Đặc điểm nổi bật nhất của laser màu hữu cơ là khả năng tạo ra cỏc xung cực ngắn. Laser màu cũng là thiết bị duy nhất hiện nay cú thể sản xuất ra xung liờn tục, lặp đi lặp lại cao. Phương phỏp mà xung cực ngắn được tạo ra trong laser được gọi là mode- locking. Một laser bao gồm buồng cộng hưởng quang học được hỡnh thành bởi cỏc gương và một mụi trường hoạt chất laser bờn trong buồng cộng hưởng. Mặc dự mụi trường hoạt chất xỏc định bước súng hoạt động của laser, tớnh chất của buồng cộng hưởng xỏc định chớnh xỏc hơn tần số laser. Thụng thường bộ cộng hưởng gương cong hỗ trợ biến đổi mode laser, cú thể cú sự phõn bố thường khỏc biệt vuụng gúc với trục của buồng cộng hưởng (mode ngang). Mỗi mode ngang này lại cú một tập hợp cỏc tần số riờng (mode dọc ) được tỏch ra từ tần số bởi một lượng c/2L, trong đú L là chiều dài quang học và c là vận tốc ỏnh sỏng. Núi chung cú thể để khẩu độ cộng hưởng như vậy để phõn biệt tất cả cỏc mode ngang ngoại trừ bậc thấp nhất cú cụng tua đơn giản dạng Gauss. Khi sử dụng hỡnh thức chọn lọc tần số hoặc buồng cộng hưởng cực ngắn, cụng tua Gausian laser phỏt ra vẫn bao gồm một số khoảng tần số (c/2L) cỏch đều nhau. Một số dao động bị giới hạn bởi độ rộng dải
v
mà khuếch đại laser vượt qua mất mỏt của buồng cộng hưởng. Quang phổ laser phỏt ra được minh họa trong hỡnh bờn dưới [12].
a)
b)
Vỡ đầu ra của laser bao gồm một số thành phần tần số, rừ ràng là biờn độ đầu ra của laser cú thể thay đổi theo thời gian theo nhiều cỏch khỏc nhau phụ thuộc vào phase tương đối và biờn độ của cỏc thành phần tần số, nếu khụng cú cỏc tham số cố định này, cỏc biến động ngẫu nhiờn là nguyờn nhõn làm cho đầu ra thay đổi theo thời gian mặc dự cụng suất trung bỡnh vẫn cũn tương đối ổn định. Mặt khỏc, nếu cỏc mode theo một cỏch nào đú buộc phải duy trỡ phase cố định và sự phụ thuộc biờn độ, đầu ra sẽ là một hàm xỏc định theo thời gian và laser được gọi là “mode-locked” , mode-locking cú thể sinh ra một biờn độ biến điệu mạnh đầu ra bao gồm một đoàn xung với khoảng cỏch đều đặn. Xung cú độ rộng Δt gần bằng nghịch đảo của tổng độ rộng dải mode-locked Δν và tuần hoàn với chu kỡ T=2L/c. Đú là tỉ số của độ rộng xung với chu kỡ gần bằng số lượng cỏc mode bị khúa. Đầu ra của laser mode- locked được minh họa trờn hỡnh 2.2b. Trong buồng cộng hưởng laser ở trạng thỏi này tương ứng với một xung đơn truyền đi qua đi lại giữa cỏc gương và mỗi khi đi được một vũng laser sẽ phỏt. Cũng cú thể tạo ra nhiều xung (nhiều hơn một xung trong buồng cộng hưởng) bằng cỏch khúa mode với nhiều khoảng cỏch đều đặn c/2L [12].
Cú thể thu được xung ngắn chỉ với một laser mode- locked nếu độ rộng dải khuếch đại tương đối rộng. Vớ dụ độ rộng dải của laser khớ chỉ vào khoảng
9 10
10 10 Hz liờn kết với xung dài hơn 10
10 s 100ps . laser thủy tinh: Nd ở trạng thỏi rắn cú độ rộng dải hơn 12
10 Hz và cú khả năng sinh ra cỏc xung với cấu trỳc dưới ps . Điều thỳ vị nhất là cú thể quan sỏt được dải phỏt xạ của laser màu cũng được mở rộng (10 - 100mm = 13 14
10 10 Hz ) và người ta cú thể nhận được cỏc xung ps mà vẫn cú thể điều hưởng được bước súng tự do. Phạm vi thu đựợc cỏc xung ps từ laser màu cú phổ liờn tục từ 560- 700 mm
Cú một số nguyờn nhõn cho việc tại sao gặp khú khăn trong việc sinh ra xung ngắn hơn ps mặc dự cú đủ độ rộng dải cần thiết. Khú để đạt đựoc quang phổ mode đồng đều với khoảng cỏch đỳng bằng c/2L trờn một quang phổ rộng như vậy cựng với sự tỏn sắc cộng hưởng và sự cạnh tranh mode trong mụi trường hoạt chất . Một loạt cỏc hiệu ứng phi tuyến trong cỏc yếu tố laser khỏc nhau cũng cú xu hướng
phổ mode dao động lớn hơn so với yờu cầu để cú thể quan sỏt được xung ra của laser, trạng thỏi này khỏ phức tạp. Cú thể cú một mức ra thấp liờn tục giữa cỏc xung, khụng quan sỏt được sự dao động tạp õm trong hỡnh bao xung, hoặc sự nhũe tần số trong suốt thời gian xung truyền. Tạp õm ở đõy dẫn đến một sự thiếu kết hợp trong xung và gõy ra tớnh toỏn sai lầm về độ rộng của xung dựa trờn cỏc phộp đo phi tuyến. Điều này cú thể được loại bỏ bằng cỏch tớnh toỏn rất cẩn thận, giới hạn độ rộng dải dao động, và hoạt động ở cụng suất thấp. Biến đổi Fourier một cỏch chớnh xỏc sự liờn quan giữa độ rộng dải Δν và độ rộng của xung Δt phụ thuộc thực tế vào hỡnh dạng xung, vd giới hạn biến đổi hỡnh dạng xung Gaussian cú ΔνΔt=0,441 trong khi xung Lorentzian cú ΔνΔt=0,6. Theo qui ước Δν và Δt được chọn ở khoảng giữa toàn bộ độ rộng tại một nửa giỏ trị cực đại (FWHM)
Cú thể cho một laser tự khúa mode thụng qua tỏc dụng phi tuyến của chớnh mụi trường hoạt chất, điều này cần thiết phải đưa vào một lực điều khiển từ bờn ngoài hoặc thờm vào một yếu tố phi tuyến để đạt được mode- locking tốt hơn. Lý thuyết nghiờn cứu về bộ điều biến bờn trong đó được giới thiệu bởi HARRIS (1966) .Bộ điều biến bờn trong của laser ở tần số c/2L, hoặc bởi một trường ngoài hay bởi tỏc dụng phi tuyến giữa hai mode, tạo ra cỏc dải tần số ở hai bờn của mỗi mode dao động. Những dải tần số này gần trựng khớp với nhau và với cỏc mode cộng hưởng liền kề. Để thu được xung ngắn đũi hỏi phải cú sự điều biến tương đối mạnh để cỏc mode dao động với độ rộng dải lớn.
Cú nhiều cỏch khỏc nhau để đạt được mode-locking, hầu hết cỏc cỏch này đều sử dụng bộ điều biến bờn trong buồng cộng hưởng laser. Một bộ điều biến được đặt ở cuối của buồng cộng hưởng laser và điều khiển tần số mode dọc- khoảng cỏch c/2L tạo ra sự phõn tỏch mode cần thiết cho việc khúa mode. Trong miền thời gian, cú thể núi rằng cú sự xuất hiện xung bởi vỡ chỳng cú thể đi qua bộ điều biến nhanh nhất và mất ớt thời gian nhất. Đặt bộ điều biến ở những vị trớ khỏc trong buồng cộng hưởng thay vỡ đặt ở cuối, cũng cú thể tạo ra mode-locking nếu điều khiển tần số phự hợp. Nhược điểm chớnh của kĩ thuật điều biến là nú đũi hỏi tần số điều khiển cực kỡ ổn định tương ứng với chiều dài buồng cộng hưởng. Sự điều biến bờn trong khụng tạo ra xung cực ngắn trong chế độ khúa mode của laser màu .
Thay vỡ thờm vào một nguồn mất mỏt hoặc biến điệu phase người ta cũng cú thể điều chỉnh độ khuếch đại. Trong khi phương phỏp này khụng được sử dụng nhiều trong hầu hết cỏc hệ thống laser, nú cú thể đặc biệt phự hợp với laser màu. Vỡ laser màu được bơm quang học và cú dải hấp thụ rất rộng, laser màu cú thể được điều khiển bởi laser mode-locked khỏc. Tuy nhiờn, cần phải điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng của laser màu cho phự hợp với chiều dài của laser bơm mode- locked . Kết quả là xung laser màu cú thể bằng hoặc ngắn hơn so với xung bơm . Xung ps với cỏc bước súng khỏc nhau đó thu được theo cỏch này .
Kĩ thuật được sử dụng rộng rói nhất để tạo ra xung ngắn mode-locking liờn quan đến việc sử dụng chất hấp thụ bóo hũa bờn trong buồng cộng hưởng laser. Chất hấp thụ bóo hũa là một loại vật chất mà sự hấp thụ của nú bị giảm khi cường độ ỏnh sỏng tăng lờn. Một xung ngắn, cụng suất cao, trong quỏ trỡnh hấp thụ mất mỏt ớt hơn so với một xung dài, cường độ nhỏ hơn khi cú cựng năng lượng.
Chất hấp thụ bóo hũa được sử dụng thành cụng nhất để tạo ra xung ngắn mode-locking là chất hữu cơ trong dung dịch lỏng. Trong buồng cộng hưởng laser chất hấp thụ bóo hũa thường được đặt ở cuối để giảm hiệu ứng xung bội. Sắp xếp về mặt vật lý bao gồm một lớp mỏng dung dịch hấp thụ bóo hũa tiếp xỳc trực tiếp với gương cuối của buồng cộng hưởng. Cường độ sỏng đũi hỏi để cú sự hấp thụ bóo hũa trong chất màu hữu cơ là khỏ cao. Vỡ thế trong cỏc hệ thống xung laser sử dụng mode-locking đó hạn chế cụng suất cao. Gần đõy chất hấp thụ bóo hũa được sử dụng rộng rói để laser hoạt động liờn tục bằng cỏch thiết kế trong buồng cộng hưởng sao cho ỏnh sỏng tập trung chiếu vào chất hấp thụ .