Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi rỗng thẩm thấu các hợp chất thơm: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc của PCF được thẩm thấu các hợp chất thơm và nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN QUỐC VŨ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN, 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG TÁN SẮC CỦA SỢI TINH THỂ QUANG TỬ MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU ĐƯỢC THẨM THẤU CÁC CHẤT LỎNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG PHÁT SIÊU LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Đinh Xuân Khoa 2. PGS.TS Chu Văn Lanh NGHỆ AN, 2021
i LỜI CAM ĐOAN Được sự hướng dẫn khoa học tận tình của GS.TS Đinh Xuân Khoa và PGS.TS Chu Văn Lanh luận án “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục” đã được hoàn thiện. Tôi xin cam đoan các kết quả trong luận án là trung thực, chưa có trong các luận án khác, nội dung của luận án đã được đăng trên 11 tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước. Tác giả luận án Trần Quốc Vũ
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này không chỉ là công sức của cá nhân tôi mà còn có sự đóng góp nhiệt tình của những người Thầy, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình của tôi. Đầu tiên, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TS Đinh Xuân Khoa và PGS.TS Chu Văn Lanh, đang công tác ở Trường Đại học Vinh, quý thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận án này. Xin chân thành cảm ơn Viện Sư phạm Tự nhiên cùng các Thầy, Cô giáo trong ngành Vật lý Trường Đại học Vinh; PGS.TS Phạm Hồng Minh, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Vinh; Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh An Giang; Ban lãnh đạo Trường trung học phổ thông Chuyên Thủ Khoa Nghĩa, thành phố Châu Đốc, tỉnh An Giang, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án này. Cuối cùng con xin trân trọng gửi đến Ba, Mẹ lòng biết ơn vô vàn, vì đã hy sinh cả cuộc đời cho con từ buổi đầu đi học cho đến khi con thành đạt. Cảm ơn những lời động viên, an ủi của chị và em của tôi. Ngoài ra, sự thành công của tôi không thể thiếu người vợ Phạm Võ Duyên Minh và hai đứa con thân yêu Trần Minh Anh Thư và Trần Minh Thư, chính họ là nguồn động lực lớn nhất giúp tôi vựơt qua được những khó khăn gặp phải trong suốt thời gian học tập cũng như làm luận án. Tôi xin gửi đến mọi người lời biết ơn sâu sắc nhất! Nghệ An, ngày 08 tháng 6 năm 2021 Tác giả luận án Trần Quốc Vũ
iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Photonic crystal fiber (PCF) Sợi tinh thể quang tử Zero dispersion wavelength (ZDW ) Bước sóng có tán sắc bằng không Generalized Nonlinear Schrödinger Phương trình Schrödinger phi tuyến Equation (GNLSE) tính tổng quát Photonic band gap (PBG) Vùng cấm quang tử Total internal reflection (TIR) Phản xạ toàn phần Group velocity dispersion (GVD) Tán sắc vận tốc nhóm Nonlinear Schrödinger Equation (NLSE) Phương trình Schrödinger phi tuyến Supercontinuum generation (SG) Phát siêu liên tục High optical dispersion (HOD) Tán sắc quang bậc cao Split-step Fourier method (SSFM) Phương pháp Fourier chia bước Stimulated Raman scattering (SRS ) Tán xạ Raman cưỡng bức Super continuum (SC) Siêu liên tục Self-phase modulation (SPM) Tự biến điệu pha Fourwave mixing (FWM) Trộn 4 sóng Soliton fission (SF) Sự tách soliton Optical wave-breaking (OWB) Hãm sóng quang Dispersion wave (DW) Sóng tán sắc Stimulated Brillouin scattering (SBS) Tán xạ Brillouin cưỡng bức
iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Kí hiệu Đơn vị Nghĩa n Không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính n2 Không thứ nguyên Chiết suất phi tuyến neff Không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng c 2,998.108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không  [Hz] Tần số của môi trường 0 8,85.10-12 F/m Độ điện thẩm trong chân không μ0 1,26.10-6 H/m Độ từ thẩm trong chân không k0 [cm-1] Hằng số sóng Lc [dB/m] Suy hao giam giữ Aeff [μm2] Diện tích mode hiệu dụng  , 0 [μm] Bước sóng ánh sáng γ [(W.km)-1] Hệ số phi tuyến  [dB/km] Hệ số suy hao  [cm-1] Hằng số lan truyền P0 [KW] Công suất cực đại của xung laser vào L [μm] Độ dài lan truyền D [ps/km.nm] Tham số tán sắc DM [ps/km.nm] Tán sắc vật liệu Dw [ps/km.nm] Tán sắc ống dẫn sóng  [rad/s] Tần số góc của sóng quang    r, t [C/m3] Véc tơ mật độ điện tích   j r, t [A/m2] Véc tơ mật độ dòng điện
v   E r, t [V/m] Véc tơ cường độ điện trường   D r, t [C/m2] Véc tơ cảm ứng điện   H r, t [A/m] Véc tơ cường độ từ trường   B r, t [T] Véc tơ cảm ứng từ   P r, t [C/m2] Véc tơ phân cực điện cảm ứng hR(t) Không thứ nguyên Hàm phản ứng Raman S [ps/km.nm2] Tham số độ dốc tán sắc z [cm] Chiều dài sợi quang 0 [fs] Độ rộng thời gian xung vào Tr Không thứ nguyên Hằng số Raman LD [cm] Chiều dài đặc trưng tán sắc LNL [cm] Chiều dài đặc trưng phi tuyến Lfiss [cm] Chiều dài tách soliton LMI [cm] Chiều dài điều chế không ổn định 2 [ps2/km] Độ tán sắc bậc vận tốc nhóm N Số vô hướng Số bậc soliton  Không thứ nguyên Thời gian chuẩn hóa  Không thứ nguyên Quãng đường lan truyền chuẩn hóa 3 Không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tán sắc bậc 3 S không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tự dựng xung R Không thứ nguyên Đặc trưng cho hiệu ứng tự dịch chuyển tần số  [μm] Hằng số mạng d [μm] Đường kính của các lỗ khí Dc [μm] Đường kính lõi
vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử 3 Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường 3 Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF 4 Hình 1.1: Hình dạng hình học của tinh thể quang tử (a) 1D (b) 2D và (c) 3D 10 Hình 1.2: Sơ đồ mặt cắt của PCF lõi đặc [4 - 7] 12 Hình 1.3: Mặt cắt ngang của PCF lõi rỗng đầu tiên, với khoảng cách giữa 12 các lỗ là 4,9 μm và đường kính lõi 14,8 μm [4 - 7] Hình 1.4: Các thông số PCF [7] 13 Hình 1.5: Mô hình biểu diễn mặt cắt ngang qua (a) một sợi quang thông 14 thường [1 - 3] và (b) một PCF lõi rắn [4 - 7] Hình 1.6: Quá trình chế tạo PCF 17 Hình 1.7: Tiền mẫu PCF (Hình a, b, c, d, e, f) 18 Hình 1.8: Biểu diễn diện tích mode hiệu dụng [28, 31] 21 Hình 1.9: Minh họa giam giữ mất mát của ánh sáng khi truyền dẫn trong 26 PCF [34] Hình 1.10: Mất mát uốn cong của PCF [36] 27 Hình 1.11: Đồ thị biểu diễn chiết suất tuyến tính n của toluen, nitrobenzen, 43 benzen và thủy tinh silica nung chảy theo bước sóng λ Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hình học của PCF với lõi thẩm thấu hợp chất thơm 47 Hình 2.2: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF 49 có hằng số mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.3: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF 50 có hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.4: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF 51 có hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
vii Hình 2.5: Phần thực chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF 52 có hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.6: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có 55 hằng số mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.7: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có 56 hằng số mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.8: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có 57 hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.9: Diện tích mode hiệu dụng phụ thuộc vào bước sóng của PCF có 58 hằng số mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.10: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng 61 Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.11: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng 62 Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.12: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng 64 Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.13: Tán sắc phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số mạng 65 Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.14: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số 68 mạng Ʌ = 1,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.15: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số 69 mạng Ʌ = 1,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.16: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số 70 mạng Ʌ = 2,0 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Hình 2.17: Giam giữ mất mát phụ thuộc vào bước sóng của PCF có hằng số 71 mạng Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy d/Ʌ thay đổi từ 0,3 đến 0,8
viii Hình 2.18: Đặc trưng tán sắc của các PCF - T được chọn để SC 74 Hình 2.19: Đặc trưng tán sắc của các PCF - B được chọn để SC 75 Hình 2.20: Đặc trưng của tán sắc mode PCF cho các sợi # F1, # F2 và # F3. 76 Các đường thẳng đứng đứt nét chỉ ra các bước sóng bơm: 1030 nm và 1560 nm tương ứng Hình 3.1: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương 80 ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai PCF có chiều dài 4 cm và 10 cm với tán sắc thường (# I_0,30). Xung đầu vào có độ rộng 350 fs và năng lượng 2,5 nJ cho sợi có chiều dài 4 cm và 10 cm. Hình 3.2: a) Sự phát triển phổ dọc theo chiều dài sợi; b) Sơ đồ phổ tương 82 ứng của xung mở rộng; c) Phổ SC: Cường độ phổ được khảo sát cho hai sợi có chiều dài 4 cm và 10 cm có tán sắc dị thường (#I_0,35). Xung đầu vào có độ rộng 450 fs và năng lượng 3 nJ. Hình 3.3: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng 84 lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,1 nJ và mức độ kết hợp được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung 0,1 nJ, cho # F1 Hình 3.4: a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi; b) Phổ SC đối với năng 86 lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,05 nJ - 0,5 nJ và mức độ kết hợp được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung 0,5 nJ, cho # F2 Hình 3.5: (a) Sự mở rộng của SC dọc theo sợi (b) Phổ SC đối với năng 88 lượng xung khác nhau trong phạm vi 0,01 nJ - 0,06 nJ và mức độ kết hợp được tính từ 20 cặp riêng lẻ với nhiễu ngẫu nhiên đối với năng lượng xung 0,06 nJ, cho # F3
ix Hình 3.6: a) Sự mở rộng của SG trong sợi # f1 với tất cả đặc trưng tán sắc 91 thường cho năng lượng xung đầu vào khác nhau cho 1 cm lan truyền; b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và mức độ kết hợp bậc nhất được tính toán cho 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f1. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f1 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và các phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi Hình 3.7: (a) Sự mở rộng SG trong sợi # f2 với hai ZDW cho năng lượng 94 xung đầu vào khác nhau đối với 1,0 cm lan truyền. (b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu vào khác nhau và độ kết hợp bậc nhất được tính toán với 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f2. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f2 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 1,0 nJ và các biểu đồ phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi Hình 3.8: (a) Sự mở rộng của SG trong # f3 cho năng lượng xung đầu vào khác nhau cho 1,0 cm lan truyền. (b) Phổ SC cho các năng lượng xung đầu 96 vào khác nhau và mức độ kết hợp bậc nhất được tính toán với 20 cặp xung riêng lẻ có nhiễu ngẫu nhiên, cho # f3. (c) Sự mở rộng của quá trình truyền xung trong # f3 như một hàm của độ dài lan truyền với năng lượng xung đầu vào 3,0 nJ và các phổ xung tại ba vị trí khác nhau dọc theo sợi
x DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1.1: Tổng quan về sự phát triển của PCF tử năm 1978 đến nay [27, 11 88] Bảng 1.2: Các tham số tán sắc của toluen, nitrobenzen, benzen và silica [39 - 42 44] Bảng 2.1: Các tham số cho các cấu trúc PCF được thiết kế để thực hiện các 47 mô phỏng Bảng 2.2: Các giá trị của chiết suất hiệu dụng tại bước sóng 1,55 µm với 54 các hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Bảng 2.3: Các giá trị diện tích mode hiệu dụng của PCF tại bước sóng 1,55 59 µm với hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8 Bảng 2.4: Các giá trị tán sắc của PCF tại bước sóng 1,55 µm với hằng số 66 mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8. Độ tán sắc D có đơn vị ps/nm/km Bảng 2.5: Các giá trị giam giữ mất mát của PCF tại bước sóng 1,55 µm với 72 hằng số mạng Ʌ = 2,0 µm; Ʌ = 2,5 µm và thừa số lấp đầy thay đổi từ 0,3 đến 0,8. Giam giữ mất mát Lc có đơn vị dB/cm Bảng 3.1: Các đặc trưng phi tuyến của # f2 93 Bảng 3.2: Các đặc trưng phi tuyến của # f3 95
xi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ VÀ MÔ 9 HÌNH VẬT LÝ CHO PHÁT SIÊU LIÊN TỤC 1.1. Tinh thể quang tử 9 1.2. Sợi tinh thể quang tử 10 1.3. Phân loại PCF 12 1.4. Cơ chế dẫn sáng của PCF 13 1.5. Ưu điểm của PCF so với sợi quang thông thường 15 1.6. Ứng dụng của PCF 16 1.7. Phương pháp chế tạo PCF 16 1.8. Tính chất và các đặc trưng của PCF 19 1.8.1. Tính chất đơn mode cao của PCF 19 1.8.2. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng 20 1.8.3. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến 21 1.8.4. Đặc trưng tán sắc trong PCF 23 1.8.5. Mất mát trong PCF 25 1.8.5.1. Mất mát hấp thụ 25 1.8.5.2 Giam giữ mất mát 26 1.8.5.3. Mất mát uốn cong 27 1.9. Mô hình vật lý cho phát siêu liên tục 28
xii 1.9.1. Phương trình lan truyền xung trong sợi quang 28 1.9.1.1. Lan truyền xung ngắn 30 1.9.1.2. Lan truyền xung cực ngắn 32 1.9.2. Phương pháp số để giải phương trình lan truyền 35 1.10. Một số tính chất vật lý của silica và hợp chất thơm 40 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 44 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI RỖNG THẨM THẤU CÁC HỢP CHẤT THƠM 45 2.1. Giới thiệu chương 45 2.2. Cấu trúc của PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm 46 2.3. Nghiên cứu các đặc trưng của PCF lõi rỗng với mạng lục giác đều được thẩm thấu hợp chất thơm 48 2.3.1. Đặc trưng chiết suất hiệu dụng 48 2.3.2. Đặc trưng diện tích mode hiệu dụng 54 2.3.3. Đặc trưng tán sắc 60 2.3.4. Đặc trưng giam giữ mất mát 67 2.4. Tối ưu các tham số cấu trúc của các PCF về đặc trưng tán sắc để ứng dụng phát siêu liên tục 72 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 77 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF LÕI RỖNG THẨM THẤU HỢP CHẤT THƠM 78 3.1. Giới thiệu chương 78 3.2. Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu toluen 80 3.3. Nghiên cứu SC trong PCF lõi rỗng thẩm thấu nitrobenzen 83 3.4. Nghiên cứu SG trong PCF lõi rỗng thẩm thấu benzen 89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 97
xiii KẾT LUẬN CHUNG 98 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102
1 MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 20, sợi quang thông thường (Hình 0.1a) được sử dụng để truyền thông tin dưới dạng các xung quang ngắn với tốc độ cực cao trên một khoảng cách dài. Kể từ năm 1970 đến nay tốc độ phát triển công nghệ này thật đáng kinh ngạc và đã trở thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thông toàn cầu [1, 2]. Ngoài việc sử dụng trong lĩnh vực thông tin quang, các sợi quang thông thường còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia công, cảm biến,… . Trong quá trình lan truyền sự mất mát và độ tán sắc là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền của các sợi quang học. Bằng cách tạo ra các cơ chế biến đổi độ tán sắc đã đem lại các công nghệ hoàn thiện lĩnh vực thông tin quang ngày nay [3]. Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong công nghệ quang sợi đó là vào năm 1996, Russell và các đồng nghiệp đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi tinh thể quang tử (photonic crystal fiber - PCF) (Hình 0.1b) [4]. Kể từ đó, các PCF đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và họ đã chỉ ra các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các loại sợi quang học thông thường. Một PCF có thể được coi là một tinh thể lượng tử ánh sáng, với một cấu trúc đối xứng hai chiều trong đó bao gồm một khu vực trung tâm được bao quanh bởi một mạng tạo bởi nhiều lỗ không khí chạy song song với trục sợi [5]. Sau khi phát hiện ra PCF thì các nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong lĩnh vực quang học được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. PCF có các tính chất rất thú vị cho các ứng dụng phi tuyến vì nó có khả năng giam giữ ánh sáng rất lớn và có khả năng điều khiển được độ tán sắc [6]. Một điều khá thú vị, các PCF với bước sóng ứng với độ tán sắc bằng không rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [7]. Các tham số ảnh hưởng đến độ tán sắc của PCF đó là các
2 tham số hình học như cấu trúc các loại mạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí và vật liệu thẩm thấu vào lỗ khí [8]. Trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến năm 2006, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho các PCF được bơm vào lỗ mạng hoặc lõi bởi không khí như nghiên cứu cơ chế dẫn ánh sáng của PCF [5, 9] và các PCF lõi đặc cấu trúc vi mô [10]. Các nghiên cứu về PCF sử dụng chất khí bơm vào các lỗ mạng hoặc lõi đã chứng tỏ được những tính chất nổi trội và những ứng dụng vượt bậc của PCF so với các sợi quang thông thường. Đồng thời các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra PCF khí còn tồn tại một số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng không rất hẹp, tính phi tuyến trong các PCF khí nhỏ. Những hạn chế này làm ảnh hưởng không nhỏ đến các ứng dụng của PCF trong công nghệ sợi quang. Trong những năm gần đây, với việc thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi của PCF đã mở ra một ứng dụng rất tiềm năng của nó trong phát siêu liên tục [11]. Bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được đường cong tán sắc phẳng của các đường tán sắc [12 - 14]. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [15]. Ngoài ra, cũng bằng cách thẩm thấu một hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra được các PCF ứng dụng trong cảm biến nhiệt có độ nhạy cao [16]. Các nghiên cứu về PCF được thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi đã mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong công nghệ sợi quang và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong thời gian tiếp theo. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa phân tích được đầy đủ, tường minh sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng của PCF vào các tham số cấu trúc và các chất lỏng sử dụng có tính độc khá cao đối với con người. Ở Việt Nam, kể từ năm 2005 đến năm 2015 đã có một số nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã có những nghiên cứu bước đầu về tinh thể quang tử như sử dụng khúc xạ âm trong các ống dẫn sóng tinh thể không đồng đều [17, 18], nghiên
3 cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ [19], nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang học trên cơ sở tinh thể quang tử một chiều ứng dụng trong lĩnh vực Sinh - Hóa [20], các sợi tinh thể có tán sắc cực phẳng và giam giữ mất mát thấp [21, 22], các sợi tinh thể quang tử cho diện tích mode hiệu dụng lớn và tán sắc âm lớn [23], các sợi đơn mode có tán sắc siêu phẳng với dải bước sóng tán sắc gần không rộng [24]. Như vậy, các nghiên cứu về PCF còn rất ít được quan tâm ở Việt Nam. Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn so với các nước khác. Bên cạnh lý do kinh phí và phương tiện chưa đủ, sự liên kết hợp tác không hiệu quả trong nghiên cứu chuyên ngành cũng có thể là một phần nguyên nhân. Hình 0.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử Lõi Vỏ Lớp vỏ bảo vệ Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường Các sợi quang thông thường (Hình 0.1a và Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong thông tin quang và một số lĩnh vực khác. Tuy nhiên các sợi quang thông thường này tồn tại một số hạn chế liên quan đến cấu trúc của nó như: gặp khó khăn trong việc thiết kế, khó khăn trong việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và vỏ phải giống
4 nhau), hạn chế về mật độ năng lượng truyền, hạn chế cơ bản về kích thước mode trong chế độ đơn mode, … Các PCF (Hình 0.1b và Hình 0.3) linh hoạt hơn trong việc thiết kế và chế tạo cấu trúc của nó như việc chọn các loại lõi (lõi đặc hay lõi rỗng), kích thước và hình dạng của các lõi, các kiểu mạng, hằng số mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng, tự do lựa chọn các loại vật liệu để thẩm thấu vào lỗ mạng hoặc lõi. Mỗi một sự thay đổi các yếu tố này đều ảnh hưởng lên các đại lượng đặc trưng của PCF. Nhiều công bố quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc như đường kính lỗ khí d, hằng số mạng Ʌ (khoảng cách từ tâm lỗ khí này đến tâm lỗ khí gần nhất) lên các các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và mất mát [6, 8, 9]. Tuy nhiên hạn chế của các cấu trúc trong các công bố này là chưa xác định được mối liên hệ giữa các đại lượng này và sử dụng kết quả đó cho các ứng dụng công nghệ quang trong các trường hợp cụ thể. Không khí. Hợp chất silica Chất lỏng Chất lỏng Hợp chất silica Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF: a) Lõi đặc b) Lõi rỗng được thẩm thấu chất lỏng Trong công bố gần đây, các tác giả đã thẩm thấu chloroform (CHCl 3) vào lõi của PCF [25]. Kết quả nghiên cứu đã thu được hai cấu trúc tối ưu để ứng dụng cho
5 phát siêu liên tục tại bước sóng bơm 1030 nm. Sợi tối ưu thứ nhất có hằng số mạng Λ = 1,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có đặc trưng tán sắc thường, có độ tán sắc bằng -24 ps.nm−1.km−1 tại bước sóng bơm. Sợi tối ưu thứ hai có hằng số mạng Λ = 2,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có bước sóng tán sắc bằng không (ZDW) bằng 1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước sóng bơm bằng 7,6 ps.nm–1.km–1. Kết quả phát siêu liên tục cho hai cấu trúc tối ưu này đã mở rộng phổ trong dải bước sóng 600 nm - 1260 nm. Trong công bố [26], các tác giả đã phát siêu liên tục trong PCF lõi nước có chiều dài sợi 5 cm. Kết quả đã thu được phổ mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 600 nm đến 1140 nm. Các kết quả thu được qua các công trình trên đóng góp quan trọng trong tiến trình nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF lõi chất lỏng và càng khẳng định các ưu điểm của các PCF được thẩm thấu chất lỏng. Tuy nhiên, khi sử dụng các chất lỏng trên thì diện tích mode hiệu dụng thu được lớn; đường cong tán sắc phẳng nhưng chưa tiệm cận gần nhất với đường tán sắc bằng không; giam giữ mất mát lớn. Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến độ phẳng và khả năng mở rộng phổ trong phát siêu liên tục. Ngoài ra, các công bố còn chưa phân tích đầy đủ các hiện tượng vật lý ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục. Để khắc phục những hạn chế trên, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng bản quyền Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen, benzen và nitrobenzen). Tiếp theo, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF, nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF (chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát). Các kết quả thu được sẽ xác định được PCF có cấu trúc tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả phát siêu liên tục (SG) với sự mở rộng phổ lớn và siêu phẳng. Trong tiến trình đó chúng tôi phân tích các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục.