1 Tổng quan về Laser
2.2Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng
Thí nghiệm tạo xung ánh sáng trắng bằng laser femto giây và sợi quang tinh thể được chúng tôi triển khai tại phòng thí nghiệm của Trung tâm
Điện tử học lượng tử, Viện Vật lí, Hà Nội, hình 2.4. Trong thí nghiệm này, sợi PCF được đặt trong một hệ thống bảo vệ, nhằm tránh các va chấn cơ học và bụi. Việc phóng tia laser vào sợi PCF được thực hiện thông qua một đầu kính hiển vi, có độ phóng đại 40X. Theo đánh giá bằng thực nghiệm của chúng tôi thì thấu kính hiển vi có độ phóng đại trong khoảng từ 28X đến 40X là tối ưu nhất. Sợi PCF có chiều dài 10 cm, được đặt trên một hệ thống dịch chuyển XYZ. Công suất laser phóng vào sợi PCF là 100 mW, bước sóng trung tâm là 800 nm, nằm ở vùng phổ hồng ngoại gần. Ứng với tần số xung là 80 Hz thì năng lượng xung vào cỡ 1,25nJ. Trong thực tế, việc mất mát năng lượng do phản xạ tại bề mặt phân cách ở đầu vào là rất cao, thường lên tới 50% , nên năng lượng đi vào sợi PCF chỉ khoảng 0,6nJ. Ở đầu ra, bề mặt sợi PCF đóng vai trò như một nguồn sáng điểm nên ánh sáng của SC phát ra dưới dạng sóng cầu. Hình ảnh SC được hứng trên màn hình cho ta thấy ánh sáng của vùng khả kiến. Như vậy, sự tương tác giữa xung laser và sợi PCF đã mỡ mở rộng phổ từ hồng ngoại xuống khả kiến.
Hình 2.4: Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách phóng tia laser femto giây vào sợi quang tinh thể.
Do hạn chế về trang thiết bị của phòng thí nghiệm nên chúng tôi chưa đo được phổ của SC cũng như sự phân bố phổ theo thời gian. Chính
vì vậy chúng tôi chưa xác định được chính xác độ rộng phổ cũng như thời gian của xung SC. Tuy nhiên, theo cách định tính dựa trên màu sắc của SC thì chúng tôi ước tính được rằng sự mở rộng phổ về phía bước sóng ngắn của SC, ở hình 2.4, là xuống tới hơn 500 nm. Còn về thời gian xung SC thì vào cỡ vài pico giây, ước tính dựa trên chiều dài 10 cm của sợi PCF.
Về mặt nguyên lý, chúng tôi minh họa thí nghiệm tạo SC bằng PCF trên hình 2.5. Xung laser cơ bản, có phổ hẹp với hướng phân cực được kiểm soát bằng bản nữa bước sóng, được đưa vào sợi PCF bằng đầu hội tụ của thấu kính hiển vi. Nhờ cấu trúc micro mét của PCF, năng lượng được nén trong một tiết diện cỡ vài µm2. Do vậy, mật độ năng lượng trở nên rất cao và được giam giữ trong cấu trúc của sợi PCF trong quá trình lan truyền. Mật độ năng lượng cao và được duy trì trong quá trình lan truyền làm gia tăng các tương tác phi tuyến gây ra sự mở rộng phổ [5, 4]. Đây là điểm khác biệt so với phương pháp truyền thống, tạo SC bằng cách hội tụ chùm laser vào các môi trường phi tuyến bậc ba, các môi trường này có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí...[26]. Sau điểm hội tụ, chùm laser bị phân kỳ nên mật độ quang học đủ không còn đủ cao cho việc duy trì các hiệu ứng phi tuyến gây mở rộng phổ. Chính vì vậy, thí nghiệm tạo SC bằng phương pháp truyền thống phải cần tới những hệ laser khuếch đại có công suất cao, còn với sợi PCF thì chỉ cần một buồng cộng hưởng công suất nhỏ là đủ năng lượng [12].
Về vấn đề an toàn, cần lưu ý rằng laser xung ngắn được xếp vào hạng nguy hiểm bậc 4, là hạng nguy hiểm nhất, đặc biệt đối với mắt. Vì vậy người làm thực nghiệm phải luôn mang kính bảo hộ và quan sát tia laser qua các linh kiện như: camera hồng ngoại, giấy huỳnh quang hấp thụ hai photon... Trong thí nghiệm này, chúng tôi quan sát tín hiệu, để thực hiện
các thao tác điều chỉnh, qua màn hình của máy tính bảng, bởi camera của máy tính bảng có độ nhạy cao trong vùng phổ hồng ngoại gần.
Về mặt kỹ thuật, việc đưa xung laser vào đầu của sợi PCF là một bước thao tác rất nhạy cảm. Vì cấu trúc của lõi PCF là rất nhỏ, vào cỡ 1-2µm, nên việc đưa xung laser vào phải được thiết kế trên một hệ thống ổn định, có độ dịch chuyển dưới 0,5 µm và tránh được các dao động cơ, nhiệt...Để có thể phóng tia laser vào sợi PCF thì bước đầu tiên là điều chỉnh theo phương Z, điểm hội tụ sau thấu kính phải rơi đúng bề mặt của sợi PCF. Sau đấy là điều chỉnh hai phương X,Y để tia laser được phóng vào lõi. Việc điều chỉnh vị trí đầu vào có thể quan sát được trực tiếp nếu lắp thêm hệ thống phóng đại ảnh trước sợi PCF, hình 2.5. Với hệ thống này, vị trí đầu vào của xung laser hoàn toàn được kiểm soát. Điều này cho phép quyết định việc tạo SC với lõi sợi hay với vách ngăn. Ngoài ra, trong trường hợp chiếu xung laser cơ bản vào lõi PCF thì ta cũng kiểm soát được vấn đề tạo SC, với mode cơ bản hay với mode bậc nhất. Hình 2.6 trình bày hai mode tạo bởi sợi quang phi lưỡng chiết (A), và hai mode tạo bởi sợi quang lưỡng chiết (B).
Hình 2.5: Tạo xung ánh sáng trắng bằng cách bơm xung laser vào sợi PCF.
M1vàM2: gương,λ/2: bản nữa bước sóng, 28X : thấu kính hiển vi, XYZ: trục dịch chuyển theo ba chiều, PCF: sợi quang tinh thể.
Hình 2.6: Sự phân bố cường độ theo không gian của các mode khác nhau
Từ kết quả hình 2.6, ta nhận thấy rằng sự phân bố SC theo không gian phụ thuộc cả vào dạng hình học của lõi lẫn bậc của mode dẫn truyền. Trong trường hợp dẫn truyền bằng mode bậc nhất thì cường độ sáng SC được phân bố theo hai hàm gaussienne. Điều này thể hiện rất rõ trong hình chụp với sự giảm cường độ sáng của vị trí đường trung tâm.