Tài liệu Khả năng thu tín hiệu photon với độ nhạy cao của laser quang sợi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano

§¹i häc quèc gia hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ =========FÔG========= V−¬ng ThÞ Xu©n H−¬ng Kh¶ n¨ng thu tÝn hiÖu photon víi ®é nh¹y cao cña laser quang sîi øng dông trong nghiªn cøu tÝnh chÊt c¶m biÕn cña vËt liÖu cÊu tróc nano Ngµnh : Khoa häc vµ c«ng nghÖ nano Chuyên ngành : Vật liệu và linh kiện nano M· sè : LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS. TrÇn ThÞ T©m Hµ Néi - 2005 Tõ viÕt t¾t ASE Amplified spontaneuous emmission Bøc x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch t¸n EDF Erbium doped fiber Sîi quang pha t¹p erbium EDFL Erbium doped fiber laser Laze quang sîi pha t¹p erbium EDFA Erbium doped fiber amplifier KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p erbium NA Nurmerical aperture §é më (khÈu ®é) SE Spontaneous emission Bøc x¹ tù ph¸t WDM Wavelength divion multiplexing Bé ghÐp / chia b−íc sãng 1 Mục lục Mục lục ..................................................................................................... 1 Mở đầu ..................................................................................................... 3 Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium ........................................ 6 1.1. Sợi quang ..................................................................................................... 6 1.1.1. Các thông số của sợi quang................................................................... 6 1.1.2. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium ....................................................... 8 1.1.3. Phân loại sợi quang ............................................................................... 9 1.2. Cách tử quang khắc Bragg......................................................................... 12 1.2.1. Các loại cách tử ................................................................................... 12 1.2.2. Cách tử quang khắc Bragg .................................................................. 14 1.2.3. Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg ...................................... 15 1.2.4. Các đặc trưng của cách tử quang khắc................................................ 17 1.3. Laser quang sợi pha tạp erbium ................................................................. 17 1.3.1. Nguyên lý của laser............................................................................. 17 1.3.2. Phổ của ion erbium.............................................................................. 21 1.3.3. Nguyên lý khuếch đại ánh sáng trong các sợi đơn mode pha tạp erbium............................................................................................................ 23 1.3.4. Sự chọn lọc mode................................................................................ 28 1.3.5. Laser sợi DFB đơn mode .................................................................... 29 Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser ........................... 35 2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 35 2.2. Hiện tượng tiền khuếch đại........................................................................ 35 2.3. Các đặc tính của bộ tiền khuếch đại: ......................................................... 36 2.4. Ý nghĩa vật lý - Sự tiệm cận ngưỡng......................................................... 38 2 2.5. Ý nghĩa hình học........................................................................................ 39 2.6. Laser quang sợi pha tạp erbium được sử dụng như một đầu thu độ nhạy cao ..................................................................................................................... 41 Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng ................................................................................................................ 44 3.1. Hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao............................................................... 44 3.1.1. Sơ đồ khối của hệ đo ........................................................................... 44 3.1.2. Nguồn bơm.......................................................................................... 45 3.1.3. Nguồn tín hiệu..................................................................................... 45 3.1.4. Isolator................................................................................................. 48 3.1.5. Bộ suy giảm......................................................................................... 48 3.1.6. Laser thu.............................................................................................. 48 3.1.7. Máy phân tích quang phổ (OSA) ........................................................ 49 3.1.8. Máy đo công suất ................................................................................ 49 3.1.9. Hiện tượng kéo tần số: ........................................................................ 49 3.1.10. Thu nhận tín hiệu .............................................................................. 51 3.2. Chế tạo và khảo sát tính chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu trúc nano............................................................................................................ 52 3.2.1. Màng mỏng VO2 cấu trúc nano........................................................... 52 3.2.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trúc nano ........................ 53 3.2.3. Phân tích kết quả ................................................................................. 54 Kết luận .................................................................................................. 60 Tài liệu tham khảo ................................................................................. 62 3 Mở đầu Mặc dù cả hai loại laser bán dẫn và laser rắn đều là những loại có khả năng ứng dụng thích hợp trong thông tin quang, nhưng chúng đòi hỏi hồi tiếp ngược và kết nối vi phân không nhậy cảm với hệ quang sợi/quang dẫn. Với sự tương thích cao với hệ quang sợi, laser quang sợi pha tạp đất hiếm trở nên hấp dẫn hơn so với hai loại laser nêu trên, đặc biệt là EDFL do bức xạ bước sóng 1,55μm, bước sóng của cửa sổ quang học trong thông tin quang sợi thế hệ mới. Hệ số mất mát chỉ còn 0,2-0,3dB/km so với 0,5 dB/km tại 1,3 μm, cho phép đặt các trạm chuyển nối xa hơn. Quan trọng hơn nữa là dây quang sợi pha tạp Er còn có thể sử dụng như khuếch đại quang tại cùng bước sóng, không cần đến các hệ tái tạo điện quang. Để tăng việc thực hiện và mở rộng lĩnh vực ứng dụng các loại laser này, rất nhiều phòng thí nghiệm cũng như nhiều viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu về laser quang sợi. Rất nhiều loại laser quang sợi đã được chế tạo để ngày càng phù hợp hơn với thông tin quang. Đặc biệt là các laser đơn mode DBR hoặc DFB, được nghiên cứu và phát triển. Nhưng cùng với sự phát triển của chúng, người ta đã tìm ra được những ứng dụng rất quan trọng, một trong những ứng dụng đó là tiêm quang học. Nhờ tiêm quang học, người ta có thể thu được những tín hiệu rất nhỏ. Các đầu thu truyền thống đều sử dụng nguyên lý quang điện trong hoặc ngoài. Đó là tín hiệu được thu nhận kích thích một điện tử rồi sau đó dòng các điện tử đó được khuếch đại (các nhân quang điện, avanlanche photo diode….). Khi đó sự tương quan của dòng điện với trường tín hiệu tới không đóng một vai trò nào cả. Thời gian tương tác giữa photon và nguyên tử rất ngắn, công suất quang truyền sang cho đầu thu trong thời gian đó là cỡ pico Watt. Hình ảnh đó có thể liên tưởng tới hình ảnh thu xung, mỗi xung tương ứng với sự truyền năng lượng của một photon tín hiệu. Việc dùng laser làm đầu thu tận dụng được tính ưu việt của tính chất kết hợp của ánh sáng. Mô hình của đầu thu này là: một tín hiệu kết hợp rất yếu và có độ rộng phổ rất mảnh đi tới một laser khác có cùng tần số cộng hưởng nhưng có độ rộng vạch phổ lớn hơn rất nhiều. Tính chất ưu việt của laser được dùng ở đây 4 là khả năng thu nhận – khuếch đại ánh sáng nhưng không làm mất tính chất kết hợp của nó hay nói cách khác là sự tương quan không bị mất đi trong quá trình tương tác. Ở đây có sự kết hợp của hai hành động: khuếch đại cộng hưởng và lọc lựa. Hiệu suất truyền rất cao. Trong nghiên cứu gần đây nhất, các tác giả sử dụng laser bán dẫn làm đầu thu đã thu được những tín hiệu nhỏ cỡ -80 dBm – tức là nhạy hơn 100 lần. Và trong trường hợp này tín hiệu được thu nhận ở chế độ liên tục chứ không phải là chế độ xung như ở các đầu đo truyền thống [1]. Tiêm quang học có đặc tính truyền đặc trưng phổ của laser phát sang laser thu như tần số, độ rộng vạch và nhiễu. Khi quá trình truyền này hoàn tất, laser thu ở chế độ gọi là bị khóa hoàn toàn, khi đó sự đóng góp duy nhất của nó là công suất và đặc trưng phổ của nó hoàn toàn là của laser phát. Nhiều ứng dụng quan trọng có thể được thực hiện từ tiêm quang bằng laser như giảm chiều rộng của vạch laser, khóa trên một tần số tuyệt đối, xác định các hằng số của laser, giảm nhiễu, phát sinh những tần số vi sóng, hồi phục tín hiệu nhịp đồng hồ và tái đồng bộ……… Đây là một vấn đề còn rất mới cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm nhưng rất thiết thực và hấp dẫn. Gần đây trên thế giới cũng mới có một số nghiên cứu về tiêm quang học, sử dụng laser như một đầu thu cực nhạy với phương pháp khái quát hàm Airy, song chưa tiến hành với laser quang sợi pha tạp erbium cũng như những điều kiện thí nghiệm cũng khác so với ở Việt Nam. Vì vậy trong luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết mới về tiêm quang học, tiến hành tổng hợp, thu thập tài liệu, thực nghiệm nghiên cứu về khả năng thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium từ đó đưa ra những kết luận về ảnh hưởng của tần số cũng như độ nhạy thu nhận của laser quang sợi pha tạp erbium và những ứng dụng trong nghiên cứu tính chất cảm biến của vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam. Nội dung của khóa luận được bố cục thông qua các chương như sau: Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium. Chương 2: Khả năng thu nhận ánh sáng của laser. Chương 3: Khảo sát hệ thu tín hiệu laser độ nhạy cao và ứng dụng. 5 Khóa luận được hoàn thành trong quá trình học tập tại trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội và trong phòng thí nghiệm quang tử micro – nano là phòng thí nghiệm liên kết giữa trường ĐH Công Nghệ và Viện khoa học vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam. 6 Chương 1: Laser quang sợi pha tạp erbium 1.1. Sợi quang 1.1.1. Các thông số của sợi quang Sợi gồm một lõi dẫn quang có chiếu suất n1, bán kính a. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b. Các tham số n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Đó là các tham số cấu trúc. Các chiết suất n2 và n1 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỉ đối ∆ thường rất bé (∆<<1) Δ= n12 − n 22 n1 − n2 Δn ≈ = n1 n1 2n12 (1) Phần lớn các quang sợi được dùng trong các hệ thông tin quang hiện nay thường được chế tạo từ silica (SiO2) có độ sạch cao. Sự thay đổi nhỏ của chiết suất được tạo ra khi pha một lượng nhỏ các chất tạp ( thí dụ như titan, germani,..….) chiết suất n1 thay đổi từ 1,44 ÷ 1,46 phụ thuộc vào bước sóng, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001 ÷ 0,02. Khi chùm sáng từ ngoài (không khí) đi vào quang sợi, để có thể lan truyền trong quang sợi với góc θ phải nhỏ hơn một góc θc tới hạn. Áp dụng định luật Snell, mỗi tương quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc được biểu diễn như sau: 1 * sin θ a = n1 sin θ c (2) Với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi quang sợi giữa hai môi trường có chiết suất n1 và n2 ta có: sin θ a = n1 (1 − cos θ c ) 2 Bởi vậy: 1/ 2 ⎡ ⎛n = n1 ⎢1 − ⎜⎜ 2 ⎢⎣ ⎝ n1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2 ⎤ ⎥ ⎥⎦ 1/ 2 ( = n12 − n 22 ) 1/ 2 (3) 7 θ a = sin −1 (n12 − n22 ) 1/ 2 Giá trị NA = (n 2 1 (4) ) − n22 ≈ n1 2Δ được gọi là khẩu độ số của quang sợi. Góc θa là góc nhận của quang sợi – đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang. Khẩu độ số là đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laze với sợi quang. Giá trị khẩu độ số thường nằm trong khoảng từ 0.14 ÷ 0.50. Kích thước của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay được dùng trong thông tin quang sợi (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62.5/125), (85/125), (100/140) μm. Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bước sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước sóng cắt: λc = 2πa n12 − n22 (5) 2.045 Sự biến đổi chiết suất của quang sợi Sự biến thiên chiết suất của quang sợi có thể biểu thị qua công thức sau: g r ≤a ⎛r⎞ n(r ) = n1 1 − 2Δ⎜ ⎟ với ⎝a⎠ n( r ) = n 2 với r >a (6) (7) Ngày nay, có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang sử dụng thông dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có chiết suất là: n = ε r ≈ 1 .5 (8) Trong đó: εr là hằng số điện môi tương ứng của vật liệu. Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, người ta thêm hoạt chất vào, ví dụ: 8 • Cho GeO2 làm tăng chiết suất. • Cho Fluorid làm giảm chiết suất. 1.1.2. Cấu trúc sợi quang pha tạp erbium Cấu trúc chính của một sợi quang pha tạp erbium bao gồm lõi pha tạp erbium được bọc bởi một lớp thủy tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Lõi để dẫn ánh sáng còn lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Hình 1-1 chỉ ra cấu trúc của một sợi quang pha tạp erbium. Hình 1-1: Cấu trúc của sợi quang pha tạp erbium Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên vết nứt và giảm ảnh hưởng vi uốn cong. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và thay đổi nhiệt độ. Một số phương pháp chế tạo quang sợi Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo quang sợi là sợi thủy tinh. Thủy tinh được tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selennide. Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thủy tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thủy tinh oxit, trong đó 9 đioxit silic (SiO2) là loại oxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang. Nó có chỉ số chiết suất tại bước sóng 850 nm là 1,458 nm. Công nghệ chế tạo sợi quang thông thường bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ với chiết suất phản xạ mong muốn. Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một được đưa tới một lò nấu thủy tinh với một tốc độ thích hợp – giai đoạn tạo phôi. Có nhiều công nghệ chế tạo như công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi), công nghệ OVD (lắng đọng hơi bên ngoài) và công nghệ VAD (công nghệ lắng đọng hơi theo trục). Nhưng ở giai đoạn thứ nhất người ta thường sử dụng công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition – công nghệ lắng đọng từ pha hơi các chất hóa học thay đổi). Những lớp SiO2 được lắng đọng bên trong tuýp thủy tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng 1800oC. Để đảm bảo về sự đồng đều thì người ta sử dụng những dây chuyền tịnh tiến. Chiết suất của lớp vỏ được quyết định bằng việc pha fluourine vào ống tuýp. Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ, lớp lõi được hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl4 hoặc POCl3, việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi. Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium. Như vậy quá trình chế tạo quang sợi pha tạp erbium cũng giống như quá trình chế tạo các sợi quang thông thường, chỉ có ở quá trình lắng đọng lớp lõi người ta đã thêm vào hơi ErCl3. Để giúp cho quá trình pha trộn được tốt hơn, oxit nhôm được đưa thêm vào hỗn hợp để tăng tính hòa tan của erbium trong mạng thủy tinh. Mật độ pha tạp của erbium thường cỡ 1018 ions/cm3. Phần lõi sợi pha erbium thường nhỏ hơn nhiều so với lõi của sợi đơn mode. Lõi pha tạp erbium thường có đường kính cỡ 2 μm, với Δn lớn để đảm bảo đường kính trường mode nhỏ (thường cỡ 4 μm). Điều này được tạo ra nhằm tăng thêm cường độ của trường quang trong vùng pha erbium giúp cho quá trình bức xạ cảm ứng. 1.1.3. Phân loại sợi quang Người ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số phân loại tiêu biểu: 10 Phân loại theo vật liệu điện môi: Có 3 loại, bao gồm: • Sợi quang thạch anh. • Sợi quang thủy tinh đa vật liệu • Sợi quang bằng nhựa. Phân loại theo mode lan truyền: Theo số lượng mode có thể lan truyền, sợi quang được chia thành hai nhóm: • Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single – mode) : Sợi này chỉ cho một mode lan truyền. • Sợi đa mode: cho phép nhiều mode lan truyền. Phân loại theo phân bố chiết suất: Các sợi quang có thể chia làm 2 nhóm theo phân bố chiết suất của lõi sợi: • Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step-index). • Sợi quang có chiết suất gradient từ lõi ra vỏ GI (graded- index) Hình 1-2: Quang sợi đa mode chiết suất bậc Hình 1-3: Quang sợi đa mode chiết suất gradient 11 Hình 1-4: Quang sợi đơn mode chiết suất bậc Hình 1-5: Quang sợi đơn mode nhiều lớp vỏ Trong quang sợi SI, chiết suất của lõi không đổi. Vì n1 > n2 (n2 là chiết suất của lớp vỏ) nên tại mặt phân cách của vỏ chiết suất có bước nhảy. Trong quang sợi GI, chiết suất n1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm dần cho đến mặt phân cách vỏ - lõi thì bằng giá trị chiết suất n2 của vỏ. Quang sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. So sánh quang sợi đơn mode với quang sợi đa mode ta thấy: Độ tán sắc của quang sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với quang sợi đa mode. Đối với tán sắc mode, do quang sợi đơn mode chỉ cho phép truyền một mode duy nhất nên tán sắc mode bằng không. Còn đối với tán sắc màu bao gồm tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu thì có thể làm cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với tán sắc vật liệu để độ tán sắc bằng không. Ví dụ như ở bước sóng 1300 nm độ tán sắc vật liệu và dẫn sóng bằng nhau và trái dấu nên độ tán sắc của quang sợi đơn mode rất thấp (≈0), do đó dải thông của quang sợi đơn mode rất rộng. Tuy nhiên, do kích thước lõi quang sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và quá trình hàn nối quang sợi đơn mode 12 đòi hỏi chính xác cao. Với công nghệ hiện đại các khó khăn trên đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode được áp dụng phổ biến. 1.2. Cách tử quang khắc Bragg 1.2.1. Các loại cách tử Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những rãnh song song cách đều trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh sáng. Khi ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền qua theo những hướng khác nhau hay còn gọi là những bậc khác nhau. Cách tử có thể được dùng như một linh kiện lọc lựa bước sóng. Thường có những loại cách tử sau Cách tử răng cưa: có bề mặt gồm những rãnh hình răng cưa như hình 1-6. Vùng giữa những rãnh (sườn rãnh) sẽ phản xạ những bức xạ tới theo những hướng nhất định để có được cường độ nhiễu xạ là lớn nhất. Bước sóng mà tại đó hiệu suất của cách tử là lớn nhất phụ thuộc vào mặt góc của các rãnh (khe). Hình 1-6: Cách tử răng cưa Cách tử hình sin: có bề mặt là những rãnh hình sin đối xứng (hình 1-7), thích hợp trong việc sử dụng làm thiết bị đo góc của chùm tia đối xứng. Hiệu suất của cách tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số và chiều cao (h) của những rãnh hình sin này. Trong lĩnh vực điện từ (λ/d>0.7 và h/d>0.3), cách tử hình sin cho những giá trị hiệu suất như là cách tử răng cưa. 13 Hình 1-7: Cách tử hình sin Cách tử lớp: hình 1-8 chỉ ra hình ảnh của một cách tử lớp. Cách tử lớp có đặc trưng là bề mặt cách tử gồm những rãnh hình chữ nhật. Những hình chữ nhật này được miêu tả bởi chiều cao “h” và cách nhau bởi khỏang cách “V”. Cách tử này có ưu điểm là có khả năng khử bậc 2 của nhiễu xạ (hiệu suất là 2% tại V=1). Hiệu suất này có thể thay đổi khi thay đổi khoảng cách “V”. Hình 1-8: Cách tử lớp Cách tử Bragg: Công thức Bragg cho nhiễu xạ tia X (cũng như là nhiễu xạ Bragg) được William Henry Bragg và William Lawrence Bragg đưa ra vào năm 1913 cùng với những khám phá của họ về khả năng phản xạ tia X của tinh thể rắn. Họ đã tìm ra rằng những tinh thể rắn có mạng tinh thể được sắp xếp theo chu kỳ tuần hoàn có khả năng phản xạ ánh sáng tới với những bước sóng và góc tới nhất định theo những hướng nhất định có những đỉnh cường độ (đỉnh Bragg). Hình 1-9 và hình 1-10 chỉ ra một ví dụ về cấu trúc tinh thể rắn NaCl có thể phản xạ ánh sáng như một cách tử. Hình 1-9:Tinh thể NaCl với những tấm chắn xiên Hình 1-10: Tinh thể NaCl với những tấm chắn bình thường 14 1.2.2. Cách tử quang khắc Bragg Cách tử quang khắc Bragg là cách tử quang sợi có thể phản xạ ánh sáng nhờ sự biến đổi tuần hoàn hệ số chiết suất của sợi quang. Cách tử quang khắc được chế tạo bằng cách quang khắc lên sợi quang thông qua quá trình chiếu bước sóng của chùm laser có bước sóng thích hợp lên sợi quang. Người ta thường sử dụng laser cực tím (Ultraviolet – UV) liên tục đi qua một hệ quang học chiếu vào một mặt nạ pha. Các vạch của mặt nạ pha dựa trên yêu cầu của bước sóng laser, bậc 0 nhiễu xạ bị làm giảm thiểu. Quang sợi được đặt tại vị trí giao thoa và hệ số chiết suất của lõi quang sợi được biến điệu vĩnh viễn như được minh hoạ trên hình 1-11b. Hình 1-11: a-Minh hoạ cấu trúc quang sợi, b- Quá trình tạo cách tử, c- Cách tử quang khắc 1.2.3. 15 Các tính chất của cách tử quang khắc Bragg Qua quá trình quang khắc, ta đã tạo ra sự biến đổi điều hòa hệ số chiết suất của lõi quang sợi. Khi đó quang sợi có thể cách ly hoặc cho qua những mode lan truyền giống như một cách tử dưới ánh sáng tới. Nó tác động như một phin lọc cắt tại bước sóng gọi là bước sóng Bragg λBragg. Biểu thức cho mối tương quan giữa bước sóng Bragg và các thông số của cách tử trong bậc gần đúng thứ nhất là: λBragg = 2.neff.Λ (9) Trong đó neff là hệ số chiết suất hiệu dụng của quang sợi, Λ là chu kỳ của cách tử quang khắc. Sự biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi được chỉ ra trên hình 1-12. Biến điệu hệ số chiết suất của lõi quang sợi chứa hai thành phần: thành phần liên tục và thành phần xoay chiều. δneff ( z ) = δneff ( z ).1 + ν cos( 2π z + Φ( z )) Λ (10) δneff là sự thay đổi thành phần một chiều của chiết suất trung bình, ν là độ nhìn thấy của các vân giao thoa, φ là độ gợn sóng của cách tử. Hình 1-12: Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang Khả năng lọc tần số là do có sự kết hợp giữa những mode lan truyền ngược nhau. Trong biểu thức kết hợp, ta có thể tách ra một tham số chủ yếu đặc trưng cho sự quang khắc một cách tử: hệ số kết hợp k. Ta có biểu thức sau: 16 k= π ν δneff λ (11) Độ phản xạ của cách tử quang khắc Bragg là hàm của bước sóng và chiều dài cách tử được viết như sau: R( Lg , λ ) = R( Lg , λ ) = Ω 2 sinh 2 ( SL g ) Δβ sinh ( SL g ) + S cosh ( SLg ) 2 2 2 2 Ω 2 sin 2 (QLg ) đối với Ω 2 f Δβ 2 đối với Ω 2 p Δβ 2 Δβ 2 − Ω 2 cos 2 (QLg ) Trong đó λ là bước sóng, Lg là chiều dài của cách tử, Ω là hệ số kết hợp, Δβ = β - (π/Λ), β = 2π λ n là hàng số truyền, Λ là chu kỳ cách tử, S = (Ω 2 − Δβ 2 )1 / 2 và Q = (Δβ 2 − Ω 2 )1 / 2 . Phương trình này đúng với giả thiết sự hấp thụ và mode truyền kết hợp là không đáng kể. Hệ số phản xạ cực đại Rmax được xác định bởi biểu thức: Rmax = tanh 2 (k .L g ) (12) Độ phản xạ cực đại của cách tử là từ 0 – 100% và độ rộng dải nhỏ nhất là 0.1 – 0.2 nm đối với cách tử quang khắc trên sợi quang pha tạp erbium. Trong trường hợp đó, sự thay đổi chiết suất Δn bởi việc chiếu tia cực tím (UV) bậc 5 10-4. x Bước sóng phản xạ cực đại mà ta dùng cho laser được xác định bằng biểu thức: λ R max = (1 + δn eff neff ).λ Bragg (13) Hoạt động đơn mode của laser được thể hiện ở chỗ mode phát laser tại vùng trung tâm của cách tử, ở đó những khuếch đại khác là không đáng kể. Mode 17 bên cạnh sẽ được chỉnh khỏi vùng cách tử. Do đó khoảng phổ tự do Δβ của laser sẽ lớn hơn một nửa vùng cách tử: Δβ FSR = π Lg (14) Đối với cách tử Bragg có độ rộng đường cỡ 0.2 nm thì chiều dài buồng cộng hưởng thường là 8 mm. 1.2.4. Các đặc trưng của cách tử quang khắc Các đặc trưng cơ bản của cách tử là: Độ phản xạ cực đại: độ phản xạ cực đại của cách tử quyết định biên độ của vạch truyền qua. Biên độ này và độ phản xạ cực đại có mối liên quan bởi phương trình (12). Do đó nếu cách tử có độ dài lớn hoặc có hệ số kết hợp lớn thì sẽ có độ phản xạ lớn. Độ tinh: độ tinh là độ mảnh vạch phản xạ của cách tử. Với cách tử yếu, độ tinh của vạch phản xạ lớn hơn độ tinh của cách tử dài. Khi đạt được bão hòa, độ tinh suy giảm nhanh chóng theo độ dài của cách tử. Bước sóng trung tâm: bước sóng trung tâm được xác định bởi biểu thức (13). Nó tăng theo bước sóng Bragg và bước sóng này tăng theo hệ số chiết suất hiệu dụng. 1.3. Laser quang sợi pha tạp erbium 1.3.1. Nguyên lý của laser Từ laser được bắt nguồn từ những chữ cái tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Có thể nói bức xạ cưỡng bức là chìa khóa cho sự hoạt đọng của laser. Khái niệm này đã được Einstein đưa ra vào năm 1913 và tới năm 1960 thế giới được nhìn thấy một laser hoạt động đầu tiên. Nguyên lý hoạt động của laser: một vật liệu được dùng là môi trường hoạt tính, có khả năng chuyển đổi nguồn năng lượng từ bên ngoài là nguồn bơm thành một phổ bức xạ năng lượng hoàn toàn đặc trưng cho chất đó. Khi năng lượng bơm vào đủ lớn thì ánh sáng bức xạ sẽ được cấu thành từ các photon cảm ứng. 18 Nguồn quang học này được đặt trong buồng cộng hưởng thích đáng để tạo ra ánh sáng đặc trưng của laser như phổ hẹp, phân kỳ nhỏ, mật độ năng lượng cao, độ kết hợp cao..... Laser có các tính chất tĩnh, tính chất động và phân cực khác nhau phụ thuộc vào từng loại. Trong trường hợp laser quang sợi, môi trường hoạt tính là lõi của quang sợi pha tạp các ion erbium và được bơm trên một giá trị được gọi là ngưỡng là giá trị bơm nhỏ nhất có thể để đạt được phát laser. Ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về vấn đề này ở các phần sau. Laser quang sợi pha tạp erbium sử dụng hệ 3 mức năng lượng. Ở đó mức 1 là mức cơ bản, mức 2 là mức giả bền có thời gian sống là τ, mức 3 là mức bơm. Mức cơ bản tương ứng với mức 4I15/2. Mức giả bền là mức 4I13/2 thời gian sống khá dài cỡ 10 ms. Mức bơm 4I11/2 có thời gian sống rất ngắn cỡ 10 μs. Trong thực tế, laser có rất nhiều cấu hình khác nhau nhưng nhìn chung, cấu hình cơ bản của laser có dạng sau (hình 1-13): Hình 1-13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser Cấu hình cơ bản của laser gồm: một môi trường hoạt tính đặt trong một bộ cộng hưởng quang. Bộ cộng hưởng quang được làm từ hai bộ phản xạ M1 và M2 để tạo nên sự phản hồi. Ở bước sóng tín hiệu λs, M1 là bộ phản xạ toàn phần, trong khi bộ ghép nối lối ra M2 có hệ số truyền qua T2, hoặc tương đương với hệ số phản xạ R2=1 – T2. Có hai cách cơ bản nhất để thực hiện buồng cộng hưởng của laze quang sợi là buồng Fabri – Perro và buồng vòng.