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
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]