Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng của laser CPM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu đã tìm hiểu về quá trình tạo xung cực ngắn bằng laser màu khóa mode. Đồng thời chúng tôi cũng giới thiệu và phân tích chi tiết về laser màu với chất hấp thụ bão hòa là DODCI và hoạt chất là chất màu Rhodamine 6G sử dụng buồng cộng hưởng laser dạng vòng và đồng bộ mode bị động bằng va chạm xung CPM thường được sử dụng để tạo được những xung sáng vùng femto giây ngắn nhất hiện nay mà nó có nhiều ứng dụng phong phú trong thực tiễn và trong khoa học, công nghệ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng của laser CPM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM Chuyên ngành:QUANG HỌC Mã số:664411 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN Hà Nội – Năm 2011 2
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN ............................................ 7 1.1. Laser màu ........................................................................................................7 1.1.1. Hoạt chất cho laser màu .............................................................................9 1.1.2 Tính chất của laser màu .............................................................................10 1.2 Các mode trong buồng cộng hƣởng laser ....................................................13 1.2.1 Mode dọc trong buồng cộng hƣởng ..........................................................13 1.2.2 Mode ngang trong buồng cộng hƣởng laser. ...........................................14 1.3. Các phƣơng pháp đồng bộ mode ................................................................16 1.3.1. Nguyên lý tạo xung cực ngắn ....................................................................16 1.3.2. Phƣơng pháp khoá mode chủ động .........................................................18 1.3.3 Cơ chế phát xung cực ngắn bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ ..............19 CHƢƠNG 2 : LASER MÀU CPM VÀ KỸ THUẬT NÉN XUNG CỰC NGẮN ......................................................................................................................... 23 2.1.. Cấu trúc buồng cộng hƣởng .......................................................................23 2.2 Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật nén xung .....................................................25 2.3. Sự tạo chirp và bù trừ chirp trong các thiết bị quang học .......................26 2.3.1 Quá trình tạo chirp .....................................................................................26 2.3.2. Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm (GVD)...................................27 2.3.3. Sự mở rộng pha do sự tự điều biến pha (SPM) ......................................28 2.3. 4. Quá trình bù trừ chirp .............................................................................29 2.4. Nén xung trong buồng cộng hƣởng .............................................................33 2.5 Nén xung ngoài buồng cộng hƣởng ..............................................................36 2.5.1 Quan điểm đại số .........................................................................................37 2.5.2 Phương pháp đánh giá đại số: ....................................................................38 2.5.3 Một vài hạn chế của quá trình nén xung ..................................................39 3
CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN ĐỐI VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG CỦA LASER CPM ....... 40 3.1 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng chất hấp thụ bão hòa ..40 3.1.1 Khảo sát sự tƣơng tác xung trong chất hấp thụ bão hòa ........................40 3.1.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. ..........44 3.1.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc một. ...............................................................................................................................51 3.1.4. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc hai. ...............................................................................................................................58 3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng khuếch đại ....................63 3.2.1 Tính toán lý thuyết sự biến đổi đặc trƣng xung khi đi qua môi trƣờng khuếch đại. ...........................................................................................................63 3.2.1 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. ..........67 3.2.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc một. .......................................................................................................................72 3.2.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc hai ..........................................................................................................................78 3.3 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua không gian ba chiều. .......................84 3.3.1 Ảnh hƣởng của chirp tuyến tính qua không gian ba chiều. ...................84 3.3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến bậc hai qua không gian ba chiều. .......89 KẾT LUẬN...................................................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 96 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 97 4
MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phương pháp quang phổ 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. Đặc biệt cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi hỏi thông tin phải được truyền với tốc độ cao, xung càng ngắn thì thông tin truyền càng nhanh. Sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan trọng trong thông tin quang. Vì vậy nghiên cứu về xung cực ngắn là một vấn đề cần thiết. Để có một bức tranh toàn cảnh, chúng ta cùng điểm qua những thành tựu cơ bản trong nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn. Về thực nghiệm, cho tới năm 1960 khoảng thời gian xung ngắn nhất đo được chỉ cỡ bậc nanô giây, được tạo ra thông qua sự phóng điện cực ngắn. Nhưng sau khi laser ra đời vào năm 1960 thì tình hình thay đổi nhanh chóng. Bằng các phương pháp Q-switching (Biến điệu độ phẩm chất) và đồng bộ mode , người ta đã đạt được những xung cỡ trăm picô giây hoặc ngắn hơn. Đến năm 1965, dựa trên phương pháp đồng bộ mode thụ động, bằng cách đặt trong buồng cộng hưởng của laser một chất hấp thụ bão hòa, các xung cực ngắn đã đạt được picô giây. Năm 1976 J.S.Rudock và Bradly thay đổi độ dài chất hấp thụ thì xung thu được có độ dài cỡ 0,3 ps. Để có được những xung ngắn hơn thì thực nghiệm chứng tỏ nên dùng buồng cộng hưởng vòng cùng với nén xung. Năm 1981, Shank, R.I.Fork và B.I.Green đã cải tiến buồng cộng hưởng vòng để thực hiện va chạm xung với việc sử dụng một dòng phun chất màu có độ dày 10  m thì đạt độ dài xung là 90fs. Cuối năm 1982 cũng dùng phương pháp va chạm xung, buồng cộng hưởng vòng cùng với sự bù trừ biến điệu pha trong buồng cộng hưởng, Diels và Pretels đã thu được xung có độ dài xấp xỉ 53fs. Năm 1985, Shank và Fork cải tiến nguồn bơm laser CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệu pha thu được xung 8 fs. Như 5
vậy, thực nghiệm đã chứng tỏ ưu nhược điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng cùng với nén xung trong lĩnh vực phát xung cực ngắn. Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm ( GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trên đường truyền 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 chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại đối với sự rút ngắn xung khi không có chirp. Nhưng khi có chirp thì chưa được khảo sát. Vì vậy để thấy được sự ảnh hưởng của chirp lên dạng xung như thế nào, tôi đã lựa chọn đề tài “ Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng của laser CPM ”. Bố cục luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Laser màu xung cực ngắn Chương 2: Laser màu CPM và kỹ thuật nén xung Chương 3: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM. Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu xót và hạn chế, rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn 6
CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN 1.1. Laser màu Một trong những ưu điểm chính của laser màu là có thể tạo ra nhiều vùng quang phổ khác nhau. Trái ngược với các laser rắn, laser màu được đặc trưng bởi độ khuyếch đại cao, cũng có nghĩa thời gian sống ở trạng thái trên là ngắn, thường ngắn hơn thời gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng. Do đó, chế độ khoá mode thông qua sự biến điệu độ khuyếch đại là có hiệu quả. Trong 15 năm qua laser màu fs được thay thế bằng laser rắn và laser sợi. Năm 1981 Fork và các đồng nghiệp đã giới thiệu laser màu khoá mode bằng va chạm xung (CPM) tạo ra xung dưới 100 fs. Trong laser màu này, cấu hình vòng cho phép hai xung lan truyền ngược nhau để phát triển trong buồng cộng hưởng. Môi trường hoạt chất là một dung dịch chứa chất màu hữu cơ (ví dụ như Rh 6G trong ethylene glycol), được bơm thông qua một ống, tạo thành một dòng tia mỏng (cỡ 100 m). Một dòng phun dung dịch chứa chất màu ( ví dụ như diethyloxadicarbocyanine iodide hoặc DODCI trong ethylene glycol) hoạt động như chất hấp thụ bão hoà. Hai xung lan truyền ngược chiều gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà (đây là cấu hình mà sự mất mát là tối thiểu). Một chuỗi lăng kính (một, hai, hoặc bốn lăng kính) cho phép điều chỉnh cộng hưởng tán sắc nhóm GVD. Bước sóng của xung được xác định bởi công tua quang phổ của độ khuyếch đại và chất màu hấp thụ. Giới hạn điều chỉnh đạt được bằng cách thay đổi nồng độ chất màu. Đã quan sát được xung ngắn hơn 25 fs với công suất đầu ra nói chung không quá 10 mW với sóng bơm liên tục, và lên đến 60 mW với một sóng bơm dạng xung ( laser Ar+ bị khoá mode). 7
Bảng chất màu hữu cơ sẵn có, có thể bao gồm toàn bộ vùng ánh sáng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại với các nguồn được điều hướng và bị khoá mode. Một bảng kết hợp được chất màu hấp thụ độ khuyếch đại sử dụng laser khoá mode bị động có thể được tìm thấy trong Diels. Chế độ khóa mode hỗn hợp của laser màu đã mở rộng bảng màu của bước sóng có sẵn thông qua chế độ khoá mode bị động, làm cho nó có thể chứa một phạm vi quang phổ rộng kéo dài từ vùng ánh sáng nhìn thấy, từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại gần. Lưu ý, buồng cộng hưởng của laser là tuyến tính, với chất hấp thụ và môi trường khuyếch đại tại hai đầu. Một cấu hình sử dụng thường xuyên được chú ý là “vòng phản cộng hưởng”. Dòng chất hấp thụ bão hoà có vị trí ở gần điểm cắt nhau của xung của buồng cộng hưởng phụ nhỏ. Trong đó xung chính được chia thành hai nửa được kết hợp lại trong cấu hình sóng đứng trong chất hấp thụ. Với laser vòng khó điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng độc lập với tất cả các thông số khác. Laser màu đặc biệt thành công trong phần ánh sáng nhìn thấy của quang phổ, nơi mà hầu như tất cả các bước sóng đều được kiểm soát. Lợi thế của việc sử dụng chất màu hữu cơ trong một dung môi nhớt là dòng phun dung dịch chứa chất màu cho phép công suất bơm cực kì cao, mật độ vượt quá 10 MW/cm2, được tập trung trên vùng khuếch đại. Những bất lợi của laser màu cũng nằm trong sự bất tiện khi liên kết với một hệ thống lưu thông chất lỏng. Để giữ lại hầu hết các đặc điểm của laser màu trong dung dịch lỏng ta thay thế bằng chất màu pha tạp, môi trường khuếch đại các hạt nano polymer. Tiến bộ đáng kể đã thực hiện được là phát triển một vật liệu có tính chất quang học tuyệt vời. Những môi trường hoạt động laser này vẫn chưa được áp dụng như một nguồn femto giây. Chiều dài buồng cộng hưởng ( so với chiều dài hình học của một xung fs) của đa số các laser ở chế độ khoá mode đáp ứng một mục đích cần thiết khi cần một chuỗi các xung thay vì cần một xung. Sự phát xạ của một xung ngắn bằng laser có buồng cộng hưởng dài đòi hỏi một sự chồng chất chặt chẽ của các mode dao động trong buồng cộng hưởng với mối quan hệ pha cố định. Tuy nhiên nếu chỉ cần một xung đơn, thì không cần nhiều hơn một mode dọc trong công tua độ khuếch đại. 8
Xung cực ngắn được tạo ra trong laser có buồng cộng hưởng nhỏ thông qua cộng hưởng biến điệu độ phẩm chất (Q – switching) hoặc biến điệu độ khuếch đại. Bên cạnh giới hạn độ rộng dải của độ khuếch đại, thời gian xung được thiết lập bởi độ rộng phổ của các mode dọc, và do đó thời gian cộng hưởng. Sau cùng được giới hạn bởi thời gian đi một vòng trong buồng cộng hưởng 2L/c. Lý tưởng nhất là buồng cộng hưởng của laser cần một phạm vi phổ rộng c/2L vượt quá độ rộng dải của độ khuyếch đại. Hai phương pháp phát xung ngắn là hoặc sử dụng buồng cộng hưởng cực ngắn (độ dày của ngăn chất màu Fabry-perot trong khoảng m) hoặc buồng cộng hưởng không truyền thống (laser hồi tiếp phân bố), tất cả đều có thành công và được phát triển cho laser màu (nhưng không giới hạn). Trong laser phân bố hồi tiếp hai chùm bơm tạo ra một kích thích biến điệu không gian hoạt động như một cách tử Bragg. Cách tử này đáp ứng như một sự hồi tiếp (cộng hưởng) của laser và bị phá huỷ trong quá trình phát triển xung. Thời gian tồn tại của buồng cộng hưởng này ngắn cùng với sự mở rộng không gian nhỏ có thể tạo ra các xung cỡ ps mà tần số có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kì cách tử. sau đó được xác định bởi góc chồng lên nhau của hai chùm tia bơm. Trong một laser “buồng cộng hưởng ngắn” điển hình, bước sóng có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh độ dày của ngăn chất màu trong phạm vi từ 3 đến 5 m với một bộ biến đổi uốn nhẹ gương sau của buồng cộng hưởng. Với thời gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng chỉ có 10 fs, rõ ràng thời gian xung sẽ không thể kéo dài hơn thời gian xung của một xung bơm ps. Như với laser phân bố hồi tiếp, động lực của sự suy giảm bơm có thể dẫn đến kết quả là các xung ngắn hơn đáng kể so với xung bơm. Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của laser này có thể được tìm thấy trong Kurz , ví dụ sử dụng một laser excimer. Szatmari and Schaefer tạo ra xung 500 fs, điều chỉnh được từ 400 đến 760 nm, trong một loạt các thông tin phân bố hồi tiếp và laser màu buồng cộng hưởng ngắn. Sau khi SPM và nén lại thì xung ngắn khoảng 30 fs trong một vùng phổ đã thu được từ 425 đến 650 nm. 1.1.1. Hoạt chất cho laser màu 9
Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin…gọi là laser màu. Các tính chất quang học của những chất màu xuất hiện đầy đủ khi các chất màu được hoà tan trong dung môi. Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở những vùng ánh sáng khả kiến như C6H6, C5H5N, C4H4N2…Ba chất màu thường được sử dụng làm hoạt chất màu laser là Rhodamine B (RhB), Rhodamine 6G (RH6G) và Cumarin. Cấu trúc của phân tử chất màu là 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. Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủ trong những dung dịch lỏng hay dung dịch rắn. Trong dung dịch lỏng, thường quan sát được huỳnh quang tức thời. Thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích ở khoảng 10-9 s là rất ngắn sẽ gây ra khó khăn cho việc tạo nghịch đảo độ tích luỹ. Phổ hấp thụ hay phát xạ của chất màu gồm những đám cơ bản độ rộng 150 MHz ở trong vùng nhìn thấy và những đám phụ nằm trong vùng phổ tử ngoại. Sự huỳnh quang của phần lớn các chất màu không phụ thuộc vào độ dài của bức xạ kích thích. Khi kích thích Rhodomine B bằng các bước sóng =5890 A0 hoặc bức xạ tử ngoại =2537 A0 thì phổ huỳnh quang của nó không thay đổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn cao hơn. Do 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. 1.1.2 Tính chất của laser màu Tính chất quan trọng của laser màu là điều chỉnh được tần số hay bước sóng do phổ phát xạ của chúng rộng ( 10 – 100nm ~1013 – 1014 Hz). Dùng các chất màu thích hợp thu được bước sóng laser màu từ vùng hồng ngoại gần, vùng nhìn thấy cho đến vùng tử ngoại gần. Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin…gọi là laser màu. Các tính chất 10
quang học của những chất màu xuất hiện đầy đủ khi các chất màu được hoà tan trong dung môi. Laser màu là laser sử dụng các hợp chất hữu cơ dùng làm hoạt chất. Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở những vùng ánh sáng khả kiến như C6H6, C5H5N, C4H4N2… Ba chất màu thường được sử dụng làm hoạt chất Các trạng thái đơn màu laser là Rhodamine B ( RhB), Rhodamine 6G (RH6G) và Cumarin. S2 Các trạng thái bội ba T2 thoát Tích Hấp thụ S1 Bức xạ Hấp T1 thụ S0 Hình 1.1: Giản đồ mức năng lượng phân tử chất màu trong dung dịch Cơ chế hoạt động của laser màu dựa trên chế độ hoạt động hai mức và bốn mức. Phổ chất màu luôn tồn tại trạng thái điện tử đơn S0, S1, S2 và những trạng thái bội ba T1, T2 tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S=0, S=1 cũng như độ bội   1,3 . Mỗi trạng thái điện tử bao gồm nhiều mức dao động ( liền nét) và nhiều mức dao động quay ( đường chấm chấm). Do trong chất lỏng cơ chế mở rộng vạch mạnh hơn nhiều trong chất khí nên những mức quay trong chất lỏng sẽ không phân giải được dẫn tới phổ hầu như liên tục giữa những mức quay. Khi có sự tương tác của phân tử chất màu với bức xạ của trường điện từ bên ngoài và theo quy tắc lọc lựa S  0 nên có dịch chuyển giữa những trạng thái đơn với nhau và trạng thái bội ba với nhau gọi là trạng thái được phép còn dịch chuyển giữa những trạng thái đơn và bội ba là bị cấm. Vì vậy phân tử có thể chuyển từ trạng thái cơ bản S 0 đến một trong những trạng thái dao động của trạng thái S1, S2. Sau một khoảng thời gian rất ngắn, phân tử sẽ tích thoát xuống mức dao động thấp nhất của trạng thái điện tử S1. 11
Từ mức này phân tử bức xạ huỳnh quang về mức dao động của trạng thái điện tử cơ bản S0 sau đó dịch chuyển không bức xạ về mức dao động thấp nhất của trạng thái S0 ( hình 1.1). Khi phân tử ở mức thấp nhất của trạng thái S1 có thể dịch chuyển về trạng thái bội ba T1 do sự va chạm. Tương tự như vậy nhờ sự va chạm cũng làm dịch chuyển từ trạng thái bội ba T1 về S0. Đặc trưng tích thoát: 1 1   k SP (1.1)   SP  SP : thời gian sống của trạng thái đơn S1. kSP: tốc độ dịch chuyển từ trạng thái đơn đến trạng thái bội ba.  T : thời gian sống bội ba.  : thời gian sống trạng thái S1. Laser màu chế độ xung thu được khi sử dụng một số lớn chất màu khác nhau và nguồn bơm phải có cường độ đủ cao như các đèn có xung rất ngắn (< 1s ) hoặc các loại laser khác nhau. Hiện nay dùng các laser Ruby trong chế độ phát xung khổng lồ, họa ba bậc hai của laser YAG – Nd+3 hoặc laser khí nitơ, laser Ar+ hay Kr+…Dùng các sơ đồ bơm ngang, bơm dọc và bơm nghiêng để thực hiện bơm quang học cho laser màu. Một trong những tính chất quan trọng nhất của laser màu là khả năng điều chỉnh tần số phát trong giới hạn hàng trăm A0. 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 thô được bước sóng của laser màu. Hiệu suất của laser màu có thể đạt tới ~25% còn công suất trong chế độ phát xung lên tới hàng chục MW, còn trong chế độ liên tục có thể đạt tới chục W. Một thành tựu trong sự phát triển của laser màu là sự pha khí để thay thế cho dung dịch lỏng. Trong chế độ này thích hợp nhất là sử dụng chất màu không ion có áp suất hơi bão hòa thấp và bơm quang học dùng laser nitơ. Trong hỗn hợp khí làm việc có thể cho thêm một hay một số chất khí đệm để tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong những phân tử hoạt động trong quá trình truyền năng lượng. Đồng thời sự kích thích được truyền từ trạng thái siêu bền của phân tử khí đếm sang trạng thái đơn của những phân tử hoạt chất. Sự kích thích chất màu pha khí bằng sự phóng điện cũng đang được nghiên cứu và tương lai 12
còn chú ý đến sự kích thích bằng chùm điện tử nữa. Laser màu có độ rộng dải khuếch đại lớn được sử dụng rộng rãi để phát những xung cực ngắn trong vùng ps và fs. Hiện nay việc dùng những laser màu được bơm bằng laser Ar+ hay Kr+ rồi thực hiện đồng bộ mode bằng phương pháp chủ động hoặc bị động hay bơm đồng bộ. Việc kết hợp với phương pháp nén xung đối với laser màu được đồng 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 dải thời gian và trong kỹ thuật thông tin cực nhanh trong sợi quang hay photon học nói chung. 1.2 Các mode trong buồng cộng hƣởng laser 1.2.1 Mode dọc trong buồng cộng hƣởng Mode dọc trong buồng công hưởng (BCH) xác định cho chúng ta một cấu trúc trường ổn định riêng. Đó là phân bố trường tự tái lập sau một chu trình bức xạ đi vòng quanh BCH. Các mode của BCH mới tạo thành bởi một cặp các gương phẳng hoặc cầu. Mỗi cấu trúc BCH tạo ra một tập hợp các mode trục dọc có cùng dạng phân bố năng lượng không gian trên mặt phẳng ngang nhưng mỗi mode lại có sự phân bố khác nhau theo trục BCH, phụ thuộc vào bước sóng và số lần bước sóng đi hết một vòng BCH. Các mode trục dọc này có khoảng cách tần số bằng 2c/L, với c là vận tốc ánh sáng, L là chiều dài quang học giữa hai gương cộng hưởng. Hình 1.1 mô tả bức xạ của một loại laser khi tồn tại một số mode dọc BCH vượt ngưỡng hoạt động của laser. Mỗi tần số nằm phía trên hình ứng với một mode dọc khác nhau, nghĩa là khoảng cách mode f là sự khác nhau về chiều dài bước sóng trong BCH. C/2L net loss/length net again/length  13
Hình 1.1: Các mode dọc trong BCH của laser, công tua khuếch đại với phổ tấn số ứng với đường cong Parabol, các dao động nằm trong hình bao công tua và ngưỡng trên mức ngưỡng ( net loss) thì mới thỏa mãn điều kiện phát. Về mặt lý thuyết , để có một laser phát đơn mode dọc cần thiết kế BCH đủ ngắn để khoảng tần số c/2L phải lớn hơn độ rộng miền kích hoạt của môi trường tăng ích đối với hoạt chất laser hoặc phải tạo ra được BCH phức tạp có thể điều chỉnh sự mất mát lớn tới mức loại bỏ được tất cả các mode nằm trong miền dao động trừ một số mode có mức năng lượng cao nhất. 1.2.2 Mode ngang trong buồng cộng hƣởng laser. Với một số mode trục dọc có thể có tập hợp các cách phân bố năng lượng sáng trong BCH. Có thể phân bố khác nhau dưới cùng sự bố trí của hai gương cầu của BCH, điều này tương đương với sự phân bố năng lượng trên các mặt phẳng vuông góc với trục BCH khác nhau. Với mỗi cách phân bố năng lượng được gọi là mỗi mode ngang của BCH. Hình 1.2 chỉ rõ sự phân bố các mode ngang bậc thấp có sự đối xứng trục vuông góc và ở đó có cả sự đối xứng tròn, cho dù cả hai đặc tính đối xứng ấy đều tương tự như nhau. Sự phân bố biên độ của các mode ngang này theo mặt phẳng vuông góc với trục BCH: A(x,y) được đưa ra như sau:     2 y  A(x,y) = Am,n  H m  2 x  H n   exp   2  y  /   2 2 (1.2)          x     Trong đó x,y là các tọa độ ngang, Am,n là hằng số mà độ lớn phụ thuộc vào cường độ trường của các mode,  là bán kính của mode cơ bản, m=0 và n=0 ứng với biên độ cực đại 1/e , Ha (b) là bậc thức a của biểu thức Hermite với biên độ b và m,n được gọi là chỉ số mode ngang. n=0 n=1 n=2 n=3 14
Hình 1.2 Hình ảnh mode ngang của laser ứng với chỉ số mode ngang n biến đổi từ 0 tới 3, m=0. Hình 1.2 biểu diễn sự biến đổi của biên độ A biến đổi theo trục x với giá trị của n thay đổi từ 1 tới 3. Ở đây chúng ta chú ý rằng khi chỉ các mode tăng thì sự phân bố năng lượng của trường theo mặt cắt ngang BCH dần rộng xa dần trục BCH. Để thu được sự dao động laser đơn mode ngang thì cần sử dụng một số thiết bị để tạo nên sự mất mát cao đối với tất cả các mode trừ mode ta mong muốn. Vì đối với các mode bậc cao thì sự lan truyền tỏa ra với trục BCH vì vậy cách dễ dàng hơn cả để thực hiện dưới hoạt động đơn mode ngang bằng cách đưa vào trong BCH một lỗ tròn có kích thước sao cho với kích thước ấy mất mát do nhiễu xạ với các mode cơ bản ít còn với các mode bậc cao sẽ chịu sự tắt dần rõ rệt. Với các BCH không chịu sự mất mát lớn hơn do nhiễu xạ thì tần số cộng hưởng của một mode có thể được viết dưới dạng như sau:   q  1  m  n  1 cos c   L  L   v 1   1   (1.3) 2L    R1  R2     Với q+1 là số nửa bước sóng của ánh sáng dọc trục của BCH, m và n là bậc mode ngang, R1 và R2 lần lượt là hai gương của BCH. Trong đó ta cần chú ý các điểm sau: (1) Với một mode ngang cho trước (m,n cho trước) một số mode dọc có khoảng cách mode không bằng c/2L. (2) Với một số mode dọc cho trước (q), các mode ngang có tổng m+n như trên thì không có khoảng tần số bằng các giá trị sau: c  L  L  v= cos 1  1  (1.4) 2L  R1  R2  Trong bất kỳ một BCH laser thực tế nào thì một phần của chùm laser bị mất mát bởi sự rò rỉ khi chùm tia đi quanh các gương có kích thước giới hạn hoặc bởi sự ngăn chặn của giới hạn độ mở của BCH laser. Những mất mát này phụ thuộc vào đường kính của chùm tia laser trên mặt cắt ứng với độ mở và bán kính  của độ mở. Với một số các gương cong và phẳng có chỉ số khác nhau, kích thước chùm tia tại các gương được xác định giống như ở vô cực khi có sự nhiễu xạ đáng kể. Các 15
dạng mất mát này chúng ta cần hiểu như sơ đồ và nguyên lý hoạt động của BCH không ổn định. Số Fresnel N  1 thì sự chuyển đổi này là liên tục. 1.3. Các phƣơng pháp đồng bộ mode 1.3.1. Nguyên lý tạo xung cực ngắn Sự xuất hiện của xung sáng cực ngắn trong một cộng hưởng laser là liên hệ với sự kiện rằng sẽ có thể kích thích đồng thời rất nhiều những dao động riêng trong cộng hưởng Laser trong những môi trường kích hoạt với độ rộng dải tương đối lớn của sự dịch chuyển laser cường độ trường tổng cộng E (t) của tia Laser được cho như sự chồng chập của cường độ của M dao động riêng mode trụ. 1 E (t )  z . . Eˆ meimi (0  m )  KK (1.5) m 2 ( M  1) ( M  1) Ở đây tổng lấy từ: m   đến m  2 2 c Em: Là biên độ, m là pha của dao động riêng và   là tần số vùng của L khoảng cách mode. Tần số này được xem là hằng số đối với toàn bộ vùng phát sóng. Điều này luôn đúng khi ta bỏ qua sự tán sắc của môi trường quang học, mà độ bán sắc này ảnh hưởng tới độ dài quang học của cộng hưởng L. Những pha m của những dao động riêng khác nhau có thể là độc lập thống kê hoặc phụ thuộc thống kê với nhau, tuỳ theo đặc trưng của môi trường kích hoạt và của cộng hưởng. Chúng ta khảo sát trường hợp độc lập thống kê của những pha này (điều này xảy ra trong những di chuyển mở rộng không đồng nhất mạnh). Khi đó đối với cường độ tổng cộng chúng ta nhận được: 1 ˆ 2 I ~ E (t) 2  m Em (1.6) 2 Cường độ tổng cộng sẽ là tổng cường độ các mode riêng, cường độ tổng cộng có thăng giáng và sự phân bố của chúng có đặc trưng của tiếng ồn dạng Gauss, 16
pha của mỗi mode sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên từ - đến + vì mỗi mode là dao động độc lập đối với nhau. Nhưng qua một cơ chế thích hợp trong cộng hưởng laser sẽ có thể thực hiện được một quan hệ pha xác định (cố định) giữa những dao động riêng khác nhau này. Do đó tia Laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian. Người ta gọi một Laser như vậy là Laser đồng bộ mode (mode locking: khoá mode). Một quan hệ pha xác định giữa các mode có nghĩa là: m - m-1 =  = constant (1.7) Ta thay thế m = m + 0 = vào biểu thức (1.5). Khi sự mode có biên độ Eˆ 0 bằng nhau ta sẽ tìm được cường độ trường tổng cộng: m  sin  ( t   ) E (t )  Eˆ 0 2   ei (t   0 )  KK (1.8) 2 Các mode giao thoa do sự liên kết pha trong cộng hưởng, và điều đó đã dẫn tới sự tạo thành xung sáng qua sự chồng chập. Cực đại của cường độ sẽ đạt được ở thời điểm sẽ bằng không. Có nghĩa là:   tm       m (1.9)  2  Tín hiệu ra của Laser được đồng bộ mode sẽ là một đoàn xung hoàn một khoảng thời gian u. 2 2L u  (1.10) M c Khoảng thời gian u chính là khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng đi một vòng quanh cộng hưởng. Trong cộng hưởng luôn có chỉ một xung chạy đi và về. Thời gian xung có thể đánh giá trong bậc: 2 2 L   (1.11) M gen Ở đây gen là khoảng tần số mà trong đó M mode Laser dao động. Khi bơm mạnh thể gen sẽ có thể cỡ bằng độ rộng vạch của độ rộng vạch phổ của dịch 17
chuyển Laser. Như vậy muốn tạo được xung cực ngắn thì độ rộng vạch phổ của dịch chuyển Laser cần phải lớn. Mode giá trị giới hạn của độ dài xung là cho qua giá trị nghịch đảo của độ rộng vạch. Cho nên đối với Laser khí áp suất thấp, độ dài xung chỉ đạt cỡ ns và dưới ns. Đối với Laser rắn, độ dài xung ngắn nhất đạt cỡ độ ps và đối với Laser màu độ dài xung thể đạt tới dưới ps và có thể tới vùng fs. Những xung đạt được trong Laser đồng bộ mode không những có độ dài xung rất ngắn mà còn đạt công suất đỉnh rất cao. Cường độ cực đại tỷ lệ với 2 M 2 Eˆ 0 còn trong trường hợp không có đồng bộ mode chỉ cường độ chỉ tỷ lệ với 2 M 2 Eˆ 0 tức là M là nhỏ hơn khi có công suất mode như nhau trong hai trường hợp. Những phương pháp quan trọng nhất để đồng bộ mode là: Đồng bộ mode chủ động Bơm đồng bộ để đồng bộ mode Đồng bộ mode bị động. Sau đây tôi xin trình bày một phương pháp bơm đồng bộ 2 1.3.2. Phƣơng pháp khoá mode chủ động Phương pháp này là biến điệu sự mất mát bằng cách dùng một bộ điều biến đặt bên trong buồng cộng hưởng. Bộ biến điệu này được điều khiển nhờ một tín hiệu bên ngoài với tần số biến điệu bằng tần số của khoảng cách mode của các mode trục riêng. Yếu tố này sẽ gây ra sự biến điệu về biên độ của các mode dọc. Có ba kĩ thuật có thể khảo sát trong phương pháp này là biến điệu biên độ (AM), biến điệu tần số (FM) và phương pháp bơm đồng bộ.  Biến điệu biên độ Thường sử dụng bộ biến điệu mất mát âm quang đặt trong buồng cộng hưởng. Sóng siêu âm sẽ đi qua môi trường trong suốt về quang học là thạch anh. Chu kì không gian của sự biến điệu sẽ bằng nửa bước sóng siêu âm. Chu kì không gian được tạo nên do hiệu ứng quang đàn hồi gây bởi sóng siêu âm làm xuất hiện một cách tử pha. Khi một sóng tới xuất hiện trên một cách tử pha như vậy thì một 18
phần cường độ sẽ bị nhiễu xạ trong hướng khác. Phần này của tia có thể điều khiển một thông số thích hợp nhờ cộng hưởng để tạo nên mất mát năng lượng được biến điệu một cách tuần hoàn theo thời gian. Sóng siêu âm được đưa vào trong môi trường trong suốt nhờ một bộ truyền áp điện để biến đổi một tín hiệu các tần số thành năng lượng siêu âm.  Biến điệu tần số Nếu tần số biến điệu bằng tần số khoảng cách mode làm cho các dải liên kết mỗi mode sẽ cộng hưởng với các tần số mang của các mode khác. Kết quả có sự liên kết mạnh của các mode này và tạo ra chuỗi các xung bị khoá mode. Đây là cơ sở của phương pháp khoá mode biến điệu tần số. Kĩ thuật này dùng biến điệu điện quang để khoá mode.  Bơm đồng bộ Thực hiện bơm đồng bộ nhờ sự biến điệu độ khuyếch đại của laser bằng cách bơm một laser qua một đoàn xung liên tục của laser khác đã được đồng bộ mode. Chỉ khi độ dài buồng cộng hưởng cần đồng bộ mode phải xấp xỉ bằng độ dài buồng cộng hưởng laser dùng để bơm thì dưới những điều kiện xác định sự khuyếch đại sẽ biến điệu theo thời gian với chu kì bằng chu kì buồng cộng hưởng. Ngoài ra trong khoảng thời gian của sự khuyếch đại cực đại, dưới những điều kiện tối ưu phương pháp này có thể tạo ra một xung ngắn hơn xung bơm từ hai đến ba bậc. Đối với laser màu sử dụng đồng bộ mode bằng bơm đồng bộ được bơm bằng một đoàn xung của một laser Ruby đã đồng bộ mode. Khi buồng laser Ar+ hay Kr+ được đồng bộ mode chủ động thu được laser màu phát xung cực ngắn dưới 1ps. Sự biến điệu tuần hoàn các thông số laser có thể thực hiện không những bằng các tín hiệu từ bên ngoài mà còn cơ chế tự động quay trong buồng cộng hưởng. Để đạt được mục đích này, cần phải có phần tử phi tuyến đặt trong buồng cộng hưởng, chẳng hạn một chất hấp thụ bão hoà. Chính vì đồng bộ mode mà không cần tín hiệu điều khiển từ bên ngoài nên phương pháp này được gọi là phương pháp đồng bộ mode bị động hay tự động. 1 1.3.3 Cơ chế phát xung cực ngắn bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ 19
Đồng bộ có thể thực hiện được những phương pháp biến điện các thông số của Laser như biến điện sự mất mát bên trong hay độ dài quãng đường quang học trong cộng hưởng.(phương pháp chủ động). Ngoài ra cũng có thể thực hiện sự đồng bộ mode qua việc biến điện sự khuyếch đại của nó. Điều này được thể hiện bằng cách bơm một Laser qua mode đoạn xung liên tục của một Laser khác mà Laser này đã được đồng bộ mode. 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 bán (hoặc bán 1 số nguyên lần sắc). Như vậy thì được những điều kiện xác định, sự khuyếch đại số được biến điện theo thời gian với một chu kỳ biến điện bằng thời gian đi vòng quanh cộng hưởng. Tương tự như trong sự biến điện hao phí bên trong cộng hưởng sẽ tạo nên trong trường hợp này (đồng bộ một - bán đồng bộ), ở trong vùng thời gian (khoảng thời gian) của sự khuyếch đại cực đại. Một xung ngắn hơn cả mà độ dài của nó dưới những điều kiện tối ưu sẽ từ 2 đến 3 bậc ngắn hơn độ dài của xung bơm. 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 mode công tua khuyếch đại rất rộng (độ rộng dài: 10131014) . Trong cộng hưởng và làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục. (Ví dụ như mầu Fabry - Ferol, một…………. hay một lăng kính). Do đó có thể điều chỉnh tần số của Laser mầu như vậy trong một vòng xác định nào đó. Độ rộng phổ của yếu tố 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 nhiều ý nghĩa lớn trong việc tạo những xung ps và dưới ps. Đồng bộ mode Laser màu dòng bán đồng bộ được sử dụng tương đối sớm. Ở đó một Laser màu đã được bơm bằng đoàn xong của một Laser Rubin đã được đồng bộ mode hoặc bằng hoạ ba bậc hai của Laser thuỷ tinh Nêôđyn. Tuy nhiên xung Laser màu đạt được trong những thực nghiệm này ở độ dẫn chỉ ở Laser Ar+ 20