Laser màu hữu cơ mode-locking sử dụng đầu ra của một laser mode-locked nhƣ một bơm quang học, bơm theo cách này cung cấp sự điều biến cần thiết cho mode- locking bằng cách thay đổi nhanh chóng môi trƣờng hoạt chất một cách tuần hoàn.Xung bơm với thời gian ps có thể cung cấp công suất cao bởi laser thủy tinh:Nd ( 1.06m) và laser ruby ( 694.3nm),nhờ nhân đôi tần số những laser này tạo ra các xung tƣơng tự nhau ở 530nm và 347.2nm.Do đó,kĩ thuật bơm laser mode-locked có thể sử dụng để thu đƣợc xung laser màu cực ngắn ở một số bƣớc sóng khác nhau.
Thí nghiệm đầu tiên sử dụng xung bơm mode-locked,bằng cách nhân đôi tần số laser thủy tinh:Nd khi bơm cho laser rhodamine 6G và rhodamine B. Buồng cộng hƣởng quang học của laser màu đƣợc điều chỉnh chiều dài để đồng bộ với xung bơm mode-locked.Khi chiều dài buồng cộng hƣởng laser màu ld bằng với chiều dài lpcủa bộ cộng hƣởng bơm, sẽ quan sát đƣợc đoàn xung với chu kì bằng chu kì của xung bơm, vị trí đặt cuvet màu là ở cuối của buồng cộng hƣởng.Với việc bộ cộng hƣởng bơm và buồng cộng hƣởng laser màu có chiều dài bằng nhau quan sát đƣợc hai xung quang học
ứng với mỗi xung bơm. Một trong hai xung sẽ có cƣờng độ mạnh hơn so với xung kia bởi vì các xung đi theo hai hƣớng ngƣợc nhau trong buồng cộng hƣởng sẽ đến cuvet màu cùng nhau chỉ một lần trên mỗi xung bơm.Với cuvet màu đặt ở vị tí trung tâm của buồng cộng hƣởng và ld m/nlp trong đó m/n=1,2/3,1/2; thu đƣợc 2(m/n) xung cho mỗi xung bơm. Điều chỉnh bƣớc sóng của laser màu mode-locked bằng cách sử dụng một cách tử xoay nhƣ gƣơng phản xạ cuối của buồng cộng hƣởng và bằng cách trộn hai chất màu laser để thay đổi đỉnh độ khuếch đại.
Điều biến trực tiếp mất mát trong buồng cộng hƣởng cũng đƣợc sử dụng cho laser màu mode locked.Với một bộ điều biến trong buồng cộng hƣởng của laser coumarin đƣợc bơm bằng đèn flash, xung mode-locked với độ rộng vài trăm ps đƣợc tạo ra ở bƣớc sóng 460nm.Đoàn xung trong khoảng vài micro giây và quan sát đƣợc xung ngắn nhất ở cuối của đoàn xung.
Phƣơng pháp thành công nhất để khóa mode hệ thống laser thủy tinh:Nd và laser ruby là mode-locking bị động với một chất hấp thụ bão hòa.Mode-locking bị động của một laser màu hữu cơ đƣợc báo cáo lần đầu tiên bởi SCHMIDT và SCHAFER (1968).Họ đã quan sát đƣợc mode-locking của laser màu Rh 6G bơm bằng đèn flash sử dụng chất màu hữu cơ nhƣ chất hấp thụ bão hòa.Quan sát thấy sự phát xạ gồm một đoàn xung với khoảng cách bằng nhau c/2L tần số lặp lại là 1GHz, nhƣng xác định độ rộng xung trong thí nghiệm đầu tiên này bị giới hạn bởi độ rộng dải của photodiode và dao động ký (0.4ns).Chất hấp thụ bão hòa 2
DODCI đƣợc sử dụng vẫn là một trong những chất màu mode-locking hiệu quả nhất cho laser màu Rh 6G.
Sơ đồ của một laser màu mode-locked bị động thể hiện trên hình 2.2 [10]. Hộp màu khuếch đại đƣợc bơm bằng đèn flash.Tất cả bề mặt hoặc là ứng với góc Brewster hoặc hình nêm để ngăn chặn sự cộng hƣởng etalon. Dung dịch màu mode-locking đƣợc đặt bên cạnh gƣơng cuối của buồng cộng hƣởng, đây đƣợc xác định là vị trí tốt nhất,cách tử phản xạ đƣợc sử dụng để lọc lựa bƣớc sóng.[11].
2.3 Laser màu đƣợc bơm đồng bộ
Kĩ thuật bơm đồng bộ cho laser màu đƣợc sử dụng phổ biến để tạo ra xung sáng cực ngắn trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần.Nguồn năng lƣợng chính cho chất màu bơm quang học trong các thiết bị này là một laser khóa mode chủ động tạo ra xung kéo dài khoảng 100ps.
Laser khóa mode kích thích các phân tử chất màu hòa tan trong dung môi. môi trƣờng hoạt chất là chất lỏng có thể đƣợc chứa trong một cuvet hoặc dòng chất màu đƣợc phun thích hợp.
Những laser hai buồng cộng hƣởng tạo ra những xung sáng với khoảng thời gian vài ps, tốc độ lặp lại là 80 MHz và công suất trung bình trong phạm vi từ 10mW đến vài trăm mW.Nhiều thiết kế khác nhau đã đƣợc đề xuất, sử dụng một số lƣợng lớn các phân tử chất màu, cho phép tạo ra các xung với bƣớc sóng trong phạm vi từ 500nm đến vùng hồng ngoại.
CÁCH TỬ
MODE – LOCKING MÀU
ĐÈN FLASH GƢƠNG ĐIỆN MÔI XUNG PS
Hình 2.2: Sơ đồ Laser màu bơm bằng đèn Flash với cấu hình mode - locking
2.4 Mode-locking bị động
Hệ thống nổi tiếng nhất đƣợc gọi là laser màu khóa mode bằng va chạm xung (CPM), đƣợc thể hiện trên hình 2.3.
Trong buồng cộng hƣởng laser dạng vòng hai xung sáng có thể truyền ngƣợc nhau, theo chiều kim đồng hồ và ngƣợc chiều kim đồng hồ.Chất hấp thụ bão hòa đƣợc chọn với nồng độ sao cho nó chỉ đạt bão hòa khi hai xung có mặt đồng thời .Kết quả là, hai xung tự động đồng bộ đƣờng đi của chúng trong buồng cộng hƣởng để vƣợt qua chất hấp thụ bão hòa.Kết quả sự chồng chập của hai xung là một sóng đứng chuyển tiếp, tạo ra một phase chuyển tiếp và điều chế biên độ.Một phần ánh sáng của mỗi xung nhiễu xạ trở lại vào các xung khác bởi sự điều chế này,cải thiện chế độ khóa mode.Sự khuếch đại hai xung đối xứng trong môi trƣờng hoạt chất và chất hấp thụ bão hòa đƣợc đặt trong buồng cộng hƣởng theo dạng hình học nhƣ trên hình 2.4 [8].
Hình 2.3: Sơ đồ BCH laser màu khóa mode bằng va chạm xung
Xung bơm, Ar+ , cw, 515 nm Bộ nén xung 620 nm, 50 fs DODCI Rh6G
Hình 2.4: Vòng tuần hoàn của xung trong laser CPM
Khi môi trƣờng hoạt chất đƣợc đặt ở ¼ tổng chiều dài buồng cộng hƣởng L từ vị trí chất hấp thụ bão hòa , tổng thời gian bơm L/2c là giống nhau cho cả hai xung .Quy tắc hình học này không cần quá chặt chẽ miễn là đạt đƣợc đủ giá trị độ khuếch đại giữa các quá trình bão hòa liên tiếp.
Trong laser màu khóa mode bị động, khóa mode trong điều chế biên độ đƣợc tạo ra bởi chính các xung sáng.Khi các xung sáng ở bên trong môi trƣờng hoạt chất và môi trƣờng hấp thụ bão hòa bằng cách nào đó chúng tạo ra một sự điều chế biên độ tuần hoàn theo thời gian thông qua độ khuếch đại và bộ hấp thụ bão hòa.Chu kì điều chế trùng hợp chính xác với thời gian xung đi vòng quanh buồng cộng hƣởng, L/c ( trong đó L là chu vi của buồng cộng hƣởng dạng vòng).
Một tiến bộ lớn trong kĩ thuật tạo ra xung ngắn là đã đƣa vào một máy nén lăng kính quang học bên trong buồng cộng hƣởng laser CPM để bù trừ tán sắc vận tốc nhóm.
Cách tử là thiết bị tổn hao quang học bởi vì xảy ra rất nhiều sự nhiễu xạ trên bề mặt cách tử.Trong khi cần ít nhất hai cách tử cho việc hiệu chỉnh phase, một máy nén Treacy ( máy nén cách tử) không thể sử dụng trong buồng cộng hƣởng laser bởi vì nó đƣa vào quá nhiều mất mát.Máy nén lăng kính quang học đƣợc thiết kế ban đầu nhƣ các thiết bị trong buồng cộng hƣởng.Điều này có thể thực hiện bởi thực tế là góc ở đỉnh của một lăng kính với việc chọn chiết suất sao cho một tia đi qua lăng kính ở góc lệch tối thiểu cũng rơi vào bề mặt ứng với góc Brewster.Ở góc lệch nhỏ nhất không có sự biến dạng hình học của một chùm tia khúc xạ qua một lăng kính.Không đạt đƣợc ở góc lệch cực tiểu sẽ làm sai lệch chùm tia và điều này có hại đến yếu tố chất lƣợng buồng cộng hƣởng.khi sử dụng ánh sáng phân cực trong mặt phẳng tuyến tính, sự phản xạ từ bề mặt ở góc Brewster hầu nhƣ bằng không,do đó hạn chế đƣợc mất mát trong buồng cộng hƣởng.
Thông số tán sắc của máy nén lăng kính liên quan đến đạo hàm bậc hai của quang trình tƣơng ứng với bƣớc sóng:
2 2 0 d P d cL D (2.3)
L là quãng đƣờng hình học của ánh sáng và P là quang trình .Với kính thủy tinh silica 2 1.0354 (7.481 10 3) 2 l d P d
, với l là khoảng cách giữa hai lăng kính ( đo bằng
cm) và là bƣớc sóng (đo bằng m).Khi l=13.8cm ,bốn lăng kính đƣợc sắp theo thứ tự nhƣ trên hình 2.3 không bị tán sắc, trong khi l=25cm là đủ để bù cho việc thêm vào một miếng mỏng silica trong buồng cộng hƣởng laser.
Lăng kính đƣợc đƣa vào trong buồng cộng hƣởng laser với mục đích chính là cân bằng hiệu ứng tán sắc tuyến tính và do đó đạt đƣợc khoảng thời gian ngắn hơn.Thời gian đo đƣợc ngắn nhất theo cách này là 27fs (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngoài làm giảm khoảng thời gian của xung, việc thêm vào một máy nén lăng kính cũng làm thay đổi đáng kể hoạt động của laser CPM.Mô tả một cách đơn giản.
Sóng thần ( một sóng đơn gây ra động đất dƣới nƣớc ở biển của Nhật bản) là một ví dụ điển hình về một sóng đơn trong không gian hai chiều.Từ biểu thức đơn giản nhất, có thể thấy rằng chỉ duy nhất cƣờng độ đƣờng bao lan truyền mà không cần bất kì sự biến dạng nào.Solitons quang học đƣợc tạo ra bằng cách lan truyền xung quang trong sợi quang silica.Để làm đƣợc nhƣ vậy, bƣớc sóng trung tâm của xung phải đƣợc chọn ở phía năng lƣợng cao với dải hấp thụ OH của silica, khoảng 1.5m.Trong cấu hình này , tán sắc vận tốc nhóm tuyến tính phải âm.Khi cƣờng độ đủ lớn, trong quá trình lan truyền xung tự điều biến phase là do tần số có chirped.Với việc tự điều biến phase, tác dụng tuyến tính và phi tuyến hoàn toàn bù trừ cho nhau và xung lan truyền mà không bị biến dạng theo thời gian.Tổng chiều dài xung truyền chỉ đƣợc giới hạn bởi sự hấp thụ còn dƣ trong sợi quang và bởi sự tán xạ ánh sáng .Một xung sáng truyền trong laser CPM cân bằng lần lƣợt gặp môi trƣờng hấp thụ bão hòa và máy nén quang học.Sự tự điều biến phase, có chirp xảy ra trƣớc , trong khi tán sắc vận tốc nhóm âm đƣợc gây ra sau .Để laser làm việc ổn định, hai hiệu ứng này phải bù trừ nhau một cách chính xác.Bởi vì tán sắc vận tốc nhóm và tự điều biến phase xảy ra theo chu kì, mode lan truyền không phải là nghiệm của phƣơng trình lan truyền phi tuyến liên tục, và đƣợc gọi là mode chuẩn soliton.Kiểu lan truyền này rất ổn định và việc thêm vào lăng kính trong buồng cộng hƣởng laser là để cải thiện sự ổn định cƣờng độ của laser mode- locked bị động .
Một trong những hạn chế của laser CPM là xung tạo ra còn yếu.Công suất trung bình có giá trị khoảng vài chục mW với tốc độ lặp lại là 100MHz.Điều này tƣơng ứng với năng lƣợng cho mỗi xung chỉ vài chục pJ, và đỉnh công suất không lớn hơn vài trăm W.[8]
2.5 Mode-Locking hỗn hợp
Nhiều buồng cộng hƣởng laser đã đƣợc thiết kế khác nhau để thuận lợi trong cả làm ngắn thời gian xung tốt hơn với laser màu khóa mode bị động và đạt đƣợc cƣờng độ cao hơn với laser màu bơm đồng bộ.
Hình 2.5: Laser màu được bơm đồng bộ hỗn hợp,dòng phun chất màu và máy nén lăng kính được thêm vào buồng cộng hưởng.
Hình 2.6 [8] cho thấy một trong các cách thiết kế.Laser trạng thái rắn Nd:YAG là nguồn chính.Mật độ nghịch đảo độ tích lũy giữa trạng thái Nd3+ đƣợc tạo ra với ánh sáng Flash CW và các mode trục là mode-locked chủ động (laser YAG mode-locked CW).Laser này phát ra xung 100ps ở 532nm khi bƣớc sóng cơ bản 1.064m đƣợc nhân đôi tần số.Đó là laser màu bơm quang học đồng bộ.Buồng cộng hƣởng phụ của laser màu cũng có dòng phun hấp thụ bão hòa và một máy nén lăng kính,chúng phải đƣợc đặt ở phía trƣớc gƣơng phản xạ cao của buồng cộng hƣởng để đảm bảo sự mở rộng tần số đƣợc xử lý khi đi qua các lăng kính.
Khi thời gian xung từ 0.5-1ps đủ ngắn để nhìn thấy, một bộ lọc dải truyền qua có thể đƣợc thêm vào buồng cộng hƣởng để tạo ra sự điều hƣởng bƣớc sóng trung tâm của xung.Khi đƣợc bơm với xung 70ps ở 532nm,laser tạo ra xung dƣới ps trong khoảng 560-974nm với công suất trung bình 650mW.Phạm vi điều hƣởng rộng đòi hỏi phải sử dụng vài cặp khuếch đại và chất màu hấp thụ bão hòa.
Hình 2.6: Laser màu được bơm đồng bộ hỗn hợp trong buồng cộng hưởng phản cộng hưởng
Ở mức độ phức tạp,có thể xuất hiện thêm va chạm xung trong laser hỗn hợp.Vì mục đích này, một giao thoa kế Sagnac đƣợc đặt ở cuối của buồng cộng hƣởng laser.Nó bao gồm một buồng cộng hƣởng phụ dạng vòng đƣợc ghép bằng cách tách 50% chùm tia từ buồng cộng hƣởng chính(hình 2.7)[8].Dòng phun hấp thụ bão hòa đƣợc đặt chính xác ở giữa bên trong buồng cộng hƣởng phụ, vì vậy mà hai xung có thể truyền qua đó, giống nhƣ trong laser CPM.Sự lệch phase của chùm tia tách ra gây ra mất mát khi phản xạ và hiện tƣợng giao thoa không xảy ra.
Sự chồng chập lên nhau của các xung tại vị trí tách chùm tia là bắt buộc để giảm thiểu mất mát.Cấu trúc nhƣ vậy tạo ra xung 50fs ở 620nm, với công suất trung bình lớn hơn 100mW và tốc độ lặp lại là 100MHz.
Nhƣ đã đề cập trƣớc đây, các buồng cộng hƣởng đƣợc bơm đồng bộ phải có chiều dài chính xác giống nhau, việc làm ngắn xung dựa trên cơ sở trùng khớp thời gian giữa hệ số khuếch đại và sự khuếch đại.Hình dạng quang phổ và thời gian của xung rất nhạy với sự sai khác chiều dài giữa hai buồng cộng hƣởng.Vd, trong chế độ xung ps sai khác 1m cũng đủ ảnh hƣởng đến điều kiện làm việc đã đƣợc thiết lập, xung ngắn hơn độ chính xác cần thiết.Nhiều phƣơng pháp đã đƣợc thử nghiệm để tạo ra các tín hiệu lỗi cho phép kiểm soát thông tin phản hồi về chiều dài buồng cộng
hƣởng.Thực tế là sai khác 1m của chiều dài buồng cộng hƣởng làm biến đổi bƣớc sóng trung tâm của ánh sáng phát ra 10nm..Laser bơm phải đƣợc ổn định cẩn thận bởi vì sự biến động phase cũng là một nhân tố gây hạn chế trong việc tạo ra các xung sáng cực ngắn.
2.6 Điều chỉnh bƣớc sóng
Hầu hết các laser mà chúng ta xem xét ở đây đều phát ánh sáng ở một bƣớc sóng trung tâm cố định,ít nhất là trong chế độ fs.Bằng cách sử dụng cặp chất màu khác nhau, các xung đã đƣợc tạo ra ở 800nm.Nhân đôi tần số của xung cho phép tiến gần hơn bƣớc sóng vùng tử ngoại gần khoảng 300nm.
Đã tạo ra đƣợc xung 10fs màu xanh-màu xanh lá cây,trong kĩ thuật này máy phát xung chính là laser CPM cung cấp các xung 50fs ở bƣớc sóng 620nm.Những xung này có năng lƣợng thấp , chỉ vài chục pJ, vì vậy phần đầu của thiết bị là dành cho việc khuếch đại xung lên đến vài J .Môi trƣờng hoạt chất dày 2mm chƣá đầy chất màu sulforhodamine-640 đƣợc hòa tan trong nƣớc.Một bộ khuếch đại nhiều lần đƣợc thiết lập, với các gƣơng phẳng và thấu kính để điều chỉnh đƣờng kính chùm tia để điều khiển cƣờng độ mỗi khi xung đi qua môi trƣờng hoạt chất.Nghịch đảo độ tích lũy có đƣợc bằng cách bơm quang học chất màu với ánh sáng tử ngoại 351nm của laser excimer XeF.Thời gian của xung bơm là 10ns với tốc độ lặp lại 400Hz.Khuếch đại nhiều lần với cách bơm theo chiều dọc, có hiệu quả khuếch đại cao, và cũng không làm lệch phase quá nhiều.Sau khi khuếch đại, sự lệch phase đƣợc khắc phục bằng một máy nén lăng kính.
Các xung màu đỏ đƣợc khuếch đại trong giai đoạn khuếch đại đầu tiên đƣợc sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng liên tục.Khi xung ngắn hơn 100fs đƣợc tập trung vào một vật liệu trong suốt, quang phổ bắt đầu mở rộng mạnh mẽ do sự tự điều biến phase.Những tần số mới đƣợc tạo ra hoạt động nhƣ những hạt giống cho một lƣợng lớn các quá trình quang học phi tuyến bậc cao, chẳng hạn nhƣ hiệu ứng trộn sóng và tham số,kết quả là độ rộng quang phổ kéo dài từ vùng hồng ngoại gần đến vùng tử ngoại. Sự