Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng super gauss trong buồng cộng hưởng laser cpm 1

DODCI.Buồng cộng hưởng vòng dẫn đến một cơ chế khóa mode bổ sung cải thiện hiệu quả của quá trình làm ngắn xung bởi khóa mode bị động hấp thụ bão hòa chậm.Một buồng cộng hưởng vòng có th

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

BẾ THU THUỶ

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG SUPER

GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

BẾ THU THUỶ

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG SUPER

GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM

Chuyên ngành:QUANG HỌC

Mã số:664411

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN

Hà Nội – Năm 2011

123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU……….1

CHƯƠNG 1: SỰ TẠO THÀNH XUNG CỰC NGẮN………3

1.1.Nguyên lý tạo xung cực ngắn……….3

1.1.1.Sự đồng bộ mode……… 3

1.1.2.Đồng bộ mode chủ động……… 5

1.1.3.Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ……… 7

1.1.4.Đồng bộ mode bị động……….7

1.2.Khóa mode bị động sử dụng hấp thụ bão hòa……… 10

1.2.1.Mô hình bão hòa……….10

1.2.2.Mode-locking hấp thụ bão hòa chậm……….14

1.2.3.Mode-locking hấp thụ bão hòa nhanh………18

CHƯƠNG 2: LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN……… 22

2.1 Mode-locking của laser màu………22

2.2 Xung laser màu ……… 26

2.3 Laser màu được bơm đồng bộ……… 28

2.4 Mode-locking bị động……… 29

2.5 Mode-locking hỗn hợp……….32

2.6 Điều chỉnh bước sóng……… 35

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SUPER GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER CPM……… 37

3.1 Quá trình tạo chirp……… 37

3.2 Xung Super Gauss………38

3.3 Khảo sát sự biến dạng xung khi đi qua môi trường hấp thụ bão hòa……… 40

123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si 123docz.net lu?n van th?c si

Trang 4

3.4 Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng

hưởng laser……….45

3.4.1 Ảnh hưởng của chirp phi tuyến khi đi qua môi trường hấp thụ bão hòa……45

3.4.2 Ảnh hưởng của chirp phi tuyến khi qua môi trường khuếch đại………60

3.5 Hình ảnh không gian ba chiều của xung Super Gauss……….80

KẾT LUẬN ……… 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 93

Trang 5

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a 0 : Biên độ cực đại của xung CW: Bơm liên tục

c: Vận tốc ánh sáng trong chân không C: Tham số chirp

D: Tham số tán sắc và có đơn vị ps GDV: Tán sắc vận tốc nhóm

G: Hệ số khuếch đại

F L : Mật độ dòng photon

abs s

I : Cường độ hấp thụ bão hoà

L d : Chiều dài một sợi đơn mode

L D : Độ dài tán sắc

2

c

n : Hệ số chiết suất phi tuyến

n 1, n 2 , n 3 : Mật độ hạt (độ tích luỹ) của nguyên tử ở các mức 1,2,3

n: Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác N: Bậc của Soliton

n g : Chiết suất nhóm SPM: Sự tự biến điệu pha SAM: Sự tự biến điệu biên độ

T c : Khoảng thời gian xung đi một vòng quanh buồng cộng hưởng u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hoà

 : (Thường viết tắt là T2), thời gian tích thoát( hồi phục) ngang

 : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng

Trang 6

 : Tần số của lase

Trang 7

MỞ ĐẦU

Từ khi nguồn sáng laser đơn sắc độ nhạy cao ra đời , các lĩnh vực của laser và các ứng dụng về laser đã được nghiên cứu rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, y học, kinh tế…Người ta đã sớm phát minh ra xung ngắn cỡ nano giây nhờ phương pháp khóa mode bị động với laser Ruby, những năm tiếp theo phương pháp này đã thành công với laser thủy tinh Nd và thu được xung ngắn cỡ pico giây.Xung ngắn nhất gần đây thu được cỡ 5fs nhờ sự khuếch đại các xung sáng từ laser màu khóa mode bị động cộng hưởng vòng bằng cách truyền các xung đã được khuếch đại qua môi trường quang học phi tuyến

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phương pháp quang phổ học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển vượt bậc, các đối tượng và phạm vi ứng dụng được mở rộng hơn.Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi hỏi thông tin phải được truyền với tốc độ cao và sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan trọng trong thông tin quang

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để phát và truyền dẫn xung cực ngắn là một vấn đề cấp thiết trong giai đoạn hiện nay, thực nghiệm đã chứng tỏ thu được xung cực ngắn bằng cách dùng nguồn bơm là laser ngắn cỡ fs kết hợp với buồng cộng hưởng vòng và sử dụng hoạt chất màu kết hợp với chất hấp thụ bão hòa đặt bên trong buồng cộng hưởng.Đây chính là phương pháp khóa mode bị động của laser màu.Hoạt chất khuếch đại chủ yếu đặt trong buồng cộng hưởng là Rhodamine 6G và chất hấp thụ bão hòa thường là DODCI.Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền dẫn xung cực ngắn, trong đó có ảnh hưởng của chirp đối với dạng xung trong buồng cộng hưởng

laser CPM Luận văn của tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu : “Ảnh hưởng của

chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM”

Trang 8

Với đề tài luận văn đã lựa chọn như trên, chúng tôi xác định mục tiêu của luận văn là:

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong môi trường hấp thụ bão hòa

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong môi trường khuếch đại

+ Nghiên cứu hình ảnh không gian ba chiều của xung Super Gauss khi truyền trong sợi quang

Khóa luận của tôi gồm ba chương:

Chương I : Sự tạo thành xung cực ngắn Chương II: Laser màu xung cực ngắn Chương III: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM

Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn!

Trang 9

CHƯƠNG I : SỰ TẠO THÀNH XUNG CỰC NGẮN 1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn

1.1.1 Sự đồng bộ mode

Cường độ trường tổng cộng E (t) của tia Laser là sự chồng chập cường độ của

M dao động riêng mode trục

KK e

E z

Ở đây tổng lấy từ:

2

) 1



  là tần số vùng của khoảng cách mode Tần số này được xem là hằng số đối với toàn bộ vùng phát sóng

Điều này luôn đúng khi ta bỏ qua sự tán sắc của môi trường quang học, mà độ tán sắc này ảnh hưởng tới độ dài quang học của buồng cộng hưởng L Những pha m của những dao động riêng khác nhau có thể là độc lập thống kê hoặc phụ thuốc thống kê với nhau, tuỳ theo đặc trưng của môi trường kích hoạt và của buồngcộng hưởng

Chúng ta khảo sát trường hợp độc lập thống kê của những pha này (điều này xảy ra trong những di chuyển mở rộng không đồng nhất)

Khi đó đối với cường độ trường tổng cộng ta nhận được:





m E m E

2

1 )

t (

Cường độ tổng cộng sẽ là tổng cường độ các mode riêng, cường độ tổng cộng

có thăng giáng và sự phân bố của chúng có đặc trưng của tiếng ồn dạng Gauss, pha của mỗi mode sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên từ -  đến +  vì mỗi mode là dao động độc lập đối với nhau

Nhưng qua một cơ chế thích hợp trong buồng cộng hưởng laser sẽ có thể thực hiện được một quan hệ phase xác định (cố định) giữa những dao động riêng khác nhau

Trang 10

này Do đó tia Laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian Người ta gọi một Laser như vậy là Laser đồng bộ mode (mode locking: khoá mode)

Một quan hệ phase xác định giữa các mode có nghĩa là:

Ta thay thế m = m + 0 = vào biểu thức (1.1) Khi các mode có biên độ

0 ˆ

E bằng nhau ta sẽ tìm được cường độ trường tổng cộng:

KK e

t m E

2

sin ˆ )

Các mode giao thoa được liên kết phase trong cộng hưởng, và điều đó đã dẫn tới

sự tạo thành xung sáng qua sự chồng chập Cực đại của cường độ sẽ đạt được ở thời điểm bằng không Có nghĩa là:

Trang 11

L M

u  2  2





(1.6) Khoảng thời gian u chính là khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng đi một vòng quanh buồng cộng hưởng Trong buồng cộng hưởng luôn có chỉ một xung chạy đi và

về Thời gian xung :

Cho nên đối với Laser khí áp suất thấp, độ dài xung chỉ đạt cỡ n s và dưới ns Đối với Laser rắn, độ dài xung ngắn nhất đạt cỡ độ ps và đối với Laser màu độ dài xung có thể đạt tới dưới ps và có thể tới vùng fs

Những xung đạt được trong Laser đồng bộ mode không những có độ dài xung rất ngắn mà còn đạt công suất đỉnh rất cao Cường độ cực đại tỷ lệ với 02

1.1.2 Đồng bộ mode chủ động

Cơ sở của phương pháp đồng bộ mode chủ động là một sự biến điệu tuần hoàn của những thông số Laser (biến điệu sự mất mát, nghịch đảo độ tích lũy và quãng đường quang học với một bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng Bộ biến điệu

Trang 12

sẽ được điểu khiển qua một tín hiệu bên ngoài với tần số biến điệu phải bằng tần số của khoảng cách mode của những mode trục riêng

Ta biết khoảng cách của hai dao động riêng liên tiếp được cho bởi biểu thức:

c v

v

2

1 1

E(t) = E0 (1 +  cos2  vt) cos2  v0t (1.9)

Ở đây  ký hiệu độ biến điệu

Từ đây có thể rút ra biểu thức:

) (

2 cos 2 ) (

2 cos 2 2

cos )

Điều đó có nghĩa là nó được tách thành hai tần số bên cạnh,(v0 -  v) và (v0 +  v) Hai tần số bên này là trùng khít với những dao động riêng bên cạnh tần số v 0 của buồng cộng hưởng Những tần số này tiếp tục được khuyếch đại và lại tạo thành những tần số bên cạnh khi biến điệu với tần số  v và do đó xuất hiện những tần số bên cạnh v 0

 2  v Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi xuất hiện tất cả các mode trục trong vùng

Trang 13

dao động và có pha liên kết với nhau hay được đồng bộ pha,và chu kỳ biến điệu phải bằng thời gian vòng quanh buồng cộng hưởng

C

L u T L

C u

1.1.3 Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ

Có thể thực hiện sự đồng bộ mode qua việc biến điệu sự khuyếch đại của nó

Điều này được thực hiện bằng cách bơm một Laser qua một đoạn xung liên tục của một Laser khác mà Laser này đã được đồng bộ mode

Điều quan trọng là độ dài cộng hưởng của Laser cần đồng bộ mode phải bằng hoặc gần bằng độ dài cộng hưởng của Laser dùng để bơm Như vậy với những điều kiện xác định, sự khuyếch đại được biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng

Tương tự như trong sự biến điệu mất mát bên trong buồng cộng hưởng sẽ tạo nên trong trường hợp này ,ở trong vùng thời gian của sự khuyếch đại cực đại Một xung ngắn hơn cả mà độ dài của nó dưới những điều kiện tối ưu sẽ ngắn hơn từ 2 đến 3 bậc độ dài của xung bơm

Phương pháp bơm đồng bộ thực tế được quan tâm đặc biệt đối với Laser màu vì Laser này được kích thích bằng bơm quang học một cách thuận lợi và có công tua khuyếch đại rất rộng (độ rộng dải: 10 13  1014) , làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục Do đó có thể điều chỉnh tần số của Laser màu trong một khoảng xác định nào đó

1.1.4 Đồng bộ mode bị động

Đồng bộ mode bị động cho phép tạo được xung cực ngắn và ổn định mà không cần sự điều khiển từ bên ngoài.trong phương pháp đồng bộ mode bị động người ta sử dụng một bộ hấp thụ bão hoà đặt trong buồng cộng hưởng của Laser để thực hiện nhiệm

vụ đồng bộ mode

Trang 14

Bộ hấp thụ bão hoà phải có một dịch chuyển hấp thụ trên tần số Laser với một tiết diện hấp thụ lớn nhất và nó được hoạt động nhờ trường sóng Laser Bộ hấp thụ bão hoà phải có đặc tính là: Khi cường độ ánh sáng tăng lên thì khả năng hấp thụ của nó giảm đi

Chúng ta khảo sát một bộ hấp thụ như một hệ hai mức: Thì phương trình cân bằng và dưới điều kiện dừng (TL >> T21) ta tính được hiệu độ tích luỹ của hai mức theo biểu thức sau:  N = N1 - N2 và:

S I I

B N

TL: Là thời gian xung

T21 là thời gian tích thoát năng lượng

21: Là tiết diện hiệu dụng Theo biểu thức trên, hiệu độ tích luỹ  N sẽ giảm, mà điều đó tương ứng với việc đặc trưng cho sự hấp thụ của tia, với sự tăng lên của cường độ Nếu cường độ lớn hơn so với cường độ bão hoà của chất hấp thụ IS, thì sẽ không thể có sự hấp thụ nữa

t

Ở đây I L là mật độ dòng photon Trong trường hợp này thì sự hấp thụ sẽ giảm khi năng lượng của xung tăng lên.Trong khi mặt trước của xung giảm mạnh vì ở thời gian đó thì năng lượng xung

Trang 15

còn nhỏ và sự hấp thụ đạt bão hoà, có thể sau một thời gian lớn và sự bão hoà hấp thụ được xác lập nên mặt sau của xung gần như không bị yếu đi khi đi qua bộ hấp thụ

Thời gian tích thoát của môi trường kích hoạt trong Laser mầu nằm ở cỡ độ lớn của thời gian vòng quanh cộng hưởng bởi thời gian tích thoát của chất mầu hấp thụ là lớn đối với thời gian xung Xung cực ngắn sẽ được tạo thành do sự tác dụng tổ hợp của các bộ hấp thụ bão hoà (mà nó đã xén, cắt mặt trước của xung) và của bộ khuyếch đại (mà nó đã cắt mặt sau của xung)

Cơ chế của đồng bộ mode bị động dựa trên sự biến điệu theo thời gian của sự mất mát trong buồng cộng hưởng cũng như sự đồng bộ mode chủ động Nhưng trong đồng bộ mode bị động thì hệ tự chọn thời điểm cho sự mất mát cực tiểu và ổn định bằng cách này

Xét quá trình hình thành xung trong Laser mầu như sau.Tia Laser được khuyếch đại từ những tạp âm tự động (tiếng ồn, nhiễu tự động), khi mà tia Laser bơm đã vượt quá ngưỡng phát Laser Trường tia bao gồm một sự chồng chập thống kê của nhiều đỉnh thăng giáng theo thời gian Do tiết diện phát xạ lớn của chất mầu Laser nên tia do phát xạ cưỡng bức sẽ được khuyếch đại cho đến khi mà đạt được bão hoà của chất hấp thụ Chất hấp thụ bão hoà dành ưu tiên cho những thăng giáng có năng lượng cực đại

vì đối với những nhóm thăng giáng này, do sự bão hoà của sự hấp thụ nên mất mát là ít nhất.Bằng cách như vậy mà tất cả những thăng giáng khác sẽ bị hạn chế và cuối cùng tạo thành một xung cực ngắn

Do tác dụng của việc giảm khuyếch đại (nghĩa là giảm bớt mặt sau của xung)

và của sự bão hoà của bộ hấp thụ ( nghĩa là giảm bớt hay làm dốc đứng lên của mặt trước xung) sẽ làm xuất hiện một chế độ mà ở đó chỉ có trung tâm của xung là được khuyếch đại

Sự làm ngắn xung được tạo ra như vậy sau một vòng qua buồng cộng hưởng, trái lại xung bị mở rộng sau khi đạt được chế độ dừng Sự mở rộng xung là do những

Trang 16

yếu tố giới hạn độ rộng dải có sẵn gây ra như: lăng kính, phin lọc, độ rộng dải của công tua khuyếch đại và công tua huỳnh quang

Những nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra những điều kiện dưới đây là thuận lợi để đạt được những xung ngắn:

 Sự bão hoà trong chất hấp thụ phải đạt khả năng cao nhất so với sự bão hoà trong khuyếch đại

 Sự hấp thụ tín hiệu nhỏ của chất hấp thụ phải đạt khả năng cao nhất mà qua đó một công suất xung hay năng lượng xung cao cần thiết để đạt được sự bão hoà cao trong bộ hấp thụ

 Những yếu tố tán sắc hay yếu tố giới hạn độ rộng của dải cần phải loại trừ khỏi buồng cộng hưởng

1.2 Khóa mode bị động sử dụng hấp thụ bão hòa

1.2.1 Mô hình bão hòa

Hấp thụ : Môi trường hấp thụ bão hòa phổ biến nhất sử dụng cho chế độ khóa mode là

dung dịch chất màu hữu cơ và chất bán dẫn.Do đó có thể được mô hình hóa theo hệ thống bốn mức, thể hiện trong hình 2 [7].Sự dịch chuyển từ 1  2 là sự hấp thụ cộng hưởng bức xạ laser, và cường độ hấp thụ tỉ lệ thuận với mật độ N1 N2 ( trong đó N j

so với sự chuyển từ 1  2 Ta giả sử rằng quang phổ hấp thụ được mở rộng đồng nhất

và được xem là không đổi trong băng thông khóa mode.điều giả sử này bỏ qua các tương tác hấp thụ laser[7]

Trang 17

Với những giả sử này ta có thể mô tả sự hấp thụ bởi phương trình tốc độ đơn giản:

) (

2 1 0

2 3

1

N N A

t a N

t

N

A

A A

N1  3  và N2  N4  0 (1.13b)

Số hạng đầu của vế phải là do sự tích thoát ra của mức 3 và số hạng thứ hai biểu thị sự hấp thụ cưỡng bức Xung được chuẩn hóa để a (t)2là năng lượng phụ thuộc thời gian được mang bởi xung.A là tiết diện hấp thụ từ 1  2 ,  0 là năng lượng photon, và

A

A là diện tích tiết diện của chùm tia trong bộ hấp thụ.Sử dụng phương trình (1.13b) ta

có thể viết lại pt (1.13a) như sau:

A A A

A

P

N t a N N

A A

A P

Hình 2: Mô hình hấp thụ bão hòa bốn mức

Trang 18

Là năng lượng hấp thụ bão hòa.Giả sử rằng mất mát sau mỗi lần truyền qua là nhỏ.số

hạng mất mát l(t) phụ thuộc thời gian tỉ lệ thuận với mật độ trạng thái cơ bản của bộ

hấp thụ N1 :

a A

l t N t

2 ) (  1

Trong đó l là chiều dài môi trường hấp thụ a

Ta sử dụng pt (1.14a) để xác định N1(t) trong hai trường hợp giới hạn quan trọng.Những trường hợp này được phân biệt bởi độ lớn thời gian tích thoát A so với

độ rộng xung khóa mode (t p).Nếu A t p ta nói hấp thụ bão hòa nhanh Trong trường hợp ngược lại A t p ta nói hấp thụ bão hòa chậm

  A

A

P t a

N t

N

/ 1

1 t

N và do đó l(t) biến đổi tức thời với cường độ laser   2

t

a Sự hấp thụ giảm cùng với sự tăng cường độ laser Do đó đỉnh xung ở chế độ khóa mode sẽ ít mất mát hơn so với hai bên cánh của xung

khóa mode bằng cách đặt NN1/ A  0 , với điều kiện này, pt (1.14a) trở thành:

A A

P

N t a t

Trang 19

    A

t

A A

U t U i P

t a dt i

e N e

N t

/ ) (

1 1



 t dt a t t

U( ) ( )2 và U A  P AA (1.19)

ở đây  i

N1 là độ tích lũy hấp thụ ban đầu ở mức 1 ngay khi có xung laser U(t) là năng lượng xung tăng tới thời gian t, và U A là năng lượng hấp thụ bão hòa N1(t) và l(t) giảm đơn điệu trong suốt thời gian xung.Mức độ bão hòa phụ thuộc vào năng lượng xung tích lũy.Chú ý rằng năng lượng bão hòa quan trọng trong trường hợp hấp thụ chậm, trong khi đối với hấp thụ nhanh thì công suất bão hòa mới là quan trọng

Sau khi xung laser kết thúc mật độ hấp thụ giảm theo hàm mũ và quay trở lại điều kiện cân bằng của nó,do đó , sau khi xung laser kết thúc ta có:

A U

U i

N t

Trong đó U là năng lượng xung laser toàn phần, và xung trung tâm tại t=0

Môi trường hoạt chất : ta phân tích môi trường hoạt chất bằng cách sử dụng mô hình

bốn mức tương tự như trong hấp thụ Điểm khác biệt chính là bức xạ laser cộng hưởng với sự dịch chuyển mức từ 3  4 , và năng lượng bơm W điều khiển sự chuyển mức từ 2

1  ra trạng thái cơ bản.Với những giả sử tương tự như trước đây, ta có phương trình cho môi trường hoạt chất :

3

N P

t a N N

N W t

N

G G G

G G

A P

Trang 20

ở đây N G là mật độ tích lũy toàn phần của ions, đặc trưng cho độ tăng ích, và N3 là mật độ tích lũy ở mức 3, mức laser trên.Độ tăng ích được cho bởi

2 / ) ( )

g   , với l g là độ dài môi trường hoạt chất

Chỉ trong trường hợp môi trường hoạt chất bão hòa chậm (t p  G ) là thật sự quan trọng cho khóa mode tự động trong trường hợp này độ tăng ích có dạng:

 i U t U G

e g t

) (

)

g  i U t U G  t G 

(1.23) Chú ý rằng độ tăng ích bão hòa động học là không đáng kể.Cho các môi trường như chất bán dẫn hoặc phân tử chất màu, trong đó G là thời gian lặp lại xung ( thông thường , nano giây), độ tăng ích bão hòa động học ở pt (1.22a) có thể đóng vai trò quan trọng trong chế độ khóa mode , Tuy nhiên , khi G lớn hơn rất nhiều so với chu kì của xung ( vd : trạng thái rắn pha tạp như Ti:sapphire, Nd:YAG, hoặc sợi thủy tinh pha tạp Er), độ tăng ích bão hòa động học là rất nhỏ, mặc dù môi trường hoạt chất không bão hòa đặc trưng cho công suất trung bình.Điều này tương tự như một bộ lọc điện trở-tụ low-pass, cho thấy phản ứng nhỏ cho những tần số điều khiển vượt qúa 1/RC.Trong môi trường hoạt chất laser, G đóng vai trò là thời gian RC[7]

1.2.2 Mode locking hấp thụ bão hòa chậm

Hàm tăng ích phụ thuộc thời gian g T     t  g t l t l0 đóng vai trò quan trọng trong lý thuyết về chế độ khóa mode hấp thụ bão hòa chậm.g T t phải dương khi ở gần trung tâm của xung để tạo ra sự khuếch đại trước và sau xung g T t phải

âm để nén các cánh của xung và tạo sự rút ngắn xung Ở trạng thái khóa mode ổn định,

Trang 21

sự rút ngắn xung mỗi lần truyền phải cân bằng với sự mở rộng xung, và độ tăng ích phải cân bằng với sự mất mát để năng lượng xung được giữ không đổi

Hình 3 [7] thể hiện đồ thị cơ chế làm ngắn xung trong khóa mode với hấp thụ bão hòa chậm.Trước khi xuất hiện hao phí vượt quá độ khuếch đại.Khi xung đến, sự bão hòa hấp thụ làm cho đường hao phí giảm xuống dưới đường khuếch đại.vào thời điểm này xung bị ảnh hưởng bởi sự khuếch đại xung ,sau đó khi độ khuếch đại của xung bắt đầu bão hòa , và kết quả là độ khuếch đại giảm xuống dưới hao phí.Tổ hợp trạng thái bão hòa của g(t) và l(t) dẫn đến một vùng khuếch đại tịnh ở trọng tâm xung

Sự mất mát bão hòa l(t) được viết :

         

] 2

1 1

[ )

2 /

A A

i U t U i

U

t U U

t U l

e l t

U i sat i

e l e

l l

l là giá trị tín hiệu nhỏ của mất mát phi tuyến U là tổng năng lượng xung, và T

là thời gian đi một vòng buồng cộng hưởng Mất mát phi tuyến ban đầu có thể nhỏ hơn

Thời gian (t) Xung mode-locked

Trang 22

so với giá trị tín hiệu nhỏ nếu hấp thụ không hoàn toàn phục hồi giữa các xung.Theo lý thuyết Haus, giả sử rằng bộ hấp thụ bão hòa khôi phục cơ bản hoàn toàn, do đó :

    0

sat

i l

Đây là giả thiết hợp lí đối với hầu hết laser màu siêu ps

Tương tự , độ khuếch đại được cho bởi:

t U i

U

t U g

e g t

ở đây đã sử dụng khai triển chuỗi Taylor bậc một , từ hình 3 độ khuếch đại bão hòa nhỏ hơn so với hao phí và từ đó khai triển bậc một cho độ khuếch đại là đủ để miêu tả vùng khuếch đại tịnh.Độ khuếch đại ban đầu  i

g liên hệ với độ khuếch đại tín hiệu nhỏ

0

g bởi hệ thức:

 i   i U U G  T G

e g e

g g

Ta có thể thực hiện vài quan sát quan trọng sau đây:

 Đầu tiên, độ khuếch đại tịnh g T t phải nhỏ hơn không cả phần trước và sau của xung để cho sự ổn định , do đó:

      0

0

i i

l l l l

Và   G   U U A

sat U

U i

e l l e

Trang 23

 Để đạt được vùng khuếch đại tịnh, hấp thụ phải bão hòa trước khi khuếch đại, nghĩa là :

   

A

sat G

i

U

l U

Với điều kiện là tiết diện khuếch đại và hấp thụ  G, A có thể so sánh ,điều kiện này

có thể đạt được bằng cách tập trung hội tụ vào hấp thụ

Mặc dù có thể đáp ứng đồng thời tất cả những điều kiện này ,vẫn cần phải lựa chọn sự phù hợp giữa môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ

Mô hình thành công nhất của laser khóa mode sử dụng hấp thụ bão hòa chậm là laser màu dạng vòng khóa mode bằng va chạm xung(CPM) Sơ đồ trên hình 4 [7]

Độ khuếch đại được cung cấp bởi dòng phun của chất màu rhodamin 6G hòa tan trong dung môi thích hợp,được bơm bởi sóng ánh sáng liên tục công suất vài watts từ laser ion argon.Chất hấp thụ bão hòa là dòng chảy của một dung dịch chất màu hấp thụ

Trang 24

DODCI.Buồng cộng hưởng vòng dẫn đến một cơ chế khóa mode bổ sung cải thiện hiệu quả của quá trình làm ngắn xung bởi khóa mode bị động hấp thụ bão hòa chậm.Một buồng cộng hưởng vòng có thể hỗ trợ hai xung cùng một lúc.một xung đi theo chiều kim đồng hồ và một xung đi ngược lại.Đó là điều thuận lợi nhất cho hai xung này gặp nhau hoặc va chạm trong dòng phun chất hấp thụ.Giao thoa dạng sóng đứng được tạo ra , khi đó các xung chồng lên nhau trong vùng hấp thụ khiến năng lượng bị mất là nhỏ nhất bởi vì hấp thụ bão hòa là lớn nhất ở nơi mà trường quang học

là mạnh nhất và nhỏ nhất ở trường quang bằng không của hình giao thoa.Để sử dụng hiệu ứng này tốt nhất, ống phun được sử dụng để sản xuất ra dòng chất màu hấp thụ có

độ dày dưới vài chục micromet ( so với vài trăm micromet của dòng chất màu khuếch đại), phù hợp với độ dày hấp thụ trong phạm vi không gian của vùng va chạm xung.Dạng hình học của xung va chạm tăng cường cơ chế hấp thụ bão hòa, dẫn đến xung ngắn hơn và sự ổn định tăng lên.Sự sắp xếp bốn lăng kính dưới góc Brewster được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu và độ lớn của tán sắc vận tốc nhóm trong buồng cộng hưởng Sự tối ưu hóa laser CPM dẫn đến xung thời gian ngắn 27fs, trong chế độ hoạt động này ,trong buồng cộng hưởng xung bị nén do tác động tán sắc phối hợp với

tự điều biến phase với nhau trong dòng chất màu xuất hiện để bổ sung cơ chế rút ngắn xung gây ra do sự bão hòa

1.2.3 Mode- locking hấp thụ bão hòa nhanh

Hấp thụ bão hòa nhanh được sử dụng cho mode-locking chủ yếu để tạo ra xung pico giây với hệ thống laser trạng thái rắn có dải tương đối hẹp, hoặc là (a) sử dụng chất màu hấp thụ nhanh đồng thời khóa mode bị động và Q-switching, hoặc sử dụng (b) chất bán dẫn hấp thụ bão hòa cho chế độ khóa mode ổn định

Kĩ thuật này thường được áp dụng với laser trạng thái rắn với hệ số khuếch đại thấp và thời gian hồi phục dài (thời gian G từ micro giây đến mili giây), sự bão hòa khuếch đại động trong thời gian xung là rất nhỏ , do đó ta thay g t bằng một giá trị không đổi cho độ khuếch đại bão hòa, g,là hàm của độ khuếch đại tín hiệu nhỏ g –

Trang 25

công suất laser trung bình theo thời gian.Sự hao phí phụ thuộc thời gian l(t) được cho

A

i

P

t a l

P t a

l t

a được mở rộng.điều này là hợp lí nếu công suất khóa mode vẫn còn

đủ dưới công suất bão hòa P A.Một điểm khác biệt trong việc xử lý ở đây là ta giả sử rằng độ khuếch đại không phụ thuộc tần số , trong khi trước đây giả sử rằng băng thông khuếch đại hữu hạn đóng vai trò chính trong việc hạn chế băng thông

Kết quả phương trình mode locking như sau:

d T dt

d

A

i i c



Số hạng cuối cùng tỉ lệ với a   t 2a t được gọi là tự biến điệu biên độ (SAM)

Ở các cánh của xung khi mà   2

t h a

t

Thay phương trình (1.34) vào phương trình (1.33) với điều kiện các hệ số mũ, các số hạng kết quả sech(t / t p), sech(t / t p)tanh(t / t p), và sech3 t/t p không phụ thuộc tổng tới không sinh ra ,ba phương trình đặc trưng:

 

0

1

0 2

2    i 

p c

l l g t

Trang 26

Hình 5: Độ khuếch đại và hao phí trong mode-locking hấp thụ bão hòa nhanh

Từ pt (1.35b) ta thấy rằng cường độ đỉnh khóa mode tỉ lệ nghịch với độ rộng xung vuông.Năng lượng xung 2a02t p tỉ lệ nghịch với t p Để xác định được thực sự cường độ và độ rộng xung, thay pt (1.35b) vào pt (1.35a), với kết quả:

A

i i

P

a l g l l

2 0 0

2





Cuối cùng, sử dụng phương trình khuếch đại bão hòa:

Trang 27

G P P

g g

/ 1

G c i

A i

P

a l g T P

a l

P l

l

2

2 2

1

2 0 0

1 0 2 / 1

Với P  2a02t p /T là công suất trung bình của laser.Cuối cùng, ta chú ý rằng cường

độ của số hạng SAM chịu trách nhiệm việc làm ngắn xung và khóa mode tỉ lệ với công suất xung   2

t

a .Miễn là năng lượng xung vẫn không đổi,ta có thể kết luận rằng cường

độ của SAM tỉ lệ nghịch với độ rộng xung.Khi xung trở nên càng ngắn hơn trong suốt quá trình hoạt động khóa mode, việc làm ngắn xung trở nên hiệu quả hơn.Kết quả là, khóa mode hấp thụ nhanh có thể hỗ trợ xung cực ngắn.Tương tự, khi các xung vẫn còn rất dài , quá trình khóa mode là rất yếu.Điều đó có nghĩa là quá trình khóa mode ban đầu là khó khăn.Nó phù hợp với quan sát thực nghiệm những laser rắn được khóa mode bị động[11]

Trang 28

CHƯƠNG II : LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN 2.1 Mode-Locking của laser màu

Một trong những đặc điểm hấp dẫn nhất của laser màu hữu cơ là khả năng tạo ra các xung quang học cực ngắn.Do độ rộng của dải tần số đòi hỏi để sinh ra xung với khoảng thời gian ps vẫn nhỏ hơn nhiều so với dải tần số phát xạ chất màu, một laser màu có thể là nguồn xung ps điều hưởng bước sóng.Laser màu cũng là thiết bị duy nhất hiện nay có thể sản xuất ra xung liên tục, lặp đi lặp lại cao.Phương pháp mà xung cực ngắn được tạo ra trong laser được gọi là mode-locking.Mode-locking không phải là mới với laser màu và nó đã được nghiên cứu rộng rãi trong một loạt các hệ thống laser khác

Một laser bao gồm một buồng cộng hưởng quang học được hình thành bởi các gương và một môi trường hoạt chất laser bên trong buồng cộng hưởng.Mặc dù môi trường hoạt chất xác định bước sóng hoạt động của laser, tính chất của buồng cộng hưởng xác định chính xác hơn tần số laser (KOGELNIK và LI,1966).Thông thường bộ cộng hưởng gương cong hỗ trợ biến đổi mode laser, có thể có sự phân bố trường khác biệt vuông góc với trục của buồng cộng hưởng (mode ngang).Mỗi mode ngang này lại

có một tập hợp vô hạn các tần số riêng (mode dọc) được tách ra từ tần số bởi một lượng c/2L , trong đó L là chiều dài quang học của buồng cộng hưởng và c là vận tốc ánh sáng Nói chung có thể để khẩu độ cộng hưởng như vậy để phân biệt tất cả các mode ngang ngoại trừ bậc thấp nhất có công tua đơn giản Gausian

Trừ khi sử dụng hình thức cao chọn lọc tần số hoặc buồng cộng hưởng cực ngắn, công tua Gausian laser phát ra vẫn bao gồm một số khoảng tần số (c/2L) cách đều nhau.Một số dao động bị giới hạn bởi độ rộng dải   mà khuếch đại laser vượt qua mất mát của buồng cộng hưởng.Quang phổ laser phát ra được minh họa trên hình 2.1a

Trang 29

Vì đầu ra của laser bao gồm một số thành phần tần số, rõ ràng là biên độ đầu ra của laser có thể thay đổi theo thời gian theo nhiều cách khác nhau phụ thuộc vào phase tương đối và biên độ của các thành phần tần số,nếu không có các tham số cố định này,các biến động ngẫu nhiên là nguyên nhân làm cho đầu ra thay đổi theo thời gian mặc dù công suất trung bình vẫn còn tương đối ổn định.Mặt khác, nếu các mode theo một cách nào đó buộc phải duy trì phase cố định và sự phụ thuộc biên độ ,đầu ra sẽ là một hàm xác định theo thời gian và laser được gọi là “mode-locked” , mode-locking có thể sinh ra một biên độ biến điệu mạnh đầu ra bao gồm một đoàn xung với khoảng cách đều đặn Xung có độ rộng t gần bằng nghịch đảo của tổng độ rộng dải mode- locked   và tuần hoàn với chu kì T  2L/c.Đó là tỉ số của độ rộng xung với chu kì gần bằng số lượng các mode bị khóa.Đầu ra của laser mode-locked được minh họa trên hình 2.1b.Trong buồng cộng hưởng laser ở trạng thái này tương ứng với một xung đơn truyền đi qua đi lại giữa các gương và mỗi khi đi được một vòng laser sẽ phát.Cũng có thể tạo ra nhiều xung ( nhiều hơn một xung trong buồng cộng hưởng) bằng cách khóa mode với nhiều khoảng cách đều đặn c/2L [10]

CÁC MODE CỘNG HƯỞNG

( a )

Hình 2.1: Hàm lượng phổ của một Laser hoạt động trên một mode đơn ngang và

a Số các mode dọc khác nhau

b Thời gian ra của Laser với tất cả các mode bị khóa trong một pha riêng biệt

Trang 30

Có thể thu được xung ngắn chỉ với một laser mode-locked nếu độ rộng dải khuếch đại tương đối rộng.Vd độ rộng dải của một laser khí chỉ vào khoảng

Hz

10 9

10

10  liên kết với xung ra dài hơn 1010s( 100ps) Laser thủy tinh:Nd ở trạng thái rắn có độ rộng dải hơn 1012Hzvà có khả năng sinh ra các xung với cấu trúc dưới ps.Điều thú vị nhất là có thể quan sát được dải phát xạ của laser màu cũng được mở rộng ( 10  100nm  1013 1014Hz ) và người ta có thể nhận được các xung ps mà vẫn có thể điều hưởng được bước sóng tự do Phạm vi thu được các xung ps từ laser màu có phổ liên tục là từ 560-700nm

Có một số nguyên nhân cho việc tại sao gặp khó khăn trong việc sinh ra các xung ngắn hơn ps mặc dù có đủ độ rộng dải cần thiết.Khó để đạt được quang phổ mode đồng đều với khoảng cách đúng bằng c/2L trên một quang phổ rộng như vậy cùng với

sự tán sắc cộng hưởng và sự cạnh tranh mode trong môi trường hoạt chất Một loạt các hiệu ứng phi tuyến trong các yếu tố laser khác nhau cũng có xu hướng làm xung mở rộng theo thời gian và làm biến dạng phổ tần số của nó,nếu quang phổ mode dao động lớn hơn so với yêu cầu để có thể quan sát được xung ra của laser, trạng thái này khá là phức tạp.Có thể có một mức ra thấp liên tục giữa các xung,không quan sát được sự dao động tạp âm trong hình bao xung, hoặc sự nhòe tần số trong suốt thời gian xung truyền

Tạp âm ở đây ngụ ý một sự thiếu kết hợp trong xung và có thể dẫn đến ước tính sai lầm

độ rộng của xung dựa trên các phép đo phi tuyến.Điều này có thể được loại bỏ bằng cách tính toán rất cẩn thận ,giới hạn độ rộng dải đao động, và hoạt động ở công suất thấp.Biến đổi Fourier một cách chính xác sự liên quan giữa độ rộng dải   và độ rộng của xung t phụ thuộc thực tế vào hình dạng xung ,vd giới hạn biến đổi hình dạng xung Gaussian có t   =0.441 trong khi xung Lorentzian có t   =0.6.Theo quy ước   và t được chọn ở khoảng giữa toàn bộ độ rộng tại một nửa giá trị cực đại (FWHM)

Có thể cho một laser tự khóa mode thông qua tác dụng phi tuyến của chính môi trường hoạt chất,điều này cần thiết phải đưa vào một lực điều khiển từ bên ngoài hoặc

Trang 31

thêm vào một yếu tố phi tuyến để đạt được mode-locking tốt hơn Lý thuyết nghiên cứu về bộ điều biến bên trong đã được giới thiệu bởi HARRIS (1966).Bộ điều biến bên trong của laser ở tần số c/2L, hoặc bởi một trường ngoài hoặc bởi tác dụng phi tuyến giữa hai mode,tạo ra các dải tần số ở hai bên của mỗi mode dao động.Những dải tần số này gần trùng khớp với nhau và với các mode cộng hưởng liền kề Để thu được xung ngắn đòi hỏi phải có sự điều biến tương đối mạnh để các mode dao động với độ rộng dải lớn

Có nhiều cách khác nhau để đạt được mode-locking ,hầu hết các cách này đều

sử dụng bộ điều biến bên trong buồng cộng hưởng laser.Một bộ điều biến được đặt ở cuối của buồng cộng hưởng laser và điều khiển tần số mode dọc-khoảng cách c/2L tạo

ra sự phân tách mode cần thiết cho việc khóa mode.Trong miền thời gian, có thể nói rằng có sự xuất hiện xung bởi vì chúng có thể đi qua bộ điều biến nhanh nhất và mất ít thời gian nhất Đặt bộ điều biến ở những vị trí khác trong buồng cộng hưởng thay vì đặt ở cuối, cũng có thể tạo ra mode-locking nếu điều khiển tần số phù hợp.Nhược điểm chính của kĩ thuật điều biến là nó đòi hỏi tần số điều khiển cực kì ổn định tương ứng với chiều dài buồng cộng hưởng Sự điều biến bên trong không tạo ra xung cực ngắn trong chế độ khóa mode của laser màu

Thay vì thêm vào một nguồn mất mát hoặc biến điệu phase người ta cũng có thể điều chỉnh độ khuếch đại.Trong khi phương pháp này không được sử dụng nhiều trong hầu hết các hệ thống laser ,nó có thể đặc biệt phù hợp với laser màu.Vì laser màu được bơm quang học và có dải hấp thụ rất rộng,laser màu có thể được điều khiển bởi laser mode-locked khác,tất nhiên, cần phải điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng của laser màu cho phù hợp với chiều dài của laser bơm mode-locked.Kết quả là xung laser màu

có thể bằng hoặc ngắn hơn so với xung bơm.Xung ps với các bước sóng khác nhau đã thu được theo cách này

Kĩ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để tạo ra xung ngắn mode-locking liên quan đến việc sử dụng chất hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng laser.Chất hấp thụ

Trang 32

bão hòa là một loại vật chất mà sự hấp thụ của nó bị giảm khi cường độ ánh sáng tăng lên.Một xung ngắn , công suất cao, trong quá trình hấp thụ mất mát ít hơn so với một xung dài, cường độ nhỏ hơn khi có cùng năng lượng

Chất hấp thụ bão hòa được sử dụng thành công nhất để tạo ra xung ngắn locking là chất màu hữu cơ trong dung dịch lỏng.Trong buồng cộng hưởng laser chất hấp thụ bão hòa thường được đặt ở cuối để giảm hiệu ứng xung bội.Sắp xếp về mặt vật

mode-lý bao gồm một lớp mỏng dung dịch hấp thụ bão hòa tiếp xúc trực tiếp với gương cuối của buồng cộng hưởng.Cường độ sáng đòi hỏi để có sự hấp thụ bão hòa trong chất màu hữu cơ là khá cao,vì thế trong các hệ thống xung laser sử dụng mode-locking đã hạn chế công suất cao Gần đây chất hấp thụ bão hòa được sử dụng rộng rãi để laser hoạt động liên tục bằng cách thiết kế trong buồng cộng hưởng sao cho ánh sáng tập trung chiếu vào chất hấp thụ

2.2 Xung laser màu

Laser màu hữu cơ mode-locking sử dụng đầu ra của một laser mode-locked như một bơm quang học, bơm theo cách này cung cấp sự điều biến cần thiết cho mode- locking bằng cách thay đổi nhanh chóng môi trường hoạt chất một cách tuần hoàn.Xung bơm với thời gian ps có thể cung cấp công suất cao bởi laser thủy tinh:Nd (   1 06 m) và laser ruby (   694 3nm),nhờ nhân đôi tần số những laser này tạo ra các xung tương tự nhau ở 530nm và 347.2nm.Do đó,kĩ thuật bơm laser mode-locked có thể sử dụng để thu được xung laser màu cực ngắn ở một số bước sóng khác nhau

Thí nghiệm đầu tiên sử dụng xung bơm mode-locked,bằng cách nhân đôi tần số laser thủy tinh:Nd khi bơm cho laser rhodamine 6G và rhodamine B Buồng cộng hưởng quang học của laser màu được điều chỉnh chiều dài để đồng bộ với xung bơm mode-locked.Khi chiều dài buồng cộng hưởng laser màu l d bằng với chiều dài l pcủa

bộ cộng hưởng bơm, sẽ quan sát được đoàn xung với chu kì bằng chu kì của xung bơm,

vị trí đặt cuvet màu là ở cuối của buồng cộng hưởng.Với việc bộ cộng hưởng bơm và buồng cộng hưởng laser màu có chiều dài bằng nhau quan sát được hai xung quang học

Trang 33

ứng với mỗi xung bơm Một trong hai xung sẽ có cường độ mạnh hơn so với xung kia bởi vì các xung đi theo hai hướng ngược nhau trong buồng cộng hưởng sẽ đến cuvet màu cùng nhau chỉ một lần trên mỗi xung bơm.Với cuvet màu đặt ở vị tí trung tâm của buồng cộng hưởng và l d  m/nl p trong đó m/n=1,2/3,1/2; thu được 2(m/n) xung cho mỗi xung bơm Điều chỉnh bước sóng của laser màu mode-locked bằng cách sử dụng một cách tử xoay như gương phản xạ cuối của buồng cộng hưởng và bằng cách trộn hai chất màu laser để thay đổi đỉnh độ khuếch đại

Điều biến trực tiếp mất mát trong buồng cộng hưởng cũng được sử dụng cho laser màu mode locked.Với một bộ điều biến trong buồng cộng hưởng của laser coumarin được bơm bằng đèn flash, xung mode-locked với độ rộng vài trăm ps được tạo ra ở bước sóng 460nm.Đoàn xung trong khoảng vài micro giây và quan sát được xung ngắn nhất ở cuối của đoàn xung

Phương pháp thành công nhất để khóa mode hệ thống laser thủy tinh:Nd và laser ruby là mode-locking bị động với một chất hấp thụ bão hòa.Mode-locking bị động của một laser màu hữu cơ được báo cáo lần đầu tiên bởi SCHMIDT và SCHAFER (1968).Họ đã quan sát được mode-locking của laser màu Rh 6G bơm bằng đèn flash sử dụng chất màu hữu cơ như chất hấp thụ bão hòa.Quan sát thấy sự phát xạ gồm một đoàn xung với khoảng cách bằng nhau c/2L tần số lặp lại là 1GHz, nhưng xác định độ rộng xung trong thí nghiệm đầu tiên này bị giới hạn bởi độ rộng dải của photodiode và dao động ký (0.4ns).Chất hấp thụ bão hòa   2

DODCI được sử dụng vẫn

là một trong những chất màu mode-locking hiệu quả nhất cho laser màu Rh 6G

Trang 34

Sơ đồ của một laser màu mode-locked bị động thể hiện trên hình 2.2 [10] Hộp màu khuếch đại được bơm bằng đèn flash.Tất cả bề mặt hoặc là ứng với góc Brewster hoặc hình nêm để ngăn chặn sự cộng hưởng etalon Dung dịch màu mode-locking được đặt bên cạnh gương cuối của buồng cộng hưởng, đây được xác định là vị trí tốt nhất,cách tử phản xạ được sử dụng để lọc lựa bước sóng.[11]

2.3 Laser màu được bơm đồng bộ

Kĩ thuật bơm đồng bộ cho laser màu được sử dụng phổ biến để tạo ra xung sáng cực ngắn trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần.Nguồn năng lượng chính cho chất màu bơm quang học trong các thiết bị này là một laser khóa mode chủ động tạo ra xung kéo dài khoảng 100ps

Laser khóa mode kích thích các phân tử chất màu hòa tan trong dung môi môi trường hoạt chất là chất lỏng có thể được chứa trong một cuvet hoặc dòng chất màu được phun thích hợp

Những laser hai buồng cộng hưởng tạo ra những xung sáng với khoảng thời gian vài ps, tốc độ lặp lại là 80 MHz và công suất trung bình trong phạm vi từ 10mW đến vài trăm mW.Nhiều thiết kế khác nhau đã được đề xuất, sử dụng một số lượng lớn các phân tử chất màu, cho phép tạo ra các xung với bước sóng trong phạm vi từ 500nm đến vùng hồng ngoại

Hình 2.2: Sơ đồ Laser màu bơm bằng đèn Flash với cấu hình mode - locking

Trang 35

Hình 2.3: Sơ đồ BCH laser màu khóa mode bằng va chạm xung

Xung bơm, Ar +

Trang 36

Hình 2.4: Vòng tuần hoàn của xung trong laser CPM

Khi môi trường hoạt chất được đặt ở ¼ tổng chiều dài buồng cộng hưởng L từ vị trí chất hấp thụ bão hòa , tổng thời gian bơm L/2c là giống nhau cho cả hai xung Quy tắc hình học này không cần quá chặt chẽ miễn là đạt được đủ giá trị độ khuếch đại giữa các quá trình bão hòa liên tiếp

Trong laser màu khóa mode bị động, khóa mode trong điều chế biên độ được tạo ra bởi chính các xung sáng.Khi các xung sáng ở bên trong môi trường hoạt chất và môi trường hấp thụ bão hòa bằng cách nào đó chúng tạo ra một sự điều chế biên độ tuần hoàn theo thời gian thông qua độ khuếch đại và bộ hấp thụ bão hòa.Chu kì điều chế trùng hợp chính xác với thời gian xung đi vòng quanh buồng cộng hưởng, L/c ( trong đó L là chu vi của buồng cộng hưởng dạng vòng)

Một tiến bộ lớn trong kĩ thuật tạo ra xung ngắn là đã đưa vào một máy nén lăng kính quang học bên trong buồng cộng hưởng laser CPM để bù trừ tán sắc vận tốc nhóm

Trang 37

Cách tử là thiết bị tổn hao quang học bởi vì xảy ra rất nhiều sự nhiễu xạ trên bề mặt cách tử.Trong khi cần ít nhất hai cách tử cho việc hiệu chỉnh phase, một máy nén Treacy ( máy nén cách tử) không thể sử dụng trong buồng cộng hưởng laser bởi vì nó đưa vào quá nhiều mất mát.Máy nén lăng kính quang học được thiết kế ban đầu như các thiết bị trong buồng cộng hưởng.Điều này có thể thực hiện bởi thực tế là góc ở đỉnh của một lăng kính với việc chọn chiết suất sao cho một tia đi qua lăng kính ở góc lệch tối thiểu cũng rơi vào bề mặt ứng với góc Brewster.Ở góc lệch nhỏ nhất không có sự biến dạng hình học của một chùm tia khúc xạ qua một lăng kính.Không đạt được ở góc lệch cực tiểu sẽ làm sai lệch chùm tia và điều này có hại đến yếu tố chất lượng buồng cộng hưởng.khi sử dụng ánh sáng phân cực trong mặt phẳng tuyến tính, sự phản xạ từ

bề mặt ở góc Brewster hầu như bằng không,do đó hạn chế được mất mát trong buồng cộng hưởng

Thông số tán sắc của máy nén lăng kính liên quan đến đạo hàm bậc hai của quang trình tương ứng với bước sóng:

2

2 0



d

P d cL

 , với l là khoảng cách giữa hai lăng kính ( đo bằng

cm) và  là bước sóng (đo bằng m ).Khi l=13.8cm ,bốn lăng kính được sắp theo thứ

tự như trên hình 2.3 không bị tán sắc, trong khi l=25cm là đủ để bù cho việc thêm vào

một miếng mỏng silica trong buồng cộng hưởng laser

Lăng kính được đưa vào trong buồng cộng hưởng laser với mục đích chính là cân bằng hiệu ứng tán sắc tuyến tính và do đó đạt được khoảng thời gian ngắn hơn.Thời gian đo được ngắn nhất theo cách này là 27fs

Ngoài làm giảm khoảng thời gian của xung, việc thêm vào một máy nén lăng kính cũng làm thay đổi đáng kể hoạt động của laser CPM.Mô tả một cách đơn giản

Trang 38

Sóng thần ( một sóng đơn gây ra động đất dưới nước ở biển của Nhật bản) là một ví dụ điển hình về một sóng đơn trong không gian hai chiều.Từ biểu thức đơn giản nhất, có thể thấy rằng chỉ duy nhất cường độ đường bao lan truyền mà không cần bất kì sự biến dạng nào.Solitons quang học được tạo ra bằng cách lan truyền xung quang trong sợi quang silica.Để làm được như vậy, bước sóng trung tâm của xung phải được chọn ở phía năng lượng cao với dải hấp thụ OH của silica, khoảng 1.5 m.Trong cấu hình này , tán sắc vận tốc nhóm tuyến tính phải âm.Khi cường độ đủ lớn, trong quá trình lan truyền xung tự điều biến phase là do tần số có chirped.Với việc tự điều biến phase, tác dụng tuyến tính và phi tuyến hoàn toàn bù trừ cho nhau và xung lan truyền mà không

bị biến dạng theo thời gian.Tổng chiều dài xung truyền chỉ được giới hạn bởi sự hấp thụ còn dư trong sợi quang và bởi sự tán xạ ánh sáng Một xung sáng truyền trong laser CPM cân bằng lần lượt gặp môi trường hấp thụ bão hòa và máy nén quang học.Sự tự điều biến phase, có chirp xảy ra trước , trong khi tán sắc vận tốc nhóm âm được gây ra sau Để laser làm việc ổn định, hai hiệu ứng này phải bù trừ nhau một cách chính xác.Bởi vì tán sắc vận tốc nhóm và tự điều biến phase xảy ra theo chu kì, mode lan truyền không phải là nghiệm của phương trình lan truyền phi tuyến liên tục, và được gọi là mode chuẩn soliton.Kiểu lan truyền này rất ổn định và việc thêm vào lăng kính trong buồng cộng hưởng laser là để cải thiện sự ổn định cường độ của laser mode- locked bị động

Một trong những hạn chế của laser CPM là xung tạo ra còn yếu.Công suất trung bình có giá trị khoảng vài chục mW với tốc độ lặp lại là 100MHz.Điều này tương ứng với năng lượng cho mỗi xung chỉ vài chục pJ, và đỉnh công suất không lớn hơn vài trăm W.[8]

2.5 Mode-Locking hỗn hợp

Nhiều buồng cộng hưởng laser đã được thiết kế khác nhau để thuận lợi trong cả làm ngắn thời gian xung tốt hơn với laser màu khóa mode bị động và đạt được cường

độ cao hơn với laser màu bơm đồng bộ

Trang 39

Hình 2.5: Laser màu được bơm đồng bộ hỗn hợp,dòng phun chất màu và máy nén lăng kính được thêm vào buồng cộng hưởng

Hình 2.6 [8] cho thấy một trong các cách thiết kế.Laser trạng thái rắn Nd:YAG

là nguồn chính.Mật độ nghịch đảo độ tích lũy giữa trạng thái Nd3+ được tạo ra với ánh sáng Flash CW và các mode trục là mode-locked chủ động (laser YAG mode-locked CW).Laser này phát ra xung 100ps ở 532nm khi bước sóng cơ bản 1.064 m được nhân đôi tần số.Đó là laser màu bơm quang học đồng bộ.Buồng cộng hưởng phụ của laser màu cũng có dòng phun hấp thụ bão hòa và một máy nén lăng kính,chúng phải được đặt ở phía trước gương phản xạ cao của buồng cộng hưởng để đảm bảo sự mở rộng tần

số được xử lý khi đi qua các lăng kính

Khi thời gian xung từ 0.5-1ps đủ ngắn để nhìn thấy, một bộ lọc dải truyền qua

có thể được thêm vào buồng cộng hưởng để tạo ra sự điều hưởng bước sóng trung tâm của xung.Khi được bơm với xung 70ps ở 532nm,laser tạo ra xung dưới ps trong khoảng 560-974nm với công suất trung bình 650mW.Phạm vi điều hưởng rộng đòi hỏi phải sử dụng vài cặp khuếch đại và chất màu hấp thụ bão hòa

Trang 40

Hình 2.6: Laser màu được bơm đồng bộ hỗn hợp trong buồng cộng hưởng phản cộng hưởng

Ở mức độ phức tạp,có thể xuất hiện thêm va chạm xung trong laser hỗn hợp.Vì mục đích này, một giao thoa kế Sagnac được đặt ở cuối của buồng cộng hưởng laser.Nó bao gồm một buồng cộng hưởng phụ dạng vòng được ghép bằng cách tách 50% chùm tia từ buồng cộng hưởng chính(hình 2.7)[8].Dòng phun hấp thụ bão hòa được đặt chính xác ở giữa bên trong buồng cộng hưởng phụ, vì vậy mà hai xung có thể truyền qua đó, giống như trong laser CPM.Sự lệch phase của chùm tia tách ra gây ra mất mát khi phản xạ và hiện tượng giao thoa không xảy ra

Sự chồng chập lên nhau của các xung tại vị trí tách chùm tia là bắt buộc để giảm thiểu mất mát.Cấu trúc như vậy tạo ra xung 50fs ở 620nm, với công suất trung bình lớn hơn 100mW và tốc độ lặp lại là 100MHz

Như đã đề cập trước đây, các buồng cộng hưởng được bơm đồng bộ phải có chiều dài chính xác giống nhau, việc làm ngắn xung dựa trên cơ sở trùng khớp thời gian giữa hệ số khuếch đại và sự khuếch đại.Hình dạng quang phổ và thời gian của xung rất nhạy với sự sai khác chiều dài giữa hai buồng cộng hưởng.Vd, trong chế độ xung ps sai khác 1 m cũng đủ ảnh hưởng đến điều kiện làm việc đã được thiết lập, xung ngắn hơn độ chính xác cần thiết.Nhiều phương pháp đã được thử nghiệm để tạo

ra các tín hiệu lỗi cho phép kiểm soát thông tin phản hồi về chiều dài buồng cộng

Tiêu đề	Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng super gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM 1
Tác giả	Nhóm tác giả
Người hướng dẫn	PGS.TS Trịnh Đình Chiến
Trường học	Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Chuyên ngành	Quang học
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	3,09 MB