Luận án nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều

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.TS Đinh Xuân Khoa 2.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.