Đại học quốc gia hà nội Trờng đại học công nghệ =========FễG========= Vơng Thị Xuân Hơng Khả thu tín hiệu photon với độ nhạy cao laser quang sợi ứng dụng nghiên cứu tính chất cảm biến vật liệu cấu trúc nano Ngành : Khoa học công nghệ nano Chuyờn ngnh : Vt liu v linh kin nano Mã số : Luận văn thạc sĩ Ngời hớng dẫn khoa học: TS Trần Thị Tâm Hà Nội - 2005 Li cm n Lun Khả thu với độ nhạy cao tín hiệu photon laser quang sợi ứng dụng nghiên cứu tính chất cảm biến vật liệu cấu trúc nano c hon thnh thi gian hc v nghiờn cu ti lp cao hc khúa 10, ngnh Cụng ngh nano, Trng i hc Cụng Ngh, i hc Quc Gia H Ni Li u tiờn, em xin c by t lũng bit n sõu sc ti cụ giỏo: TS Trn Th Tõm, ngi ó vch ng v tn tỡnh hng dn cho em hon thnh c lun tt nghip ny Em xin chõn thnh cm n cỏc thy, cỏc cụ khoa Vt lý k thut, trng i hc Cụng Ngh, nhng ngi ó dy bo v trang b cho em nhng kin thc sut thi gian hc c bit em xin c cm n thy giỏo ch nhim lp PGS TS Nguyn Nng nh ó rt quan tõm ti vic hc ca chỳng em ti cng khụng th cú c nhng kt qu nh ngy hụm nu khụng cú c s gúp ý, ch bo ca cỏc chỳ, cỏc anh ch phũng thớ nghim Em xin by t lũng cm n ti KS ng Quc Trung, KS Trn Anh V, KS Lờ Hu Minh, CN Ngc Chung, CN V Ngc Chõm phũng K thut laze Vin khoa hc Vt liu Vin Khoa hc Vit Nam Cui cựng em xin gi ti gia ỡnh, bn bố s bit n v nhng quan tõm, ng viờn v c v giỳp em vt qua c cỏc khú khn hon thnh khúa lun ny Từ viết tắt ASE Amplified spontaneuous emmission Bức xạ tự phát đợc khuếch tán EDF Erbium doped fiber Sợi quang pha tạp erbium EDFL Erbium doped fiber laser Laze quang sợi pha tạp erbium EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp erbium NA Nurmerical aperture Độ mở (khẩu độ) SE Spontaneous emission Bức xạ tự phát WDM Wavelength divion multiplexing Bộ ghép / chia bớc sóng Mc lc Mc lc M u Chng 1: Laser quang si pha erbium 1.1 Si quang 1.1.1 Cỏc thụng s ca si quang 1.1.2 Cu trỳc si quang pha erbium 1.1.3 Phõn loi si quang 1.2 Cỏch t quang khc Bragg 12 1.2.1 Cỏc loi cỏch t 12 1.2.2 Cỏch t quang khc Bragg 14 1.2.3 Cỏc tớnh cht ca cỏch t quang khc Bragg 15 1.2.4 Cỏc c trng ca cỏch t quang khc 17 1.3 Laser quang si pha erbium 17 1.3.1 Nguyờn lý ca laser 17 1.3.2 Ph ca ion erbium 21 1.3.3 Nguyờn lý khuch i ỏnh sỏng cỏc si n mode pha erbium 23 1.3.4 S chn lc mode 28 1.3.5 Laser si DFB n mode 29 Chng 2: Kh nng thu nhn ỏnh sỏng ca laser 35 2.1 Gii thiu chung 35 2.2 Hin tng tin khuch i 35 2.3 Cỏc c tớnh ca b tin khuch i: 36 2.4 í ngha vt lý - S tim cn ngng 38 2.5 í ngha hỡnh hc 39 2.6 Laser quang si pha erbium c s dng nh mt u thu nhy cao 41 Chng 3: Kho sỏt h thu tớn hiu laser nhy cao v ng dng 44 3.1 H thu tớn hiu laser nhy cao 44 3.1.1 S ca h o 44 3.1.2 Ngun bm 45 3.1.3 Ngun tớn hiu 45 3.1.4 Isolator 48 3.1.5 B suy gim 48 3.1.6 Laser thu 48 3.1.7 Mỏy phõn tớch quang ph (OSA) 49 3.1.8 Mỏy o cụng sut 49 3.1.9 Hin tng kộo tn s: 49 3.1.10 Thu nhn tớn hiu 51 3.2 Ch to v kho sỏt tớnh cht cm bin nhit quang ca vt liu VO2 cu trỳc nano 52 3.2.1 Mng mng VO2 cu trỳc nano 52 3.2.2 Thc nghim ch to mng mng VO2 cu trỳc nano 53 3.2.3 Phõn tớch kt qu 54 Kt lun 60 Ti liu tham kho 62 M u Mc dự c hai loi laser bỏn dn v laser rn u l nhng loi cú kh nng ng dng thớch hp thụng tin quang, nhng chỳng ũi hi hi tip ngc v kt ni vi phõn khụng nhy cm vi h quang si/quang dn Vi s tng thớch cao vi h quang si, laser quang si pha t him tr nờn hp dn hn so vi hai loi laser nờu trờn, c bit l EDFL bc x bc súng 1,55m, bc súng ca ca s quang hc thụng tin quang si th h mi H s mt mỏt ch cũn 0,2-0,3dB/km so vi 0,5 dB/km ti 1,3 m, cho phộp t cỏc trm chuyn ni xa hn Quan trng hn na l dõy quang si pha Er cũn cú th s dng nh khuch i quang ti cựng bc súng, khụng cn n cỏc h tỏi to in quang tng vic thc hin v m rng lnh vc ng dng cỏc loi laser ny, rt nhiu phũng thớ nghim cng nh nhiu vin nghiờn cu trung vo nghiờn cu v laser quang si Rt nhiu loi laser quang si ó c ch to ngy cng phự hp hn vi thụng tin quang c bit l cỏc laser n mode DBR hoc DFB, c nghiờn cu v phỏt trin Nhng cựng vi s phỏt trin ca chỳng, ngi ta ó tỡm c nhng ng dng rt quan trng, mt nhng ng dng ú l tiờm quang hc Nh tiờm quang hc, ngi ta cú th thu c nhng tớn hiu rt nh Cỏc u thu truyn thng u s dng nguyờn lý quang in hoc ngoi ú l tớn hiu c thu nhn kớch thớch mt in t ri sau ú dũng cỏc in t ú c khuch i (cỏc nhõn quang in, avanlanche photo diode.) Khi ú s tng quan ca dũng in vi trng tớn hiu ti khụng úng mt vai trũ no c Thi gian tng tỏc gia photon v nguyờn t rt ngn, cụng sut quang truyn sang cho u thu thi gian ú l c pico Watt Hỡnh nh ú cú th liờn tng ti hỡnh nh thu xung, mi xung tng ng vi s truyn nng lng ca mt photon tớn hiu Vic dựng laser lm u thu tn dng c tớnh u vit ca tớnh cht kt hp ca ỏnh sỏng Mụ hỡnh ca u thu ny l: mt tớn hiu kt hp rt yu v cú rng ph rt mnh i ti mt laser khỏc cú cựng tn s cng hng nhng cú rng vch ph ln hn rt nhiu Tớnh cht u vit ca laser c dựng õy l kh nng thu nhn khuch i ỏnh sỏng nhng khụng lm mt tớnh cht kt hp ca nú hay núi cỏch khỏc l s tng quan khụng b mt i quỏ trỡnh tng tỏc õy cú s kt hp ca hai hnh ng: khuch i cng hng v lc la Hiu sut truyn rt cao Trong nghiờn cu gn õy nht, cỏc tỏc gi s dng laser bỏn dn lm u thu ó thu c nhng tớn hiu nh c -80 dBm tc l nhy hn 100 ln V trng hp ny tớn hiu c thu nhn ch liờn tc ch khụng phi l ch xung nh cỏc u o truyn thng [1] Tiờm quang hc cú c tớnh truyn c trng ph ca laser phỏt sang laser thu nh tn s, rng vch v nhiu Khi quỏ trỡnh truyn ny hon tt, laser thu ch gi l b khúa hon ton, ú s úng gúp nht ca nú l cụng sut v c trng ph ca nú hon ton l ca laser phỏt Nhiu ng dng quan trng cú th c thc hin t tiờm quang bng laser nh gim chiu rng ca vch laser, khúa trờn mt tn s tuyt i, xỏc nh cỏc hng s ca laser, gim nhiu, phỏt sinh nhng tn s vi súng, hi phc tớn hiu nhp ng h v tỏi ng b õy l mt cũn rt mi c v mt lý thuyt v thc nghim nhng rt thit thc v hp dn Gn õy trờn th gii cng mi cú mt s nghiờn cu v tiờm quang hc, s dng laser nh mt u thu cc nhy vi phng phỏp khỏi quỏt hm Airy, song cha tin hnh vi laser quang si pha erbium cng nh nhng iu kin thớ nghim cng khỏc so vi Vit Nam Vỡ vy lun ny s i sõu nghiờn cu lý thuyt mi v tiờm quang hc, tin hnh tng hp, thu thp ti liu, thc nghim nghiờn cu v kh nng thu nhn ca laser quang si pha erbium t ú a nhng kt lun v nh hng ca tn s cng nh nhy thu nhn ca laser quang si pha erbium v nhng ng dng nghiờn cu tớnh cht cm bin ca vt liu cu trỳc nano iu kin thc nghim ti Vit Nam Ni dung ca khúa lun c b cc thụng qua cỏc chng nh sau: Chng 1: Laser quang si pha erbium Chng 2: Kh nng thu nhn ỏnh sỏng ca laser Chng 3: Kho sỏt h thu tớn hiu laser nhy cao v ng dng 5 Khúa lun c hon thnh quỏ trỡnh hc ti trng i hc Cụng Ngh - i hc Quc Gia H Ni v phũng thớ nghim quang t micro nano l phũng thớ nghim liờn kt gia trng H Cụng Ngh v Vin khoa hc vt liu Vin Khoa hc Vit Nam 6 Chng 1: Laser quang si pha erbium 1.1 Si quang 1.1.1 Cỏc thụng s ca si quang Si gm mt lừi dn quang cú chiu sut n1, bỏn kớnh a Lp v cng l vt liu dn quang bao xung quanh lừi cú chit sut n2 v cú bỏn kớnh b Cỏc tham s n1, n2 v a quyt nh c tớnh truyn dn ca si quang ú l cỏc tham s cu trỳc Cỏc chit sut n2 v n1 khỏc rt ớt nờn lch chit sut t i thng rt ([...]...62 Tài liệu tham khảo [1] R Gabet, G M Stephan, M Bondiou, P Besnard, D.Kilper, ”Ultrahigh sensitivity detector for cohenrent light: the laser , Optics Communications 185 (2000) 109 – 114 [2] S Blin, G M Stephan, R Gabet, P Besnard and D Kilper, ”Amplification process in a laser injected by a narrow band weak signal”, Europhys Lett 52 (1),... fibre laser ” [4] Stephan G M., Phys Res A, 58 (1998) 2467 [5] R H Pantell, “The laser oscillator with an external signal”, Proceedings of the IEEE, vol 53, pp 474–477, May 1965 [6] H L Stover andW H Steier, “Locking of laser oscillators by light injection”, Applied Physics Letters, vol 8, pp 91–93, May 1966 [7] S Kobayashi and T Kimura, “Coherence of injection phase-locked AlGaAs semiconductor laser ... Kimura, “Injection locking in AlGaAs semiconductor laser , IEEE Journal of Quantum Electronics, vol 17, pp 681–689, May 1981 [9] S Kobayashi, H Nishimoto, and R Lang, “Experimental observation of asymetric detuning characteristics in semiconductor laser injection locking”, Electronics Letters, vol 18, pp 54–56, January 1982 [10] William T Silfvas (2004), Laser fundamentals”, Cambridge university press,