vào, độ rộng xung rút
ngắn lại còn 1,0×10-9s, giảm hai lần.
3.2.2. Khuếch đại lần thứ nhất
Hình 3.18. So sánh xung nén lần 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
16
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.
Bảng 3.3. Các tham số xung nén và hệ số nén
theo lần nén qua hệ MTPFC2.
Lần “0”
Lần “1”
Lần “2”
Lần “3”
11
11
11
5,625.10
5,625.10
5,625.10
5,625.1011
-9
-9
-9
2,000.10
1,000.10
0,675.10
0,564.10-9
2,8125.1020 5,625.1020 8,333.1020 9,970.1021
η
1,00
2,00
2,96
3,55
Kết quả trong bảng 3.3 cho thấy, khi xung truyền qua hệ
MTPFC2 thích hợp (với các tham số đang khảo sát) trong các chu kỳ
hệ số nén tăng dần đến giá trị cực đại 3,55 và bắt đầu từ chu kì thứ 3
trở đi xung nén là xung vuông gần giống nhau với hệ số nén bằng
3,55. Với các tham số thiết kế để (IpglR = 1,62) thì hệ số nén của hệ
MTPFC2 đạt giá trị “bão hòa” η = 3,55.
Tiếp theo chúng ta khảo sát xung nén sau ba chu kì khi thay
đổi giá trị (IpglR) 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.
Hệ số KĐ
Imax (W/m2)
2τ (10-9 s)
F (W/m2s)
η
(IpglR)
1,52
6,000.1010
0,32
1,875.1020
0,67
1,53
1,100.1011
0,34
3,235.1020
1,15
1,54
1,760.1011
0,37
4,757.1020
1,69
11
20
1,56
3,340.10
0,41
8,146.10
2,90
1,58
4,760.1011
0,46
1,035.1021
3,68
1,62
5,625.1011
0,564
9,973.1020
3,55
1,64
5,750.1011
0,61
9,43.1020
3,35
1,66
5,800.1011
0,64
9,06.1020
3,22
Xung
Imax(W/m2)
2τ(s)
Fnen(W/m2s)
*Fnen, vao(W/m2s) = 2,8125.1020.
17
Từ bảng 3.4 chúng ta có nhận xét sau: Khi (IpglR) thay đổi
trong khoảng từ 1,52 đến 1,66 thì hệ số nén tăng dần đến giá trị cực
đại 3,68 sau đó giảm xuống. Với hệ số nén η = 1, giá trị ngưỡng
(IpglR) = 1,529.
3.3. Kết luận chương 3
Trên cơ sở đặc trưng phi tuyến dẫn đến khả năng rút ngắn
xung lọc lựa của bộ liên kết phi tuyến, hai hệ nén xung lặp
(MTPFC1, MTPFC2) kết hợp giữa bộ liên kết bán phi tuyến với bộ
khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục đã được đề xuất.
Với cấu hình đề xuất gồm bộ liên kết tuyến tính -3dB, bộ liên kết bán
phi tuyến và bộ khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục,
nguyên lý hoạt động nén xung của hệ đã được phân tích, từ đó, xây
dựng cơ sở lý thuyết của quá trình nén xung. Áp dụng các tham số cụ
thể phù hợp thực nghiệm cho mỗi mẫu hệ MTPFC1 và MTPFC2,
quá trình nén xung đã được khảo sát và bình luận về ảnh hưởng của
số lần nén xung lên hệ số nén xung. Hơn nữa, trong chương này đã
phân tích điều kiện ngưỡng cho quá trình nén và đề xuất trường hợp
hoạt động tối ưu cho hệ.
Trong cấu hình của hệ MTPFC1, độ rộng xung được rút ngắn
bớt cỡ 44% theo cách “cắt gọt” phần đầu xung và phần cuối xung;
cường độ đỉnh được khuếch đại lên hàng trăm lần.
Trong cấu hình của hệ MTPFC2, độ rộng xung được rút ngắn
bớt cỡ 70% - 80%; cường độ đỉnh có thể được khống chế ở giá trị
nhất định khi chọn được các bộ tham số nhất định (Ví dụ: nnl =
1,0×10-12m2/W; lC = 4,2mm; C = 0,694mm-1; IpglR = 1,62, λ =
1570nm, Imax = 1,125×1012W/m2 (sau khi qua bộ -3dBOC cường độ
đỉnh sẽ là Imax = 0,5625×1012W/m2)).
18
Chương 4
HỆ TỰ NÉN XUNG QUANG
KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI RAMAN BƠM NGƯỢC
VỚI BỘ LIÊN KẾT BÁN PHI TUYẾN
4.1. Cấu hình và nguyên lý hoạt động
*Cấu hình thứ nhất
Hình 4.1 OPSC cầu hình vòng.
*Cấu hình thứ hai
Hình 4.3 OPSC cấu hình thẳng.
4.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình nén xung
Dạng xung sau khi nén ở cổng 1 của bộ SNOC trong cấu hình
vòng hoặc cổng 2 của nộ -3dBOC trong cấu hình thẳng:
C2
sin 2 lC
I ra 1 ( t ) = I kd , s ( t ) 1 − 2
C nl + C 2
(
C nl2 + C 2
)
(4.12)
trong đó, Ikd,s được tính trong chương 3.
4.3. Khảo sát quá trình nén xung
* Bộ SNOC: C = 0,694mm-1; nnl = 1,0.10-12m2/W; lC = 4,20mm.
* Sợi BPRFA: g = 4,5.10-14m/W; vg ≈ 2,0.108 m/s; lR ≈ Ltt = vgτ =
200m; Imax = 0,4.1012W/m2; 2τ = 2.10-6s.
- Xem thêm -