Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cực ngắn

Trong hai kỹ thuật mode-locking chủ động và mode-locking thụ động, hiện nay kỹ thuật mode-locking thụ động - sử dụng các môi trường hấp thụ bão hòa - thường được sử dụng phổ biến hơn do

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ THỊ THANH NGA

Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà

Sesam để phát xung laser cực ngắn

luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hµ néi - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ THỊ THANH NGA

Nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà

Sesam để phát xung laser cực ngắn

luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Đại Hưng

Hµ néi - 2006

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang và viễn thông đã phát triển nhanh chóng cả về chất và lượng, đáp ứng nhu cầu về thông tin ngày càng tăng của sự phát triển xã hội Các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức truyền dẫn hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Các hệ thống này phải đảm bảo có tốc độ truyền dữ liệu cao, cự ly xa, cấu trúc hệ thống linh hoạt

và độ tin cậy cao Một trong những khả năng để phát triển các hệ thống thông tin

quang hiện đại là sử dụng các nguồn laser phát xung cực ngắn, tốc độ lặp lại xung

lớn, độ tin cậy và ổn định cao

Có khá nhiều các phương pháp phát xung laser ngắn nhưng chỉ có các phương pháp mode-locking mới cho phép tạo ra xung laser ngắn có tốc độ lặp lại xung lớn

và độ ổn định cao thỏa mãn yêu cầu của hệ thống thông tin quang Trong hai kỹ thuật mode-locking chủ động và mode-locking thụ động, hiện nay kỹ thuật 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 tốc độ lặp lại xung cao hơn

Vì các nguồn laser cho thông tin quang có tốc độ lặp lại xung cao (nhiều GHz) nên yêu cầu kích thước buồng cộng hưởng laser là nhỏ Vấn đề chỉ có thể giải quyết nhờ tích hợp các yếu tố quang học của buồng cộng hưởng laser trên kích thước ngắn nhất có thể Gần đây, một yếu tố được chế tạo cho kỹ thuật mode-locking thụ động là gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) SESAM vừa đóng vai trò của một gương phản xạ rất cao của buồng cộng hưởng laser, vừa mang môi trường bán dẫn đóng vai trò của chất hấp thụ bão hòa - do vậy có hệ số phản xạ phụ thuộc vào thông lượng laser trong buồng cộng hưởng SESAM có kích thước nhỏ và có thể điều chỉnh các thông số như thời gian hồi phục, thông lượng bão hòa, vùng phổ hấp

thụ khi thiết kế và chế tạo Hiện nay, 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 Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm: tạo

ra xung laser có độ dài từ picôgiây cho tới femtôgiây, tần số lặp lại xung cao và công suất trung bình lớn Người ta đang thực hiện sử dụng phương pháp này để tạo

ra các xung laser có tần số lặp lại là 40 GHz [15]

Tại Việt Nam, hiện nay chưa có một cơ sở khoa học nào nghiên cứu, ứng dụng

và phát triển các hệ laser xung ngắn (picôgiây cho tới femtôgiây), đặc biệt sử dụng

kỹ thuật phát xung laser ngắn bằng SESAM Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ laser phát xung ngắn là nhu cầu cần thiết và có ý nghĩa rất lớn về khoa học và ứng dụng

Nội dung của luận văn là nghiên cứu các tính chất vật lý và cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM), ứng dụng SESAM để phát xung laser cực ngắn Bản luận văn này gồm ba chương:

Chương 1: Giới thiệu phương pháp mode-locking để phát xung laser ngắn và

các ứng dụng chúng đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông và thông tin quang

Chương 2: Nghiên cứu về gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM): các tính

chất và thông số vật lý của SESAM cũng như các cấu trúc của nó

Chương 3: Nghiên cứu và sử dụng gương SESAM để phát xung laser ngắn ở

bước sóng 1064nm

Khóa luận được thực hiện tại Phòng Quang tử Phân tử, trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý và Điện tử dưới sự hướng dẫn của GS TS Nguyễn Đại Hưng Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù rất cố gắng nhưng bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp

Chương 1: Các phương pháp phát xung laser quang học

cực ngắn và ứng dụng

Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để tạo xung laser ngắn như là: kỹ thuật biến điệu

độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng (Q-switching), tách năng lượng buồng cộng hưởng (Dumping Cavity), phản hồi phân bố (Distributed Feedback), buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity), kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation), lọc lựa thời gian-phổ (Spectro temporal selection - STS), tuy nhiên, để đảm bảo phát được các xung laser ngắn ở tần số xung cao thì phải sử dụng các kỹ thuật mode-locking Gần đây, một kĩ thuật phát xung laser ngắn rất hiệu quả cho phép tạo các xung laser ngắn cỡ picôgiây đến femtôgiây đã được đề xuất, đó là phương pháp tạo xung laser ngắn bằng kĩ thuật mode-locking thụ động sử dụng gương hấp thụ bão hoà bán dẫn (SESAM) Phương pháp này có những ưu điểm vượt trội như: có thể tạo được các xung laser ngắn (picôgiây tới femtôgiây) có tần

số lặp lại, công suất và độ ổn định cao với cấu hình laser được thu gọn Đây là những đặc tính rất cần thiết trong thông tin quang

Trong chương này chúng tôi tập trung tìm hiểu nguyên lý của phương pháp tạo laser xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking

1.1 Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hưởng (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 bên trong profile phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong

đó chứa các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng hưởng quang học

Hai mode dọc liên tiếp cách nhau một khoảng

2

c f L

 ,trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, L là chiều dài buồng cộng hưởng Hình 1.1 mô tả phổ của một xung laser trong buồng cộng hưởng Quan hệ về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện khóa pha giữa các mode dao 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:

 Laser cần phải có một số mode dọc khá lớn

 Các mode này phải đảm bảo cách đều nhau về tần số và đồng bộ với nhau về pha

Các mode sẽ giao thoa với nhau và laser có thể 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 buồng cộng hưởng Độ dài của mỗi xung tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng của môi trường laser, hay nói cách khác, nó tỷ lệ nghịch với số lượng mode của laser

Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật mode-locking Kỹ thuật này phụ thuộc vào phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên Việc khoá mode này được thực hiện bằng bộ biến điệu quang học bên trong buồng cộng hưởng

Có hai phương pháp tạo xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking đó là 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 khiển bởi một tín hiệu cao tần bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng TR Để khoá pha của các mode, cần tạo ra sự biến điệu tuần hoàn của các thông số buồng cộng hưởng với tần số bằng hoặc là bội tần số đi lại của photon trong BCH

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 tần số (FM) [2,11]

Trong phương pháp biến điệu biên độ (AM), người ta đặt một thiết bị biến điệu trong buồng cộng hưởng Khi điều khiển thiết bị này bằng một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự điều biến biên độ hình sin của ánh sáng bên trong buồng cộng hưởng Giả

sử rằng biên độ của mode trung tâm được biến điệu tuần hoàn với tần số  Cường

độ của sóng đơn sắc E=Ao cos (ot-kx) được biến điệu tại tần số f= /2 (bằng bộ biến điệu là tế bào Pockels hay thiết bị âm-quang)

Bộ biến điệu được đặt trong buồng cộng hưởng với khoảng cách gương là d và các tần số mode là m = o  m.c/2d (m=0,1,2…) Nếu các rìa băng (sideband) nằm lệch ra khỏi các mode lân cận thì chỉ dẫn đến sự biến điệu biên độ trường của mỗi mode Nếu các rìa băng (sideband) trùng khớp với các tần số mode cộng hưởng tức

là tấn số biến điệu f bằng khoảng cách mode =c/2d, 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 rìa băng mới =o2f Nếu cứ tiếp tục như vậy dẫn tới tất cả các mode trong profile 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 buồng cộng hưởng laser và được điều khiển với một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự dịch tần biến thiên hình sin rất nhỏ khi có ánh sáng truyền qua nó Nếu tần số biến điệu phù hợp với thời gian đi lại trong buồng cộng hưởng thì một phần ánh sáng trong buồng cộng hưởng có tần số lặp lại dịch lên trên và một phần ánh sáng có tần số lặp lại dịch xuống dưới Sau khi lặp lại nhiều lần, sự thay đổi lên trên và xuống dưới lần lượt quét hết độ rộng phổ khuếch đại của laser Chỉ ánh sáng có tần số không bị thay đổi khi truyền qua bộ biến điệu tức là độ dịch tần bằng 0 sẽ tạo ra xung ánh sáng hẹp

Số mode buồng cộng hưởng càng nhiều thì độ rộng xung mode-lock thu được càng

ngắn (N phải  3; δν =2δν

Δν

d N

c

 ) và công suất xung mode-lock càng lớn Hình 1.2

mô tả hình ảnh các xung laser mode-locking phụ thuộc số lượng các mode được khoá pha [18]

N=15

I L /10

t b)

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

a) với 5 mode bị khoá b) với 15 mode bị khoá

1.1.3 Phương pháp mode-locking thụ động

Phương pháp mode-locking thụ động đạt được bằng việc đặt một bộ hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng laser, tốt nhất là gần một trong các gương [10] Bộ hấp thụ bão hòa là môi trường có hệ số hấp thụ giảm khi cường độ ánh sáng truyền qua nó tăng; do đó nó truyền các xung cường độ lớn với sự hấp thụ khá nhỏ Khi bộ hấp thụ được sử dụng để mode-lock một laser nó còn thực hiện sự biến điệu độ phẩm chất Q-switching, hai hiệu ứng này xảy ra đồng thời Bộ hấp thụ bão hoà có thể coi là một van đóng mở nhanh (fast shutter) sử dụng trong phương pháp mode-locking chủ động, cung cấp một xung có bức xạ đủ lớn để cho phép bão hòa

bộ hấp thụ khi ánh sáng truyền qua 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 thể 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 thấp hơn của thăng giáng này có

sự suy giảm mạnh hơn và bị hấp thụ, do đó một xung công suất lớn có thể tạo ra bên trong buồng cộng hưởng Việc điều chỉnh nồng độ của chất màu bên trong buồng cộng hưởng 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-lock

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 khiển bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng nhằm đồng bộ các xung laser theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng [7]

Trong phương pháp mode-locking thụ động, sự biến điệu được tạo ra trực tiếp bởi các xung laser, ví dụ nhờ sự “tẩy trắng (bleached)” của bộ hấp thụ bão hòa đặt trong buồng cộng hưởng dưới tác dụng của các xung laser cường độ lớn

Phương pháp mode-locking thụ động có hai ưu điểm: Không cần sự đồng bộ ngoài và bộ biến điệu thụ động có thể cho phép tạo các xung ngắn và tần số xung cao hơn nhiều

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 profile 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 sổ khuếch đại tổng ngắn hơn nhiều

Các laser mode-locking chủ động thông thường có profile thời gian và phổ dạng Gauss Ngược lại, phương pháp mode-locking thụ động cho profile 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 biến điệu được điều khiển từ bên ngoài hoặc đặt bên ngoài BCH sẽ được dùng để chủ động can thiệp vào sự biến điệu có chu kỳ của độ suy hao trong BCH Bộ biến điệu quang - âm hay quang - điện sử dụng hiệu ứng Kerr (tế bào Pockels, tinh thể KDP) Phương pháp mode-locking chủ động rất nhạy với các thăng giáng của tần số mang (do biến điệu bên ngoài) và khoảng cách giữa hai mode dọc liên tiếp của

buồng cộng hưởng (c/2L), do đó kỹ thuật mode-locking chủ động khó đạt tới chế độ

xung nhỏ hơn picô giây

Hình 1.3 So sánh mode-locking chủ động và thụ động

Bảng 1.1 So sánh một số kỹ thuật mode-locking khác nhau (công suất trung bình 1W) [7]

Kỹ thuật Thiết bị

mode-locking Laser

Độ dài xung

Năng lượng xung

Mode-locking

chủ động Tế bào Pockels

Argon liên tục He-Ne liên tục Nd:YAG xung

300 ps

500 ps

100 ps

10 nJ 0,1 µJ

10 J

Mode-locking

thụ động

Bộ hấp thụ bão hoà chất màu;

SESAM

Màu, liên tục Nd:YAG

Màu, liên tục Tâm màu

1 ps

1 ps

10 nJ

10 nJ

Các phương pháp mode-locking bị động có thể sử dụng các bộ hấp thụ bão

hoà hoặc dựa trên hiệu ứng Kerr quang học Các laser màu xung mode-locking thụ

động thường sử dụng cơ chế bão hoà phi tuyến trong các bộ hấp thụ bão hoà

(thường là các cu-vet đựng các dung dịch màu hữu cơ và gương bán dẫn hấp thụ

bão hòa (SESAM) mà ta sẽ nghiên cứu kỹ sau đây) Vì có các suy hao trong bộ hấp

thụ, để đạt tới ngưỡng dao động thì độ khuếch đại của môi trường hoạt tính phải đủ

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

một chu trình BCH, và thời gian hồi phục của các chuyển dời tại bức xạ khuếch đại

trong môi trường hoạt tính dung dịch màu phải có cỡ thời gian một chu trình BCH

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-lock 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

Bảng 1.1 là một số so sánh về các thông số độ dài và năng lượng xung của các

phương pháp mode-locking khác nhau

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 cực ngắn

Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thể 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 dáng 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 chất rắn, 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… Càng ngày càng có thêm đòi hỏi cao đối với các hệ laser xung ngắn về điều kiện làm việc ổn định, độ bền và giá thành hạ cũng như những yêu cầu về độ rộng xung càng ngắn Laser xung ngắn đã được lựa chọn do nó có các đặc tính phù hợp với rất nhiều ứng dụng như [17]:

 Độ rộng xung cực ngắn

 Tốc độ lặp lại xung cao

 Công suất đỉnh cao

Những tiến bộ mới đây của các laser xung cực ngắn điều chỉnh được bước sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu của rất nhiều ngành: vật lý, hóa học và sinh học Các xung laser cực ngắn này còn cho phép thực hiện các ứng dụng tương lai trong ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển các quá trình siêu nhanh trên thang đo nguyên tử hay phân tử Các laser xung cực

ngắn hiện đang được dùng phổ biến và hết sức đa dạng trong lĩnh vực nghiên cứu

cơ bản

1.2.1 Ứng dụng xung laser cực 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 nhanh Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser xung cực ngắn đã ra đời, đó là quang phổ phân giải thời gian [17] 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 di chuyển 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, và việc lấy mẫu quang điện của các mạch điện tử tốc độ cao Bằng việc sử dụng các laser mode-locking xung cực ngắn

có thể đo được quá trình phân tích động học của các nguyên tử và các phản ứng hóa học phức tạp hơn Những nghiên cứu này đã mang lại giải Nobel về hóa học cho A.H.Zewail vào năm 1999 Nhờ các xung siêu ngắn mà các nhà khoa học đã có thể

đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để 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 Đặc biệt lĩnh vực hóa học femto giây đang phát triển thành một lĩnh vực to lớn

và ở đây đã xuất hiện cơ hội thực sự kiểm soát trực tiếp các phản ứng hóa học nhờ

sử dụng các xung laser cực nhanh thích hợp Vật lý chất rắn có thể được nghiên cứu với độ phân giải thích hợp cho phép phân tích động học điện tử trong các chất bán dẫn, và khảo sát về tương tác cực nhanh giữa vật chất với ánh sáng Đặc biệt, trong các máy gia tốc, các xung femto giây đang được sử dụng như các bộ tiêm photon để phát các xung điện tử cực ngắn

Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra các tiến trình chức năng của các linh kiện điện

tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thể theo dõi xem liệu các xung điện sẽ chuyển động như thế 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 cao, chẳng 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 lớn cả trong ngành quang phổ 2 photon Khả 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 femto giây 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 ngắn năng lượng cao đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu ứng quang phi tuyến

1.2.2 Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang

Khả năng ứng dụng phân giải thời gian cao còn diễn ra ở cả các lĩnh vực thông tin và xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, có thể nói đây là lĩnh vực ứng dụng laser rộng rãi nhất

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 [2] Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu điểm: So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp nhiều lần (vì dải tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến) Ví dụ với sóng vô tuyến, tần số sử dụng là 104 31011 Hz thì với các laser quang học hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 31012  151015 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5104lần Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4  0,8 m và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80105 kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 105 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 Sử dụng các bước sóng thích hợp, người ta có thể 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 thể được sử dụng trong các hệ thống viễn thông dung lượng cao, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock distribution) 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 lấy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ dựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [10,17]

Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 m 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 dụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques)

Các nguồn laser 10-100 GHz có công suất trung bình cao ở bước sóng ngắn hơn là các nguồn đầy triển vọng cho xung đồng hồ trong các mạch tích hợp (IC) [10] Xung clock trong mạch vi xử lý của các máy tính cá nhân (PC) hoạt động với tốc độ lớn hơn 3GHz, tăng từ 15% đến 30% mỗi năm và được dự đoán trước là có tốc độ khoảng 40 GHz vào năm 2020 Tín hiệu xung clock được tạo bởi laser mode-locking có thể được tiêm chính xác vào bên trong bộ vi xử lý với mục đích làm giảm những yêu cầu về công suất trên chip và hiện tượng méo, rung

1.2.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học

(Optical time division multiplexing OTDM)

Trong lĩnh vực thông tin quang, việc truyền tín hiệu quang từ laser bán dẫn qua sợi quang được coi là dữ liệu Trong phạm vi này, các tần số của xung ánh sáng lặp lại cao hơn có thể truyền nhiều thông tin hơn trong 1s Nói chung, với tốc độ truyền tin trong vùng GHz (Ví dụ cỡ 2,5 GHz đến 10 GHz), các cửa sổ truyền (transmission windows) sẽ nằm trong khoảng vài trăm ps với các xung cố định

Bảng 1.2 Tần số lặp lại xung tương ứng với cửa sổ truyền

Tần số lặp lại xung

(GHz)

Cửa số truyền (ps)

sử dụng thông tin quang là 10 GHz, do đó giới hạn dung lượng truyền với tốc độ truyền dữ liệu là 10 Gb/s trên một bước sóng Nguồn 40 GHz và việc truyền hiện nay là cơ sở của rất nhiều nghiên cứu cũng như yêu cầu các nguồn laser có thể điều chế tại tần số cao hơn với độ rộng xung ngắn hơn, và còn có những yêu cầu đối với các đầu thu mới có khả năng cảm nhận các tín hiệu nhanh này Việc tạo các đầu thu mới này đòi hỏi sự tiến bộ mạnh mẽ của điện tử học

Nguồn

Bộ điều chế 10GHz

Hình 1.4 Phân chia kênh theo thời gian quang học OTDM

Một phương pháp thiết kế mà không cần phải có các đầu thu độ nhạy cao được gọi là phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM) Nguyên lý này là để kết hợp vài tín hiệu với tần số lặp lại thấp để tạo ra một tín hiệu kết hợp có tần số lặp lại cao hơn Ở nơi nhận, tín hiệu được phân tích thành các tín hiệu tốc độ bit thấp đã hợp thành, mà sau đó nó có thể được thực hiện bởi thiết bị thiết kế cho tín hiệu tần

số thấp này [8,10]

Ví dụ, lối ra từ một nguồn laser tạo ra các xung tại tần số 10 GHz có thể được chia làm 4 luồng như trong hình 1.4 Bốn bộ điều chế bên ngoài có thể được sử dụng để điều chế dữ liệu trên mỗi luồng 10 GHz Các lối ra của mỗi bộ biến điệu này có thể được đặt hơi so le bằng việc sử dụng chiều dài sợi quang khác nhau, và được kết hợp để cùng đưa ra một tín hiệu ghép 40 GHz tại một bước sóng Sự quan trọng của độ rộng xung đã rõ ràng, nó yêu cầu các xung đủ ngắn để không bị chồng lấn lên nhau khi chúng được kết hợp thành tín hiệu ghép 40 GHz với cửa sổ truyền của nó là 25 ps

Tại bộ thu, các bộ điều chế được sử dụng như các cổng để tách dữ liệu 40 GHz thành các tín hiệu ghép 10 GHz, sau đó được truyền tới các bộ thu tách tín hiệu

10 GHz Kết quả là một tín hiệu 40 GHz đã được truyền và nhận nhưng chỉ sử dụng công nghệ 10 GHz Tuy nhiên tại bộ thu sẽ thu được các tín hiệu OTDM kết hợp với tín hiệu clock Việc giải tín hiệu OTDM đòi hỏi phải có sự tách tín hiệu xung clock ra khỏi dữ liệu

1.2.2.2 Việc tách xung đồng hồ quang học

Các xung ánh sáng trong mạng quang học [9] được cách nhau đều đặn vào thời điểm khi chúng rời khỏi bộ điều chế nguồn Tuy nhiên sau một hành trình của

nó qua hàng trăm thậm chí hàng nghìn kilomet, các hiệu ứng tán sắc của sợi quang

có thể làm mất khoảng thời gian hoàn hảo này như mô tả trong hình 1.5 Điều này trở thành một vấn đề tại bộ nhận cuối, nơi có yêu cầu để phân tích dữ liệu đến nhờ việc biết quyết định tại điểm đó tín hiệu nhận được là “1” hoặc “0” Sự khôi phục tín hiệu đồng hồ tại thiết bị nhận cuối đóng vai trò quan trọng trong việc rút thông

tin định thời từ dữ liệu vào để tách dữ liệu ra Các hệ thống khôi phục tín hiệu đồng

hồ hiện nay dựa vào điện tử Điều này càng ngày càng khó thực hiện khi tốc độ bít quang học tăng với tốc độ nhanh hơn sự phát

triển của điện tử Bất kỳ sự nâng cấp tốc độ bít

của hệ thống cũng yêu cầu các mạch điện tử mới

để đặt vào nơi cung cấp tín hiệu khôi phục đồng

hồ với tốc độ mới

Khả năng khôi phục lại thông tin định thời

từ tín hiệu quang học mà không cần bất kỳ sự

chuyển đổi nào trong lĩnh vực điện tử là mục đích

của việc khôi phục tín hiệu đồng hồ bằng quang

học Điều này loại bỏ nhiều sự phức tạp của điện

tử học và có thể cung cấp tính linh hoạt về tốc độ

bít mà một hệ thống cần nâng cấp

Các laser xung có thể được sử dụng để đồng bộ tín hiệu xung clock trong luồng dữ liệu và lối ra của chúng có thể sử dụng như tín hiệu định thời Các phương pháp tạo xung ngắn khác cũng có thể được sử dụng để thực hiện khôi phục tín hiệu clock qua sợi quang trong đó có laser bán dẫn mode-locking Hiện nay laser bán dẫn mode-locking đã được sử dụng để tách tín hiệu xung clock từ tín hiệu OTDM

40 Gb/s để tạo thành các tín hiệu có tốc độ 10GHz

1.2.2.3 Phản xạ kế trong miền thời gian quang học

(Optical time domain reflectometry - OTDR)

Vị trí lỗi trong các sợi quang, có thể nằm dưới một con đường đông đúc hoặc thậm chí có thể nằm ở dưới đáy đại dương [9] Kỹ thuật phản xạ kế trong miền thời gian quang học OTDR được sử dụng để đo sợi quang thông qua việc thể hiện kết quả đo bằng hình ảnh các đặc tính suy hao của sợi quang dọc theo chiều dài sợi OTDR là phương pháp duy nhất hiện có để xác định chính xác vị trí lỗi gẫy của sợi quang trong một tuyến cáp quang đã lắp đặt mà mắt thường không nhìn thấy được

Hình 1.5 Tín hiệu xung clock

a) từ nguồn phát xung cách đều nhau b) khoảng cách xung không đều sau khi truyền

Phương pháp OTDR được thực hiện bằng cách gửi một xung quang qua sợi quang

và theo dõi ánh sáng phản xạ trở lại Bằng việc xác định công suất phản xạ theo thời gian có thể hình thành đường bao mất mát của sợi quang Các đỉnh nhọn gây ra trong quá trình phản xạ về là do vết gãy trong sợi quang Khoảng cách từ nguồn đến

vị trí lỗi có thể tính toán từ thời gian truyền và sau đó có thể kiểm tra lại vị trí đó đã chính xác chưa

Trong hệ thống OTDR hiện đại, các laser bán dẫn biến điệu độ khuếch đại thường được sử dụng như các nguồn xung quang học Chúng đơn giản về mặt thiết

kế và độ rộng xung truyền khoảng 50 - 100 ps thỏa mãn đối với những khoảng cách

cỡ mm

1.2.2.4 Ghép kênh phân chia theo bước sóng

(Wavelength Division Multiplexing -WDM)

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng là một cách gọi khác cho kỹ thuật phân chia kênh theo tần số quang học (OFDM Optical Frequency Division Multiplexing) [7] Kỹ thuật này cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít truyền dẫn và không cần sử dụng nhiều sợi dẫn quang Kỹ thuật này thực hiện việc truyền ánh sáng có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi Lý do để thực hiện điều này là các hệ thống thông tin quang thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có và các nguồn phát xung ánh sáng có độ rộng khá hẹp

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng:

Giả sử hệ thống thiết bị phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau (1, n) Các tín hiệu này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang Tín hiệu quang sau khi được ghép sẽ truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng Khi sử dụng kỹ thuật này cần phải chú ý tới hiện tượng xuyên kênh và độ rộng kênh Độ

rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định đối với mỗi nguồn phát quang Nếu sử dụng laser thì độ rộng kênh yêu cầu để không bị nhiễu giữa các kênh

và hạn chế hiện tượng xuyên kênh là khoảng vài chục nanomet, còn nếu sử dụng diode bán dẫn (LED) thì phải cần độ rộng kênh lớn gấp 10 đến 20 lần Vậy sử dụng các laser xung cực ngắn để làm nguồn phát tín hiệu quang là cần thiết để tránh hiện tượng xuyên kênh và có thể giảm được độ rộng kênh

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu về dung lượng truyền tin, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (Dense wavelength division multiplexing DWDM) đã bắt đầu được ứng dụng Gần đây, laser vi cầu, laser có buồng cộng hưởng dạng cầu kích thước micromét, đã được sử dụng làm nguồn phát trong mạng thông tin quang [1] Do laser vi cầu phát xạ các mode laser cực hẹp nên hiệu ứng dãn xung quang do tán sắc giảm mạnh, vì vậy, có thể tăng dung lượng các kênh truyền dẫn trong một sợi quang lên hàng trăm lần khi sử dụng công nghệ ghép kênh thông tin theo bước sóng mật độ cao (DWDM)

O( 1  n )

Hình 1.6 Quá trình ghép kênh phân chia theo bước sóng

(WDM)

Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa

Với mục đích tạo ra các xung có độ rộng ngắn, tần số cao để ứng dụng 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 và độ ổn định cao, đặc biệt có thể có tần số lặp lại xung lớn 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 nổi bật của SESAM như: kích thước nhỏ gọn, phổ mở rộng từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại, thời gian hồi phục nhanh, vì vậy, 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 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 dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

2.1 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, tuy nhiên trước đây, bộ hấp thụ bão hòa thường sử dụng là các chất màu nhưng do nó có nhược điểm là tuổi 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 là 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, người ta đã thấy rằng việc chế tạo bộ hấp thụ bão hòa bằng vật liệu bán dẫn có thể khắc phục được nhược điểm của bộ hấp thụ bão hòa rắn vì vật liệu bán dẫn có thể hấp thụ ở một vùng bước sóng tương đối rộng (từ vùng khả kiến cho tới vùng hồng ngoại) và chúng ta có thể điều chỉnh các thông

số của chúng như thời gian hồi phục và thông lượng bão hòa bằng cách thay đổi các thiết kế của thiết bị và các thông số chế tạo

Năm 1966, De Maria và các đồng nghiệp đã tạo ra những xung ngắn cỡ ps đầu tiên bằng việc sử dụng laser thủy tinh Nd mode-locking thụ động Tuy nhiên, có một vấn đề cơ bản trong kết quả của họ: đó là không đo được chuỗi xung đều mà chỉ đo được các chuỗi xung đã được biến điệu biên độ, được gọi là Q-switch mode-locking, với tốc độ lặp lại thấp [12,14]

Năm 1990, các laser rắn đã được mode-locking liên tục thụ động bằng việc sử dụng bộ hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng phi tuyến Kỹ thuật này được gọi là mode-locking cộng hưởng thụ động RPM (resonant passive mode-locking),

nó đã thúc đẩy sự phát minh ra các laser soliton và các laser mode-locking cộng xung APM (additive pulse mode-locking), ở đây độ dịch pha phi tuyến trong sợi bên trong buồng cộng hưởng cung cấp một hiệu ứng hấp thụ bão hòa

Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm và lý thuyết đã chỉ ra rằng các laser rắn được bơm bằng laser diode 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 này đã được giải quyết khi phát minh ra gương SESAM đầu tiên vào năm 1992, còn được gọi là bộ hấp thụ bão hòa Fabry-Perot khử cộng hưởng Việc phát minh ra SESAM này là bước nhảy vọt quan trọng để chế tạo ra laser Nd:YAG

và ND:YLF mode-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 Thêm vào đó SESAM có thể điều chỉnh để đạt được Q-swiching ổn định với

các laser micrsochip phát xung ngắn cỡ 37 ps, năng lượng xung lớn tới 1,1 µJ tại bước sóng khoảng 1µm

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

ổn định cao

2.2 Các cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

2.2.1 Cấu trúc điển hình của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) là một cấu 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 Các loại gương được sử dụng trong SESAM

2.2.2.1 Gương điện môi

Một gương điện môi gồm nhiều lớp điện môi mỏng - là các vật liệu quang học trong suốt khác nhau Thậm chí nếu hệ số phản xạ Fresnel từ một mặt phân cách

xung

lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs Gương Bragg GaAs/AlAs

Hình 2.1: Cấu trúc điển hình của SESAM hoạt động trong vùng 1064nm

Trên đế GaAs tạo một gương Bragg GaAs/AlGaAs Nằm dưới lớp trên là một lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs dày 10nm [11]

giữa hai vật liệu khá nhỏ (do sự khác nhau giữa các chiết suất nhỏ), sự phản xạ từ nhiều mặt phân cách có thể tăng do giao thoa (trong vùng bước sóng xác định) dẫn tới toàn bộ hệ số phản xạ của thiết bị rất cao Cấu trúc đơn giản nhất và chung nhất

là gương Bragg, với tất cả giá trị độ dày của lớp quang học là 1/4 bước sóng thiết

kế Cấu trúc này dẫn tới hệ số phản xạ có thể cao nhất đối với một số lượng cặp lớp

đã cho và các vật liệu đã cho Điều này cũng có thể thực hiện với cấu trúc gương lưỡng chiết (dichroic mirror) với các đặc tính điều khiển được đối với các bước sóng khác nhau

Các cấu trúc lớp phức tạp hơn (như cấu trúc gương chirped) có thể được sử dụng để đạt được các đặc tính

 Độ rộng phổ phản xạ rộng hơn

 Kết hợp các giá trị phản xạ mong muốn trong các vùng bước sóng khác nhau

 Các đặc tính tán sắc biến đối

 Ít bị ảnh hưởng do các lỗi chế tạo

Các gương của buồng cộng hưởng laser hầu như luôn là gương điện môi vì các thiết bị này thường đạt được hệ số phản xạ rất cao, lớn hơn 99,9%, và độ rộng phổ phản xạ bị giới hạn của nó cho phép truyền xung bơm qua các gương của buồng cộng hưởng (tại bước sóng ngắn hơn) Do tính chất của nó nên gương điện môi thường được gọi là gương laser Gương Bragg tối ưu, còn được gọi là supermirror,

có thể có hệ số phản xạ cao hơn nhiều

Vì các gương điện môi thường có độ phản xạ cao trong một phần nhỏ của phổ nhìn thấy, chúng thường không giống với các gương khác như gương bạc, mà chúng ta thường thấy trong nhà, gương điện môi thường khá trong suốt với ánh sáng nhìn thấy và có các màu phụ thuộc vào góc nhìn Việc xác định mặt nào của chất nền có phủ gương thậm chí còn khó hơn Nói chung, thành phần phổ phản xạ dịch

về phía sóng ngắn hơn khi góc tới tăng lên, đó là vì hình chiếu của k vector vuông

góc với mặt gương giảm (Xét về đường truyền dài hơn cho tia tới, có thể có kết luận ngược lại, nhưng cách làm đó là sai)

Đặc tính phản xạ (bao gồm cả sự tán sắc) của gương điện môi có thể tính được, ví dụ với phương pháp ma trận, với mỗi lớp ứng với một ma trận phức 2x2,

và tất cả các ma trận được nhân cùng nhau cho kết quả ma trận tổng của cấu trúc lớp Từ ma trận này, người ta có thể tính biên độ phức của các sóng phản xạ và truyền qua, và người ta cũng có thể tính phân bố trường bên trong cấu trúc Từ sự phụ thuộc tần số của các hệ số phản xạ và truyền qua phức, người ta cũng có thể tính độ tán sắc Một số câu hỏi toán học đáng chú ý nảy sinh khi các vật liệu có tính hấp thụ

Nhiệm vụ khó hơn nhiều là tìm được thiết kế gương điện môi thỏa mãn tiêu chuẩn nào đó, ví dụ như khả năng phản xạ tại các bước sóng khác nhau, hay một đặc tính tán sắc nào đó Những thiết kế gương điện môi như vậy thường chỉ tìm thấy bằng việc sử dụng các giải thuật tối ưu số Thách thức được nảy sinh từ số chiều lớn của không gian tham số và từ vô số các tối ưu cục bộ nên khó tìm được sự tối ưu toàn cục Quá trình tối ưu hiệu quả cần phần mềm thích hợp, sử dụng quá trình tối ưu đa chiều tiên tiến, phương pháp Monte Carlo, phương pháp "needle" và phương pháp tương tự

Việc chế tạo các gương điện môi thường dựa trên kỹ thuật như sự bốc bay bằng chùm điện tử (electron beam evaporation), bằng chùm ion (ion beam sputtering) hoặc sự bốc bay có trợ giúp của ion (ion-assisted deposition) Các lớp thu được thường là vô định hình Các gương điện môi cũng có thể được tạo bằng các vật liệu bán dẫn kết tinh, được nuôi bằng các kỹ thuật epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc phương pháp lắng đọng pha hơi hợp chất hữu cơ kim loại (metal-organic chemical vapor deposition MOCVD)

Các vấn đề quan trọng để chọn lựa các kỹ thuật chế tạo là:

 Độ chính xác của chiều dày lớp (có thể tăng bằng điều khiển tự động trong giám sát chế tạo chi tiết)

 Chất lượng quang học của các lớp (ảnh hưởng tới các mất mát tán xạ)

 Khả năng chịu cường độ quang học cao của lớp

 Sự đồng nhất về độ dày của các lớp trên diện tích lớn

 Sự ổn định và đồng nhất của chiết suất

 Thời gian cần để chế tạo

2.2.2.2 Gương Bragg

Gương Bragg (còn được gọi là gương

1/4 bước sóng) là một cấu trúc gồm một chuỗi

các lớp xen kẽ với hai loại vật liệu quang học

khác nhau, độ dày quang học của mỗi lớp

tương ứng với 1/4 bước sóng thiết kế của

gương Điều kiện sau đúng với tia tới vuông

góc; nếu gương được thiết kế cho góc tới lớn

hơn thì các lớp cần phải dày hơn

Nguyên lý hoạt động có thể được hiểu

như sau: Mỗi mặt phân cách giữa hai vật liệu

tạo thành một phản xạ Fresnel Đối với bước

sóng thiết kế, chiều dài đường đi quang học

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 dấu 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 số phản xạ đạt được xác định bằng số các cặp và chiết suất tỉ đối giữa các lớp vật liệu Độ rộng phổ phản xạ xác định chủ yếu bởi chiết suất tỉ đối

Trễ tán sắc nhóm của gương Bragg triệt tiêu tại bước sóng thiết kế và nhỏ trong phần lớn độ rộng phổ phản xạ Tuy nhiên, tán sắc xảy ra tại biên của vùng bước sóng này thì đáng kể

Hình 2.2 Cấu trúc của gương Bragg

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

2Y1

Y1

H /n ) (n ) /nn

(

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

đế là GaAs theo công thức trên

Bảng 2.1: Hệ số phản xạ của gương Bragg [12]

Số p của các cặp GaAs và AlAs Hệ số phản xạ R

Trong trường hợp đơn giản nhất, một lớp chống phản xạ được thiết kế cho tia tới vuông góc bao gồm một lớp ¼ bước sóng của vật liệu có chiết suất gần với trị trung bình hình học của chiết suất của 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 dải bước sóng khác nhau), có thể sử dụng nhiều thiết kế phức tạp hơn, thường được tìm ra bằng cách sử dụng các phương pháp số

Các lớp chống phản xạ thường được sử dụng trong các thành phần quang học

để giảm tổn hao quang (và đôi khi cả các ảnh hưởng bất lợi của chùm phản xạ) Sự phản xạ dư với một bước sóng và góc tới cho trước thường đạt được 0,2% hay nhỏ hơn khi tối ưu

2.2.3 Các cấu trúc khác nhau của SESAM

SESAM có các vùng thông số hoạt động riêng biệt Chúng ta có thể sử dụng các thiết kế đa dạng của SESAM để tạo ra các đặc tính mong muốn của hệ laser xung ngắn Hình 2.3 mô tả các thiết kế SESAM khác nhau

Trước đây, SESAM đã được sử dụng trong các buồng cộng hưởng mode-locking thụ động của các laser rắn nhưng các thiết kế này đã gây ra quá nhiều

Hình 2.3 Một số cấu trúc SESAM khác nhau [13]

a) A-FPSA độ nét cao b) SESAM có phủ lớp chống phản xạ c) A-FPSA độ nét thấp

b)

Hấp thụ bão hòa R=0%

R>99,5%

c)

A-FPSA độ nét thấp (SBR)

Hấp thụ bão hòa

R>99,5%

R  30%