Luận văn 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 VỚIXUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦALASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG

VA CHẠM XUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Quang LượngTử, các thầy cô trong và ngoài trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập vàhoàn thành bản luận văn này.

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

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Văn Bền, người đã đóng gópnhững 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 xungCW: Bơm liên tục

c: Vận tốc ánh sáng trong chân khôngC: 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) củanguyên 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 (Group-Velocity dispersion)SAM: Sự tự biến điệu biên độ (Self - amplitude modulation)

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

: Khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếchđại

u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa: Năng lượng xung

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Mối quan hệ về thời gian xung và cường độ xung trước và sau khi đi quachất hấp thụ bão hòa ……….……… ….……41Bảng 3.2: Mối quan hệ thời gian và cường độ xung trước và sau khi đi qua chất hấpthụ bão hòa……… …46Bảng 3.3: Mối quan hệ của thời gian xung và cường độ xung của các xung có chirptrước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa………49Bảng 3.4: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so với xungvào khi đi qua môi trường khuếch đại……… ……52Bảng 3.5: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra và xung đivào môi trường khuếch đại……… 55Bảng 3.6: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so vớixung vào môi trường khuếch đại……….… 58Bảng 3.7: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung ra so vớixung vào cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……….………60Bảng 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 vàkhuếch đại……… ……… …….64Bảng 3.9: Quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung trước và saukhi đi qua chất hấp thụ bão hòa và khuếch đại……… 68Bảng 3.10: Mối quan hệ về độ rộng xung và mật độ dòng photon giữa xung ban đầu vàxung đi lại nhiều vòng trong buồng cộng hưởng……… … 71Bảng 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 quanhbuồng cộng hưởng……… ……….….74Bảng 3.12: Mối quan hệ của xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 trướcvà sau khi đi lại nhiều lần quanh buồng cộng hưởng……… …… ………81

Bảng 3.13: Mối quan hệ về độ rộng xung và cường độ của xung secant-hyperbole điqua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại với các độ dày thayđổi……… ….… 84Bảng 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 màukhác nhau……… ………84Bảng 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 màukhác nhau……… ……….86

DANH MỤC HÌNH

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

Hình 3.10: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi quamôi trường khuếch đại……… ……… ……….54Hình 3.11: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi quamôi trường khuếch đại……… 54Hình 3.12: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi điqua môi trường khuếch đại……… ……….55Hình 3.13: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi quamôi trường khuếch đại……… ………56Hình 3.14: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi quamôi trường khuếch đại……… ………57Hình 3.15: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi quamôi trường khuếch đại……… ……….57Hình 3.16: Xung secant-hyperbole không có chirp với C=0 trước và sau khi đi qua cảmôi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……… 59Hình 3.17: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=1 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại………61Hình 3.18: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại………61Hình 3.19: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại………62Hình 3.20: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=10 trước và sau khi điqua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……….……63Hình 3.21: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi điqua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………63Hình 3.22: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi điqua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… 63Hình 3.23: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=1 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… …… 65Hình 3.24: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… … 65

Hình 3.25: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……….66Hình 3.26: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=10 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……… 66Hình 3.27: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ………… 67Hình 3.28: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=25 trước và sau khi đi quacả môi trường hấp thụ và khuếch đại……… ……….67Hình 3.29: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=2 vòng quanh buồng cộnghưởng……….69Hình 3.30: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=3 vòng quanh buồng cộnghưởng……….69Hình 3.31: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=4 vòng quanh buồng cộnghưởng……….70Hình 3.32: Xung secant-hyperbole không có chirp đi N=5 vòng quanh buồng cộnghưởng……… ……….…….70Hình 3.33: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=2 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ……… ………72Hình 3.34: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=3 vòng quanhbuồng cộng hưởng……….… 72Hình 3.35: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=4 vòng quanhbuồng cộng hưởng……….… 73Hình 3.36: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=5 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ….73Hình 3.37: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=2 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ……….…75Hình 3.38: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=3 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ……….…75Hình 3.39: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=4 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ………….……76

Hình 3.40: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=5 vòng quanhbuồng cộng hưởng……… ……… …76Hình 3.41: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng vớiđộ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=500 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… ……79Hình 3.42: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng vớiđộ dày chất màu: L=70 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=400 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… …79Hình 3.43: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng vớiđộ dày chất màu: L=50 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=300 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… ………80Hình 3.44: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng vớiđộ dày chất màu: L=30 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=200 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… ………80Hình 3.45: Xung secant-hyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng vớiđộ dày chất màu: L=10 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=100 μm, Lk=500 μm……… ……79m ……… … ………81Hình 3.46: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=500 μm, Lk=500 μm……… ……79m……….… 82Hình 3.47: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=300 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… ……….…… 83Hình 3.48: Xung secant-hyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=100 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… …….… …83Hình 3.49: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=500 μm, Lk=500 μm……… ……79m………… ……….… 85Hình 3.50: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=300 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… …… 85Hình 3.51: Xung secant-hyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộnghưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=500 μm……… ……79m, Lk=100 μm, Lk=500 μm……… ……79m……… ……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:………

….111.2.4: 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 PHÁPBỊ 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 cộnghưởng 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……… …

272.2.4: 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……….….

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP VÀ TÁN SẮC ĐỐI VỚIXUNG DẠNG SECANT-HYPERBOLE TRONG LASER CPM3.1: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secant-hyperbole đi qua môi trườnghấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng laser CPM…… 36

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kết luận …… ……….… 89

MỞ ĐẦU

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

Từ những năm 1960 trở lại đây, khi các laser bắt đầu ra đời và phát triển thì cáckỷ lục về xung laser cực ngắn luôn được các phòng thí nghiệm trên thế giới tạo ra Từlaser Ti:Saphia và các loại laser rắn khác được đồng bộ mode (khóa mode) tạo ra cácxung pico giây Cho đến năm 1981 khi C.V Shank đã cải tiến buồng cộng hưởng vòngcho laser màu để thực hiện va chạm xung (phương pháp CPM: colliding pulse mode-looking) thì độ dài xung đạt được là 90 fs Sau đó thì một loạt các kỷ lục mới được tạora với xung giảm đến vài femto giây bằng việc bù trừ tán sắc và biến điệu pha trongbuồng cộng hưởng Các kỹ thuật nén xung sáng cũng đã được áp dụng triệt để vàolaser CPM để giảm độ rộng của xung sáng laser Qua đó đã chứng tỏ ưu điểm của việcdùng buồng cộng hưởng vòng và kỹ thuật nén xung trong việc tạo ra các xung lasercực ngắn Do vậy laser CPM vẫn luôn là đề tài hấp dẫn đối với các công trình nghiêncứu về laser xung cực ngắn hiện nay.

Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiệu ứngtán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng xung đồng thờicòn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền Để hiểu rõ về các quá trình biến đổixung sáng trong buồng cộng hưởng laser thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, cáchiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quantrọng Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đề tài ảnh hưởng của chirp tần số đối vớixung khi đi qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại Nhưng quá trìnhxung 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 chấthấp thụ và khuếch đại đối với cường độ và độ rộng xung secant-hyperbole trong buồngcộng hưởng laser Qua đó nhằm tìm ra những điều kiện tối ưu cho laser màu CPM phátcác xung cực ngắn cỡ femto giây Nhằm đạt được các mục đích trên tôi đã quyết định

chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng

secant-hyperbole trong hoạt động của laser màu buồng cộng hưởng vòng khóamode 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 hyperbole trong laser CPM khi xung đi qua cả chất hấp thụ bão hòa và môi trườngkhuếch đại một vòng và nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng…

secant-CHƯƠNG 1: LASER XUNG CỰC NGẮN1.1 Giới thiệu chung về laser xung cực ngắn

Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa của đất nước nói riêng và củacả nhân loại nói chung thì công nghệ laser luôn là một đề tài hấp dẫn cũng như cónhiều ứng dụng to lớn trong kỹ thuật công nghệ và cả đời sống Và laser xung cựcngắn nói riêng là một lĩnh vực mới mẻ và vẫn đang được nghiên cứu phát triển, ứngdụng… Laser xung cực ngắn là những laser mà xung sáng có độ rộng xung cỡ vàipico, hoặc femto giây và nhỏ hơn nữa Đã có rất nhiều thành tựu về lý thuyết cũng nhưcả về thực nghiệm trong việc tạo ra các xung cực ngắn với một nguồn laser Người tađã chỉ ra được rằng các biến đổi Fourier của một xung ánh sáng cực ngắn sẽ có phổ rấtrộng Tuy nhiên, một buồng cộng hưởng laser sẽ chỉ cho phép dao động trong mộtkhoảng hẹp tần số trên các tần số cộng hưởng riêng biệt νq = qc/2L (trong đó q là mộtq = qc/2L (trong đó q là mộtsố nguyên, c là tốc độ ánh sáng và L là chiều dài quang học của buồng cộng hưởnglaser) Do đó một laser không thể cung cấp các xung cực ngắn trong khi hoạt động ởchế 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 modedao động khác nhau trong buồng cộng hưởng laser thì ta có thể tạo nên laser phát ởchế độ xung cực ngắn Laser như vậy được gọi là laser được đồng bộ mode hay khóamode (mode looking)

Các mode dọc có thể tự dao động trong chế độ đa mode tự do của laser lànhững mode mà có sự khuếch đại không bão hòa lớn hơn hao phí của buồng cộnghưởng laser Số lượng các mode này là N, trong điềù kiện này ta thấy cường độ tứcthời biến thiên theo các đường có chiều rộng là Δτ ≈ 1/Δνq = qc/2L (trong đó q là mộtL, là nghịch đảo của độ rộngđường cong khuếch đại Và lớn hơn số mode liên quan, nhỏ hơn giá trị của Δτ Nếubây giờ chúng ta giả sử các mode có độ lệch pha không đổi, laser lối ra sẽ bao gồmmột loạt các xung đơn tuần hoàn liên tiếp, sau mỗi Δτ, chu kỳ lặp lại được cho bởieT=2L / c Trong điều kiện này, tia laser được gọi là hoạt động trong chế độ đồng bộmode.

Hình 1.1: Biểu đồ các mode dao động trong buồng cộng hưởng có chiều dài L, vớihệ 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 dạngthực tế của phân bố biên độ ảnh hưởng đến hình dạng của xung Các phân bố biên độkhác của các mode với khoảng cách tần số như nhau và tương đương với quang phổrộng Δ, tiếp đó, với một chuỗi tuần hoàn của các xung không có dạng Gauss, nhưng cómột thời gian xung gần đúng với và một chu kỳ T = 2L / c Để hiểu được nguyên nhânvề tính chu kỳ của xung laser, chúng ta có thể phân tích sự phân bố không gian-thờigian của sóng điện từ dừng tồn tại bên trong các buồng cộng hưởng laser khi nó hoạtđộng với chế độ đồng bộ mode (khóa mode) Từ đó có thể làm một phép tính tương tựcho các phách của N mode dọc, nhưng có tính đến phân bố thời gian-không gian riêngcủa mỗi mode bên trong buồng laser Tính toán này cho thấy nếu quá trình tạo pháchxảy ra lập tức tại một điểm B cụ thể, thì ngay lập tức thời điểm đó các phách của modekhác sẽ triệt tiêu ở tất cả các điểm khác của buồng cộng hưởng

p 

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 modeđồng 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 thấyrằng độ rộng xung nhỏ nhất mà người ta có thể hy vọng có được trực tiếp tại đầu racủa laser với chế độ đồng bộ pha khác nhau là từ 150 ps đối với một laser ion Argonđến 3 fs (3 × 10s) cho laser Ti: sapphire Độ rộng phổ có thể được đo bằng một máyquang phổ hoặc với một giao thoa kế Fabry_Pérot… Mô hình minh họa sau đây làhình 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]

15

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

1.2 Các phương pháp đồng bộ mode tạo xung cực ngắn

Khi laser hoạt động ở chế độ đa mode tự do, thường có sự tác động ảnh hưởnglẫn nhau giữa các mode khác nhau được khuếch đại bởi phát xạ kích thích của cùngmột nguyên tử, phân tử hoặc các ion Sự tương tác này gây ra những biến đổi lớn vềpha và biên độ của các mode Mục đích của chế độ đồng bộ mode là thiết lập sự tươngquan giữa các mode mà mối liên hệ các pha là một hằng số Ý tưởng đầu tiên màngười ta chú ý đến là việc thiết lập đồng bộ về mặt thời gian, chúng ta có thể tập trungđược năng lượng laser nhiều hơn bằng cách chèn một môi trường phi tuyến – hay mộthệ thống nào khác nhằm thúc đẩy cường độ mạnh bên trong buồng laser.

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

Một ý tưởng thứ hai là thiết lập đồng bộ về mặt tần số Nếu một thiết bị đượclắp bên trong buồng mà điều biến các mode ở một tần số gần với tần số mode tổnghợp, khoảng c/2L; thì việc tương tác để đạt được cực đại trong môi trường khuếch đạisẽ dẫn đến một liên kết giữa các mode, đươc tạo ra bởi biến điệu các mode lân cận.Các pha của các mode sau đó có thể “đồng bộ’’với nhau Đây là phương pháp đầu tiênvới việc tự điều biến của các mode ở tần số c/2L và do đó thiết lập được một mối quanhệ về pha giữa các mode này.

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

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

cộng hưởng laser;

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

phí trong buồng cộng hưởng laser (ví dụ có thể bằng cách dùng một tinh thểâm_quang bên trong buồng) hoặc bằng cách bơm bằng một laser đã đồng bộmode.

Gần đây, với sự ra đời của laser Ti: sapphire, trong đó rất đơn giản để có đượcchế độ đồng bộ mode, điều đó đã làm những phương pháp trên được phổ biến một lầnnữa Tuy nhiên nhiều phương pháp cũng đã được biết đến cũng đã tìm thấy các ứngdụng mới và hiệu quả Đó là chế độ tự đồng bộ mode trong các tính chất phi tuyến củamôi trường khuếch đại tự nhiên và làm tăng cường cực đại phát sinh trong buồng laser.Đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng xung cực ngắn trong laser màu buồngcộng hưởng vòng thì đã và đang mở ra những điều vô cùng lý thú, với những thànhquả đạt được laser cỡ vài femto giây (một vài dao động sáng) Qua đó khẳng định hơnnữa tiềm năng ứng dụng của lĩnh vực laser xung cực ngắn bằng thực nghiệm.

1.2.1: Phương pháp đồng bộ mode chủ động

Chúng ta đặt một phần tử bên trong các buồng laser và điều biến sự hao phí củanó Phần tử này sẽ giúp ta điều biến được biên độ của từng mode dọc Kỹ thuật này gọilà phương pháp đồng bộ mode bằng cách điều biến biên độ (AM) và nó được sử dụngđể đồng bộ mode trong laser ion, ví dụ laser Nd3+ :YAG

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

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

Với việc biến điệu biên độ sử dụng bộ biến điệu âm quang, sóng siêu âm sẽ điqua môi trường trong suốt Biên độ của sự biến điệu tỉ lệ với cường độ của sóng siêuâm, và chu kỳ không gian của biến điệu bằng nửa bước sóng của sóng siêu âm.

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

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

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

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

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

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

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

dài của buồng laser

Hình_1.4: Xung đi lại vòng tròn trong buồng laser bao gồm bộ hấp thụ bão hòa vàmôi trường khuếch đại [19]

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

Hình_1.5: Hệ số khuếch đại qua môi trường khuếch đại bão hòa như là một hàmcủa cường độ tín hiệu tới

Hơn nữa, như đã nói trước đó, các môi trường khuếch đại còn có đặctính bão hòa Ở cường độ thấp, G có một giá trị không đổi G0 và khá lớn (hình_1.5).

Nó được gọi là chưa bão hòa Khi cường độ tới cao hơn, có sự suy giảm sự chênh lệchnghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức tham gia vào quá trình khuếch đại, và hệ sốkhuếch đại G giảm Như có thể thấy trong hình 1.5, chúng ta có thể xác định là cườngđộ bão hòa của G, tương đương với cường độ bão hòa của chất hấp thụ Nếu điều kiệnthuận lợi, đỉnh cường độ tối đa trong buồng sẽ chứa tất cả năng lượng của sóng trongbuồng.

Hình_1.6: Mô tả thay đổi hình dạng của xung sau khi đi qua một chất hấp thụ bãohòa [10]

Hình_1.7: Mô tả thay đổi hình dạng của xung sau khi đi qua môi trường khuếchđại [19]

Thực tế là quá trình động học bão hòa của chất hấp thụ nhanh hơn hơn so vớicủa môi trường khuếch đại và điều đó giải thích lý do tại sao chỉ có các trung tâm củaxung được khuếch đại, trái lại các sườn của xung sẽ yếu đi

Xung đạt đến hình dạng cuối cùng của nó khi nó trở nên tự thích ứng trongbuồng cộng hưởng laser, đó là khi hệ thống đạt đến một trạng thái ổn định Đối với các

xung tự thích ứng, nó phải giữ được hình dạng không đổi sau một quá trình đi lại trongbuồng cộng hưởng Tuy nhiên, ta thấy rằng các xung cần phát triển hẹp hơn khi đi qualại trong buồng Như đã trình bày trước đó, độ rộng xung dưới chế độ đồng bộ modetối ưu là tỉ lệ nghịch với chiều rộng phổ của phân phối biên độ Vì vậy, mỗi yếu tố củabuồng laser mà có xu hướng hạn chế chiều rộng của dải dao động sẽ có xu hướng kéodài thời gian xung Các yếu tố đó có thể là một phần tử quang học bên ngoài như mộtlăng kính, một cách tử hoặc một bộ lọc Lyot, và chính các môi trường khuếch đại cũngcó thể gây ra một phần kéo dài xung sáng.

Xung đạt đến trạng thái ổn định khi các hiệu ứng thu hẹp do các tính chất bãohòa của chất hấp thụ và của môi trường khuếch đại có thể bù đắp cho các hiệu ứng mởrộng của các yếu tố khác nhau trong buồng laser Trong thực tế quá trình truyền củaxung qua các phần tử khác nhau của buồng là rất phức tạp, đặc biệt nếu các phươngtiện khuếch đại và hấp thụ là những phần tử phi tuyến Để giải quyết vấn đề trên,trongthực tế người ta có thể đưa vào bên trong buồng các bộ điều biến chiết suất theo cườngđộ tín hiệu

Hình_1.8: Ảnh hưởng của bộ lọc phổ đối với phân bố phổ và độ rộng của

xung [19]

Có thể nói phương pháp đồng bộ mode bị động là một phương pháp đang rấtđược ưa chuộng và có những sự thuận lợi nhất định trong việc đồng bộ mode tạo xungcực ngắn cho laser

1.2.3: Phương pháp đồng bộ mode hỗn hợp:

Bên cạnh đó, có những vấn đề phát sinh trong phương pháp đồng bộ mode bịđộng đó là không có nhiều cặp tương thích giữa bộ hấp thụ bão hòa và môi trườngkhuếch đại với các thuộc tính chính xác đủ độ tin cậy, thứ hai là thực tế các xung thuđược bằng phương pháp này không mạnh và bước sóng chỉ điều chỉnh được mộtkhoảng nhỏ Một phương pháp đồng bộ hỗn hợp được đưa ra để khắc phục những hạnchế hoạt động của phương pháp đồng bộ mode bị động Đó là việc chèn một phươngtiện hấp thụ bão hòa bên trong buồng của bơm đồng bộ Phương pháp đồng bộ hỗnhợp này cho phép lựa chọn các bước sóng và năng lượng lớn hơn so với hoạt độngcuả phương pháp đồng bộ mode bị động thông thường Mặt khác, khi so sánh với hoạtđộng của phương pháp đồng bộ mode thông thường thì phương pháp đồng bộ như trêndễ dàng hơn để có được xung dưới pico giây và tránh được sự hình thành của các xungthứ cấp

1.2.4: Một số phương pháp khác

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

Đối với trạng thái như vậy, môi trường khuếch đại phải làm thu hẹp xung ở mỗichu trình đi lại vòng quanh của xung trong buồng cộng hưởng Bây giờ chúng ta sẽ môtả đặc trưng của trạng thái tự đồng bộ mode, trong đó môi trường khuếch đại làm giảmhao phí của các đỉnh cường độ mạnh trong buồng, bằng cách thay đổi cấu trúc ngangcủa sóng laser với việc chọn lọc cường độ Trạng thái này tồn tại trong laser Ti:sapphire, điều đó giải thích tại sao sự quan tâm đến quá trình tự đồng bộ của các modelại rất được quan tâm gần đây.

Hiện tượng tự đồng bộ của các mode lần đầu tiên được quan sát tình cờ trong mộtmôi trường khuếch đại laser bao gồm một laser Ti: sapphire bơm bởi một laser ionAr+, hoạt động trong chế độ liên tục, trong đó buồng cộng hưởng không có chất hấpthụ bão hòa Các nhà khoa học Xcốtlen sau đó nhận thấy rằng laser đạt được một chếđộ xung bao gồm các xung rất ngắn phát sinh và tự duy trì Trong thực tế, đó là trườnghợp tự đồng bộ bởi hiệu ứng thấu kính Kerr Một số điều kiện cần thiết để phát sinhtrạng thái này:

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

- Toàn bộ hệ thống phải có thuộc tính làm rút ngắn xung.- Một số cơ chế phải bắt đầu quá trình tự đồng bộ.

Hình_1.9: Mô hình thiết kế buồng laser chế độ tự đồng bộ mode của laser Ti:sapphire, sử dụng KLM (thấu kính Kerr khóa mode) [19]

Hình 1.9 cho thấy một cấu hình cổ điển của chế độ tự đồng bộ mode trong laserTi: sapphire Các tinh thể Ti: Al2O3 được bơm bởi xung lối ra của một laser ion Ar+trong chế độ liên tục qua M2, gương lưỡng chiết M2 là trong suốt ở bước sóng 0,5 μm, Lk=500 μm……… ……79mvà phản xạ với bước sóng của laser Ti:sapphire khoảng 0,8 μm, Lk=500 μm……… ……79m Các bộ lọc lưỡng chiết(BRF) xác định các bước sóng trung tâm của sự dao động Hai lăng kính P1 và P2 bùđắp cho sự tán sắc vận tốc nhóm bên trong buồng Quá trình đồng bộ mode phát sinhtừ môi trường khuếch đại và kết hợp với một khe lọc điều chỉnh đường kính

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

Một khe hẹp có thể được đặt bên trong buồng để nâng cao hiệu quả quá trình tựđồng bộ mode bởi vì nó chọn lọc và làm tăng sự khác nhau giữa các chùm tia cườngđộ cực đại mạnh và những tia cường độ yếu Các vị trí chính xác, đường kính, và hìnhdạng của khe phải được tính toán để nó cho phép đi qua hầu hết năng lượng của cáccực đại cường độ mạnh, trong khi nó chắn phần lớn các tia cường độ yếu

Các dữ liệu thực nghiệm của hình 1.9 cho thấy sự mở rộng của quang phổ vàbiến đổi nó thành một phổ tương ứng với một chế độ đồng bộ mode phù hợp, chiềurộng khe cỡ 0.47mm Cần lưu ý rằng các môi trường khuếch đại phải tương đối dày đểcó hiệu ứng thấu kính mạnh (hiệu ứng tự hội tụ) Điều này giải thích tại sao hiệu ứngthấu kính rất quan trọng trong laser Ti: sapphire, và không đáng kể trong các lasermàu.

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

Quá trình tự điều biến pha làm mở rộng phạm vi phổ của sóng laser và do đó rútngắn độ rộng của nó Giống như trong trường hợp chế độ đồng bộ mode bị động, sựcân bằng đã đạt được giữa quá trình thu hẹp xung và sự tán sắc vận tốc nhóm_mà cóxu hướng kéo dài xung Việc bù trừ giữa tự điều biến pha và tán sắc vận tốc nhóm tạonên một xung đi lại nhiều lần trong buồng mà vẫn giữ nguyên hình dạng của nó Xungnày được gọi là xung soliton

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

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

Kerr đồng bộ mode là do sự hạn chế trong việc bù trừ chính xác của các hiệu ứngGVD và SPM sử dụng cặp lăng kính Thật vậy, tán sắc bậc cao được tạo nên bởi cáclăng kính là yếu tố hạn chế chính Gương Chirped có thể giúp khắc phục được nhữnghạn chế này Gương như vậy bao gồm các lớp khác nhau với độ trong suốt cao và chiếtsuất thấp Điều chỉnh độ dày của các lớp tương ứng trễ pha λn đềuB/4 làm tăng cường độgiao thoa của các sóng khác nhau phản xạ tại λn đềuB (bước sóng Bragg)

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

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

cho quá trình tự bắt đầu đồng bộ mode của laser Ti / Sa khi độ rộng xung tới hạn đòihỏi dưới 10 fs Bốn thông số có để được đưa vào thiết kế phù hợp trong các SESAMs:

điều biến độ dày của các chất hấp thụ bão hòa, độ rộng phổ thu được, năng lượng bãohòa, và thời gian hồi phục không đổi

1.3: Laser màu xung cực ngắn

1.3.1: Khái quát về laser màu

Trong số các loại laser điểnhình có mặt tại các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới thì chúng ta cũng phải kể đếnlaser màu Với những ưu điểm nổi trội về vùng phát sóng rộng trong miền tử ngoại-khả kiến nên laser màu luôn được coi là một laser có nhiều ứng dụng cũng như cầnmột công nghệ lắp đặt, vận hành phức tạp hơn so với các laser rắn thông thường Lasermàu là laser sử dụng các hợp chất màu hữu cơ dùng làm hoạt chất Cấu trúc hóa họccủa chất màu được đặc trưng bởi các vòng Benzen (), Piridin (),… Một số chất màuđiển hình nhất thường được sử dụng để làm hoạt chất cho laser màu là Rhodamine B(RhB), Rhodamine 6G và Cumarin Cấu trúc của các phân tử chất màu có chứa cácliên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trongcùng một mặt phẳng Với laser màu CPM hiện nay thì chất màu được sử dụng thườngxuyên nhất là Rhodamine 6G (Rh6G), hấp thụ và bức xạ trong vùng khả kiến Dải phổbức xạ của Rh6G trong khoảng từ 550-600nm Thời gian sống của các phân tử chấtmàu ở trạng thái kích thích là rất nhỏ, chỉ vào khoảng s, và điều đó cũng gây khó khăntrong việc tạo được nghịch đảo độ tích lũy cho laser màu [18]

Sự huỳnh quang của phần lớn các chất màu không phụ thuộc vào độ dài củabức xạ kích thích Khi kích thích Rhodamine B bằng các bức sóng λn đều=5890 hoặc bứcxạ tử ngoại λn đều=2537 thì phổ huỳnh quang của RhB không thay đổi, tuy nhiên với ánhsáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử được kích thích lên những trạng tháiđơn cao hơn Sau đó các phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn kích thích thấphơn 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 Đếnnay đã có đến hàng trăm chất màu khác nhau được sử dụng làm hoạt chất cho lasermàu Do đó bằng cách chọn chất màu thích hợp ta có thể có bức xạ laser trong mộtmiền phổ từ 300-1300nm [18]

A

1.3.2: Một số tính chất của laser màu

Các phân tử chất màu laser có cấu tạo hóa học rất phức tạp gồm nhiều nguyêntử và các liên kết đôi, liên kết ba, vòng thơm… Do đó sẽ có một lượng lớn các trạngthái điện tử dao động quay Phổ phát quang của chất màu thường chỉ được thể hiệntrong trạng thái dung dịch lỏng Các dung môi thường được sử dụng như là nước cất,ethanol, methanol, benzene, toluene,….Qua đó cũng tạo nên những tính chất đặc biệttrong phổ bức xạ của laser màu Một trong những tính chất quang trọng của laser màulà có vùng bức xạ rất rộng, do đó bằng các yếu tố lọc lựa được đặt trong buồng cộnghưởng người ta có thể điều chỉnh được những tần số hay bước sóng phát một cáchthích hợp

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

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

Hình 1.11 cho ta thấy các trạngthái năng lượng điện tử dao động, quay của phân tử chất màu Khi một photon bênngoài chiếu tới được hấp thụ thì một điện tử của phân tử chất màu được kích thích lêntrạng thái cao hơn Nếu spin của điện tử này vẫn giữ đối song với điện tử còn lại củaphân tử thì trạng thái điện tử mới này có spin tổng cộng bằng 0 và được gọi là trạngthái đơn: Ngược lại nếu trạng thái điện tử mới có spin bằng 1 thì được gọi là trạng

210,S ,SST1SS,T10 2

thái bội ba: Trên hình 1.11 thì các mũi tên thẳng mô tả các dịch chuyển quang học,còn các mũi tên uốn lượn mô tả các dịch chuyển không quang học Trạng thái là trạngthái cơ bản, trạng thái là mức laser trên (mức siêu bền) [18].

Nhờ bơm quang học, phân tử được kích thích từ trạng thái cơ bản lêncác trạng thái Sau đó các phân tử sẽ dịch chuyển xuống các trạng thái kích thích thấphơn và tạo nên nghịch đảo độ tích lũy trong môi trường hoạt chất laser Tuy nhiên córất nhiều quá trình ảnh hưởng đến sự tạo thành nghịch đảo độ tích lũy của laser Đó làcác dịch chuyển không bức xạ giữa các trạng thái bội ba và giữa các trạng thái đơn vàtrạng thái bội ba Nguồn bơm cho laser màu thường là các đèn xung hoặc các laserxung: như laser Ruby (λn đều=694nm và hòa ba bậc hai với λn đều=347nm); laser Neodym; laserNito… Công suất của các laser bơm này từ vài kW đế hàng trục MW Dùng các sơđồ bơm ngang, bơm dọc và bơm nghiêng để thực hiện bơm quang học cho laser màu.Hiệu suất bơm laser màu bằng laser xung là rất cao, từ vài trục % đến 75% đối vớichất màu Rhodamine 6G bơm bằng hòa ba bậc hai của laser Neodym (530nm) Đểđiều chỉnh tinh và đạt được độ rộng vạch nhỏ thì cần dùng buồng cộng hưởng lọc lựabước sóng Nghĩa là đưa vào trong buồng cộng hưởng những yếu tố lọc lựa thích hợpbằng cách dùng giao thoa kế Fabry-Perot hay cách tử nhiễu xạ, lăng kính tán sắc… đểthay thế một trong những gương của buồng cộng hưởng Một trong những tính chấtquan trọng nhất của laser màu là khả năng điều chỉnh tần số phát trong giới hạn hàngtrăm Khi lựa chọn một cách hợp lý chất màu, dung môi hòa tan hay độ phẩm chất Qcủa buồng cộng hưởng thì sẽ điều chỉnh thu được các bước sóng thích hợp của lasermàu Nước là một dung môi tốt có thể được sử dụng vì chiết suất của nước không phụthuộc vào nhiều vào nhiệt độ (phụ thuộc ít hơn so với ethanol và methanol) Tuy nhiênmột số chất màu lại khó hòa tan trong nước, do đó cần phải khắc phục bằng cách thêmcác chất phụ gia làm tan và tối ưu hóa phổ phát quang cũng như độ ổn định của chấtmàu laser [20]

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

Để tạo ra xung cực ngắn cho

laser màu người ta có thể áp dụng các phương pháp đồng bộ mode chủ động hoặc bị0



động Do dải phổ phát quang của chất màu laser là rất rộng Các mode với tần số khácnhau thì qua quá trình đi lại trong buồng cộng hưởng laser có thể dẫn tới sự phụ thuộcvề pha của các thành phần tần số khác nhau đó, tạo nên sự biến đổi biên độ của xunglaser tổng hợp (do sự chồng chập của các mode) Các thăng giáng ngẫu nhiên gây ra sựbiến thiên của đầu ra theo thời gian, ngay cả khi công suất trung bình vẫn không đổi.Nếu bằng một cách nào đó các mode duy trì được độ lệch pha là không thay đổi và thìđầu ra của xung laser có thể đạt được độ rộng vạch rất hẹp, và với một chu kỳ cácxung ổn định hơn Xung có một bề rộng là tỷ lệ nghịch với tổng độ rộng của dảimode-looking và tuần hoàn với chu kỳ T=2L/c Các laser màu có độ rộng dải phát lớnhơn rất nhiều so với laser khí và laser rắn thông thường Do đó giới hạn về độ rộngxung của laser màu là rất nhỏ (chỉ vài dao động sáng) Điều đó đã được thể hiện trongthực tế các laser màu luôn tạo nên những kỷ lục mới trong việc chế tạo laser xung cựcngắn bằng phương pháp khóa mode Ngày nay thì bằng việc phát các xung trong vùngGHz, hoặc bằng phát hòa ba bậc cao của các laser thì thời gian một dao động sáng đãtrở nên rất nhỏ, qua đó các xung cực ngắn sẽ có thể dễ dàng được tạo ra với chỉ mộtvài femto giây, thậm chí là atto giây [20]

Một loại laser khí có thể có dải

phổ ở mức Hz tương ứng với xung ra khoảng s (100ps) Laser thủy tinh Nd ở trạngthái rắn có độ rộng dải hơn Hz và có khả năng sinh ra các xung với độ rộng dưới ps.Đặc biệt là quan sát được các laser màu mà các đám phát xạ cũng được mở rộng 10-100 nm~Hz Do đó có thể nhận các xung ps và vẫn có thể điều hưởng đước bước sóngtự do Khoảng cách toàn phần mà các xung ps nhận được từ các laser màu có phổ liêntục từ 560-700nm [20]

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

1091010 10131012101014

10 

Như đã trình bày trước đó, độ rộng xung trong chế độ khóa mode tối ưu là tỉ lệnghịch với độ rộng phổ của phân phối biên độ Vì vậy, mỗi yếu tố của khoang mà cóxu hướng hạn chế chiều rộng của dải dao động sẽ có xu hướng kéo dài thời gian xung.Các yếu tố đó có thể là một phần tử quang học bên ngoài như một lăng kính, một cáchtử hoặc một bộ lọc Lyot Chính các môi trường khuếch đại cũng có thể gây ra mộtphần kéo dài xung sáng.

Hiệu ứng mở rộng này có thể được giải thích về mặt tần số Khi tới các phần tửbộ lọc, xung này có một phân bố phổ với biên độ nhất định Tần số này hoàn toàn bịphụ thuộc vào bộ lọc truyền qua, phổ phân phối bị thay đổi do có sự giảm biên độ củacác tần số sườn Sự thu hẹp của phổ đã lý giải hiện tượng kéo dài độ rộng của xung khinó đi qua các phần tử lọc Tương tự như vậy, mỗi yếu tố tán sắc của các buồng cũng sẽảnh hưởng đến độ rộng xung,bởi các thành phần tần số khác nhau của phổ phân phốisẽ có thời gian trễ khác nhau Xung đạt đến trạng thái ổn định khi các hiệu ứng thu hẹpdo các tính chất bão hòa của chất hấp thụ và của môi trường khuếch đại có thể bù đắpcho các hiệu ứng mở rộng của các yếu tố khác nhau trong buồng laser Trong thực tếquá trình truyền của xung qua các phần tử khác nhau của buồng là rất phức tạp, đặcbiệt nếu các phương tiện khuếch đại và hấp thụ là những phần tử phi tuyến Để giảiquyết vấn đề trên, trong thực tế người ta có thể đưa vào bên trong buồng các bộ điềubiến chiết suất theo cường độ tín hiệu

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

Hình_1.13: Sơ đồ một laser màu bơm bởi một xung liên tục của laser ion Argon.[20]

Đó là một laser màu có môi trường khuếch đại bao gồm Rhodamine 6G bơm liên tục bằng bức xạ phát ra của laser ion Argon Chất hấp thụ bão hòa là DODCI (3,3– diethyl oxadicarbo cyanine iodide ) Để đạt ngưỡng hấp thụ bão hòa, các chùm tialaser được tập trung mạnh vào bên trong môi trường hấp thụ bằng các gương cầu tiêucự ngắn Như vậy bằng cách đi qua chất hấp thụ và môi trường khuếch đại mỗi 2L / cgiây thì tạo ra xung biến điệu mode dọc với tần số c/2L Bởi vậy phát sinh các khoảngtần số mode tồng hợp, lần lượt tạo ra đồng bộ mode với các pha, và các phổ tần số cóxu hướng mở rộng trong khi xung được thu hẹp

Hình_1.14: Mô tả thiết kế buồng cộng hưởng của một laser màu khóa mode hỗnhợp [20]

Hình trên cho thấy một ví dụ về laser đã khóa mode sử dụng phương pháp đồngbộ mode hỗn hợp Trong trường hợp này, chiều dài buồng cộng hưởng của laser Ar+đã được điều chỉnh thích hợp Có thể thấy rằng việc bơm bên trong các môi trườngkhuếch đại không cộng tuyến được sử dụng với sóng laser của buồng Đây là loại bơmmà tránh được sự bất tiện của việc có một lăng kính bên trong buồng, cũng thườngđược sử dụng trong phương pháp khóa mode bị động, thay cho phương pháp bơm chủđộng Trong hình (1.13) và (1.14), yếu tố tán sắc (một Lyot lọc chẳng hạn) sẽ giới hạnbước sóng trung bình của xung Các buồng cũng thường chứa phần tử để bù trừ chocác hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm của xung, các hiệu ứng tán sắc sẽ làm mở rộngxung

Hình_1.15: Thiết kế buồng của laser có chế độ khóa mode lai, với lăng kính bù trừtán sắc vận tốc nhóm (GVD) [20]

Hình_1.16: Minh họa những tác động của GVD bù trừ đối với độ rộng xung củamột laser đã khóa mode hỗn hợp.[20]

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

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

CHƯƠNG 2: LASER MÀU TẠO XUNG CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁPBỊ ĐỘNG

2.1: Laser màu CPM

2.1.1: Giới thiệu laser màu CPM

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

Bản chất của laser màu CPM chính là buồng cộng hưởng của laser có dạngvòng, trong đó luôn tồn tại hai xung có thể lan truyền ngược chiều nhau hoặc cùngchiều đi vào trong chất hấp thụ bão hòa Chất hấp thụ bão hòa được chọn phải có mậtđộ sao cho nó chỉ bão hòa khi hai xung có mặt đồng thời [19]

Môi trường khuếch đại là dòng phun dung dịch chứa chất màuRhodamine 6G (Rh6G) được hòa tan trong dung dịch ethylene glycol có nồng độ thíchhợp Chất hấp thụ là dung dịch DODCI được hòa tan trong ethylene glycol Chất hấpthụ bão hòa và môi trường hoạt chất được phun với tốc độ rất cao trong buồng cộnghưởng laser tạo thành một dòng phun chất màu (dye jet) Đồng thời chất màu luônđược luân chuyển qua các hệ thống lọc và làm lạnh… Laser bơm là laser ion Argonliên tục có công suất trong khoảng 3-7W, với bước sóng 5145(514.5 nm) Laser màudùng buồng cộng hưởng vòng khóa mode bị động bằng va chạm xung có nhiều ưuđiểm hơn so với việc dùng buồng cộng hưởng tuyến tính thông thường Tuy nhiên việcđiều chỉnh buồng cộng hưởng vòng cũng đòi hỏi những kỹ thuật cao và tinh chỉnh.[19]

Khoảng cách giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại đượcchọn bằng một phần tư chiều dài buồng cộng hưởng () để thuận tiện cho việc tính toánvà có được sự cân bằng biên độ cho các xung khi đi đến gặp nhau trong chất hấp thụbão hòa bời khi đó sẽ thỏa mãn điều kiện giao thoa của hai xung Đồng thời khikhoảng cách giữa chấp hấp thụ và môi trường khuếch đại đúng bằng thì hai xungđược khuếch đại cách nhau khoảng thời gian bằng một phần tư thời gian đi vòngquanh buồng cộng hưởng Giả sử có sự sai lệch nhỏ về khoảng cách đó thì cũng khôngảnh hưởng nhiều đến sự khuếch đại của xung sáng Vì trong thời gian đó các nguyêntử sau khi bị bức xạ xuống trạng thái cơ bản đã kịp chuyển lên trạng thái kích thích.Trong laser màu CPM thì chất hấp thụ bão hòa được chọn sao cho chỉ khi có hai xungđến chồng chập trong chất hấp thụ thì mới có sự bão hòa Xung lối ra có thể đạt mộtvài femto giây [19]

2.1.2: Đồng bộ mode bị động cho laser màu CPM

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

L

Hình_2.1: Sơ đồ laser màu CPM tạo xung cực ngắn với các gương nén xung, tạoxung fs [19]

Trong hình trên là sơ đồ laser màu CPM đồng bộ mode bị động bằng va chạmxung Buồng cộng hưởng của laser CPM là buồng cộng hưởng dạng vòng có thể dàiđến hàng vài mét, và có hệ lăng kính nén xung Với sơ đồ laser CPM như trên thì xunglối ra thu được có thể đạt được ngắn cỡ femto giây Môi trường hoạt chất cho laser làRhodamine 6G Nguồn bơm là laser ion Argon liên tục với công suất cỡ 5W, bướcsóng 515nm Trong buồng cộng hưởng có đặt chất hấp thụ bão hòa DODCI tại tiêuđiểm của gương cầu Phổ phát xạ của Rhodamine 6G gần 590nm Bước sóng này hấpthụ khá mạnh bởi các phân tử DODCI

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

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

Phổ phát quang của laser màu femto giây là rất rộng, và khi xung sáng cực ngắnlan truyền trong môi trường phi tuyến thì các thành phần phổ khác nhau sẽ có vận tốckhác nhau Do đó xuất hiện một độ lệch pha giữa các mode khác nhau trong miền phổ