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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thành Nhơn ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SUPER GAUSS TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VỊNG KHĨA 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 Thành Nhơn ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SUPER GAUSS TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VỊNG KHĨA MODE BẰNG VA CHẠM XUNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 01 09 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trịnh Đình Chiến Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Trịnh Đình Chiến, Thầy ln tận tình bảo, động viên, hướng dẫn tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy tổ môn Quang học lượng tử, thầy cô khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho năm học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn học viên cao học môn Quang học lượng tử học viên cao học khoa Vật lý khóa 2011 – 2013 giúp đỡ tơi năm học trường Tôi xin cảm ơn gia đình, người thân tơi, Ban giám hiệu, đồng nghiệp trường Trung cấp nghề CNKT Thái Bình nơi tơi cơng tác ln sát cánh tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Thành Nhơn MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHÁT XUNG CỰC NGẮN 1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn .3 1.1.1 Nguyên tắc đồng mode (khóa mode) .3 1.1.2 Đồng mode chủ động .6 1.1.3 Đồng mode phương pháp bơm đồng 1.1.4 Đồng mode bị động 1.2 Phương pháp khóa mode thụ động chất hấp thụ bão hịa 10 1.2.1 Mơ hình bão hịa 14 1.2.2 Mode locking hấp thụ bão hòa chậm 17 1.2.3 Mode locking hấp thụ bão hòa nhanh 20 1.3 Laser Ti:sapphire (Short-Pulse Ti:sapphire Laser) 23 CHƯƠNG - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN .26 2.1 Xung laser màu 26 2.2 Mode- Locking laser màu 28 2.3 Mode-locking bị động .32 2.4 Quá trình tạo chirp 35 CHƯƠNG - ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI XUNG DẠNG SUPER GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER MÀU CPM .37 3.1 Xung Super Gauss .37 3.2 Khảo sát biến dạng xung qua môi trường hấp thụ bão hòa 39 3.3 Ảnh hưởng chirp tần số xung dạng Super Gauss buồng cộng hưởng laser .44 3.3.1 Ảnh hưởng chirp tần số qua môi trường hấp thụ bão hòa 44 3.3.2 Ảnh hưởng chirp tần số qua môi trường khuếch đại 54 3.3.3 Ảnh hưởng chirp tần số qua vòng cộng hưởng .66 3.3.4 Ảnh hưởng chirp tần số qua nhiều vòng cộng hưởng 76 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a0 : Biên độ cực đại xung CW : Bơm liên tục FWHM : Full Width at Half Maximum-Toàn độ rộng nửa cực đại c : Vận tốc ánh sáng chân không C : Tham số chirp D : Tham số tán sắc có đơn vị ps GDV : Tán sắc vận tốc nhóm G : Hệ số khuyếch đại FL : Mật độ dòng photon I sabs : Cường độ hấp thụ bão hòa Ld : Chiều dài sợi đơn mode LD : Độ dài tán sắc n2c : Hệ số chiết suất phi tuyến n1 , n , n : Mật độ hạt (độ tích lũy) nguyên tử mức 1,2,3 n : Tổng số nguyên tử tham gia vào trình tương tác N : Bậc Soliton ng : Chiết suất nhóm SPM : Sự tự biến điệu pha SAM : Sự tự biến điệu biên độ Tc : Khoảng thời gian xung vòng quanh buồng cộn hưởng u : Vận tốc ánh sáng chất hấp thụ bão hòa εp : Năng lượng xung τL : Độ rộng xung τ 12 : (Thường viết tắt T2 ), thời gian tích (hồi phục) ngang σ : Tiết diện hấp thụ hiệu dụng ∆ω : Độ rộng phổ xung β2 : Tham số GDV ρ : Toán tử mật độ vL : Tần số laser DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Hình ảnh xung với số mode phát .4 Hình 1.2: Độ truyền qua chất hấp thụ bão hòa theo cường độ tới 10 Hình 1.3: Cơng tua thời gian xung vào xung qua chất hấp thụ bão hòa .11 Hình 1.4: Hệ số khuếch đại qua môi trường khuếch đại 12 Hình 1.5: Xung vào xung qua môi trường khuếch đại 13 Hình 1.6: Mơ hình hấp thụ bão hịa bốn mức 14 Hình 1.7: Q trình rút ngắn xung mode-locking bão hịa chậm 18 Hình 1.8: Sơ đồ laser màu BCH vịng khóa mode va chạm xung (CPM) 19 Hình 1.9: Độ khuếch đại hao phí mode-locking hấp thụ bão hòa nhanh 22 Hình 1.10: Sơ đồ laser Ti:sapphire 23 Hình 2.1: Sơ đồ laser màu mode-locking bơm đèn Flash 27 Hình 2.2: a- Số mode dọc khác 28 b- Thời gian laser với mode bị khóa 28 Hình 2.3 Sơ đồ laser màu khóa mode va chạm xung (CPM) 32 Hình 2.4: Vịng tuần hồn xung sáng laser CPM 33 Hinh 3.1: Hình ảnh xung Super Gauss 37 Hình 3.2: Sơ đồ laser màu dạng vịng khóa mode thụ động va chạm xung 39 Hình 3.3: Sơ đồ mức lượng 41 Hình 3.4: Các xung truyền qua chất hấp thụ bão hòa .41 Hình 3.5: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=2, C=0,6) 44 Hình 3.6: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=2, c=1,45) 45 Hình 3.7: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=10, c=6,5) 45 Hình 3.8: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=2, c=4,8) 46 Hình 3.9: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hòa (m=12, C=4,8) .47 Hình 3.10: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=22, C=4,8) .47 Hình 3.11: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=0,8) 49 Hình 3.12: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=3,8) 49 Hình 3.13: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=2,4) 50 Hình 3.14: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua chất hấp thụ bão hòa (m=18, C=2,4) .50 Hình 3.15: Cường độ xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua chất hấp thụ bão hịa (m=2, C=1,8) 52 Hình 3.16: Cường độ xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua chất hấp thụ bão hòa (m=2, C=1,8) 52 Hình 3.17: Sơ đồ ba mức lượng mơi trường khuếch đại 54 Hình 3.18: Hình ảnh xung Super Gauss có chirp tuyến tính 56 Hình 3.19: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua mơi trường khuếch đại (m=2, c=1,5) .57 Hình 3.20: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua môi trường khuếch đại (m=2, c=3,5) .57 Hình 3.21: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua môi trường khuếch đại (m=2, c=4,5) .58 Hình 3.22: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua môi trường khuếch đại (m=6, c=4,5) .58 Hình 3.23: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua mơi trường khuếch đại (m=18, c=4,5) .59 Hình 3.24: Hình ảnh xung Super Gauss có chirp phi tuyến 60 Hình 3.25: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua môi trường khuếch đại (m=2, c=0,8) .61 Hình 3.26: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua môi trường khuếch đại (m=2, c=3,5) .61 Hình 3.27: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua mơi trường khuếch đại (m=2, c=4,5) .62 Hình 3.28: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua môi trường khuếch đại (m=8, c=4,5) .62 Hình 3.29: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua môi trường khuếch đại (m=20, c=4,5) .63 Hình 3.30: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính qua môi trường khuếch đại (m=3, C=3,5) 64 Hình 3.31: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua môi trường khuếch đại (m=3, C=3,5) 65 Hình 3.32: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=1,5) 66 Hình 3.33: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=3,6) 66 Hình 3.34: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=5) 67 Hình 3.35: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vòng cộng hưởng (m=5, c=5) 67 Hình 3.36: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vịng cộng hưởng (m=15, c=5) 68 Hình 3.37: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=0,8) 70 Hình 3.38: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=10) 70 Hình 3.39: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=5) 71 Hình 3.40: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=10, c=5) 71 Hình 3.41: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=15, c=5) 72 Hình 3.42: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=1) 74 Hình 3.43: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, c=1) 74 Hình 3.44: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=1,6) 76 Hình 3.45: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=10) 76 Hình 3.46: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=5, C=2) .77 Hình 3.47: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua ba vịng cộng hưởng (m=100, C=2) 77 Hình 3.48: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vịng cộng hưởng (m=2, C=4) .79 Hình 3.49: Xung Super Gauss có chirp tuyến tính trước sau qua vịng cộng hưởng (m=2, C=4) .79 Hình 3.50: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=0,6) 80 Hình 3.51: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=1) 80 Hình 3.52: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=10) 81 Hình 3.53: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, C=10) 81 Hình 3.54: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=6, C=10) 82 Hình 3.55: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=35, C=10) 82 Hình 3.56: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, C=5) 84 Hình 3.57: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vòng cộng hưởng (m=2, C=5) 84 10 Hình 3.50: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=0,6) Hình 3.51: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=1) 81 Hình 3.52: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, c=10) Nhận xét: Khi tham số chirp C≤0,5 ta thấy chưa xuất xung vệ tinh hai bên xung Khi tăng giá trị tham số chirp với giá trị C>0,6 ta nhận thấy bắt đầu xuất xung vệ tinh hai bên xung chính, c=1 xung vệ tinh xuất rõ ràng Khi tiếp tục tăng giá trị c số xung vệ tinh tăng lên theo giá trị thông số chirp C minh họa hình vẽ - Khảo sát với giá trị m, C khác ta có kết sau: Hình 3.53: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=3, C=10) 82 Hình 3.54: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vịng cộng hưởng (m=6, C=10) Hình 3.55: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=35, C=10) 83 Từ kết ta nhận thấy rằng: - Khi thay đổi thông số m tăng lên xung vào có dạng vng hơn, lúc xung có xung vệ tinh bị thu hẹp lại dần biến tham số m lớn (m>30) - Khi tăng m cường độ xung tăng dần Tỉ số nửa độ rộng xung τra/τvào ln giảm, sau xung vệ tinh biến mặt sau xung xuất vùng trũng xuống tỉ số độ rộng xung τra/τvào lúc tiếp tục giảm - Khảo sát ảnh hưởng chirp phi tuyến với giá trị tham số chirp C thông số m khác ta có bảng tổng hợp kết sau: 0,6 1,5 10 50 100 500 C Fra/Fvào 2,7049 2,7049 2,7049 2,7048 2,7047 2,7015 2,6957 2,6624 τra/τvào 0,65479 0,65611 0,65835 0,67479 0,69077 0,74299 0,77222 0,85589 Bảng 3.21: Tỉ số mật độ photon tương đối độ rộng xung xung vào xung có chirp phi tuyến qua vòng cộng hưởng (Với m=2) m 10 20 35 50 100 Fra/Fvào 2,7047 2,7719 2,782 2,7999 2,8123 2,8183 2,8701 τra/τvào 0,69077 0,65347 0,64117 0,63363 0,63342 0,62845 0,6227 Bảng 3.22: Tỉ số mật độ photon tương đối độ rộng xung xung vào xung có chirp phi tuyến qua vịng cộng hưởng (Với C=10) Từ bảng số liệu 3.19 bảng 3.20 ta nhận thấy: Khi m khơng đổi cịn tham số chirp C tăng tỉ số độ rộng xung xung vào xung tăng dần, tỉ số mật độ photon tương đối giảm dần giảm chậm so với trường hợp có chirp tuyến tính Trong khảo sát với giá trị thông số m khác giữ nguyên giá trị tham số chirp C tỉ số mật độ photon tương đối tăng dần đồng thời tỉ số độ rộng xung xung vào xung lại giảm dần Điều có nghĩa xung vào trở nên có dạng vng độ rộng xung ngắn cường độ tăng lên - Khi khảo sát với thông số chirp C tham số m qua vòng cộng hưởng vòng cộng hưởng ta có kết sau: 84 Hình 3.56: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua vịng cộng hưởng (m=2, C=5) Hình 3.57: Xung Super Gauss có chirp phi tuyến trước sau qua ba vòng cộng hưởng (m=2, C=5) Từ khảo sát xung Super Gauss có chirp phi tuyến qua vòng cộng hưởng vòng cộng hưởng ta thấy rằng: Sau qua lại nhiều buồng cộng hưởng cường độ xung tăng lên nhiều, đồng thời tỉ số nửa độ rộng xung τra/τvào giảm nhiều Điều có nghĩa qua nhiều lần buồng cộng hưởng xung sáng khuếch đại lên so với xung vào ban đầu độ rộng xung thu hẹp lại tức xung sáng qua lại nhiều lần buồng cộng hưởng trở nên ngắn với cường độ sáng tăng lên nhiều lần - Khảo sát ảnh hưởng có chirp qua buồng cộng hưởng ta có bảng tổng hợp số liệu: 85 Qua vòng cộng hưởng Qua vòng cộng hưởng Fra/Fvào τra/τvào Fra/Fvào τra/τvào Chirp tuyến tính 1,4023 0,9538 2,7657 0,64433 Chirp phi tuyến 1,4023 0,95523 2,5658 0,64288 Qua vòng cộng hưởng Qua vòng cộng hưởng C=2; m=30 Fra/Fvào τra/τvào Fra/Fvào τra/τvào Chirp tuyến tính 1,4105 0,99557 2,8093 0,6284 Chirp phi tuyến 1,4105 0,9796 2,8093 0,62837 Qua vòng cộng hưởng Qua vòng cộng hưởng C=5; m=10 Fra/Fvào τra/τvào Fra/Fvào τra/τvào Chirp tuyến tính 1,406 0,98761 2,782 0,63826 Chirp phi tuyến 1,406 0,98815 2,782 0,63757 Qua vòng cộng hưởng Qua vòng cộng hưởng C=8; m=10 Fra/Fvào τra/τvào Fra/Fvào τra/τvào Chirp tuyến tính 1,406 0,98821 2,7819 0,64093 Chirp phi tuyến 1,406 0,98892 2,782 0,63995 Bảng 3.23: Tỉ số mật độ photon tương đối độ rộng xung xung vào C=2; m=4 xung có chirp qua buồng cộng hưởng Từ bảng 3.21 ta có kết luận: - Khảo sát với giá trị tham số chirp C thông số m khác ta nhận thấy qua vòng cộng hưởng tỉ số mật độ photon có chirp tuyến tính phi tuyến gần nhau, điều xảy trường hợp xung sáng qua vòng cộng hưởng Nhưng xung sáng lại nhiều lần buồng cộng hưởng cường độ tăng lên đồng thời mặt trước xung khếch đại nhiều - Với giá trị tham số chirp C thơng số m qua nhiều lần buồng cộng hưởng xung sáng khuếch đại lên độ rộng xung sáng bị thu hẹp lại, tức xung trở nên ngắn - Hình dạng xung vào qua buồng cộng hưởng bị biến dạng, với hình ảnh mặt trước xung dốc hơn, đỉnh xung khuếch đại so với xung vào KẾT LUẬN Trong nội dung luận văn chúng tơi tìm hiểu ngun lý tạo xung cực ngắn thông qua đồng mode: đồng mode chủ động, bị động phương pháp bơm đồng phương pháp khóa mode bị động sử dụng chất hấp thụ bão 86 hịa Đồng thời tìm hiểu laser màu dạng vịng khóa mode va chạm xung CPM với chất hấp thụ bão hòa DODCI hoạt chất chất màu Rhodamine 6G, laser CPM thường sử dụng để tạo xung cực ngắn cỡ fs có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật có ưu điểm như: điều chỉnh bước sóng phát dải rộng nén tạo xung laser cực ngắn với cường độ đỉnh xung cao Qua khảo sát về: Ảnh hưởng chirp tần số tán sắc xung dạng Super Gauss hoạt động laser màu buồng cộng hưởng vịng khóa mode va chạm xung chúng tơi thu số kết sau: 1- Ảnh hưởng chirp phi tuyến xung Super Gauss qua môi trường hấp thụ bão hịa: - Khi qua mơi trường hấp thụ bão hịa dạng xung bị thay đổi, mặt trước xung bị dốc hơn, đỉnh xung khuếch đại so với xung vào - Khi có chirp tuyến tính với C>1 bắt đầu xuất xung vệ tinh hai bên xung chính, tăng giá trị tham số chirp C số xung vệ tinh tăng lên, đồng thời cường độ xung bị giảm dần, tỉ số nửa độ rộng xung τra/ τvào tăng dần Số xung vệ tinh NVT phụ thuộc vào tham số chirp C với quy luật: n