Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng

Trong phương pháp đồng bộ mode chủ động, người ta điềukhiển trực tiếp từ bên ngoài lên buồng cộng hưởng, còn phương pháp đồng bộmode thụ động thì không điều khiển trực tiếp từ bên ngoài

LỜI CẢM ƠN

Tôi đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Mạnh Hùngngười đã định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và giúp tác giảvượt qua rất nhiều khó khăn để hoàn thành tập luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, khoa Đào tạosau đại học Trường Đại học Vinh, Trường Đại học Sài Gòn đã nhiệt tìnhgiảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trường THCS Tân Quới, bạn

bè thân hữu đã thường xuyên động viên, giúp đỡ tôi, và đặc biệt là gia đìnhcủa tôi luôn là chỗ dựa vững chắc về mọi mặt, tạo mọi điều kiện tốt nhất đểtôi hoàn thành luận văn này

Đồng tháp, tháng 4 năm 2013 Tác giả

Nguyễn Thanh Sang

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang

Mở đầu ………5

Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn……… 6

1.1 Các phương pháp tạo thành xung cực ngắn……….…… 7

1.2 Phương pháp sử dụng chất màu hấp thụ bão hòa……… 8

1.2.1 Phương pháp khóa mode chủ động……… 17

1.2.1.1 Biến điệu biên độ……… 17

1.2.1.2 Biến điệu tần số……… 18

1.2.1.3 Bơm đồng bộ……… 19

1.2.2 Phương pháp khóa mode bị động……… 20

1.3 Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng……… 24

Chương 2: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz………… 27

2.1 Cấu trúc buồng cộng hưởng vòng ……… 27

2.2 Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường hấp thụ bão hòa…30 2.3 Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môi trường khuếch đại………36

2.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz……….……40

Kết luận chung……… …………42

Tài liệu tham khảo ……… 45

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

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

n : Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác

T : Thời gian tích thoát (hồi phục) dọc ( thường viết tắt là T1)

u : Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa

 : Thời gian tích thoát (hồi phục) ngang ( thường viết tắt là T2)

 : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng

Hình 1.1 Giản đồ mức năng lượng phân tử chất màu

Hình 1.2 Nguyên tắc khoá pha các mode

Hình 1.2a Độ truyền qua chất hấp thụ bão hòa theo cường độ tới

Hình 1.2b Độ khuếch đại của môi trường khuếch đại phụ thuộc cường độ tới Hình 1.3 Sự thay đổi dạng xung khi đi qua chất hấp thụ bão hòa

Hình 1.4 Xung vào và xung ra khi đi qua môi trường khuếch đại

Hình 2.1 Sơ đồ Laser màu dạng vòng

Hình 2.2 Sơ đồ ba mức năng lượng

Hình 2.3 Các xung truyền qua chất hấp thụ bão hòa

Hình 2.4 Biên độ và cường độ dạng Lorentz khi đi qua chất hấp thụ bão hòa Hình 2.5 Sơ đồ ba mức năng lượng môi trường khuếch đại

Hình 2.6 Xung dạng Lorentz trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại Hình 2.7 Dạng xung Lorentz chịu ảnh hưởng đồng thời của môi trường của

môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa

MỞ ĐẦU

Xung cực ngắn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹthuật Trong quang phổ học laser, xung cực ngắn được dùng để nghiên cứucác quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hóa, sinh Đặc biệt trong thông tinquang để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin, xung ánh sáng thường được sửdụng, xung càng ngắn thì tốc độ truyền tin càng cao Vì vậy việc nghiên cứu

lý thuyết cũng như thực nghiệm để phát triển và truyền dẫn xung cực ngắn làvấn đề cấp thiết

Việc nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn đến nay

đã có nhiều thành tựu cơ bản Thực nghiệm đã cho thấy ưu điểm của việcdùng buồng cộng hưởng vòng Chẳng hạn như năm 1985, Shank và Fork cảitiến nguồn bơm laser CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệupha đã thu được xung 8 fs Để phát xung cực ngắn hiện nay các nhà thựcnghiệm thường dùng các phương pháp đồng bộ mode Có hai phương phápđồng bộ mode chủ yếu là phương pháp đồng bộ mode chủ động và đồng bộmode bị động Trong phương pháp đồng bộ mode chủ động, người ta điềukhiển trực tiếp từ bên ngoài lên buồng cộng hưởng, còn phương pháp đồng bộmode thụ động thì không điều khiển trực tiếp từ bên ngoài mà đặt trongbuồng cộng hưởng chất hấp thụ bão hòa

Ưu điểm của khóa mode thụ động so với khóa mode chủ động là khôngcần sự đồng bộ của thiết bị ngoại vi và độ nhạy của sự biến điệu thụ động làcao hơn, vì thế cho phép tạo ra những xung cực ngắn và ổn định hơn nhiều.Với buồng cộng hưởng vòng sử dụng phương pháp khóa mode thụ động bằng

va chạm xung thì ảnh hưởng của sự biến điệu thụ động rõ ràng hơn, nhờ sựtương tác của hai xung trong chất hấp thụ bão hòa Vì vậy, buồng cộng hưởngnày hiện đang được sử dụng rất rộng rãi

Về lý thuyết, để giải thích cơ chế tạo xung cực ngắn trong các buồngcộng hưởng lý thuyết bán lượng tử đã được áp dụng rộng rãi Với lý thuyếtbán lượng tử thì trường điện từ được khảo sát theo quan điểm cổ điển còn hệnguyên tử được khảo sát theo quan điểm lượng tử

Đã có nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dàibuồng cộng hưởng, chiều dài chất hấp thụ, cũng như ảnh hưởng của các yếu

tố khác đặt trong buồng cộng hưởng Tuy nhiên, một vấn đề là: “ Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồng cộng hưởng vòng ” thì chưa

được khảo sát

Đề tài luận văn: “Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại vàmôi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz trong buồngcộng hưởng vòng ” sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này

Bố cục luận văn gồm:

Mở đầu, hai chương nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo.

Mở đầu: Trình bày tóm tắt lý do chọn đề tài.

Chương 1: Phương pháp tạo xung cực ngắn

Trình bày về các phương pháp tạo xung cực ngắn, trình bày về lasermàu là nguồn phát xung cực ngắn có nhiều ưu điểm Ngoài ra, trong chươngnày còn khảo sát về những yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn Chương 2: Ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại và môitrường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz

Cấu trúc buồng cộng hưởng Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lênmôi trường hấp thụ bão hòa Khảo sát sự tương tác xung Lorentz lên môitrường khuếch đại Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của môi trường khuếch đại

và môi trường hấp thụ bão hòa lên quá trình biến đổi xung Lorentz

Kết luận chung: Tổng hợp và rút ra các kết quả thu được của luận văn

Để đạt được những yêu cầu trên tôi đã sử dụng phương pháp nghiêncứu sau:

- Lý thuyết bán lượng tử

- Phương pháp số, sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab, Mathematica

Chương I

PHƯƠNG PHÁP TẠO XUNG CỰC NGẮN

Trong chương này, tôi trình bày khái quát về các phương pháp tạo xung

cực ngắn, loại laser thường được sử dụng để phát xung cực ngắn là laser màu

và những hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộnghưởng

Một buồng cộng hưởng laser thường tạo bởi hai gương và môi trườnghoạt chất có thể phát laser ở chế độ phát xung bức xạ hoặc phát bức xạ liêntục phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và chế độ bơm Để phát được laser thìbuồng cộng hưởng thỏa mãn điều kiện nghịch đảo độ tích lũy và điều kiệnngưỡng Luôn tồn tại một số lượng lớn các mode laser gồm các mode ngang

và mode dọc Các mode ngang xác định hình ảnh phân bố của cường độ điệntrường theo độ rộng của chùm laser thường kí hiệu là TEMl.m Các mode dọc

có tần số

2

c N

N L

  ( 1.1) N là một số nguyên, c là vận tốc ánh sáng trong môitrường chân không thõa mãn điều kiện ngưỡng dao động dọc theo trục buồng

cộng hưởng phát được laser Khoảng cách giữa hai mode liên tiếp

2

c L

Hiện nay, có các phương pháp cơ bản tạo xung cực ngắn: biến điệu độphẩm chất và khóa mode Laser liên tục chỉ hoạt động ở một chế độ còn laserdạng xung hoạt động ở các chế độ trên Sau đây lần lượt khảo sát các phươngpháp trên

1.1 Các phương pháp tạo thành xung cực ngắn

Về bản chất, độ phẩm chất Q đo sự mất mát trong buồng cộng hưởng, độphẩm chất Q càng cao thì mất mát trong buồng cộng hưởng càng thấp Quátrình có xung cực ngắn được phát ra khi có sự lựa chọn hệ số Q của buồngcộng hưởng gọi là biến điệu độ phẩm chất

Trong trường hợp này tại thời điểm kích thích môi trường hoạt chất mấtmát trong buồng cộng hưởng lớn, Q thấp làm cho không thể phát được lasermặc dù đạt được điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy Khi đạt tới ngưỡng thì

Q đột ngột tăng dẫn đến phát laser có năng lượng lớn Trong thực tế phươngpháp này được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ cácvan điện cơ, điện quang, từ quang và quang hóa trong buồng cộng hưởng Khivan đóng, bơm kích thích có thể tạo ra được hiệu độ tích lũy cao hơn giá trịngưỡng nhiều nhưng laser không phát Lúc này độ phẩm chất Q của buồngcộng hưởng có giá trị nhỏ Sau đó nhanh chóng mở rộng van thì độ phẩm chất

Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột ngột, các nguyên tử ở trạng thái kíchthích chuyển nhanh xuống mức laser dưới Vì vậy, hiệu độ tích lũy giảm rấtnhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lượng lớn, thời gian xung ngắn (

10-7- 10-9 s ) và công suất cao ( 10 - 103 MW)

Dựa trên nguyên tắc này đã có một số phương pháp thực nghiệm đượckhảo sát như: phương pháp gương quay, phương pháp khóa điện quang,phương pháp sử dụng các chất hấp thụ bão hòa

Sau đây, tôi khảo sát sơ lược về phương pháp sử dụng các chất hấp thụbão hòa

Phương pháp này sử dụng một chất hấp thụ bão hòa mà hệ số hấp thụcủa nó có thể bão hòa bởi tia bức xạ laser Khi cường độ bức xạ tăng thì hệ sốhấp thụ giảm tiến tới không khi cường độ lớn hơn rất nhiều cường độ bão hòa

abs

s

I của môi trường lúc này hấp thụ trở thành bão hòa

Giữa hoạt chất laser và một gương đặt chất hấp thụ bão hòa hấp thụmiền phổ bức xạ của laser Khi cường độ laser trong buồng cộng hưởng thấp,bức xạ đi qua chất hấp thụ bị giảm và độ phẩm chất của buồng cộng hưởngnhỏ Bơm tiếp tục làm tăng nghịch đảo độ tích lũy và tăng dần cường độ bức

xạ Đến giá trị bão hòa ánh sáng đi qua chất hấp thụ không bị hấp thụ ( hệ sốhấp thụ bằng 0 ) để tới gương phản xạ Lúc này độ phẩm chất của buồng cộnghưởng đạt giá trị cực đại và laser được phát ra ngoài có dạng xung công suấtlớn

Nhìn chung chất hấp thụ bão hòa được chọn kích thước như thế nào đểkhi đạt trạng thái hấp thụ bão hòa nó truyền qua khoảng 50% năng lượng bức

xạ là tốt nhất Để cải tiến phương pháp này hiện nay có thể dùng phươngpháp hỗn hợp cả tế bào Kerr và chất màu hấp thụ bão hòa để thu được cácxung cực ngắn

1.2 Phương pháp sử dụng chất màu hấp thụ bão hòa.

Trong phần này, tôi trình bày tổng quan về hoạt chất, các đặc điểm tính

chất của laser màu trong buồng cộng hưởng vòng

Laser màu là laser sử dụng các hợp chất màu hữu cơ dùng làm hoạtchất Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở vùngánh sáng khả kiến như C6H6 (benzen), C5H5N (piridin), ba chất màuthường được sử dụng làm họat chất màu laser là Rhodamine B (RhB),Rhodamine 6G và Cumarin Cấu trúc phân tử của chất màu là có chứa liên kếtđôi và liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trongcùng một mặt Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủtrong những dung dịch lỏng hay rắn Trong dung dịch lỏng thường quan sátđược huỳnh quang tức thời Thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thíchvào khoảng 10-9 s là rất ngắn sẽ gây khó khăn cho việc tạo nghịch đảo độ tíchluỹ Phổ hấp thụ hay phát xạ của chất màu gồm những đám cơ bản độ rộng

150 MHz ở trong vùng nhìn thấy và những đám phụ nằm trong vùng tử ngoại

Sự huỳnh quang của phần lớn các chất màu không phụ thuộc độ dài của bức

xạ kích thích Khi kích thích Rhodamine B bằng các bước sóng = 5890 A0

hoặc bức xạ tử ngoại = 2537 A0 thì phổ huỳnh quang của nó không thayđổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử đượckích thích về trạng thái đơn cao hơn Do đó các phân tử sẽ nhanh chóng trở vềtrạng thái đơn kích thích thấp hơn và từ đó bắt đầu quá trình phát quangkhông thay đổi Để đạt được hiệu suất cao, chất màu laser phải có phổ hấp thụphù hợp tốt với phổ bức xạ của nguồn bơm

Tính chất quan trọng của laser màu là điều chỉnh được tần số hay bướcsóng do phổ phát xạ của chúng rộng (10  100 nm ~ 1013 1014 Hz) Dùngcác chất màu thích hợp thu được bước sóng laser màu từ vùng hồng ngoạigần, vùng nhìn thấy cho đến vùng tử ngoại gần

Cơ chế hoạt động của laser màu dựa trên chế độ hoạt động hai mức

mở rộng hay bốn mức Phổ chất màu luôn tồn tại trạng thái điện tử đơn S0,

S1,S2 và trạng thái bội ba T1, T2 tương ứng với số lượng spin toàn phần S = 0,S= 1 cũng như độ bội = 1,3 Mỗi trạng thái điện tử bao gồm nhiều mức daođộng (nét liền) và nhiều mức dao động quay (đường chấm chấm) Do trongchất lỏng cơ chế mở rộng vạch mạnh hơn nhiều trong chất khí nên nhữngmức quay trong chất lỏng sẽ không phân giải được dẫn tới phổ hầu như liêntục giữa những mức quay Khi có sự tương tác của các phân tử chất màu vớibức xạ của trường điện từ bên ngoài và theo quy tắc chọn lọc S= 0 nên códịch chuyển giữa những trạng thái đơn với nhau và trạng thái bội ba với nhaugọi là trạng thái được phép, còn dịch chuyển giữa những trạng thái đơn và bội

ba là bị cấm Vì vậy phân tử có thể dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 đếnmột trong những mức dao động của trạng thái S1, S2 Sau một khoảng thờigian rất ngắn, phân tử sẽ tích thoát xuống mức dao động thấp nhất của trạngthái điện tử S1 Từ mức này phân tử bức xạ huỳnh quang về mức dao độngcủa trạng thái điện tử cơ bản S0 sau đó dịch chuyển không bức xạ trở về mứcdao động thấp nhất của trạng thái S0 (hình vẽ 1.1) Khi phân tử ở mức thấpnhất của trạng thái S1 có thể dịch chuyển về trạng thái bội ba T1 do sự vachạm Tương tự như vậy nhờ sự va chạm cũng làm dịch chuyển từ trạng tháibội ba T1 về trạng thái S0 Đặc trưng tích thoát:

SP

 : thời gian sống của trạng thái đơn S1

kST: tốc độ dịch chuyển từ trạng thái đơn đến trạng thái bội ba

 : thời gian sống trạng thái S1

tử hoạt động trong những quá trình truyền năng lượng Đồng thời sự kíchthích được truyền từ trạng thái siêu bền của phân tử khí đệm sang trạng tháiđơn của những phân tử hoạt chất Laser màu có độ rộng dải khuyếch đại lớnđược sử dụng rộng rãi để phát những xung cực ngắn trong vùng ps và fs Hiệnnay, việc dùng những laser màu được bơm bằng Ar hay Kr rồi thực hiệnđồng bộ mode bằng phương pháp chủ động hoặc bị động hay bơm đồng bộ.Việc kết hợp với phương pháp nén xung đối với laser màu được đồng modetrong buồng cộng hưởng dạng vòng sẽ thu được các xung cực ngắn cỡ vài fs.Những xung cực ngắn này có ứng dụng quan trọng trong quang phổ học laserphân giải thời gian và trong kĩ thuật thông tin cực nhanh trong sợi quang hayphoton học nói chung.

Năm 1981 C.V.Shank, R.I.Fork và B.I Green đã cải tiến buồng cộnghưởng vòng để thực hiện va chạm xung với việc dùng một vòng phun chấtmàu có độ dày 10 m thu được xung có độ dài 90 fs Với sự cải tiến không

ngừng vào năm 1982 Shank đã thu được xung cỡ 70 fs khi sử dụng buồngcộng hưởng như vậy và dùng hoạt chất hấp thụ DODCI.

Các vấn đề xuất hiện trong phương pháp khoá mode là: thứ nhất trongthực tế không có nhiều các cặp tương thích giữa môi trường khuyếch đại vàhấp thụ bão hoà với các tính chất chính xác, thứ hai trên thực tế xung thuđược bằng phương pháp này không cho công suất cao và bước sóng củachúng chỉ điều hưởng mức độ nhỏ Phương pháp hỗn hợp đồng bộ mode bịđộng và chủ động không có mặt hạn chế của cả hai phương pháp khóa modetrên

Bản chất của laser vòng CPM chính là buồng cộng hưởng laser dạngvòng luôn tồn tại hai xung có thể lan truyền ngược chiều nhau hoặc cùngchiều đi vào trong chất hấp thụ Chất hấp thụ bão hoà được chọn phải có mật

độ sao cho nó chỉ bão hoà khi hai xung có mặt đồng thời

Khi laser làm việc ở chế độ đa mode, các mode phát ra không đều tạonên các đỉnh không đều nhau Tuy nhiên bằng cách nào đó giữ cho các modeđược phát có biên độ gần như nhau và pha của chúng được đồng bộ thì thuđược xung có công suất lớn Môi trường khuyếch đại ánh sáng được đặt trongbuồng cộng hưởng gồm hai gương cách nhau một đoạn L chỉ có những tần sốquang học  q qc/ 2L là tập hợp các mode của laser Khi phát trong vùng đamode cường độ lối ra của laser phụ thuộc vào thời gian

Để đơn giản ta xét N mode dao động dạng hàm sin có các tần số góc i,các pha giống nhau tại thời điểm t = 0 với biên độ E bằng nhau (E  i E sini

t ) và i k - i= k   ,k là số nguyên,   là độ rộng phổ cố định Tại t =0,biên độ tổng hợp: ET = NE do tất cả các thành phần được định hướng dọc theotrục X theo giản đồ Fresnel

Sau khoảng thời gian , véc tơ biểu diễn quay đi một góc:  i t và độchênh lệch góc  giữa hai mode liên tiếp:

Số mode N càng lớn thì thời gian   càng ngắn (  là thời gianchuyển từ biên độ cực đại ET = NE đến biên độ bằng không )

Tại mỗi thời điểm  = 2k , ET sẽ lại đạt cực đại (ET =NE ) tại thờiđiểm: T = 2k/   = 2L/c với   = 2 c/ 2L Tóm lại với số lượng mode Nlớn và độ rộng phổ   thì biên độ tổng hợp đạt cực đại một cách tuần hoànvới chu kì T và tiến tới 0 trong khoảng thời gian rất ngắn kT +  

Như vậy khi N mode đồng pha, lối ra laser gồm một dãy các xungvới chu kì 2L/c tương ứng với thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng

Độ dài của mỗi xung N= T/N = 2L/cN, số mode bị khóa càng lớn thì biên độcủa mỗi xung càng tăng và thời gian xung càng ngắn

E(z,t) = m( , ) 0 sin m sin( m )

  (1.5)Với k m = (M + n) / L (1.5a) m = (M + n)c L/ (1.5b)

M là số nguyên rất lớn (M ~106 ) và n = - 1

2(N - 1)  1

2(N -1) (N<<M) cácmode trung tâm tại tần số Mc L/ Phương trình (1.4) trở thành :

E(z,t) =

( 1)/2 0 ( 1)/2

L ct z N ct

z k

2 / ) ( sin

2 / ) ( sin ) ( cos 0





) ( cosk0 zct

Nếu cố định sự phân bố không gian của E(z,t) tại thời điểm t xác định thìbiên độ các xung là NE0/2 với khoảng cách không gian 2L, mỗi xung có độrộng mở không gian là 2L/N

Từ (1.9) biểu diễn hai chuỗi xung, một chuỗi chuyển động theo chiềudương của trục z, một chuỗi chuyển động theo chiều âm của trục z Xung lối

ra thu được khi truyền qua một gương của buồng cộng hưởng, bức xạ laserxuất hiện là một chuỗi xung đơn có cách nhau một khoảng 2L/c và độ rộngxung 2L/Nc Chính là nguyên tắc khóa pha của các mode

Hiện nay kĩ thuật khóa mode được phân loại một cách tổng quát nhất làkhoá mode bị động và khóa mode chủ động Khóa mode chủ động liên quanđến các nguồn bên ngoài Khóa mode bị động là do yếu tố biến điệu bên trongbuồng cộng hưởng laser

1.2.1 Phương pháp khóa mode chủ động

Cơ sở của phương pháp này là biến điệu sự mất mát bằng cách dùngmột bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng Bộ biến điệu này đượcđiều khiển nhờ một tín hiệu bên ngoài với tần số biến điệu bằng tần số củakhoảng cách mode của các mode trục riêng Yếu tố này sẽ gây ra sự biến điệu

về biên độ của mỗi mode dọc Trong phương pháp này có thể khảo sát được

ba kĩ thuật đó là biến điệu biên độ (AM), biến điệu tần số (FM) và phươngpháp bơm đồng bộ

1.2.1.1 Biến điệu biên độ

Giả sử cường độ điện trường là một đại lượng vô hướng của mode dọc thứm:

mang m do tần số biến điệu  Cuối cùng dẫn đến sự biến điệu biên độ.Trong laser các biên độ E m được xác định bởi điều kiện khuyếch đại bằngmất mát Nếu sự mất mát (khuyếch đại) biến điệu tuần hoàn tại tần số  thì

1.2.1.2 Biến điệu tần số(FM)

Xét pha của cường độ điện trường mode dọc thứ m bị biến điệu tuầnhoàn chứ không phải biên độ:

E m (z,t) = E m sin k z m sin( m t m cos ) t (1.18)

 là biên độ của biến điệu tần số  Như vậy biến điệu pha này tạo ra các tần

số dải bên quanh m và biến điệu pha sinh ra trên toàn bộ tập hợp các dảibên

) cos sin( m t m   t =sin( m t m) cos (cos t) + cos( m t m) sin(

os

(1.19)Khai triển hàm cos(cos t) và sin(cos t) theo hàm bessel loại 1 bậc n đượcbiến điệu pha trên toàn bộ tập hợp các dải bên được gọi là biến điệu tần số.Nếu tần số biên điệu bằng tần số khoảng cach mode

của các modenày và tạo ra chuỗi các xung bị khóa mode Đây chính là cơ sởcủa phương pháp khóa mode biến điệu tần số.

Phương pháp bơm này được kích thích quang học một cách thuậntịên hơn và contour khuyếch đại của laser màu cũng rất rộng (1013 - 1014Hz).Nhờ việc sử dụng bộ lọc quang học để lọc lựa tần số Do đó có thể điều chỉnhtần số của laser màu trong một vùng xác định nào đó

Vì vậy gần đây đồng bộ mode của laser màu dùng bơm đồng bộ được thựchiện trong đó laser màu được bơm bằng một đoàn xung của một laser Ruby

đã đồng bộ mode Khi buồng laser Ar+ hay Kr+ được đồng bộ mode chủ độngthu được laser màu phát xung cực ngắn dưới 1 ps

1.1.2 Phương pháp khóa mode bị động

Đồng bộ mode bị động cho phép tạo được xung cực ngắn và ổn định

mà không cần có sự điều khiển bên ngoài Sử dụng một bộ hấp thụ bão hòađặt trong buồng cộng hưởng laser để thực hiện đồng bộ mode biên độ bịđộng Khảo sát một cách đơn giản đối với vạch mở rộng đồng nhất hệ số hấpthụ  của chất hấp thụ bão hòa theo công thức:

I = 1/  21 21T : cường độ bão hòa của chất hấp thụ

Cường độ bão hòa Iabs s của bộ hấp thụ lớn hơn nhiều so với cường độ laser

I nên phương trình (1.23) có dạng gần đúng:

  0  o / abs

s

I I (1.24) Xét cả hai mode dao động trong buồng cộng hưởng sao cho cường độtrường tổng cộng :

E(z,t) = E sin1 k z1 sin( 1t 1) + E2sin k z2 sin( 2t 2) (1.25)

Cường độ trong buồng cộng hưởng :

sin( 2t 2 = cos(  1   2 )t  1   2 cos(  1   2 )t  1   2 (1.27)

Với các tần số 1,  2 ,  1   2 lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách tần sốmode

1 k zE k z E E k z k z t  

E

(1.28)

Cường độ I_ phụ thuộc vào thời gian theo dạng sin của tần số khoảngcách mode  Hệ số bão hòa trên lấy giá trung bình trên một vài chu kìquang học cũng có cùng sự phụ thuộc vào thời gian giống như cường độ Vậyđặt chất bão hòa bên trong buồng cộng hưởng laser cũng dẫn đến biến điệumất mát trong buồng cộng hưởng tại tần số khoảng cách mode và làm cholaser bị khóa mode

Khảo sát cụ thể việc đưa một chất hấp thụ bão hòa vào buồng cộng hưởnglaser, kết hợp với môi trường hoạt chất dẫn đến sự khóa mode một cách tựnhiên của laser mà không cần bất kì một sự điều khiển bên ngoài nào

Chất hấp thụ được sử dụng một cách phổ biến là các dung dịch màu.Khảo sát đặc trưng truyền qua của chất hấp thụ bão hòa Có thể xem chất hấpthụ bão hòa như một hệ hấp thụ hai mức có độ truyền qua T phụ thuộc vàocường độ ánh sáng tới

Khi cường độ nhỏ độ tích lũy của mức trên là không đáng kể so với độtích lũy ở mức cơ bản nên độ truyền qua là không đổi Nếu cường độ tăng thì

độ tích lũy cuả mức cơ bản giảm và độ tích lũy ở mức trên tăng Tương ứng

Hình1.2a: Độ truyền qua chất hấp

thụ bão hoà theo cường độ tới

Hình1.2b: Độ khuếch đại của môi trường khuếch đại phụ thuộc cường độ tới

với tốc độ dịch chuyển từ mức trên xuống mức cơ bản cũng tăng, làm quátrình hấp thụ tăng do bức xạ cưỡng bức từ mức này Chất hấp thụ bão hòa đặctrưng bởi cường độ bão hòa abs

độ các mode với tần số c/2L Những mode có cường độ mạnh ít bị hấp thụhơn các mode có cường độ yếu

Tuy nhiên hiệu ứng bão hòa không chỉ cho phép tạo ra xung mà còngiảm độ dài xung Thực vậy, những photon đầu tiên của xung (mặt trướcxung) bị hấp thụ bởi chất hấp thụ bão hòa làm cho chất hấp thụ bão hòa trởnên trong suốt và cho qua các mặt sau của xung nên sườn trước của xung bịngắn đi khi đi qua chất hấp thụ