Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

85
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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…

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

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 SECANTHYPERBOLE 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 SECANTHYPERBOLE 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 : Biên độ cực đại của xung CW: Bơm liên tục c: Vận tốc ánh sáng trong chân không C: Tham số chirp : Mật độ dòng photon : Cường độ hấp thụ bão hòa : Độ dài tán sắc : Hệ số chiết suất phi tuyến : 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. : Chiết suất nhóm SPM: Sự tự biến điệu pha (Self phase modulation) GVD: Sự tán sắc vận tốc nhóm (GroupVelocity dispersion) SAM: Sự tự biến điệu biên độ (Self amplitude modulation) CPM: Laser màu khóa mode bị động bằng va chạm xung ( Colliding Pulse ModeLocked) : Khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa : Năng lượng xung : Độ rộng xung : Thời gian tích thoát (hồi phục ngang) : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng : Độ rộng phổ của xung : Tham số tán sắc vận tốc nhóm
: Toán tử mật độ : Tần số của laser 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole không có chirp trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……………………………………………………………...…………………41
Hình 3.2: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……………………………………..…………………………… 44 Hình 3.3: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa………………………..……………………………….. ……….44 Hình 3.4: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa…………………………………...……………………..…. ……45 Hình 3.5: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa………………………………….. ……………………………...45 Hình 3.6: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa…………………………………………………………………..47 Hình 3.7: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa…………………………………………...…………..………… 48 Hình 3.8: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa……………………………………………………….... ……….48 Hình 3.9: Xung secanthyperbole không có với C=0 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại…………………….……………………………………………… 52 Hình 3.10: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại………………………………………...…………….. ……….54
Hình 3.11: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại………………………………………………………………..54 Hình 3.12: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại…………………………………………………... ……….55 Hình 3.13: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại…………………………………………………..…………… 56 Hình 3.14: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại………………………………………………………..……… 57 Hình 3.15: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi qua môi trường khuếch đại…………………………………………….. ………………….57 Hình 3.16: Xung secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………….. …..65 Hình 3.25: Xung secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole không có chirp đi N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng………………………………………………………………………………….6 9 Hình 3.30: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng………………………………………………………………………………….6 9 Hình 3.31: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng………………………………………………………………………………….7 0 Hình 3.32: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng……………………………………………………………..…………….…….70 Hình 3.33: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng……………………………..……………………………..………72 Hình 3.34: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng……………………………………………………………….…..72 Hình 3.35: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng……………………………………………………………….…..73 Hình 3.36: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng………………………………………………………………..….73 Hình 3.37: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=2 vòng quanh buồng cộng hưởng……………………………..………………………………….…75 Hình 3.38: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=3 vòng quanh buồng cộng hưởng………………………………………………………..……….…75 Hình 3.39: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=4 vòng quanh buồng cộng hưởng…………………………………………………..………….……76 Hình 3.40: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=5 vòng quanh buồng cộng hưởng…………………………………………………..……………..…76
Hình 3.41: Xung secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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 SECANTHYPERBOLE TRONG LASER CPM 3.1: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secanthyperbole 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 secanthyperbole không có chirp……………………….40 3.1.3: Khảo sát xung secanthyperbole có chirp…………………………...….42 3.2: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secanthyperbole 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 secanthyperbole không có chirp………...52 3.2.3: Khảo sát trường hợp xung secanthyperbole 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 secanthyperbole không có chirp…………………..59 3.3.2: Trường hợp xung secanthyperbole có chirp………………………….60 3.4: Khảo sát xung secanthyperbole đi nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng...69 3.4.1: Xung secanthyperbole không có chirp………………………………....69 3.4.2:Xung secanthyperbole có chirp…………………...……………………72 3.5: Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc đối với xung dạng secanthyperbole trong buồng cộng hưởng laser CPM…………………………………………….. ………..78 3.5.1: Xung secanthyperbole không có chirp…………………………………80 3.5.2:Xung secanthyperbole 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 modelooking) 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 16
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 secanthyperbole 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 secanthyperbole 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… 17
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 18
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] Mặc dù phân bố biên độ dạng Gauss của các mode đã được lựa chọn để đơn giản hoá về mặt toán học, hình dạng thực tế của phân bố biên độ ảnh hưởng đến hình dạng của xung. Các phân bố biên độ khác của các mode với khoảng cách tần số như nhau và tương đương với quang phổ rộng Δ, tiếp đó, với một chuỗi tuần hoàn của các xung không có dạng Gauss, nhưng có một thời gian xung gần đúng với 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 gianthời 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 giankhông 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. 19
Độ rộng xung τp luôn tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ Δ 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 × 10s) 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. 20