Cơ sơ kỷ thuật của khóa mode là tạo ra mối liên hệ về pha xác định giữa các mode trong hốc cộng hưởng của laser. Khi đó, laser được gọi là “khóa pha” hay “khóa mode”. Sự giao thoa giữa các mode này tạo ra chuỗi các xung laser. Tùy theo các thuộc tính của laser, các xung này có thể rất ngắn, cỡ vài femto giây.
a. Các mode của hốc cộng hưởng laser
Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết hợp nhưng nó khơng đơn sắc hồn tồn. Tất cả các laser đều tạo ra ánh sáng trong một dải tần nào đó. Dải tần hoạt động của laser được xác định chủ yếu bởi môi trường khuếch đại và được gọi là dải tần khuếch đại. Ví dụ, một loại laser khí thơng dụng như He-Ne có dải tần khuếch đại khoảng 1.55 GHz (độ rộng phổ cỡ 0.002 nm), trong khi đó, laser rắn (Ti-Sapphire) có dải tần khoảng 128 THz (độ rộng phổ cỡ 300 nm).
Nhân tố thứ hai xác định tần số phát xạ của laser là hốc quang học hay hốc cộng hưởng. Hốc cộng hưởng thơng thường có cấu tạo gồm hai gương phẳng, đặt đối diện hai bên môi trường khuếch đại laser (cấu hình này được gọi là hốc Fabry- Perot). Do ánh sáng là sóng, khi bị giam giữa hai gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành sóng dừng.
Các sóng dừng tạo thành một tập các tần số rời rạc được gọi là mode dọc của hốc. Các mode này là ánh sáng có tần số mà hốc cộng hưởng cho phép duy trì, tất cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa. Đối với hốc gồm hai gương phẳng, các mode được phép là các mode có bước sóng là ước của khoảng cách L giữa hai gương, tức là L = q λ/2, với q là một số nguyên được gọi là bậc mode.
Trong thực tế, khoảng cách L thường lớn hơn nhiều bước sóng ánh sáng λ, do đó giá trị của q rất lớn (khoảng 105 đến 106). Điểm lý thú là khoảng cách tần số giữa hai mode liên tiếp bất kỳ q và q+1, cho bởi cơng thức (đối với hốc cộng hưởng rỗng có chiều dài L) Δν:
Với c là vận tốc ánh sáng (≈3×108 m/s).
Từ phương trình trên, một laser nhỏ với khoảng cách hai gương 30 cm có khoảng cách tần số giữa các mode dọc là 0.5GHz. Như vậy, đối với hai laser đề cập ở trên, với hốc cộng hưởng 30cm, laser He-Ne có dải tần 1.5GHz sẽ phát 3 mode dọc, trong khi laser Ti-sapphire có dải tần 128THz sẽ phát chừng 250000 mode.
Mỗi mode dọc có độ rộng tần số nào đó nhưng nhỏ hơn nhiều khoảng cách tần số giữa các mode.
a. Lý thuyết khóa mode
Trong một laser đơn giản, mỗi mode dao động độc lập, khơng có quan hệ cố định với nhau, giống như một tập hợp các laser có tần số phát hơi khác nhau một chút. Pha ánh sáng của mỗi mode không cố định, và biến đổi ngẫu nhiên do các yếu tố như sự biến đổi về nhiệt độ trong mơi trường laser. Trong những laser chỉ có vài mode, sự giao thoa giữa các mode có thể gây ra hiệu ứng beat, dẫn đến sự thăng giáng cường độ một cách ngẫu nhiên. Trong những laser có vài nghìn mode, hiệu ứng giao thoa có xu hướng trung bình hóa tới gần cường độ ổn định của laser, và laser hoạt động ở chế độ liên tục - cw (continuous wave). Nếu thay vì dao độc độc lập, mỗi mode có chênh pha cố định đối với các mode liền kề, laser sẽ hoạt động hồn tồn khác. Thay vì có cường độ phát không đổi hoặc ngẫu nhiên, các mode của
gọi là “khóa mode” hay “khóa pha”. Các xung này cách nhau một khoảng thời gian τ = 2L/c, là khoảng thời gian để ánh sáng đi trọn một vòng trong hốc cộng hưởng. Khoảng thời gian này tương ứng với khoảng cách tần số của laser Δν = 1/τ.
Độ dài của xung sáng được xác định bởi số mode bị khóa (trong thực tế, khơng nhất thiết tồn bộ mode của laser phải bị khóa pha). Nếu có N mode bị khóa, có khoảng cách tần số Δν, độ rộng dải tần bị khóa là NΔν. Dải tần càng rộng, xung laser càng ngắn. Trong thực tế, độ rộng thực của xung được xác định qua dạng xung hình thành do liên hệ về pha và tần số của mỗi mode dọc. Ví dụ, nếu laser tạo ra xung có đường bao dạng Gauss, độ rộng xung nhỏ nhất Δt sẽ tính theo cơng thức:
Giá trị 0.44 được gọi là tích “thời gian-dải tần” của xung và phụ thuộc vào
dạng xung. Với các laser xung cực ngắn, xung thường được giả thiết có dạng (sec2),
và tích thời gian- dải tần tương ứng là 0.315.
Sử dụng cơng thức trên, ta có thể tính được độ rộng xung nhỏ nhất. Với laser He-Ne có dải tần 1.5 GHz, xung Gauss ngắn nhất được tạo ra cỡ 300 picosecond, còn với laser Ti-sapphire có giải tần 128 THz, độ rộng xung nhỏ nhất cỡ 3.4 femtosecond. Các giá trị này là độ rộng xung ngắn nhất có thể và bị giới hạn bởi dải tần của laser. Trong thực tế, độ rộng xung còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như dạng xung, sự tán sắc trong hốc cộng hưởng.
b. Các phương pháp khóa mode
Các phương pháp để khóa mode trong laser được chia thành hai loại chủ động và thụ động. Phương pháp chủ động là dùng tín hiệu bên ngoài để biến điệu ánh sáng trong hốc cộng hưởng. Phương pháp thụ động khơng sử dụng tín hiệu bên ngồi mà đặt một yếu tố trong hốc cộng hưởng để gây ra hiện tượng tự biến điệu của ánh sáng.
Khóa mode chủ động
hoạt động ở tần số bằng khoảng cách mode trong hốc cộng hưởng Δν, các tần số kề này sẽ tương ứng với hai mode liền kề với mode ban đầu. Như vậy, mode trung tâm và các mode kế bị khóa pha với nhau. Hiện tượng khóa pha tiếp tục với các mode kề với các mode có tần số ν-2f and ν+2f, và cứ tiếp tục cho đến khi tồn bộ dải tần khuếch đại bị khóa.
Ta có thể hiểu hiện tượng này theo một cách khác. Bộ biến điệu biên độ hoạt động như một cửa sập kép đặt giữa các gương của hốc cộng hưởng, làm yếu ánh sáng khi nó "đóng", và cho ánh sáng qua khi nó "mở". Nếu tần số biến điệu f được đồng bộ với chu kì hốc cộng hưởng τ, một xung sáng sẽ hình thành trong hốc cộng hưởng. Độ sâu biến điệu khơng lớn, chỉ cõ 1%.
Một kỹ thuật khóa mode chủ động khác là biến điệu tần số sử dụng hiệu ứng quang- điện. Bộ biến điệu này được đặt trong hốc cộng hưởng và hoạt động theo tin hiệu bên ngồi. Nó tạo ra sự dịch tần số nhỏ, thay đổi theo hàm sin khi ánh sáng truyền qua. Nếu tần số biến điệu phù hợp với chu kì hốc cộng hưởng, một phần ánh sáng bị dịch xuống (down-shift) một phần bị dịch lên (up-shift) về mặt tần số. Sau nhiều lần lặp lại, ánh sáng bị dịch tần số sẽ khơng cịn trong dải tần khuếch đại của laser. Chỉ ánh sáng khơng bị dịch tần số cịn lại trong hốc cộng hưởng và tạo thành xung sáng hẹp.
Kĩ thuật thứ ba là khóa mode đồng bộ hay bơm đồng bộ. Nguồn bơm sẽ tự biến điệu để tạo xung ngắn. Thông thường, các nguồn bơm này là một laser khóa mode. Kĩ thuật này địi hỏi tương hợp giữa chiều dài hốc cộng hưởng và biến điệu của nguồn bơm.
Khóa mode thụ động
Phương pháp khóa mode thụ động dùng ánh sáng trong hốc cộng hưởng để gây ra sự biến đổi của phần tử biến điệu, từ đó tác động trở lại chùm sáng. Có thể hiểu đây phương pháp tự biến điệu của ánh sáng trong hốc cộng hưởng. Phương pháp này thường sử dụng chất hấp thụ bão hịa.
Chất hấp thụ bão hịa có độ truyền qua phụ thuộc cường độ ánh sáng tới. Khi ánh sáng tới càng mạnh, độ truyền qua càng tăng. Chất hấp thụ bão hịa sử dụng
trong laser khóa mode có khả năng hấp thụ ánh sáng yếu và cho truyền qua khi ánh sáng đủ mạnh.
3.2.3 Quang phổ học Ultrafast-laser
Đây là nghiên cứu về phân tử học ở phạm vi thời gian cực ngắn (nanosacond hoặc femtosecond) sau khi kích thích một laser xung. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để kiểm tra trạng thái năng lượng và động năng electron của các phân tử có tính đến phản ứng với ánh sáng. Có nhiều thủ tục đã được phát triển, hai phương pháp phổ biến là hấp thụ trong thời gian cực ngắn (TA) và đếm photon theo tương quan thời gian (TCSPC). Cả hai phương pháp đều phải được tiến hành trong điều kiện tự nhiên có cơ chế lượng tử của huỳnh quang, và cụ thể là từng phân tử riêng lẻ, ngay cả những mẫu nguyên chất, cũng không phát xạ photon đồng thời mặc dù chúng được kích thích đồng thời, và tỉ lệ phân rã giữa hai trạng thái có liên quan đến sự sai khác về năng lượng giữa chúng.
a. Đếm photon đơn lẻ theo tương quan thời gian
Phương pháp này được dùng để phân tích sự hồi phục của các phân tử từ trạng thái kích thích xuống một trạng thái năng lượng thấp hơn. Vì các phân tử khác nhau trong cùng một mẫu sẽ phát xạ photon trong các thời điểm khác nhau tùy thuộc vào sự kích thích đồng thời nên sự phân rã phải được coi như có một tỉ lệ chắc chắn chứ không chỉ xảy ra tại một thời điểm xác định sau khi kích thích. Bằng việc quan sát khoảng thời gian các phân tử riêng lẻ cần để phát xạ photon, sau đó kết hợp tất cả các dữ kiện với nhau, có thể tạo được một biểu đồ cường độ - thời gian biểu diễn đường cong phân rã theo hàm mũ điển hình cho các quá trình này. Tuy nhiên, rất khó để quan sát đồng thời nhiều phân tử. Thay vào đó, từng q trình phục hồi – kích thích được ghi lại sau đó tính trung bình để tạo ra đường cong trên đồ thị. Việc này được tiến hành bằng cách chia các luồng sáng laser xung thành hai đường. Một xung đi dọc theo một đường đến một đường ống nhân quang (PMT), trong khi đường còn lại sẽ đi qua mẫu. Xung đầu tiên được tách bởi bộ nhân quang, kích hoạt một mạch biến đổi thời gian – biên độ (TAC). Mạch này bắt đầu nạp một tụ điện và sẽ ngắt khi PMT gửi một xung điện khác đến mạch. Xung điện này đến sau khi xung laser thứ hai kích thích phân tử đến một trạng thái năng lượng cao hơn, và một photon được phát xạ từ phân tử sau khi trở về trạng thái năng lượng ban đầu của nó.
Khái niệm trung tâm của phương pháp này là chỉ một photon cần thiết để ngừng nạp điện cho tụ. Thí nghiệm này có thể lặp lại nhiều lần để tập hợp được một dải đầy đủ các độ trễ giữa các lần kích thích và phát xạ photon. Sau mỗi lần thử nghiệm, một máy tính chia độ sẽ chuyển điện thế do TAC tạo ra thành thời gian và ghi lại sự kiện trong một biểu đồ thời gian từ lúc kích thích. Vì xác suất khơng phân tử nào phục hồi sẽ giảm theo thời gian nên một đường phân rã sẽ sinh ra và cần được phân tích để tìm ra tỉ lệ phân rã của sự kiện này.
Một thành tố phức tạp chính là có nhiều q trình phân rã trong đó nhân các trạng thái năng lượng, do đó cũng nhân cả các hệ số tỉ lệ. Mặc dù phân tích theo bình phương tối thiểu phi tuyến có thể tách các hằng số tỉ lệ khác nhau nhưng việc xác định các q trình tham gia thường rất khó và địi hỏi sự kết hợp của nhiều kỹ thuật ultra-fast. Thậm chí thêm vào sự phức tạp đó cịn có sự xuất hiện của các nhiểu giữa các hệ thống và các quá trình khơng bức xạ trong một phân tử. Một điểm giới hạn của kỹ thuật này là nó chỉ được dùng để nghiên cứu các trạng thái năng lượng có kết quả là phân rã huỳnh quang.
b. Hấp thụ trong thời gian cực ngắn
Phương pháp này sử dụng các thí nghiệm dị xung, trong đó một laser xung được dùng để kích thích các electron của phân tử từ trạng thái nền lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn. Một nguồn sáng dò, thường là đèn hồ quang xenon, được dùng để đạt được phổ hấp thụ của hợp chất ở các thời điểm khác nhau tùy theo sự kích thích. Khi các phân tử được kích thích hấp thụ xung thứ hai, chúng sẽ lên đến các trạng thái cao hơn. Sau khi qua mẫu, ánh sáng từ đèn hồ quang tiếp tục đến một mảng photođiốt thác, và dữ liệu được xử lý để tạo ra quang phổ hấp thụ của trạng thái kích thích. Vì tất cả các phân tử trong cùng mẫu sẽ không trải qua các động lực đồng thời nên thí nghiệm này phải được tiến hành nhiều lần, và dữ liệu phải được tính trung bình để tạo ra quang phổ với cường độ và các đỉnh chính xác. Khơng giống phương pháp TCSPS, kỹ thuật này có thể tiến hành với các mẫu không phải huỳnh quang.
Laser ultrafast là một loại laser đặc biệt có thể tạo ra các xung nhỏ hơn 100 pico giây. Những laser này có ứng dụng quan trọng trong y học, cơ khí tinh vi, truyền thông quang, quang phổ học và bất cứ lĩnh vực nào yêu cầu phải nghiên cứu
vật lý trong phạm vi thời gian cực ngắn và năng lượng cao. Ngồi ra cịn có các nghiên cứu về xây dựng, cải tiến và đo đạc các đặc điểm kỹ thuật của laser ultrafast.
Ngày nay, quang phổ học mở ra một thời kỳ mới. Ở đó xung cực ngắn được quan tâm đặc biệt như là một xu thế của thời đại. Không ngắn như một vài giây mà là ngắn như trong 1 phần tỉ, 1 phần triệu của một giây. Dùng các nguyên lý xếp chồng, độ rộng băng tần mà laser tạo ra càng rộng thì mỗi xung tạo ra lại càng ngắn, vì vậy để tạo các xung cực ngắn cần phải có một phổ rộng. Có thể xây dựng một hệ thống laser 20 femto giây dùng Titan có pha tạp Saphia.
3.2.4 Laser Titanium Sapphire
Những xung cực ngắn được tạo ra bởi laser khóa mode. Nhờ sự giao thoa, một xung ngắn được tạo ra qua từng công đoạn trong hốc cộng hưởng của laser. Những kỹ thuật riêng biệt được sử dụng thường được gọi là các chế độ khóa mode “chủ động” hay “bị động”. Chế độ khóa mode chủ động sử dụng một bộ biến điệu trong hốc laser trong khi khóa mode bị động sử dụng một bộ hấp thụ bão hòa, thường là một lớp bán dẫn mảnh để khóa những pha có quan hệ. Những tia laser khóa mode bán dẫn hiện đại sử dụng một hệ thống khác được gọi là tự khóa mode (self-mode- locking) và Ti-sapphire đã trở thành laser phổ biến nhất để tạo ra những xung cực ngắn.
Được phát triển vào giữa những năm 1980, Ti-sapphire có một băng thơng trong khỗng từ 700 -1100nm hiệu chỉnh trong phạm vi 800nm, vật liệu bán dẫn này sử dụng rất phổ biến với vùng mơi trường khuếch đại cao và tính dẫn điện nhiệt tốt. Chế độ khóa mode được hồn tất nhờ tác động của sự hội tụ Kerr phi tuyến tính tức
thời trong hốc cộng hưởng laser. Đường bao đỉnh của tia laser gần bằng 1011W cm-2,
đủ để hội tụ tia bởi vì nó đi xun qua mơi trường khuếch đại. Sau đó thấu kính Kerr này được kết hợp hài hịa theo thời gian, khơng gian để duy trì chế độ khóa pha.
Hình 3.5 Bộ khuếch đại tự khóa mode sử dung Ti:sapphire
Một hình dạng hốc dao động cơ bản được đưa ra dưới dạng biểu đồ ở hình 1. Tia laser bị kích thích với cơng suất khoảng 5W từ một nguồn laser có sóng liên tục, thơng thường là laser neodim hai hốc cộng hưởng bơm bằng điốt. Ánh sáng này được hội tụ vào hốc cộng hưởng Ti-sapphire, có phương song song với trục laser, xuyên qua mặt sau của một trong những cái gương. Hốc Ti-sapphire gồm có một góc cắt Brewster thanh 5mm hay ngắn hơn, được kích thích để hấp thụ khoảng 90% bức