Tạo xung ánh sáng trắng femto giây bằng sợi quang tinh thê

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ củalaser femto giây [2] đã cho ra các xung laser với công suất đỉnh rất lớn nêncác hiện tượng quang học phi tuyến được tạo ra một c

Mục lục

Trang phụ bìa i

Thành viên tham gia đề tài ii

Mục lục 1

Danh sách hình vẽ 3

Danh mục các chữ viết tắt 5

Thông tin kết quả nghiên cứu 6

Giới thiệu 8

1 Tổng quan về Laser 11 1.1 Lịch sử ra đời máy phát laser 11

1.2 Cấu tạo chung của hệ laser 12

1.3 Sự nghịch đảo về độ tích lũy 17

1.4 Laser Ruby 23

1.5 Laser xung ngắn 24

1.6 An toàn laser 25

thể 27

2.1 Sợi quang học tinh thể 29

2.2 Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng 33

2.3 Khảo sát các tính chất của xung ánh sáng trắng 37

2.3.1 Đo sự phân bố phổ theo thời gian 37

2.3.2 Quan sát sự mở rộng phổ theo chiều dài của sợi PCF 42 Kết luận và Kiến nghị 48

Tài liệu tham khảo 49

Phụ lục 53

Danh sách hình vẽ

1.1 Phát xạ tự nhiên và phát xạ cảm ứng 141.2 Buồng cộng hưởng tán sắc 161.3 Buồng cộng hưởng của laser femto giây Titane:saphir 171.4 Sự biến thiên cường độ sáng khi đi qua môi trường hoạt

tính 171.5 Minh họa sự dịch chuyển giữa hai trạng thái cơ bản 1, kích

thích 2 181.6 Nghịch đảo độ tích lũy 191.7 Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ hai mức năng lượng 191.8 Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ ba mức năng lượng 211.9 Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ bốn mức năng lượng 221.10 Môi trường hoạt tính Ruby 24

2.1 Ảnh chụp, bằng kính hiển vi điện tử, mặt cắt ngang của sợi

PCF 302.2 Đường cong tán sắc của mode cơ bản LP01 và của mode

bậc nhất LP11 31

2.3 Đường cong tán sắc của bốn modeLP01x, LP01y,LP11x, LP11y 332.4 Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách phóng tia laser femto

giây vào sợi quang tinh thể 342.5 Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách bơm xung laser vào sợi

PCF 362.6 Sự phân bố cường độ theo không gian của các mode khác

nhau 372.7 Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây 392.8 Phổ và sự phân bố phổ theo thời gian của SC sinh ra bởi

đoạn PCF có chiều dài 7,2 mm 402.9 Tín hiệu hấp thụ hai photon trong mẫu bán dẫn ZnS có bề

dày 40µm 412.10 Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của

sợi PCF 432.11 Sự phát triển phổ của SC theo các chiều dài khác nhau của

sợi PCF 442.12 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài 1 m 532.13 Phóng tia laser vào sợi PCF có chiều dài 1 m 54

Danh mục các chữ viết tắt

Thông tin kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu

• Xung ánh sáng trắng (SC) femto giây đã được tạo bằng sợi quangtinh thể (PCF) Đây là kết quả thực nghiệm đầu tiên tại Việt Namtheo hướng nghiên cứu về SC tạo bởi sợi PCF

• Cấu trúc của sợi PCF và tính chất tán sắc của mode dẫn truyền (đặcbiệt là vị trí ZDW), đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cáchiệu ứng phi tuyến gây mở rộng phổ để hình thành xung ánh sángtrắng

• Đưa ra sơ đồ nguyên lý cùng với qui trình phóng tia laser vào lõi sợiPCF

Kết quả đào tạo

Đào tạo hai học viên cao học:

1 Vũ Đình Hùng Phân tích các hiệu ứng phi tuyến trong quá trình tạoxung ánh sáng trắng bằng sợi quang tinh thể Bảo vệ luận văn vàotháng 6 năm 2013 Chương trình đào tạo liên kết giữa Đại học Vinh

và Đại học Sài Gòn.

2 Bùi Yến Duy Tạo xung ánh sáng trắng bằng laser femto giây Dự kiếnbảo vệ luận văn vào tháng 4 năm 2015 Chương trình đào tạo liên kếtgiữa Đại học Vinh và Đại học Long An

Công bố khoa học

1 Bùi Yến Duy, Huỳnh Ngọc Linh Phượng, Nguyễn Thị Thu Ngân,Nguyễn Ngọc Hiếu, Lê Công Nhân Supercontinuum generation byfemtosecond laser and photonic crystal fibers Journal of Science andTechnology, Duy Tan University, 2014

2 Nguyen Ngoc Hieu, Le Cong Nhan Supercontinuum Generation inPhotonic Crystal Fibers under Femtosecond Laser Injection The 7thConference of the Asian Consortium on Computational Materials Sci-ence, Thailand, July 2013

3 Le Cong Nhan Single-pulse supercontinuum generation in photoniccrystal fibers The 8 th International Conference on Photonics andApplications, Da Nang, August 2014

4 Huynh Ngoc Linh Phuong, Bui Yen Duy, Le Cong Nhan Improving ficiency of second-harmonic generation with femtosecond Ti:sapphirelaser pulses The 8 th International Conference on Photonics and Ap-plications, Da Nang, August 2014

ef-Giới thiệu

Hiện tượng mở rộng phổ của chùm tia laser, từ nguồn sáng gần như đơnsắc thành nguồn ánh sáng trắng (supercontinum: SC), đã được quan sátlần đầu tiên trong môi trường nước vào năm 1970 [1] Hiệu ứng vật lý này

là kết quả của sự tương tác giữa một cường độ laser mạnh với môi trườngphi tuyến Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ củalaser femto giây [2] đã cho ra các xung laser với công suất đỉnh rất lớn nêncác hiện tượng quang học phi tuyến được tạo ra một cách dễ dàng hơn.Hiện nay, nguồn ánh sáng trắng ở dạng xung cực ngắn được ứng dụng rấtnhiều trong các kĩ thuật quang phổ, y sinh, xử lý hình ảnh Sự phát triểncủa các sợi quang học tinh thể (Photonic Crystal Fibers: PCF), từ năm

1996, đã mở ra một hướng mới cho việc phát triển các nguồn sáng SC [3].Điểm đặc biệt của PCF là các yếu tố tán sắc và phi tuyến có thể điềuchỉnh được thông qua cách thiết kế cấu trúc của sợi Tính chất này chophép tạo ra SC bằng những nguồn laser công suất thấp Về mặt vật lý thìquá trình tạo xung ánh sáng trắng trong PCF là một quá trình phức hợpnhiều hiệu ứng quang học phi tuyến, chủ yếu là các hiệu ứng phi tuyếnbậc ba và các yếu tố tán sắc [4, 5] Tùy vào mục đích ứng dụng mà các yêucầu về tính chất của xung ánh sáng trắng có thể khác nhau Tuy nhiên,phần lớn các yêu cầu đặt ra cho xung ánh sáng trắng là phổ phải rộng,hình dạng phổ phải ổn định, độ thăng giáng về cường độ phải tối thiểu Việc tạo ra các xung ánh sáng trắng bằng sợi PCF với các tính chất vật

lý có thể kiểm soát được là vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu, cả lýthuyết lẫn thực nghiệm [4].

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về SC đã được nhóm của GS NguyễnĐại Hưng tiến hành bằng thực nghiệm với hệ laser nano giây Các kết quảthực nghiệm đã được triển khai trong môi trường nước và thủy tinh Tuynhiên, các nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết hay mô phỏng thì chưa cónhóm nào thưc hiện Việc tạo ra SC bằng laser femto giây trong sợi PCF

đã được chúng tôi tiến hành thử nghiệm lần đầu vào năm 2012 Dù vậy,các nghiên cứu thực nghiệm hay lý thuyết về quá trình tạo SC bằng laserfemto giây thì vẫn chưa được tiến hành Trên thế giới, hướng nghiên cứu

về SC tạo bởi PCF được phát triển mạnh từ năm 1996, sau khi sợi PCF

ra đời Hiện nay, nhóm đứng đầu trong hướng nghiên cứu này được điềuhành bởi GS J M Dudly , Đại học Franche - Comté [4, 5] Ngoài ra còn

có một số trung tâm chuyên nghiên cứu và sản xuất sợi PCF, ví như nhưtrung tâm nghiên cứu Xlim, đại học Limoge, với hướng nghiên cứu về SCđược điều hành bởi Dr Philippe Leproux

Mục đích của đề tài "Tạo xung ánh sáng trắng femto giây bằng sợiquang tinh thể " là phát triển các nguồn ánh sáng trắng dạng xung cựcngắn dựa trên cơ sở sợi PCF Nhiệm vụ chính trong nghiên cứu này là

sử dụng nguồn laser femto giây 1 và sợi PCF để xây dựng thí nghiệm tạoxung SC Vì vậy, nội dung nghiên cứu được xếp vào lãnh vực quang họcphi tuyến Trong đó, phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở các vấn đề sau:hiệu ứng quang học phi tuyến bậc ba, mối quan hệ giữa tính chất của sợiPCF và cơ chế động học của xung laser femto giây trong quá trình lantruyền Bên cạnh việc tiến hành thực nghiệm, đề tài còn có nhiệm vụ tổnghợp các nghiên cứu về SC được tạo bởi sợi PCF

1 Nguồn laser femto giây đầu tiên và duy nhất tại Việt Nam được trang bị ở phòng thí nghiệm Điện tử và Quang

tử, Viện Khoa học và Công nghệ Hà Nội.

Báo cáo tổng kết được trình bày dưới dạng tài liệu tham khảo vớinội dung phân bố trong hai chương Chương đầu giới thiệu tổng quan vềlaser, đây là chương mang tính chất tham khảo Chương hai tập trungvào vấn đề chính với các phần cơ sở lý thuyết, cách bố trí thí nghiệm vàthảo luận kết quả Bên cạnh bản báo cáo tổng kết này, chúng tôi có đínhkèm một bản tóm tắt nội dung trong sáu trang Đây là phần trình bàyxúc tích nhất, cho phép bạn đọc vừa tiết kiệm thời gian vừa dễ nắm bắtđược kết quả nghiên cứu của chúng tôi.

Chương 1

Tổng quan về Laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạtđộng dựa trên nguyên lý khuyếch đại cường độ ánh sáng nhờ vào hiệntượng phát xạ cảm ứng Hiện tượng này đã được Albert Einstein đưa ragiả thuyết và đăng trên tạp chí Physikalische Zeitschrift vào năm 1917.Tuy nhiên để quan sát được bằng thực nghiệm thì phải chờ tới sự phátminh, vào những năm 1954 -1955, của các nhà vật lí người Nga (Basov,Prokhnov) và người Mĩ (Towns) Họ đã chế tạo ra những máy khuyến đạisóng điện từ đầu tiên với môi trường hoạt tính là khí amoniac N H4 Docác máy này phát sóng điện từ với bước sóng cỡ µm nên thời đó đượcgọi tên là MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission ofRadiation) Ba người này cùng nhận giải Nobel vào năm 1964 vì đã đặtnền móng cho sự ra đời của ngành vật lí laser Họ đã thành lập các lýthuyết của laser và mô tả làm thế nào laser có thể được xây dựng Tất cảđược thiết kế dựa trên cơ sở của MASER Mặc dù vậy, laser đầu tiên rađời không phải do họ chế tạo mà là Theodor Maiman, nhà vật lí người Mĩ,làm việc tại viện nghiên cứu Hughes Vào năm 1960, Maiman đã tạo ramáy laser đầu tiên, sử dụng môi trường hoạt tính là chất rắn Ruby, phát

sóng ánh sáng trong vùng quang phổ khả kiến 0,69 µm Từ năm 1960 trở

đi, hàng loạt laser khác nhau đã ra đời Để đơn giản trong cách gọi tên,chúng thường được phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lí của môitrường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học Hoặc dựa vàođặc tính bức xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung Hoặcdựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện

Sự xuất hiện của laser sau những năm 1960 đã đưa ngành quang họcsang giai đoạn phát triển mới, quang phi tuyến, và đã tạo ra một sự độtbiến về công nghệ vào những năm cuối thế kỉ XX Chính vật lí laser đãđặt nền tảng cho sự ra đời của các ngành nghiên cứu khác như: làm lạnhnguyên tử về 0K (Nobel năm 1997), Femtochimistry (Nobel năm 1999) Ngoài ra, vật lí laser đã hỗ trợ sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác như:truyền tải thông tin, truyền tải năng lượng, giải trí, công nghiệp nặng, tựđộng hoá, y sinh Ứng dụng của laser vào khoa học và công nghệ thì rấtphong phú Nhiều laser thế hệ mới, phát ra bước sóng ngắn, tia X, hayxung cực ngắn, attosecond , và các ứng dụng của nó cũng đang trên đànghiên cứu, phát triển

Về nguyên lý, máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chínhlà: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng cộng hưởngquang học Vai trò của ba bộ phận này được trình bày chi tiết dưới đây

Môi trường hoạt tính

Bộ phận quan trọng nhất của laser là môi trường hoạt tính Nó có nhiệm

vụ khuyếch đại cường độ sáng khi ánh sáng truyền qua Môi trường hoạttính thường được phân chia thành các nhóm sau:

• Môi trường hoạt tính rắn: Ruby, YAG-Nd, sợi quang học pha đấthiếm .

• Môi trường hoạt tính lỏng: Các dung dịch màu (Rodamin, Coumarin )

• Môi trường hoạt tính khí: He − N e, N2, CO2

• Môi trường hoạt tính bán dẫn: diode

Sự khác nhau của môi trường hoạt tính còn được dùng để gọi tênlaser theo phân nhóm về mặt kĩ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu (môitrường hoạt tính là chất màu: hợp chất hữu cơ, đa phần ở thể lỏng), laserbán dẫn, laser sợi quang học

Nguồn bơm

Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính

kể trên phải ở trong trạng thái kích thích Điều đấy được thực hiện bằngcách đưa năng lượng vào môi trường hoạt tính thông qua một nguồn bơm.Nếu là nguồn bơm quang học thì đấy là các loại đèn, hoặc là các laser liêntục Thường thì ánh sáng của nguồn bơm được chọn sao cho phổ của nónằm trong vùng cực đại hấp thụ của môi trường hoạt tính để hiệu suấtbơm được tối ưu Phương pháp này thường được áp dụng cho môi trườnghoạt tính là chất rắn hay chất lỏng Nếu là nguồn bơm điện thì các mạchđiện cao áp thường hay được sử dụng để tạo nên sự phóng điện trongmôi trường hoạt tính Phương pháp này thường áp dụng cho môi trườnghoạt tính là chất khí và các chất bán dẫn Bơm quang học và bơm điện làhai cách thông dụng nhất Ngoài ra còn có nguồn bơm hoá học và nguồnbơm khí động học nhưng hai cách này ít được sử dụng Mục đích của việcbơm là tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy (số lượng phân tử hay nguyên tử

ở trong trạng thái kích thích nhiều hơn ở trạng thái cơ bản) trong môi

trường hoạt tính.

Khi sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập thì phần lớn các phân

tử hay nguyên tử trong môi trường hoạt tính đều ở tình trạng sẵn sàngphát ra ánh sáng hoặc đang phát ra ánh sáng theo qui luật phát xạ tựnhiên, hình 1.1a Cường độ phát sáng của cả hệ tỉ lệ với số phân tử haynguyên tử trong trạng thái kích thích

Hình 1.1: Phát xạ tự nhiên và phát xạ cảm ứng.

a) Phát xạ tự nhiên của môi trường hoạt tính khi không có buồng cộng hưởng, b) Phát xạ cảm ứng

khi có sự hỗ trợ của buồng cộng hưởng.

Buồng cộng hưởng

Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên ở trên thành nguồn sáng laserthì ta cần can thiệp để chuyển biến sự phát xạ tự nhiên thành sự phát xạcảm ứng Để thực hiện ta chỉ cần đặt môi trường hoạt tính vào trong mộtbuồng cộng hưởng quang học, ví dụ như hai gương song song, hình 1.1b

Buồng cộng hưởng định hướng phương truyền của các photon ánh sáng,tạo ra chùm photon di chuyển liên tục trong môi trường hoạt tính theomột phương nhất định, làm gia tăng cường độ chùm sáng thông qua hiệntượng phát xạ cảm ứng.

Để phân loại buồng cộng hưởng (BCH), người ta thường dựa vào tínhchất và hình dạng của các gương Loại BCH đơn giản nhất là BCH Fabry-Perot, một hệ gồm hai gương phản xạ được đặt đồng trục và song songvới nhau Một trong hai gương có hệ số phản xạ R = 100%, còn gươngthứ hai có độ phản xạ R < 100% và độ truyền qua là T = 100% − R

Sự mất mát cường độ sáng do hấp thụ hay tán xạ của hai gương phải làkhông đáng kể Vì sự khắt khe về kĩ thuật trên nên việc chế tạo gươngdùng cho BCH phải do những nhà sản xuất chuyên về linh kiện quanghọc đảm nhiệm Khó khăn khác nữa là việc lắp đặt hai gương song songmột cách tuyệt đối Để làm được điều này thì hai gương phải được đặttrên giá đỡ có các trục điều chỉnh X,Y, với độ chính xác dưới 1µm.Ngoài việc sử dụng gương phẳng thì người ta còn dùng gương cầulõm để xây dựng BCH Theo nguyên lí của quang hình học, nếu tia sángtruyền đồng trục với buồng cộng hưởng thì sự lan truyền đó không phụthuộc vào bán kính cong của gương Như vậy sự phản xạ liên tiếp theophương đồng trục không phụ thuộc vào chiều dài BCH Với BCH sử dụnggương cầu lõm thì việc điều chỉnh phát ra tia laser là dễ dàng hơn so vớiBCH sử dụng gương phẳng Tuy nhiên việc thu được chùm tia laser songsong là khó khăn hơn

Trong trường hợp cần điều chỉnh bước sóng của laser thi người tadùng BCH tán sắc, hình 1.2 Đối với buồng này, nếu thay đổi vị trí củalăng kính hoặc điều chỉnh góc nghiêng của gương G2 thì ta sẽ cho cáctia, ứng với bước sóng riêng biệt λ1, λ2, vuông góc với gương G2 được

Hình 1.2: Buồng cộng hưởng tán sắc.

khuếch đại

Với laser phát xung ngắn 1, ví dụ femto giây[2], thì bên trong buồngcộng hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laserhoặt động theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ củalaser rất rộng, độ rộng phổ này lên tới 30nm đối với laser femto) Nhờ vàoyếu tố xung cực ngắn mà công suất cực đại và khả năng phân giải theothời của laser femto là rất cao Laser femto cũng là một chuyên ngànhriêng trong lãnh vực vật lí laser Để có ý tưởng về buồng cộng hưởng nàythì có thể tham khảo sơ đồ cấu tạo của laser femto giây Titane:saphir ởhình 1.3

1 Cường độ sáng của tia laser không phân bố một cách liên tục theo thời gian mà dưới dạng xung, năng lượng tập trung trong một khoảng thời gian xung càng ngắn thì cho công suất cực đại càng lớn.

Hình 1.3: Buồng cộng hưởng của laser femto giây Titane:saphir.

a) Môi trường hoạt tính: tinh thể Titane:saphir ; b) Hệ tán sắc âm, gồm hai lăng kính, dùng để bù yếu tố tán sắc (group-velocity dispersion: DVG) do môi trường hoạt tính gây ra ; c) Buồng cộng hưởng kéo dài để giảm tần số phát xung, tần số này phụ thuộc vào độ dài của buồng cộng hưởng Không nhìn thấy bộ phận khóa mode trong buồng cộng hưởng này vì chế độ xung của laser được

vận hành nhờ vào hiệu ứng Kerr, xảy ra khi xung đi qua môi trường hoạt tính.

Hình 1.4: Sự biến thiên cường độ sáng khi đi qua môi trường hoạt tính.

Khi chùm sáng đi qua môi trường hoạt tính thì cường độ của nó thayđổi do sự cạnh tranh của ba quá trình: hấp thụ, phát xạ tự nhiên, phát

xạ cảm ứng Giả sử môi trường hoạt tính mà ta đang xét là một hệ đơngiản chỉ có hai mức năng lượng Khi đó, sự dịch chuyển giữa hai mức nănglượng ứng với ba hiện tượng cạnh tranh kể trên sẽ xảy ra theo tỉ lệ:

• Tỷ lệ hấp thụ: BN1I

• Tỷ lệ phát xạ tự nhiên: AN2

• Tỷ lệ phát xạ cưỡng bức: BN2I

Với A, B là các hệ số được gọi là xác suất dịch mà Einstein đã đưa

ra, năm 1916, khi xem xét sự dịch chuyển giữa hai trạng thái cơ bản vàkích thích trong phân tử N1, N2 là mật độ phân tử hoặc nguyên tử, ởtrong trạng thái cơ bản (1) và trạng thái kích thích (2) (để đơn giản chomục thảo luận này, ta sẽ gọi N là số phân tử) Ba quá trình cạnh tranhtrên cùng với hệ số xác suất của nó được minh họa trên hình 1.5

Hình 1.5: Minh họa sự dịch chuyển giữa hai trạng thái cơ bản 1, kích thích 2.

Trong ba quá trình kể trên thì phát xạ tự nhiên hầu như không cóảnh hưởng gì lên cường độ của chùm sáng, bởi vì hướng và pha của cácphoton lấy các giá trị ngẫu nhiên Nếu bỏ qua sự ảnh hưởng của phát xạ

tự nhiên thì cường độ của chùm sáng khi đi qua môi trường hoạt tính sẽthay đổi theo:

dI

dt = c

dI

Từ 1.1, ta lập luận được rằng, để khuếch đại cường độ chùm sáng thì

N2 phải lớn hơn N1 Theo phân bố Boltzmann, Ni = N exp(−Ei/(kT )),thì điều này là không thể tồn tại ở những môi trường có sự cân bằng nhiệtđộng Vậy ta phải tạo ra sự nghịch đảo về độ tích lũy, N2 > N1, hay nóikhác đi là tạo ra môi trường có “nhiệt độ âm tuyệt đối” Sự nghịch đảo về

độ tích lũy này được minh họa trên hình 1.6

Để tạo được sự nghịch đảo này, ngoài việc cung cấp năng lượng, ta

Hình 1.6: Nghịch đảo độ tích lũy.

Hệ có số lượng phân tử trong trạng thái kích thích nhiều hơn trong trạng thái cơ bản.

phải có môi trường hoạt tính đặc biệt, thường có từ ba đến bốn mức nănglượng Sau đây ta sẽ xét vai trò của số mức năng lượng trong việc tạo ra

sự nghịch đảo

Sơ đồ bơm năng lượng hai mức

Hình 1.7: Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ hai mức năng lượng.

Nếu môi trường hoạt tính ta xét chỉ có hai mức năng lượng thì tổngcác phân tử của hệ sẽ là:

Độ chênh lệch số lượng phân tử giữa hại trạng thái là:

Quá trình lan truyền của chùm sáng trong môi trường hoạt tính kéo theo

sự biến thiên của N2 là:

Ta cũng có thể lập luận một cách định tính như sau Do hệ chỉ cóhai mức năng lượng nên các photon bị hấp thụ và các photon được phát

xạ đều có cùng năng lượng Vậy nên, việc ta chiếu chùm sáng để đưa hệ

từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích cũng là việc ta ép hệ bức xạcưỡng bức để ở lại trạng thái cơ bản

Sơ đồ bơm năng lượng ba mức

Giả sử môi trường hoạt tính ta xét có ba mức năng lượng và thời gian sốngtrong trạng thái 3 là rất ngắn Vậy, nếu thực hiện việc bơm năng lượng

Hình 1.8: Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ ba mức năng lượng.

lên trạng thái 3 thì sự chuyển dịch về trạng thái 2 sẽ diễn ra gần như lậptức Trong trường hợp này tia bơm không ép được sự phát xạ cưỡng bứcgiữa trạng thái 3 và 1 Khi xét đến tổng số phân tử của cả hệ ta có thểxem số lượng phân tử tại N3 bằng không, vì thời gian sống trong trạngthái này quá ngắn Như vậy tổng số phân tử trong hệ vẫn là:

Và độ chênh lệch số lượng phân tử giữa hai trạng thái, 1, 2 là:

Quá trình bơm năng lượng và phát xạ của môi trường hoạt tính kéo theo

sự biến thiên của N2 là:

Khi laser vận hành ổn định thì phương trình (1.14) trở thành:

Từ (1.15) suy ra:

B A

Như vậy nếu cường độ tia bơm thỏa mãn điều kiện I > A/B, thì

∆N âm Điều kiện này cho phép khuyếch đại ánh sáng nhưng với cường

độ bơm phải đủ mạnh

Sơ đồ bơm năng lượng bốn mức

Hình 1.9: Sự hấp thụ và bức xạ trong sơ đồ bốn mức năng lượng.

Giả sử môi trường hoạt tính ta xét có bốn mức năng lượng, hình 1.9,

và thời gian sống trong trạng thái 3, trạng thái 1 là rất ngắn Vậy, có thểxem N1 và N3 là bằng không Trong trường hợp này ta chỉ có sự phát xạcưỡng bức giữa trạng thái 2 và 1 Tổng số phân tử của cả hệ là:

Như vậy khi môi trường hoạt tính có bốn mức năng lượng bị kíchthích thì ∆N luôn lấy giá trị âm Điều đó cho phép khuếch đại ánh sángmột cách dễ dàng.

Trong thực tế, một hệ phân tử hay nguyên tử mà ta xét thường tồntại nhiều mức năng lượng nhưng tùy vào thời gian sống của các trạng tháikích thích mà ta có thể xem hệ đó như là ba mức hay bốn mức

và 550 nm Trong thí nghiệm này Maiman đã dùng đèn chớp sáng, phổrộng Nên khi bơm môi trường hoạt tính, là thanh Ruby, thì sự hấp thụánh sáng bao phủ trên toàn bộ hai băng hấp thụ Kéo theo sự dịch chuyển

từ mức cơ bản lên hai mức năng lượng kích thích, có năng lượng tươngứng với vùng phổ ở bước sóng 420nm và 550nm.Vì hai mức năng lượngnày đều có thời gian sống rất ngắn nên trên sơ đồ mức năng lượng của

laser ta có thể xem nó là một, mức (3) Hệ nhanh chóng chuyển từ trạngthái kích thích về một trạng thái “tạm ổn định”, mức (2), hình 1.10A Dothời gian sống của mức “tạm ổn định” là rất dài so với mức (3) nên trongviệc bơm này ta có được sự nghịch đảo về mật độ giữa mức (2) và mức(1).

Hình 1.10: Môi trường hoạt tính Ruby.

A) Sơ đồ ba mức năng lượng của môi trường hoạt tính Ruby; B) Tinh thể Ruby màu đỏ và phổ hấp

thụ của nó.

Từ năm 1960 trở đi, hàng loạt laser khác nhau đã ra đời Để đơn giảntrong cách gọi tên, chúng thường được phân chia theo nhóm dựa vào tínhchất vật lí của môi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quanghọc Hoặc dựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện .Hoặc dựa vào đặc tính bức xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hayxung Trong cách phân chia cuối cùng, hai nhóm laser này có một sự khácbiệt rất lớn về mặt công suất Laser xung thường có công suất trung bìnhthấp hơn so với laser liên tục, nhưng công suất đỉnh của mỗi xung là rấtcao Bởi vì toàn bộ năng lượng của xung chỉ tập trung trong một khoảng

thời gian ngắn Ví dụ như trường hợp laser femto giây, chỉ cần một nănglượng xung rất bé vào khoảng 1 µJ và thời gian xung khoảng 50 fs thìcông suất đỉnh của xung lên tới 20 GW Nhờ độ lớn của công suất đỉnhnên việc tạo ra các hiện tượng quang học phi tuyến hay thậm chí môitrường plasma là rất dễ đối với laser xung Bên cạnh đó, công suất trungbình thấp của laser xung cũng là một lợi thế nữa, nó cho phép tránh đượccác hiệu ứng nhiệt Cần lưu ý thêm một điểm khác biệt nữa về tính chấtphổ giữa laser liên tục và laser xung ngắn, nếu như phổ của laser liên tục

là đơn sắc thì phổ của laser xung ngắn luôn có một độ rộng nhất định.Thời gian xung và độ rộng phổ có sự liên hệ với nhau thông qua nguyên

lý bất định về thời gian - năng lượng, ∆t∆ν ≥ 1/2[2] Như vậy, để có thểtạo ra những xung càng ngắn thì độ rộng phổ phải càng lớn

Trong nghiên cứu này, laser được sử dụng là laser femto giây, Ti:saphir,

có công suất trung bình là 1,5 W, tần số xung là 80 MHz, thời gian xung

là 50 fs, bước sóng trung tâm của laser là 800 nm, độ rộng phổ của xungvào khoảng 30 nm Tuy nhiên, trong thiết kế thí nghiệm, chúng tôi chỉ sửdụng một phần nhỏ công suất vào khoảng 100 mW

Với sự phát phát triển của công nghệ, laser đã trở thành phương tiện sửdụng trong nhiều lĩnh vực: phòng thí nghiệm, công nghiệp, quân sự, dândụng, giải trí Chính điều đó, hàng loạt tai nạn liên quan laser cũngkhông ngừng tăng lên Trong phần lớn tai nạn, thì mắt là bộ phận hay bịthương vong nhất Nguyên nhân tai nạn chủ yếu bắt nguồn từ sự thiếu ýthức về an toàn lao động, sự thiếu hiểu biết về mức độ nguy hại của laser

và chủ đích xấu trong việc sử dụng Vì vậy, trước khi dùng nguồn sánglaser thì cần nắm rõ mức độ nguy hiểm của nó được xếp vào hạng nào

Có năm loại xếp hạng được định nghĩa như sau:

Hạng 1 Laser có công suất rất nhỏ không nguy hại cho mắt trong bất kìđiều kiện quan sát nào

Hạng 2 Laser phát ánh sáng trong vùng khả kiến có công suất dưới 1

mW Laser này chưa thật sự nguy hiểm cho mắt nếu ánh sáng của nóquét vào mắt dưới 250 ms (là thời gian mà mắt đủ phản ứng nhắmlại)

Hạng 3A Nhóm này tập trung các loại laser, có công suất dưới 5 mW,chưa nguy hiểm cho mắt trần nhưng có khả năng nguy hại cho mắtnếu nhìn trực tiếp hoặc quan sát qua một hệ phóng đại quang học.Hạng 3B Laser có công suất dưới 500 mW Luôn nguy hiểm cho mắt nếunhìn trực tiếp bằng mắt trần (và nguy hiểm hơn khi quan sát ánhsáng của laser này qua hệ phóng đại quang học), nhưng sự phản xạcủa thành phần tán xạ thì chưa đủ gây nguy hiểm cho mắt

Hạng 4 Laser liên tục có công suất lớn hơn 500 mW và tất cả các laserxung Ngay cả thành phần tán xạ cũng đã rất nguy hiểm cho mắttrần Tia laser này có thể gây cháy, bỏng da Tuyệt đối phải sử dụngkính bảo hộ trước khi laser vận hành

Người sử dụng laser cần luôn chú ý vấn đề an toàn cho mắt, vì ngay

cả laser hạng 1 cũng trở nên nguy hiểm nếu thao tác cẩu thả Khi làm việcvới laser thì tránh làm việc trong bóng tối, nhằm hạn chế thương vongcho mắt nếu xảy ra tai nạn, vì đồng tử của mắt dãn tối đa nên khả nănggom ánh sáng để hội tụ trên võng mạc là lớn nhất

Thông tin trên được tổng hợp từ tạp chí Société Fran¸caise d’Optique(SFO-Avril 1998) và các tài liệu hướng dẫn về an toàn laser

Chương 2

Tạo xung ánh sáng trắng femto

giây bằng sợi quang tinh thể

Sự dãn rộng phổ hay sinh ra tần số mới là đề tài đã được nghiên cứu rấtnhiều trong lãnh vực quang phi tuyến, và đặc biệt là sau khi ra đời máyphát laser vào năm 1960 [23] Hiện tượng này được quan sát trong quátrình tạo xung ánh sáng trắng, sinh ra khi xung laser phổ hẹp chịu một

sự dãn phổ rất lớn do tương tác với môi trường phi tuyến Trong vấn đềnghiên cứu về xung ánh sáng trắng (supercontinuum:SC), chúng tôi quantâm đặc biệt đến sợi PCF với lõi chiết xuất cao Nhờ vào tính chất phituyến cao do diện tích lõi nhỏ và sự chênh lệch lớn về chiết suất, giữa lõi

và mạng lưới lỗ trống, mà loại PCF này có khả năng tạo ra xung SC ngay

cả với những nguồn laser năng lượng thấp Đặc điểm của xung SC là có độrộng phổ lớn (có thể lên trên 1000 nm) và thời gian xung ngắn (có thể rútxuống cỡ dưới một trăm femto giây) Chính điều này, mà SC đóng vai tròquan trọng trong vấn đề khảo sát các hiện tượng cực nhanh và nó đượcphát triển để làm nguồn sáng cho kĩ thuật đo phổ quang học phân giảitheo thời gian Do đối tượng nghiên cứu của các hiện tượng cực nhanh hiệnnay tập trung nhiều vào các phân tử sinh học, có phổ hấp thụ trong vùng

tử ngoại, nên việc phát triển PCF để tạo ra SC có phổ lệch về phía bước

sóng ngắn đang là hướng được quan tâm nhiều [9, 10, 11, 12] Bên cạnh

đó, quá trình hình thành SC chứa đựng rất nhiều yếu tố quang phi tuyếnđang xen lẫn nhau, nên việc kiểm soát các tính chất của SC là rất phứctạp Chính điều này mà sự hình thành SC đang là vấn đề được nghiêncứu rất mạnh hiện nay về cả mặt thực nghiệm lẫn lí thuyết [11, 16, 5].Nếu tạo ra SC bằng những phương pháp cổ truyền (sử dụng môi trườngchất rắn tinh thể, chất lỏng hay khí) thì cần phải kích thích bằng nhữngxung laser có năng lượng cao (>1µJ) Để cung ứng đủ mức năng lượngtrên thì cần phải sử dụng tới những hệ laser khuyếch đại Nhược điểm củaviệc sử dụng nguồn laser năng lượng cao là chí phí giá thành lớn, và phải

sử dụng kết hợp với các phương tiện hỗ trợ thoát nhiệt để ổn định SC, ví

dụ như trường hợp tạo SC bằng tinh thể CaF2 Lợi ích của việc thay thếcác phương tiện cổ truyền bằng PCF là việc tạo SC chỉ cần những xunglaser có năng lượng nhỏ (1 nJ) Điều đó cho phép đơn giản hóa khi xâydựng thí nghiệm và hạ giá thành của dự án [12] Tuy nhiên, để có thể sửdụng PCF như một nguồn phát xung ánh sáng trắng cho các ứng dụngthì các thông số của SC ở đầu ra phải thỏa mãn các yêu cầu khắc khe

về mặt kĩ thuật Trong hầu hết các ứng dụng thì SC được yêu cầu phải

có độ thăng giáng thấp, phổ rộng và cường độ phân bố đều Với một sốứng dụng đặc biệt, như quang phổ phân giải theo thời gian, thì ngoài cácyêu cầu trên SC phải đơn xung (nghĩa là không có sự vỡ xung SC cơ bảnthành một đoàn xung kéo dài) [7, 12] Hay những ứng dụng vào các phép

đo liên quan đến sự bất đẳng hướng thì phải cần tới SC phân cực [18, 5].Việc tạo ra SC là một quá trình phức hợp, tập trung nhiều hiệu ứngphi tuyến khác nhau, các yếu tố tán sắc, sự lưỡng chiết của môi trường vàcác mode lan truyền [19, 20] , nên các đối tượng nghiên cứu trong lãnhvực này là rất rộng lớn Tuy nhiên, phạm vi của nghiên cứu của đề tài chỉ

dừng lại ở việc tạo xung SC femto giây bằng sợi PCF và phân tích, mộtcách định tính, vai trò của các hiện tượng quang học phi tuyến trong quátrình mở rộng phổ.

Sợi quang tinh thể (Photonic Cristal Fiber: PCF), sợi quang có cấu trúcmicro hay sợi quang có cấu trúc lỗ là những tên gọi dành cho nhóm cácsợi quang được chế tạo dựa trên sự sắp xếp tuần hoàn: cấu trúc lỗ trốngmicro mét bao bọc bởi silic Cách sắp xếp này cho phép nén ánh sángtrong cấu trúc của sợi và dẫn truyền ánh sáng trong lõi silice (sợi quangvới lõi chiết suất cao) hay dẫn truyền ánh sáng trong lõi không khí (sợiquang với lõi chiết suất thấp) [1, 3] Sợi quang với cách thiết kế mới nàyđược tạo ra lần đầu tiên vào năm 1996 bởi nhóm nghiên cứu Quang điện

tử tại Đại học Bath Sau 16 năm tồn tại, sợi quang này đã xuất hiện trongnhiều lãnh vực ứng dụng như: truyền tải dữ liệu, truyền tải năng lượngcao, đo lường chính xác [6], và quang học phi tuyến Bên cạnh đó nó cònđược sử dụng như một nguồn sáng mới, chuyên cung cấp ánh sáng trắngcho các kĩ thuật tạo hình ảnh và quang phổ

Nghiên cứu của chúng tôi về SC được tiến hành trên các loại sợi PCFđược cung cấp bởi phòng thí nghiệm Xlim của Đại học Limoge và nhómnghiên cứu của Đại học Franche -Comté, cộng hòa Pháp, xem hình 2.1 vàhình 2.12, 2.13 ở phần phụ lục Đấy là các loại sợi có lõi chiết suất cao,được chế tạo bằng phương pháp tập hợp các ống thủy tinh lại thành bórồi nung và kéo với điều kiện nhiệt độ nung và tốc độ kéo luôn ổn định [1].Cấu trúc mặt cắt ngang của các sợi PCF này được trình bày trên hình2.1 Sợi thứ nhất có cấu trúc lõi đối xứng (a), còn sợi thứ hai thì có cấutrúc lõi bất đối xứng (b) Đặc điểm này cho phép sợi PCF thứ nhất không

có tính lưỡng chiết còn sợi PCF thứ hai thì có tính lưỡng chiết, nhờ vào

sự bất đối xứng về chiết suất do yếu tố hình học gây ra Hai kiểu sợi PCFnày đại diện cho hai thể loại đặc trưng nhất của các sợi PCF mà ta thườnggặp trên thị trường sợi quang phi tuyến Phần thân của sợi là một mạnglưới tuần hoàn micro mét gồm các lỗ trống chứa không khí được bao bọcbởi silic, là vật liệu phi kim có tính đẳng hướng Ở giữa phần thân xuấthiện một lỗi phá vỡ trật tự tuần hoàn, vị trí này đóng vai trò lõi của PCF

Hình 2.1: Ảnh chụp, bằng kính hiển vi điện tử, mặt cắt ngang của sợi PCF.

(a) sợi phi lưỡng chiết, (b) sợi lưỡng chiết Vật liệu Silice được hiển thị bằng màu xám còn các lỗ không khí thì được hiển thị bằng màu đen.

Sợi PCF phi lưỡng chiết có một lõi tròn được bao bọc bởi những lỗkhông khí có đường kính trung bình d = 1, 8µm Các lỗ trống này nằmcách nhau một bước trung bình khoảng Λ = 2, 26µm Như vậy, tỷ lệ d/Λ

là 0,796 Tỷ lệ này có nghĩa rằng độ phi tuyến của sợi là cao và sự dẫntruyền sáng có tính chất lưỡng mode [20] Sợi PCF này có hai mode truyềnsáng ở lõi: mode cơ bản LP01 và mode bậc nhất LP11 Đối với mode cơbản LP01, cường độ sáng phân bố theo không gian có dạng gần với phân

bố gaussienne, còn mode bậc nhất LP11 thì lại có sự phân bố cường độtheo dạng hai gaussienne (xem Hình 2.6) Vì sự phân bố cường độ sángtheo không gian này không giống nhau, nên hai mode không chịu cùng