Nghiên cứu xung ánh sáng trắng femto giây tạo bởi sợi quang học có chiều dài dưới một cm

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

BÁO CÁO NHIỆM THU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. LÊ CÔNG NHÂN

NGHIÊN CỨU XUNG ÁNH SÁNG TRẮNG FEMTO GIÂY
TẠO BỞI SỢI QUANG HỌC CÓ CHIỀU DÀI DƯỚI MỘT CM

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: SC2011-01

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012


i


Mục lục

I.

Giới thiệu tổng quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Sợi quang tinh thể và cách tạo xung ánh sáng trắng

6

0.1. Các đặc điểm của sợi PCF sản xuất ở phòng thí nghiệm Xlim

7

0.2. Cách tạo xung ánh sáng trắng . . . . . . . . . . . . . . . . 11

II.

Phương pháp khảo sát các tính chất của xung ánh sáng trắng femto

giây và kết quả phân tích các hiệu ứng phi tuyến

0.3. Phương pháp đo sự phân bố phổ theo thời gian

13

. . . . . . 14

0.4. Sự nở rộng phổ của xung ánh sáng trắng theo chiều dài PCF 18
Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tài liệu tham khảo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Các sản phẩm khoa học liên quan đến đề tài . . . . . . . 30
Phụ lục 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Phụ lục 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1


2

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Sợi quang tinh thể (Photonic Cristal Fiber: PCF), sợi quang có cấu
trúc micro hay sợi quang có cấu trúc lỗ... là những tên gọi dành cho nhóm
các sợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ
trống micro mét bao bọc bởi silic. Cách sắp xếp này cho phép nén ánh
sáng trong cấu trúc của sợi và dẫn truyền ánh sáng trong lõi silice (sợi
quang với lõi chiết suất cao) hay dẫn truyền ánh sáng trong lõi không khí
(sợi quang với lõi chiết suất thấp) [1, 2]. Sợi quang với cách thiết kế mới
này được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 bởi nhóm nghiên cứu Quang
điện tử tại Đại học Bath. Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này đã xuất hiện
trong nhiều lãnh vực ứng dụng như: truyền tải dữ liệu, truyền tải năng
lượng cao, đo lường chính xác [3], và quang học phi tuyến...Bên cạnh đó
nó còn được sử dụng như một nguồn sáng mới, chuyên cung cấp ánh sáng
trắng cho các kĩ thuật tạo hình ảnh và quang phổ.
Trong vấn đề nghiên cứu các hiện tượng quang học phi tuyến, chúng
tôi quan tâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất cao. Nhờ vào tính
chất phi tuyến cao do diện tích lõi nhỏ và sự chênh lệch lớn về chiết suất,
giữa lõi và mạng lưới lỗ trống, mà loại PCF này có khả năng tạo ra xung
ánh sáng trắng (Supercontinuum: SC) ngay cả với những nguồn laser năng
lượng thấp. Đặc điểm của xung ánh sáng trắng là có độ rộng phổ lớn (có
thể lên trên 1000 nm) và thời gian xung ngắn (có thể rút xuống cỡ dưới
một trăm femto giây). Chính điều này, mà SC đóng vai trò quan trọng
trong vấn đề khảo sát các hiện tượng cực nhanh và nó được phát triển để
làm nguồn sáng cho kĩ thuật đo phổ quang học phân giải theo thời gian.
Do đối tượng nghiên cứu của các hiện tượng cực nhanh hiện nay tập trung
nhiều vào các phân tử sinh học, có phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại, nên
việc phát triển PCF để tạo ra SC có phổ lệch về phía bước sóng ngắn đang
là hướng được quan tâm nhiều [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Bên cạnh đó, quá trình

hình thành SC chứa đựng rất nhiều yếu tố quang phi tuyến đang xen lẫn
3


nhau, nên việc kiểm soát các tính chất của SC là rất phức tạp. Chính điều
này mà sự hình thành SC đang là vấn đề được nghiên cứu rất mạnh hiện
nay về cả mặt thực nghiệm lẫn lí thuyết [4, 8, 10, 11, 12, 13, 14]. Nếu
tạo ra SC bằng những phương pháp cổ truyền (sử dụng môi trường chất
rắn tinh thể, chất lỏng hay khí) thì cần phải kích thích bằng những xung
laser có năng lượng cao (>1µJ). Để cung ứng đủ mức năng lượng trên thì
cần phải sử dụng tới những hệ laser khuyếch đại. Nhược điểm của việc
sử dụng nguồn laser năng lượng cao là chí phí giá thành lớn, và phải sử
dụng kết hợp với các phương tiện hỗ trợ thoát nhiệt để ổn định SC, ví dụ
như trường hợp tạo SC bằng tinh thể CaF2 . Lợi ích của việc thay thế các
phương tiện cổ truyền bằng PCF là việc tạo SC chỉ cần những xung laser
có năng lượng nhỏ (1 nJ). Điều đó cho phép đơn giản hóa khi xây dựng
thí nghiệm và hạ giá thành của dự án [15].
Tuy nhiên, để có thể sử dụng PCF như một nguồn phát xung ánh
sáng trắng cho các ứng dụng thì các thông số của SC ở đầu ra phải thỏa
mãn các yêu cầu khắc khe về mặt kĩ thuật. Trong hầu hết các ứng dụng
thì SC được yêu cầu phải có độ thăng giáng thấp, phổ rộng và cường độ
phân bố đều. Với một số ứng dụng đặc biệt, như quang phổ phân giải theo
thời gian, thì ngoài các yêu cầu trên SC phải đơn xung (nghĩa là không có
sự vỡ xung SC cơ bản thành một đoàn xung kéo dài) [4, 15]. Hay những
ứng dụng vào các phép đo liên quan đến sự bất đẳng hướng thì phải cần
tới SC phân cực [16, 17].
Vì việc tạo ra SC là một quá trình phức hợp, tập trung nhiều hiệu
ứng phi tuyến khác nhau, các yếu tố tán sắc, sự lưỡng chiết của môi trường
và các mode lan truyền [18, 19], nên để thỏa mãn các yêu cầu trên là rất
phức tạp. Mục đích của nghiên cứu này là kiểm soát được các tính chất

của SC thông qua mối quan hệ giữa các thông số của sợi PCF và xung
laser cơ bản.
Sự hình thành và phát triển của SC là kết quả của sự tương tác giữa
4


xung laser cơ bản và sợi PCF trong quá trình lan truyền. Để hiểu được
quá trình này chúng tôi phân tích sự biến đổi phổ của SC trong từng chiều
dài khác nhau của sợi PCF. Từ kết quả này, chúng tôi rút ra được qui luật
biến đổi phổ theo phương pháp thực nghiệm và phân tích được, một cách
định tính, vai trò của các hiện tượng quang học phi tuyến trong quá trình
nở rộng phổ.
Nội dung của báo cáo này được chia làm hai phần. Phần thứ nhất
được dành để trình bày kiến thức tổng quan về cấu trúc, các thông số vật
lý của sợi PCF và các hiện tượng quang phi tuyến xuất hiện trong quá
trình dẫn truyền xung laser. Chi tiết về phương pháp khảo sát phổ và sự
phân bố phổ theo thời gian của SC được trình bày ở phần hai. Đây cũng
là phần chính của nội dung nghiên cứu, chủ yếu tập trung vào việc thảo
luận nhằm đưa ra kết luận về giải pháp tối ưu hóa trong việc tạo xung SC.

5


Phần I.

Sợi quang tinh thể và cách tạo xung
ánh sáng trắng

6

0.1.

Các đặc điểm của sợi PCF sản xuất ở phòng thí nghiệm
Xlim
Nghiên cứu của chúng tôi về các hiện tượng quang phi tuyến trong

quá trình hình thành và phát triển SC được tiến hành trên các kết quả
thực nghiệm của hai loại sợi PCF sản xuất tại phòng thí nghiệm Xlim,
Pháp. Đấy là hai loại sợi có lõi chiết suất cao, được chế tạo bằng phương
pháp tập hợp các ống thủy tinh lại thành bó rồi nung và kéo với điều kiện
nhiệt độ nung và tốc độ kéo luôn ổn định [1]. Cấu trúc mặt cắt ngang của
hai sợi PCF này được trình bày trên Hình 1. Sợi thứ nhất có cấu trúc lõi
đối xứng (a), còn sợi thứ hai thì có cấu trúc lõi bất đối xứng (b). Đặc điểm
này cho phép sợi PCF thứ nhất không có tính lưỡng chiết còn sợi PCF
thứ hai thì có tính lưỡng chiết, nhờ vào sự bất đối xứng về chiết suất do
yếu tố hình học gây ra. Hai kiểu sợi PCF này đại diện cho hai thể loại đặc
trưng nhất của các sợi PCF mà ta thường gặp trên thị trường sợi quang
phi tuyến. Phần thân của sợi là một mạng lưới tuần hoàn micro mét gồm
các lỗ trống chứa không khí được bao bọc bởi silic, là vật liệu phi kim có
tính đẳng hướng. Ở giữa phần thân xuất hiện một lỗi phá vỡ trật tự tuần
hoàn, vị trí này đóng vai trò lõi của PCF.

Hình 1: Ảnh chụp,bằng kính hiển vi điện tử, mặt cắt ngang của sợi PCF. (a) sợi phi lưỡng chiết, (b)
sợi lưỡng chiết. Vật liệu Silice được hiển thị bằng màu xám còn các lỗ không khí thì được hiển thị
bằng màu đen

Sợi PCF phi lưỡng chiết có một lõi tròn được bao bọc bởi những lỗ
7

không khí có đường kính trung bình d = 1, 8µm. Các lỗ trống này nằm
cách nhau một bước trung bình khoảng Λ = 2, 26µm. Như vậy, tỷ lệ d/Λ
là 0,796. Tỷ lệ này có nghĩa rằng độ phi tuyến của sợi là cao và sự dẫn
truyền sáng có tính chất lưỡng mode [19]. Sợi PCF này có hai mode truyền
sáng ở lõi: mode cơ bản LP01 và mode bậc nhất LP11 . Đối với mode cơ
bản LP01 , cường độ sáng phân bố theo không gian có dạng gần với phân
bố gaussienne, còn mode bậc nhất LP11 thì lại có sự phân bố cường độ
theo dạng hai gaussienne (xem Hình 5). Vì sự phân bố cường độ sáng theo
không gian này không giống nhau, nên hai mode không chịu cùng chiết
suất môi trường trong quá trình lan truyền. Như vậy các yếu tố tán sắc
cũng khác nhau tùy theo mode được dẫn. Các đường cong tán sắc của
hai mode này được tính toán và biễu diễn trên Hình 1.2. Đường cong tán
sắc của mode cơ bản có một giá trị tán sắc bằng không (zero dispersion
wavelength: ZDW) tại 814 nm, trong khi đường cong tán sắc của mode
bậc nhất lấy hai giá trị tán sắc tại 650 nm và 1050 nm. Điều đó làm xuất
hiện hai vùng phổ mà ở đó PCF có tán sắc bình thường. Cấu trúc tán sắc
này cho phép tạo ra các sóng tán sắc trong vùng khả kiến và trong vùng
hồng ngoại nếu bơm bằng xung laser có bước sóng nằm trong vùng tán
sắc bất bình thường của sợi PCF [20]. Trong trường hợp này, sự nở rộng
phổ là hiệu quả hơn bởi có sự tương tác với soliton [8, 11, 21], được hình
thành trong vùng tán sắc bất thường, cho phép các sóng tán sắc nở rộng
về phía vùng bước sóng ngắn và vùng các bước sóng dài.
Ngoài vấn đề dẫn truyền sóng trong lõi, một số vị trí trên vách ngăn
của thân sợi cũng có thể truyền sáng với cùng nguyên lí, truyền sáng bởi
khúc xạ toàn phần. Trong trường hợp này, các vách ngăn đóng vai trò là
lõi còn các thành phần xung quanh đóng vai trò là thân. Sự dẫn truyền
ánh sáng trong các vách ngăn thường là đơn mode bởi đường kính của
vách ngăn là đủ nhỏ. Cần lưu ý là chỉ những vách ngăn có đường kính lớn
hơn bước sóng ánh sáng được dẫn truyền mới có khả năng này. Về phần

tính chất tán sắc, chưa có tính toán đường cong tán sặc cho sự dẫn truyền
8


Hình 2: Đường cong tán sắc của mode cơ bản LP01 và của mode bậc nhất LP11 . Hình ảnh chèn là
mặt cắt của sợi PCF phi lưỡng chiết.

trong các vách ngăn. Nhưng thường nó phải có một giá trị ZDW trong
vùng bước sóng ngắn hoặc có hai giá trị ZDW, bởi đường kính của vách
ngăn là rất giới hạn.
Sợi PCF lưỡng chiết có lõi hình elíp được bao bọc bởi hai lỗ không
khí lớn, đường kính lần lượt là 3,3 và 3, 6µm. Phần thân là một mạng lưới
tuần hoàn các lỗ nhỏ có đường kính trung bình d = 1, 8µm với khoảng
cách giữa các lỗ là Λ = 2, 6µm. Tỷ lệ d/Λ là 0,71. Sự khác biệt về đường
kính của hai lỗ lớn bên cạnh lõi làm gia tăng tính chất lưỡng chiết của
lõi elíp. Độ lưỡng chiết về pha và về nhóm lần lượt là Bθ = 2.10−3 và

Bφ = 3.10−3 , điều này dẫn tới một sự phụ thuộc mạnh vào tính chất tán
sắc theo trục của PCF. Phần lõi có thể dẫn truyền ánh sáng bằng bốn
mode: hai mode cơ bản LP01x , LP01y và hai mode bậc nhất LP11x , LP11y .
Vị trí ZDW của bốn mode này lần lượt nằm ở các bước sóng 827, 866, 757,
764 nm (Hình 3). Ở đây, x và y lần lượt là trục nhanh và trục chậm của
sợi PCF. Diện tích thực của mode cơ bản được ước tính là 4, 9µm2 đối với
bước sóng 850 nm, và 5, 3µm2 cho bước sóng 1064 nm [21]. Ưu điểm của
sợi PCF phi tuyến là khả năng bảo toàn tính phân cực ánh sáng hoặc tạo
9


ra SC phân cực thẳng.
Tương tự như sợi PCF phi lưỡng chiết, các vách ngăn của thân cũng

có thể dẫn truyền ánh sáng. Như vậy việc tạo SC với sợi PCF lưỡng chiết
cũng có thể thực hiện được ở trong phần thân của sợi.

Hình 3: Đường cong tán sắc của bốn mode LP01x , LP01y , LP11x , LP11y . Hình ảnh chèn là mặt cắt
của sợi PCF lưỡng chiết.

Tóm lại, các tính chất không gian, các dữ liệu về tính chất tán sắc
của các mode truyền sóng trong lõi của hai sợi PCF này đã được xác định.
Các đường cong tán sắc có ZDW tập trung xung quanh bước sóng 800 nm.
Như vậy, sự nở rộng phổ của SC sẽ hiệu quả nếu như PCF được bơm bởi
những xung laser cơ bản có bước sóng trong lân cận và lớn hơn 800 nm.
Nghĩa là phải bơm trong vùng tán sắc bất bình thường. Về phần các vách
ngăn trong mạng lưới, thông tin về đường cong tán sắc là chưa có. Nhưng
đặc thù của cấu hình vách là nhỏ, nên vị trí ZDW có khả năng nằm trong
vùng bước sóng khả kiến. Đây là điểm quan trọng bởi nó có khả năng tạo
ra SC với sự nở rộng phổ tiến xa về các bước sóng ngắn [22, 23, 24].
10


0.2.

Cách tạo xung ánh sáng trắng
Sự dãn rộng phổ hay sinh ra tần số mới là đề tài đã được nghiên cứu

rất nhiều trong lãnh vực quang phi tuyến, và đặc biệt là sau khi ra đời
máy phát laser vào năm 1960 [22]. Hiện tượng này được quan sát trong
quá trình tạo SC, sinh ra khi xung laser phổ hẹp chịu một sự dãn phổ rất
lớn do tương tác với môi trường phi tuyến. Trong sợi PCF, sự tạo thành
SC là kết quả của sự can thiệp của nhiều yếu tố tán sắc và phi tuyến. Từ
khi thành công tạo được sợi PCF với tán sắc bất thường trong vùng khả

kiến [10], việc khai thác SC đã đạt được những tiến bộ vượt bậc và đã có
nhiều cố gắng về thực nghiệm cũng như lý thuyết tập trung vào nghiên
cứu cơ chế của sự dãn rộng phổ [22, 23, 24, 25].
Phương pháp tạo SC bằng PCF được trình bày trên Hình 4. Xung
laser cơ bản, có phổ hẹp, được đưa vào sợi PCF bằng đầu hội tụ của thấu
kính hiển vi. Nhờ cấu trúc micro mét của PCF mà năng lượng được nén
trong một diện tích cỡ vài µm2 . Do vậy mà mật độ năng lượng trở nên
rất cao và được giam giữ trong cấu trúc của sợi PCF trong quá trình lan
truyền. Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp tạo SC truyền thống
như tạo SC bằng tinh thể (xem thí nghiệm của phụ lục 2). Mật độ năng
lượng cao và được duy trì trong quá trình lan truyền làm gia tăng các hiện
tượng phi tuyến như tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, trộn lẫn bốn
bước sóng, tương tác với soliton tán xạ Raman... [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32].
Kết quả của sự tương tác phi tuyến này là phổ của xung laser dãn ra cực
rộng nên ta có ánh sáng trắng ở đầu ra.
Việc đưa xung laser vào đầu của sợi PCF là một bước kĩ thuật khá
nhạy cảm, bởi nó quyết định trực tiếp tới tính ổn định và độ rộng phổ của
SC được tạo thành. Các hiện tượng phi tuyến rất nhạy cảm với cường độ
đầu vào. Vì cấu trúc của lõi PCF là rất nhỏ nên việc đưa xung laser vào
phải được thiết kế trên một hệ thống ổn định, cho phép tránh được các
dao động cơ học, nhiệt...Với hệ thống phóng đại ảnh được lắp đặt trước
11


Hình 4: Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách bơm xung laser vào sợi PCF. M1 và M2 : gương, λ/2: bản
nữa bước sóng, 28X : thấu kính hiển vi, XYZ: trục dịch chuyển theo ba chiều, PCF: sợi quang phi
tuyến

sợi PCF, Hình 4, vị trí đầu vào của xung laser hoàn toàn được kiểm soát.
Điều này cho phép quyết định việc tạo SC với lõi sợi hay với vách ngăn.

Ngoài ra, trong trường hợp chiếu xung laser cơ bản vào lõi PCF thì ta
cũng kiểm soát được vấn đề tạo SC, với mode cơ bản hay với mode bậc
nhất. Trên Hình 5 trình bày hai mode tạo bởi sợi quang phi lưỡng chiết
(A), và hai mode tạo bởi sợi quang lưỡng chiết (B).

Hình 5: Sự phân bố cường độ theo không gian của các mode khác nhau

Từ kết quả Hình 5 ta nhận thấy rằng sự phân bố theo không gian phụ
thuộc cả vào dạng hình học của lõi lẫn bậc của mode dẫn truyền. Trong
trường hợp dẫn truyền bằng mode bậc nhất thì cường độ sáng được phân
bố theo hai hàm gaussienne. Điều này thể hiện rất rõ trong hình chụp với
sự giảm cường độ sáng của vị trí đường trung tâm.
12


Phần II.

Phương pháp khảo sát các tính chất
của xung ánh sáng trắng femto giây
và kết quả phân tích các hiệu ứng
phi tuyến

13


0.3.

Phương pháp đo sự phân bố phổ theo thời gian
Trong vấn đề khảo sát các tính chất của SC thì có hai thông số quan

trọng nhất: hình dạng phổ và sự phân bố cường độ phổ theo thời gian.
Việc xác định phổ là khá dễ dàng nếu ta sử dụng một máy đo phổ kế như
đã trình bày trong Mục 0.2. Riêng việc xác định sự phân bố cường độ phổ
theo thời gian là phức tạp hơn nhiều. Nó yêu cầu phải sử dụng đến kĩ
thuật đo phổ phân giải femto giây. Bởi SC có phổ rất rộng không thể đo
bằng các phương pháp đơn giản như sử dụng giao thoa kế. Phương pháp
xác định sự phân bố phổ theo thời gian của SC mà chúng tôi trình bày
dưới đây là dựa vào tín hiệu hấp thụ hai photon, Hình 6. Tín hiệu được đo
trên một mẫu bán dẫn ZnS có bề dày 40µm. Mức năng lượng giữa vùng
hóa trị và vùng dẫn của ZnS là 3,7 eV. Điều đó có nghĩa là mức năng lượng
này chỉ cho phép hấp thụ những photon có năng lượng lớn hơn 3,7 eV, ứng
với năng lượng của các photon trong vùng tử ngoại có bước sóng ngắn hơn
317 nm. SC được tạo ra ở đây có bước sóng trong phạm vi từ 340 nm đến
1100 nm, còn xung bơm thì ở quanh giá trị 400 nm. Như vậy năng lượng
của các photon này là chưa đủ để vượt qua rào cản năng lượng của ZnS.
Tuy nhiên, trong điều kiện mật độ năng lượng đủ lớn (mJ/cm2 ) thì khả
năng hấp thụ hai photon để thỏa mãn điều kiện năng lượng là thực hiện
được. Các chi tiết kĩ thuật về việc xác định sự phân bố phổ theo thời gian
được chú thích trên Hình 6.
Nguồn laser sử dụng trong thí nghiệm Hình 6 là một buồng cộng
hưởng Ti:Saphir, được bơm bằng một laser liên tục có công suất 5 W,
bước sóng 532 nm. Buồng cộng hưởng Ti:Saphir phát xung với tần số 27
MHz, năng lượng xung lên đến15 nJ. Bước sóng trung tâm của xung có
thể điều chỉnh được trong khoảng giữa 780-860 nm, và thời gian xung có
thể rút ngắn xuống tới 30 fs. Tia laser phát ra từ nguồn được tách ra làm
hai bằng gương bán mạ. Khoảng mười phần trăm năng lượng của laser
được đưa vào trong một đoạn PCF ngắn bằng kính hiển vi với độ phóng
14

Hình 6: Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây. Xung quét SC và xung bơm được hội tụ vào
trong tinh thể ZnS dày 40µm. Tín hiệu hấp thụ hai photon ( xung bơm 420nm + SC) trong ZnS
được đo với sự biến đổi theo thời gian giữa hai xung. S: gương bán mạ tách chùm tia, M: gương, P:
parabole, MO: thấu kính hội tụ của kính hiển vi, PCF: sợi quang học phi tuyến, SHG: nhân đôi tần
số, BBO: tinh thể phi tuyến loại 1,∆L: kiểm soát thời gian, F: kính lọc màu BG39, Mẫu: bán dẫn
ZnS với bề dày 40µm, Điều chế: cho tần số tia quét đi qua là 800 Hz, tần tần số tia bơm là 400 Hz

đại 28. Để quan sát vị trí hội tụ laser, hệ thống phóng đại hình ảnh đơn
giản được thiết kế trước mặt vào của PCF. Sau khi xung laser cơ bản đi
qua chiều dài PCF thì được chuyển hóa thành SC, nó đóng vai trò xung
quét. SC ở đầu ra được thu gom lại bằng một parabol (không có sự tán
sắc), sau đó được gửi vào quang phổ kế Jobin- Yvon H25. Các màu khác
nhau của SC được bộ phận tán sắc, cách tử phản xạ, trong quang phổ kế
tách ra và hội tụ trên đầu thu của camera CCD. Tín hiệu phổ của SC từ
camera CCD được ghi trực tiếp vào máy tính. Phần năng lượng còn lại
của laser được nhân đôi tần số nhờ một tinh thể BBO có bề dày 1 mm,
cho phép tạo ra xung bơm tại bước sóng 400nm và năng lượng của xung
vào khoảng 3 nJ . Để hiện tượng hấp thụ hai photon xảy ra thì xung bơm
(400 nm) và xung quét (SC) phải xuất hiện cùng lúc và được hội tụ vào
chất bán dẫn ZnS. Sự hội tụ được thực hiện nhờ một parabol có tiêu cự 25
mm. Tại điểm hội tụ mật độ năng lượng lên tới 1, 3mJ/cm2 nên gia tăng
xác suất hấp thụ bằng cách kết hợp một photon của xung bơm với một
photon của xung quét. Như vậy ta quan sát được sự thay đổi độ hấp thụ
trên phổ của SC. Một bộ điều chế, kết nối với đầu thu của camera CCD,
15


ngắt mở hai tia với tần số của tia quét (SC) cao gấp đôi so với tần số của
tia bơm. Cho phép đo phổ của SC với sự có mặt của tia bơm và không có
mặt tia bơm. Như vậy nếu thay đổi giá trị trễ về thời gian giữa xung bơm

và quét và đo độ biến đổi phổ thì ta thu được hình ảnh về sự phân bố các
bước sóng theo thời gian của SC, xem Hình 7. Tính chất này còn được gọi
là Chirp. Các chi tiết của thí nghiệm phân giải femto giây này được trình
bày kĩ trong tài liệu [15, 33] và Phụ lục 1,2.

Hình 7: Phổ và sự phân bố phổ theo thời gian của SC sinh ra bởi đoạn PCF có chiều dài 7,2 mm.
Thể hiện theo tín hiệu hấp thụ hai photon trong mẫu bán dẫn ZnS, có bề dày 40µm. Xung laser cơ
bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, độ rộng phổ tại vị trí một phần hai chiều cao của xung laser
là 25 nm, thời gian xung là 50 fs, năng lượng xung là 1 nJ.

Trong kết quả thí nghiệm trình bày ở Hình 7, phổ của SC trải dài từ
460 nm đến 1100 nm. Về mặt phân bố bước sóng theo thời gian (chirp),
toàn bộ xung chỉ kéo dài trong 400 fs. Độ lớn của chirp phụ thuộc tuyến
tính vào chiều của sợi PCF, bởi nó do tính chất tán sắc của môi trường
quyết định. Cần lưu ý là xung SC tạo bởi PCF có chiều 7,2 mm là ở trong
chế độ đơn xung. Nếu tăng chiều dài của sợi PCF thì độ lớn của chirp sẽ
tăng và xung SC có thể vỡ ra thành nhiều xung bởi chế độ đơn soliton
không được duy trì [30]. Trong kết quả đo chirp với chiều dài của sợi là 22
mm, Hình 8, thì tại vị trí bước sóng từ 530 nm đến 630 nm đã có tín hiệu
16


của sự khởi đầu xuất hiện xung thứ hai. Nghĩa là với chiều dài lớn hơn 22
mm, SC bắt đầu rời bỏ trạng thái đơn xung.

Hình 8: Tín hiệu hấp thụ hai photon trong mẫu bán dẫn ZnS có bề dày 40µm. SC sinh ra bởi đoạn
PCF có chiều dài 22 mm. Xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, thời gian xung là
50 fs, năng lượng xung là 1 nJ, độ rộng phổ 25 nm. Vùng nhiễu tín hiệu tại 840 nm là do tán xạ của
bước sóng laser cơ bản gây ra.

Từ kết quả đo chirp của Hình 8, ta nhận thấy rằng với chiều dài 22
mm thì vẫn chưa có hiện tượng vỡ soliton để tạo thành một đoàn sóng
[30]. Tuy nhiên tín hiệu cho thấy rằng, chiều dài của PCF này đã ở ngưỡng
giới hạn để thu được SC đơn xung. Trong giới hạn của nghiên cứu này,
chúng tôi quan tâm đến việc tạo ra SC femto giây nên ngoài vấn đề SC có
phổ rộng thì sự phân bố phổ theo thời gian cần phải ngắn và đơn xung.
Chính điểm này mà chúng tôi sẽ chỉ nghiên cứu, trong phần tiếp theo ở
mục 0.4, vấn đề nở rộng phổ của SC trong chiều dài của sợi PCF không
quá 22 mm.

17


0.4.

Sự nở rộng phổ của xung ánh sáng trắng theo chiều dài
PCF
Để quan sát quá trình phát triển của SC theo chiều dài của PCF thì

ta cần ghi nhận hình ảnh phổ theo các chiều dài khác nhau. Kết quả của
sự quan sát này được trình bày trên Hình 9 và Hình 10. Trong thí nghiệm
này, xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, thời gian xung
là 50 fs và năng lượng xung là 1,2 nJ. Việc đo phổ được thực hiện bằng
cách cắt sợi PCF thành các độ dài khác nhau. Sau đó chiếu lần lượt xung
laser cơ bản vào các độ dài rồi đo phổ của SC ở đầu ra.

18


Hình 9: Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của sợi PCF. Hình ảnh chèn trên

cùng là sự phân bố cường độ theo không gian của SC, tạo bởi lõi của PCF phi lưỡng chiết, với mode
truyền sáng cơ bản LP01 . Phổ ứng với chiều dài bằng không là phổ của xung laser.

19


Hình 10: Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của sợi PCF. Hình ảnh chèn trên
cùng là sự phân bố cường độ theo không gian của SC, tạo bởi lõi của PCF lưỡng chiết, với mode
truyền sáng cơ bản LP01X . Phổ ứng với chiều dài bằng không là phổ của xung laser.

20


Từ kết quả thực nghiệm của SC tạo bởi sợi PCF phi lưỡng chiết và
lưỡng chiết, ta nhận thấy rằng độ rộng phổ thay đổi theo chiều dài. Tuy
nhiên trong những mm đầu tiên thì sự phát triển phổ tiến triển rất nhanh.
Còn sau chiều dài trên 10 mm thì sự nở rộng phổ là không đáng kể nhưng
có sự thay đổi về sự phân phối cường độ. Nếu so sánh hình ảnh phổ của
SC tạo bởi chiều dài 22 mm và chiều dài trong khoảng 12 mm thì trong
cả hai trường hợp ta đều thấy rằng độ đồng đều của phổ giảm khi chiều
dài của phổ tăng.
Bây giờ ta sẽ phân tích định tính vai trò của các hiệu ứng phi tuyến
trong quá trình phát triển SC trong sợi PCF phi lưỡng chiết. Ứng với chiều
dài 3,4 nm, ta thấy rằng sự nở rộng phổ là đối xứng so với bước sóng trung
tâm của tia laser cơ bản. Điều này chứng tỏ rằng quá trình hình thành SC
được khởi đầu bằng hiện tượng tự biến điệu pha. Đặc trưng của tự biến
điệu pha là phổ nở đều cả về phía bước sóng ngắn lẫn bước sóng dài. Ở
đây ta nhận thấy sự đối xứng của phổ nghĩa là tín hiệu sinh ra bởi hiện
tượng tự biến điệu pha chiếm ưu thế nhất. Với chiều dài 6,6 nm thì phổ
tập trung mạnh vào vùng có bước sóng 700 nm đến 760 nm. Sự bất đối

xứng này cho thấy rằng vai trò của tự biến điệu pha đã giảm đi so với các
hiệu ứng phi tuyến khác. Ta có thể giải thích rằng kết quả của tín hiệu
trong vùng 700 nm đến 760 nm là do hiệu ứng biến điệu chéo pha từ tương
tác của các sóng trong soliton cơ bản. Các bước sóng lớn hơn 814 nm, nằm
trong vùng tán sắc bất bình thường nên di chuyển gần như cùng vận tốc
và duy trì soliton. Còn các bước sóng nằm trong vùng tán sắc bình thường
thì có hiện tượng màu xanh di chuyển nhanh hơn màu đỏ nên có sự giãn
xung trong quá trình lan truyền. Nếu quan sát tại vị trí bước sóng 650 nm
thì ta thấy bắt đầu xuất hiện một cường độ sáng nhỏ. Cường độ của bước
sóng 650 nm được khuyếch đại ở độ dài của PCF là 9,6 mm. Ta có thể giải
thích rằng tín hiệu này là kết quả của sự tương tác giữa soliton ở 950 nm
và sóng tán sắc ở 760 nm. Tương tác giữa soliton và sóng tán sắc là đề tài
thảo luận mà G. Genty và cộng sự đã đề cập [20] trong vấn đề giải thích
21


sự nở rộng phổ của SC tạo bởi sợi PCF, với chiều dài lớn (cỡ mét). Tương
tự như vậy sự xuất hiện của cường độ tại bước sóng 590 nm thì ta có thể
giải thích là kết quả của sự tương tác giữa soliton và sóng tán sắc ở 650
nm. Đối với chiều dài 11,8 mm và 22 mm thì không có sự nở rộng phổ về
phía màu xanh nữa. Nhưng tỷ lệ cường độ sáng tại bước sóng 590 nm là
được tăng cường so với các vùng còn lại khi chiều dài tăng. Điều này ta
có nghĩa là sự tán sắc đối với bước sóng ngắn trở nên quan trọng. Soliton
và sóng tán sắc ở 590 nm không lan truyền cùng với nhau nên không có
sự tương tác để tạo ra bước sóng mới. Hơn nữa sự tán sắc đã làm giảm
năng lượng cực đại của solition nên các hiệu ứng phi tuyến mà soliton có
thể tạo ra cũng không còn được duy trì. Về mặt thực nghiệm, ta không
quát sát thấy tín hiệu phi tuyến như trộn lẫn bốn bước sóng hay tổng hợp
tần số. Thật vậy, nếu có có các hiện tượng phi tuyến này tham gia thì ta
phải quan sát được các photon trong vùng tử ngoại, bởi tần số của các

hiện tượng này lấy giá trị là ω12 = ω1 + ω2 . Trong thực tế, để tín hiệu
của các hiện tượng này xuất hiện đủ mạnh thì cần phải đảm bảo được sự
hợp pha của các sóng cơ bản và sóng tín hiệu.Với cấu trúc của sợi PCF
thì điều kiện hợp pha trong quá trình lan truyền là không thể thực hiện
được. Chính điều này nên sự đóng góp của hai hiệu ứng phi tuyến kể trên
là được xem như không đáng kể, có thể bỏ qua.
Đối với sợi PCF lưỡng chiết ta cũng quan sát được sự biến đổi tương
tự. Chỉ có điểm khác biệt ở đây là sự nở rộng phổ diễn ra chậm hơn so với
sợi PCF phi lưỡng chiết. Ta có thể nhận ra điều này dễ dàng nếu so sánh
phổ SC tại 3,4 mm của sợi PCF phi lưỡng chiết và 3,7 mm của sợi PCF
lưỡng chiết. Sự nở chậm trong trường hợp thứ hai là do đường kính của sợi
phi lưỡng chiết lớn hơn nên mật độ năng lượng của laser chiếu vào không
cao bằng trường hợp thứ nhất. Điều này kéo theo sự chậm trễ của các hiệu
ứng phi tuyến. Tuy nhiên vai trò của các hiệu ứng phi tuyến trong sự nở
rộng phổ này là hoàn toàn tương tự với trường hợp thứ nhất. Cần lưu ý
là SC tạo bởi sợi PCF lưỡng chiết là có phân cực thẳng. Ở đây ta không
22


đề cập đến hiệu ứng tương tác giữa các thành phần phân cực khác nhau.
Bởi, trong thí nghiệm này hướng phân cực của tia laser đã được chọn theo
phương quang trục X nên ta chỉ có duy nhất một thành phần phân cực.
Từ các kết quả của việc khảo sát các thông số vật lí của SC, ta có thể
kết luận rằng: sự tạo thành SC femto giây là hiệu quả nhất đối với chiều
dài sợi dây trong khoảng 10 mm. Chiều dài này là ứng với điều kiện laser
kể trên và vị trí kích thích là ở lõi của sợi PCF. Sự nở rộng phổ trong quá
trình lan truyền của SC là do sự đóng góp chính của các hiện tượng phi
tuyến như: tự biến điệu pha, biến điệu chéo pha, tương tác giữa soliton
và sóng tán sắc. Ba yếu tố phi tuyến kể trên đóng vai trò chính và sự ảnh
hưởng của nó vượt xa so với các hiệu ứng còn lại như: tổng hợp tần số,

trộn lẫn bốn bước sóng, tán xạ Raman...

23