ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG VA CHẠM XUNG

Bố cục luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Laser xung cực ngắn Chương 2: Laser màu tạo xung cực ngắn bằng phương pháp bị động Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của chirp và tán sắc đối với xung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Quyết Thắng

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG

VA CHẠM XUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Quyết Thắng

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG

VA CHẠM XUNG

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 60440109

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN

CƠ QUAN: TRƯỜNG ĐHKHTN HÀ NỘI

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Quang Lượng

Tử, các thầy cô trong và ngoài trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trịnh Đình Chiến, người đã luôn tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Văn Bền, người đã đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập!

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Quyết Thắng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

a0: Biên độ cực đại của xung

1 ,n ,n

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

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

g

n : Chiết suất nhóm

SPM: Sự tự biến điệu pha (Self - phase modulation)

GVD: Sự tán sắc vận tốc nhóm (Group-Velocity dispersion)

SAM: Sự tự biến điệu biên độ (Self - amplitude modulation)

CPM: Laser màu khóa mode bị động bằng va chạm xung (Colliding Pulse Mode-Locked)

 : Thời gian tích thoát (hồi phục ngang)

 : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Mối quan hệ về thời gian xung và cường độ xung trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa ……….……… ….……41 Bảng 3.2: Mối quan hệ thời gian và cường độ xung trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… …46 Bảng 3.3: Mối quan hệ của thời gian xung và cường độ xung của các xung có chirp trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa………49 Bảng 3.4: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so với xung vào khi đi qua môi trường khuếch đại……… ……52 Bảng 3.5: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra và xung đi vào môi trường khuếch đại……… 55 Bảng 3.6: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so với xung vào môi trường khuếch đại……….… 58 Bảng 3.7: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung ra so với xung vào cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……….………60 Bảng 3.8: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ bão hòa và khuếch đại……… ……… …….64 Bảng 3.9: Quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa và khuếch đại……… 68 Bảng 3.10: Mối quan hệ về độ rộng xung và mật độ dòng photon giữa xung ban đầu và xung đi lại nhiều vòng trong buồng cộng hưởng……… … 71 Bảng 3.11: Mối quan hệ về độ rộng xung và cường độ xung của xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính của xung ban đầu so với xung đi lại nhiều lần quanh buồng cộng hưởng……… ……….….74 Bảng 3.12: Mối quan hệ của xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 trước

và sau khi đi lại nhiều lần quanh buồng cộng hưởng……… …… ………81

Bảng 3.13: Mối quan hệ về độ rộng xung và cường độ của xung secant-hyperbole đi qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại với các độ dày thay đổi……… ….… 84 Bảng 3.14: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính trong buồng cộng hưởng với các độ dày của chất màu khác nhau……… ………84 Bảng 3.15: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến trong buồng cộng hưởng với các độ dày của chất màu khác nhau……… ……….86

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1: Xung secant-hyperbole không có chirp trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ………41 Hình 3.2: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ………44 Hình 3.3: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ……… ……….44 Hình 3.4: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ……… ….……45 Hình 3.5: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ……… 45 Hình 3.6: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… 47 Hình 3.7: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ………… …………48 Hình 3.8: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……… ……….48 Hình 3.9: Xung secant-hyperbole không có với C=0 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……….………52

Hình 3.10: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… ……… ……….54 Hình 3.11: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… 54 Hình 3.12: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… ……….55 Hình 3.13: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… ………56 Hình 3.14: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… ………57 Hình 3.15: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại……… ……….57 Hình 3.16: Xung secant-hyperbole không có chirp với C=0 trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……… 59 Hình 3.17: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=1 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………61 Hình 3.18: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………61 Hình 3.19: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………62 Hình 3.20: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=10 trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……….……63 Hình 3.21: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………63 Hình 3.22: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… 63 Hình 3.23: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=1 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… …… 65 Hình 3.24: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua

Hình 3.25: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……….66 Hình 3.26: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=10 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……… 66 Hình 3.27: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ………… 67 Hình 3.28: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=25 trước và sau khi đi qua

cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……….67 Hình 3.29: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng……….69 Hình 3.30: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng……….69 Hình 3.31: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng……….70 Hình 3.32: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ……….…….70 Hình 3.33: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ……… ………72 Hình 3.34: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng……….… 72 Hình 3.35: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng……….… 73 Hình 3.36: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ….73 Hình 3.37: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ……….…75 Hình 3.38: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ……….…75 Hình 3.39: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ………….……76

Hình 3.40: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng……… ……… …76 Hình 3.41: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng với

độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm……… ……79 Hình 3.42: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng với

độ dày chất màu: L=70 μm, Lk=400 μm……… …79 Hình 3.43: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng với

độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm……… ………80 Hình 3.44: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng với

độ dày chất màu: L=30 μm, Lk=200 μm……… ………80 Hình 3.45: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng với

độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm ……… … ………81 Hình 3.46: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm……….… 82 Hình 3.47: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm……… ……….…… 83 Hình 3.48: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm……… …….… …83 Hình 3.49: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm………… ……….… 85 Hình 3.50: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm……… …… 85 Hình 3.51: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng hưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm……… ……86

MỤC LỤC

Lời mở đầu:……… 1

CHƯƠNG 1: LASER XUNG CỰC NGẮN……… 3

1.1 Giới thiệu chung về laser xung cực ngắn……… 3

1.2 Các phương pháp đồng bộ mode tạo xung cực ngắn……… 5

1.2.1: Phương pháp đồng bộ mode chủ động………7

1.2.2: Phương pháp đồng bộ mode bị động:……… 8

1.2.3: Phương pháp đồng bộ mode hỗn hợp:……… ….11

1.2.4: Một số phương pháp khác……… 12

1.3: Laser màu xung cực ngắn………15

1.3.1: Khái quát về laser màu……… …15

1.3.2: Một số tính chất của laser màu……….….16

1.3.3: Một số sơ đồ khóa mode tạo xung cực ngắn cho laser màu……….…18

CHƯƠNG 2: LASER MÀU TẠO XUNG CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỊ ĐỘNG 2.1: Laser màu CPM……… 23

2.1.1: Giới thiệu laser màu CPM ……… 24

2.1.2: Đồng bộ mode bị động cho laser màu CPM……….….24

2.2: Một số hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng laser……… ….25

2.2.1: Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm GVD……….….25

2.2.2: Sự mở rộng xung do sự tự biến điệu pha SPM……… ……… 26

2.2.3: Quá trình tạo chirp……… …27

2.2.4: Quá trình bù trừ chirp………28

2.3: Kỹ thuật nén xung………29

2.3.1: Nén xung trong buồng cộng hưởng……….………… 32

2.3.2: Nén xung ngoài buồng cộng hưởng……….….……….34

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP VÀ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG LASER CPM

3.1: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secant-hyperbole đi qua môi trường

hấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng laser CPM…… 36

3.1.1: Khảo sát sự tương tác xung trong chất hấp thụ bão hòa………36

3.1.2: Khảo sát xung secant-hyperbole không có chirp……….40

3.1.3: Khảo sát xung secant-hyperbole có chirp……… ….42

3.2: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secant-hyperbole đi qua môi trường khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser CPM……… ……50

3.2.1: Tương tác của xung khi đi qua môi trường khuếch đại……….…… 50

3.2.2: Khảo sát trường hợp xung secant-hyperbole không có chirp……… 52

3.2.3: Khảo sát trường hợp xung secant-hyperbole có chirp ……… 53

3.3: Khảo sát xung secant hyperbole đi qua cả môi trường hấp thụ và môi trường khuếch đại……… 59

3.3.1:Trường hợp xung secant-hyperbole không có chirp……… 59

3.3.2: Trường hợp xung secant-hyperbole có chirp……….60

3.4: Khảo sát xung secant-hyperbole đi nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng 69

3.4.1: Xung secant-hyperbole không có chirp……… 69

3.4.2:Xung secant-hyperbole có chirp……… ………72

3.5: Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc đối với xung dạng secant-hyperbole trong buồng cộng hưởng laser CPM……… ……… 78

3.5.1: Xung secant-hyperbole không có chirp………80

3.5.2:Xung secant-hyperbole có chirp………82

Kết luận …… ……….… 89

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công trình nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật laser nói chung và laser xung cực ngắn nói riêng đã ngày càng phát triển và đóng góp vào nền khoa học tiên tiến của nhân loại Trong quang phổ học laser, xung cực ngắn được dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hóa, sinh… Xung cực ngắn còn được nghiên cứu trong ứng dụng đồng hồ nguyên tử, đặc biệt là trong thông tin quang Để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin các xung cực ngắn thường được

sử dụng và người ta ngày càng cố gắng thu hẹp tối ưu độ rộng của xung sáng Vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm để phát triển và truyền dẫn là vấn đề

có tính thời sự

Từ những năm 1960 trở lại đây, khi các laser bắt đầu ra đời và phát triển thì các

kỷ lục về xung laser cực ngắn luôn được các phòng thí nghiệm trên thế giới tạo ra Từ laser Ti:Saphia và các loại laser rắn khác được đồng bộ mode (khóa mode) tạo ra các xung pico giây Cho đến năm 1981 khi C.V Shank đã cải tiến buồng cộng hưởng vòng cho laser màu để thực hiện va chạm xung (phương pháp CPM: colliding pulse mode-looking) thì độ dài xung đạt được là 90 fs Sau đó thì một loạt các kỷ lục mới được tạo

ra với xung giảm đến vài femto giây bằng việc bù trừ tán sắc và biến điệu pha trong buồng cộng hưởng Các kỹ thuật nén xung sáng cũng đã được áp dụng triệt để vào laser CPM để giảm độ rộng của xung sáng laser Qua đó đã chứng tỏ ưu điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng và kỹ thuật nén xung trong việc tạo ra các xung laser cực ngắn Do vậy laser CPM vẫn luôn là đề tài hấp dẫn đối với các công trình nghiên cứu về laser xung cực ngắn hiện nay

Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng xung đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trong buồng cộng hưởng laser thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trọng Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đề tài ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung khi đi qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại Nhưng quá trình xung đi qua cả chất hấp thụ và khuếch đại nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng thì

chưa được khảo sát Đồng thời chúng tôi cũng khảo sát sự phụ thuộc của độ dày chất hấp thụ và khuếch đại đối với cường độ và độ rộng xung secant-hyperbole trong buồng cộng hưởng laser Qua đó nhằm tìm ra những điều kiện tối ưu cho laser màu CPM phát các xung cực ngắn cỡ femto giây Nhằm đạt được các mục đích trên tôi đã quyết định

chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng secant-hyperbole trong hoạt động của laser màu buồng cộng hưởng vòng khóa mode bằng va chạm xung”

Bố cục luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Laser xung cực ngắn

Chương 2: Laser màu tạo xung cực ngắn bằng phương pháp bị động

Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của chirp và tán sắc đối với xung dạng secant- hyperbole trong laser CPM khi xung đi qua cả chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại một vòng và nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng…

CHƯƠNG 1: LASER XUNG CỰC NGẮN

1.1 Giới thiệu chung về laser xung cực ngắn

Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa của đất nước nói riêng và của

cả nhân loại nói chung thì công nghệ laser luôn là một đề tài hấp dẫn cũng như có nhiều ứng dụng to lớn trong kỹ thuật công nghệ và cả đời sống Và laser xung cực ngắn nói riêng là một lĩnh vực mới mẻ và vẫn đang được nghiên cứu phát triển, ứng dụng… Laser xung cực ngắn là những laser mà xung sáng có độ rộng xung cỡ vài pico, hoặc femto giây và nhỏ hơn nữa Đã có rất nhiều thành tựu về lý thuyết cũng như

cả về thực nghiệm trong việc tạo ra các xung cực ngắn với một nguồn laser Người ta

đã chỉ ra được rằng các biến đổi Fourier của một xung ánh sáng cực ngắn sẽ có phổ rất rộng Tuy nhiên, một buồng cộng hưởng laser sẽ chỉ cho phép dao động trong một khoảng hẹp tần số trên các tần số cộng hưởng riêng biệt νq = qc/2L (trong đó q là một

số nguyên, c là tốc độ ánh sáng và L là chiều dài quang học của buồng cộng hưởng laser) Do đó một laser không thể cung cấp các xung cực ngắn trong khi hoạt động ở chế độ bình thường của nó Các tần số tạo nên sự phân bố các mode dọc của laser Nhưng qua một cơ chế thích hợp tạo được mối quan hệ pha xác định giữa các mode dao động khác nhau trong buồng cộng hưởng laser thì ta có thể tạo nên laser phát ở chế độ xung cực ngắn Laser như vậy được gọi là laser được đồng bộ mode hay khóa mode (mode looking)

Các mode dọc có thể tự dao động trong chế độ đa mode tự do của laser là những mode mà có sự khuếch đại không bão hòa lớn hơn hao phí của buồng cộng hưởng laser Số lượng các mode này là N, trong điềù kiện này ta thấy cường độ tức thời biến thiên theo các đường có chiều rộng là Δτ ≈ 1/ΔνL, là nghịch đảo của độ rộng đường cong khuếch đại Và lớn hơn số mode liên quan, nhỏ hơn giá trị của Δτ Nếu bây giờ chúng ta giả sử các mode có độ lệch pha không đổi, laser lối ra sẽ bao gồm một loạt các xung đơn tuần hoàn liên tiếp, sau mỗi Δτ, chu kỳ lặp lại được cho bởi eT=2L / c Trong điều kiện này, tia laser được gọi là hoạt động trong chế độ đồng bộ mode

Hình 1.1: Biểu đồ các mode dao động trong buồng cộng hưởng có chiều dài L, với

hệ số khuếch đại G > 0 [19]

Gọi τp là tổng độ rông xung tại một nửa cực đại, và được cho bởi: [19]

2 ln 2 2

và một chu kỳ T = 2L / c Để hiểu được nguyên nhân về tính chu kỳ của xung laser, chúng ta có thể phân tích sự phân bố không gian-thời gian của sóng điện từ dừng tồn tại bên trong các buồng cộng hưởng laser khi nó hoạt động với chế độ đồng bộ mode (khóa mode) Từ đó có thể làm một phép tính tương tự cho các phách của N mode dọc, nhưng có tính đến phân bố thời gian-không gian riêng của mỗi mode bên trong buồng laser Tính toán này cho thấy nếu quá trình tạo phách xảy ra lập tức tại một điểm B cụ thể, thì ngay lập tức thời điểm đó các phách của mode khác sẽ triệt tiêu ở tất cả các điểm khác của buồng cộng hưởng

Độ rộng xung τp luôn tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ Δ0 của sự phân bố biên độ các mode (với số N của mode đồng bộ pha) Rõ ràng là các laser có khuếch đại trung bình sẽ phát ra xung ngắn nhất Một laser ion Argon có độ rộng dải

nm; laser Ruby có ~ 0,2 nm, laser cho ~ 10nm; laser màu ~

100 nm; laser Ti: sapphire ~ 400 nm Những dữ liệu này cho thấy rằng độ rộng xung nhỏ nhất mà người ta có thể hy vọng có được trực tiếp tại đầu ra của laser với chế độ đồng bộ pha khác nhau là từ 150 ps đối với một laser ion Argon đến 3 fs (3 ×

1015s) cho laser Ti: sapphire Độ rộng phổ có thể được đo bằng một máy quang phổ hoặc với một giao thoa kế Fabry_Pérot… Mô hình minh họa sau đây là hình ảnh xung trong một laser buồng cộng hưởng vòng [19]

Hình 1.2: Mô tả xung được hình thành trong buồng cộng hưởng laser vòng.[19]

Điều này là do sự có mặt của một lượng lớn các mode mà các bước sóng λn đều khác nhau Việc tăng số lượng các mode N sẽ càng rút ngắn khoảng cách này

1.2 Các phương pháp đồng bộ mode tạo xung cực ngắn

Khi laser hoạt động ở chế độ đa mode tự do, thường có sự tác động ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mode khác nhau được khuếch đại bởi phát xạ kích thích của cùng một nguyên tử, phân tử hoặc các ion Sự tương tác này gây ra những biến đổi lớn về pha và biên độ của các mode Mục đích của chế độ đồng bộ mode là thiết lập sự tương

quan giữa các mode mà mối liên hệ các pha là một hằng số Ý tưởng đầu tiên mà người ta chú ý đến là việc thiết lập đồng bộ về mặt thời gian, chúng ta có thể tập trung được năng lượng laser nhiều hơn bằng cách chèn một môi trường phi tuyến – hay một

hệ thống nào khác nhằm thúc đẩy cường độ mạnh bên trong buồng laser

Khi sóng truyền qua lại trong buồng laser, một cực đại ban đầu yếu sẽ có thể phát triển mạnh nhờ sự tương tác của cực đại thấp hơn trong môi trường khuếch đại Nếu các điều kiện được lựa chọn thích hợp,thì có thể tập trung tất cả năng lượng của buồng ở một xung duy nhất Đây gọi là điểm đã đồng bộ mode: đó là việc chọn lọc một cường độ cực đại duy nhất tại một điểm theo thời gian,tương đương với việc thiết lập một mối quan hệ về pha giữa các mode dọc trong một miền tần số

Một ý tưởng thứ hai là thiết lập đồng bộ về mặt tần số Nếu một thiết bị được lắp bên trong buồng mà điều biến các mode ở một tần số gần với tần số mode tổng hợp, khoảng c/2L; thì việc tương tác để đạt được cực đại trong môi trường khuếch đại

sẽ dẫn đến một liên kết giữa các mode, đươc tạo ra bởi biến điệu các mode lân cận Các pha của các mode sau đó có thể “đồng bộ’’với nhau Đây là phương pháp đầu tiên với việc tự điều biến của các mode ở tần số c/2L và do đó thiết lập được một mối quan

hệ về pha giữa các mode này

Hai ý tưởng coi là điểm khởi đầu cho phương pháp đồng bộ mode và phát triển cho đến nay đó là:

 Đồng bộ mode bị động: bằng cách dùng một chất hấp thụ bão hòa trong buồng

cộng hưởng laser;

 Đồng bộ mode chủ động: từ một bộ điều biến bên ngoài ở tần số Ω với các hao

phí trong buồng cộng hưởng laser (ví dụ có thể bằng cách dùng một tinh thể âm_quang bên trong buồng) hoặc bằng cách bơm bằng một laser đã đồng bộ mode

Gần đây, với sự ra đời của laser Ti: sapphire, trong đó rất đơn giản để có được chế độ đồng bộ mode, điều đó đã làm những phương pháp trên được phổ biến một lần nữa Tuy nhiên nhiều phương pháp cũng đã được biết đến cũng đã tìm thấy các ứng

môi trường khuếch đại tự nhiên và làm tăng cường cực đại phát sinh trong buồng laser Đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng xung cực ngắn trong laser màu buồng cộng hưởng vòng thì đã và đang mở ra những điều vô cùng lý thú, với những thành quả đạt được laser cỡ vài femto giây (một vài dao động sáng) Qua đó khẳng định hơn nữa tiềm năng ứng dụng của lĩnh vực laser xung cực ngắn bằng thực nghiệm

1.2.1: Phương pháp đồng bộ mode chủ động

Chúng ta đặt một phần tử bên trong các buồng laser và điều biến sự hao phí của

nó Phần tử này sẽ giúp ta điều biến được biên độ của từng mode dọc Kỹ thuật này gọi

là phương pháp đồng bộ mode bằng cách điều biến biên độ (AM) và nó được sử dụng

để đồng bộ mode trong laser ion, ví dụ laser Nd3+ :YAG

Thông thường, một bộ điều biến âm_quang được đặt bên trong buồng laser để điều biến các hao phí trong buồng Đồng thời với mục đích đồng bộ các mode và chọn lọc bước sóng mong muốn

Hình 1.3: Mô tả chế độ khóa mode chủ động trong buồng laser [19]

Với việc biến điệu biên độ sử dụng bộ biến điệu âm quang, sóng siêu âm sẽ đi qua môi trường trong suốt Biên độ của sự biến điệu tỉ lệ với cường độ của sóng siêu

âm, và chu kỳ không gian của biến điệu bằng nửa bước sóng của sóng siêu âm

Tương tự như chế độ đồng bộ mode trên, ta cũng có thể đạt được bằng cách điều biến tần số (FM) Các phương pháp AM và FM tạo thành một loại phương pháp

trong hoạt động đồng bộ mode

Bây giờ chúng ta sẽ đi vào phương pháp hoạt động thứ hai, thường được gọi là phương pháp bơm đồng bộ:

Thông thường, bơm đồng bộ thu được bằng cách bơm vào môi trường khuếch đại của laser bằng một chùm tia lối ra của một laser khác đã được đồng bộ mode Điều chỉnh chiều dài L của buồng cộng hưởng làm cho nó có thể thích ứng với mode tổng hợp tách theo tần số c/2L đến tần số Ω/2π của xung laser bơm

Trước tiên, nó cho thấy rằng có thể kết hợp hai hoạt động là điều biến bơm các hao phí buồng buồng cộng hưởng và điều biến khuếch đại trong cùng một hệ thống laser Thứ hai, và quan trọng hơn là nó cho thấy có thể sử dụng một laser đã đồng bộ mode như là một nguồn xung liên tục ps để bơm một laser thứ hai và vì thế có được một loạt các xung dưới pico giây

Ta có thời gian đi qua của xung trong buồng được xác định bởi tần số lặp lại

của các xung bơm.Vì vậy chiều dài của buồng thích ứng là rất quan trọng Trước khi xung đến, độ khuếch đại là chưa bão hòa, do đó sườn trước xung có sự tăng nhiều hơn sườn sau của xung Thời gian đi qua của xung trong môi trường khuếch đại được rút ngắn Việc rút ngắn thời gian đi qua là tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa giá trị chưa bão hòa và bão hòa của khuếch đại Chế độ khóa mode xảy ra tương ứng cho giá trị

dương rất nhỏ của ΔL = + ε Cấu trúc xung phụ thuộc rất nhiều vào việc điều chỉnh độ

dài của buồng laser

1.2.2: Phương pháp đồng bộ mode bị động:

Một phương pháp thứ hai thường được sử dụng trong phương pháp khóa mode gọi là phương pháp đồng bộ mode bị động

Động học của khuếch đại bão hòa trong môi trường khuếch đại ảnh hưởng đến

sự biến dạng của xung Chúng tôi muốn cho thấy rằng nếu môi trường hấp thụ với một

hệ số hấp thụ bão hòa được đặt bên trong buồng cộng hưởng, thì sự kết hợp giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại bão hòa dẫn đến một cách tự nhiên sự đồng

bộ mode của laser Các chất hấp thụ bão hòa thường dùng là dung dịch chất màu lỏng

Tuy nhiên, kể từ khi ra đời của laser Ti: sapphire, người ta đang tìm kiếm chất liệu rắn

để làm chất hấp thụ bão hòa,đặc biệt là trong số các chất bán dẫn

Hình_1.4: Xung đi lại vòng tròn trong buồng laser bao gồm bộ hấp thụ bão hòa và

môi trường khuếch đại [19]

Chất hấp thụ bão hòa được đặc trưng bởi cường độ bão hòa của nó Tham số này được định nghĩa là cường độ mà ở đó sự chênh lệch độ tích lũy tồn tại giữa hai mức cường độ thấp giảm theo hệ số hai Định nghĩa này do đó cho ta thấy rằng hệ số hấp thụ phải tỉ lệ thuận với sự chênh lệch độ tích lũy

Hình_1.5: Hệ số khuếch đại qua môi trường khuếch đại bão hòa như là một hàm

của cường độ tín hiệu tới

Hơn nữa, như đã nói trước đó, các môi trường khuếch đại còn có đặc tính bão hòa Ở cường độ thấp, G có một giá trị không đổi G0 và khá lớn (hình_1.5) Nó được gọi là chưa bão hòa Khi cường độ tới cao hơn, có sự suy giảm sự chênh lệch nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức tham gia vào quá trình khuếch đại, và hệ số khuếch đại G giảm Như có thể thấy trong hình 1.5, chúng ta có thể xác định là cường độ bão hòa của G, tương đương với cường độ bão hòa của chất hấp thụ Nếu điều kiện thuận lợi, đỉnh cường độ tối đa trong buồng sẽ chứa tất cả năng lượng của sóng trong buồng

Hình_1.6: Mô tả thay đổi hình dạng của xung sau khi đi qua một chất hấp thụ bão

Xung đạt đến hình dạng cuối cùng của nó khi nó trở nên tự thích ứng trong buồng cộng hưởng laser, đó là khi hệ thống đạt đến một trạng thái ổn định Đối với các xung tự thích ứng, nó phải giữ được hình dạng không đổi sau một quá trình đi lại trong buồng cộng hưởng Tuy nhiên, ta thấy rằng các xung cần phát triển hẹp hơn khi đi qua lại trong buồng Như đã trình bày trước đó, độ rộng xung dưới chế độ đồng bộ mode tối ưu là tỉ lệ nghịch với chiều rộng phổ của phân phối biên độ Vì vậy, mỗi yếu tố của buồng laser mà có xu hướng hạn chế chiều rộng của dải dao động sẽ có xu hướng kéo dài thời gian xung Các yếu tố đó có thể là một phần tử quang học bên ngoài như một lăng kính, một cách tử hoặc một bộ lọc Lyot, và chính các môi trường khuếch đại cũng

có thể gây ra một phần kéo dài xung sáng

Xung đạt đến trạng thái ổn định khi các hiệu ứng thu hẹp do các tính chất bão hòa của chất hấp thụ và của môi trường khuếch đại có thể bù đắp cho các hiệu ứng mở rộng của các yếu tố khác nhau trong buồng laser Trong thực tế quá trình truyền của xung qua các phần tử khác nhau của buồng là rất phức tạp, đặc biệt nếu các phương tiện khuếch đại và hấp thụ là những phần tử phi tuyến Để giải quyết vấn đề trên,trong

thực tế người ta có thể đưa vào bên trong buồng các bộ điều biến chiết suất theo cường

1.2.3: Phương pháp đồng bộ mode hỗn hợp:

Bên cạnh đó, có những vấn đề phát sinh trong phương pháp đồng bộ mode bị động đó là không có nhiều cặp tương thích giữa bộ hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại với các thuộc tính chính xác đủ độ tin cậy, thứ hai là thực tế các xung thu được bằng phương pháp này không mạnh và bước sóng chỉ điều chỉnh được một khoảng nhỏ Một phương pháp đồng bộ hỗn hợp được đưa ra để khắc phục những hạn chế hoạt động của phương pháp đồng bộ mode bị động Đó là việc chèn một phương tiện hấp thụ bão hòa bên trong buồng của bơm đồng bộ Phương pháp đồng bộ hỗn hợp này cho phép lựa chọn các bước sóng và năng lượng lớn hơn so với hoạt động cuả phương pháp đồng bộ mode bị động thông thường Mặt khác, khi so sánh với hoạt động của phương pháp đồng bộ mode thông thường thì phương pháp đồng bộ như trên

dễ dàng hơn để có được xung dưới pico giây và tránh được sự hình thành của các xung thứ cấp

1.2.4: Một số phương pháp khác

Hiện nay người ta đã và đang thu được rất nhiều kết quả và thành công trong lĩnh vực quang học phi tuyến Và một trong số đó là ứng dụng chúng trong việc tạo xung cực ngắn trong laser Các tính chất phi tuyến của môi trường khuếch đại luôn rất quan trọng cho quá trình đồng bộ mode, có các phương pháp đồng bộ mode chủ động hoặc bị động Trong một số loại laser, các tính chất phi tuyến này là cơ sở cho các mode có thể đồng bộ một phần hoặc hoàn toàn, mà không cần bất kỳ một sự điều biến nào từ bên ngoài (khóa mode chủ động) hoặc là cho một chất hấp thụ bão hòa (khóa mode bị động) Trạng thái này được gọi là tự đồng bộ của các mode

Đối với trạng thái như vậy, môi trường khuếch đại phải làm thu hẹp xung ở mỗi chu trình đi lại vòng quanh của xung trong buồng cộng hưởng Bây giờ chúng ta sẽ mô

tả đặc trưng của trạng thái tự đồng bộ mode, trong đó môi trường khuếch đại làm giảm hao phí của các đỉnh cường độ mạnh trong buồng, bằng cách thay đổi cấu trúc ngang của sóng laser với việc chọn lọc cường độ Trạng thái này tồn tại trong laser Ti: sapphire, điều đó giải thích tại sao sự quan tâm đến quá trình tự đồng bộ của các mode lại rất được quan tâm gần đây

Hiện tượng tự đồng bộ của các mode lần đầu tiên được quan sát tình cờ trong một môi trường khuếch đại laser bao gồm một laser Ti: sapphire bơm bởi một laser ion Ar+, hoạt động trong chế độ liên tục, trong đó buồng cộng hưởng không có chất hấp thụ bão hòa Các nhà khoa học Xcốtlen sau đó nhận thấy rằng laser đạt được một chế

độ xung bao gồm các xung rất ngắn phát sinh và tự duy trì Trong thực tế, đó là trường hợp tự đồng bộ bởi hiệu ứng thấu kính Kerr Một số điều kiện cần thiết để phát sinh trạng thái này:

- Chế độ xung bằng cách nào đó phải được thuận lợi tương thích với một chế chế độ liên tục

- Toàn bộ hệ thống phải có thuộc tính làm rút ngắn xung

- Một số cơ chế phải bắt đầu quá trình tự đồng bộ

Hình_1.9: Mô hình thiết kế buồng laser chế độ tự đồng bộ mode của laser Ti:

sapphire, sử dụng KLM (thấu kính Kerr khóa mode) [19]

Hình 1.9 cho thấy một cấu hình cổ điển của chế độ tự đồng bộ mode trong laser Ti: sapphire Các tinh thể Ti: Al2O3 được bơm bởi xung lối ra của một laser ion Ar+ trong chế độ liên tục qua M2, gương lưỡng chiết M2 là trong suốt ở bước sóng 0,5 μm

và phản xạ với bước sóng của laser Ti:sapphire khoảng 0,8 μm Các bộ lọc lưỡng chiết (BRF) xác định các bước sóng trung tâm của sự dao động Hai lăng kính P1 và P2 bù đắp cho sự tán sắc vận tốc nhóm bên trong buồng Quá trình đồng bộ mode phát sinh

từ môi trường khuếch đại và kết hợp với một khe lọc điều chỉnh đường kính

Những cực đại cường độ mạnh có cấu trúc ngang bây giờ đã được tự thu hẹp kích thước và thường ít bị hao phí trong buồng laser hơn các cực đại yếu Rõ ràng, hiện tượng tự hội tụ phân biệt theo cường độ và liên kết với các hao phí tự nhiên của buồng đã đóng một vai trò tương tự như của các chất hấp thụ bão hòa trong phương pháp đồng bộ mode bị động

Một khe hẹp có thể được đặt bên trong buồng để nâng cao hiệu quả quá trình tự đồng bộ mode bởi vì nó chọn lọc và làm tăng sự khác nhau giữa các chùm tia cường

độ cực đại mạnh và những tia cường độ yếu Các vị trí chính xác, đường kính, và hình dạng của khe phải được tính toán để nó cho phép đi qua hầu hết năng lượng của các cực đại cường độ mạnh, trong khi nó chắn phần lớn các tia cường độ yếu

Các dữ liệu thực nghiệm của hình 1.9 cho thấy sự mở rộng của quang phổ và biến đổi nó thành một phổ tương ứng với một chế độ đồng bộ mode phù hợp, chiều rộng khe cỡ 0.47mm Cần lưu ý rằng các môi trường khuếch đại phải tương đối dày để

có hiệu ứng thấu kính mạnh (hiệu ứng tự hội tụ) Điều này giải thích tại sao hiệu ứng thấu kính rất quan trọng trong laser Ti: sapphire, và không đáng kể trong các laser màu

Hình_1.10: Phổ phân bố của laser lối ra với độ rộng khác nhau của các khe đặt trong buồng, giúp điều chỉnh đồng bộ mode thông qua hiệu ứng Kerr

Quá trình tự điều biến pha làm mở rộng phạm vi phổ của sóng laser và do đó rút ngắn độ rộng của nó Giống như trong trường hợp chế độ đồng bộ mode bị động, sự cân bằng đã đạt được giữa quá trình thu hẹp xung và sự tán sắc vận tốc nhóm_mà có

xu hướng kéo dài xung Việc bù trừ giữa tự điều biến pha và tán sắc vận tốc nhóm tạo nên một xung đi lại nhiều lần trong buồng mà vẫn giữ nguyên hình dạng của nó Xung này được gọi là xung soliton

Quá trình tự đồng bộ mode đã thu được kết quả rất tốt về độ rộng của xung cũng như cho sự ổn định của nó Các hệ thống này khá dễ dàng để làm việc, với độ tin cậy rất cao và sự ổn định rất tốt của xung, hệ thống đồng bộ mode đã trở nên rất phổ biến hiện nay Những cải tiến sau đó của chế độ đồng bộ mode này thậm chí đã có thể rút ngắn độ rộng xung trong phạm vi dưới 10 fs Những cải tiến sau đó thu được bằng cách sử dụng buồng gương chirped hoặc SESAMs (gương bán dẫn hấp thụ bão hòa)

a) Gương Chirped: giới hạn chính về độ rộng xung trong một buồng thấu kính

Kerr đồng bộ mode là do sự hạn chế trong việc bù trừ chính xác của các hiệu ứng GVD và SPM sử dụng cặp lăng kính Thật vậy, tán sắc bậc cao được tạo nên bởi các lăng kính là yếu tố hạn chế chính Gương Chirped có thể giúp khắc phục được những

hạn chế này Gương như vậy bao gồm các lớp khác nhau với độ trong suốt cao và chiết suất thấp Điều chỉnh độ dày của các lớp tương ứng trễ pha λB/4 làm tăng cường độ giao thoa của các sóng khác nhau phản xạ tại λB (bước sóng Bragg)

Nếu độ dày của các lớp được làm khác nhau dọc theo cấu trúc gương, nó sẽ có thể phản xạ các sóng với các bước sóng λB khác nhau để thích ứng với độ rộng phổ của buồng laser Sau đó, các sóng với λB khác nhau sẽ có đường truyền khác nhau bên trong gương trước khi nó được phản xạ Các sóng khác nhau ít nhiều sẽ bị chậm lại sau khi phản xạ trên gương, và điều đó phụ thuộc vào độ dày của các lớp khác nhau Trong đó, một loại gương chirped có thể được thiết kế riêng, và có thể điều chỉnh các lớp dày, để bù trừ chính xác hiệu ứng tán sắc bậc cao và có được các xung ngắn hơn giới hạn lý thuyết (3 fs) của vật liệu Ti:Sa

b) Gương SESAMs: Làm các xung trở nên ngắn hơn Một SESAM có thể giúp

cho quá trình tự bắt đầu đồng bộ mode của laser Ti / Sa khi độ rộng xung tới hạn đòi hỏi dưới 10 fs Bốn thông số có để được đưa vào thiết kế phù hợp trong các SESAMs: điều biến độ dày của các chất hấp thụ bão hòa, độ rộng phổ thu được, năng lượng bão hòa, và thời gian hồi phục không đổi

1.3: Laser màu xung cực ngắn

1.3.1: Khái quát về laser màu

Trong số các loại laser điển hình có mặt tại các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới thì chúng ta cũng phải kể đến laser màu Với những ưu điểm nổi trội về vùng phát sóng rộng trong miền tử ngoại-khả kiến nên laser màu luôn được coi là một laser có nhiều ứng dụng cũng như cần một công nghệ lắp đặt, vận hành phức tạp hơn so với các laser rắn thông thường Laser màu là laser sử dụng các hợp chất màu hữu cơ dùng làm hoạt chất Cấu trúc hóa học của chất màu được đặc trưng bởi các vòng Benzen (

6

6H

C ), Piridin (C5H5N),C4H4N2… Một số chất màu điển hình nhất thường được sử dụng để làm hoạt chất cho laser màu là Rhodamine B (RhB), Rhodamine 6G và Cumarin Cấu trúc của các phân tử chất màu có chứa các liên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trong cùng một mặt phẳng Với laser màu CPM hiện nay thì chất màu được sử dụng thường xuyên nhất là Rhodamine 6G

(Rh6G), hấp thụ và bức xạ trong vùng khả kiến Dải phổ bức xạ của Rh6G trong khoảng từ 550-600nm Thời gian sống của các phân tử chất màu ở trạng thái kích thích

A thì phổ huỳnh quang của RhB không thay đổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử được kích thích lên những trạng thái đơn cao hơn Sau đó các phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn kích thích thấp hơn và từ đó bắt đầu quá trình phát quang không thay đổi Để đạt được hiệu suất cao, chất màu laser phải có phổ hấp thụ phù hợp tốt với phổ bức xạ của nguồn bơm Đến nay đã có đến hàng trăm chất màu khác nhau được sử dụng làm hoạt chất cho laser màu Do đó bằng cách chọn chất màu thích hợp ta có thể có bức xạ laser trong một miền phổ từ 300-1300nm [18]

1.3.2: Một số tính chất của laser màu

Các phân tử chất màu laser có cấu tạo hóa học rất phức tạp gồm nhiều nguyên

tử và các liên kết đôi, liên kết ba, vòng thơm… Do đó sẽ có một lượng lớn các trạng thái điện tử dao động quay Phổ phát quang của chất màu thường chỉ được thể hiện trong trạng thái dung dịch lỏng Các dung môi thường được sử dụng như là nước cất, ethanol, methanol, benzene, toluene,….Qua đó cũng tạo nên những tính chất đặc biệt trong phổ bức xạ của laser màu Một trong những tính chất quang trọng của laser màu

là có vùng bức xạ rất rộng, do đó bằng các yếu tố lọc lựa được đặt trong buồng cộng hưởng người ta có thể điều chỉnh được những tần số hay bước sóng phát một cách thích hợp

Để khảo sát quá trình bức xạ của chất màu laser và quá trình nghịch đảo độ tích lũy ta có thể sử dụng sơ đồ mức năng lượng như sau:

Hình_1.11: Các trạng thái điện tử trong laser màu [18]

Hình 1.11 cho ta thấy các trạng thái năng lượng điện tử dao động, quay của phân tử chất màu Khi một photon bên ngoài chiếu tới được hấp thụ thì một điện tử của phân tử chất màu được kích thích lên trạng thái cao hơn Nếu spin của điện tử này vẫn giữ đối song với điện tử còn lại của phân tử thì trạng thái điện tử mới này có spin tổng cộng bằng 0 và được gọi là trạng thái đơn: S0 ,S1 ,S2 Ngược lại nếu trạng thái điện tử mới có spin bằng 1 thì được gọi là trạng thái bội ba: T1,T2 Trên hình 1.11 thì các mũi tên thẳng mô tả các dịch chuyển quang học, còn các mũi tên uốn lượn mô tả các dịch chuyển không quang học Trạng thái S0 là trạng thái cơ bản, trạng thái S1 là mức laser trên (mức siêu bền) [18]

Nhờ bơm quang học, phân tử được kích thích từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái S1, S2 Sau đó các phân tử sẽ dịch chuyển xuống các trạng thái kích thích thấp hơn và tạo nên nghịch đảo độ tích lũy trong môi trường hoạt chất laser Tuy nhiên

có rất nhiều quá trình ảnh hưởng đến sự tạo thành nghịch đảo độ tích lũy của laser Đó

là các dịch chuyển không bức xạ giữa các trạng thái bội ba và giữa các trạng thái đơn

và trạng thái bội ba Nguồn bơm cho laser màu thường là các đèn xung hoặc các laser xung: như laser Ruby (λ=694nm và hòa ba bậc hai với λ=347nm); laser Neodym; laser

Nito… Công suất của các laser bơm này từ vài kW đế hàng trục MW Dùng các sơ

đồ bơm ngang, bơm dọc và bơm nghiêng để thực hiện bơm quang học cho laser màu Hiệu suất bơm laser màu bằng laser xung là rất cao, từ vài trục % đến 75% đối với chất màu Rhodamine 6G bơm bằng hòa ba bậc hai của laser Neodym (530nm) Để điều chỉnh tinh và đạt được độ rộng vạch nhỏ thì cần dùng buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng Nghĩa là đưa vào trong buồng cộng hưởng những yếu tố lọc lựa thích hợp bằng cách dùng giao thoa kế Fabry-Perot hay cách tử nhiễu xạ, lăng kính tán sắc… để thay thế một trong những gương của buồng cộng hưởng Một trong những tính chất quan trọng nhất của laser màu là khả năng điều chỉnh tần số phát trong giới hạn hàng trăm 0

A Khi lựa chọn một cách hợp lý chất màu, dung môi hòa tan hay độ phẩm chất

Q của buồng cộng hưởng thì sẽ điều chỉnh thu được các bước sóng thích hợp của laser màu Nước là một dung môi tốt có thể được sử dụng vì chiết suất của nước không phụ thuộc vào nhiều vào nhiệt độ (phụ thuộc ít hơn so với ethanol và methanol) Tuy nhiên một số chất màu lại khó hòa tan trong nước, do đó cần phải khắc phục bằng cách thêm các chất phụ gia làm tan và tối ưu hóa phổ phát quang cũng như độ ổn định của chất màu laser [20]

1.3.3: Một số sơ đồ khóa mode tạo xung cực ngắn cho laser màu

Để tạo ra xung cực ngắn cho laser màu người ta có thể áp dụng các phương pháp đồng bộ mode chủ động hoặc bị động Do dải phổ phát quang của chất màu laser

là rất rộng Các mode với tần số khác nhau thì qua quá trình đi lại trong buồng cộng hưởng laser có thể dẫn tới sự phụ thuộc về pha của các thành phần tần số khác nhau

đó, tạo nên sự biến đổi biên độ của xung laser tổng hợp (do sự chồng chập của các mode) Các thăng giáng ngẫu nhiên gây ra sự biến thiên của đầu ra theo thời gian, ngay cả khi công suất trung bình vẫn không đổi Nếu bằng một cách nào đó các mode duy trì được độ lệch pha là không thay đổi và thì đầu ra của xung laser có thể đạt được

độ rộng vạch rất hẹp, và với một chu kỳ các xung ổn định hơn Xung có một bề rộng

t

 là tỷ lệ nghịch với tổng độ rộng của dải mode-looking v và tuần hoàn với chu kỳ T=2L/c Các laser màu có độ rộng dải phát lớn hơn rất nhiều so với laser khí và laser

dao động sáng) Điều đó đã được thể hiện trong thực tế các laser màu luôn tạo nên những kỷ lục mới trong việc chế tạo laser xung cực ngắn bằng phương pháp khóa mode Ngày nay thì bằng việc phát các xung trong vùng GHz, hoặc bằng phát hòa ba bậc cao của các laser thì thời gian một dao động sáng đã trở nên rất nhỏ, qua đó các xung cực ngắn sẽ có thể dễ dàng được tạo ra với chỉ một vài femto giây, thậm chí là atto giây (1018s).[20]

Một loại laser khí có thể có dải phổ ở mức 9 10

Phương pháp mà tạo được độ rộng dải hẹp nhất trong việc mode looking tạo xung cực ngắn là việc sử dụng chất hấp thụ bão hòa trên trong buồng cộng hưởng laser Chất hấp thụ bão hòa được sử dụng để tạo ra xung cực ngắn được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong các laser màu hữu cơ trong dung dịch chất lỏng Các hệ laser được bơm với đèn flash hoặc các xung laser khác với cường độ tương đối cao và có thể sử dụng tính đa dạng của các chất màu…

Như đã trình bày trước đó, độ rộng xung trong chế độ khóa mode tối ưu là tỉ lệ nghịch với độ rộng phổ của phân phối biên độ Vì vậy, mỗi yếu tố của khoang mà có

xu hướng hạn chế chiều rộng của dải dao động sẽ có xu hướng kéo dài thời gian xung Các yếu tố đó có thể là một phần tử quang học bên ngoài như một lăng kính, một cách

tử hoặc một bộ lọc Lyot Chính các môi trường khuếch đại cũng có thể gây ra một phần kéo dài xung sáng

Hiệu ứng mở rộng này có thể được giải thích về mặt tần số Khi tới các phần tử

bộ lọc, xung này có một phân bố phổ với biên độ nhất định Tần số này hoàn toàn bị phụ thuộc vào bộ lọc truyền qua, phổ phân phối bị thay đổi do có sự giảm biên độ của các tần số sườn Sự thu hẹp của phổ đã lý giải hiện tượng kéo dài độ rộng của xung khi

nó đi qua các phần tử lọc Tương tự như vậy, mỗi yếu tố tán sắc của các buồng cũng sẽ ảnh hưởng đến độ rộng xung,bởi các thành phần tần số khác nhau của phổ phân phối

sẽ có thời gian trễ khác nhau Xung đạt đến trạng thái ổn định khi các hiệu ứng thu hẹp

do các tính chất bão hòa của chất hấp thụ và của môi trường khuếch đại có thể bù đắp cho các hiệu ứng mở rộng của các yếu tố khác nhau trong buồng laser Trong thực tế quá trình truyền của xung qua các phần tử khác nhau của buồng là rất phức tạp, đặc biệt nếu các phương tiện khuếch đại và hấp thụ là những phần tử phi tuyến Để giải quyết vấn đề trên, trong thực tế người ta có thể đưa vào bên trong buồng các bộ điều biến chiết suất theo cường độ tín hiệu

Hình_1.12: Ảnh hưởng của bộ lọc phổ đối với phân bố phổ và độ rộng của xung [20]

Hình_1.13: Sơ đồ một laser màu bơm bởi một xung liên tục của laser ion

Argon.[20]

Đó là một laser màu có môi trường khuếch đại bao gồm Rhodamine 6G bơm liên tục bằng bức xạ phát ra của laser ion Argon Chất hấp thụ bão hòa là DODCI (3,3 – diethyl oxadicarbo cyanine iodide ) Để đạt ngưỡng hấp thụ bão hòa, các chùm tia

cự ngắn Như vậy bằng cách đi qua chất hấp thụ và môi trường khuếch đại mỗi 2L / c giây thì tạo ra xung biến điệu mode dọc với tần số c/2L Bởi vậy phát sinh các khoảng tần số mode tồng hợp, lần lượt tạo ra đồng bộ mode với các pha, và các phổ tần số có

xu hướng mở rộng trong khi xung được thu hẹp

Hình_1.14: Mô tả thiết kế buồng cộng hưởng của một laser màu khóa mode hỗn

hợp [20]

Hình trên cho thấy một ví dụ về laser đã khóa mode sử dụng phương pháp đồng

bộ mode hỗn hợp Trong trường hợp này, chiều dài buồng cộng hưởng của laser Ar+

đã được điều chỉnh thích hợp Có thể thấy rằng việc bơm bên trong các môi trường khuếch đại không cộng tuyến được sử dụng với sóng laser của buồng Đây là loại bơm

mà tránh được sự bất tiện của việc có một lăng kính bên trong buồng, cũng thường được sử dụng trong phương pháp khóa mode bị động, thay cho phương pháp bơm chủ động Trong hình (1.13) và (1.14), yếu tố tán sắc (một Lyot lọc chẳng hạn) sẽ giới hạn bước sóng trung bình của xung Các buồng cũng thường chứa phần tử để bù trừ cho các hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm của xung, các hiệu ứng tán sắc sẽ làm mở rộng xung

Hình_1.15: Thiết kế buồng của laser có chế độ khóa mode lai, với lăng kính bù trừ

tán sắc vận tốc nhóm (GVD) [20]

Hình_1.16: Minh họa những tác động của GVD bù trừ đối với độ rộng xung của

một laser đã khóa mode hỗn hợp.[20]

Hình trên cho thấy một loạt các lăng kính được sử dụng trong một cơ cấu bơm

hỗn hợp Ta có thể thấy rằng đó là một hệ thống bù trừ tán sắc vận tốc nhóm, đó là cần thiết để có xung dưới pico giây với một phương pháp bơm hỗn hợp Việc kết hợp với phương pháp nén xung với laser màu được đồng bộ mode trong buồng cộng hưởng dạng vòng sẽ thu được các xung cực ngắn cỡ vài fs Những xung cực ngắn này có ứng dụng quan trọng trong quang phổ học laser phân giải thời gian và trong kỹ thuật thông tin cực nhanh

CHƯƠNG 2: LASER MÀU TẠO XUNG CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

BỊ ĐỘNG 2.1: Laser màu CPM

2.1.1: Giới thiệu laser màu CPM

Trong chương trước tôi đã giới thiệu các phương pháp khóa mode tạo xung cực ngắn cho laser nói chung và laser màu nói riêng Đồng thời chúng ta cũng đã thấy được các sơ đồ thực nghiệm trong việc khóa mode bị động cho laser màu Do đó đến chương này tôi xin giới thiệu về một loại laser màu mà có cấu trúc buồng cộng hưởng khác; đó là laser màu buồng cộng hưởng vòng khóa mode bằng va chạm xung, hay còn gọi là laser màu CPM

Bản chất của laser màu CPM chính là buồng cộng hưởng của laser có dạng vòng, trong đó luôn tồn tại hai xung có thể lan truyền ngược chiều nhau hoặc cùng chiều đi vào trong chất hấp thụ bão hòa Chất hấp thụ bão hòa được chọn phải có mật

độ sao cho nó chỉ bão hòa khi hai xung có mặt đồng thời [19]

Môi trường khuếch đại là dòng phun dung dịch chứa chất màu Rhodamine 6G (Rh6G) được hòa tan trong dung dịch ethylene glycol có nồng độ thích hợp Chất hấp thụ là dung dịch DODCI được hòa tan trong ethylene glycol Chất hấp thụ bão hòa và môi trường hoạt chất được phun với tốc độ rất cao trong buồng cộng hưởng laser tạo thành một dòng phun chất màu (dye jet) Đồng thời chất màu luôn được luân chuyển qua các hệ thống lọc và làm lạnh… Laser bơm là laser ion Argon liên tục có công suất trong khoảng 3-7W, với bước sóng 5145 0

A (514.5 nm) Laser màu dùng buồng cộng hưởng vòng khóa mode bị động bằng va chạm xung có nhiều ưu điểm hơn so với việc dùng buồng cộng hưởng tuyến tính thông thường Tuy nhiên việc điều chỉnh buồng cộng hưởng vòng cũng đòi hỏi những kỹ thuật cao và tinh chỉnh [19]

Khoảng cách giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại được chọn bằng một phần tư chiều dài buồng cộng hưởng (L c/ 4) để thuận tiện cho việc tính toán

và có được sự cân bằng biên độ cho các xung khi đi đến gặp nhau trong chất hấp thụ bão hòa bời khi đó sẽ thỏa mãn điều kiện giao thoa của hai xung Đồng thời khi khoảng cách giữa chấp hấp thụ và môi trường khuếch đại đúng bằng L c/ 4 thì hai xung

được khuếch đại cách nhau khoảng thời gian bằng một phần tư thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng Giả sử có sự sai lệch nhỏ về khoảng cách đó thì cũng không ảnh hưởng nhiều đến sự khuếch đại của xung sáng Vì trong thời gian đó các nguyên

tử sau khi bị bức xạ xuống trạng thái cơ bản đã kịp chuyển lên trạng thái kích thích Trong laser màu CPM thì chất hấp thụ bão hòa được chọn sao cho chỉ khi có hai xung đến chồng chập trong chất hấp thụ thì mới có sự bão hòa Xung lối ra có thể đạt một vài femto giây [19]

2.1.2: Đồng bộ mode bị động cho laser màu CPM

Trong chương trước tôi đã trình bày các sơ đồ đồng bộ mode bị động cho laser nói chung và laser màu nói riêng Và bây giờ tôi xin giới thiệu sơ đồ đồng bộ mode bị động cho laser màu CPM

Hình_2.1: Sơ đồ laser màu CPM tạo xung cực ngắn với các gương nén xung, tạo

xung fs [19]

Trong hình trên là sơ đồ laser màu CPM đồng bộ mode bị động bằng va chạm xung Buồng cộng hưởng của laser CPM là buồng cộng hưởng dạng vòng có thể dài đến hàng vài mét, và có hệ lăng kính nén xung Với sơ đồ laser CPM như trên thì xung lối ra thu được có thể đạt được ngắn cỡ femto giây Môi trường hoạt chất cho laser là Rhodamine 6G Nguồn bơm là laser ion Argon liên tục với công suất cỡ 5W, bước sóng 515nm Trong buồng cộng hưởng có đặt chất hấp thụ bão hòa DODCI tại tiêu

điểm của gương cầu Phổ phát xạ của Rhodamine 6G gần 590nm Bước sóng này hấp thụ khá mạnh bởi các phân tử DODCI

2.2: Một số hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng laser

2.2.1: Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm GVD

Phổ phát quang của laser màu femto giây là rất rộng, và khi xung sáng cực ngắn lan truyền trong môi trường phi tuyến thì các thành phần phổ khác nhau sẽ có vận tốc khác nhau Do đó xuất hiện một độ lệch pha giữa các mode khác nhau trong miền phổ laser Điều này rất bất lợi cho việc phát laser xung cực ngắn vì hiệu ứng này có thể làm

mở rộng xung sáng một cách đáng kể

Giả sử ta khảo sát một sợi quang đơn mode có chiều dài L d , mỗi thành phần phổ có tần số ω sẽ tới đầu ra của sợi sau khoảng thời T d L d /v g, với v glà vận tốc nhóm và được tính theo công thức: [17]

th

g   , n th là chiết suất của môi trường

Nếu  là độ rộng phổ của xung, thì độ rộng mở rộng thêm của xung sau khi qua sợi có chiều dài L d sẽ là: [34]

L d

d L v

L d

d d

Bên cạnh đó sự mở rộng tần số  được xác định bởi dải bước sóng  phát

ra bởi nguồn quang học Ta có: 

L d

2.2.2: Sự mở rộng xung do sự tự biến điệu pha SPM

Một hiệu ứng phi tuyến thường xảy ra với khi chùm sáng có đỉnh công suất cao truyền qua một môi trường phi tuyến đó là sự tự biến điệu pha Các đỉnh công suất khác nhau của các mode laser sẽ tạo sự thay đổi phi tuyến của chiết suất dẫn đến sự thay đổi pha theo thời gian, qua đó tạo nên sự biến đổi của tần số theo thời gian Sự thay đổi đó được thể hiện trong phương trình sau: [17]

) ( ) ( ) ( ) , ( t n0 n0 I t

n c   c   c  (2.4)

và

t d t I t n t

c

) ( ) ( , ) ( 2 )

dI   ` (2.6)

0 ) ( 0

dI   (2.7)

Sự thay đổi theo thời gian của chiết suất sẽ gây ra sự thay đổi theo thời gian của pha và do đó tần số cũng thay đổi theo thời gian Sự biến điệu pha do vậy sẽ tạo ra sự thay đổi rất lớn độ rộng của xung khi nó lan truyền và có thể gọi là xung đã chịu ảnh hưởng của chirp tần số

Tóm lại, khi xung lan truyền qua một mẫu phi tuyến, xung sẽ chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng của tán sắc vận tốc nhóm và sự tự biến điệu pha làm cho các xung bị

mở rộng và không còn đồng pha, dẫn đến trong quá trình lan truyền, xung có thể bị nén lại hay mở rộng ra, tùy thuộc vào mối tương quan giữa các hiệu ứng đó

2.2.3: Quá trình tạo chirp

Trong trường hợp độ rộng xung sáng nhỏ hơn tần số trung tâm của xung thì khái niệm hình bao xung và tần số mang, cường độ điện trường được biểu diễn: [17]

E t  E t e iL tcc

) ( 2

1 ) ( (2.8)

) ( ) (t A t e i t

E   là bao hình dạng phức A(t), (t)là biên độ và pha tức thời của xung sáng [38]

)()

(t L  t

dt

t d

t) ( )

  (2.9) Với L là tần số tức thời tại cực đại của xung và gọi là tần số trung tâm Xung này được biến điệu pha nếu:

t d t E t

dt

n

n n

)(

)()()

2 0 )

( ) (

21)( 21)()

(

) ( )

( )

Độ rộng dải phổ (FMWH) của xung được xác định bởi  Các giá trị của tích

độ rộng dải và thời gian xung là:

tử đặt ngoài buồng cộng hưởng tạo tán sắc vận tốc nhóm âm làm ngắn xung hoặc dùng

bộ nến hai tần: một tầng cho SPM, một tầng cho GVD để bù trừ độ lệch pha của phổ Nếu sử dụng SPM thì phổ xung sẽ mở rộng ra nhưng không làm thay đổi thời gian phổ, GVD có thể thay đổi xung ban đầu hoặc cũng có thể bù trừ xung nên dùng kết hợp cả sợi quang và cặp cách tử để nén xung ngoài buồng cộng hưởng

Khảo sát hàm truyền phổ:

) ( )

(  0 

c

 (2.14) Trong đó P0p là quãng đường quang học tán sắc vận tốc nhóm

Quãng đường quang học được tính từ mặt phẳng lối vào của mặt phẳng lối ra:

l

l là khoảng cách từ mặt phẳng lối vào đến mặt phẳng lối ra theo tần số trung tâm 0 và  là góc hợp bởi tia với tần số góc gây ra tán sắc tốc độ nhóm âm:

2 0 0

l d

d

Đối với các cặp phần tử (các lăng kính hoặc cách tử) phần tử đầu tiên cung cấp tán sắc góc và phần tử thứ hai chuẩn trực lại các thành phần phổ (hình vẽ trên) Dùng hai cặp cách tử cho phép sự dịch chuyển sang bên của các thành phần phổ bị triệt tiêu

và hồi phục lại đường cong của chùm tia ban đầu [17]

2 () a()e ie i

Để xung lối ra đạt cường độ đỉnh cực đại () phải thỏa mãn điều kiện: