Để tính GVD tổng cộng của hệ bốn lăng kính phải tính cả đến GVD do các đóng góp của quãng đường truyền trong lăng kính :
2 3 2 2 3 2 2 2 2 2 4 2 p m l d d L d n dn d d c d c d (2.23) Theo quy tắc này thì luôn có giá trị GVD âm. Như vậy cách bố trí các thiết bị trên một cách phù hợp sẽ bù trừ được biến điệu pha và tạo ra sự nén xung. Kỹ thuật nén xung được chia làm hai trường hợp: nén xung trong buồng cộng hưởng và nén xung ngoài buồng cộng hưởng.
2.2. Kỹ thuật nén xung sáng
2.2.1. Nén xung trong buồng cộng hưởng.
P1 P2 l L L L , L
Do laser màu có độ rộng dải khuếch đại lớn nên thường được dùng để phát xung có độ dài dưới 100 fs. Các ảnh hưởng của GVD và SPM trong buồng cộng hưởng đối với các laser màu là rất quan trọng. Dùng một trong các loại buồng cộng hưởng vòng, buồng cộng hưởng tuyến tính để thiết lập nên cấu hình buồng cộng hưởng phát laser femto giây (fs). Nhờ việc kết hợp sử dụng chất màu hấp thụ bão hoà khuếch đại có thể mở rộng dải bước sóng phát xung femto giây đến tận vùng hồng ngoại gần. Các laser màu này có các thành phần quang học đặc biệt để điều chỉnh GVD trong buồng cộng hưởng và thu được xung ngắn nhất. Laser màu CPM đồng bộ mode bị động được sử dụng rộng rãi để tạo xung femto giây.
Chất khuếch đại
Chất hấp thụ
Hình 2.4. Buồng cộng hưởng vòng cho laser màu CPM. Hệ 4 lăng kính,GVD trong buồng cộng hưởng có thể điều chỉnh được[94].
Hình vẽ (2.4) là sơ đồ buồng cộng hưởng vòng tiêu biểu tạo ra xung ngắn cỡ 30 fs. Các điểm tới hạn buồng cộng hưởng hội tụ thẳng hướng tới bộ tế bào hấp thụ và khuếch đại để đưa ra một tỉ lệ nhất định của các cường độ trong môi trường bão hoà. Để tránh việc làm hẹp phổ cũng như GVD không mong muốn thì cần các gương có miền phản xạ với độ rộng không thay đổi.
Laser CPM không có khả năng điều chỉnh GVD trong buồng cộng hưởng và ảnh hưởng kết hợp của các gương môi trường phi tuyến cũng gây ra biến điệu pha. Vì vậy xung ra của laser (hình 2.5) là down chirp và có thể nén được xung
khi truyền qua vật liệu có GVD dương ở bên ngoài buồng cộng hưởng. Do đó khoảng thời gian của xung là hàm của độ lớn GVD trong buồng cộng hưởng tức là phụ thuộc vào quãng đường đi lại lăng kính trong buồng cộng hưởng. GVD có thể thay đổi liên tục bằng cách di chuyển lăng kính trong buồng cộng hưởng song song với đáy của nó.
DODCI
Rh6G
Ar+
Hình 2.5. Buồng cộng hưởng vòng cho laser CPM dùng một hoặc hệ hai lăng kính[94].
Tại quãng đường truyền qua thuỷ tinh tối ưu thì xung ngắn nhất có thể đạt được là 55fs. Ngày nay nhờ việc cải tiến thiết kế laser mà laser có thể đạt xuống dưới 30fs và gần đây là 15fs. Bước sóng của laser này dịch chuyển từ vùng đỏ 630nm đến 635nm. Có thể điều chỉnh tán sắc trong buồng cộng hưởng bằng cách dùng hệ bốn lăng kính, hệ hai lăng kính, hoặc chỉ dùng một lăng kính. Sự phụ thuộc của khoảng thời gian xung vào GVD trong buồng cộng hưởng chỉ ra tính chất bất đối xứng, ở đó tại thời điểm xung nén tối ưu nếu GVD được thêm vào làm cho xung ổn định bị biến đổi.
Cơ sở lí thuyết
Quá trình phát chirp trong buồng cộng hưởng, sự bù trừ chirp, nén xung và hình dạng xung cùng xảy ra có liên quan tới nhau. Hệ quả là, nén xung trong buồng cộng hưởng tạo chirp và bù chirp không thể khảo sát riêng biệt mà phải quan tâm tới lý thuyết khoá mode bị động phức tạp. Các qui tắc khoá mode bị động được tổng quát hoá dưới đây.
thời gian của các đỉnh thăng giáng và khoảng thời gian trung bình của các xung được định dạng trong quá trình khuếch đại là nhỏ so với thời gian sống huỳnh quang T1a, T1g của bộ hấp thụ và môi trường khuếch đại nên trạng thái bão hoà này được điều chỉnh bởi năng lượng xung. Bộ hấp thụ ảnh hưởng đến đỉnh thăng giáng với năng lượng cao trái ngược với khuếch đại có hệ số nhỏ. Đối với môi trường hoạt chất và hấp thụ trên một thiết diện xác định thì mối liên hệ giữa hai quá trình phi tuyến có thể điều chỉnh độ phi tuyến của chất hấp thụ lớn hơn các đỉnh độ phi tuyến của chất khuếch đại với năng lượng cao nhất trong chu trình buồng cộng hưởng thì các đỉnh đó triệt tiêu dần. Trong cơ chế này, chất hấp thụ làm suy giảm phần trước của xung cho tới khi năng lượng truyền qua môi trường đạt đến một giá trị vừa đủ để biến đổi qua quá trình hấp thụ một cách hoàn toàn.
Bộ hấp thụ bão hoà
CW pump
T2
Hình 2.6. Xung được truyền qua bộ khuếch đại và bộ hấp thụ bão hoà[8]
Để thu được xung cực ngắn một cách ổn định, chúng ta không chỉ khử phần trước của xung mà còn hạn chế cả sườn sau của xung. Quá trình triệt tiêu này đạt được do hệ số khuếch đại giảm dần làm cho nghịch đảo độ tích luỹ trong suốt quá trình truyền xung giảm đi. Kết quả là xung được khuếch đại và làm ngắn. Bằng việc lựa chọn các tham số thích hợp của laser, đặc biệt là tỉ số giữa chu kì lặp lại U và thời gian sống Tg1 tạo công suất bơm xác định thì sườn của xung bị ngắn đi. Dưới các điều kiện xác định này thì các trạng thái xung ổn định cũng đạt được và xung cực ngắn được tạo ra sau mỗi chu trình xung quanh buồng cộng hưởng.
Như vậy, quá trình nén xung do tạo chirp và bù trừ chirp trong buồng cộng hưởng phải xét đến hai yếu tố đó là xét đến biến điệu pha liên quan đến sự tương tác giữa xung sáng và môi trường, đồng thời xét đến yếu tố đặc trưng cho tán sắc tốc độ góc. GVD của buồng cộng hưởng làm triệt tiêu tham số chirp sinh ra từ chất hấp thụ. Hơn nữa khi cường độ trong buồng cộng hưởng cao sẽ có các quá trình tạo chirp do chiết suất phi tuyến. Chirp sinh do môi trường này là dương đối lập với sự tạo chirp của hấp thụ dẫn tới hiện tượng nén xung. Như vậy, nén xung trong buồng cộng hưởng dùng laser đồng bộ mode bằng va chạm xung thì tế bào hấp thụ tạo ra down chirp do sự đồng bộ mode, tế bào khuếch đại tạo ra up chirp. Còn các gương trong buồng cộng hưởng có thể tạo up chirp hoặc down chirp tuỳ thuộc vào số lớp điện môi, phụ thuộc vào góc tới gương, cường độ tia laser đi trong buồng cộng hưởng và vật liệu làm gương.