ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) để phát xung laser ngắn

ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) để phát xung laser ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGHỆ AN - 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGHỆ AN - 2012

LOI CAM ON

Luận văn này được hoàn thành nhờ quá trình nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn Nhân địp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy về sự giúp đỡ quý báu này

Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban chủ nhiệm cùng các thầy cô trong khoa Vật lý, Khoa đào tạo Sau Đại học - Trường Đại hoc Vinh da tao điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập tại cơ sở đào tạo

Xin chan thành cam on !

Vinh, tháng 9 năm 2012

Tác giả

Chương 2 GƯƠNG BÁN DẪN HÁP THỤ BÃO HÒA (SESAM) 12

2.1 Giới thiệu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa— SESAM 12

2.2 Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) 2 25522 2c seerrsei 13

2.2.1 Cau tric điển hình của gương bán dan hap thy bao hoa (SESAM) 13

,“⁄/XN€C¡ oi 8c can o 14 2.2.3 Các lớp chống phản Xạ - << 111 ST E111 11111 111111 11 g1 15

2.3 Cac théng sé co ban cla SESAM ou eee cccsecesesessessesccesestetevscseeeseveeens 16

2.3.2 Cường độ bão hòa Ï¿¿¡ G < c 999199 09 1111 111111111 111111 trà 17

2.3.3 Độ sâu biến điệu :-S:22tS k2 2 2 22.21 rrid 17 2.3.4 Các mất mát chưa bão hòa - 65t 2ct‡rt‡ttzkktrrrrrrtrrertrrtrrrrrrkd 17

2.3.5 Thời gian hồi phục hấp thụ - - 5-5 25222 SE SE 2E 1E rrxkrrrrreo 18

2.4 Các câu trúc khác nhau của SESAM -. cc+cccccrtsrererrred 19

2.4.1 Gương hấp thụ bão hoà Fabry-Perot khử cộng hướng độ nét cao

MỤC LỤC

(hiph-finesse antiresonant Fabry-Perot saturable absorber) 22

2.4.2 SESAM có phủ lớp chống phản xạ (Antireflection-Coated

2.4.3 Gương hấp thụ bão hoà Fabry-Perot khử cộng hưởng độ nét thấp

(low-finesse antiresonant Fabry-Perot saturable absorber)

Chuong 3 PHAT XUNG LASER NGAN SU DUNG SESAM

3.1 Cấu hình buồng cộng hưởng của hệ laser Nd:YVO¿ sử dụng

SESAM được bơm bằng laser bán dẫn - -© + + 2 +8 EzEsExexcxceẻ 3.2 Nguồn bơm laser đio de 5-2 s5 SE E3 EEEEEEEE 1E rkrerred

3.2.1 Nguồn nuôi laser điođe (LDD) +5 +8 S+E+EE+E+E + EzESEkrkrvcsrzrsree

3.2.2 Bộ làm mát cho laser diode (ATC-03H) - SSSSsSsssrrrrrss

3.3 Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM) - - -ccnt tre

3.4 Sơ đồ thí nghiệm - S11 11T T1 1n ro 3.5 Tìm hiểu các kết quả thực nghiệm - ¿2 + +2 x+x+k+xzE+ExckrvcsEzrsree

3.5.1 Độ rộng xung laser mode-locking thụ động -+++++++<+++2

3.5.3 Công suất của laser mode-locking ¿-s +x+ss+k+kcezEsErxrkrkcsvzrsree

KẾT LUẬN - CS 1 1 1E 5 11 111 31113 110101111101 111101101010 17111011102 LH TÀI LIỆU THAM KHÁO 2-2 52 S< +8 E3EE E2 E9 SE E1 1151131111 E 6

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang và viễn thông đã phát triển mạnh, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của sự phát triển kinh tế xã hội Một trong những khả năng để phát triển các hệ thống thông tin quang hiện đại là sử dụng các laser phát xung cực ngắn, tân sô lặp lại cao

Có nhiều phương pháp phát xung laser ngắn, ứng dụng trong KHCN Trong

đó phương pháp mode-locking cho phép tạo ra xung laser ngăn, có tần số lặp lại cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của hệ thống thông tin quang Với kỹ thuật mode- locking, phương pháp mode-locking thụ động sử dụng các môi trường hấp thụ bão hòa thường được sử dụng phổ biến hơn do nó có thể tạo ra xung ngắn hơn và tần số lặp lại cao

Kỹ thuật mode-locking thụ động sử dụng SESAM đang là phương pháp hiệu quả nhất để phát triển các laser phát xung ngắn có tần số lặp lại cao dùng trong thông tin quang Ở Việt Nam đã có một số trung tâm nghiên cứu, ứng dụng và phát triển hệ laser xung ngắn (picôgiây, femtôgiây), trong đó có kỹ thuật phát xung laser ngăn nhờ gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM - SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) Đây là một kỹ thuật phát xung ngắn, có câu hình không quá phức tạp, có tính khả thi cao trong điều kiện nước ta

Nhận thức được tầm quan trọng này, chúng tôi lựa chọn đề tài "Ung dung gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) để phát xung laser ngắn” cho đề tài luận văn của mình

Câu trúc luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Phương pháp mode-locking phát xung laser ngắn và ứng dụng: Tìm hiểu về kỹ thuật mode-locking phát xung laser ngắn và ứng đụng trong vật lý, hóa học cũng như sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực thông tin quang

Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM): Các tính chất và

thông số vật lý của SESAM cũng như các cầu trúc của nó

Chương 3: Phá xung laser ngắn sử dụng SESAM: Tìm hiều hệ laser Nđ:YVO¿ mode-locking thụ động sử dụng SESAM để tạo xung có độ rộng khoảng

13 ps và tần số lặp lại từ 30 - 100 MHz

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù rất cỗ gắng nhưng bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của các thây cô, các cán bộ khoa học và đông nghiệp

1.1 Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hướng (mode-locking) 1.1.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking

Khi không có các yếu tố lọc lựa tần số bên trong buồng cộng hưởng, laser dao động đồng thời với rất nhiều mode cộng hưởng Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong đó có chứa các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng hưởng quang học

Một cách tổng quát, xét buông cộng hưởng với chiều dài L và trục buồng cộng hưởng lấy theo trục Oz Một sóng phẳng với bước sóng 4 lan truyền theo phương gân trục (hợp với Oz một góc nhỏ Ø) thì đo sự phản xạ của các gương, trong buông

cộng hưởng sẽ xuât hiện hiện tượng giao thoa sóng Điêu kiện giao thoa cực đại được cho bởi: 2Lcos Ø = m4 (m là số nguyên cỡ 10” với ánh sáng vùng quang học)

Hình 1.1 Mô tả các mode đọc trong buồng cộng hưởng

Đối với các mode dọc (lan truyền theo phương trục Oz: góc Ø=0) thì: 2L =m => Â=2L!m Khi đó, hai mode dọc liên tiếp trong buồng cộng hưởng sẽ cách nhau một khoảng: A0 = Sr (c là vận tốc ánh sáng trong chân không) Quan hệ

về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện khóa pha giữa các mode đao động đồng thời này thì sẽ đạt được sự chồng chập phù hợp của các biên độ mode

Khi hai điều kiện sau đây được thỏa mãn:

e Laser cần phải có một số mođe đọc khá lớn

e_ Các mode nay phải cách đều nhau về tần số và đồng bộ với nhau về pha thì các mode sẽ giao thoa với nhau và laser có thê phát ra một chuỗi xung ngắn tuần hoàn Khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp bằng thời gian mà ánh sáng laser thực hiện một chu trình trong buông cộng hưởng Độ dài của mỗi xung tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng của môi trường laser, hay nó tỷ lệ nghịch với

sô lượng mode của laser

Đây là nội dung của việc phát xung ngắn băng kỹ thuật mode-locking Kỹ thuật này phụ thuộc vào phố khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên

Có hai phương pháp tạo xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking: phương pháp mode-locking chủ động và phương pháp mode-locking thụ động

1.1.2 Phương pháp mode-locking chủ động

Phương pháp mode-locking chủ động là phương pháp sử dụng một bộ biến điệu đặt trong buồng cộng hưởng (điện quang hoặc âm quang) được điều khiến bởi một tín hiệu cao tần bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng Dé khoá pha của các mode, cần tạo ra sự biến điệu tuần hoàn của các thông số buông cộng hưởng với tần số bằng hoặc là bội tần số đi lại của photon trong buồng cộng hưởng

Phương pháp mode-locking chủ động được chia làm hai loại: sử dụng phương

pháp biến điệu biên độ (AM) và phương pháp biến điệu tan s6 (FM) [1]

Trong phương pháp biến điệu biên độ (AM), người ta đặt một thiết bị biến điệu trong buồng cộng hưởng Khi điều khiến thiết bị này bằng một tín hiệu điện

sẽ tạo ra sự điều biến biên độ hình sin của ánh sáng bên trong buông cộng hưởng

với tần số f Nếu tần số biến điệu f này khác với khoảng cách mođe Av = c/2L thi

chỉ dẫn đến sự biến điệu biên độ trường của mỗi mode Nếu tần số biến điệu f bằng khoảng cách mode Av = œ/2L, khi đó sẽ có sự trao đổi năng lượng giữa các mode

Sự tương tác giữa các mode này dẫn đến sự đồng bộ về pha hay các mode được khóa pha Khi chúng truyền qua bộ biến điệu bên trong buồng cộng hưởng, chúng cũng được biến điệu và tạo ra các mode mới với v = vạ+ 2f Nếu cứ tiếp tục như vậy dẫn tới tat cd cdc mode trong phé khuếch đại đều bị khóa pha và tham gia vào quá trình hoạt động của laser

Phương pháp mode locking chủ động biến điệu tần số (FM) sử dụng thiết bị

biến điệu dựa trên hiệu ứng quang điện Thiết bị này, khi đặt trong buông cộng

hưởng laser và được điêu khiên với một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự dịch tân biên thiên

hình sin rất nhỏ khi có ánh sáng truyền qua nó Chỉ ánh sáng có tần số không bị thay đổi khi truyền qua bộ biến điệu (tức độ dịch tần bằng 0) sẽ tạo ra xung ánh sáng hẹp

Số mode buồng cộng hưởng càng nhiều thì độ rộng xung mode-locking thu được càng ngắn và công suất xung mode-locking càng lớn Hình 1.2 mô tả hình ảnh các xung laser mode-locking phụ thuộc số lượng các mode được khoá pha

i i

N=15

b)

t

Hình 1.2 Xung laser ra của hệ laser xung mode-locking

a) với 5 mode bị khoá

b) với 15 mode bị khoá

Ngoài ra người ta còn sử dụng kỹ thuật mode-locking đồng bộ hay bơm đồng

bộ Nguồn bơm sẽ tự biến điệu để tạo xung ngắn Thông thường, các nguồn bơm này là một laser mode-locking Kỹ thuật này đòi hỏi tương hợp giữa chiều dài buồng cộng hưởng và biến điệu của nguồn bơm

1.1.3 Phương pháp mode-locking thụ động

Bộ hấp thụ bão hòa là môi trường có hệ số hấp thụ giảm khi cường độ ánh sảng truyện qua nó tăng; do đó nó truyền các xung cường độ lớn với sự hâp thụ khá

nhỏ Thời gian hồi phục của bộ hấp thụ bão hoà phải ngắn hơn thời gian một chu

trình đi lại trong buồng cộng hưởng, nếu không sẽ hình thành nhiều xung Ban đầu, môi trường laser phát bức xạ tự phát làm tăng các thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian của mật độ năng lượng Một vài thăng giáng này có thê được khuếch đại tới

một mức độ nào đó mà thăng giáng có thể truyền qua bộ hấp thụ bão hòa với suy

giảm nhỏ Các công suất nhỏ hơn của thăng giáng này có sự suy giảm mạnh hơn và

bị hấp thụ Kết quả là một xung công suất lớn có thể được tạo ra bên trong buồng cộng hưởng Việc điều chỉnh nồng độ của chất màu có thể làm thăng giáng ban đầu trở thành một xung hẹp liên tục bên trong buồng cộng hưởng, do đó tạo thành chuỗi xung mode-locking

1.1.4 So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động

Trong phương pháp mode-locking chủ động, một tín hiệu cao tần bên ngoài được đưa vào để điều khiến bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng nhằm đồng bộ các xung laser theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng Trong phương pháp mode-locking thụ động, sự biến điệu được tạo ra trực tiếp bởi các xung laser Tức không cần sự đồng bộ ngoài và bộ biến điệu thụ động có thé cho phép tạo các xung ngăn với tân sô xung lớn hơn nhiêu

Đối với mode-locking chủ động, sự biến điệu của độ suy hao được kiểm soát

từ bên ngoài và nó không thể tạo ra sự biến đổi nhanh cho cường độ xung Với mode-locking bị động, sự biến điệu của độ suy hao xác định bởi chính bản thân dạng xung, như vậy cho phép tạo ra cửa số khuếch đại tổng ngắn hơn nhiều

Các laser mode-locking chủ động thông thường có thời gian và phổ dạng Gauss Ngược lại, phương pháp mode-locking thụ động cho thời gian và phổ có

dạng hyperbolic không phụ thuộc vào thời gian phản ứng của bộ hấp thụ Để khoá

pha các mode, các phương pháp mode-locking chủ động có thể là biến điệu biên độ, biến điệu tần số hay bơm đồng bộ, va chạm xung Trong thực tế, các thiết bị biễn điệu được điều khiển từ bên ngoài hoặc đặt bên ngoài buồng cộng hưởng sẽ được dùng để chủ động can thiệp vào sự biến điệu có chu kỳ của độ suy hao trong buồng

cộng hưởng Do đó nó rất nhạy với các thăng giáng của tần số (do biến điệu bên ngoài) và khoảng cách giữa hai mode đọc liên tiếp của buồng cộng hưởng (c/2L), vì vậy kỹ thuật mode-locking chủ động khó đạt tới chế độ xung nhỏ hơn picô giây Bảng 1.1 So sánh một số kỹ thuật mode-locking khác nhau (công suất trung bình 1W)

oà chât màu;

thời gian hồi phục của môi trường và bộ hấp thụ phải đủ ngắn so với thời gian một

chu trình buồng cộng hưởng, và thời gian hồi phục của các chuyên dời tại bức xạ khuếch đại trong môi trường hoạt tính dung dịch màu phải có cỡ thời gian một chu trình buồng cộng hưởng Phương pháp mode-locking thụ động khá đơn giản, có thể

áp dụng cho cả laser liên tục cũng như laser xung (do vậy, đòi hỏi nỗ lực thực

nghiệm ít hơn kỹ thuật mode-locking chủ động và không cần những thiết bị phức

tạp) Tuy vậy, trong công nghệ laser màu chúng có nhược điểm là bị hạn chế về khả năng chọn được các cặp chất màu hấp thụ bão hoà và các chất màu của hệ phát laser tương thích Bên cạnh đó, chúng tạo ra các xung tương đối yếu và vùng điều chỉnh được bước sóng khá hẹp

Tóm lại, mode-locking là phương pháp khá phổ biến để phát xung quang cực ngắn Nhược điểm là không thực hiện được với các xung đơn hay xung có tần số lặp

lại thấp, giá thành cao và yêu cầu khắt khe về thiết bị Nhưng nó có ưu điểm là cho

phép phát được các xung laser ngắn nhất hiện nay khi tổ hợp với một số kỹ thuật nén xung khác

1.2 Các ứng dụng của xung laser ngắn

Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thê thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật ĐI sâu vào các ngành như quang phổ, phân tích chuẩn đoán, môi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y học, ở đâu chúng ta cũng thấy bóng đáng của laser Nhờ có laser, quang phổ laser đã

có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chat ran, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học Laser xung ngắn đã

được lựa chọn do nó có các đặc tính phù hợp với rất nhiều ứng dụng như:

10

1.2.1 Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học

Do laser phát ra xung có độ rộng cực ngắn nên nó cho phép độ phân giải thời gian rất cao Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser xung ngắn

đã ra đời, đó là quang phô phân giải thời gian Các nhà khoa học dựa vào quang phổ

phân giải thời gian để nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh theo thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học Một laser mode-locking có thể mô tả chuyển động của các đối tượng đi chuyên cực nhanh như các nguyên tử hay điện tử, do đó có thể đo được các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn, quá trình động học của các phản

ứng hóa học hoặc điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp

các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được

Ngoài ra, cũng có thê kiêm tra các tiên trình chức năng của các linh kiện điện

tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thê theo dõi xem liệu các xung điện sẽ chuyên động như thê nào qua các vi mạch

Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất cả những ngành ở đó cần tới ánh sáng có cường độ rất mạnh, chắng hạn như các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, trong việc gia công vật liệu hay phẫu thuật mắt Ngoài ra người ta cũng cần tới ánh sáng cường độ mạnh cả trong ngành quang phổ 2 photon Kha năng tách chiết một cách kết hợp trong một thời gian rất ngắn một lượng năng lượng cao được tích trữ trong các hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng các hệ phát-khuếch đại femtogiây đã tạo ra các

hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất đỉnh tới vài chục TW Chúng được ứng dụng trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát các chùm tia X cực mạnh Các xung cực ngăn - năng lượng lớn đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu ứng quang phi tuyến

1.2.2 Ứng dụng laser xung ngăn trong thông tin quang

Với độ đơn sắc và kết hợp cao, các tia laser đã được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc [1] Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu điêm: So với sóng vô tuyên, đải sóng truyện tin của laser lớn gap nhiêu lần (vì dải

11

tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến) Ví đụ với sóng vô tuyến, tần số sử dụng là 10” + 3x10”! Hz thì với các laser quang học hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 3x10’? + 15x10! Hz nên đải sóng truyền tăng lên đến 5x10” lần Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 + 0,8 um và

với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80x10” kênh

truyền cùng một lúc và lớn gấp 10” lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn

Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến Hiện nay, với

laser người ta có thể truyền tin với khoảng cách truyền là 100.000 km Với các bước sóng thích hợp, người ta có thê truyền tin hiệu quả ở các môi trường khác nhau

Ngoài ra, các laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng của thông tin Chúng có thê được sử dụng trong các hệ thống viễn thông dung lượng lớn, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock đistribution) Trong tương lai, các xung clock được sử dụng trong các chip được tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integrated), các chùm điện tử phân cực của các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lẫy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ đựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [7]

Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 um sẽ trở thành linh kiện quan trọng trong viễn thông và thông tin quang Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz thậm chí cao hơn thường được sử đụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques)

12

Chương 2

GUONG BAN DAN HAP THU BAO HÒA

Với mục đích tạo ra các xung có độ rộng ngắn, tần số lớn để ứng dung trong thông tin quang, phương pháp chế tạo các nguồn laser xung ngắn dựa trên kỹ thuật mode-locking được lựa chọn Kỹ thuật mode-locking thụ động được sử dụng hiệu quả hơn kỹ thuật mode-locking chủ động vì nó cho phép tạo ra các xung laser ngắn, công suất lớn và độ ôn định cao, đặc biệt có thê cho tần số lặp lại xung cao Với việc phát triển của công nghệ trong lĩnh vực khoa học vật liệu bán dẫn, việc tạo ra các gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) cho kỹ thuật mode-locking thụ động có một ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật phát laser xung ngắn Với các đặc điểm nỗi bật của SESAM như: kích thước nhỏ gọn, phô mở rộng từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại, thời gian hồi phục nhanh , phương pháp phát xung laser ngắn dựa trên

kĩ thuật mode-locking sử dụng SESAM đang là kĩ thuật tạo xung ngắn được sử dụng phổ biến và là phương pháp tạo xung laser ngắn hữu hiệu nhất hiện nay

Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu các tính chất và thông số vật lý cũng như cấu trúc của gương bán dan hap thu bao hoa (SESAM)

2.1 Giới thiệu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa —- SESAM

Các thiết bị SESAM hiện nay đã được sử dụng rộng rãi và trở thành linh kiện quan trọng không thể thiếu trong các nguồn laser cực ngắn mode-locking thụ động Việc sử dụng bộ hấp thụ bão hòa để tạo xung Cực ngắn đã được ứng dụng từ rất sớm Trước đây, bộ hấp thụ bão hòa thường sử dụng là các chất màu nhưng do tuôi thọ ngắn, độc và quá trình điều khiển phức tạp, nên sau đó người ta sử dụng các bộ hấp thụ bão hòa ở trạng thái rắn như các tinh thể Cr:YAG Tuy nhiên, bộ hấp thụ

bão hòa rắn cũng chỉ hoạt động trong vùng bước sóng nhất định, thời gian hồi phục

và các mức bão hòa giới hạn

Khi phát minh ra chất bán dẫn, việc chế tạo bộ hấp thụ bão hòa băng vật liệu bán dân có thê khắc phục được nhược điêm của bộ hâp thụ bão hòa răn vì vật liệu

13

bán dẫn có thể hấp thụ ở một vùng bước sóng tương đối rộng (từ vùng khả kiến cho

tới vùng hồng ngoại) và có thê điều chỉnh các thông số của chúng như: thời gian hồi phục, thông lượng bão hòa bằng cách thay đổi các thông số chế tạo

Các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng các laser rắn được bơm bằng laser điode mode-locking thụ động hầu như không hoạt động trong chế độ liên tục (không có Q-Switch), việc này đã giới hạn các ứng dụng thực tế của chúng Vấn

đề được giải quyết khi phát minh ra gương SESAM đâu tiên vào năm 1992 (bộ hấp thụ bão hòa Fabry-Perot khử cộng hưởng) Việc phát minh ra SESAM là bước nhảy vọt quan trọng đề chế tạo ra laser Nd:YAG và Nd:YLF mnode-locking liên tục Cũng với phương pháp này người ta đã nâng cao các thông số quan trọng của laser như:

độ rộng xung, công suất, tần số lặp lại xung

Ngày nay, cấu trúc thiết kế của SESAM ngày càng được hoàn thiện giúp cho việc chế tạo các hệ laser phát xung ngắn với tần số lặp lại cao, công suất lớn và độ

ôn định cao

2.2 Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

2.2.1 Cầu trúc điển hình của gương bán dẫn hap thụ bão hòa (SESAM)

1064nm Trên dé GaAs tạo một gương Bragg GaAs/AlGaAs Nắm

dưới lớp trên là một lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs đày 10nm

14

Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa - SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) là một cầu trúc gương kết hợp với bộ hấp thụ bão hòa, tất cả đều làm bằng công nghệ bán dẫn Thông thường, thiết bị này gồm có một gương Bragg

và một lớp hấp thụ bão hòa đơn giếng lượng tử ở gần bề mặt

2.2.2 Gương Bragg

1/4 bước sóng) là một câu trúc gôm một chuôi Tiatới phản xạ

các lớp xen kẽ với hai loại vật liệu quang học

khác nhau, độ dày quang học của mỗi lớp

n

can phai day hon V | "

như sau: Mỗi mặt phân cách giữa hai vật liệu \ Is

tao thanh mot phan xa Fresnel Đối với bước

Hình 2.2 Câu trúc của gương Bragg

khác nhau giữa sự phản xạ từ các mặt phân

cách là 1/2 bước sóng, hơn nữa hệ số phản xạ đối với các mặt phân cách có các dẫu

xen kẽ Do đó, tất cả các thành phần đã phản xạ từ mặt phân cách giao thoa với nhau, dẫn tới sự phản xạ mạnh Hệ sé phản xạ đạt được xác định bằng SỐ các cặp và

chiết suất tỉ đối giữa các lớp vật liệu Độ rộng phố phản xạ xác định chủ yếu bởi

chiết suất tỉ đối

Trễ tán sắc nhóm của gương Bragg triét tiêu tại bước sóng thiết kế và nhỏ trong phan lớn độ rộng phổ phản xạ Tuy nhiên, tắn sắc xảy ra tại biên của vùng

bước sóng này thì đáng kê

Hệ số phản xạ R của gương Bragg được tính theo công thức:

15

1-Y]

R= | với Y =(ng/nr)“P(ng)Ÿ/n,

l+Y trong đó (2p+1) là số các lớp có chiết suất cao và thấp

Bảng 2.1: Tính toán hệ số phản xạ của gương tại bước sóng 1064 nm sử đụng vật

liệu GaAs và AlAs có chiết suất tương ứng là n(GaAs)=3,49 và n(AlAs)=2,95, đề là

GaAs theo công thức trên

Bảng 2.1: Hệ số phản xạ của gương Bragg

triệt tiêu lẫn nhau bằng giao thoa

Trong trường hợp đơn giản nhất, một lớp chống phản xạ được thiết kế cho tia tới vuông góc bao gồm một lớp 1⁄4 bước sóng của vật liệu có chiết suất gần với trị trung bình hình học của chiết suất giữa 2 môi trường kề nhau Nếu không có vật liệu nào như vậy, hay cần có tính chống phản xạ trong một dải bước sóng rất rộng (hoặc đồng thời với các đải bước sóng khác nhau), có thê sử đụng nhiều thiết kế phức tạp hơn, thường được tìm ra bằng cách sử dụng các phương pháp số

ló

2.3 Các thông số cơ bản của SESAM

Với mỗi ứng dụng khác nhau phải sử dụng các loại SESAM khác nhau để có hiệu suất cao Phần này giới thiệu các thông số quan trọng để thiết kế, chế tạo SESAM Một số thông số quan trọng của SESAM là:

e Thông lượng bão hòa

e Cường độ bão hòa

e Dé sau biến điệu

e_ Mất mát không bão hòa

e Thời gian hôi phục

Thông lượng xung F; (uJ/cm?)

Hình 2.3 Thông số của SESAM:

a) vẽ theo thang tuyến tính b) vẽ theo thang logarIt

R: Hệ số phản xạ phi tuyến Rị„: Hệ số phản xạ tuyến tính

Rạ;: Độ phản xạ khi chưa hấp thụ bão hòa AR: Độ sâu biến điệu

AR„;: Mất mát không bão hòa F;z;: thông lượng bão hòa

Hình 2.3 mô tả một số thông số quan trọng của SESAM [9] Đường cong này được mô tả chủ yếu bởi ba thông số:

17

e D6 phản xạ tuyến tính Rạ„ khi các xung có thông lượng xung bằng 0

e_ Phản xạ R„; đối với xung có thông lượng lớn vô cùng khi bộ hấp thụ bão hòa

bị tây trắng (bleach) hoàn toàn

e Thong lrong bao hoa Fy,

2.3.1 Thông lượng bão hòa

Thông lượng bão hòa F,, 1a năng lượng cần thiết để bão hòa bộ hấp thụ

SESAM Thông lượng bão hòa được định nghĩa là F,, ="

OA Trong do: hv 1a nang lugng cua photon, o, 1a tiét dién hap thu

Hệ số hấp thu o cua vat liệu là: ø =ơANp (Với Np là mật độ của các phân tử hấp thụ hay là mật độ của các trạng thái trong chất bán dẫn)

2.3.2 Cường độ bão hòa l„:

Cường độ bão hòa I;: được tính theo công thức: J = hy _ Fat

sat

O4t 4 ta

(r„ : thời gian hồi phục của lớp hấp thụ)

2.3.3 Độ sâu biến điệu

Độ sâu biến điệu là tổng của các mất mát bão hòa của bộ hấp thụ, mà có thể được làm trắng (bleached) bằng năng lượng xung lớn “vô cùng” (tức là mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với thông lượng bão hòa của bộ hấp thụ) Theo lý thuyết mode-locking, độ rộng xung +; tỷ lệ nghịch với độ sâu biến điệu AR của bộ hấp thụ bão hòa

Độ sâu biến điệu được định nghĩa là: AR = R„; -Rạ„

Với: + R„„ là hệ số phản xạ khi vật liệu hấp thụ đã bị bão hoà

+ Rụ„ là hệ số phản xạ tuyến tính

2.3.4 Các mất mát chưa bão hòa

Độ sâu biến điệu của SESAM lớn thường được kết hợp với các mắt mát vật liệu

chưa bão hòa của bộ hấp thụ Cac mat mát này xuất hiện là do quá trình truyền và