CHƯƠNG 1 : LASER MÀU XUNG NGẮN
1.5. Laser màu xung ngắn
1.5.3. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)
Kích thích sóng chạy là một phương pháp đơn giản song khá hữu hiệu để phát xung ngắn tới cỡ ~ ps. Trong laser sử dụng chất màu làm môi trường truyền sóng bức xạ được kích thích kiểu sóng chạy, pha không gian của một xung bơm được xử lý để tạo ra một nhóm xung trễ đều theo chiều ngang đường kính của chùm bơm như hình 1.7.
S Nd:YAG laser (2ω) 532 nm 20 Hz M1 M1’ Lo G L2 L2 M2 M3 M0 90 ps L DS
Hình 1.7.Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy
Việc bơm ngang quy - vét màu đại như vậy có thể tạo nên một sự khuếch đại chuyển động về phía trước trong quy - vét màu có cùng vận tốc nhóm với các bức xạ cưỡng bức. Khi chùm bơm “chạm” vào môi trường laser, một bức xạ cưỡng bức đầu tiên sẽ phát ra tại một đầu quy - vét và bắt đầu chuyển động về phía đầu kia của quy - vét và liên tiếp được khuếch đại (tức là trong quy - vét màu, bức xạ laser đi tới vị trị nào thì xung kích thích cũng vừa kịp gây ra khả năng khuyếch đại tới vị trí đó). Cách tử là thiết bị quan trọng nhất trong cấu hình laser màu kích thích sóng chạy, để tạo nên một sự trễ không gian liên tục dọc theo chùm bơm đã bị nhiễu xạ (sao cho xung bơm và các xung bức xạ tự phát sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên thể tích màu).
Phương pháp khuếch đại kích thích sóng chạy cho phép phát các xung ngắn với hệ số nén xung thấp, cao nhất chỉ cỡ ~ 2 lần (thông thường nguồn bơm là các xung laser cỡ ps). Kỹ thuật kích thích sóng chạy thường được sử dụng với các chất màu có hiệu suất lượng tử thấp, tuổi thọ ngắn.
1.5.4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity - Quenching) Kỹ thuật BCH quenching tạo ra xung laser ngắn từ laser bơm với độ rộng xung cỡ ns, và được sử dụng đầu tiên cho laser màu. Cấu hình của một laser màu có BCH quenching bơm ngang ở hình 1.8. Môi trường hoạt chất là những dung dịch chất màu được chứa trong quy - vét. Người ta tạo ra hai
BCH laser khác nhau nhưng cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. BCH thứ nhất có độ phẩm chất thấp được tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai thành quy - vét làm hai gương phản xạ. BCH thứ hai có độ phẩm chất cao được tạo nên bằng việc sử dụng gương có hệ số phản xạ cao làm gương sau và một thành quy - vét, BCH Q - cao có chiều dài lớn hơn BCH thứ nhất và quang trục của nó lệch chút ít so với BCH thứ nhất.
R1 R2 R3 Laser ra từ BCH Q - cao Laser ps từ BCH Q - thấp BCH Q - cao BCH Q - thấp
Laser bơm Nd-YaG
Hình 1.8. Cấu hình của laser màu BCH quenching
Đặc điểm của các xung laser màu khi hoạt động ở chế độ bơm cao trên ngưỡng phát bao gồm một chuỗi các xung ngắn. Các xung thứ cấp được hình thành do sự hồi phục tích lũy của các phân tử màu ở mức năng lượng laser trên. Do đó, nếu hai BCH này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của từng BCH Q - thấp hoặc Q - cao đều là các xung laser dài cỡ ns. Tuy nhiên khi hai BCH này cùng hoạt động đồng thời thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích luỹ trong môi trường hoạt chất. Hoạt động của laser có BCH Q - cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gain) trong môi trường hoạt chất. Kết quả dẫn đến bức xạ laser từ BCH Q - thấp chỉ cho phép phát một xung ngắn ở lối ra hình 1.9. Tại cùng một năng lượng bơm, khi thay đổi thời gian khởi phát của laser có BCH Q - cao, ta có thể lựa chọn được độ rộng thời gian của xung laser phát từ buồng cộng hưởng chất lượng thấp.
Phương pháp phát xung laser ngắn từ BCH quenching là đơn giản. Chúng ta có thể kiểm soát được đặc tính thời gian của xung laser lối ra từ BCH Q - thấp bằng việc khống chế các thông số hoạt động của laser như thay đổi phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai BCH, thông số BCH Q - cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất màu. Đây là ưu điểm của phương pháp BCH quenching. Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép phát các xung ngắn với hệ số nén xung thấp chỉ cỡ ~ 10 lần.
Hình 1.9. Kết quả tính toán cho thấy laser ra: (1) laser ra từ BCH Q - thấp khi chưa có hiệu ứng quenching, (2) laser ra từ BCH Q - thấp khi có hiệu ứng
quenching, (3) laser ra từ BCH Q - cao khi có hiệu ứng quenching [12]
Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy độ phẩm chất của buồng cộng hưởng chất lượng cao được lựa chọn sao cho có thể lấy hết được độ khuếch đại của môi trường hoạt chất mà không làm suy giảm đáng kể đến năng lượng ra của laser từ buồng BCH Q - thấp.
Các kết quả thực nghiệm phát xung ngắn trong miền picô - giây từ cấu hình buồng cộng hưởng kép đã được công bố cho thấy đạt được độ rộng xung trong khoảng 10 - 20 ps khi sử dụng chất màu rhodamine 6G trong môi
C ư ? n g đ ? la s e r (a .u ) Th? i gian (ps)
Hình 1.10. Đặc trưng thời gian của bức xạ laser màu BCH Q - thấp theo cấu hình BCH kép [12]
Điểm cần lưu ý là trong cùng một điều kiện năng lượng bơm, tại các bước sóng khác nhau độ rộng xung không đồng nhất. Điều này được giải thích bởi mức độ bơm trên ngưỡng phát laser là khác nhau tại các bước sóng phát laser trong dải điều chỉnh bước sóng.