Tóm tắt Luận án Nén xung ngắn bằng vòng sợi quang khuếch đại raman 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 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 hồih 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: ( )1s L sdm n Dm mdz c= + (1.9) *Nếu ms << 1 (tự phát) thì ( )s Lnm z Dm z c = *Nếu ms >> 1 (cưỡng bức) thì ( ) ( )0 L Dnm z c s sm z m e= 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: 22p p p s p n i E N QE z c t cn q pi ν α ∂ ∂ ∂ + = ∂ ∂ ∂  (1.14) 2 *2s s s p s n i E N Q E z c t cn q pi ν α∂ ∂ ∂  − + = ∂ ∂ ∂  (1.15) Trong điều kiện dừng (stationary), phương trình (1.14) và (1.15) có thể viết cho cường độ sẽ có dạng sau: p p q p s s n I I I z c t ν γ ν  ∂ ∂ + = − ∂ ∂  (1.17) s s p s n I I I z c t γ∂ ∂ − + = ∂ ∂  (1.18) 1.2.3. Hệ số khuếch đại *Hệ số khuếch đại Raman tổng sau N lần đụng đầu sẽ là: /2 1 1 exp 2 1 p p p LN L i sT i gP eG G L A e α α υ τ α − − =   − = = −   −  ∏ (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. Hình 1.5. Nguyên lý nén xung bằng khuếch đại Raman bơm ngược [25]. 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: ( ) ( ) 2 2 21 11 2 2 1 2 2 22 12 2 2 1 ( ) 11(0) / 1 ( ) 1 (0) / 1 nl nl nl nl I z sin z C C I C C I z sin z C C I C C η η = = − + + = = + + (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: 2 2 2 4 4 2 20 1 1 1 2 2 2 4 4 2 0 1 2 2 2 2 2 4 4 2 20 1 2 1 2 2 2 4 4 2 0 1 2 2 41( ) 1 4 161 16 41( ) 4 161 16 nl nl nl nl c n II z I sin z C c n I C c n I I z I sin z C c n I C pi ε pi ε λ λ pi ε pi ε λ λ       = − +     +          = +     +    (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; Hình 2.1. Cấu hình của bộ liên kết bán phi tuyến. 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: ( ) 2 ln 2 ( 3 7 ) 0( ) t T kT T vao mI t I mkI e   − − −     = + (2.2) Khả năng tách xung được mô phỏng trong hình 2.5. a) t/T b) t/T c) 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 Xét xung Gaussian: 2 2exp ln 2vao max tI I 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): nnl = 1,0.10-12m2/W), lC=1,9mm, C=0,694mm-1, λ =1,57µm, Imax= 0,75.1012W/m2, 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): nnl = 1,0.10-12m2/W, lC = 4,20mm, C=0,694mm-1, 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 2 2( ) ln 2vao max tI t I exp τ   = − ×    (3.1) 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: ( ) ( )2 2 2 2 2,1 2 2 2( ) ln 2 1 sin4maxnen C nl p RnlI t CI t exp l C C exp I glC Cτ   = − × − +   +    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 theo lần nén qua hệ MTPFC1. Xung Vào Lần “1” Lần “2” Lần “3” Imax(W/m2) 0,75.1012 1,156.1012 1,744.1012 2,653.1012 2τ(s) 2.10-9 1,29.10-9 1,26.10-9 1,23.10-9 Fnen(W/m2s) 3,75.1020 8,961.1020 13,841.1020 21,57.1020 η 1 2,390 3,691 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 (IpglR) I max (W/m2) 2τ (10-9 s) F (W/m2s) η[*] 0,5 1,26.1011 0,59 2,14.1020 0,57 0,540 2,24.1011 0,61 3,67.1020 0,98 0,900 1,26.1012 1,23 10,24.1020 2,73 1,000 1,84.1012 1,23 14,96.1020 3,99 1,125 2,653.1012 1,23 21,57.1020 5,75 1,200 3,33.1012 1,26 26,43.1020 7,05 2,300 9,35.1013 1,28 730,47.1020 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. Xung Lần “0” Lần “1” Lần “2” Lần “3” Imax(W/m2) 5,625.1011 5,625.1011 5,625.1011 5,625.1011 2τ(s) 2,000.10-9 1,000.10-9 0,675.10-9 0,564.10-9 Fnen(W/m2s) 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 (IpglR) Imax (W/m2) 2τ (10-9 s) F (W/m2s) η 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 1,56 3,340.1011 0,41 8,146.1020 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 *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: ( )2 2 2 21 , 2 2( ) ( ) 1 sinra kd s C nl nl CI t I t l C C C C   = − +  +  (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. 19 Với các tham số của OPSC đã cho ở trên, kết quả tính toán khảo sát đã cho xung sau khi khuếch đại như trên hình 4.8. Hình 4.8. Xung khuếch đại của OPSC: a – Vẽ trong thời gian 1µs ÷ 7µs; b – Vẽ trong thời gian 3,5µs ÷ 4,5µs; Cường độ đỉnh đạt Imax ≈ 3,80.1013W/m2, tăng gần 95 lần so với cường độ đỉnh xung vào, độ rộng xung rút xuống còn 0,48.10-6 s, giảm đi 4,17 lần so với độ rộng xung vào. 4.4. Ảnh hưởng của một số tham số lên hệ số nén 4.4.1. Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại Raman (g) Bảng 4.1 Các thông số xung nén với hệ số khuếch đại Raman g khác nhau xung vào không đổi. g [m/W] Imax,nen [W/m2] τ [s] F [W/m2.s] ηnen [*] 2,50.10-14 2,92.109 0,51.10-6 5,73.1015 28,65.10-3 3,00.10-14 3,10.1010 0,50.10-6 6,20.1016 0,31 3,20.10-14 7,79.1010 0,49.10-6 1,59.1017 0,80 3,25.10-14 1,00.1011 0,49.10-6 2,04.1017 1,01 3,50.10-14 3,40.1011 0,48.10-6 7,08.1017 3,54 4,00.10-14 3,60.1012 0,48.10-6 7,50.1018 37,50 4,50.10-14 3,80.1013 0,46.10-6 7,92.1019 396,00 *Fvao = 2,0.1017 Wm-2s-1 (Imax = 0,4.1012W/m2, 2τ = 2.10-6s) 20 Chúng ta có thể sử dụng các loại sợi quang khác nhau cho hệ OPSC, khi đó hệ số khuếch đại Raman g sẽ thay đổi. Kết quả bảng 4.1 cho thấy, so với xung vào thì độ rộng xung nén giảm hơn 4 lần; giá trị hệ số khuếch đại Raman ngưỡng khoảng g =3,25.10-14m/W, tại đó, hệ số nén gần bằng η ≈ 1. Khi tăng hệ số khuếch đại Raman lớn hơn giá trị ngưỡng, hệ số nén sẽ tăng nhanh còn độ rộng xung giảm chậm. 4.4.2 Ảnh hưởng của cường độ đỉnh xung vào Cường độ đỉnh Imax,vao thay đổi trong khoảng từ (0,2.1012 ÷ 0,42.1012) W/m2 kết quả khảo sát thống kê trong bảng 4.2. Từ bảng 4.2 chúng ta rút ra các nhận xét, hệ số nén sẽ gần bằng η ≈ 1(η =1,13) khi cường độ đỉnh của xung vào bằng 0,327.1012 W/m2, nghĩa là tích Imax.g ≈ 0,015m-1. Khi tăng cường độ đỉnh từ 0,2.1012 W/m2 lên 0,42.1012 W/m2 thì độ rộng xung giảm xuống đến giá trị cực tiểu (0,21.10-6s) rồi tăng lên trong khi đó hệ số nén luôn tăng. Bảng 4.2 Các thông số của xung nén với cường độ đỉnh khác nhau, hệ số khuếch đại Raman không đổi (g = 4,5.10-14m/W) . Imax, vao 1012w/m2 Fvao 1017W/m2s Imax, nen [w/m2] 2τnen 10-6s Fnen [W/m2s] η 0,200 1,00 0,33.109 0,55 6,00.1014 0,006 0,325 1,625 2,75.1010 0,21 1,31.1017 0,81 0,327 1,635 4,24.1010 0,23 1,84.1017 1,13 0,330 1,65 7,75.1010 0,24 3,23.1017 1,96 0,340 1,70 3,72.1011 0,29 1,28.1018 6,40 0,350 1,75 1,25.1012 0,30 4,17.1018 23,81 0,370 1,85 7,60.1012 0,37 2,05.1019 102,50 0,400 2,00 3,80.1013 0,48 7,92.1019 396,00 0,420 2,10 5,91.1013 0,61 9,69.1019 461,43 *Độ rộng xung vào 2τvao = 2,0.10-6s. 21 4.4.3 Ảnh hưởng của độ rộng xung Độ rộng xung vào thay đổi trong khoảng (0,6.10-6s ÷ 2,1.10-6s) kết quả được thống kê trong bảng 4.3. Bảng 4.3 Các thông số của xung nén với độ rộng xung khác nhau 2τvao [10-6s] Fvao [W/m2s] Imax, nen [W /m2] 2τnen [10-6s] Fnen [W/m2s] η 1,40 2,86.1017 6,79.1010 0,27 2,51.1017 0,88 1,44 2,77.1017 1,04.1011 0,34 3,06.1017 1,10 1,46 2,74.1017 1,27.1011 0,36 3,53.1017 1,29 1,50 2,67.1017 1,94.1011 0,37 5,24.1017 1,96 1,70 2,35.1017 1,64.1012 0,40 4,10.1018 17,45 1,80 2,22.1017 4,65.1012 0,44 1,06.1019 47,75 2,00 2,00.1017 3,80.1013 0,47 7,92.1019 396,00 *Với Imax, vao = 0,4.1012 W/m2. Từ kết quả bảng 4.3 chúng ta thấy, với cường độ đỉnh không đổi, tồn tại giá trị độ rộng xung ngưỡng (1,44.10-6s), tại đó hiệu ứng nén xuất hiện η ≈ 1, hệ số nén sẽ tăng khi độ rộng xung tăng. Trong trường hợp η < 1, xung ra vẫn ngắn hơn xung vào, nhưng đây chỉ là rút ngắn xung chứ không phải nén xung vì cường độ đỉnh của xung ra giảm). 4.5. Kết luận chương 4 Dựa trên cơ sở tính chất phi tuyến của bộ liên kết bán phi tuyến và khả năng khuếch đại Raman bơm ngược của sợi quang cấy Germani, hai cấu hình tự nén xung đã được đề xuất. Sau khi phân tích nguyên lý hoạt động của hệ tự nén xung và dẫn cơ sở lý thuyết 22 mô tả sự biến đổi xung trong hệ, kết quả khảo sát các xung nén đã được mô phỏng và đánh giá thông qua hệ số nén được định nghĩa. Hệ OPSC có thể nén xung với hệ số nén nhất định. - Hệ số nén xung tăng khi hệ số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh của xung vào tăng và độ rộng xung vào tăng (chiều dài vùng tương tác tăng); - Tồn tại các tổ hợp giá trị ngưỡng của hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh và độ rộng xung để hiệu suất nén η = 1. KẾT LUẬN Dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ liên kết quang bán phi tuyến và khuếch đại Raman bơm ngược trong môi trường sợi quang, luận án đã đề xuất một hệ nén xung lặp (bơm liên tục) và hệ tự nén xung (bơm xung). Các biểu thức giải thích cho xung nén, hệ số nén đã được dẫn ra mô tả sự phụ thuộc của các tham số nén vào tham số thiết kê của hệ với gần đúng cường độ suy giảm không đáng kể. Bằng phương pháp sử dụng phần mềm Maple khảo sát trên máy tính với các thông số đầu vào sát thực tế, kết quả nghiên cứu đã cho thấy khả năng nén xung của các hệ trên. 1) Đã khảo sát được hiện tượng tách xung lọc lựa của bộ liên kết quang bán phi tuyến. Có thể rút ra những nhận định sau: i) Với bộ tham số 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 23 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 hình dạng có độ rộng xung thay đổi phụ thuộc vào chiều dài vùng liên kết, cường độ đỉnh xung vào và hệ số chiết suất tuyến tính. Khả năng rút ngắn độ rộng xung ra ở mỗi cổng (cổng thứ nhất hoặc cổng thứ hai theo yêu cầu) là khả quan nếu chọn hợp lý: chiều dài vùng liên kết, hệ số chiết suất phi tuyến và cường độ đỉnh của xung tín hiệu vào. 2) Đã khảo sát tính chất nén xung của hai hệ nén xung lặp (MTPFC1, MTPFC2), kết hợp giữa bộ liên kết bán phi tuyến, bộ khuếch đại Raman sợi quang bơm ngược liên tục và bộ liên kết tuyến tính -3dB. Có thể rút ra nhận định sau: i) Với MTPFC1, hệ số rút ngắn độ rộng xung thấp, hệ số tăng cường độ đỉnh cao, phụ thuộc vào cường độ xung bơm và hệ số khuếch đại của sợi quang. Do đó, có thể sử dụng hệ này cho mục đích khuếch đại đỉnh xung. ii) Với MTPFC2, khi chọn được bộ tham số hợp lý, cường độ đỉnh và độ rộng xung có thể đạt đến một giá trị ổn định. Do đó, có thể sử dụng hệ này cho mục đích tạo xung vuông ổn định. iii) Quá trình lặp của hệ phụ thuộc vào điều kiện ngưỡng và do đó, tồn tại chế độ hoạt động tối ưu cho hệ. 24 3) Đã khảo sát tính chất nén xung của hai cấu hình vòng và thẳng của hệ tự nén xung (OPSC) kết hợp bộ liên kết quang bán phi tuyến và sợi quang Germani. Từ kết quả có thể rút ra những nhận định sau: i) Hệ OPSC có thể nén xung với hệ số nén nhất định. ii) Hệ số nén xung tăng khi hệ số khuếch đại Raman tăng, cường độ đỉnh của xung vào tăng và độ rộng xung vào tăng; iii) Tồn tại các tổ hợp giá trị ngưỡng (hệ số nén bằng 1) của hệ số khuếch đại Raman, cường độ đỉnh và độ rộng xung bơm. Những đóng góp mới của luận án: 1) Đã đề xuất và nghiên cứu lý thuyết hai hệ nén xung lặp trên cơ sở phối hợp giữa bộ liên kết quang bán phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman với nguồn bơm ngược liên tục. 2) Đã đề xuất và nghiên cứu lý thuyết hai hệ tự nén xung cấu trúc vòng và thẳng trên cơ sở phối hợp bộ liên kết quang bán phi tuyến và sợi quang khuếch đại Raman (sợi quang cấy Germani) bơm ngược. 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. Những vấn đề cần nghiên cứu phát triển: Hướng nghiên cứu có thể phát triển theo những nội dung sau: - Kết hợp với bộ liên kết quang phi tuyến (sử dụng hai sợi phi tuyến); - Tiến hành xây dựng hệ thực nghiệm trên cơ sở hệ đã được đề xuất. Danh mục các công trình khoa học đã công bố 1. Chu Van Bien, Le Van Hoang, Le Anh Tuan, Ho Quang Quy (2011), Output signal selection of nonlinear coupler, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 14, 08-2011, pp.91-96. 2. Ho Quang Quy, Vu Ngoc Sau, Nguyen Thi Thanh Tam, Chu Van Bien (2012), Using a nonlinear coupler to sort a sequence of weak and strong pulses, Proc. National conference on Theoretical Physics 37 (2012), pp.193-198. 3. Quang Quy Ho, Van Bien Chu (2012), Two models of optical pulse self-compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier, J. Electromagnetic Analysis and Applications, 4 (2012), pp.379-385. 4. Le Thi Ngoc Hieu, Chu Van Bien, Chu Van Lanh (2012), Multi- trips pulse compression by the system of nonlinear coupler and optical amplification fiber, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 18, 04-2012, pp.97-103. 5. Ho Quang Quy, Chu Van Lanh, Thai Doan Thanh, Mai Van Luu and Chu Van Bien (2012), Optical pulse self-compressor combined the nonlinear coupler with backward Raman fiber amplifier, Commun. In Phys., 22, 3, pp.254-262. 6. Chu Van Bien, Nguyen Manh An, Cao Thanh Le, Chu Van Lanh (2013), Selective output pulse separation and duration reduction of the semi-nonlinear coupler, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 25, 06-2013, pp.125-131. 7. Chu Van Bien, Le Thi Ngoc Hieu, Ho Quang Quy, Thai Doan Thanh and Chu Van Lanh (2013), Multi-trips pulse compression by the system of nonlinear coupler and optical amplification fiber with CW pump, Advance in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VII, 2013, ISSN 1859 – 4271, pp.401- 406. 8. Nguyen Manh An, Chu Van Bien and Ho Quang Quy (2014), Influence peak intensity and duration of input pulse on the compression efficiency of the self-compressor consisting of nonlinear coupler and backward-pumped Raman fiber amplifier, Proc. 3th ACNS for M&PhD S from ASEAN Countries, Publ. House for ST-2014, ISBN 978-604-9813-0088-5, pp.330-336. 9. Chu Văn Biên, Hồ Quang Quý, Đào Sỹ Nhiên, Đặng Quốc Phong, Lương Thị Tú Oanh, Khảo sát hệ số nén xung sử dụng sợi quang khuếch đại Raman bơm ngược và bộ liên kết bán phi tuyến, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 43, 06 – 2016, pp.119-125.