trong BCH:
Bằng cách biến điệu cộng hởng laser với bơm xung, các xung ánh sáng ngắn, công suất cao lần đầu tiên thực hiện vào năm 1962. Bằng cách điều chỉnh hệ số phẩm chất Q của BCH mức mất mát vô ích cao có nghĩa là ngỡng phát thấp bị can thiệp. Sự giúp đỡ này có vai trò rất quan trọng tạo ra nghịch đảo mật độ c trú lớn đột biến trong hoạt chất. Tiếp nữa, với sự can thiệp của tín hiệu ngoài mức mất mát do đó ngỡng phát giảm nhanh đến giá trị thấp nhất có thể đạt đợc. Do đó giá trị ban đầu của nghịch đảo mật độ c
trú cao hơn ngỡng phát mới tơng ứng với sự mất mát nhỏ. Dới các điều kiện đó một xung ánh sáng đơn, công suất cao đợc phát ra thay vì nhiều đỉnh xung.
Công suất của một xung khổng lồ cao hơn, độ rộng của mức nghịch đảo mật độ c trú ban đầu ( đối với hệ số Q của BCH thấp )đợc tăng cao hơn giá trị ngỡng .Công suất của một xung khổng lồ khoảng 109 W[2]. Độ rộng của một xung khoảng 10 - 100ns . Độ rộng của một xung nhỏ nhất khoảng 1 - 3ns[1].
Trong sự can thiệp vào chế độ này, một tế bào biến điệu khoá Q điều khiển bởi một tín hiệu ngoài đợc đặt tại một vị trí trong BCH . Dới sự ảnh h- ởng của tín hiệu này, bộ biến điệu đổi nhanh chóng, mức mất mát vô ích trong BCH (chuyển từ trạng thái có mức mất mát cao xuống trạng thái có mức mất mát thấp). Do đó, những sự thay đổi đợc tạo ra dới ảnh hởng của tín hiệu ngoài, sự biến điệu của BCH này đợc gọi là biến điệu chủ động.
Một tế bào biến điệu thờng làm việc nh màn sập quang có điều khiển . Màn sập đợc hoạt động trong suốt quá trình. Do đó, các mất mát trong BCH đ- ợc điều khiển xuyên suốt một tín hiệu ngoài. Nếu màn sập mở, các mất mát trong BCH thấp (BCH có hệ số Q cao). Trong một số trờng hợp gơng cộng h- ởng đợc bố trí quay nhanh nh một Rơ le biến điệu. Biến điệu từ vị trí đóng đến vị trí mở màn sập, hoạt động đồng bộ với các xung bơm : Màn sập mở khi có độ nghịch đảo mật độ c trú của mức laser cao tồn tại
.
Tq P(t) N(t)
N1 Q(t) Qmin
0 t0 t1 t
Hình 3.1:Tiến trình tạo xung khổng lồ. Hình 3.2.
Hình(3.1) miêu tả quá trình tạo xung khổng lồ bằng phơng pháp biến điệu chủ động trong BCH.Đờng cong P miêu tả sự thay đổi công suất bức xạ theo thời gian. Trên hình cũng mô tả sự thay đổi của nghịch đảo mật độ c trú N và hệ số phẩm chất Q theo thời gian(Q=Qmin) và ở trạng thái nghịch đảo mật độ c trú cao (N = N1). Dới ảnh hởng của tín hiệu điều khiển, hệ số Q bắt đầu tăng và giá trị ngỡng của mật độ c trú bắt đầu giảm, khi giá trị ngỡng tăng đến giá trị N1 sự phát bắt đầu. Thời điểm này đợc chọn làm thời điểm ban đầu (t=0) . Từ đó quá trình phát xung khổng lồ đợc chia làm hai giai đoạn : một giai đoạn phát triển xung chậm ( tuyến tính thẳng ) tơng đối dài
( thời gian to khoảng 100ns) và giai đoạn phát triển xung nhanh (phi tuyến) t- ơng đối ngắn (thời gian t1 khoảng 10ns ). Hầu hết tất cả năng lợng của xung đều phát ở giai đoạn hai, do đó thời gian sống của xung chính bằng thời gian của giai đoạn này (thời gian t1) . Nó cho biết sự giảm của độ nghịch đảo c trú chỉ xảy ra đáng kể ở giai đoạn hai.
Ký hiệu tq là thời gian mà hệ số Q tăng từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị cao nhất ( thời gian biến điệu Q). Nếu tq<<t0 thì biến điệu Q nhanh chóng đạt cao . Hình vẽ 3.1 tơng ứng với một trờng hợp nh thế. Các quá trình phát triển xung đi liền với một biến điệu Q nhanh, chậm phù hợp với xung bơm đạt đến giá trị cao luôn tính đợc trong khi Q luôn tăng một cách tức thời.
Đối với một khả năng biến điệu Q tăng giảm nhanh đến một giá trị cao, hình ảnh của sự phát có thay đổi đáng kể: thay vì một xung đơn là một vài đỉnh xung với công suất giảm dần và thời gian sống tăng dần(hình 3.2). Khoảng thời gian giữa các xung tăng liên tục từ 100ns đến 1às.
iii. Sự phát xung khổng lồ bằng biến điệu thụ động Q trong BCH :
Biến điệu thụ động Q dựa trên cơ sở áp dụng phần tử phi tuyến mà hệ số hấp thụ của nó thay đổi khi công xuất bức xạ đi qua. Bộ lọc khả trong- các màn sập quang học hoạt động dựa vào hiệu ứng quang học phi tuyến của chất khả trong đợc sử dụng rộng rãi. Ngoài bộ lọc phi tuyến ra, các tế bào phi tuyến
hoạt động dựa trên cơ sở kích thích tán xạ của các gơng bán dẫn ( hệ số phản xạ của nó thuộc vào cờng độ của chùm sáng chiếu tới ) cũng đợc sử dụng .
Hình 3.3
Hình (3.3) cho thấy sự phát triển xung khổng lồ nhờ biến điệu thụ động Q của BCH laser bơm xung, biến điệu đợc can thiệp bằng một bộ lọc khả trong, đờng cong P theo t biểu diễn sự thay đổi của công suất bức xạ theo thời gian.
Trên hình này cũng biểu diễn sự thay đổi của hệ số hấp thụ cộng hởng của bộ lọc khả trong theo thời gian ( theo t ) và sự thay đổi theo thời gian của độ nghịch đảo mật độ c trú của các mức hoạt chất ( N theo t ).
Trạng thái ban đầu ứng với trạng thái cha lọc ( χa=χ0a ), ngỡng của nghịch đảo mật độ c trú khá cao ( ký hiệu là Nthrmax ). Quá trình bơm bắt đầu thì độ lớn của N bắt đầu tăng . Vừa lúc đó nó vợt quá giá trị ngỡng Nthrmax, sự bức xạ bắt đầu .
Thời điểm này chọn là thời điểm ban đầu ( t=0 )trên hình vẽ. Giống nh trong trờng hợp biến điệu chủ động, trong biến điệu thụ động cũng đợc chia làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn một: Giai đoạn tăng chậm tuyến tính theo thời gian dài (thời gian t0)
- Giai đoạn hai: giai đoạn tăng nhanh (Phi tuyến) thời gian ngắn (thời gian t1)
Trong biến điệu thụ động thời gian của giai đoạn tăng chậm tuyến tính lớn hơn nhiều so với biến điệu chủ động và vào khoảng 1às. Điều này thích hợp cho việc phát triển xung trong giai đoạn của biến điệu thụ động dới điều
t1 t0 ) (t a χ N(t) P(t) a 0 χ
kiện mất mát cao. Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng bộ lọc chỉ đợc làm trong trong suốt giai đoạn hai ( phi tuyến ). Thời gian t1 vào khoảng 10ns.
Sau khi phát xung khổng lồ, hệ số hấp thụ cộng hởng của bộ lọc tăng do nguyên nhân thay đổi tự phát trong bộ lọc. Khoảng thời gian để bộ lọc trở lại trạng thái ban đầu ( không lọc ) gọi là thời gian hồi phục cuả bộ lọc.
Sau thời gian hồi phục, nếu vẫn cần đợc bơm tiếp thì quá trình phát xung khổng lồ lại xảy ra. Tuy nhiên điều này còn phụ thuộc vào các thông số ban đầu của bộ lọc khả trong và đã đợc tìm hiểu ở chơng trớc.
IV. Tạo lỗ hổng trong BCH :
Để tạo lỗ hổng, buồng cộng hởng của một Laser gồm các gơng có hệ số phản xạ cao, do vậy buồng cộng hởng có độ mất mát thấp và hệ số phẩm chất Q cao. Một biến điệu tốc độ (khoá ) của tiêu hao có lợi đợc đặt trong BCH và đợc điều khiển từ bên ngoài. Đó là thiết bị đa ra ngoài ( phát Laser ) một phần của trờng bức xạ từ BCH. Các biến điệu âm quang cũng nh kiểu electron quang cũng đợc sử dụng. Bơm liên tục thông thờng đợc sử dụng cho mục đích tạo lỗ hổng BCH Laser. Giả sử biến điệu của hao phí có ích không bị khoá khi bơm đang hoạt động , dới các điều kiện này nếu độ nghịch đảo mật độ c trú của các mức lớn hơn ngỡng phát của BCH cao thì mật độ Phôtôn tăng. Quá trình bơm liên tục sẽ duy trì độ nghịch đảo mật độ c trú của các mức laser cao hơn ngỡng phát. Trong trờng hợp này ngay cả quá trình phát đang xảy ra thì bức xạ vẫn đợc giữ trong BCH. Ta giả thiết rằng biến điệu hao phí có ích đợc mở trong khoảng thời gian ngắn. Điều này dẫn đến sự phát xung ngắn từ trong BCH có nghĩa là số photon tích luỹ bị giảm trong BCH. So sánh tạo lỗ hổng trong BCH với biến điệu chủ động thì phải lu ý trờng hợp mật độ photon trong BCH rất nhỏ trong trạng thái ban đầu (Q nhỏ) laser sau đó thấp hơn ngỡng phát tơng ứng với hao phí cao. Ngay sau đó khoá Q đạt đến giá trị cao. Sự phát bắt đầu tăng ,đồng thời xung cũng bắt đầu phát ra ngoài.
Khác với biến điệu chủ động, sự tạo ra lỗ hổng đợc đặc trng bởi Q cao ở trạng thái đầu, laser nằm trên ngỡng phát tơng ứng với hao phí thấp. Quá trình phát xảy ra ngay cả trớc khi xung phát bắt đầu hình thành và BCH chứa đầy photon. Tóm lại, trong trờng hợp đóng mở Q, laser bắt đầu quá trình phát sau khi tín hiệu điều khiển đã đợc đa vào điều khiển bộ biến điệu. Còn trong tạo lỗ hổng trong BCH thì bộ biến điệu đóng trong một laser đã sẵn sàng phát điều này làm giảm thời gian hình thành xung phát ra ngoài (Giai đoạn tuyến tính
không kéo dài trong sự phát triển của xung). Bởi vậy chúng ta có nhận đợc chuỗi xung ánh sáng có tần số cao.
Trong quá trình tạo lỗ hổng cho các photon, Laser luôn phải giữ ở trạng thái trên ngỡng phát tơng ứng với trạng thái Q cao. Sự đòi hỏi tồn tại trong khoảng thời gian mà biến điệu có thể tự mở khoá.
Sự dao động nghịch đảo mật độ c trú của các mức laser cho trờng hợp tạo lỗ hổng BCH nhỏ hơn trờng hợp Q khoá (biến điệu chủ động Q).Do trong tr- ờng hợp tạo lỗ hổng BCH, ngỡng phát ở trạng thái ban đầu và do độ nghịch đảo mật độ c trú ban đầu thấp hơn nhiều so với biến điệu chủ động Q.Khả năng tạo lỗ hổng sử dụng biến điệu quang âm nhanh đợc thảo luận trong công trình [13].
Xét trong trờng hợp cụ thể: Laser Nd: YAG bơm liên tục đợc trình bày trong công trình[15-18], kỹ thuật buồng cộng hởng Laser duping đợc áp dụng chủ yếu cho Laser khí và Laser màu liên tục, với kỹ thuật này ngời ta thu đợc các xung Laser có độ rộng từ 10 - 100ns, tần số lặp lại xung ∼ 4MHz. ở chế độ tối u, công suất đỉnh có thể cao hơn từ 10 - 100 lần so với chế độ hoạt động liên tục thông thờng trong tạo lỗ hổng trong BCH cho Laser Nd : YAG bơm liên tục cho công suất trung bình bằng công suất cực đại trong trờng hợp phát liên tục, tần số chuỗi xung dài từ 100KHz - 10 MHz so sánh giá trị tần số chuỗi xung đối với bơm liên tục trong trờng hợp Q khoá là vào khoảng 50 KHz [15-20].
V. Phát chuỗi xung trong laser bơm liên tục .
Thực tế đòi hỏi phải có đợc chuỗi xung ánh sáng đợc điều khiển đều đặn với tần số cao. Vì vậy sự bơm liên tục thờng sử dụng để đáp ứng đòi hỏi này.
Đối với laser Nd: YAG bơm liên tục đợc nghiên cứu trong các công trình đã đợc công bố[12-15]. Giá trị công suất trung bình của bức xạ phát đối với Laser này vào khoảng 1 - 10W. Giá trị trung bình lớn nhất vào khoảng vài trăm W. Biến điệu chủ động Q khoá của BCH đợc sử dụng lần đầu tiên cho sự phát xung liên tục của laser. Bắt đầu dùng quang cơ với mẫu gơng quay, tuy nhiên phơng pháp này ít đợc sử dụng do cơ học làm quay bị hạn chế nên ph- ơng pháp này không thể cho xung cực lớn theo ý muốn[23]. Biến điệu quang âm đợc đa vào và thích hợp hơn .
Chúng đã giúp chúng ta tìm ra tần số cực cao của chuỗi xung vào khoảng 50KHz. Sự phát xung ở chế độ đơn mốt bơm liên tục với biến điệu chủ động Q khoá có đặc trng năng lợng và thời gian nh sau :
Tần số chuỗi xung 10 KHz, thời gian sống xung t1 = 100ns - 1às.
Công suất đỉnh Pmax∼ 10³ W. Công suất trung bình phát ra ngoài Pav ∼ 1 - 10 W, chế độ này có thể dùng với cả tần số nhỏ hơn 10 KHz. Tuy nhiên, nếu ƒ<5 KHz thì hiệu suất phát laser giảm. Giá trị ƒ nhỏ dẫn đến sự giảm là lớn. Tần số giới hạn vào khoảng 50KHz ( theo trên ). Sự tồn tại giới hạn này là do sự tồn tại trong khoảng thời gian dài của giai đoạn phát triển tuyến tính của xung phát ra ngoài .
Để nhận đợc tần số phát xung trên 50 KHz ,ta phải đảm bảo điều kiện sự phát triển nhanh chóng cờng độ xung. Với mục đích này, xung phát có thể “ tắt ” ở vị trí mà cờng độ bắt đầu giảm xuống. Vì vậy mật độ bức xạ cao có thể giữ ở trong BCH ( thế độ đảo lộn mật độ c trú cao của các mức laser ).
Trong trờng hợp này không phải sự phát bắt đầu từ mức nhiễu mà từ mức bức xạ giữ lại ở trong BCH nh kết quả xung bị “ cắt ”. Đó là phơng pháp giúp tần số ƒ tăng lên 100 KHz. Ngời ta sử dụng một phơng pháp giúp ƒ tăng lên100KHz là phơng pháp tạo lỗ hổng . Nếu công suất trung bình phát ra ngoài bằng giá trị cực đại của công suất phát liên tục thì tần số đạt đợc ở giới hạn dới ƒ<100KHz đợc thoả mãn.
Điều kiện cần thiết đảm bảo công suất phát ra trung bình đối với các tần số của xung lặp lại thấp cần phải loại bỏ một lợng lớn các xung phôtôn từ BCH. Do vậy, độ đảo lộn mật độ của các mức laser có thể thấp hơn ngỡng phát. Các đặc tính tiêu biểu đối với phơng pháp tạo xung khổng lồ : Tần số phát ƒ ∼ 100KHz - 10MHz, thời gian sống của xung 10 - 100 ns, công suất phát trung bình Pav ∼ 1 - 100W 0 P Pav 1
0,5 1 3 2
0 0,1 1 10 10² 10³ Hình (3.4)
Từ hình vẽ này ta thấy sự phụ thuộc của
0
P Pav
theo tần số. ở đây P0 chính là công suất cực đại của chế độ phát liên tục[16]. Trên hình đã chia ra 3 miền khác nhau:
Miền 1: Miền tần số sử dụng cho biến điệu chủ động (f<50KHz). Miền 2: là miền cho tạo lỗ hổng (100KHz<f<1000KHz).
Miền 3: Miền giới hạn tần số trên của Q khoá và giới hạn tần số dới của tạo lỗ hổng đều thay đổi trong miền 3.
VI. Các phơng pháp biến điệu tạo xung khổng lồ
1. Phơng pháp biến điệu quang điện:
a. Phơng pháp KERR:
Năm 1875, Kerr đã tìm ra hiện tợng một số chất lỏng nh Nitro benzen, cacbon disulfide... trở nên có tính lỡng chiết khi có điện trờng ngoài áp vào.
Nếu giữa kính phân cực P1 và P2 đặt một tế bào Kerr và điện trờng áp vào có c- ờng độ mạnh thì có thể xoay đợc độ phân cực, ánh sáng có thể truyền qua. Vì thời gian hồi phục từ trạng thái dị hớng và trạng thái đẳng hớng của môi trờng sau khi ngắt điện trờng và ngợc lại là rất bé cỡ 10-9(s). Cho nên ta có thể coi hiệu ứng Kerr quang điện là không có quán tính và có thể dùng làm “công tắc quang học” đóng mở ánh sáng.
Bây giờ xem xét cờng độ của tín hiệu truyền phía sau công tắc quang học Kerr trên sơ đồ (2.5).
Theo định luật Kerr ta có: n// - n⊥ = knE02
Trong đó: n – chiết suất đối với bớc sóng λ. Còn k là hệ số Kerr phụ thuộc vào λ.
Từ đây ta tính đợc sự thay đổi pha giữa 2 thành phần trờng quang học trong tế bào có độ dài .
Hình 3.5: Tế bào Kerr đặt giữa hai kính P1 và P2 phân cực vuông góc với nhau tạo thành khoá quang học.
( ) λ π λ π δϕ ( ) 2 / 2 2 0 // knE n n − = = ⊥
Nh vậy, ánh sáng phân cực thẳng của Laser trớc tế bào sẽ trở thành phân cực tròn sau khi đi qua tế bào và trở lại phân cực thẳng với độ dịch pha 900. Do