Chương II : LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN
2.1. Laser màu
2.1.3. Mode-locking của laser màu
Laser màu có khả năng sinh ra các xung quang học cực ngắn. Do độ rộng của dải tần số đòi hỏi để sinh ra xung với khoảng thời gian ps vẫn nhỏ hơn nhiều với một
loại đám phát xạ laser màu. Laser màu cũng chỉ là thiết bị có khả năng sinh ra một xung liên tục có tần số lặp cơ bản cao.
Một laser bao gồm một buồng cộng hƣởng quang học định dạng bởi các gƣơng và một môi trƣờng khuếch đại laser bên trong buồng cộng hƣởng. Tính chất của buồng cộng hƣởng xác định chính xác tần số laser.
Do đầu ra của một loại laser chứa một số lƣợng thành phần tần số. Đó là biên độ của đầu ra có thể biến đổi theo thời gian trong những trạng thái khác nhau của những đƣờng phụ thuộc pha tƣơng đối và biên độ của các thành phần tần số này. Nếu khơng có các tham số cố định này thăng giáng ngẫu nhiên gây ra đầu ra biến thiên theo thời gian thậm chí mặc dù cơng suất trung bình có thể vẫn khơng đổi. Trong một cách khác, nếu các mode bằng cách nào đó duy trì đƣợc pha cố định và sự phụ thuộc biên độ, đầu
C/2L t~1/ 2L/C t ( b ) MODE – LOCKED RA PHỔ DAO ĐỘNG MẤT MÁT CỘNG HƢỞNG KHUẾCH ĐẠI LASER
CÁC MODE CỘNG HƢỞNG
( a )
Hình 2.2: Hàm lượng phổ của một Laser hoạt động trên một mode đơn ngang và a Số các mode dọc khác nhau.
ra sẽ trở lên tốt hơn. Xác định một hàm của thời gian và laser đƣợc gọi là “mode- locking”. Mode- locking có thể sinh ra một biên độ biến điệu đầu ra mạnh của một khoảng cách đều đặn của đồn xung. Xung có một bề rộng t gần bằng nghịch đảo của tổng độ rộng của dải mode- locked và tuần hồn với chu kỳ T = 2L/C. Đó là tỉ số của độ rộng xung với chu kỳ gần bằng số lƣợng của các mode.
Các xung ngắn có thể đƣợc nhận từ một laser mode locked nếu độ rộng của dải khuếch đại đƣợc mở rộng tƣơng đối. Ví dụ, độ rộng của một loại laser khí chỉ ở mức trên 109-1010 Hz liên kết với xung ra dài hơn 10-10s (100ps). Laser thủy tinh Nd ở trạng thái rắn có độ rộng dải hơn 1012Hz và có khả năng sinh ra các xung với cấu trúc dƣới ps. Đặc biệt là quan sát đƣợc các laser màu mà các đám phát xạ cũng đƣợc mở rộng ( 10-100nm=1013-1014 Hz). Do đó có thể nhận các xung ps và vẫn có thể điều hƣởng đƣợc bƣớc sóng tự do. Khoảng cách tồn phần mà các xung ps nhận đƣợc từ các laser màu có phổ liên tục từ 560-700nm.
Thay vì thêm vào nguồn mất mát hoặc một biến điệu pha cũng có thể biến điệu khuếch đại. Trong khi phƣơng pháp này không đƣợc sử dụng nhiều trong tất cả hệ laser, nó có thể phù hợp nhất với laser màu. Do laser màu đƣợc bơm QH và có bề rộng hấp thụ rất rộng, nó có thể kích thích laser màu với đầu ra của laser mode locked khác. Tất nhiên sau đó cần thiết phải điều chỉnh chiều dài của BCH laser màu để tƣơng ứng với chiều dài của laser bơm mode – locking. Kết quả các xung laser màu có thể ngắn hoặc ngắn hơn các xung bơm. Các xung ps hồn tồn mở rộng với bƣớc sóng đó.
Phƣơng pháp giữ độ rộng nhất để gây ra mode locking xung ngắn bao hàm sử dụng hấp thụ bão hòa bên trong BCH laser. Hấp thụ bão hòa là diễn tả vật chất bão hòa nhƣ gây ra cƣờng độ ánh sáng. Nhƣ vậy, xung ngắn, công suất đỉnh cao, mất mát ít nhất và dễ hấp thụ hơn một xung dài, cƣờng độ nhỏ hơn với năng lƣợng giống nhau.
Hấp thụ bão hòa đƣợc sử dụng để sinh ra xung ngắn mode locking có đƣợc nhờ các laser màu hữu cơ trong dung dịch chất lỏng. Trong một BCH laser hấp thụ bão hòa đặt vng góc tại vị trí cuối cùng để giảm hiệu ứng xung bội. Các hệ laser đƣợc bơm
với đèn flash hoặc xung laser khác. Cƣờng độ bơm tƣơng đối cao và có thể sử dụng tính đa dạng rộng lớn của các chất màu. Toàn bộ khoảng thời gian của xung ra là nằm trong khoảng 0.01 - 10s.
Khảo sát thành công nhất là đối với mode – locking của các hệ laser ruby và laser thủy tinh : Nd là mode – locking thụ động với hấp thụ bão hòa. Quan sát mode – locking thụ động của laser màu rhodamine 6G bơm bằng đèn flash sử dụng một laser màu hữu cơ nhƣ một hấp thụ bão hòa. Bức xạ quan sát đƣợc bao gồm một dãy các khoảng xung bằng nhau với tần số lặp c/2L của 1GHz, nhƣng độ rộng xung xác định trong thực nghiệm này bị giới hạn bởi độ rộng của đi ốt quang và dao động kí ( 0.4ns). Hấp thụ bão hòa sử dụng vẫn duy trì hiệu ứng mode – locking các chất màu với laser màu rhodamine 6G.
Sơ đồ mode – loked thụ động của laser màu đƣợc biểu diễn trong hình 1.3. Hộp màu khuếch đại đƣợc bơm bằng đèn flash. Dung dịch màu mode – locking đƣợc đặt kế tiếp với gƣơng cuối cùng của buồng cộng hƣởng.. Cách tử phản xạ đƣợc sử dụng đối với tính lọc lựa bƣớc sóng.
Khi sử dụng laser màu làm nguồn bơm cho buồng cộng hƣởng để chế tạo xung cực ngắn ngƣời ta sử dụng các cơ chế đồng bộ mode.
CÁCH TỬ
MODE – LOCKING MÀU
ĐÈN FLASH GƢƠNG ĐIỆN MƠI XUNG PS
Hình 2.3: Sơ đồ Laser màu bơm bằng đèn Flash với cấu hình mode - locking