CHƯƠNG 3 : ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER PICÔ GIÂY
3.1. Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô giây [16]
Để chọn lọc bước sóng laser phát ra thì phương pháp sử dụng buồng cộng hưởng phản hồi phân bố (DFB) được biết đến như phương pháp có cấu tạo đơn giản, dễ thực hiện, phù hợp với quy mô nghiên cứu phòng thí nghiệm (hình 3.1). Ngoài ra, hệ laser màu DFB còn là hệ laser xung cực ngắn cỡ ps. So với các phương pháp tạo xung cực ngắn khác như sử dụng kỹ thuật Mode - locking hay kỹ thuật chọn lọc thời gian phổ...buồng cộng hưởng phản hồi phân bố là phương pháp có cơ chế hoạt động ổn định, dễ kiểm soát thuận lợi cho việc nghiên cứu, khảo sát.
Khả năng phát các xung laser cực ngắn đơn sắc điều chỉnh liên tục bước sóng là một đặc điểm nổi bật của hệ laser phản hồi phân bố. Xung laser DFB phát ra có độ ổn định cao, trong xung laser đơn độ dài 20 ps độ đơn sắc đo được là 0,33 nm.
Hình 3.1. Cấu hình laser màu phản hồi phân bố sử dụng gương chia chùm [17] Nd:YAG laser 532 nm, 10 Hz, 5.6 ns 160 µJ BS CM M 1 M 2 DC To amplifier
Đặc trưng cơ bản của laser DFB là loại không sử dụng buồng cộng hưởng có gương phản xạ truyền thống, mà sử dụng hiệu ứng phản hồi phân bố được tạo ra bởi sự thay đổi có tính chu kỳ theo không gian các thông số của môi trường hoạt chất như: chiết suất, hệ số khuếch đại.
Hiện tượng phản xạ Bragg được miêu tả như sau: Bức xạ từ nguồn bơm đi qua một hệ quang học được thiết kế đặc biệt để tách thành hai chùm thành phần giống hệt nhau. Sau đó các chùm được tổ hợp lại trong môi trường hoạt chất sẽ tạo ra một hệ vân giao thoa trong môi trường hoạt chất. Hệ các vân sáng tối xen kẽ sẽ tạo ra sự biến thiên mang tính chu kỳ các thông số của môi trường hoạt chất. Tại những vị trí có vân sáng, nhiệt độ của môi trường hoạt chất bị thay đổi dẫn đến sự thay đổi về chiết suất. Như vậy tại các vị trí này sẽ hình thành các mặt phân cách môi trường, đóng vai trò như các gương bán phản xạ xếp song song nhau, đặt cách nhau một khoảng d (gọi là không gian Bragg).
Có nhiều giải pháp khác nhau để tạo được không gian Bragg trong môi trường hoạt chất. Trong hệ laser màu DFB sử dụng môi trường hoạt chất dạng lỏng, sự biến thiên mang tính chu kỳ (hay các mặt phân cách song song) được hình thành dựa trên vết giao thoa ánh sáng trên nền hoạt chất của hai chùm laser có tính kết hợp cao. Laser bơm được chia làm hai nhờ lăng kính T rồi phản xạ trên hai gương M1, M2 sau đó giao thoa với nhau trên mặt cuvette.
Sau khi bức xạ đi vào môi trường hoạt chất, chỉ các bức xạ có bước sóng phù hợp với không gian Bragg phản xạ đi lại giữa mặt phân cách của hai môi trường, tương tự như sự có mặt của các gương trong buồng cộng hưởng, khuếch đại và phát các bức xạ laser đơn sắc cao. Từ đó nếu thay đổi độ lớn không gian Bragg có thể điều chỉnh liên tục bước sóng. Tùy thuộc loại vật liệu hoạt chất và loại laser DFB, ta chọn phương pháp điều chỉnh bước sóng phù hợp. Đối với hoạt chất dạng rắn, hoặc màng có thể thay đổi nhiệt độ hoặc bằng cách thay đổi góc tới của chùm bơm. Với môi trường hoạt chất dạng
lỏng thì để điều chỉnh bước sóng liên tục ta thay đổi hệ vân giao thoa của hai chùm bơm.
Từ công thức d= nλp/2sinθ ta nhận thấy rằng khoảng cách giữa các gương bán phản xạ được hình thành do vết sáng giao thoa sẽ có kích thước từ một đến vài lần bước sóng. Như vậy, trong môi trường hoạt chất đã hình thành các buồng cộng hưởng cực nhỏ tương ứng với các phản xạ thỏa mãn không gian Bragg (hình 3.2). Với sự hình thành các buồng cộng hưởng này trong môi trường hoạt chất làm cho laser màu DFB có khả năng phát các xung đơn cực ngắn cỡ ps. Đây là một ưu điểm của hệ laser màu phản hồi phân bố. Thực tế, khi bơm sát ngưỡng bằng nguồn bơm xung cỡ ns thì laser DFB có thể phát đơn xung với độ rộng xung dưới 100 ps phụ thuộc vào độ rộng vết giao thoa.
Hình 3.2 Cách tử Bragg có N (chu kì) gương bán phản xạ song song Các bức xạ có nửa bước sóng bằng số nguyên lần chu kỳ của hằng số cách tử sẽ được kết hợp tạo thành bức xạ laser. Như vậy, về mặt lý thuyết, với cùng một hằng số cách tử Bragg ta có thể thu nhận được một tập hợp các bức xạ laser có bước sóng khác nhau. Thực tế, mỗi chất màu laser có một dải hấp thụ và một dải huỳnh quang nhất định nên nguyên lý này cho phép ta có thể thu nhận được bức xạ laser ở các bậc nhiễu xạ Bragg bậc cao (hình 3.3)
Gương 1 Gương 2 Gương j Gương N
EOUT EIN
ER.tot(0) • • • • • •
z z z z -E0 E0 -E0 E0 -E0 E0 E0 -E0 B iê n đ ? đ i? n tr ư ? ng L m = 6 m = 4 m =1 m = 2
Hình 3.3. Mô tả ánh sáng phản xạ theo điều kiện Bragg
Đặc điểm của laser phản hồi phân bố
+ Khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng Từ điều kiện Bragg ta có:
n m 2 B Λ = λ (9)
Hai phương pháp để điều chỉnh bước sóng phát của laser DFB: hoặc là thay đổi chu kì biến điệu Λ hoặc thay đổi chiết suất n của môi trường hoạt chất. Tùy thuộc loại vật liệu hoạt chất và loại laser DFB người ta chọn phương pháp điều chỉnh bước sóng cho phù hợp. Thông thường với loại vật liệu là chất màu thì người ta thay đổi liên tục bước sóng laser nhờ thay đổi chu kì Λ bằng cách thay đổi góc đến chùm bơm, còn trong vật liệu dạng màng màu hoặc bán dẫn người ta thường thay đổi chiết suất n bằng cách thay đổi nhiệt độ của môi trường hoạt chất. Bằng những thay đổi này người ta đã điều
B iê n đ ộ đ iệ n t rư ờ n g
chỉnh bước sóng laser với độ tinh chỉnh bước sóng rất cao (dưới 0.01 nm). Do vậy trong vùng phổ môi trường hoạt chất vẫn có thể phát được nhiều bước sóng riêng biệt.
+ Độ đơn sắc cao
Vì tính chọn lọc bước sóng rất cao trong điều kiện phản xạ Bragg nên môi trường laser DFB ưu tiên khuếch đại tại một bước sóng nhất định, độ đơn sắc của laser DFB có thể đạt được rất cao (cỡ 0.001 nm) [17].
+ Phát xung laser ngắn
Trong laser màu DFB, khi bơm sát ngưỡng bằng nguồn bơm xung cỡ nano giây thì laser DFB có thể phát đơn xung và độ rộng thời gian xung dưới 100 picô giây [17].