Ảnh hưởng của Chirp tần số đối với sự hình thành xung cực ngắn trong Laser mầu khóa Mode

Người ta thường sử dụng các laser mầu để phát các xung ngắn và cực ngắn trong vùng phổ hổng ngoại, khả kiến và cả vùng tử ngoại trên cơ sở các phương pháp biến điệu phẩm chất buồng cộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯ Ờ NG Đ Ạ I HỌC K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N

: TH.S TRẦN MẠNH HÙNG : TH.S BÙI VÃN HẢI

: TH.S M AI T H Ị HUỆ : TH.S ĐỖ T H Ị DIỆU HỤYẸN

^ HC C ^ j t ' C GIA HÀ NÓI I , ir Ti.r/ tin thi ; '/'É n

Ĩ ) T / K o I

Hà Nội, 2007

2.1.1 Phương pháp quay gương

2.1.2 Phương pháp điện quang

2.1.3 Phương pháp sử dụng các chất mầu hấp thụ bão hoà

2.2.1 N guyên tắc đồng bộ mode

m Tạo chirp và bù tr ừ chirp trong buồng cộng hướng của Laser 12

Chú trì đề tài

Cán bộ tham gia

PGS, TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN Th.s GIANG MẠNH KHÔI Th.s TRẤN MẠNH HÙNG Th.s BÙI VĂN HẢI

Th.s MAI THỊ HUỆ

T h.S.Đ ỗT H I DIÊU HUYEN

1 M ụ c tiêu và nội d u n g nghiên cứu:

- Khảo sát chirp irong buồng cộng hưởng của L a ser mấu khóa Mode

+ Cơ chế tạo Chirp tần số

+ Đặc tính của Chirp

- Tạo xung cực ngắn

2 C á c kết q u ả đ ã đ ạ t được

- Đã thu thập, khảo sát các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm về chirp tần

số trong Laser màu, cộng hường vòng, khóa mode bằng va chạm xung

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp trong buồng cộng hường của Laser mầu được đồng bộ mode

- Xây dựng đường cong tán sắc của chất hấp thụ bão hòa DODCI và của hoạt chất Rôđamin 6G

- Khảo sát ánh hướng của Chirp với các xung sáng có hước sóng khác nhau trong cộng hướng của Laser CPM

+ C á c cóng t r ìn h đ ã còng bố:

- Hai báo cáo khoa học tại Hội nghị

- Một bài báo gửi đăng trong tạp chí khoa học Toán lý Đại học Quốc gia Hà

+ Kết quả đào tạo

- 2 sinh viên bậc cử nhân (khóa luận tốt nghiệp)

- 3 học viên cao học (luận văn thạc sĩ)

- 2 nghiên cứu sinh (1 người đã bảo vệ thành công luận án tiến sỹ cấp Nhà nước 8/2007)

3 Tình hình sử dụng kinh phí

+ Tổng kinh phí được cấp

+ Điện nước + quản lý phí

+ Thuê khoán chuyên môn

+ Chi phí nghiệp vụ chuyên m ôn

+ Văn phòng phẩm + thông tin liên lạc

+ Công tác phí, hội nghị và các chi phí khác

20 triệu đồng

0.8 triệu đồng5.8 triệu đồng 5.4 triệu đồng 3.2 triệu đồng4.8 triệu đổng

PARTICIPANTS

PGS TS TRỊNH ĐÌNH CHIẼN TH.S GIANG MẠNH KHÔI TH.S TRẨN MẠNH HÙNC, TH.S BÙI VĂN HẢI

TH.S MAI THI HUỆ TH.S ĐỖ THI DIÊU HUYỂN

1 O b je c tiv e and m atter o f the studv.

+ Theoretical consideration for the írcquency chirp in resonator of the mode locked dyc lascr

+ M echanism s for the 1'ormation oí the frequcncy chirp

+ Characters o f the ữequcncy chirp

+ Formation o f the ultrashort light pulscs

2 M ain results:

+ Collecting the experimental and theoretical material on the ữ equency chirp in resonator o f the mode lockcd dye laser

+ Consideration for íbrmation o f the short light pulscs

+ Consideration for inAuence o f the frequencv chirp in resonator of the mode locked dye laser.

+ Consideration for the dispersion curve o f the active medium RhỏG and thc saturable absorbcr DODCI in the laser resonator

+ Characters o f the írequency chirp for difference \vavelength o f laser - resonator

Research Co2+; ZnS and Co2+: ZnSe saturable absorber serv’ing as Q - Svvitches in Erbium glass ỉaser.

(Proceeding International Woikshop on Photonic Opportunities Hanoi 24- 26/1/2007)

- Mai Thi Hue, Trinh Dinh Chien

- Ảnh hưởng của chirp tần số với các xung sáng có bước sóng khác nhau trong cộng hưởng của Laser mầu động bộ mode

(Gử i đăng tạp ch í T o án, lý, Đ H Q G H à N ộ i).

- G.M Khoi, T.V.Tuan, T.Đ.Chien

Research on the features of Co2+; M gAl20 4 Crystal Passive Q-Switch at wavelength of l,54ụ.m)

Báo cáo: Hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5

Vũng Tàu 12 - 14/11/2007

I M ở đầu

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam ta những ứng dụng cùa Laser

xung ngắn và cực ngắn ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

như trong thông tin quang sợi, trong quang phổ học Laser, trong nghiên cứu

những quá trình diễn ra cực nhanh trong nguyên tử, phân tử, chất rắn, những quá

trình trong sinh học, hóa học, y học

Người ta thường sử dụng các laser mầu để phát các xung ngắn và cực ngắn

trong vùng phổ hổng ngoại, khả kiến và cả vùng tử ngoại trên cơ sở các phương

pháp biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng (Q -Switching) hay các phương

pháp khóa m ode (m ode locking)

- Để có thể ứng dụng các xung Laser ngắn và cực ngắn vào những lĩnh vực

khác nhau trong cuộc sống một cách thích hợp và có hiệu quả, cần phải hiểu rõ

những quá trình động học x ảy ra trong sự tạo thành xung ngắn và cực ngắn trong

Laser Có thể dùng các phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng

để tạo các xung ngắn (cỡ n s :10 ‘9s) Phương pháp khóa mode hay đồng bộ mode

cho Laser để tạo xung cực ngắn (cỡ ps, fs), ( 1 0 '12s, 10 13s) thường sử dụng những

Laser làm việc trong chế độ đa mode, và độ rộng vạch phổ của dịch chuyển Laser

cần phải lớn

Một trong những khó khăn gặp phải khi tạo các xung cực ngắn là ảnh

hướng của sự biến đổi tần số của xung sáng (hay chirp tần số) do một số yếu tố

trong buồng cộng hưởng của Laser gây nén như hoạt chất và chất hấp thụ bão hòa

II Sự tạo xung ngán và cực ngán cho Laser

1.Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất

v ề bàn chất, độ phâm chât Q đo sự mất mát trong buồng cộna hườne độ phẩm

chất Ọ càng cao thi độ mất mát trong buông cộng hường càng thấp Quá trình các xung

cực ngắn được phát ra khi có sự chọn lựa hệ số Q của buồne cộn° hường gọi là “ biến

điệu độ phẩm chất

Trong trường hợp này tại thời điểm kích thích môi trườne hoạt chất, mất mát

trong buồng cộng hườna lớn Q thâp làm cho không thể phát được laser mặc dù dạt

được điệu kiện nehịch đào độ tích luỹ Khi đạt tới nsưỡns thì Q đột naột tăng dẫn đến

phát laser có nãns lượng lớn Trong thực tế phươna pháp này được thực hiện bàne

cách sử dụng hiệu ứng ngăt ánh sáng nhờ các van điện cơ, điện quang, từ quang và quang hóa trong buồng cộng hường Khi van đóng, bơm kích thích có thể tạo được hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngưỡng nhiều nhưng laser không phát Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hường có giá trị nhò [2] Sau đó nhanh chóng mở rộng van thi độ phẩm chất Q của buồng cộng hường tăng lẻn đột ngột; các nguyên tử ờ

trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới Vì vậy, hiệu độ tích luỹ giảm rất nhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lượng lớn, thời gian xung ngăn (10-7- 10’9 s) và công suất cao (10 -MO3 MW)

Dựa trên nguyên tắc này đã có một số phương pháp thực nghiệm được khào sát:

2 P hương p h á p quay gương

Trong buồng cộng hưởng bố trí gương ra đặt trên giá đỡ có thể quay được Khi gương quay, sự phản xạ trên gương này là nhò, mất mát rất lớn dẫn đến độ phâm chât

Q bé, laser không phát được Tiếp tục bơm làm tăng nghịch đảo độ tích luỹ và ngừng quay gương khi gương về vị trí ban đằu sone song với gương kia độ phâm chât ọ tăng

lên và sẽ phát được laser công suất lớn Muốn đạt được xune lớn cần có tốc độ quay

gương vào cờ 30000 vòng/phút [2, 4] Tuy nhiên phương pháp này ít dược sử dụng do

bị hạn ché về kỹ thuật quay gương

3 P hương p h á p khoá điện quang

Trong phươna pháp này, các bộ khoá điện quang được dùne đê điều khiển độ phẩm chất bàng cách đặt một hiệu điện thế Van đóng mờ được thay bang tế bào Kerr hay Pockeỉs đặt nghiêng một góc 45° với trục tinh thể Giả sử ánh sáng phân cực theo quang trục của tinh thề trong buồng cộng hưởng véc tơ phân cực sê luôn vuông góc với quang trục tinh thể Khi ánh sáng phân cực đến tế bào Kerr dưới tác dụng cùa điện trường ngoài sẽ tạo ra tính lường chiẻt và làm cho ánh sáng phân cực thăng thành phân cực tròn, mặt phảng phân cực của ánh sáng quay đi một góc 45° Khi ra khỏi tế bào phàn xạ ờ hai gương và quay lại tế bào lại chuyên phân cực tròn thành phân cực thẳng nhưng theo chiều ngược lại [8] Dần đến ánh sáng ra khòi tế bào là phân cực thẳng nhưng khác với phương ban đẩu một góc 90" Điêu này tương đương với lúc đóng màn chẩn ở phương pháp quay eươne, độ phẩm chất ọ của buồng cộng hường nhỏ nhất Tác dụns bơm chi làm tăng nehịch đào độ tích luỹ Khi ngăt điện trường ánh sáng tự

do đi qua ngăn Kerr tới gương phàn xạ hai độ phâm chât ọ tăng rõ rệt vả thoát ra một xung sáng có cường độ lớn Thời gian xung ti lệ với khoang đóng nút điện ở ngãn

Kerr Đối với ngăn Kerr điện trường tác dụng vào cờ 1 0 - 2 0 KV còn đối với tế bào Pockels ờ điệu kiện tương tự chỉ cần 1 - 5 KV nên thường dùng tế bào Pockels để biến điệu độ phẩm chất.

4 P h ư ơn g p h á p sử dụng các chất m àu hấp thụ bão hoà

Phương pháp này dùng một chất hấp thụ mà hệ số hấp thụ của nỏ có thể bão hoà bởi tia bức xạ laser Khi cường độ bức xạ tăng thì hệ số hấp thụ giảm, tiến tới 0 khi cường độ lớn hơn rất nhiều cường độ bão hoà Isal của môi trường lúc này hấp thụ trờ thành bão hoà

Giữa hoạt chất laser và một gương đặt chất hấp thụ bão hoà hấp thụ miền phô bức xạ của laser Khi cường độ laser trong buồng cộng hường thấp, bức xạ đi qua chât hấp thụ bị giảm và độ phẩm chất của buồng cộng hường nhò Bơm tiếp tục làm tăng nghịch đảo độ tích luỹ và tăng dằn cường độ bức xạ Đen giá trị bão hoà ánh sáng đi qua chất hấp thụ không bị hấp thụ (hệ số hấp thụ bằng 0) để tới gương phản xạ Lúc này độ phẩm chât của buông cộng hường đạt giá trị cực đại và laser được phát ra nsoài

có dạng xung công suât lớn

Nhìn chung chất hấp thụ được chọn kích thước như the nào đế khi đạt trạng thái hấp thụ bão hoà nó truyền qua khoảng 50% năng lượng bức xạ là tốt nhât Đe cải tiến phương pháp này hiện nay có thể dùng phương pháp hỗn hợp cả tế bào Kerr và chất màu hấp thụ bão hoà đê thu được các xung cực ngan

2 Laser đồng bộ mode

2.1 Nguyên tắc đồng bộ mode

Khi laser làm việc ờ chê độ đa mode, các mode phát khôns đêu tạo nên các đỉnhkhông đều nhau Tuy nhiên bàng cách nào đó siừ cho các mode được phát có biên độ gần như nhau và pha cùa chúne được đône bộ thì thu được xung có công suất lớn Môi trường khuếch đại ánh sáng được đặt trong buông cộng hường gồm hai gươns cách

nhau một đoạn L chi có nhừne tằn số quang học vq = q c/2 L \ầ tập họp các mode dọc

của laser Khi phát trons vùng đa mode, cường độ lôi ra cùa laser phụ thuộc vào thời gian

Đe đơn gián, xét N mode dao động dạng hàm sin có các tân sô góc 0 ) , các pha

giốne nhau tại thời điểm t = 0 với biên độ E băng nhau ( Et = Es\x\ 0 ) t ) và (O -co = k&co, k là số nguyên, Acoìầ độ rộng phô cố định Tại t = 0 biên độ tổng

hợp: Er = NE do tât cả các thành phần được định hướng dọc theo trục X theo gián đồ Fresnel hình(l).

Hình I Nguyên lý khoả pha các mode

Sau khoảng thời gian A/, véc tơ biểu diễn quay đi một góc: C 0 ' A t và độ chênh

lệch góc 0 giừa hai mode liên tiếp (hình 1):

Tại mồi thời điểm 0 = 2k n , ET sẽ lại đạt được cực đại ( ET = N E ) tại thời điểm:

T = IknỊAco = 2LỊc với ACở = 2nc/2L (hình 1) Tóm lại với số lượng mode N lớn và độ

rộng phô Aú) thỉ biên độ tổng hợp đạt cực đại một cách tuần hoàn với chu kì T và tiên

tới 0 trong khoảng thời gian rất ngắn k ĩ + Ar

Như vậy khi N mode đồng pha, lối ra laser gồm một dãy các xung với chu kì

2L/c tương ứng với thời gian đi vòng quanh buồng cộng hường Độ dài của mỗi xung

tn = T /N = 2L /c N , số mode bị khoá càng lớn thì biên độ của mồi xung càng tăng và

thời gian xung càng ngắn

Đẻ hiểu một cách cơ bản về dao động laser bị khoá mode chúng ta tim hiẽu thêm về phép phân tích ngan gọn của các dao động khoá pha

2.2 C ơ s ở lỷ th u yết nguyên tắc kho á m o de

Đê tạo thành xung cực ngăn trong buông cộng hưởng laser cân có nhiẻu mode dao động riêng hoặc dịch chuyền laser có một độ rộng dải tương dối lớn Cường độ điện trường của mode dọc thứ m:

Em(z,t)= £mEm(z)sin(coj +ó m \ ' / m m \ / \ III Tm /m) / T \

khoá pha, đơn giản xét ộm = 0 Cường độ trường tồng cộng trong buồng cộng hường là

tồng cộng các cườne độ trường của các mode riêng lẻ:

/cos - -— - — — cos

A ^ \ z j ) đạt giá trị cực đại khi z ± c t = m(2IẶ m = 0,± 1,±2,

Neu chú ý tới giá trị cô định của trục z bên trong buông cộne hưởne thì biên độ đinh của các xung jV£0/2 cách nhau khoàne thời gian 2L /c , mỗi xung có khoảng thời

gian T /N (hình vẽ 2).

2 L

Hình 2: Một chuỗi xung bị kỉtoả mode như là hàm của thời gian,

tại vị trí z cô định

N ếu cố định sự phân bố không gian của E(z, t) tại thời điểm t xác định thì biên

độ các xung là NE0/2 với khoảng cách không gian 2L, mỗi xung có độ mờ rộng

không gian là 2L /N (hình vẽ 3)

Hình 4 Một chuỗi xung bị khoá mode như là hàm của toạ độ z,

tại thời điêm xác định

Từ ( ) biêu diễn hai chuỗi xung, một chuỗi chuyền động theo chiều dương của trục z, một xung chuyển động theo chiều âm của trục z Xung lối ra thư được khi truyền qua một gương cùa buồng cộng hưởng, bức xạ laser xuất hiện là một chuỗi

xung đơn có cách nhau một khoảng ILỊc và độ rộng xung 2L /N c Đây chính là

nguyên tắc khoá pha của các mode

Hiện nay kỹ thuật khoá mode được phân loại một cách tồng quát nhất là khoá mode

bị động hoặc khoá mode chủ độne Khoá mode chủ động liên quan đến các nguồn bên neoài Khoá mode bị động là do yếu tố biến điệu bên trong buồng cộng hường laser

III Tạo chirp và bù trừ ch irp trong buồng cộng hưởng của Laser

1 Quá trình tạo chirp

Trong trường hợp độ rộng xung sáng nhô hơn tần số trung tâm của xune thì khái niệm bao hình xung và tân số mang, cường độ điện trường được biếu diễn:

gian thì xung bi biến điêu tần số hay xung có chirp khi * conSị

dt

d 2<&(t) Ặ x

Nêu — -ỵ-1 < 0 xung bị biên điệu tân sô giảm hay dovvnchirp

Ị d 2<x>(t) ' , ,

Nêu — -ệ-1 > 0 xung bị biên điệu tân sô tăng hay upchirp [20].

N ế u xung bị biến điệu pha: 0 ( / ) * c o n s t hay pha của xung bị biến điệu theo thời

Khảo sát sự mở rộng của xung khi truyền qua môi trường trong suốt

Xung lan truyền trong môi trường trong suốt có chiết suất phụ thuộc vào tần số

sẽ bị m ở rộng phổ của các xung do tán sắc vận tốc nhóm (GVD tạo nên Biến đổi Fourier tân số của xung Gaussian được [6]:

-(ú )-ú )0Ỵ A E0(co) = exp

4 r

(3)

r hệ sô hình dạng của bao hình Gaussian

Xung lan truyền một khoảng là X, phô xung được xác định:

Eữ{ú),x) = E0 (<w)exp[± i[ỉ{o))x\ (4)

p(fủ) = n(co)k = n((o)co/c là hăng sô truyên của xung trong môi trường tán săc,

k = 27 ĩ / ả : hàng số truyền trong không gian tự do

Ảnh hường tán sắc có thề thu được bàng cách khai triển hệ số p theo chuỗi

Taylor ờ tần số trung tâm co0, Aco « íy0(điều này chỉ đúng với xung ngán nhất):

p(cử)= p a +P'{ũ)-ft>o)+ ị /3"{<0-Ú)oy + (5)Phô của xung trở thành:

Trong biểu thức mũ đầu tiên của (2.13) thấy được pha của tằn số trung tâm co0

bị trễ m ột lượng x/vộ sau khi truyền qua một khoảng X Do pha là đại lượne không đođược, ảnh hường này không quan sát được Vận tốc pha v ệ (c ủ ) đo tốc độ lan truyền củacác thành phần sóng phảng của xung trong môi trường Các sóng phẳng này không mang bât kì thông tin nào, bời vi khoảng thòi gian cùa chúng không xác định

Thừa sô thứ hai chỉ ra sau khi lan truyền qua một khoảng X, xung giừ nguyên bao hình Gauss nhưng bị trễ một lượng x / v g ,Vg là vận tốc nhóm,

Lại có bước sóng trong môi trường: Ả = 27rc/cotĩ(củ) nên:

luôn luôn nhỏ hơn dạng cơ

bản r mà có ý nghĩa là xung chịu

sự mở rộng khoảng thòi gian Hình

vẽ (2.5) chỉ ra sự mở rộng bao hình

xung trong suốt quá trình lan

truyền xung qua môi trưcmg trong

suốt Pha, (phần ảo trong (2.22),

chứa số hạng bình phương thòi gian

chính là sự tạo ra chirp tần số tuyến

tính trong xung Như vậy lan truyền

của xung quang học ngắn dọc theo

môi trường trong suốt dẫn đến sự

trễ xung, khoảng thòi gian xung mở

Mạt khác chiết suất cũng thay đỏi theo thời gian do sự thay dôi cùa X:

n(A.t)= n0{ Ằ ) + ịn 2(Ả)l(l) với l(r) = e~',: (18)

Hình 1.: Bao hình cường độ xung lan truyền dọc theo trục X, xung mở rộng theo

thời gian

Đ e đơn giản xét sóng phẳng truyền trong môi trường phi tuyến:

Vì vậy xuât hiện biên đôi tân sô hay chirp tân số Mặc dù bao hình xung không đổi khi đi qua môi trường nhưng hình bao của xung thay đổi Hay hai hiệu ứng GVD SPM có xu hướng kéo dài xung khi xung lan truyền Tuy nhiên sự tự biến điệu pha về mặt lý thuyết có khả nầng tạo được xung rât neăn băng cách dưa vào trong buông cộrm hường thiết bị quang học có thể tạo đồng pha các thành phần pho lan truyền với tốc độ khác nhau sau một chu trình bang cách bô trí hệ lăne kính, cách tử, giao thoa kế thích hợp

2 Q u á tr ìn h bù t r ừ c h irp

Xung bị mờ rộne tằn số do ảnh hườne của kêt hợp khuếch đại với mất mát, tán sắc tốc độ nhóm dương và sự giãn xung do hiệu ửns tự biến điệu pha của xune do tương tác cùa các xung neẩn dẫn đẽn xung bị upchirp nên cân thiết phải có sự bù trừ

sự mớ rộng thời gian này Đè nén các xung này cân cho xung qua hệ quang học cung cấp cho một tán sắc vận tôc nhóm âm có cùng biên độ nghĩa là các thành phân phổ

“xanh” truyền nhanh hơn các thành phàn phồ “đỏ” Hoặc cho qua cặp cách từ đặt ngoài buồne cộne hườne tạo tán sắc vận tốc nhóm âm làm ngan xung hoặc dùng bộ nén xung hai tằng: một tầng cho SPM, một tâng cho GVD dê bù trừ độ lệch pha cùa phố Nếu sử dụng SPM thì phổ xung sẽ rộne ra nhưng khỏne làm thav đồi thời gian

phô GVD có thê thay đôi xung ban đâu hoặc cũng có thể bù trừ xung nên dùng kết

hợp cả sợi quang và cặp cách tử đê nén xung ngoài buồng cộng hưởng

Q/-Ẳ1 d zp op 2nc dẢ2

la 0 da \

Đối với các cặp phân tử (các lãng kính hay cách tử) phân tử đâu tiên cung cấp tán

sắc góc và phần tử thứ hai chuẩn trực lại các thành phân phô (hình vẽ 2 ) Dùng hai cặp

H GC Q u ố c GIA HA NÔI

NG TAf/ THONG TIN THIJ VIÊN

phân tử cho phép sự dịch chuyền sang bên của các thành phần phổ bị triệt tiêu và hồi phục lại đường cong của chùm tia ban đầu.

H ệ lăng kính

H ìn h 3 S ơ đồ tính toán GVD của cặp lăng kính P/ và Pj

Cặp lãng kính như hình vẽ 2và 3 được dùng đê điều chỉnh tán săc tôc độ nhóm Trong buông cộng hưởng có thê đặt hệ 2 lăng kính hoặc 4 lăng kính đê cộng hưởng tuyên tính với gương tái chuân trực Điêu chỉnh khoảng cách ỉ và dộ dày e khi lascr truyền qua lãng kính sẽ điều chỉnh được lượng GVD là âm hay dương Trong trường hợp góc lệch cực tiều và góc đinh được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện Brevvster (các mất mát do phàn xạ là cực tiểu) thì pha của pho đối với hệ 4 lãne kính được tính gần đúne là tán sắc tốc độ nhóm Pp(co):

d 2p dứ)2

4 lpẢ* du

dẢ

7 ĨC

(28)

Đc tính GVD tồne cộng của hệ 4 lăne kính phải tính cà đén GVD do các đóng

£ỏp cùa quãne đường truyền trong lăng kính:

Việc dùng hệ cách tử sẽ cho sự tán sẳc cao hơn nhiều nhưng lại mất mát cao hơn so với việc dùng hệ lăng kính Trong buồng cộne hường thường dùng laser sợi quang hệ

sô khuêch đại cao Bên ngoài buông cộng hưởng sử dụng hệ cách tử đê bù trừ lượng lớn tán sãc trong sợi quang, tránh méo dạng phi tuyến cùa proíìle tức thời và phô của laser hoặc có thể kết họp với hệ nén lăng kính để bù trừ tán sẳc bậc 3 Với bố trí như hinh vẽ sẽ tạo được GVD cho xung vào GVD trong trường họp này được tạo ra do hai cách tử được đặt như hình vẽ 2.8 thấy ràne khi xung đi từ điềm A đến mặt QQ' thì thành phân phổ đô và xanh của xung sẽ bị trễ so với nhau Sự trễ này có thể điều khiên bằng góc nghiêng của cách tử GVD cũng có thể tính được tuỳ thuộc vào độ nghiêng của cách tử

Như vậy cách bố trí các thiết bị trên một cách phù hợp sẽ bù trừ được biên diệu pha và tạo được sự nén xung Kỹ thuật nén xung được chia làm hai trường hợp: nén xung trong buồng cộng hường và nén xung ngoài buông cộng hưởng

3 Nén x u n g tron g buồng cộng hướng

Do laser màu có độ rộng dải khuếch đại lớn nên thường được dùng đế phát xung có độ dài dưới 100 fs Các ảnh hưởng cùa GVD và SPM trong buồng cộng hường đối với các laser màu này là đặc biệt quan trong Dùng một trong các loại buồng cộng hường dạng vòng, buồng cộng hưởng tuyến tính để thiết lâp nên cấu hình buồng cộng hưởng phát laser fs Nhờ việc kết hợp sử dụng chất màu hấp thụ bão hoà khuếch đại có thể mờ rộng dải bước sóng phát xung fs đến tận vùng hổng ngoại gần Các laser màu này có các thành phần quang học đặc biệt để điểu chình GVD trong buồng công hướng

và thu được xung ngắn nhất Laser vòng CMP đồng bộ mode bị động sử dung rộng rãi

đẽ tạo ra xung fs

C0L , Aco

E

H ình 4 S ơ đồ tính toán GVD của cặp cách tử Gì và Ơ2

H ìn h 5 B u ồ n g cộng hưởng vòng cho laser m àu CPM H ệ 4 láng kính, G VD trong buóng

cộng hưởng có th ể điêu chỉnh được

Hình 4 và 6 chỉ ra sơ đồ buồng cộng hưởng vòng tiêu biểu để tạo ra xung ngắn

cỡ 30 fs Các điểm tới hạn của buổng cộng hường hội tụ thẳng hướng tới bộ jet hấp thu

và khuẽch đại đế đưa ra một ti lệ nhất định cúa các cường độ trong môi trường bão hoà Nhưng điều này thực sự khó khăn bời vì buồng cộng hưởng bị tác động cho một vài vùng ổn định tách từ các vùng khác Tuy nhiên, để tránh việc làm hẹp phổ cũng như là GVD không mong muốn thì cần dùng các gương có miền phán xạ với độ rộng không thay đổi

Về cơ bàn, laser CPM được thiết kế không có khả năng điều chinh GVD trong buồng cộng hướng và ảnh hướng kết hợp của các gương môi trường phi tuyến cũng gây

ra biến điệu pha Vì vậy, các xung ra cùa laser (hình 6 ) là chirp âm (do\vn chirpcd) và

có thế nén được xung khi xung truyền qua vật liệu có GVD dương ớ bên ngoài buổng cộng hường Do đó khoáng thời gian của xung là hàm của độ lớn GVD trong huổng cộng hướng tức là phụ thuộc vào quàng đường đi lại láng kính trong buổng cộng hưỡng GVD có thể thay đổi liên tục bằng cách di chuyển lăng kính trong huống cộng hường song song với đáy của nó Tại quàng đường truyền qua thuý tinh tối ưu thì xung

H ìn h 6: B u ồ n g cộng hường vòng cho laser C PM

dùn g một hoặc h ệ hai làng kính

ngắn nhất có thể đạt được là 55 fs Ngày nay, nhờ việc cải tiến thiết kế laser và đánh

giá tất cả yêu tố buồng cộng hưởng dẫn tới giảm xung xuống dưới 30 fs và gần đây là

19 fs Bước sóng của các laser này dịch chuvển từ vùng đỏ 630 nm đến 635 nm Có thể điều chỉnh tán sắc trong buồng cộng hưởng bằng cách dùng hệ 4 lãng kính, hệ hai lãng kính, hoặc chỉ dùng một lăng kính (như hình 5 và 6 ) Sự phụ thuộc của khoảng thời gian xung vào GVD trong buồng cộng hưởng chỉ ra tính chất bất đối xứng, ờ đó tại thời điểm xung nén tối ưu nếu GVD được thêm vào làm cho vùng xung ổn định bị biến đổi Tính chất này hoàn toàn khác với thí nghiêm nén xung ngoài buồng cộng hưởng và tương tác mạnh mẽ của các quá trình phi tuyến ảnh hưởng tới quá trình lan truyền xung

• C ơ s ỏ lý thuyết

Quá trình phát chirp trong buồng cộng hưởng, sự bù trừ chirp, nén xung và hình dạng xung cùng xảy có liên quan với nhau Hệ quả là, nén xung trong buồng cộng hướng sự tạo chirp và bù trừ chirp không thê khảo sát một cách riêng biệt mà phải quan tâm tới lý thuyết khoá mode bị động phức tạp Các qui tắc khoá mode bị động được tổng quát hoá dưới đây:

Khi bức xạ bơm vượt quá ngưỡng đối với phần lớn các mode thi cường độ ỉaser

sẽ là một hàm phân bố thống kê của các đỉnh thăng giáng Do khoảng thời gian của các đỉnh thăng giáng và khoảng thời gian trung bình của các xung được định dạng trong

quá trình khuếch đại là nhỏ so với thời gian sống huỳnh quang ự , T,gcủa bộ hấp thu

và môi trường khuếch đại nên trạng thái bão hoà này được điều chinh bởi năng lượng xung Bộ hấp thụ ảnh hưởng đến đỉnh thăng giáng với năng lượng cao trái ngược với khuếch đại có hệ số nhò Đối với môi trường hoạt chất và hấp thụ trên một thiết diện xác định thì mối liên hệ giữa hai quá trình phi tuyến có thể được điều chình độ phi tuyến của chất hấp thụ lớn hơn các đình độ phi tuyến của chất khuếch đai với năng lượng cao nhát trong chu trình buồng cộng hưởng thì các đinh đó triệt tiêu dần Trong

cơ chế này, chất hấp thụ làm suv giảm phần trước của xung cho tới khi năng lượng truyền qua mồi trường đạt đến một giá trị đú để biến đổi qua trình hấp thu một cách hoàn toàn Đế thu được xung cực ngán một cách ổn định, chúng ta không chì khử phần trước của xung mà còn hạn chế cả sườn sau của xung Quá trình triệt tiêu này đat được

do hệ số khuếch đại giảm dần làm cho nghich đảo độ tích luỹ trong suốt quá trình truyền xung giám đi Kết quả là xung bị khuếch đai và làm ngắn Bãng việc lưa chon

c á c t h a m s ố t h í c h h ợ p c ủ a la s e r , đ ặ c b i ệ t là ti s ố g i ữ a c h u k ì l ặ p lại u v à thời g i a n s ố n g

T%ị tạo công suất bơm xác định thì các sườn xung bị ngắn đi (hình 7) Dưới các điều kiện xác định này thì các trạng thái xung ổn định cũng đạt được và xung cực ngắn được tạo ra sau mỗi chu trình xung quanh buồng cộng hưởng.

H ìn h 7 X u n g được truyền qua bộ khuếch đại và hấp th ụ bão hoà

Như vậy, quá trình nén xung do tạo chirp và bù trừ chirp trong buồng cộng hướng phải xét đến hai yếu tố đó là xét đến biến điệu pha liên quan tới sự tương tác giữa xung ánh sáng và mồi trường đổng thời xét đến yếu tố đặc trưng cho tán sắc vận tốc góc GVD của buồng cộng hưởng làm triệt tiêu tham số chirp sinh ra từ chất hấp thu Hơn nữa khi cường độ trong buồng cộng hường cao thì sẽ có các quá trình tạo chirp do chiết suất phi tuyến Chirp sinh ra do môi trường này là dương đối lập với sự tạo chirp của chất hấp thụ dẫn tới hiện tượng nén xung Như vậy nén xung trong buổng cộng hương dùng ỉaser đổng bộ mode bàng va chạm xung thì jet hấp thụ tạo ra dovvnchirp do sự đồng bộ mode, jet khuếch đại tạo ra upchirp Còn các gương laser có thể tạo ra upchirp hoặc dovvnchirp tuỳ thuộc vào số lớp điện mối, phu thuộc vào góc tới các gương, cường độ tia laser đi trong buồng cộng hường và vật liệu làm gương Thông thường, nếu sự tạo chirp của các gương là rất nhò còn dovvnchirp do chất hấp thụ tạo ra lớn hơn rất nhiểu so với upchirp cùa chất khuếch đại nên dùng hệ lăng kính đặt trong buồng cộng hướng đê tạo ra upchirp bù trừ dovvnchirp tổng cộng trong buồng cộng hường Quá trình này làm xung ngắn đi

Ngoài ra, sự phụ thuộc của ti số vết của chất khuếch đại (V) và hấp thu (A) cũng ánh hưởng đến độ dài xung [20] Ti số này là 1 thì xung nén là 200 fs 1.3 thì

là 130 fs, 1.6 thì là 72 fs, 1.8 thì là 150 fs, 2.1 là 250 fs Tí số này là không rõ ràng, tuỳ thuộc vào khoáng cách giừa chất hấp thu và khuếch đại Nêu khoáng cách bàng 90

cm thì là 72 fs nhưng với 88 cm thì lại là 130 fs, 86 cm thì lai lớn hơn 150 fs Vì vậy khảo sát nén xung trong buồng cộng hường phải tuỳ thuộc vào các thóng số cấu tao của buồng cộng hường

IV KẾT LUẬN

Đề tài: "Anh hưởng của Chirp tần sôi đối với sự hình thành xung cực ngán trong Laser mầu khóa mode".

Mã số: QT - 07 - 1 2

- Đã hoàn thành tất cả những mục tiêu và nội dung đã đề ra

+ Đã thu thập, khảo sát các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm về chirp tần

số trong laser mầu, cộng hưởng vòng, khóa mode bằng va chạm xung

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chirp trong buồng cộng hướng cùa Laser mầu được đồng bộ mode

+ Xây dựng đường cong tán sắc của hoạt chất Rôđamin 6G và cùa chất hấp thụ bão hòa DODCI

+ Khảo sát ảnh hưởng của chirp với các xung sáng có bước sóng khác nhau trong cộng hưởng của laser CPM

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hấp thụ bão hòa Co2+; ZnSe và Co2+; ZnS sử dụng làm biến điệu phẩm chất bị động tạo xung khổng lồ cho Laser thúy tinh Enbium

T à i liệu tham khảo

1 w Dietel, E.Dopel, W.Rudolph, B Wilhelmi

P roceedings Laser'83, SanFranzisco (1983)

2 A Yariv, Quantum Electronics, John Wiley and Sons 1989

3 w Dietel, J.J Fontaine, J.c Diels Opt Lett Vol 8 N r.l (1983)

4 T.D Chien, B Wilhelmi, Scientiíic report of University Jena 1984, 5

5 A.E Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA 1986

6 J Herrmann, B Wilhelmi, Laser for Ultrashort Light pulses, Verlag, Beslin, 1986

7 S.L Shapiro, UUrashort Light Dulses, New York, Springer - Verlag, 1977

8 T.D Chien, Dissertation, Jena, 1984

9 T.D Chien and al, Investigating the pulse interactions in the suturable absorber, Commurúcation in physics, Vol 12, N° 3, 2002

10 F Schcifer, Dye Lasers, Springer - Verlag Berlin, Heidelberg, New York1990

11 R.L Fork, c v Shank, Opti Lett 12 143 (1987).

12 T.D Chien, T.M Hung

Advances in Photonic and Applications, 123 - 128 (2004)

13 Đ.Q.Phong, T.Đ Chiến

A dvance in Photenics and Applications, 303 - 308 (2004)

14 R L Fork; c v Shank R T Y e n , c Hirlim ann, IE E E J Quant Electr

Q E 19 , 5 0 0 ( 19 8 3 )

15 c Rulliere (Ed.), Femínse.cond Laser RuUes, Springer-Verlag Berlin

1998.