Ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng Super Gauss trong hoạt động của laser màu buồng cộng hưởng vòng khóa mode bằng va chạm xung

: Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác : Bậc của Soliton : Chiết suất nhóm : Sự tự biến điệu pha : Sự tự biến điệu biên độ : Khoảng thời gian xung đi một vòng quanh buồng

Trang 1

ANH HUONG CUA CHIRP TÂN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐÓI VỚI XUNG

DẠNG SUPER GAUSS TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU

BUONG CONG HUONG VONG KHOA MODE

BANG VA CHAM XUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BUONG CONG HUONG VONG KHOA MODE

BANG VA CHAM XUNG

Chuyén nganh: Quang hoc

Mã số: 60 44 01 09

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trịnh Đình Chiến

Hà Nội - Năm 2013

Trang 2

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS 1S Trịnh Đình Chiến,

Thây đã luôn tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dân tôi trong suối quá trình hoàn

thành luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thây trong tô bộ môn Quang học lượng tie,

các thầy cô trong khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã

truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý bắu cho tôi trong những năm hoc

lập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn các học viên cao học bộ môn Quang học lượng tứ và các học

viên cao học khoa Vật lý khóa 2011 — 2013 đã giúp đồ tôi trong những năm hoc tai

[rưỜng

Tôi xin cảm ơn gia đình, những người thân của tôi, Ban giám hiệu, các đồng

nghiệp tại trường Trung cấp nghề CNKT Thái Bình nơi tôi công tác đã luôn sát

cánh và tạo điêu kiện cho tôi học tập, nghiên cứu đê hoàn thành luận văn này

CHUONG 1 - TỎNG QUAN VỀ PHÁT XUNG CỰC NGẮN 3

1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn - 5c ktT 1111811211 1221111211 20111 rye 3 1.1.1 Nguyên tắc đồng bộ mode (khóa mode) - 5: sex cxeEzxerszkerxd 3 1.1.2 Đồng bộ mode chủ động - - 2 2221122211221 112111112E 1xx eexee 6 1.1.3 Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ - 2-5 55+: 7 1.1.4 Đồng bộ mode bị động - - 1 2E 2211221112211 2111821158111 111 1E xet 8 1.2 Phương pháp khóa mode thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa 10 1.2.1 Mô hình bão hòa (G2 211211211251 1211 1511115111511 1 11 11 E8 tret 14 1.2.2 Mode locking hấp thụ bão hòa chậm cccccccccccccceeeeeeees 17 1.2.3 Mode locking hấp thụ bão hòa nhanh 5-52 S52 2E22Ezxe2 20 1.3 Laser Ti:sapphire (Short-Pulse T1:sapphire Laser) - - ¿55555 ++s<++52 23

CHƯƠNG 2 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN - c ceereerrees 26 PÄ.ì¡¡ 1-8: o›::aaaaaảẢảả4ÝẢÝÝ 26 2.2 Mode- Locking của Ïaser màu - 2c 2c 2221112211312 11 211251155111 1x 1E xee 28 2.3 Mode-locking bị động - c1 0 2211221111211 11 1111811110111 111101112811 1k reg 32 2.4 Quá trình tạo ch1rD 2c 22 22211122211 1211 11 1111821110111 111110 11180115111 key 35

CHUONG 3 - ANH HUONG CUA CHIRP TAN SO VA SU TAN SAC BOI VOI XUNG DANG SUPER GAUSS TRONG BUONG CONG HUONG LASER MÀU CPM 5S 2T TH H212 121 tren 37

3.1 Xung Super aUSs c1 201112 1111122111112 111112111111 k KT kg kg kiện 37 3.2 Khảo sát sự biến đạng xung khi qua môi trường hấp thụ bão hòa 39

Trang 3

3.3 Ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung dạng Super Gauss trong buồng

cộng hưởng của ÏaS€T L0 2201220111121 121111 11118 111811111111 81tr ch 44

3.3.1 Ảnh hưởng của chirp tần số qua môi trường hấp thụ bão hòa 44

3.3.2 Ảnh hưởng của chirp tần số qua môi trường khuếch đại 54

3.3.3 Ảnh hưởng của chirp tần số khi qua một vòng cộng hưởng 66

3.3.4 Ảnh hưởng của chirp tần số khi qua nhiều vòng cộng hưởng 76

KẾT LUẬN - c1 CS SE1SE 1222111121111 121 11 11 111g ngu 86

TAT LIEU THAM KHẢO 52-525 E122 E1EE1221111211211211 1211 ere 89

đọ

CW FWHM

DANH MUC CAC KI HIEU VA CHU VIET TAT

: Biên độ cực đại của xung : Bơm liên tục

: Full Width at Half Maxinum-Toàn độ rộng ở nửa cực đại

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

: Tham số tán sắc và có đơn vị ps : Tán sắc vận tốc nhóm : Hệ số khuyếch đại : Mật độ dòng photon : Cường độ hấp thụ bão hòa

: Chiều đài một sợi đơn mode

: Độ đài tán sắc : Hệ số chiết suất phi tuyến : Mật độ hạt (độ tích lũy) của nguyên tử ở các mức 1,2,3 : Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác : Bậc của Soliton

: Chiết suất nhóm

: Sự tự biến điệu pha : Sự tự biến điệu biên độ

: Khoảng thời gian xung đi một vòng quanh buồng cộn hưởng : Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa

: Năng lượng xung : Độ rộng xung

: (Thường viết tắt là T, ), thời gian tích thoát (hồi phục) ngang : Tiết điện hấp thụ hiệu dụng

: Độ rộng phố của xung Ø, : Tham sốGDV : Toán tử mật độ My : Tan so cua laser

Trang 4

DANH MỤC HÌNH

Trang Hình 1.1: Hình ảnh xung với số mode phát là 7 - ¿2 + SE‡E‡EE‡E£ExEEEEcErxet 4

Hình 1.2: Độ truyền qua chất hấp thụ bão hòa theo cường độ tới - 10

Hình 1.3: Công tua thời gian xung vào và xung ra khi đi qua chất

hấp thụ bão hòa 1 n1 11112 1112110111101 111 111 1211 111211 ng grye 11

Hình 1.4: Hé s6 khuéch dai qua mi trung khuéch dai cece cess eeeeeeeeeeees 12

Hình 1.5: Xung vào và xung ra khi đi qua môi trường khuếch đại 13

Hình 1.6: Mô hình hấp thụ bão hòa bốn mức 22+ Sn Ta SE S121 S115 2EEEEE5ESE te trreea 14

Hình 1.7: Quá trình rút ngắn xung trong mode-locking bão hòa chậm 18

Hình 1.8: Sơ đồ laser màu BCH vòng khóa mode bang va chạm xung (CPM) 19

Hình 1.9: Độ khuếch đại và hao phí trong mode-locking hấp thụ

bão hòa nhanh - - 5 - 2 2222121111211 351 1311111111111 11111111111 11119111911 911 E11 H1 HE Hkg 22

Hình 1.10: Sơ đồ của laser T1:sapphire - 5 + s 1E EEE E111 E111111E1111 E1 gte 23

Hình 2.1: Sơ đồ laser màu mode-locking bơm bằng đèn Flash - - +: 27

Hình 2.2: a- Số các mode dọc khác nhau 22222 SE5ESE2E2E255512E555E25252sce2 28

b- Thời gian ra của laser với mode bị khóa - - +55: 28

Hình 2.3 Sơ đồ laser màu khóa mode bằng va chạm xung (CPM) - 32

Hình 2.4: Vòng tuần hoàn của xung sáng trong laser CPM -ccxssccxe: 33

Hinh 3.1: Hình ảnh xung Super auss ¿c2 2212222111221 xxerxes 37

Hình 3.2: Sơ đồ laser màu đạng vòng khóa mode thụ động bằng va chạm xung 39

Hình 3.3: Sơ đồ 3 mức năng lượng 2-5 1 SE 2121121112111 111 1111 yeu Al

Hinh 3.4: Cac xung truyén qua chat hap thu bdo ha cceeeeseeeeeeeeeeeeeeees Al

Hình 3.5: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính khi qua

chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=0,6) - - St 1E 1E1121111211112112111111112 11111 xe 44

chất hấp thụ bão hòa (m=2, e=1,45) ¿5c T1 1E 12E1211121111111111 111210 te 45

chất hấp thụ bão hòa (m=10, =6, Š) -¿- 5c S1 1 12E121E112111111111111121E1 te 45

chất hấp thụ bão hòa (m=2, c=4,,8) + 5c k T1 1EE1211111111111111111 111210 yeu 46

chất hấp thụ bão hòa (m=12, C=4,,8) -.- Set 11 E1121111211111112111111111211 111 1x6 47

chất hấp thụ bão hòa (m=22, C=4,8) - - Set 1E11E1111111110112111111111 011111 ty

Hình 3.11: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến khi qua

chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=0,) - Set 1E11E11110111101121111 111110 1t

chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=3,8) - - Set 11 E1121111011110112111 111110 1g

chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=2.,4) -s t1 E1111811211110111101121111 11111021

chất hấp thụ bão hòa (m=18, C=2,4) - Set 1E1121111811110112111111111 011211 te

chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=1,8) s e1 1E11E11112111101121111 211110 1a

Hình 3.17: Sơ đồ ba mức năng lượng của môi trường khuếch đại - Hình 3.18: Hình ảnh xung Super Gauss có chirp tuyến tính - 5 s25 Hình 3.19: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=],5) - 2 S1 E SE 2E111122111211E1111 1xx e Hình 3.20: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=3,5) - 2-5: 1E SE 1811112111111 1xx e Hình 3.21: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=4,,Š) - S11 EE21E111122111211 1111 1xx e Hình 3.22: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=6, c=4,,Š) - - 5c S19 EE21E11111111211E1111 1xx e Hình 3.23: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=I8, c=4,5) - ¿5c 1 SE EE11122111211 1111 1xx e Hình 3.24: Hình ảnh xung Super Gauss có chirp phi tuyến - - 2-5 5+2 Hình 3.25: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=0,8) ¿5c 1 SE 8111111111111 1xx e Hình 3.26: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=3,5) - 2-5: 1E SE 1811112111111 1xx e Hình 3.27: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=2, c=4,,Š) - S11 EE21E111122111211 1111 1xx e

Trang 5

Hình 3.28: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua môi trường khuếch đại (m=8, c=4,,Š) ¿5c 1S SE EE11112111111E1111 1xx e 62

qua môi trường khuếch đại (m=20, =4,5) - ¿Set 9 SE 6111181111111 1xx e 63

Hình 3.30: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính khi qua môi trường

khuếch đại (m=3, C=3,5) - - e1 11 11111121111 1111012111111 111111 Erye 64

Hình 3.31: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến khi qua môi trường

khuếch đại (m=3, C=3,5) - - e1 11 11111121111 1111012111111 111111 Erye 65

Hình 3.32: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua một vòng cộng hưởng (m=2, €=Ï)) - - c1 2112211112511 1251 1111111111581 1 E111 r2 74

qua ba vòng cộng hưởng (m=2, €=Ï,6) c1 2211221111211 11 2111811181118 11 xe 76

Hình 3.45: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi qua ba vòng cộng hưởng (m=2, €=ÏÍÔ) -: c1 2211221111211 2111881118111 11 xet 76 Hình 3.46: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=5, =2) c c1 1 1221112111121 1118111111111 11 8 111g vet 77 Hình 3.47: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=100, 2) c 1 11121111221 11121 151111111118 111g xet 77 Hình 3.48: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua I vòng cộng hưởng (m=2, 4) - + t1 2 221111 1112111111111 1111811201111 1 re 79 Hình 3.49: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước và sau khi

qua 3 vòng cộng hưởng (m=2, 4) - 11 t12 2211111112811 1111 1111111811201 11111 kg 79 Hình 3.50: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=2, €=0,) c1 1211221112111 8211112111811 18111 xet S0 Hình 3.51: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=2, €=Ï) + 2c 13121112211 1121 111 2111811581118 11 xet S0 Hình 3.52: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=2, €=ÏÍÔ) -: c1 2211221111211 2111881118111 11 xet 81 Hình 3.53: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=2, C=Ú) .- c 1 2112211112211 1151 112111111118 11 xee 81 Hình 3.54: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=6, C=Ú) c1 2 112211112 111121 118111111118 11 ket 82 Hình 3.55: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua ba vòng cộng hưởng (m=35, C=](Ô) - - L1 11221112 11112111111 11111 811 egvet 82 Hình 3.56: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua một vòng cộng hưởng (m=2, C=S) c + c1 1211221111211 1 821118 111111118111 xet 84 Hình 3.57: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước và sau khi

qua một vòng cộng hưởng (m=2, C=S) c + c1 1211221111211 1 821118 111111118111 xet 84

Trang 6

DANH MỤC BẢNG

Trang Bảng 3.1: Sự phụ thuộc số xung vệ tinh Nyr vao tham số chirp C 45

Bảng 3.2: Tỉ số cường độ xung và độ rộng xung chính giữa xung vào

và xung ra với các giá trị tham số chirp tuyến tính khác nhau khi m=2 47

và xung ra của chirp tuyến tính với các giá trị khác nhau của m khi C=4 47

và xung ra của chirp tuyến tính với các giá trị khác nhau của C khi m=100 48

và xung ra với các giá trị tham số chirp phi tuyến khác nhau khi m=2 51

và xung ra của chirp phi tuyến với các giá trị khác nhau của m khi C=2 51

và xung ra khi có chirp tuyến tính và chirp phi tuyến 5-5252 ezEczsrsez 53

Bảng 3.8: Tỉ số mật độ dòng photon và độ rộng xung giữa xung vào

và xung ra của chirp tuyến tính qua môi trường khuếch đại khi m=2 59

và xung ra của chirp tuyến tính qua môi trường khuếch đại khi C=3 59

và xung ra cua chirp phi tuyến qua môi trường khuếch đại 2-52 2252 63

và xung ra của chirp phi tuyến qua môi trường khuếch đại 2-5252 s52 63

và xung ra đối với chirp tuyến tính và phi tuyến khi qua môi trường khuếch đại

Bảng 3.13: Sự phụ thuộc số xung vệ tinh Nyr vao tham số Chirp €

và xung ra với chirp tuyến tính khi qua một vòng cộng hưởng(m=2)

và xung ra với chirp tuyến tính khi qua một vòng cộng hưởng(C=4) 69 Bảng 3.16: Tỉ số mật độ dòng photon và độ rộng xung giữa xung vào

và xung ra với chirp phi tuyến khi qua một vòng cộng hưởng(m=2) 72 Bảng 3.17: Tỉ số mật độ dòng photon và độ rộng xung giữa xung vào

và xung ra với chirp phi tuyến khi qua một vòng cộng hưởng(C=4) 73 Bảng 3.18: Tỉ số cường độ xung và độ rộng xung chính giữa xung vào

và xung ra khi có chirp tuyến tính và chirp phi tuyến đi qua một vòng 11380010) 207757 75 Bảng 3.19: Tỉ số mật độ photon tương đối và độ rộng xung chính

giữa xung vào và xung ra khi có chirp tuyến tính qua 3 vòng cộng

ni 106285220178 -“-“- 3 78 Bảng 3.20: Tỉ số mật độ photon tương đối và độ rộng xung chính

giữa xung vào và xung ra khi có chirp tuyến tính qua 3 vòng cộng nung i86022 01155 78 Bảng 3.21: Tỉ số mật độ photon tương đối và độ rộng xung chính

giữa xung vào và xung ra khi có chirp phi tuyến qua 3 vòng cộng

ni 106285220178 -“-“- 3 83 Bảng 3.22: Tỉ số mật độ photon tương đối và độ rộng xung chính

giữa xung vào và xung ra khi có chirp phi tuyến qua 3 vòng 11381010/75ã0/28600) 0 83 Bảng 3.23: Tỉ số mật độ photon tương đối và độ rộng xung chính

giữa xung vào và xung ra khi có chirp đi qua buồng cộng hưởng - 85

Trang 7

MỞ ĐẦU

Từ khi phát minh ra nguồn sáng laser đơn sắc, các lĩnh vực về laser và các

ứng dụng của laser đã được tìm hiểu và nghiên cứu rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

như: khoa học kỹ thuật, công nghệ, y học Trong việc nghiên cứu khoa học, kỹ

thuật, công nghệ thì các nguồn sáng laser xung cực ngắn có vai trò rất quan trọng

Nguồn laser xung cực ngăn vùng aftto giây và femto giây dùng để nghiên cứu các

hiện tượng cực nhanh như chuyên động của điện tử, các quá trình động học của

nguyên tử, phân tử Người ta đã phát minh ra laser xung cực ngắn cỡ nano giây nhờ

phương pháp khóa mode bị động với laser Ruby, sau đó người ta đã áp dụng thành

công phương pháp này với laser thủy tinh Nd và thu được xung ngắn cỡ pico giây

Xung ngắn nhất gan đây thu được cỡ 5fs nhờ sự khuếch đại các xung ánh sáng từ

laser màu khóa mode bị động cộng hưởng vòng bằng cách truyền các xung đã được

khuếch đại qua môi trường quang học phi tuyến

Ngày nay với sự phát triên nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phương

pháp quang phô học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển

vượt bậc, các đối tượng và phạm vi ứng dụng được mở rộng hơn Cùng với sự phát

triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi

hỏi thông tin phải được truyền với tốc độ cao và sự phát triển của laser xung cực

ngắn đã góp phân rất quan trọng trong thông tin quang

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đề phát và truyền dẫn xung cực ngắn là

một vấn đề cấp thiết trong giai đoạn hiện nay Thực nghiệm đã chứng tỏ thu được

xung cực ngắn bằng cách dùng nguồn bom 1a laser ion Ar’ CW két hợp với buồng

cộng hưởng vòng và sử dụng hoạt chất màu kết hợp với chất hấp thụ bão hòa đặt

bên trong buồng cộng hưởng Đây chính là phương pháp khóe mode bị động của

laser màu Hoạt chất khuếch đại chủ yếu đặt trong buồng cộng hưởng là Rhodamine

óG và chất hấp thụ bão hòa thường là DODCIL Có rất nhiều yếu tô ảnh hưởng đến

việc truyên dân xung cực ngăn, trong đó có ảnh hưởng của chirp đôi với dạng xung

trong buồng cộng hướng của laser CPM Luận văn của tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu :

“ Ảnh hưởng của chip tần số và sự tán sắc đối với xung dạng Super Œauss trong hoạt động của laser màu buông cộng hướng vòng khóa mode bằng va chạm xung ”

Với đề tài luận văn như trên, chúng tôi xác định mục tiêu của luận văn là: + Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong môi trường hấp thụ bão hòa

+ Nghiên cứu ảnh hướng của chirp phi tuyến với xung dạng Super Gauss trong môi

trường khuếch đại

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp phi tuyến với xung dạng Super Gauss khi đi qua một vòng cộng hưởng

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp phi tuyến với xung dạng Super Gauss khi đi qua nhiều vòng cộng hưởng

Luận văn của tôi gồm ba chương:

Chương L : Tổng quan về phát xung cực ngắn Chương II : Laser màu xung cực ngắn Chương III: Ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng

Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser màu CPM

Trang 8

CHƯƠNG 1 - TONG QUAN VE PHAT XUNG CUC NGAN

1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn

Hiện nay, về lý thuyết và thực nghiệm, người ta sử dụng phương pháp đồng

bộ mode (khóa mode) để tạo ra xung laser cực ngắn Với nguyên tắc khóa mode

thường sử dụng các phương pháp chủ yếu là khóa mode chủ động, bơm đồng bộ

hoặc khóa mode thụ động Trong phương pháp khóa mode chủ động, thường dùng

một biến tử được điều khiến từ bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian trong

buồng cộng hưởng, dựa trên biến điệu biên độ hoặc biến điệu tần số Phương pháp

bơm đồng bộ thực hiện bang cách bơm một laser qua một đoàn xung liên tục của

một laser khác mà laser này đã được đồng bộ mode Còn trong phương pháp khóa

mode thụ động, sự biến điệu pha được tạo ra trực tiếp bởi các xung nhờ chất hấp thụ

bão hòa đặt trong buồng cộng hưởng Ưu điểm của phương pháp khóa mode thụ

động so với khóa mode chủ động là không cần sự đồng bộ của các thiết bị ngoại vi

và độ nhạy của sự biến điệu thụ động là nhanh hơn, vì thế cho phép tạo ra những

xung cực ngắn và ôn định hơn nhiều Sự khóa mode thụ động là do cơ chế bão hòa

phi tuyến của chất hấp thụ bão hòa tạo ra

1.1.1 Nguyên tắc đồng bộ mode (khóa mode)

Các phương pháp khóa mode có thê sử dụng sự biến điệu biên độ, biến điệu

tần số, bơm đồng bộ hay va chạm xung

Cơ chế đồng bộ mode có thê hiểu như sau: Đề tạo được xung có công suất

lớn, một trong các phương pháp là giữ cho các mode được phát có biên độ gần như

nhau và pha của chúng là đồng bộ Chế độ hoạt động không dừng này cũng được

gọi là chế độ đồng bộ mode của laser Chúng ta có thê hiểu được tính chất của sự

đồng bộ mode vừa nêu, xét thí dụ đơn giản của laser phát 2N„+I mode trục đọc với

biên độ Ep

Kí hiệu pha của mode thứ ø là ¢, thì điều kiện đồng bộ mode đòi hỏi

tức là hiệu số pha giữa hai mode liên tiếp là không đổi theo thời gian và không gian,

ø› là hằng số pha nào đó Điều kiện này như là điều kiện giao thoa cho nhiều sóng trong quang học thông thường

Trường toàn phần trong buồng cộng hưởng có thê viết như sau| 1]:

tŒ)= SE, expil(o, +mAo)+me, | (1.2)

—

m là chỉ số chạy, œo là tần số mode ở trung tâm khuéch dai, Aw là khoang cach hai mode liên tiếp, phụ thuộc vào độ đài buồng cộng hưởng Dé đơn giản chúng ta có thê đặt pha của mode ở trung tâm bằng không

Biểu thức tông (1.11) có thê tính được, kết quả cho: #Z() = 4()e'”“ (1.3)

sin[(2N,, + 1(Aor + ¢, )/2]

sin |(Azz + Dy )/ 2]

và được gọi là biên độ trường toàn phần

Đường biểu diễn cường độ trường 7 = JA) trong trường hợp số mode phát

Trang 9

Như thế, khi có điều kiện đồng bộ pha (1.1), laser đã phát các xung lớn với

khoảng cách giữa các xung này là :

_ 2# _— 2l

ở đây Aw = = là khoảng cách giữa hai mode trước khi có đồng bộ mode, L, 1a ky

hiệu độ dài buồng cộng hưởng Theo công thức (1.5), hai xung vào cách nhau đúng

bằng thời gian ánh sáng đi và quay lại trong buông cộng hưởng, lúc này laser phát

xung và xung tạo ra cũng đi lại trong buồng cộng hướng

Khoảng thời gian xung Az' có thể xác định từ biểu thức (1.2) và bằng hai lần

khoảng thời gian tính từ vị trí cực đại xung đến giá trị bằng 1/2 của cực đại xung

này Bỏ qua tính toán trung gian ta có:

AL Ar=———®—= : (2N,, + 1)e (1.6) 1.6

Từ (1.6) cho thấy dé thoi khoang xung nho cần chọn 7„ nhỏ hoặc cho phát

nhiều mode (Ấ„ lớn) Với các laser màu (độ mở rộng đồng nhất lớn dẫn đến số

mode phát lớn) đễ đàng thực hiện được sự đồng bộ mode để phát xung cực lớn

Trong thực tế, bằng phương pháp đồng bộ mode ta có thể đạt được Az' xấp xỉ Ins

(107), riêng với laser màu có thể đạt tới hàng ps hay fs Tính toán cũng cho thấy

cường độ cực đại xung tỉ lệ với đại lượng (2N„+1)4// [1]

Sự biến điệu tuần hoàn các thông số laser có thê thực hiện không những bằng

các tín hiệu đưa từ bên ngoài mà còn bằng cơ chế tự động ngay trong buồng cộng

hưởng Để đạt được mục đích này, cần phải có một phần tử phi tuyến đặt trong

buồng cộng hưởng, chăng hạn một chất hấp thụ bão hòa Chính vì tự đồng bộ mode

mà không cần tín hiệu điều khiến từ bên ngoài nên phương pháp này được gọi là

phương pháp đồng bộ mode thụ động hay tự động

Điều đó có thể được giải thích như sau: Khi được sự kích thích đối với

nguyên tử của môi trường Laser tăng lên do quá trình bơm thì đầu tiên ngưỡng đối với tần số vọ sẽ đạt được, ngưỡng này sẽ trùng hoặc gần trùng với tần số cộng hưởng của những nguyên tử của chất khuếch đại

Trường của mode này sẽ được biến điệu về biên độ với tần số öv như công thức (1.7) như vậy ta sẽ nhận được một cường độ trường tổng hợp dạng

E(t) = Ep (1 + € cos2xðvt) cos2rvot (1.8)

Ở đây š ký hiệu độ biến điệu

Từ đây có thê rút ra từ định lý cộng lượng giác thông thường biểu thức:

Điều đó có nghĩa là nó được tách thành hai tần số bên cạnh:(vọ - ỗv) và (vọ + Sv) Hai tần số bên này là trùng khít với những dao động riêng bên cạnh vọ của cộng hưởng Trường hợp của những tần số này tiếp tục được khuếch đại và lại tạo thành

những tần số bên cạnh khi biến điệu với tần số öv và do đó xuất hiện những tần số

bên cạnh vọ + 2öv Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi xuất hiện tat cả các mode trục trong vùng đao động và có pha liên kết với nhau hay được đồng bộ pha Với chu kỳ biến điệu phải bằng thời gian vòng quanh cộng hướng [1]

T'=§yv=u'=.C; T=u1=“È

6

Trang 10

1.1.3 Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ

Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ được thực hiện thông qua

việc biến điệu sự khuếch đại của nó Điều này được thê hiện bằng cách bơm một

Laser qua một đoàn xung liên tục của một Laser khác mà Laser này đã được đồng

bộ mođe Điều quan trọng là độ dài cộng hưởng của Laser cần đồng bộ mode phải

bằng hoặc gần bằng độ dài cộng hưởng của Laser dùng để bơm (hoặc bằng một số

nguyên lần) Như vậy, thì dưới những điều kiện xác định, sự khuếch đại sẽ được

biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng thời gian đi vòng quanh

cộng hưởng

Phương pháp bơm đồng bộ thực tế được quan tâm đặc biệt đối với Laser màu

và Laser này được kích thích bằng quang học một cách thuận lợi hơn và nó có một

công tua khuếch đại rất rộng (độ rộng dài: 10'°+10'*Hz) Nhờ việc sử dụng một bộ lọc

quang học để lọc lựa tần số, điều đó sẽ làm hẹp một cách cơ bản độ rộng dải của tia

Laser trong buồng cộng hưởng và làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục

Do đó có thê điều chỉnh tần số của Laser màu như vậy trong một vùng xác định nào

đó Độ rộng phô của yếu tô lọc lựa tần số không được quá nhỏ vì nếu không xung sẽ

bị kéo dài

Do những lý do trên mà Laser màu đạt được trong những năm gần đây có

nhiều ý nghĩa lớn trong việc tạo những xung ps và đưới ps Đồng bộ mode Laser

màu dùng bơm đồng bộ được sử dụng tương đối sớm Ở đó một Laser màu đã được

bơm bang doan xung cua mot Laser Ruby da duoc đồng bộ mode hoặc bang hoa ba

bac hai cua Laser thuy tinh Néddym Tuy nhién xung Laser mau dat duoc trong

những thực nghiệm này ở độ dài chỉ ở bậc xung bơm Cho đến khi sử dụng nguồn

bơm là Laser Ar' hay Kr` được đồng bộ mode chủ động đã đạt được Laser màu với

xung cực ngắn đưới 1 ps và thấy là một phương pháp rất có lợi

1.1.4 Đồng bộ mode bị động Trong phương pháp đồng bộ mode bị động người ta sử dụng một bộ hấp thụ bão hoà đặt trong buồng cộng hưởng của Laser đề thực hiện nhiệm vụ đồng bộ mode

Bộ hấp thụ bão hoà phải có một dịch chuyển hấp thụ trên tần số Laser với một tiết điện hấp thụ lớn nhất và nó được hoạt động nhờ trường sáng Laser Bộ hấp thụ bão hoà cũng có đặt tính răng: Khi cường độ ánh sáng tăng lên thì khả năng hấp thụ của nó giảm di

Chúng ta khảo sát một bộ hấp thụ như một hệ hai mức Thì phương trình cân

bằng và đưới điều kiện dừng (x¡ >> Ta¡) ta tính được hiệu độ tích lũy của hai mức

_ WN 111/71

ơ› : Là tiết điện hiệu dụng Theo biéu thức trên, hiệu độ tích lũy An sẽ giảm, mà điều đó tương ứng với

việc đặc trưng cho sự hấp thụ của tia, với sự tăng lên của cường độ Nếu cường độ

là lớn hơn so với cường độ bão hoà của chất hấp thụ Is, thì sẽ không thê có sự hấp

thụ nữa Bộ hấp thụ là đã bị bão hoà

Nếu xét trường hợp không dừng, ta sẽ nhận được đối với trường hợp này (thời gian tích thoát Tại lớn hơn độ dài của xung tức là rị << Tại ta có:

An(t) = Nexp {25 I,(t)dt l (Ở đây I¡, là mật độ dòng photon)

Trong trường hợp này thì sự hấp thụ sẽ giảm khi năng lượng của xung tăng lên Trong khi mặt trước của xung giảm mạnh vì ở thời gian đó thì năng lượng xung còn nhỏ và sự hấp thụ chưa đạt bão hoà, có thể do sau một thời gian lớn và sự bão hoà hấp thụ được xác lập nên mặt sau của xung gần như không bị yếu đi khi di qua

bộ hấp thụ.

Trang 11

Cơ chế để tạo thành một xung cực ngắn trong đồng bộ mode bị động của

Laser màu va Laser ran da chi ra su khác nhau cơ bản Thời gian tích thoát của bộ

khuếch đại trong Laser rắn là rất lớn đối với thời gian đi vòng quanh cộng hưởng

Xung sáng sẽ được tạo nên do sự khuếch đại của một đỉnh thăng giáng mạnh từ nên

tiếng ồn do sự tác dụng của bộ hấp thụ bão hoà tích thoát nhanh

Thời gian tích thoát của môi trường kích hoạt trong Laser màu nằm ở cỡ độ

lớn của thời gian vòng quanh cộng hưởng và thời gian tích thoát của chất màu hấp

thụ là lớn đối với thời xung Xung cực ngắn sẽ được tạo thành do sự tác dụng tô hợp

của bộ hấp thụ bão hoà (mà nó đã xén, cắt mặt trước của xung) và của bộ khuếch

đại (mà nó đã cắt mặt sau của xung)

* /§ự hình thành xung và điều kiện để phát xung cực ngắn

Cơ chế của đồng bộ mode bị động dựa trên sự biến điệu theo thời gian cua sự

hao phí trong buồng cộng hưởng cũng như sự đồng bộ mode chủ động Nhưng

trong đồng bộ mode bị động thì hệ tự chọn thời điểm cho sự hao phí cực tiểu và tự

ôn định bằng cách này Ta có thê thấy đặc điểm của quá trình tạo thành xung trong

Laser màu như sau:

Tia Laser được khuếch đại từ những tạp âm tự động (tiếng ồn, nhiễu tự động)

khi mà tia Laser bơm đã vượt quá ngưỡng phát Laser Trường tia bao gồm một sự

chồng chập thống kê của nhiều đỉnh thăng giáng theo thời gian Do tiết điện phát xạ

lớn của chất màu Laser nên tia do phát xạ cưỡng bức sẽ được khuếch đại cho đến

khi đạt được sự bão hoà của chất hấp thụ Chất hấp thụ bão hoà dành ưu tiên hơn

cho những thăng giáng hay cho những nhóm thăng giáng mà nó có năng lượng cực

đại vì đối với những nhóm thăng giáng này do sự bão hoà của sự hấp thụ nên hao

phí là ít nhất Bằng cách như vậy mà tất cả những thăng giáng khác sẽ bị hạn chế và

cudi cùng tạo thành một xung cực ngắn

Do sự cùng tác dụng của sự giám khuếch đại (điều đó có nghĩa là sự giảm

bớt của mặt sau xung) và của sự bão hoà của bộ hấp thụ (điều đó có nghĩa là sự

giảm bớt hay làm dốc đứng lên của mặt trước xung) sẽ làm xuất hiện một chế độ mà

ở đó chỉ có trung tâm của xung là có khuêch đại

1.2 Phương pháp khóa mode thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Xét một chất hấp thụ bão hòa như một hệ có hai mức, độ truyền qua phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới được biểu diễn trên hình 1.2 [7]

và độc lập với cường độ xung bơm Nếu cường độ ánh sáng tới tăng lên, độ tích lũy của mức cơ bản giảm đi đáng kế và độ tích lũy của mức trên tăng lên Song song với quá trình này sẽ xuất hiện quá trình ngược lại là sự di chuyên từ mức trên xuống mức cơ bản do bức xạ cưỡng bức và cũng tăng dần, dẫn đến tính phi tuyến của hệ

số truyền qua Chất hấp thụ bão hòa được đặc trưng bởi cường độ hấp thụ bão hòa 7” và được định nghĩa là cường độ ánh sáng mà lúc đó hiệu độ tích lũy giữa hai mức (giữa mức cơ bản và mức kích thích) giảm đi hai lần so với hiệu độ tích lũy ban đầu Khi cường độ ánh sáng tới mạnh, chất hấp thụ bị bão hòa và cho qua toàn

bộ số photon tới Nếu thời gian sống của mức trên ngắn, chất hấp thụ chỉ trong suốt trong khoảng thời gian đó và tạo ra một khóa quang học Khóa này sẽ làm đồng pha các mode trong buồng cộng hưởng và tạo nên một xung quang học Chất hấp thụ bão hòa được chọn phải có hai mức năng lượng, mà tần số địch chuyên bức xạ giữa hai mức này trùng đúng với tân sô phát của laser

10

Trang 12

Dé phat được các xung cực ngắn thì các chất hấp thụ bão hòa phải thỏa mãn

một số điều kiện Giả sử, khảo sát môi trường hấp thụ bão hòa như một hệ hai mức,

từ phương trình cân bằng mức và điều kiện dừng (ø>>7›,), có thể tính được hiệu

độ tích lũy của hai mức theo biêu thức sau [7]:

An=— — (1.10)

l+ Tabs

s

ø là tông số các nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác với xung Theo biểu

thức (1.10), khi cường độ xung 7 tăng thì hiệu độ tích lũy An giảm, cho đến khi 7

vượt quá 7ƒ” thì không có sự hấp thụ nữa và chất hấp thụ đã bị bão hòa Nếu xét

trường hợp không dừng thì hiệu độ tích lũy có biểu thức:

_3ø [T®4G

voi J; 1a mat d6 dong photon, o là tiết điện hấp thụ Trong trường hợp này như từ

công thức (1.11), sự hấp thụ sẽ giảm đi khi năng lượng xung tăng lên

Hình 1.3: Công tua thời gian xung vào và xung ra khi di qua chất hấp thụ bão hòa [7]

Ban đầu, mặt trước của xung giảm mạnh khi năng lượng xung còn nhỏ và sự

hấp thụ chưa đạt bão hòa, sau một thời gian nào đó, sự bão hòa được xác lập và mặt

sau của xung gần như không bị yếu đi khi đi qua chất hấp thụ bão hòa như hình 1.3

[7] Khả năng hấp thụ của vật liệu hấp thụ bão hòa phụ thuộc vào cường độ của ánh

sáng laser: Khi cường độ ánh sáng laser tăng lên thì khả năng hấp thụ của nó giảm

đi và khi cường độ ánh sáng laser đạt một mức độ nào đó thì chất hấp thụ bị bão

hòa: hệ số hấp thụ bằng không Nói chung, chất hấp thụ bão hòa được kích thích thế

11

nào đó để trước khi đạt trạng thái bão hòa nó cho truyền qua 50% năng lượng bức

xạ là tốt nhất Cũng tương tự như vậy, hệ số khuếch đại của môi trường khuếch đại cũng có tính bão hòa Khi cường độ xung bơm thấp, ta có thé bo qua sự suy giảm độ tích lũy của mức trên do phát xạ cưỡng bức, hệ số khuếch đại Œ có giá trị không đổi

là Go va khá lớn, người ta gọi hệ số khuếch đại lúc đó chưa đạt bão hòa Khi cường

độ xung bơm tăng lên đến mức nào đó, sẽ làm cho hiệu độ tích lũy giữa hai mức

giảm và do đó hệ số khuếch đại giảm Như thấy trên hình 1.4 [7] ta cũng có thê định

nghĩa cường độ bão hòa 7” là cường độ ứng với khi hệ số khuếch đại Ởạ giảm hai

Hình 1.4: Hệ số khuếch đại qua moi truong khuéch dai [7]

Sự bão hòa của môi trường khuếch đại cũng góp phần làm ngắn xung trong buông cộng hướng Khi xung đi qua môi trường khuếch đại, mặt trước của xung có gain cực đại do vậy chúng được khuếch đại rất lớn, điều này sẽ làm giảm độ khuếch đại của môi trường và phần đuôi của xung chỉ nhận được độ khuếch đại nhỏ hơn

như hình 1.5 [7]

12

Trang 13

Hình 1.5: Xung vào và xung ra khi đi qua môi trường khuếch đại [7J

Như vậy, tô hợp hai hiệu ứng, bão hòa độ khuếch đại và bão hòa độ hấp thu,

khi xung đi qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại, xung ra thu được sẽ

bị làm hẹp rất nhiều và có cực đại lớn, bởi vì phần trung tâm của xung ban đầu

không những không bị hấp thụ mà còn được khuếch đại lên nhờ môi trường khuếch

đại

Tóm lại, bằng cách đặt thêm vào buồng cộng hưởng của laser một chất hấp

thụ bão hòa, trong buồng cộng hưởng sẽ xuất hiện một xung rất hẹp, có đỉnh cao

hơn rất nhiều so với xung ban đầu Xung này sẽ đạt được hình dạng cuối cùng của

nó khi trở thành một xung tự phù hợp trong buồng cộng hưởng, tức là khi hệ đạt

trạng thái đừng Một xung tự phù hợp như vậy sẽ giữ tình trạng không thay đôi sau

một vòng đi trong buồng cộng hưởng Tuy phần trên có đề cập răng một xung qua

lại trong buồng cộng hưởng sẽ thu hẹp lại, nhưng nói một cách chỉ tiết hơn, các định

luật vật lý chứng tỏ răng tồn tại một giới hạn cho quá trình làm hẹp xung như ở trên

Dưới những điều kiện lý tưởng, khoảng thời gian xung thu được sẽ tỉ lệ nghịch với

độ rộng phổ Do đó, mỗi thành phần chứa trong buồng cộng hưởng cũng sẽ ảnh

hưởng đến giới hạn đải phổ dao động và có xu hướng làm mở rộng thời gian xung,

chăng hạn như các phần tử quang học ngoại vi: lăng kính, cách tử hay một bộ lọc

Môi trường khuếch đại bản thân nó cũng là một phần tử như vậy

Trong quá trình đi lại nhiều lần trong buồng cộng hướng, xung càng ngày

càng được rút ngắn và công suất đỉnh cũng càng lớn Theo kết quá thực nghiệm

xung ra có thê đạt tới thời gian xung cỡ femtô giây [7]

13

1.2.1 Mô hình bão hòa Hấp thụ: Môi trường hấp thụ bão hòa pho biến nhất sử dụng cho chế độ khóa mode là dung dịch chất hữu cơ và chất bán dẫn Do đó có thê được mô hình

hóa theo hệ thông bốn mức, thể hiện trong hình 1.6 [8] sự địch chuyên từ I—>2 là sự

hấp thụ cộng hưởng bức xạ laser, và cường độ hấp thụ tỉ lệ thuận với mật độ N¡-N; ( Trong đó N, là mật độ hấp thụ đơn vị m” ở mức ] của chất hấp thụ ) Mật độ tích

lũy toàn phần Nạ Quá trình chuyên từ mức 2—>3 và 4—>I1 là quá trình tích thoát

được thực hiện rất nhanh Thời gian tích thoát chuyên từ 3—>4 là hữu hạn và được kí hiệu là ra Ta giả sử rằng bức xạ laser không tương tác với quá trình chuyên 3—>4

Đó là sự dịch chuyên đỏ so với sự dịch chuyên từ 1—2

Và cũng giả sử rằng quang pho hap thụ được mở rộng đồng nhất và được xem là không đổi trong băng thông khóa mode, điều giả sử này bỏ qua các tương tác hấp thu laser [8]

Từ đó ta có thê mô tả sự hấp thụ bởi phương trình tốc độ sau:

Trang 14

Xung được chuân hóa để |z/)Ý là năng lượng phụ thuộc thời gian được mang bởi

xung øa là tiết diện hấp thụ từ 1—>2, ø; là năng lượng photon, và Aa là diện tích

tiết điện của chùm tia trong bộ hấp thụ Sử dụng phương trình (1.12b) ta có thể viết

lại pt (1.12a) như sau [8] :

ot Tạ PT, ( )

Trong đó P.= Pov As (1 13b)

Ota

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

Số hạng mat mat I(t) phu thudc thoi gian ti 1é thuan voi mat d6 trang thai co ban cua

bộ hấp thụ N¡:

Trong đó I, là chiều đài môi trường hấp thụ

Ta sử dụng phương trình (1.13a) để xác định N,(t)trong hai trường hợp giới hạn

quan trọng Những trường hợp này được phân biệt bởi độ lớn thời gian tích thoát

r„ SO với độ rộng xung khóa mode (t,) Nếu r„<< í„ ta nÓI hấp thụ bão hòa nhanh

Trong trường hợp ngược lại r;>> í„ ta nói hấp thụ bão hòa chậm

Hấp thụ bão hòa nhanh: Khi r;<< í„ ta có thể đặt ~ =0 trong phuong trinh

(1 14a) Ta dê dàng tim ra N, [8]: Ị 1+|a(1Ÿ ⁄, (1.15 )

N, (t) va do d6 I(t) bién đổi tức thời v6i cudng dé laser |a/t)’ Sự hap thụ giảm cùng

với sự tăng cường độ laser Do đó đỉnh xung ở chế độ khóa mode sẽ ít mắt mát hơn

so với hai bên cánh của xung

Hap thụ bão hòa chậm: Khi r>> tp ta co thê đặt (N-N,)/t,*0, Voi diéu kién

nay, phuong trinh (1.13a) tro thanh [8]

ON, _— a(9[ N,

1 16 6t P,T, ( )

15

Với kết qua: N,(t) = Ne PN P< ye VN (1 17)

Ở đây v,” 1a d6 tich liy hap thu ban đầu ở mức 1 ngay khi có xung laser U() là

năng lượng xung tăng tới thời gian t, và „ là năng lượng hấp thụ bão hòa A, (t) va I(t) giảm đơn điệu trong suốt thời gian xung Mức độ bão hòa phụ thuộc vào năng lượng xung tích lũy Năng lượng bão hòa quan trọng trong trường hợp hấp thụ chậm trong khi đối với hấp thụ nhanh thì công suất bão hòa mới là quan trọng

Sau khi xung laser kết thúc mật độ hấp thụ giảm theo hàm mũ và quay trở lại điều kiện cân băng của nó, vì vậy sau khi xung laser kết thúc ta có [§] :

Trong đó U là năng lượng xung laser toàn phần, và xung trung tâm tại t=0 Môi trường hoạt chất: Ta phân tích môi trường hoạt chất bằng cách sử dụng mô hình bốn bức tương tự như trong hấp thụ Điểm khác biệt chính là bức xạ laser cộng hưởng với sự dịch chuyên mức từ 3—>4, và năng lượng bơm W điều khiến sự chuyên mức từ 1—>2 ra trạng thái cơ bản Với những giả thiết tương tự như trước ta

có phương trình cho môi trường hoạt chất [8] :

2

{ ẨN: _ w(y, —N,)—: _EẲ ) N, Ct tT Poto (1 20a)

Trong đó : Đ,= 6Á, ( 1 20b)

¿1g

Ở đây 6, là mật độ tích lũy toàn phần của ions, đặc trưng cho độ tăng ích, và N; là mật độ tích lũy ở mức 3, mức laser trên Độ tăng ích được cho bởi

g(1)=ø¿N, (0)1, ⁄2 , với Ï„ là độ dài trường hoạt chất

Trong trường hợp môi trường hoạt chất bão hòa chậm („>> tp) la rat quan trọng cho sự khóa mode tự động Trong trường hợp này độ tăng ích có dang :

g(t)= g”e 7011 (1 21a)

16

Trang 15

ø" là độ tăng ích trước khi có xung laser Sau khi có xung tăng ích được bù lại theo

hàm mũ để có giá trị tín hiệu nhỏ gọ, cho bởi phương trinh [8]:

g(t)= (ge Veg Je 4 g (1 22)

Ta thấy răng độ tăng ích bão hòa động học là không đáng kể Với các môi

trường như chất bán dẫn hoặc phân tử chất màu, trong đó +, là thời gian lặp lại

xung ( thông thường, nano giây ), độ tăng ích bão hòa động học ở phương trình

(1 21a) có thê đóng vai trò quan trọng trong chế độ khóa mode Tuy nhiên, khi rc

lớn hơn rất nhiều so với chu kì của xung Độ tăng ích bão hòa động học rất nhỏ,

mặc dù môi trường hoạt chất không bão hòa đặc trưng cho công suất trung bình [8]

1.2.2 Mode locking hấp thụ bão hòa chậm

Hàm tăng ích phụ thuộc thời gian g,()=g(/)-/(/)—-¡„ đóng vai trò quan

trọng trong lý thuyết về chế độ khóa mode hấp thụ bão hòa chậm ø, (:) phải dương

khi ở gần trung tâm của xung để tạo ra sự khuếch đại Trước và sau xung g,(t)

phải âm để nén các cánh của xung để tạo ra sự rút ngắn xung Ở trạng thái khóa

mode ôn định sự rút ngắn xung mỗi lần truyền phải cân bằng với sự mở rộng xung,

và độ tăng ích phải cân bằng với sự mắt mát để năng lượng xung được giữ không

đôi Hình 1.7 [8] thể hiện đồ thị cơ chế làm ngắn xung trong khóa mode với hấp thụ

bão hòa chậm Trước khi xuất hiện hao phí vượt quá độ khuếch đại, vào thời điểm

này xung bị ảnh hưởng bởi sự khuếch đại xung, sau đó khi độ khuếch đại của xung

bắt đầu bão hòa, thì kết quả là độ khuếch đại giảm xuống dưới hao phí Tổ hợp

tranh thai bao hoa cua g(t) va I(t) dẫn đến một vùng khuếch đại tịnh ở trọng tâm

xung Sự mất mát bão hòa l(t) được viết [8] :

Hình 1.7: Quá trình rút ngắn xung trong mode-locking bão hòa chậm [8]

Voi /{°’ la giá trị tín hiệu nhỏ của mất mát phi tuyến U là tổng năng lượng xung ,

và T là thời gian đi một vòng buồng cộng hưởng Theo lý thuyết Haus, giả sử rằng

bộ hấp thụ bão hòa khôi phục cơ bản hoàn toàn, do đó :

Đây là giả thiết hợp lí đối với hầu hết laser màu ps Tương tự, độ khuếch đại được

Ở đây đã sử dụng khai triển chuỗi Taylor bậc một, từ hình 1.7 [8] độ khuếch đại bão hòa nhỏ hỏn so với hao phí và từ đó khai triển bậc một cho độ khuếch đại là đủ để

mô tả vùng khuếch đại tịnh Độ khuếch đại ban đầu g°` liên hệ với độ khuếch đại

-U/Ug

tin higu nhé g, boi hé thie: g =¢, 4+ (ge — g, Jet’ (1 27)

Ta nhận thấy rằng: Đầu tiên, độ khuếch đại tịnh gø„(/) phải nhỏ hơn 0 cả phần

trước và sau của xung dé cho su 6n định, do đó :

18

Trang 16

Đề laser tự khởi động, sự khuếch đại tín hiệu nhỏ phải vượt quá sự hao phí

Do đó, so sánh với (1.26a) ta thấy rằng g0 <øạ Điều này có nghĩa là độ khuếch

đại không phải khôi phục hoàn toàn giữa các xung

Để đạt được vùng khuếch đại tịnh, hấp thụ phải bão hòa trước khi khuếch

l Si g0) 7)

đại, nghĩa là : oH < Se ( 1 30)

Us U,

Voi diéu kién 1a tiét dién khuéch dai va hap thu (o¢,0,) c6 thé so sanh, diéu kién

này có thé dat duoc bang cách tập trung hội tụ vào hấp thụ Mặc dù có thê đáp ứng

đồng thời tất cả những điều kiện này, thì vẫn cần phải lựa chọn sự phù hợp giữa môi

trường khuếch đại và môi trường hấp thụ

Một sơ đồ điển hình của laser khóa mode sử dụng hấp thu bão hòa chậm là laser

mau dạng vòng khóa mode bang va cham xung (CPM) [8]

bổ sung cải thiện hiệu quả của quá trình làm ngắn xung bởi khóa mode bị động hấp thụ bão hòa chậm Một buồng cộng hưởng vòng có thê hỗ trợ hai xung cùng một lúc, một xung theo chiều kim đồng hồ và một kim theo chiều ngược lại Đó là điều thuận lợi nhất cho hai xung này gặp nhau hoặc va chạm trong dòng phun chất hấp thụ Giao thoa dạng sóng đứng được tạo ra, khi đó các xung chồng lên nhau trong

vùng hấp thụ khiến năng lượng bị mắt là nhỏ nhất bởi vì hấp thụ bão hòa là lớn nhất

ở nơi mà môi trường quang học là mạnh nhất và nhỏ nhất ở trường quang học bằng không của hình giao thoa Để sử dụng hiệu ứng này tốt nhất, ống phun được sử dụng để sản xuất ra dòng chất màu hấp thụ có độ dày dưới vài chục micromet (So với vài trăm micromet cua dong chat mau khuếch đại), phù hợp với độ dày hấp thụ trong phạm vi không gian của vùng va chạm xung Dạng hình học của xung va chạm tăng cường cơ chế hấp thụ bão hòa, dẫn đến xung ngắn hơn và sự ôn định tăng lên Sự sắp xếp bốn lăng kính dưới góc Brewster được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu và độ lớn của tán sắc vận tốc nhóm trong buồng cộng hưởng Sự tối ưu hóa laser CPM dẫn đến xung thời gian ngắn 27fs, trong chế độ hoạt động này Trong buông cộng hưởng xung bị nén do tác động tán sắc phối hợp với tự điều biến phase với nhau trong dòng chất màu xuất hiện để bố sung cơ chế rút ngắn xung gây ra do

sự bão hòa

1.2.3 Mode locking hấp thụ bão hòa nhanh

Hấp thụ bão hòa nhanh duoc str dung cho mode — locking chu yéu 1a dé tao

ra xung pico giây với hệ thống laser trạng thái rắn có dải tương đối hẹp, hoặc là sử dụng chất màu hấp thụ nhanh đồng thời khóa mode bị động, hoặc sử dụng chất bán

dẫn hấp thụ bão hòa cho chế độ khóa mode ôn định

Kĩ thuật này thường được áp dụng với laser trạng thái rắn với hệ số khuếch

đại thấp và thời gian phục hồi dài ( thời gian z„ từ micro giây đến mili giây )

20

Trang 17

Sự bão hòa khuếch đại động trong thời gian xung là rất nhỏ, do đó ta thay g(£) bằng

một giá trị không đổi cho độ khuếch đại bão hòa, ø là hàm của độ khuếch đại tín

hiệu nhỏ øọ - công suất laser trung bình theo thời gian Sự hao phí phụ thuộc thời

gian I(t) duoc cho bởi phương trình [8] :

Trong d6 / =/ sat 1a gid tri tin hiệu nhỏ của mắt mát bão hòa, đó là bậc nhất của

cường độ la()[ được mở rộng Điều này là hợp lý nếu công suất khóa mode vẫn

còn đủ dưới công suất bão hòa Pa Một điểm khác biệt ở đây là ta giả sử rằng độ

khuếch đại không phụ thuộc tần số, trong khi trước đây giả sử rằng băng thông

khuếch đại hữu hạn đóng vai trò chính trong việc hạn chế băng thông

Kết quả phương trình mode locking như sau[8]:

Số hạng cuối cùng tỉ lệ với la(t)

Ở các cánh của xung khi mà la()[ rất nhỏ, số hạng SAM này gần băng không và

xung suy giảm theo hàm mũ, như ở trong phân trước

Như trước đây, xung Secant hyperbolic là nghiệm của phương trình mode locking,

P

Thay phương trình (1 33) vào phương trình (1 32) với điều kiện các hệ số

mũ, các số hạng kết quả sech(t/t,), sech(t/t,) tanh (1/1,), va sech*(t/t,)

Phương trình (1 34c) cho biết không có sự thay đổi thời gian phát sinh từ

quá trình SAM nhanh Đề thỏa mãn phương trình (1 34a) ta thấy răng độ khuếch

đại trước và sau xung phải nhỏ hơn 0 Thực tế, đây là một điều kiện ôn định, vì nếu

độ khuếch đại tịnh đương đạt được trước và sau xung, nhiễu loạn trước và sau xung

sẽ tăng lên về biên độ Hình 1.9 [8] thể hiện đường cong khuếch đại tịnh đương

tương ứng với những quan sát này

Từ phương trình (1.34b) ta thấy răng cường độ đỉnh khóa mode tỉ lệ nghịch với độ rộng xung vuông Năng lượng xung (2z, tỉ lệ nghịch với /, Để xác định được thực sự cường độ và độ rộng xung, thay phương trình (1.35b) vào phương trình

1 a2

22

Trang 18

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

§0

1/2 1 () „2

Ta thu được[8]: — /+/- 14( 244] 10) o,P,T 24, , _! a 2P, (1.37)

Với (7) =2đt „T7 là công suất trung bình của laser Ta thấy rằng cường độ của số

hang SAM lam ngăn xung và khóa mode tỉ lệ với công suất xung la(2)[ Ta có thê

kết luận rằng cường độ của SAM tỉ lệ nghịch với độ rộng xung Khi xung trở nên

ngắn hơn trong suốt quá trình hoạt động khóa mode, việc làm ngắn xung trở nên

hiệu quả hơn Kết quả là, khóa mode hấp thụ nhanh có thể hỗ trợ xung cực ngắn

1.3 Laser Ti:sapphire (Short-Pulse Ti:sapphire Laser)

Laser Ti: sapphire là loại nguồn laser phổ biến nhất dùng cho xung femfo giây Các

đặc tính của Ti:sapphire làm nó trở thành nguồn xung cực ngắn

Điêu chỉnh Bước sóng

Các thiết lập của buồng cộng hưởng thường ở chế độ tuyến tính, chỉ gồm 1 thành phần hoạt chất Ti:sapphire, gương và thành phần tán sắc Phần sau có thê là cặp lăng kính hoặc gương tán sắc âm, hoặc cấu trúc bộ cộng hưởng Điều khiến tán sắc bằng lăng kính hoặc gương có thê dẫn tới việc tạo ra các xung ngắn hơn 12 fs trong vòng 90s đầu tiên Công suất đầu ra có thê đạt tới hàng trăm mW với công

suất laser kích thích nhỏ hơn 5W Đôi khi, để phát xung đầu tiên hoặc duy trì vùng

ôn định xung, một bộ hấp thụ bão hòa, một điều biến quang, một bộ gương và một bơm đồng bộ kích thích được sử dụng

Cơ chế khóa mode phổ biến nhất như trong hình 1.10 là cặp thấu kính Kerr khóa mode Mode được điều chỉnh bằng cách sử dụng hiệu ứng của cặp thấu kính trong thanh khuếch đại Ti:Sapphire từ đó tạo nên sự trùng lặp lớn hơn với chum tia

Vì vậy đạt được hệ số khuếch đại cao cho công suất xung đỉnh Trong khi dùng thấu kính Kerr với sự kết hợp khe điều chỉnh chùm tia cứng hoặc mềm để khóa mode, thi

sự liên tục của SPM và tán sắc bậc hai lại có tác dụng nén xung Cặp lăng kính cung cấp một công cụ rất tiện dụng đề thay đổi độ tán sắc tới một giá tri can bang SPM, bằng cách dịch lăng kính tới phần của chùm tia, được vẽ trên hình 1.10

Thời gian xung ngắn nhất, được xác định bằng các tán sắc bậc cao, được tạo bởi từ vật liệu lăng kính, từ tinh thể Ti:sapphire và từ lớp mạ gương Đề giảm thiếu tán sắc

bậc 3 từ môi trường khuếch đại, chiều dài tinh thể ngắn (2mm-4mm) với hàm lượng

trộn tối đa và với chất lượng chấp nhận được của T¡:sapphire thường được sử dụng

Để tạo được xung ngắn nhất thì thường dùng lăng kính thạch anh bởi vì tán sắc bậc

ba của nó rất nhỏ Tuy nhiên, bởi vì tán sắc bậc 2 của thạch anh cũng nhỏ nên xung ngắn nhất được cân bằng tôi ưu một lần nữa theo thời gian chạy, bởi vì khoảng cách giữa các lăng kính phải lớn (>1m) để đạt được tán sắc âm

24

Trang 19

Một lựa chọn khác dành cho vật liệu lăng kính là LaK1ó, loại vật liệu chịu

được các tán sắc bậc 2 đề tạo ra các tán sắc âm với khoảng cách giữa các lăng kính

vào khoảng 40-60 em Các lăng kính tán sắc cao như SF10 và SF14 được sử dụng

khi mà các tán sắc trong các phần tử của phần khuếch đại phải cân bằng với các tán

sắc âm Một vài “nhóm điều khiển” được thể hiện như trong hình 1.10 Sau khi đi

qua các lăng kính lần lượt từ trái sang phải, rất nhiều bước sóng tạo ra xung bị rời

theo phương vuông góc, trước khi va vào gương Khe điều chỉnh chùm tia giữa lăng

kính cuối cùng và gương cuối được sử dụng một là để điều chỉnh xung hẹp, hai là

đề điều chỉnh đỉnh xung Độ nghiêng nhỏ của gương có thể được thực hiện với phần

tử áp điện, có thê được sử dụng để thay đổi vận tóc nhóm mà không ảnh hưởng tới

chiều đài buồng cộng hưởng quang học tại tần số xung trung bình (không dịch

chuyên tần số) [15]

25

CHUONG 2 - LASER MAU XUNG CUC NGAN

2.1 Xung laser mau Laser màu hữu cơ mode-locking sử dụng đầu ra của một laser mode-locked như một bơm quang học, bơm theo cách này cung cấp sự điều biến cần thiết cho mode-locking băng cách thay đổi nhanh chóng môi trường hoạt chất một cách tuần hoàn Xung bơm với thời gian ps có thể cung cấp công suất cao bởi laser thủy tinh :

Nd (2=1,06um) và laser ruby (^=694,3nm), nhờ nhân đôi tần số những laser này tao

ra các xung tương tự nhau ở 530m và 347.2 nm Do do, kĩ thuật bơm laser mode- locked có thể sử dụng để thu được xung laser màu cực ngắn ở một số bước sóng khác nhau

Thí nghiệm đầu tiên sử dụng bơm mode-locked, bằng cách nhân đôi tần số laser thty tinh: Nd khi bom cho laser rhodamine 6G va rhodamine B Buồng cộng hưởng quang học của laser màu được điều chỉnh chiều dài để đồng bộ với xung bơm mode-locked Khi chiều dài buồng cộng hướng laser màu /¿ bằng với chiều dai /, của bộ cộng hưởng bơm, sẽ quan sát được đoàn xung với chu kì bằng chu kì của xung bơm, vị trí đặt cuvet màu là ở cuối của buồng cộng hưởng Với việc bộ cộng hưởng bơm và buồng cộng hướng laser màu có chiều dài bằng nhau quan sát được hai xung quang học ứng với mỗi xung bơm Một trong hai xung sẽ có cường độ mạnh hơn so với xung kia bởi vì các xung đi theo hai hướng ngược nhau trong buông cộng hưởng sẽ đến cuvet màu cùng nhau chỉ một lần trên mỗi xung bơm Với

cuvet màu đặt ở vị trí trung tâm của buồng cộng hưởng và /, =(m⁄n)! „ trong đó

m/n=1,2/3,1/2; thu được 2(m/n) xung cho mỗi xung bơm Điều chỉnh bước sóng của laser màu mode-locked bằng cách sử dụng một cách tử xoay như gương phản xạ cuối của buồng cộng hưởng và bằng cách trộn hai chất màu laser để thay đổi đỉnh

độ khuếch đại

Điều biến trực tiếp mất mát trong buồng cộng hưởng cũng được sử dụng cho laser màu mode locked Với một bộ điều biến trong buồng cộng hưởng của laser coumarin được bơm băng đèn flash, xung mode-locked với độ rộng vải trăm ps

26

Trang 20

được tạo ra ở bước sóng 460 nm Đoàn xung trong khoảng vài micro giây và quan

sát được xung ngắn nhất ở cuối của đoàn xung

Phương pháp thành công nhất để khóa mode hệ thống laser thủy tinh: Nd và

laser ruby là mode-locking bị động với một chất hấp thụ bão hòa Mode-locking bị

động của một laser màu hữu cơ được báo cáo lần đầu tiên bởi SCHMIDT và

SCHAFER Họ đã quan sát được mode-locking của laser màu Rh 6G bơm bằng đèn

flash sử dụng chất màu hữu cơ như chất hấp thụ bão hòa quan sát thấy sự phát xạ

gồm một đoàn xung với khoảng cách bằng nhau c/2L tần số lặp lại là IGHz, nhưng

xác định độ rộng xung trong thí nghiệm đầu tiên này bị giới hạn bởi độ rộng dải của

photodiode va dao déng ky (0.4 ns) Chat hap thu bao hoa (DODCI) duoc st dung

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

Sơ đồ của một laser màu mode-locked bị động được minh họa ở hình bên

dưới Hộp màu khuếch đại được bơm bang đèn flash Tất cả bề mặt hoặc là ứng với

góc Brewster hoặc hình nêm dé ngăn chặn sự cộng hưởng etalon Dung dịch màu

mode-locking được đặt bên cạnh gương cuối của buồng cộng hưởng, đây được xác

định là vị trí tốt nhất, cach tir phan xa duoc str dung dé lọc lựa bước sóng [18]

Mode-Locking Cách tử

Hình 2.1: Sơ đồ laser màu mode-locking bơm bằng đèn Flash[ 18J

2.2 Mode- Locking của laser màu Đặc điểm nỗi bật nhất của laser màu hữu cơ là khả nang tao ra các xung cực ngắn Laser màu cũng là thiết bị duy nhất hiện nay có thê sản xuất ra xung liên tục, lặp đi lặp lại cao Phương pháp mà xung cực ngắn được tạo ra trong laser được gọi

là mode- locking Một laser bao gồm buông cộng hưởng quang học được hình thành bởi các gương và một môi trường hoạt chất laser bên trong buồng cộng hưởng Mặc

dù môi trường hoạt chất xác định bước sóng hoạt động của laser, tính chất của buông cộng hưởng xác định chính xác hơn tần số laser Thông thường bộ cộng hưởng gương cong hỗ trợ biến đổi mode laser, có thể có sự phân bố thường khác biệt vuông góc với trục của buồng cộng hưởng (mode ngang) Mỗi mode ngang này lại có một tập hợp các tần số riêng (mode dọc ) được tách ra từ tần số bởi một lượng c/2L, trong đó L là chiều đài quang học và c là vận tốc ánh sáng Nói chung có thê

để khẩu độ cộng hưởng như vậy để phân biệt tất cả các mode ngang ngoại trừ bậc thấp nhất có công tua đơn giản dạng Gauss Khi sử dụng hình thức chọn lọc tần số hoặc buồng cộng hưởng cực ngắn, công tua Gausian laser phát ra vẫn bao gồm một

số khoảng tần số (c/2L) cách đều nhau Một số dao động bị giới hạn bởi độ rộng dải

Ay ma khuếch đại laser vượt qua mất mát của buồng cộng hưởng Quang pho laser phát ra được minh họa trong hình bên dưới [12]

Trang 21

Vì đầu ra của laser bao gồm một số thành phân tần số, rõ ràng là biên độ đầu

ra của laser có thể thay đổi theo thời gian theo nhiều cách khác nhau phụ thuộc vào

phase tương đối và biên độ của các thành phần tần số, nêu không có các tham số cố

định này, các biến động ngẫu nhiên là nguyên nhân làm cho đầu ra thay đôi theo

thời gian mặc dù công suất trung bình vẫn còn tương đối ôn định Mặt khác, nếu các

mode theo một cách nào đó buộc phải duy trì phase cố định và sự phụ thuộc biên

độ, đầu ra sẽ là một hàm xác định theo thời gian và laser được gọi là “mode-locked”

, mode-locking có thê sinh ra một biên độ biến điệu mạnh đầu ra bao gồm một đoàn

xung với khoảng cách đều đặn Xung có độ rộng At gần bằng nghịch đảo của tổng

độ rộng dải mode-locked Av va tuần hoàn với chu kì T=2l/c Đó là tỉ số của độ

rộng xung với chu kì gần bằng số lượng các mode bị khóa Đầu ra của laser mode-

locked được minh họa trên hình 2.2b Trong buồng cộng hưởng laser ở trạng thái

này tương ứng với một xung đơn truyền đi qua đi lại giữa các gương và mỗi khi đi

được một vòng laser sẽ phát Cũng có thể tạo ra nhiều xung (nhiều hơn một xung

trong buồng cộng hưởng) bằng cách khóa mode với nhiều khoảng cách đều đặn

c/2L [12]

Có thê thu được xung ngắn chỉ với một laser mode- locked nếu độ rộng dải

khuếch đại tương đối rộng Ví dụ độ rộng dải của laser khí chỉ vào khoảng

10° -10' Hz lién két với xung dài hơn 10'°s(100ps) laser thủy tính: Nd ở trạng thái

rắn có độ rộng dải hơn 10? Hz và có khả năng sinh ra các xung với cấu trúc đưới ps

Điều thú vị nhất là có thể quan sát được dải phát xạ của laser màu cũng được mở

rong (10 - 100mm =10" -10'*Hz ) va ngwoi ta có thê nhận được các xung ps mà vẫn

có thể điều hưởng được bước sóng tự do Phạm vi thu được các xung ps từ laser

màu có phổ liên tục từ 560- 700 mm

Có một số nguyên nhân cho việc tại sao gặp khó khăn trong việc sinh ra

xung ngắn hơn ps mặc dù có đủ độ rộng dải cần thiết Khó để đạt đựoc quang phổ

mode đồng đều với khoảng cách đúng bằng c/2L trên một quang phô rộng như vậy

cùng với sự tán sắc cộng hưởng và sự cạnh tranh mode trong môi trường hoạt chat

Một loạt các hiệu ứng phi tuyến trong các yếu tô laser khác nhau cũng có xu hướng

làm xung mở rộng theo thời gian và làm biên dạng phô tân sô của nó, nêu quang

29

phổ mode dao động lớn hơn so với yêu cầu để có thể quan sát được xung ra của laser, trạng thái này khá phức tạp Có thể có một mức ra thấp liên tục giữa các xung, không quan sát được sự dao động tạp âm trong hình bao xung, hoặc sự nhòe tần số trong suốt thời gian xung truyền Tạp âm ở đây dẫn đến một sự thiếu kết hợp trong xung và gây ra tính toán sai lầm về độ rộng của xung dựa trên các phép đo phi tuyến Điều này có thê được loại bỏ bằng cách tính toán rất cân thận, giới hạn độ rộng dải đao động, và hoạt động ở công suất thấp Biến đổi Fourier một cách chính xác sự liên quan giữa độ rộng dải Av và độ rộng của xung At phụ thuộc thực tế vào hình dạng xung, vd giới hạn biến đổi hình đạng xung Gaussian có AvAt=0,441 trong khi xung Lorentzian có AvAt=0,6 Theo qui ước Av và At được chọn ở khoảng giữa toàn bộ độ rộng tại một nửa gia tri cuc dai (FWHM)

Có thê cho một laser tự khóa mode thông qua tác dụng phi tuyến của chính môi trường hoạt chất, điều này cần thiết phải đưa vào một lực điều khiển từ bên ngoài hoặc thêm vào một yếu tô phi tuyến để đạt được mode- locking tốt hơn Lý

thuyết nghiên cứu về bộ điều biến bên trong đã được giới thiệu bởi HARRIS (1966)

.Bộ điều biến bên trong của laser ở tần số c/2L, hoặc bởi một trường ngoài hay bởi tác dụng phi tuyến giữa hai mode, tạo ra các dai tan số ở hai bên của mỗi mode dao động Những dái tần số này gần trùng khớp với nhau và với các mode cộng hưởng liền kề Để thu được xung ngắn đòi hỏi phải có sự điều biến tương đối mạnh để các mode dao động với độ rộng dải lớn

Có nhiều cách khác nhau để đạt được mode-locking, hầu hết các cách này đều sử dụng bộ điều biến bên trong buồng cộng hưởng laser Một bộ điều biến được đặt ở cuối của buông cộng hướng laser và điều khiên tần số mode dọc- khoảng cách c/2L tạo ra sự phân tách mode cần thiết cho việc khóa mođe Trong miễn thời gian,

có thể nói rằng có sự xuất hiện xung bởi vì chúng có thể đi qua bộ điều biến nhanh nhất và mắt ít thời gian nhất Đặt bộ điều biến ở những vị trí khác trong buông cộng hưởng thay vì đặt ở cuối, cũng có thể tạo ra mode-locking nếu điều khiến tần số phù

hợp Nhược điểm chính của kĩ thuật điều biến là nó đòi hỏi tần số điều khiến cực kì

ôn định tương ứng với chiều dài buồng cộng hướng Sự điều biến bên trong không tạo ra xung cực ngăn trong chê độ khóa mode của laser màu

30

Trang 22

Thay vì thêm vào một nguồn mất mát hoặc biến điệu phase người ta cũng có

thê điều chỉnh độ khuếch đại Trong khi phương pháp này không được sử dụng

nhiều trong hầu hết các hệ thống laser, nó có thể đặc biệt phù hợp với laser màu Vì

laser màu được bơm quang hoc va co dai hap thụ rất rộng, laser màu có thê được

điều khiển bởi laser mode-locked khác Tuy nhiên, cần phải điều chỉnh chiều dài

buông cộng hưởng của laser màu cho phù hợp với chiều đài của laser bơm mode-

locked Kết quả là xung laser màu có thể băng hoặc ngắn hơn so với xung bơm

Xung ps với các bước sóng khác nhau đã thu được theo cách này

Kĩ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để tạo ra xung ngắn mode-locking liên

quan đến việc sử dụng chất hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng laser

Chất hấp thụ bão hòa là một loại vật chất mà sự hấp thụ của nó bị giảm khi cường

độ ánh sáng tăng lên Một xung ngắn, công suất cao, trong quá trình hấp thụ mất

mát ít hơn so với một xung dài, cường độ nhỏ hơn khi có cùng năng lượng

Chất hấp thụ bão hòa được sử dụng thành công nhất để tạo ra xung ngắn

mode-locking là chất hữu cơ trong dung dịch lỏng Trong buồng cộng hưởng laser

chất hấp thụ bão hòa thường được đặt ở cuối để giảm hiệu ứng xung bội Sắp xếp về

mặt vật lý bao gồm một lớp mỏng dung dịch hấp thụ bão hòa tiếp xúc trực tiếp với

gương cuối của buồng cộng hướng Cường độ sáng đòi hỏi để có sự hấp thụ bão hòa

trong chất màu hữu cơ là khá cao Vì thế trong các hệ thống xung laser sử dụng

mode-locking đã hạn chế công suất cao Gần đây chất hấp thụ bão hòa được sử

dụng rộng rãi để laser hoạt động liên tục bằng cách thiết kế trong buồng cộng hưởng

sao cho ánh sáng tập trung chiếu vào chất hấp thụ

Trong buồng cộng hưởng laser dạng vòng hai xung sáng có thê truyền ngược

nhau, theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ Chất hấp thụ bão hòa

được chọn với nồng độ sao cho nó chỉ đạt bão hòa khi hai xung có mặt đồng thời Kết quả là, hai xung tự động đồng bộ đường đi của chúng trong buồng cộng hưởng

để vượt qua chất hấp thụ bão hòa Kết quả sự chồng chập của hai xung là một sóng đứng chuyên tiếp, tạo ra một phase chuyền tiếp và điều chế biên độ Một phần ánh sáng của mỗi xung nhiễu xạ trở lại vào các xung khác bởi sự điều chế này, cải thiện chế độ khóa mode Sự khuếch đại hai xung đối xứng trong môi trường hoạt chất và hấp thụ bão hòa được đặt trong buồng cộng hưởng theo sơ đồ hình 2.4[ 10]

32

Trang 23

Khuếch đại

Hấp thụ bão hòa

Hình 2.4: Vòng tuân hoàn của xung sáng trong laser CPMỊ10]

Môi trường hoạt chất được đặt ở 1⁄4 tông chiều dài buồng cộng hưởng L từ

vị trí chất hấp thụ bão hòa, tông thời gian bơm L2c là giống nhau cho cả hai xung

Trong laser màu khóa mode bị động, khóa mode trong điều chế biên độ được

tạo ra bởi chính các xung sáng Khi các xung sáng ở bên trong môi trường hoạt chất

và môi trường hấp thụ bão hòa bằng cách nào đó chúng tạo ra một sự điều chế biên

độ tuần hoàn theo thời gian thông qua độ khuếch đại và bộ hấp thụ bão hòa Chu kì

điều chế trùng hợp chính xác với thời gian xung đi vòng quanh buồng cộng hưởng,

Lic ( trong đó L là chu vi của buồng cộng hưởng đạng vòng )

Một cải tiến lớn trong kĩ thuật tạo ra xung ngăn là đã đưa vào một máy nén

lăng kính quang học bên trong buồng cộng hưởng laser CPM để bù trừ tán sắc vận

tốc nhóm Cách tử là thiết bị tôn hao quang học bởi vì xảy ra rất nhiều sự nhiễu xạ

trên bề mặt cách tử Trong khi cần ít nhất hai cách tử cho việc hiệu chỉnh phase, một

máy nén Treacy (máy nén cách tử) không thể sử dụng trong buồng cộng hưởng

laser bởi vì nó gây ra nhiều mất mát Máy nén lăng kính quang học được thiết kế

ban đầu như các thiết bị trong buồng cộng hưởng Điều này có thể thực hiện bởi

thực tế là góc ở đỉnh của một lăng kính với việc chọn chiết suất sao cho một tia đi

qua lăng kính ở góc lệch tối thiểu cũng rơi vào bể mặt ứng với góc Brewster Ở góc

lệch nhỏ nhất không có sự biến đạng hình học của một chùm tia khúc xạ qua một

33

lăng kính Không đạt được ở góc lệch cực tiểu sẽ làm sai lệch chùm tia và điều này

có hại đến yếu tô chất lượng buông cộng hưởng Khi sử dụng ánh sáng phân cực trong mặt phẳng tuyến tính, sự phản xạ từ bể mặt ở góc Brewster hau nhu bang không đo đó hạn chế được mất mát trong buồng cộng hưởng

Thông số tán sắc của máy nén lăng kính liên quan đến đạo hàm bậc hai của

2d?p cLa7?

L là quãng đường hình học của ánh sáng và P là quang trình Với kính thủy quang trình tương ứng với bước sóng[ 10] : D= (2.1)

tinh silica — =1.0354—//7.481.10 3), với I là khoảng cách giữa hai lăng kính 2 ( do bang cm) va 2 là bước sóng (đo băng z) Khi /=73.8em , bốn lăng kính được sắp theo thứ tự như trên hình 2.3 không bị tán sắc, trong khi /=25cm la đủ dé bu cho việc thêm vào một miếng mỏng silica trong buồng cộng hưởng laser Lăng kính được đưa vào trong buông cộng hưởng laser với mục đích chính là cân bằng hiệu ứng tán sắc tuyến tính và do đó đạt được khoảng thời gian ngắn hơn, thời gian đo được ngắn nhất là 27fs Ngoài làm giảm khoảng thời gian của xung việc thêm vào một máy nén lăng kính cũng làm thay đổi đáng kế hoạt động của laser CPM Một xung sáng truyền trong laser CPM cân bằng lần lượt gặp môi trường hấp thụ bão hòa và máy nén quang học Sự tự điều biến phase, có chirp xảy ra trước, trong khi tán sắc vận tốc nhóm âm được gây ra sau Để laser làm việc ôn định, hai hiệu ứng này phải bù trừ nhau một cách chính xác

Một trong những hạn chế của laser CPM là xung tạo ra còn yếu công suất

trung bình có giá trị khoảng vài chục mW với tốc độ lặp lại là 100 MHz Điều này

tương ứng với năng lượng cho mỗi xung chỉ vài chục pJ, và đỉnh công suất không lớn hơn vài trăm W [10]

34

Trang 24

2.4 Quá trình tạo chirp

Trong trường hợp độ rộng xung sáng nhỏ hơn tần số trung tâm của xung thì

khái niệm bao hình xung và tần số mang, cường độ điện trường được biểu dién [4]:

E(t)=A(t)e 1a bao hinh dang phitc A(t), # (t) là biên độ và pha tức thời của

xung sáng

dP(t)

O, : Tan số tức thời tại đỉnh cực đại hay gọi là tần số trung tâm

Nếu xung bị biến điệu pha: ØĐ (1) # const

Néu We phu thudc thoi gian thi xung bi chirp phi tuyén

Giá tri trung binh ctia su diéu bién phase duoc xac dinh béi biéu thức [4]:

jru “9

—0œ0 +

Trang 25

CHUONG 3 - ANH HUONG CUA CHIRP TAN SO VA SU TAN SAC BOI

VOI XUNG DANG SUPER GAUSS TRONG BUONG CONG HUONG

LASER MAU CPM

3.1 Xung Super Gauss

Vi độ rộng dải phô xung fs rất rộng nên không thể bỏ qua sự thay đổi của

chiết suất đối với các thành phần phố khác nhau vì các thành phần phô không còn

lan truyền với cùng một vận tốc, mà chiết suất lại phụ thuộc vào tần số hay bước

sóng của ánh sáng tới Sự mở rộng của đầu và đuôi xung do ảnh hưởng của hiện

tượng tán sắc và sự tự điều biến phase, xung càng đốc thì sự mở rộng cảng lớn với

những lan truyền đơn giản đo có phố mở rộng cùng một lúc Các xung được phát ra

bởi sự biến điệu trực tiếp của các laser bán dẫn thì việc minh họa bởi xung Gauss là

chưa đủ, để mô tả ảnh hưởng của độ dốc của đầu và đuôi xung lên sự mở rộng xung

đo tán sắc người ta sử dụng dạng xung Super Gauss

Phương trình của xung Super Gauss có dạng [13] :

Xung super gauss m=10

T,=(In9) >5

Như vậy tham số m có thể được xác định từ phép đo của T; va To

Sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào tần số dẫn tới xung bị mở rộng bởi vỉ mỗi thành phần phổ khác nhau sẽ đến đầu ra không cùng một lúc Nếu Ao là độ rộng phô thì độ mở rộng thêm của xung sau khi qua sợi quang có chiều đài L là [13]

Øy Ƒ'(3⁄2m)1; T(3⁄/2m)7 \ 7

ở đây 7' là hàm gamma

38

Trang 26

3.2 Khảo sát sự biến dạng xung khi qua môi trường hấp thụ bão hòa

Trong buồng cộng hưởng laser CPM có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình tạo xung như là: ảnh hướng của chất hấp thụ bão hòa, ảnh hưởng của các yếu

tố tán sắc trên lăng kính, cách tử, ảnh hưởng của môi trường hoạt chất, ảnh hưởng

do sự phản xạ trên gương trong luận văn này chỉ tập trung xét ảnh hưởng của

chất hấp thụ bão hòa và môi trường hoạt chất lên dạng xung Super Gauss khi có

chirp phi tuyến

Xét chất hấp thụ bão hòa được đặt trong một buồng cộng hưởng laser màu

đạng vòng khóa mode bị động băng va chạm xung như sau:

Tỷ : thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại

7: là khoảng thời gian đi một vòng buông cộng hưởng

Giả sử buồng cộng hưởng laser màu dạng vòng khóa mode bang va cham

xung gồm một môi trường hấp thụ bão hòa và một môi trường khuếch đại Trong

đó, chất hấp thụ là dòng phun dung dịch chứa chất màu Rhodamine 6G (RhóG)

cũng được hòa tan trong ethylene glycol có nồng độ thích hợp với tốc độ chất màu

Hoạt chất được kích thích bởi laser Argon CW có công suất khoảng (3-7 W) với

Nếu chỉ cần lệch đi một ít, khi đó khoảng cách chất hấp thụ và môi trường khuếch đại không bằng L/2 thì hai xung đến môi trường khuếch đại từ hai phía không đồng

thời, chúng tương tác lẫn nhau trong môi trường khuếch đại và sẽ được khuếch đại khác nhau, tạo ra sự không ồn định khi quay lại gặp nhau trong chất hấp thụ bão hòa

Do đó ta chọn bang L/4 thì hai xung được khuếch đại cách nhau khoảng thời gian bằng nửa thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng Nếu bị lệch đi một ít, tức là khoảng cách chất hấp thụ và môi trường khuếch đại khác L⁄4 thì cũng không anh hưởng đến sự khuếch đại vì trong thời gian đó các nguyên tử sau khi bức xạ xuống trạng thái cơ bản đã kịp chuyên lên trạng thái kích thích và việc chọn này cũng thỏa mãn điều kiện giao thoa của hai xung trong chất hấp thụ bão hòa [7]

Cơ chế tạo thành xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng

Khi tia laser bơm đã vượt quá ngưỡng phát laser thì trường tia laser phát ra sẽ bao gồm một sự chồng chấp thống kê của nhiều đỉnh thăng giáng theo thời gian do tác động của tạp âm Chất hấp thụ bão hòa ưu tiên cho những thăng giáng mà ở đó có cường độ cực đại vì đối với những nhóm thăng giáng này do có sự bão hòa của chất hấp thụ nên sự mắt mát là ít nhất Cứ như vậy các thăng giáng khác sẽ bị hạn chế và cudi cung tao thanh mot xung cuc ngan Do sự cùng tác dụng của sự giảm khuếch đại và sự bão hòa của chất hấp thụ lên xung sẽ làm xuất hiện một chế độ trung tâm

là có khuếch đại

Sự tương tác xung trong chất hấp thụ bão hòa

Khảo sát buồng cộng hưởng của laser dạng vòng, trong đó đồng thời có mặt hai xung laser truyền ngược chiều nhau Giả thiết rằng chất hấp thụ bão hòa có chiều

đài L„ tiết điện hấp thụ hiệu dụng ơ và chất hấp thụ bão hòa được xét với hệ nguyên

tử có giản đồ ba mức năng lượng như hình vẽ dưới Khi truyền ngược nhau, các xung sẽ va chạm với nhau và kích thích các nguyên tử từ trạng thái cơ bản 1 chuyển

40

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	14,23 MB