Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu phổ phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của "Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu phổ phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau" là thiết kế được PCF lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau bao gồm SL, HL và CL. Phân tích được các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau, từ đó đề xuất được bộ thông số hình học tối ưu cho SCG. Khảo sát được phổ SCG với các cấu trúc tối ưu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu phổ phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----⁂----- LÊ TRẦN BẢO TRÂN NGHIÊN CỨU PHỔ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI BENZENE VỚI CÁC CẤU TRÚC MẠNG KHÁC NHAU Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9 44 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2024
Công trình được hoàn thành tại: Khoa Vật lý - Trường Đại học Vinh Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Chu Văn Lanh 2. TS. Nguyễn Thị Thuỷ … Phản biện 1: ........................................................................................ ............................................................................................................. Phản biện 2: ........................................................................................ ............................................................................................................. Phản biện 3: ........................................................................................ ............................................................................................................. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường tại .................................................................................................................. vào hồi ........ giờ ........ phút, ngày ........ tháng ........ năm ........ Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Nguyễn Thúc Hào, Trường Đại học Vinh
1 MỞ ĐẦU Sự ra đời của sợi tinh thể quang tử (PCF) do Russell và các cộng sự đề xuất vào năm 1996 là một cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong công nghệ quang. Không giống như các sợi quang thông thường, PCF với các cơ chế dẫn sáng khác nhau như phản xạ toàn phần (TIR), cơ chế dải vùng cấm quang tử hay phản cộng hưởng thể hiện các tính chất độc đáo như hoạt động đơn mode trên một dải bước sóng rộng, tính linh hoạt trong quản lý tán sắc, độ lưỡng chiết cao, độ phi tuyến rất lớn. Những tính chất quang độc đáo này đã được ứng dụng trong việc chế tạo các bộ khuếch đại, cảm biến sợi quang và các thiết bị phi tuyến. Sở dĩ PCF sở hữu nhiều tính năng vượt trội như vậy là do tính linh hoạt trong mô hình thiết kế. Để ứng dụng vào một lĩnh vực cụ thể, các thông số cấu trúc của PCF như kích thước lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí hay hằng số mạng, kích thước lõi, hình dạng mạng ở lớp vỏ, thậm chí cả vật liệu được sử dụng có thể được thay đổi một cách phù hợp nhằm mục đích điều khiển linh hoạt các đại lượng đặc trưng. Trong số các ứng dụng của PCF, phát siêu liên tục (SCG) là một ứng dụng nổi bật, trong đó xung laser hẹp được mở rộng khi lan truyền qua một môi trường phi tuyến. Nhờ vào đặc tính liên tục như ánh sáng trắng và cường độ cực lớn tương đương với cường độ laser, SCG đã góp mặt trong hầu hết các ứng dụng viễn thông, quang phổ, quang sinh học và lược tần số. Nguồn siêu liên tục trong vùng hồng ngoại trung còn được sử dụng trong lĩnh vực y sinh, chẳng hạn như chụp cắt lớp quang học. SCG đạt hiệu quả cao nhất khi lõi của các PCF được tạo bởi vật liệu có hệ số chiết suất phi tuyến lớn, đường cong tán sắc phẳng (độ dốc đường cong tán sắc nhỏ với giá trị tuyệt đối của độ tán sắc  25 ps/nm/km) và tiệm cận với đường tán sắc không, diện tích mode hiệu dụng và mất mát nhỏ. Kể từ khi xuất hiện cho đến nay, công nghệ PCF và SCG đã được nghiên cứu chuyên sâu cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm và đạt được nhiều thành tựu to lớn trong việc tối ưu các tính chất quang tuyến tính và phi tuyến, mở rộng băng thông phổ từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại trung dùng trong đo lường và kính hiển vi, mạng 6G, chụp cắt lớp kết hợp quang học nhãn khoa với độ phân giải cao. Ở Việt Nam, kể từ năm 2007, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những nghiên cứu bước đầu về một loại PCF lõi rỗng hình elip với đường cong tán sắc siêu phẳng và mất mát giam giữ thấp; tiếp đó là nghiên cứu các sợi có diện tích hiệu dụng lớn và độ tán sắc âm cao; các PCF đơn mode dẫn sáng theo chiết suất có đường cong tán sắc siêu phẳng gần với đường tán sắc không trong phạm vi bước sóng rộng. Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã 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 (năm 2015). Nhìn chung, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ quan tâm đến các đại lượng đặc trưng của PCF mà chưa ứng dụng cho SCG. Đặc biệt, vào năm 2015, Trường Đại học Vinh đã thành lập nhóm nghiên cứu và bước đầu có các công bố về các đại
2 lượng đặc trưng của PCF lõi đặc, tiếp đó là những công bố quốc tế về SCG trong các PCF với mạng lục giác (HL). Điểm chung của các nghiên cứu trong nước và trên thế giới tại thời điểm này là chỉ tập trung vào việc thiết kế PCF với mạng lỗ khí hình lục giác ở lớp vỏ quang tử. Đây là loại mạng phổ biến và đã được chế tạo trong thực tế với ưu điểm nằm ở các đường cong tán sắc phẳng và gần với đường tán sắc không nhưng chưa hỗ trợ nhiều cho các tính chất quang học khác. Một số công trình nghiên cứu về HL cũng cho thấy phổ đầu ra khi sử dụng mạng này chưa được phẳng. Do đó, các cấu trúc mạng mới đã được giới thiệu nhằm khai thác triệt để những tiến bộ trong công nghệ sản xuất và khắc phục hạn chế của HL-PCF. Trong số đó, các PCF với mạng vuông (SL) giúp đạt được chế độ đơn mode trong vùng bước sóng rộng cũng như khả năng giảm thiểu mất mát. Mặt khác, các thiết kế PCF với mạng tròn (CL) cũng được nghiên cứu nhằm đạt được độ phi tuyến cao, diện tích mode hiệu dụng nhỏ và mất mát giam giữ thấp. Việc thay đổi các loại mạng ở lớp vỏ PCF không chỉ cung cấp tính linh hoạt trong quy trình thiết kế mà còn cho phép điều khiển các đại lượng đặc trưng của chúng. Nói cách khác, mỗi một cấu trúc PCF khác nhau sẽ hỗ trợ các tính chất quang học khác nhau định hướng cho SCG. Chính vì vậy, một số nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh đặc trưng của các loại mạng SL và HL, SL và CL, HL và CL và SL, CL và HL nhằm xác định cấu trúc ứng dụng hiệu quả nhất cho SCG. Gần đây, đặc trưng tán sắc của PCF lõi đặc với ba loại mạng khác nhau bao gồm SL, HL và CL đã được nghiên cứu. Mặc dù các đường cong tán sắc đã điều khiển linh hoạt với việc bơm ethanol vào các lỗ khí ở lớp vỏ, tuy nhiên các đại lượng đặc trưng khác của PCF chưa được đề cập đến. Hạn chế tiếp theo là sử dụng chất nền silica. Sở dĩ nhiều nghiên cứu trước đây thường ưa chuộng silica làm chất nền bởi nó thông dụng, có độ trong suốt cao và độ tinh khiết đặc biệt trong vùng hồng ngoại gần, ngưỡng phá huỷ laser cao và dễ kéo sợi trong quy trình sản xuất. Tuy nhiên, hạn chế của silica là hệ số chiết suất phi tuyến n2 thấp, đặc biệt là bị hấp thụ mạnh ở vùng hồng ngoại trung nên việc mở rộng phổ trong các PCF lõi silica bị giới hạn ở vùng bước sóng 2 µm. Kể từ năm 2006, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã bắt đầu bơm các chất lỏng có chiết suất phi tuyến cao vào lõi rỗng của PCF thay cho lõi silica phi tuyến thấp. Nhờ độ phi tuyến và độ trong suốt cao của các chất lỏng, ta có thể thu được độ rộng phổ của ánh sáng SCG từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần và hồng ngoại trung với năng lượng xung bơm thấp trong một mẫu sợi ngắn. Hơn nữa, độ nhạy của các đặc tính quang học của chất lỏng được chọn thông qua việc thay đổi nhiệt độ và áp suất cho phép kiểm soát dễ dàng các đại lượng đặc trưng của PCF lõi lỏng, từ đó giúp điều khiển sự tiến triển phổ theo thời gian của quá trình SCG. Cho đến nay, một loạt các công trình về PCF lõi chất lỏng đã ra đời sử dụng nhiều loại chất lỏng khác nhau như carbon disulfide, carbon tetrachloride, chloroform, nitrobenzene, toluene, benzene,
3 tetrachloroethylene, 1,2-dibromethane. Trong số đó, các công bố về PCF lõi carbon disulfide đã tăng cường hiệu quả của SCG bởi carbon disulfide có độ trong suốt cao từ vùng khả kiến đến hồng ngoại trung ngoại trừ vùng phổ hẹp ở gần bước sóng 4,6 µm và 6,6 µm. Hệ số chiết suất phi tuyến của carbon disulfide tương đương với hệ số chiết suất phi tuyến của thủy tinh mềm và phụ thuộc vào thời gian của laser kích thích, chẳng hạn bằng 3⨯10-19 m2/W với xung laser cực ngắn (
4 nhóm nghiên cứu ở khu vực này tập trung khảo sát các tính chất quang của PCF lõi rỗng được thẩm thấu benzene, tiếp theo đó là ứng dụng các sợi tối ưu cho SCG. Gần đây, luận án của TS. Trần Quốc Vũ (2021) đã chứng minh tính khả thi của sự mở rộng siêu liên tục kết hợp trong các PCF lõi rỗng thẩm thấu hợp chất thơm là toluene, benzene và nitrobenzene. Điểm chung của tất cả những nghiên cứu trên là sử dụng các sợi với các lỗ khí có kích thước bằng nhau nên rất khó kiểm soát được đồng thời các đại lượng đặc trưng. Điều này là do các thông số cấu trúc ở vòng lỗ khí đầu tiên gần lõi chi phối đặc trưng tán sắc, trong khi đó các vòng còn lại ảnh hưởng đến mất mát và diện tích mode hiệu dụng. Mặt khác, luận án của TS. Đỗ Thanh Thùy (2020) đã điều khiển được đường cong tán sắc bằng cách thẩm thấu ethanol vào các lỗ khí ở lớp vỏ PCF. Tuy nhiên, luận án này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu HL trong lớp vỏ của sợi và sử dụng chất nền silica với hệ số chiết suất phi tuyến thấp nên phổ SCG chỉ mở rộng đến 600 nm. Từ những vấn đề mang tính thời sự, cấp thiết và khả thi của chủ đề nghiên cứu đã đề cập ở trên, chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu phổ phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau”. Mục đích của đề tài là thiết kế được PCF lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau bao gồm SL, HL và CL. Phân tích được các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các cấu trúc mạng khác nhau, từ đó đề xuất được bộ thông số hình học tối ưu cho SCG. Khảo sát được phổ SCG với các cấu trúc tối ưu. ------------------------------------------------------------ Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SỢI TINH THỂ QUANG TỬ VÀ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC 1.1 Giới thiệu về sợi tinh thể quang tử 1.1.1 Định nghĩa và phân loại 1.1.2 Các loại mạng ở lớp vỏ của PCF 1.1.3 Phương pháp chế tạo PCF lõi chất lỏng 1.2 Sự lan truyền ánh sáng trong PCF 1.2.1 Phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát Phương trình sóng phi tuyến được cho như sau: 1 2 E  2 PL  2 PNL  E  2 2  0 2  0 2 (1.10) c t t t 2 Phương trình Schrödinger phi tuyến được biểu diễn:
5 A  (i)k 1  k A   k k  A  i A A 2 (1.41) z k 1 k ! t 2 trong đó γ là hệ số phi tuyến được xác định bởi: n20  (1.42) cAeff Tham số Aeff được gọi là diện tích mode hiệu dụng và là thước đo của trường lan truyền vào lớp vỏ:  2     F  x, y  2    dxdy   Aeff    (1.43)   F  x, y  4  dxdy Phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát (GNLSE) được biểu thị: i     A  (i ) k 1  k  ( k ) A( z , t )   A  i 1    A( z , t )  R(t ') A( z , t  t ') dt '  2 (1.46) z 2 k 1 k ! t k  0 t     Trong thông tin quang, tán sắc D (đơn vị là ps/nm/km) thường được sử dụng thay cho tán sắc vận tốc nhóm β2 và mối liên hệ giữa chúng được thể hiện như sau: 2 c  d neff 2 D   2 2   (1.52)  c d 2 trong đó neff là chiết suất hiệu dụng và được cho bởi: c  k  neff   0  pm  pm (1.53) v pm  pm k0 k0 Hệ số α dùng làm thước đo cho mất mát toàn phần bắt nguồn từ nhiều loại mất mát khác nhau với sự đóng góp chủ yếu của mất mát hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh: 10 P    log10 i (1.55) L P0 1.2.2 Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi tinh thể quang tử 1.2.3 Phương pháp số để giải phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát 1.3 Phát siêu liên tục trong sợi tinh thể quang tử 1.3.1 Nguyên lý của quá trình phát siêu liên tục 1.3.2 Ứng dụng của nguồn phát siêu liên tục
6 Kết luận chương 1 Trong chương này, chúng tôi đã trình bày định nghĩa và phân loại các PCF, các tính chất của một số loại mạng ở lớp vỏ như SL, HL và CL. Xuất phát từ các phương trình Maxwell, trong gần đúng đường bao biến thiên chậm, chúng tôi trình bày cách dẫn ra phương trình GNLSE – mô hình Vật lý cho SCG. Theo đó, các đại lượng đặc trưng của PCF như tán sắc, chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, hệ số phi tuyến và mất mát cũng được đề cập. Các hiệu ứng phi tuyến đóng góp vào sự mở rộng phổ chẳng hạn như tự biến điệu pha, trộn bốn sóng, bẻ gãy sóng quang, biến điệu không ổn định, tách soliton và tán xạ Raman cũng được trình bày một cách chi tiết. Ngoài ra, chúng tôi xem xét các thuật toán tách bước Fourier và thuật toán Runge-Kutta bậc bốn như là một phương tiện để giải phương trình GNLSE. Phần cuối của chương là những nguyên lý cơ bản của quá trình SCG trong PCF ở các chế độ tán sắc khác nhau và một số ứng dụng nổi bật của nguồn SCG. Đây là những vấn đề cơ bản và quan trọng làm nền tảng để nghiên cứu ở các chương tiếp theo. ------------------------------------------------------------ Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI BENZENE VỚI CÁC CẤU TRÚC MẠNG KHÁC NHAU 2.1 Thiết kế cấu trúc PCF lõi benzene với các mạng khác nhau Chúng tôi thiết kế cấu trúc hình học của PCF lõi benzene bằng phần mềm Lumerical Mode Solutions. Quá trình này được mô tả theo ba bước chính: Đầu tiên, chúng tôi nhập các tham số tuyến tính của các vật liệu vào cơ sở dữ liệu của phần mềm. Tiếp theo, chúng tôi tạo ra các cấu trúc có đường kính 125 μm với vật liệu nền silica. Hình dạng ban đầu của PCF lõi benzene gồm tám vòng lỗ khí hình tròn có đường kính d được sắp xếp thành các mạng SL, HL và CL bao quanh một lỗ trung tâm có cùng đường kính đóng vai trò làm lõi (hình 2.2). Ở giai đoạn hai, chúng tôi điều chỉnh đường kính lỗ khí ở vòng trong cùng d1 sao cho hệ số lấp đầy không khí f1 = d1/Ʌ thay đổi trong khoảng 0,3 đến 0,8 để điều khiển đường cong tán sắc, trong đó Ʌ được gọi là hằng số mạng. Trong các mô phỏng số, chúng tôi sử dụng hằng số mạng trong khoảng từ 1 μm đến 2,5 μm. Để tối ưu đặc trưng mất mát và diện tích mode hiệu dụng, chúng tôi mở rộng các lỗ khí ở các vòng tiếp theo với đường kính d = 0,95Ʌ. Sau đó lõi được thẩm thấu benzene có đường kính là dc = 2Ʌ - 1,1d1. Sau khi đạt được cấu trúc mong muốn, chúng tôi thêm các điều kiện biên tán xạ vào bên ngoài lớp hấp thụ hoàn hảo (PML) được sử dụng để hấp thụ ánh sáng mà không phản xạ sóng điện từ. Nói cách khác, PML được định nghĩa là khung hình chữ nhật bao quanh cấu trúc sợi như trong hình 2.2.
7 (a) (b) (c) Hình 2.2. Cấu trúc hình học của PCF lõi benzene với (a) SL, (b) HL và (c) CL. 2.2 Tính chất Vật lý của các vật liệu Phần thực chiết suất tuyến tính của silica (nsilica) và benzene (nbenzene): a1 2 a 2 a 2 nsilica     1   22  23 (2.1)  2  b1   b2   b3 c3 c4 c5 nbenzene     c1  c2 2    , (2.2)  2  4 6 trong đó các thông số a1–3, b1–3 và c1–5 được trình bày chi tiết trong bảng 2.2. Bảng 2.2. Tham số tán sắc của các vật liệu. Silica Benzene Các hệ số Giá trị Các hệ số Giá trị a1 0,6694226 c1 2,170184597 a2 0,4345839 c2 0,00059399 μm2 a3 0,8716947 c3 0,02303464 μm2 b1 0,0044801 µm2 c4 -0,000499485 μm4 b2 0,013285 µm2 c5 0,000178796 μm6 b3 95,341482 µm2 - -
8 2.3 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các mạng khác nhau 2.3.1 Cấu trúc mạng vuông Chế độ tán sắc có liên quan chặt chẽ đến các hiệu ứng phi tuyến tham gia vào quá trình SCG. Do đó, chúng tôi tối ưu đặc trưng tán sắc trước tiên với kỳ vọng tìm được ứng cử viên tốt cho SCG. Hình 2.8 mô tả đặc trưng tán sắc của các PCF với mạng vuông (SL-PCF) được đề xuất. Cấu trúc #SF1 thể hiện tán sắc hoàn toàn thường từ vùng bước sóng nhìn thấy đến hồng ngoại gần với phạm vi tán sắc phẳng vào khoảng 330 nm trải dài trong vùng bước sóng từ 1,01 µm đến 1,34 µm. Trong khi đó, cấu trúc #SF2 có đường cong tán sắc phẳng trong vùng bước sóng từ 1,55 µm đến 2 µm. Hình 2.8. Đặc trưng tán sắc của các SL-PCF được đề xuất. Hình 2.9 hiển thị diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến của các SL-PCF được đề xuất. Rõ ràng là tính phi tuyến được tăng cường bằng cách giảm đường kính lõi để giảm diện tích mode hiệu dụng và tăng hệ số chiết suất phi tuyến của vật liệu. Hình 2.9. (a) Diện tích mode hiệu dụng và (b) hệ số phi tuyến của các SL-PCF được đề xuất.
9 Hình 2.10 trình bày mất mát của hai cấu trúc SL-PCF được đề xuất. Kết quả cho thấy độ mất mát của #SF2 lớn hơn so với mất mát của #SF1. Hình 2.10. Đặc trưng mất mát của các SL-PCF được đề xuất. 2.3.2. Cấu trúc mạng lục giác Hình 2.12 trình bày đặc trưng tán sắc của các cấu trúc PCF với mạng lục giác (HL-PCF) được đề xuất. Chúng tôi chọn sợi #HF1 là một trong những sợi tối ưu có tán sắc hoàn toàn thường và dự kiến sẽ bơm ở bước sóng 1,3 µm. Ngược lại, sợi #HF2 có tán sắc dị thường với độ tán sắc nhỏ trong phạm vi bước sóng rộng. Bước sóng bơm cho sợi #HF2 là 1,5 µm. Hình 2.12. Đặc trưng tán sắc của các HL-PCF được đề xuất. Mất mát toàn phần của sợi bao gồm mất mát hấp thụ vật liệu của benzene trong lõi, silica trong lớp vỏ và mất mát do giam giữ. Cần lưu ý rằng benzene có hệ số chiết suất phi tuyến cao hơn nhiều so với hệ số chiết suất phi tuyến của silica và ít bị hấp thụ ở vùng bước sóng khảo sát. Do đó, mất mát của các HL-PCF khá thấp, như hiển thị trong hình 2.13. Tham số phi tuyến γ phụ thuộc vào hệ số chiết suất phi tuyến của chất lỏng benzene và diện tích mode hiệu dụng Aeff (hình 2.14). Khi bước sóng tăng, ánh sáng không còn bị giam giữ tốt bên trong lõi vì các mode bị rò rỉ qua các lỗ khí làm gia
10 tăng diện tích mode hiệu dụng. Do đường kính lõi lớn nên diện tích mode hiệu dụng của sợi #HF2 cao hơn và vì vậy, hệ số phi tuyến của nó thấp hơn so với sợi #HF1. Hình 2.13. Đặc trưng mất mát của các HL-PCF được đề xuất. Hình 2.14. (a) Diện tích mode hiệu dụng và (b) hệ số phi tuyến của các HL-PCF được đề xuất. 2.3.3. Cấu trúc mạng tròn Hình 2.16. (a) Đặc trưng tán sắc của các CL-PCF được đề xuất. (b) So sánh đặc trưng tán sắc của các CL-PCF được đề xuất với các công trình nghiên cứu trước đó.
11 Hình 2.16(a) cho thấy đặc trưng tán sắc của mode cơ bản của các PCF với mạng tròn (CL-PCF) được đề xuất. Cấu trúc #CF1 thể hiện tán sắc hoàn toàn thường trên toàn bộ dải bước sóng và cấu trúc #CF2 sở hữu ZDW ở 1,48 μm. Đường cong tán sắc của các sợi được đề xuất tốt hơn nhiều về độ phẳng và gần đường tán sắc không và khả năng tương thích của ZDW với bước sóng bơm, như hiển thị trong hình 2.16(b). Hình 2.17 cho thấy vai trò của mất mát hấp thụ vật liệu và mất mát do giam giữ đối với mất mát toàn phần của các CL-PCF được đề xuất. Mất mát tối đa thu được ở bước sóng 1,66 μm trong khi chúng không đáng kể ở vùng bước sóng nhỏ hơn 1,4 μm. Hình 2.17. Đặc trưng mất mát của các CL-PCF được đề xuất. Hình 2.18 minh họa diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến của các cấu trúc CL-PCF được đề xuất. Kết quả thu được cho thấy diện tích mode hiệu dụng của các CL-PCF tăng theo bước sóng. Trong khi đó, các đường cong hệ số phi tuyến tuân theo xu hướng ngược lại, tức là giảm khi bước sóng tăng. Hình 2.18. (a) Diện tích mode hiệu dụng và (b) hệ số phi tuyến của các CL-PCF được đề xuất.
12 2.3.4. So sánh các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các mạng khác nhau Xét trường hợp đầu tiên – tán sắc hoàn toàn thường. Hình 2.19(a) trình bày đặc trưng tán sắc của các PCF lõi benzene được đề xuất với các cấu trúc mạng khác nhau. Có thể thấy rằng cấu trúc HL-PCF có đường cong tán sắc gần với đường tán sắc không nhất trong cả ba sợi. Phạm vi tán sắc phẳng của #HF1 cũng rộng hơn hai sợi còn lại, xấp xỉ trong khoảng 840 nm. Độ tán sắc tại bước sóng bơm 1,3 µm là -0,89 ps/nm/km. Trong khi đó, cấu trúc #SF1 và #CF1 có độ tán sắc lần lượt là -19,9 ps/nm/km và -17 ps/nm/km ở các bước sóng 1,3 µm và 1,064 µm. Hình 2.19. Đặc trưng (a) tán sắc và (b) mất mát của các sợi #SF1, #HF1 và #CF1. Hình 2.19(b) biểu thị đặc trưng mất mát của mode cơ bản đối với các cấu trúc #CF1, #SF1 và #HF1. Mất mát của #CF1 tại bước sóng 1,064 µm là 0,18 dB/cm trong khi mất mát của #SF1 và #HF1 ở bước sóng 1,3 µm lần lượt bằng 0,38 dB/cm và 0,41 dB/cm. Hình 2.20 hiển thị diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến của mode cơ bản đối với ba cấu trúc mạng. Mặc dù sợi #SF1 và #CF1 có cùng đường kính lõi nhưng #CF1 có diện tích mode hiệu dụng nhỏ hơn #SF1 trong vùng bước sóng được khảo sát. Điều này có thể là do sự khác biệt về cấu trúc mạng của hai PCF. Diện tích mode hiệu dụng của sợi #CF1 ở bước sóng 1,064 µm bằng 1,33 µm2 và các giá trị này lần lượt là 1,84 µm2, 1,88 µm2 tại 1,3 µm đối với #SF1 và #HF1. Với hệ số chiết suất phi tuyến cao của benzene, cả ba PCF được đề xuất đều có độ phi tuyến lớn. Do hệ số phi tuyến tỉ lệ nghịch với diện tích mode hiệu dụng, các sợi có diện tích mode hiệu dụng thấp hơn sẽ có hệ số phi tuyến cao hơn. Hệ số phi tuyến của #CF1 là lớn nhất trong tất cả các cấu trúc vì diện tích mode hiệu dụng của nó thấp nhất, bằng 7447 W-1.km-1 tại 1,064 µm. Trong khi đó các sợi #SF1 và #HF1 có hệ số phi tuyến tương ứng là 5391 W-1.km-1 và 5255 W-1.km-1 tại cùng bước sóng 1,3 µm.
13 Hình 2.20. Đặc trưng (a) diện tích mode hiệu dụng và (b) hệ số phi tuyến của các sợi #SF1, #HF1 và #CF1. Xét trường hợp thứ hai – chế độ tán sắc dị thường. Hình 2.21 thể hiện các đặc trưng đóng góp vào quá trình SCG của ba cấu trúc mạng. Hình 2.21. Các đại lượng đặc trưng: (a) tán sắc, (b) mất mát, (c) diện tích mode hiệu dụng và (d) hệ số phi tuyến của các sợi #SF2, #HF2 và #CF2.
14 Ở đây, SL-PCF đã chứng minh ưu điểm của nó với đường cong tán sắc phẳng và gần với đường tán sắc không hơn hai sợi còn lại trong phạm vi bước sóng khảo sát (xem hình 2.21(a)). Độ tán sắc tại bước sóng bơm 1,55 μm của #SF2 là 0,03 ps/nm/km, nhỏ hơn nhiều so với #HF2 và #CF2 (tương ứng là 3,2 ps/nm/km và 2,13 ps/nm/km ở 1,5 μm). Tuy nhiên, tại bước sóng bơm, cấu trúc #SF2 có mất mát cao hơn với giá trị 3,48 dB/cm, trong khi mất mát của hai sợi #HF2 và #CF2 lần lượt là 1,26 dB/cm và 1,24 dB/cm. Diện tích mode hiệu dụng nhỏ nhất của sợi #CF2 cho ta hệ số phi tuyến lớn nhất, tương ứng bằng 7,42 μm2 và 1320 W-1.km-1 ở bước sóng 1,5 μm. Mặt khác, diện tích mode hiệu dụng và độ phi tuyến của hai PCF còn lại lần lượt là 11,54 μm2 và 859,79 W-1.km-1 (#SF2) và 10,33 μm2 và 960,02 W-1.km-1 (#HF2) tại các bước sóng bơm của chúng. Từ các kết quả thu được, chúng tôi có thể kết luận rằng mạng lục giác và mạng vuông có ưu điểm về đường cong tán sắc phẳng và gần đường tán sắc không với độ tán sắc nhỏ ở bước sóng bơm (tùy thuộc vào từng chế độ tán sắc). Trong khi đó, mạng tròn lại nổi trội hơn về việc giảm thiểu mất mát và diện tích mode hiệu dụng cho cả hai chế độ tán sắc. Mặt khác, SCG đạt hiệu quả khi kết hợp đồng thời các đại lượng đặc trưng được khảo sát. Điều này đã chứng minh tầm quan trọng của việc phân tích các cấu trúc mạng khác nhau trong nghiên cứu của chúng tôi. Kết quả thu được cũng cho thấy rằng các thông số cấu trúc ở lớp vỏ không chỉ điều khiển đặc trưng tán sắc mà còn cải thiện tính chất quang học khác của PCF như mong muốn. Từ đó, chúng tôi có thể thu được các đường cong tán sắc phẳng và gần đường tán sắc không, diện tích mode hiệu dụng nhỏ, độ phi tuyến cao và mất mát thấp một cách đồng thời. Những tính chất quang tuyệt vời như vậy khó có thể đạt được trong các công trình nghiên cứu về các PCF có đường kính lỗ khí như nhau. Kết luận chương 2 Trong chương này, chúng tôi đã thiết kế PCF lõi benzene với các mạng khác nhau và nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của các cấu trúc trên cơ sở tối ưu đặc trưng tán sắc. Phép phân tích được thực hiện dưới sự ảnh hưởng của hằng số mạng và hệ số lấp đầy của vòng lỗ khí thứ nhất. Kết quả thu được như sau:  Đã nghiên cứu đại lượng đặc trưng của các cấu trúc SL-PCF và đề xuất được bộ thông số tối ưu cho SCG, bao gồm #SF1: Λ = 1 μm, f1 = 0,65, dc = 1,285 μm và #SF2: Λ = 2,5 μm, f1 = 0,3, dc = 4,175 μm.  Đã nghiên cứu đại lượng đặc trưng của các cấu trúc HL-PCF và đề xuất được bộ thông số tối ưu cho SCG, bao gồm #HF1: Λ = 1 μm, f1 = 0,5, dc = 1,45 μm và #HF2: Λ = 2,5 μm, f1 = 0,3, dc = 4,175 μm.
15  Đã nghiên cứu đại lượng đặc trưng ca các cấu trúc CL-PCF và đề xuất được bộ thông số tối ưu cho SCG, bao gồm #CF1: Λ = 1 μm, f1 = 0,65, dc = 1,285 μm và #CF2: Λ = 2 μm, f1 = 0,3, dc = 3,34 μm.  Đã so sánh các đại lượng đặc trưng đóng góp vào quá trình SCG của cả ba cấu trúc mạng trong hai trường hợp tán sắc hoàn toàn thường và tán sắc dị thường. Kết quả cho thấy rằng các PCF với mạng vuông và mạng lục giác có ưu điểm về tán sắc, trong khi PCF mạng tròn giúp giảm thiểu mất mát và diện tích mode hiệu dụng.  Đã chứng minh được ưu điểm của các cấu trúc đề xuất thông qua việc so sánh kết quả thu được so với các công trình nghiên cứu trước đây. Với đường cong tán sắc phẳng và gần với đường tán sắc không, diện tích mode hiệu dụng nhỏ, hệ số phi tuyến lớn và mất mát thấp, các cấu trúc được chọn rất phù hợp cho SCG với phổ rộng và phẳng.  Các kết quả này sẽ được chúng tôi sử dụng để nghiên cứu SCG ở chương 3. ------------------------------------------------------------ Chương 3. NGHIÊN CỨU PHỔ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF LÕI BENZENE VỚI CÁC CẤU TRÚC MẠNG KHÁC NHAU 3.1 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng vuông Chúng tôi đã chọn laser có sẵn trên thị trường với các thông số như sau: bước sóng 1,3 µm, độ rộng xung 40 fs cho sợi #SF1 và bước sóng 1,55 µm và độ rộng xung 95 fs cho sợi #SF2. Chúng tôi mô phỏng phát siêu liên tục ở các công suất cực đại đầu vào (P0) khác nhau với chiều dài sợi ngắn, 1 cm đối với sợi #SF1 và 15 cm đối với sợi #SF2 để giảm chi phí sản xuất trong thực tế và hạn chế mất mát. Hình 3.1. (a) Độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #SF1 với các công suất cực đại đầu vào khác nhau. (b) Băng thông phổ trong trường hợp P0 = 0,45 kW.
16 Hình 3.1(a) biểu thị độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #SF1 với công suất cực đại đầu vào được thiết lập trong phạm vi từ 0,075 kW đến 0,45 kW. Với công suất cực đại đầu vào là 0,45 kW, phổ phát siêu liên tục được mở rộng trong phạm vi bước sóng 0,72–1,76 μm như được hiển thị trong hình 3.1(b). Đối với sợi #SF2, chúng tôi thu được phổ phát siêu liên tục với băng thông rộng bao phủ vùng bước sóng từ 0,8 μm đến 3,95 μm ở công suất cực đại đầu vào là 0,537 kW (hình 3.4). Ngoài ra, như hiển thị trong hình 3.4(b), công tua cường độ phổ không phẳng sẽ làm mất đi lợi thế về độ rộng phổ. Hình 3.4. (a) Độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #SF2 với các công suất cực đại đầu vào khác nhau. (b) Băng thông phổ trong trường hợp P0 = 0,537 kW. 3.2 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng lục giác Trong nội dung này, chúng tôi nghiên cứu phát siêu liên tục trong hai cấu trúc sợi #HF1 và #HF2. Đối với các sợi được đề xuất, chúng tôi sử dụng các xung laser đầu vào có bước sóng 1,3 µm, độ rộng xung 40 fs (#HF1) và 1,5 µm, 90 fs (#HF2). Chúng tôi đã thực hiện các mô phỏng số quá trình phát siêu liên tục cho các HL-PCF được đề xuất với chiều dài sợi ngắn là 1 cm (#HF1) và 12 cm (#HF2). Phổ với băng thông rộng được tạo ra với công suất cực đại đầu vào thấp phụ thuộc vào chế độ tán sắc: hoàn toàn thường và dị thường. Giá trị tần số ω0 của sợi #HF1 và #HF2 là 1,45 fs-1 và 1,26 fs-1. Hình 3.7 mô tả độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #HF1 ở chế độ tán sắc hoàn toàn thường với các công suất cực đại đầu vào khác nhau. Đối với công suất cực đại và hình dạng đường cong tán sắc nhất định, sự mở rộng phổ do tự biến điệu pha (SPM) gây ra được xác định bởi vị trí của bước sóng bơm. Ở công suất cực đại đầu vào là 0,45 kW, băng thông phổ bao phủ vùng bước sóng 0,72–1,82 μm (hình 3.7(f)).
17 Hình 3.7. Độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #HF1 với các công suất cực đại đầu vào khác nhau. Hình 3.9 cho thấy độ rộng phổ phát siêu liên tục của sợi #HF2 ở các mức công suất cực đại đầu vào khác nhau. Bằng cách tăng công suất cực đại, phổ đầu ra sẽ mở rộng một cách đáng kể. Ở công suất cực đại đầu vào là 0,79 kW (hình 3.9(f)), chúng tôi thu được băng thông phổ rộng trải dài từ bước sóng 0,78 µm đến 4,13 µm, rộng hơn so với băng thông thu được từ sợi #HF1. Thực tế là độ rộng phổ tăng dẫn đến tăng độ nhiễu. Vì lý do này mà công tua cường độ phổ không phẳng như trong hình 3.9. Ở các bước sóng dài, diện tích mode hiệu dụng lớn hay hệ số phi tuyến thấp hạn chế sự dịch chuyển soliton cũng như sóng tán sắc ở cạnh đầu của xung. Do đó, không có bước sóng mới nào được tạo ra trong quá trình lan truyền tiếp theo (hình 3.10). Việc giảm độ rộng xung và chọn bước sóng bơm trong phạm vi tán sắc dị thường gần với bước sóng tán sắc không (ZDW) có thể làm giảm sự khuếch đại nhiễu [34]. Trước khi bị ảnh hưởng bởi cơ chế tách soliton, một phần phổ phát siêu liên tục do SPM gây ra đi qua ZDW và trải qua vùng tán sắc thường vì bước sóng bơm gần với ZDW. Do đó, nó được kéo dài ra để tạo độ phẳng hơn ở các cánh.
18 Hình 3.9. Độ rộng phổ phát siêu liên tục trong sợi #HF2 với các công suất cực đại đầu vào khác nhau. 3.3 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng tròn Với đường cong tán sắc phẳng và gần đường tán sắc không, sợi #CF1 dự kiến sẽ tạo ra phổ phẳng và mịn trong chế độ tán sắc hoàn toàn thường. Trong trường hợp này, chúng tôi sử dụng một xung laser đơn sắc có bước sóng 1,064 μm và độ rộng xung 40 fs bơm vào sợi #CF1 có chiều dài 1 cm để khảo sát quá trình phát siêu liên tục. Trong hình 3.12, chúng tôi trình bày sự tiến triển phổ trong quá trình phát siêu liên tục và tiến triển theo thời gian với quãng đường lan truyền 1 cm kèm theo phổ đầu ra tương ứng trong sợi #CF1 ở các công suất cực đại đầu vào khác nhau. Khi công suất cực đại đầu vào là 0,45 kW, phổ phát siêu liên tục mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 0,66 μm đến 1,53 μm. Đối với độ trễ thời gian tương ứng (hình 3.12(b1-b6)), chúng tôi thu được thời gian trễ lớn của các thành phần tần số khác nhau lớn hơn ở khoảng cách quãng đường lan truyền dài hơn. Công suất cực đại càng cao thì thời gian trễ xảy ra càng sớm.