1 Tổng quan về Laser
2.3.1Đo sự phân bố phổ theo thời gian
Trong vấn đề khảo sát các tính chất của SC thì có hai thông số quan trọng nhất: hình dạng phổ và sự phân bố cường độ phổ theo thời gian. Việc xách định phổ là khá dễ dàng nếu ta sử dụng một máy đo phổ kế. Riêng việc
xác định sự phân bố cường độ phổ theo thời gian là phức tạp hơn nhiều. Nó yêu cầu phải sử dụng đến kĩ thuật đo phổ phân giải femto giây. Bởi SC có phổ rất rộng không thể đo bằng các phương pháp đơn giản như sử dụng giao thoa kế. Phương pháp xác định sự phân bố phổ theo thời gian của SC mà chúng tôi trình bày dưới đây là dựa vào tín hiệu hấp thụ hai photon, Hình 2.7. Tín hiệu được đo trên một mẫu bán dẫn ZnS có bề dày 40µm. Mức năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn của ZnS là 3,7 eV. Điều đó có nghĩa là mức năng lượng này chỉ cho phép hấp thụ những photon có năng lượng lớn hơn 3,7 eV, ứng với năng lượng của các photon trong vùng tử ngoại có bước sóng ngắn hơn 317 nm. SC được tạo ra ở đây có bước sóng trong phạm vi từ 340 nm đến 1100 nm, còn xung bơm thì ở quanh giá trị 400 nm. Như vậy năng lượng của các photon này là chưa đủ để vượt qua rào cản năng lượng của ZnS. Tuy nhiên, trong điều kiện mật độ năng lượng đủ lớn (mJ/cm2) thì khả năng hấp thụ hai photon để thỏa mãn điều kiện năng lượng là thực hiện được. Các chi tiết kĩ thuật về việc xác định sự phân bố phổ theo thời gian được chú thích trên Hình 2.7.
Nguồn laser sử dụng trong thí nghiệm Hình 2.7 là một buồng cộng hưởng Ti:Saphir, được bơm bằng một laser liên tục có công suất 5 W, bước sóng 532 nm. Buồng cộng hưởng Ti:Saphir phát xung với tần số 27 MHz, năng lượng xung lên đến15 nJ. Bước sóng trung tâm của xung có thể điều chỉnh được trong khoảng giữa 780-860 nm, và thời gian xung có thể rút ngắn xuống tới 30 fs. Tia laser phát ra từ nguồn được tách ra làm hai bằng gương bán mạ. Khoảng mười phần trăm năng lượng của laser được đưa vào trong một đoạn PCF ngắn bằng kính hiển vi với độ phóng đại 28. Để quan sát vị trí hội tụ laser, hệ thống phóng đại hình ảnh đơn giản được thiết kế trước mặt vào của PCF. Sau khi xung laser cơ bản đi qua chiều dài PCF thì được chuyển hóa thành SC, nó đóng vai trò xung
Hình 2.7: Sơ đồ thí nghiệm đo phổ phân giải femto giây.
Xung quét SC và xung bơm được hội tụ vào trong tinh thể ZnS dày 40µm. Tín hiệu hấp thụ hai photon ( xung bơm 420nm + SC) trong ZnS được đo với sự biến đổi theo thời gian giữa hai xung. S: gương bán mạ tách chùm tia, M: gương, P: parabole, MO: thấu kính hội tụ của kính hiển vi, PCF: sợi quang học phi tuyến, SHG: nhân đôi tần số, BBO: tinh thể phi tuyến loại 1,∆L: kiểm soát thời gian, F: kính lọc màu BG39, Mẫu: bán dẫn ZnS với bề dày 40µm, Điều chế: cho tần số tia quét đi qua là 800 Hz, tần tần số tia bơm là 400 Hz.
quét. SC ở đầu ra được thu gom lại bằng một parabol (không có sự tán sắc), sau đó được gửi vào quang phổ kế Jobin- Yvon H25. Các màu khác nhau của SC được bộ phận tán sắc, cách tử phản xạ, trong quang phổ kế tách ra và hội tụ trên đầu thu của camera CCD. Tín hiệu phổ của SC từ camera CCD được ghi trực tiếp vào máy tính. Phần năng lượng còn lại của laser được nhân đôi tần số nhờ một tinh thể BBO có bề dày 1 mm, cho phép tạo ra xung bơm tại bước sóng 400nm và năng lượng của xung vào khoảng 3 nJ . Để hiện tượng hấp thụ hai photon xảy ra thì xung bơm (400 nm) và xung quét (SC) phải xuất hiện cùng lúc và được hội tụ vào chất bán dẫn ZnS. Sự hội tụ được thực hiện nhờ một parabol có tiêu cự 25 mm. Tại điểm hội tụ mật độ năng lượng lên tới 1,3mJ/cm2 nên gia tăng xác suất hấp thụ bằng cách kết hợp một photon của xung bơm với một photon của xung quét. Như vậy ta quan sát được sự thay đổi độ hấp thụ trên phổ của SC. Một bộ điều chế, kết nối với đầu thu của camera
CCD, ngắt mở hai tia với tần số của tia quét (SC) cao gấp đôi so với tần số của tia bơm. Cho phép đo phổ của SC với sự có mặt của tia bơm và không có mặt tia bơm. Như vậy nếu thay đổi giá trị trễ về thời gian giữa xung bơm và quét và đo độ biến đổi phổ thì ta thu được hình ảnh về sự phân bố các bước sóng theo thời gian của SC, xem Hình 2.8. Tính chất này còn được gọi là Chirp. Các chi tiết của thí nghiệm phân giải femto giây này được trình bày kĩ trong tài liệu [2, 12, 31].
Hình 2.8: Phổ và sự phân bố phổ theo thời gian của SC sinh ra bởi đoạn PCF có chiều dài 7,2 mm. Thể hiện theo tín hiệu hấp thụ hai photon trong mẫu bán dẫn ZnS, có bề dày40µm. Xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, độ rộng phổ tại vị trí một phần hai chiều cao của xung laser là 25 nm, thời gian xung là 50 fs, năng lượng xung là 1 nJ.
Trong kết quả thí nghiệm trình bày ở Hình 2.8, phổ của SC trải dài từ 460 nm đến 1100 nm. Về mặt phân bố bước sóng theo thời gian (chirp), toàn bộ xung chỉ kéo dài trong 400 fs. Độ lớn của chirp phụ thuộc tuyến tính vào chiều của sợi PCF, bởi nó do tính chất tán sắc của môi trường quyết định. Cần lưu ý là xung SC tạo bởi PCF có chiều 7,2 mm là ở trong chế độ đơn xung. Nếu tăng chiều dài của sợi PCF thì độ lớn của chirp sẽ tăng và xung SC có thể vỡ ra thành nhiều xung bởi chế độ đơn soliton
không được duy trì [4]. Trong kết quả đo chirp với chiều dài của sợi là 22 mm, Hình 2.9, thì tại vị trí bước sóng từ 530 nm đến 630 nm đã có tín hiệu của sự khởi đầu xuất hiện xung thứ hai. Nghĩa là với chiều dài lớn hơn 22 mm, SC bắt đầu rời bỏ trạng thái đơn xung.
Hình 2.9: Tín hiệu hấp thụ hai photon trong mẫu bán dẫn ZnS có bề dày40µm.
SC sinh ra bởi đoạn PCF có chiều dài 22 mm. Xung laser cơ bản có bước sóng trung tâm là 840 nm, thời gian xung là 50 fs, năng lượng xung là 1 nJ, độ rộng phổ 25 nm. Vùng nhiễu tín hiệu tại 840 nm là do tán xạ của bước sóng laser cơ bản gây ra.
Từ kết quả đo chirp của Hình 2.9, ta nhận thấy rằng với chiều dài 22 mm thì vẫn chưa có hiện tượng vỡ soliton để tạo thành một đoàn sóng [4]. Tuy nhiên tín hiệu cho thấy rằng, chiều dài của PCF này đã ở ngưỡng giới hạn để thu được SC đơn xung. Trong giới hạn của nghiên cứu này, chúng tôi quan tâm đến việc tạo ra SC femto giây nên ngoài vấn đề SC có phổ rộng thì sự phân bố phổ theo thời gian cần phải ngắn và đơn xung. Chính điểm này mà chúng tôi sẽ chỉ nghiên cứu, trong phần tiếp theo, vấn đề nở rộng phổ của SC trong chiều dài của sợi PCF không quá 22 mm.