Ảnh hưởng của Chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng Laser CPM

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG









ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG
BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC












Hà Nội – Năm 2011







2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG




ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG
BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM





Chuyên ngành:QUANG HỌC
Mã số:664411



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN

Hà Nội – Năm 2011





3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỞ ĐẦU 3
CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN 7
1.1. Laser màu 7
1.1.1. Hoạt chất cho laser màu 9
1.1.2 Tính chất của laser màu 10
1.2 Các mode trong buồng cộng hƣởng laser 13
1.2.1 Mode dọc trong buồng cộng hƣởng 13
1.2.2 Mode ngang trong buồng cộng hƣởng laser. 14
1.3. Các phƣơng pháp đồng bộ mode 16
1.3.1. Nguyên lý tạo xung cực ngắn 16
1.3.2. Phƣơng pháp khoá mode chủ động 18
1.3.3 Cơ chế phát xung cực ngắn bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ 19
CHƢƠNG 2 : LASER MÀU CPM VÀ KỸ THUẬT NÉN XUNG CỰC NGẮN
23
2.1 Cấu trúc buồng cộng hƣởng 23

2.2 Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật nén xung 25
2.3. Sự tạo chirp và bù trừ chirp trong các thiết bị quang học 26
2.3.1 Quá trình tạo chirp 26
2.3.2. Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm (GVD) 27
2.3.3. Sự mở rộng pha do sự tự điều biến pha (SPM) 28
2.3. 4. Quá trình bù trừ chirp 29
2.4. Nén xung trong buồng cộng hƣởng 33
2.5 Nén xung ngoài buồng cộng hƣởng 36
2.5.1 Quan điểm đại số 37
2.5.2 Phương pháp đánh giá đại số: 38
2.5.3 Một vài hạn chế của quá trình nén xung 39




4
CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN ĐỐI VỚI XUNG
DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG CỦA LASER CPM 40
3.1 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng chất hấp thụ bão hòa 40
3.1.1 Khảo sát sự tƣơng tác xung trong chất hấp thụ bão hòa 40
3.1.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. 44
3.1.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc một.
51
3.1.4. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc hai.
58
3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng khuếch đại 63
3.2.1 Tính toán lý thuyết sự biến đổi đặc trƣng xung khi đi qua môi trƣờng
khuếch đại. 63
3.2.1 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. 67
3.2.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc

một. 72
3.2.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc
hai 78
3.3 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua không gian ba chiều. 84
3.3.1 Ảnh hƣởng của chirp tuyến tính qua không gian ba chiều. 84
3.3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến bậc hai qua không gian ba chiều. 89
KẾT LUẬN 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
PHỤ LỤC 97









5

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phương
pháp quang phổ học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển
vượt bậc, các đối tượng và phạm vi ứng dụng được mở rộng hơn. Đặc biệt cùng với
sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày
càng đòi hỏi thông tin phải được truyền với tốc độ cao, xung càng ngắn thì thông tin
truyền càng nhanh. Sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan
trọng trong thông tin quang. Vì vậy nghiên cứu về xung cực ngắn là một vấn đề cần
thiết.
Để có một bức tranh toàn cảnh, chúng ta cùng điểm qua những thành tựu cơ

bản trong nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn.
Về thực nghiệm, cho tới năm 1960 khoảng thời gian xung ngắn nhất đo được
chỉ cỡ bậc nanô giây, được tạo ra thông qua sự phóng điện cực ngắn. Nhưng sau khi
laser ra đời vào năm 1960 thì tình hình thay đổi nhanh chóng. Bằng các phương
pháp Q-switching (Biến điệu độ phẩm chất) và đồng bộ mode , người ta đã đạt
được những xung cỡ trăm picô giây hoặc ngắn hơn. Đến năm 1965, dựa trên
phương pháp đồng bộ mode thụ động, bằng cách đặt trong buồng cộng hưởng của
laser một chất hấp thụ bão hòa, các xung cực ngắn đã đạt được picô giây. Năm 1976
J.S.Rudock và Bradly thay đổi độ dài chất hấp thụ thì xung thu được có độ dài cỡ
0,3 ps.
Để có được những xung ngắn hơn thì thực nghiệm chứng tỏ nên dùng
buồng cộng hưởng vòng cùng với nén xung. Năm 1981, Shank, R.I.Fork và
B.I.Green đã cải tiến buồng cộng hưởng vòng để thực hiện va chạm xung với việc
sử dụng một dòng phun chất màu có độ dày 10

m thì đạt độ dài xung là 90fs. Cuối
năm 1982 cũng dùng phương pháp va chạm xung, buồng cộng hưởng vòng cùng
với sự bù trừ biến điệu pha trong buồng cộng hưởng, Diels và Pretels đã thu được
xung có độ dài xấp xỉ 53fs. Năm 1985, Shank và Fork cải tiến nguồn bơm laser
CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệu pha thu được xung 8 fs. Như



6
vậy, thực nghiệm đã chứng tỏ ưu nhược điểm của việc dùng buồng cộng hưởng
vòng cùng với nén xung trong lĩnh vực phát xung cực ngắn.
Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng tán
sắc vận tốc nhóm ( GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời
còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi
xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi

tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trọng.
Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đề tài ảnh hưởng của chất hấp thụ bão hòa
và môi trường khuếch đại đối với sự rút ngắn xung khi không có chirp. Nhưng khi có
chirp thì chưa được khảo sát. Vì vậy để thấy được sự ảnh hưởng của chirp lên dạng
xung như thế nào, tôi đã lựa chọn đề tài “ Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung
dạng Gauss trong buồng cộng hưởng của laser CPM ”.
Bố cục luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Laser màu xung cực ngắn
Chương 2: Laser màu CPM và kỹ thuật nén xung
Chương 3: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong
buồng cộng hưởng laser CPM.
Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu xót và
hạn chế, rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn













7

CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN
1.1. Laser màu
Một trong những ưu điểm chính của laser màu là có thể tạo ra nhiều vùng
quang phổ khác nhau. Trái ngược với các laser rắn, laser màu được đặc trưng bởi độ
khuyếch đại cao, cũng có nghĩa thời gian sống ở trạng thái trên là ngắn, thường
ngắn hơn thời gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng. Do đó, chế độ khoá
mode thông qua sự biến điệu độ khuyếch đại là có hiệu quả.
Trong 15 năm qua laser màu fs được thay thế bằng laser rắn và laser sợi. Năm
1981 Fork và các đồng nghiệp đã giới thiệu laser màu khoá mode bằng va chạm
xung (CPM) tạo ra xung dưới 100 fs. Trong laser màu này, cấu hình vòng cho phép
hai xung lan truyền ngược nhau để phát triển trong buồng cộng hưởng. Môi trường
hoạt chất là một dung dịch chứa chất màu hữu cơ (ví dụ như Rh 6G trong ethylene
glycol), được bơm thông qua một ống, tạo thành một dòng tia mỏng (cỡ 100 m).
Một dòng phun dung dịch chứa chất màu ( ví dụ như diethyloxadicarbocyanine
iodide hoặc DODCI trong ethylene glycol) hoạt động như chất hấp thụ bão hoà. Hai
xung lan truyền ngược chiều gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà (đây là cấu hình
mà sự mất mát là tối thiểu).
Một chuỗi lăng kính (một, hai, hoặc bốn lăng kính) cho phép điều chỉnh
cộng hưởng tán sắc nhóm GVD. Bước sóng của xung được xác định bởi công tua
quang phổ của độ khuyếch đại và chất màu hấp thụ. Giới hạn điều chỉnh đạt được
bằng cách thay đổi nồng độ chất màu. Đã quan sát được xung ngắn hơn 25 fs với
công suất đầu ra nói chung không quá 10 mW với sóng bơm liên tục, và lên đến 60
mW với một sóng bơm dạng xung ( laser Ar
+
bị khoá mode).

8
Bảng chất màu hữu cơ sẵn có, có thể bao gồm toàn bộ vùng ánh sáng nhìn
thấy tới vùng hồng ngoại với các nguồn được điều hướng và bị khoá mode. Một
bảng kết hợp được chất màu hấp thụ độ khuyếch đại sử dụng laser khoá mode bị
động có thể được tìm thấy trong Diels. Chế độ khóa mode hỗn hợp của laser màu đã
mở rộng bảng màu của bước sóng có sẵn thông qua chế độ khoá mode bị động, làm
cho nó có thể chứa một phạm vi quang phổ rộng kéo dài từ vùng ánh sáng nhìn
thấy, từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại gần. Lưu ý, buồng cộng hưởng của laser
là tuyến tính, với chất hấp thụ và môi trường khuyếch đại tại hai đầu. Một cấu hình
sử dụng thường xuyên được chú ý là “vòng phản cộng hưởng”. Dòng chất hấp thụ
bão hoà có vị trí ở gần điểm cắt nhau của xung của buồng cộng hưởng phụ nhỏ.
Trong đó xung chính được chia thành hai nửa được kết hợp lại trong cấu hình sóng
đứng trong chất hấp thụ. Với laser vòng khó điều chỉnh chiều dài buồng cộng
hưởng độc lập với tất cả các thông số khác.
Laser màu đặc biệt thành công trong phần ánh sáng nhìn thấy của quang
phổ, nơi mà hầu như tất cả các bước sóng đều được kiểm soát. Lợi thế của việc sử
dụng chất màu hữu cơ trong một dung môi nhớt là dòng phun dung dịch chứa chất
màu cho phép công suất bơm cực kì cao, mật độ vượt quá 10 MW/cm
2
, được tập
trung trên vùng khuếch đại. Những bất lợi của laser màu cũng nằm trong sự bất tiện
khi liên kết với một hệ thống lưu thông chất lỏng. Để giữ lại hầu hết các đặc điểm
của laser màu trong dung dịch lỏng ta thay thế bằng chất màu pha tạp, môi trường
khuếch đại các hạt nano polymer. Tiến bộ đáng kể đã thực hiện được là phát triển
một vật liệu có tính chất quang học tuyệt vời. Những môi trường hoạt động laser
này vẫn chưa được áp dụng như một nguồn femto giây.
Chiều dài buồng cộng hưởng ( so với chiều dài hình học của một xung fs)
của đa số các laser ở chế độ khoá mode đáp ứng một mục đích cần thiết khi cần một
chuỗi các xung thay vì cần một xung. Sự phát xạ của một xung ngắn bằng laser có
buồng cộng hưởng dài đòi hỏi một sự chồng chất chặt chẽ của các mode dao động

trong buồng cộng hưởng với mối quan hệ pha cố định. Tuy nhiên nếu chỉ cần một
xung đơn, thì không cần nhiều hơn một mode dọc trong công tua độ khuếch đại.



9
Xung cực ngắn được tạo ra trong laser có buồng cộng hưởng nhỏ thông qua cộng
hưởng biến điệu độ phẩm chất (Q – switching) hoặc biến điệu độ khuếch đại. Bên
cạnh giới hạn độ rộng dải của độ khuếch đại, thời gian xung được thiết lập bởi độ
rộng phổ của các mode dọc, và do đó thời gian cộng hưởng. Sau cùng được giới hạn
bởi thời gian đi một vòng trong buồng cộng hưởng 2L/c. Lý tưởng nhất là buồng
cộng hưởng của laser cần một phạm vi phổ rộng c/2L vượt quá độ rộng dải của độ
khuyếch đại.
Hai phương pháp phát xung ngắn là hoặc sử dụng buồng cộng hưởng cực
ngắn (độ dày của ngăn chất màu Fabry-perot trong khoảng m) hoặc buồng cộng
hưởng không truyền thống (laser hồi tiếp phân bố), tất cả đều có thành công và
được phát triển cho laser màu (nhưng không giới hạn).
Trong laser phân bố hồi tiếp hai chùm bơm tạo ra một kích thích biến điệu
không gian hoạt động như một cách tử Bragg. Cách tử này đáp ứng như một sự hồi
tiếp (cộng hưởng) của laser và bị phá huỷ trong quá trình phát triển xung. Thời gian
tồn tại của buồng cộng hưởng này ngắn cùng với sự mở rộng không gian nhỏ có thể
tạo ra các xung cỡ ps mà tần số có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kì cách tử.
sau đó được xác định bởi góc chồng lên nhau của hai chùm tia bơm.
Trong một laser “buồng cộng hưởng ngắn” điển hình, bước sóng có thể
được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh độ dày của ngăn chất màu trong phạm vi từ 3
đến 5 m với một bộ biến đổi uốn nhẹ gương sau của buồng cộng hưởng. Với thời
gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng chỉ có 10 fs, rõ ràng thời gian xung sẽ
không thể kéo dài hơn thời gian xung của một xung bơm ps. Như với laser phân bố
hồi tiếp, động lực của sự suy giảm bơm có thể dẫn đến kết quả là các xung ngắn hơn
đáng kể so với xung bơm. Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của laser này có thể

được tìm thấy trong Kurz , ví dụ sử dụng một laser excimer. Szatmari and Schaefer
tạo ra xung 500 fs, điều chỉnh được từ 400 đến 760 nm, trong một loạt các thông tin
phân bố hồi tiếp và laser màu buồng cộng hưởng ngắn. Sau khi SPM và nén lại thì
xung ngắn khoảng 30 fs trong một vùng phổ đã thu được từ 425 đến 650 nm.
1.1.1. Hoạt chất cho laser màu



10
Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm
hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin…gọi là laser màu. Các tính chất
quang học của những chất màu xuất hiện đầy đủ khi các chất màu được hoà tan
trong dung môi. Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở
những vùng ánh sáng khả kiến như C
6
H
6
, C
5
H
5
N, C
4
H
4
N
2
…Ba chất màu thường
được sử dụng làm hoạt chất màu laser là Rhodamine B (RhB), Rhodamine 6G
(RH6G) và Cumarin. Cấu trúc của phân tử chất màu là có chứa các liên kết đôi và

liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trong cùng một mặt.
Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủ trong những dung
dịch lỏng hay dung dịch rắn. Trong dung dịch lỏng, thường quan sát được huỳnh
quang tức thời. Thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích ở khoảng 10
-9
s là
rất ngắn sẽ gây ra khó khăn cho việc tạo nghịch đảo độ tích luỹ. Phổ hấp thụ hay
phát xạ của chất màu gồm những đám cơ bản độ rộng 150 MHz ở trong vùng nhìn
thấy và những đám phụ nằm trong vùng phổ tử ngoại. Sự huỳnh quang của phần lớn
các chất màu không phụ thuộc vào độ dài của bức xạ kích thích. Khi kích thích
Rhodomine B bằng các bước sóng =5890 A
0
hoặc bức xạ tử ngoại =2537 A
0
thì
phổ huỳnh quang của nó không thay đổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử
ngoại thì những phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn cao hơn. Do đó các
phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn kích thích thấp hơn và từ đó bắt đầu
quá trình phát quang không thay đổi. Để đạt được hiệu suất cao, chất màu laser phải
có phổ hấp thụ phù hợp tốt với phổ bức xạ của nguồn bơm.
1.1.2 Tính chất của laser màu
Tính chất quan trọng của laser màu là điều chỉnh được tần số hay bước sóng
do phổ phát xạ của chúng rộng ( 10 – 100nm ~10
13
– 10
14
Hz). Dùng các chất màu
thích hợp thu được bước sóng laser màu từ vùng hồng ngoại gần, vùng nhìn thấy
cho đến vùng tử ngoại gần.
Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm

hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin…gọi là laser màu. Các tính chất



11
quang học của những chất màu xuất hiện đầy đủ khi các chất màu được hoà tan
trong dung môi.
Laser màu là laser sử dụng các hợp chất hữu cơ dùng làm hoạt chất. Những
chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở những vùng ánh sáng khả
kiến như C
6
H
6
, C
5
H
5
N, C
4
H
4
N
2
… Ba chất màu thường được sử dụng làm hoạt chất
màu laser là Rhodamine B ( RhB), Rhodamine 6G (RH6G) và Cumarin.

Hình 1.1: Giản đồ mức năng lượng phân tử chất màu trong dung dịch
Cơ chế hoạt động của laser màu dựa trên chế độ hoạt động hai mức và bốn
mức. Phổ chất màu luôn tồn tại trạng thái điện tử đơn S
0
, S
1,
S
2
và những trạng thái
bội ba T
1
, T
2
tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S=0, S=1 cũng như độ bội
3,1

. Mỗi trạng thái điện tử bao gồm nhiều mức dao động ( liền nét) và nhiều
mức dao động quay ( đường chấm chấm). Do trong chất lỏng cơ chế mở rộng vạch
mạnh hơn nhiều trong chất khí nên những mức quay trong chất lỏng sẽ không phân
giải được dẫn tới phổ hầu như liên tục giữa những mức quay. Khi có sự tương tác
của phân tử chất màu với bức xạ của trường điện từ bên ngoài và theo quy tắc lọc
lựa
0S
nên có dịch chuyển giữa những trạng thái đơn với nhau và trạng thái bội
ba với nhau gọi là trạng thái được phép còn dịch chuyển giữa những trạng thái đơn
và bội ba là bị cấm. Vì vậy phân tử có thể chuyển từ trạng thái cơ bản S

0
đến một
trong những trạng thái dao động của trạng thái S
1
, S
2
. Sau một khoảng thời gian rất
ngắn, phân tử sẽ tích thoát xuống mức dao động thấp nhất của trạng thái điện tử S
1
.
Tích
thoát
Hấp
thụ
Bức xạ
Hấp
thụ
Các trạng thái đơn
S
2
S
1
S
0
T
2
T
1
Các trạng thái bội ba

12
Từ mức này phân tử bức xạ huỳnh quang về mức dao động của trạng thái
điện tử cơ bản S
0
sau đó dịch chuyển không bức xạ về mức dao động thấp nhất của
trạng thái S
0
( hình 1.1). Khi phân tử ở mức thấp nhất của trạng thái S
1
có thể dịch
chuyển về trạng thái bội ba T
1
do sự va chạm. Tương tự như vậy nhờ sự va chạm
cũng làm dịch chuyển từ trạng thái bội ba T
1
về S
0
. Đặc trưng tích thoát:
SP
SP
k

11
(1.1)
SP

: thời gian sống của trạng thái đơn S
1.

k
SP:
tốc độ dịch chuyển từ trạng thái đơn đến trạng thái bội ba.
T

: thời gian sống bội ba.

: thời gian sống trạng thái S
1
.
Laser màu chế độ xung thu được khi sử dụng một số lớn chất màu khác nhau
và nguồn bơm phải có cường độ đủ cao như các đèn có xung rất ngắn (<
s

1
) hoặc
các loại laser khác nhau. Hiện nay dùng các laser Ruby trong chế độ phát xung
khổng lồ, họa ba bậc hai của laser YAG – Nd
+3
hoặc laser khí nitơ, laser Ar
+
hay
Kr
+
…Dùng các sơ đồ bơm ngang, bơm dọc và bơm nghiêng để thực hiện bơm
quang học cho laser màu. Một trong những tính chất quan trọng nhất của laser màu
là khả năng điều chỉnh tần số phát trong giới hạn hàng trăm A
0
.

Khi lựa chọn một
cách hợp lý chất màu, dung môi hòa tan hay độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng
thì sẽ điều chỉnh thô được bước sóng của laser màu. Hiệu suất của laser màu có thể
đạt tới ~25% còn công suất trong chế độ phát xung lên tới hàng chục MW, còn
trong chế độ liên tục có thể đạt tới chục W. Một thành tựu trong sự phát triển của
laser màu là sự pha khí để thay thế cho dung dịch lỏng. Trong chế độ này thích hợp
nhất là sử dụng chất màu không ion có áp suất hơi bão hòa thấp và bơm quang học
dùng laser nitơ. Trong hỗn hợp khí làm việc có thể cho thêm một hay một số chất
khí đệm để tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong những phân tử hoạt động trong
quá trình truyền năng lượng. Đồng thời sự kích thích được truyền từ trạng thái siêu
bền của phân tử khí đếm sang trạng thái đơn của những phân tử hoạt chất. Sự kích
thích chất màu pha khí bằng sự phóng điện cũng đang được nghiên cứu và tương lai



13
còn chú ý đến sự kích thích bằng chùm điện tử nữa. Laser màu có độ rộng dải
khuếch đại lớn được sử dụng rộng rãi để phát những xung cực ngắn trong vùng ps
và fs. Hiện nay việc dùng những laser màu được bơm bằng laser Ar
+
hay Kr
+
rồi
thực hiện đồng bộ mode bằng phương pháp chủ động hoặc bị động hay bơm đồng
bộ. Việc kết hợp với phương pháp nén xung đối với laser màu được đồng bộ mode
trong buồng cộng hưởng dạng vòng sẽ thu được các xung cực ngắn cỡ vài fs.
Những xung cực ngắn này có ứng dụng quan trọng trong quang phổ học laser phân
dải thời gian và trong kỹ thuật thông tin cực nhanh trong sợi quang hay photon học
nói chung.
1.2 Các mode trong buồng cộng hƣởng laser

1.2.1 Mode dọc trong buồng cộng hƣởng
Mode dọc trong buồng công hưởng (BCH) xác định cho chúng ta một cấu
trúc trường ổn định riêng. Đó là phân bố trường tự tái lập sau một chu trình bức xạ
đi vòng quanh BCH. Các mode của BCH mới tạo thành bởi một cặp các gương
phẳng hoặc cầu. Mỗi cấu trúc BCH tạo ra một tập hợp các mode trục dọc có cùng
dạng phân bố năng lượng không gian trên mặt phẳng ngang nhưng mỗi mode lại có
sự phân bố khác nhau theo trục BCH, phụ thuộc vào bước sóng và số lần bước sóng
đi hết một vòng BCH. Các mode trục dọc này có khoảng cách tần số bằng 2c/L, với
c là vận tốc ánh sáng, L là chiều dài quang học giữa hai gương cộng hưởng. Hình
1.1 mô tả bức xạ của một loại laser khi tồn tại một số mode dọc BCH vượt ngưỡng
hoạt động của laser. Mỗi tần số nằm phía trên hình ứng với một mode dọc khác
nhau, nghĩa là khoảng cách mode
f
là sự khác nhau về chiều dài bước sóng trong
BCH.






C/2L
net loss/length
net again/length





14

Hình 1.1: Các mode dọc trong BCH của laser, công tua khuếch đại với phổ tấn
số ứng với đường cong Parabol, các dao động nằm trong hình bao công tua và
ngưỡng trên mức ngưỡng ( net loss) thì mới thỏa mãn điều kiện phát.
Về mặt lý thuyết , để có một laser phát đơn mode dọc cần thiết kế BCH đủ
ngắn để khoảng tần số c/2L phải lớn hơn độ rộng miền kích hoạt của môi trường
tăng ích đối với hoạt chất laser hoặc phải tạo ra được BCH phức tạp có thể điều
chỉnh sự mất mát lớn tới mức loại bỏ được tất cả các mode nằm trong miền dao
động trừ một số mode có mức năng lượng cao nhất.
1.2.2 Mode ngang trong buồng cộng hƣởng laser.
Với một số mode trục dọc có thể có tập hợp các cách phân bố năng lượng
sáng trong BCH. Có thể phân bố khác nhau dưới cùng sự bố trí của hai gương cầu
của BCH, điều này tương đương với sự phân bố năng lượng trên các mặt phẳng
vuông góc với trục BCH khác nhau. Với mỗi cách phân bố năng lượng được gọi là
mỗi mode ngang của BCH. Hình 1.2 chỉ rõ sự phân bố các mode ngang bậc thấp có
sự đối xứng trục vuông góc và ở đó có cả sự đối xứng tròn, cho dù cả hai đặc tính
đối xứng ấy đều tương tự như nhau. Sự phân bố biên độ của các mode ngang này
theo mặt phẳng vuông góc với trục BCH: A(x,y) được đưa ra như sau:
A(x,y) = A
m,n








































2

2
2
/exp
2
2
y
x
HH
y
x
nm

(1.2)

Trong đó x,y là các tọa độ ngang, A
m,n
là hằng số mà độ lớn phụ thuộc vào
cường độ trường của các mode,

là bán kính của mode cơ bản, m=0 và n=0 ứng
với biên độ cực đại 1/e , H
a
(b) là bậc thức a của biểu thức Hermite với biên độ b và
m,n được gọi là chỉ số mode ngang.





n=2

n=3
n=0
n=1



15
Hình 1.2 Hình ảnh mode ngang của laser ứng với chỉ số mode ngang n
biến đổi từ 0 tới 3, m=0.
Hình 1.2 biểu diễn sự biến đổi của biên độ A biến đổi theo trục x với giá trị
của n thay đổi từ 1 tới 3. Ở đây chúng ta chú ý rằng khi chỉ các mode tăng thì sự
phân bố năng lượng của trường theo mặt cắt ngang BCH dần rộng xa dần trục BCH.
Để thu được sự dao động laser đơn mode ngang thì cần sử dụng một số thiết bị để
tạo nên sự mất mát cao đối với tất cả các mode trừ mode ta mong muốn. Vì đối với
các mode bậc cao thì sự lan truyền tỏa ra với trục BCH vì vậy cách dễ dàng hơn cả
để thực hiện dưới hoạt động đơn mode ngang bằng cách đưa vào trong BCH một lỗ
tròn có kích thước sao cho với kích thước ấy mất mát do nhiễu xạ với các mode cơ
bản ít còn với các mode bậc cao sẽ chịu sự tắt dần rõ rệt.
Với các BCH không chịu sự mất mát lớn hơn do nhiễu xạ thì tần số cộng
hưởng của một mode có thể được viết dưới dạng như sau:
 
 





































RR
LLnm

q
L
c
v
21
11cos
1
1
2

(1.3)
Với q+1 là số nửa bước sóng của ánh sáng dọc trục của BCH, m và n là bậc
mode ngang, R
1
và R
2
lần lượt là hai gương của BCH. Trong đó ta cần chú ý các
điểm sau: (1) Với một mode ngang cho trước (m,n cho trước) một số mode dọc có
khoảng cách mode không bằng c/2L. (2) Với một số mode dọc cho trước (q), các
mode ngang có tổng m+n như trên thì không có khoảng tần số bằng các giá trị sau:
v=



























RR
LL
L
c
21
11cos
2
(1.4)
Trong bất kỳ một BCH laser thực tế nào thì một phần của chùm laser bị mất
mát bởi sự rò rỉ khi chùm tia đi quanh các gương có kích thước giới hạn hoặc bởi sự
ngăn chặn của giới hạn độ mở của BCH laser. Những mất mát này phụ thuộc vào
đường kính của chùm tia laser trên mặt cắt ứng với độ mở và bán kính


của độ
mở. Với một số các gương cong và phẳng có chỉ số khác nhau, kích thước chùm tia
tại các gương được xác định giống như ở vô cực khi có sự nhiễu xạ đáng kể. Các



16
dạng mất mát này chúng ta cần hiểu như sơ đồ và nguyên lý hoạt động của BCH
không ổn định. Số Fresnel N
1
thì sự chuyển đổi này là liên tục.


1.3. Các phƣơng pháp đồng bộ mode
1.3.1. Nguyên lý tạo xung cực ngắn
Sự xuất hiện của xung sáng cực ngắn trong một cộng hưởng laser là liên hệ
với sự kiện rằng sẽ có thể kích thích đồng thời rất nhiều những dao động riêng trong
cộng hưởng Laser trong những môi trường kích hoạt với độ rộng dải tương đối lớn
của sự dịch chuyển laser cường độ trường tổng cộng E (t) của tia Laser được cho
như sự chồng chập của cường độ của M dao động riêng mode trụ.

KKeEztE
mimi
m
m

 )(
0
ˆ
.

2
1
.)(

(1.5)
Ở đây tổng lấy từ:
2
)1( 

M
m
đến
2
)1( 

M
m

E
m
: Là biên độ, 
m
là pha của dao động riêng và
L
c



là tần số vùng của
khoảng cách mode. Tần số này được xem là hằng số đối với toàn bộ vùng phát

sóng. Điều này luôn đúng khi ta bỏ qua sự tán sắc của môi trường quang học, mà
độ bán sắc này ảnh hưởng tới độ dài quang học của cộng hưởng L. Những pha 
m

của những dao động riêng khác nhau có thể là độc lập thống kê hoặc phụ thuộc
thống kê với nhau, tuỳ theo đặc trưng của môi trường kích hoạt và của cộng hưởng.
Chúng ta khảo sát trường hợp độc lập thống kê của những pha này (điều này xảy ra
trong những di chuyển mở rộng không đồng nhất mạnh).
Khi đó đối với cường độ tổng cộng chúng ta nhận được:



m
m
EEI
2
2
ˆ
2
1
)t(~
(1.6)
Cường độ tổng cộng sẽ là tổng cường độ các mode riêng, cường độ tổng
cộng có thăng giáng và sự phân bố của chúng có đặc trưng của tiếng ồn dạng Gauss,



17
pha của mỗi mode sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên từ - đến + vì mỗi mode là dao
động độc lập đối với nhau.

Nhưng qua một cơ chế thích hợp trong cộng hưởng laser sẽ có thể thực hiện
được một quan hệ pha xác định (cố định) giữa những dao động riêng khác nhau này.
Do đó tia Laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian. Người ta gọi một
Laser như vậy là Laser đồng bộ mode (mode locking: khoá mode).
Một quan hệ pha xác định giữa các mode có nghĩa là:

m
- 
m-1
=  = constant (1.7)
Ta thay thế 
m
= m

+ 
0
= vào biểu thức (1.5). Khi sự mode có biên độ
0
ˆ
E
bằng nhau ta sẽ tìm được cường độ trường tổng cộng:

KKe
t
m
EtE
ti










 )(
0
0
2
)(
2
sin
ˆ
)(


(1.8)
Các mode giao thoa do sự liên kết pha trong cộng hưởng, và điều đó đã dẫn
tới sự tạo thành xung sáng qua sự chồng chập. Cực đại của cường độ sẽ đạt được ở
thời điểm sẽ bằng không. Có nghĩa là:



m
t
m









2
(1.9)
Tín hiệu ra của Laser được đồng bộ mode sẽ là một đoàn xung hoàn một
khoảng thời gian u.

c
L
M
u
22



(1.10)
Khoảng thời gian u chính là khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng đi một
vòng quanh cộng hưởng. Trong cộng hưởng luôn có chỉ một xung chạy đi và về.
Thời gian xung có thể đánh giá trong bậc:

gen
L
M








22
(1.11)
Ở đây 
gen
là khoảng tần số mà trong đó M mode Laser dao động. Khi bơm
mạnh thể 
gen
sẽ có thể cỡ bằng độ rộng vạch của độ rộng vạch phổ của dịch



18
chuyển Laser. Như vậy muốn tạo được xung cực ngắn thì độ rộng vạch phổ của
dịch chuyển Laser cần phải lớn. Mode giá trị giới hạn của độ dài xung là cho qua
giá trị nghịch đảo của độ rộng vạch.
Cho nên đối với Laser khí áp suất thấp, độ dài xung chỉ đạt cỡ ns và dưới ns.
Đối với Laser rắn, độ dài xung ngắn nhất đạt cỡ độ ps và đối với Laser màu độ dài
xung thể đạt tới dưới ps và có thể tới vùng fs.
Những xung đạt được trong Laser đồng bộ mode không những có độ dài
xung rất ngắn mà còn đạt công suất đỉnh rất cao. Cường độ cực đại tỷ lệ với
2
0
2
ˆ
EM
còn trong trường hợp không có đồng bộ mode chỉ cường độ chỉ tỷ lệ với
2

0
2
ˆ
EM
tức là M là nhỏ hơn khi có công suất mode như nhau trong hai trường hợp.
Những phương pháp quan trọng nhất để đồng bộ mode là:
Đồng bộ mode chủ động
Bơm đồng bộ để đồng bộ mode
Đồng bộ mode bị động.
Sau đây tôi xin trình bày một phương pháp bơm đồng bộ
 
2

1.3.2. Phƣơng pháp khoá mode chủ động
Phương pháp này là biến điệu sự mất mát bằng cách dùng một bộ điều biến đặt
bên trong buồng cộng hưởng. Bộ biến điệu này được điều khiển nhờ một tín hiệu
bên ngoài với tần số biến điệu bằng tần số của khoảng cách mode của các mode trục
riêng. Yếu tố này sẽ gây ra sự biến điệu về biên độ của các mode dọc. Có ba kĩ
thuật có thể khảo sát trong phương pháp này là biến điệu biên độ (AM), biến điệu
tần số (FM) và phương pháp bơm đồng bộ.
 Biến điệu biên độ
Thường sử dụng bộ biến điệu mất mát âm quang đặt trong buồng cộng
hưởng. Sóng siêu âm sẽ đi qua môi trường trong suốt về quang học là thạch anh.
Chu kì không gian của sự biến điệu sẽ bằng nửa bước sóng siêu âm. Chu kì không
gian được tạo nên do hiệu ứng quang đàn hồi gây bởi sóng siêu âm làm xuất hiện
một cách tử pha. Khi một sóng tới xuất hiện trên một cách tử pha như vậy thì một



19

phần cường độ sẽ bị nhiễu xạ trong hướng khác. Phần này của tia có thể điều khiển
một thông số thích hợp nhờ cộng hưởng để tạo nên mất mát năng lượng được biến
điệu một cách tuần hoàn theo thời gian. Sóng siêu âm được đưa vào trong môi
trường trong suốt nhờ một bộ truyền áp điện để biến đổi một tín hiệu các tần số
thành năng lượng siêu âm.
 Biến điệu tần số
Nếu tần số biến điệu bằng tần số khoảng cách mode làm cho các dải liên kết mỗi
mode sẽ cộng hưởng với các tần số mang của các mode khác. Kết quả có sự liên kết
mạnh của các mode này và tạo ra chuỗi các xung bị khoá mode. Đây là cơ sở của
phương pháp khoá mode biến điệu tần số. Kĩ thuật này dùng biến điệu điện quang
để khoá mode.
 Bơm đồng bộ
Thực hiện bơm đồng bộ nhờ sự biến điệu độ khuyếch đại của laser bằng cách bơm
một laser qua một đoàn xung liên tục của laser khác đã được đồng bộ mode. Chỉ khi
độ dài buồng cộng hưởng cần đồng bộ mode phải xấp xỉ bằng độ dài buồng cộng
hưởng laser dùng để bơm thì dưới những điều kiện xác định sự khuyếch đại sẽ biến
điệu theo thời gian với chu kì bằng chu kì buồng cộng hưởng. Ngoài ra trong
khoảng thời gian của sự khuyếch đại cực đại, dưới những điều kiện tối ưu phương
pháp này có thể tạo ra một xung ngắn hơn xung bơm từ hai đến ba bậc. Đối với
laser màu sử dụng đồng bộ mode bằng bơm đồng bộ được bơm bằng một đoàn xung
của một laser Ruby đã đồng bộ mode. Khi buồng laser Ar
+
hay Kr
+
được đồng bộ
mode chủ động thu được laser màu phát xung cực ngắn dưới 1ps.
Sự biến điệu tuần hoàn các thông số laser có thể thực hiện không những bằng
các tín hiệu từ bên ngoài mà còn cơ chế tự động quay trong buồng cộng hưởng. Để
đạt được mục đích này, cần phải có phần tử phi tuyến đặt trong buồng cộng hưởng,
chẳng hạn một chất hấp thụ bão hoà. Chính vì đồng bộ mode mà không cần tín hiệu

điều khiển từ bên ngoài nên phương pháp này được gọi là phương pháp đồng bộ
mode bị động hay tự động.
 
1

1.3.3 Cơ chế phát xung cực ngắn bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ



20
Đồng bộ có thể thực hiện được những phương pháp biến điện các thông số
của Laser như biến điện sự mất mát bên trong hay độ dài quãng đường quang học
trong cộng hưởng.(phương pháp chủ động).
Ngoài ra cũng có thể thực hiện sự đồng bộ mode qua việc biến điện sự
khuyếch đại của nó. Điều này được thể hiện bằng cách bơm một Laser qua mode
đoạn xung liên tục của một Laser khác mà Laser này đã được đồng bộ mode.
Điều quan trọng là độ dài cộng hưởng của Laser cần đồng bộ mode phải
bằng hoặc gần bằng độ dài cộng hưởng của Laser dùng để bán (hoặc bán 1 số
nguyên lần sắc). Như vậy thì được những điều kiện xác định, sự khuyếch đại số
được biến điện theo thời gian với một chu kỳ biến điện bằng thời gian đi vòng
quanh cộng hưởng.
Tương tự như trong sự biến điện hao phí bên trong cộng hưởng sẽ tạo nên
trong trường hợp này (đồng bộ một - bán đồng bộ), ở trong vùng thời gian (khoảng
thời gian) của sự khuyếch đại cực đại. Một xung ngắn hơn cả mà độ dài của nó
dưới những điều kiện tối ưu sẽ từ 2 đến 3 bậc ngắn hơn độ dài của xung bơm.
Phương pháp bơm đồng bộ thực tế được quan tâm đặc biệt đối với Laser màu
và Laser này được kích thích bằng quang học một cách thuận lợi hơn và nó mode
công tua khuyếch đại rất rộng (độ rộng dài: 10
13
10

14
) .
Trong cộng hưởng và làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục.
(Ví dụ như mầu Fabry - Ferol, một…………. hay một lăng kính). Do đó có
thể điều chỉnh tần số của Laser mầu như vậy trong một vòng xác định nào đó.
Độ rộng phổ của yếu tố lọc lựa tần số không được quá nhỏ vì nếu không
xung sẽ bị kéo dài.
Do những lý do trên mà Laser màu đạt được trong những năm gần đây nhiều
ý nghĩa lớn trong việc tạo những xung ps và dưới ps.
Đồng bộ mode Laser màu dòng bán đồng bộ được sử dụng tương đối sớm.
Ở đó một Laser màu đã được bơm bằng đoàn xong của một Laser Rubin đã được
đồng bộ mode hoặc bằng hoạ ba bậc hai của Laser thuỷ tinh Nêôđyn. Tuy nhiên
xung Laser màu đạt được trong những thực nghiệm này ở độ dẫn chỉ ở Laser Ar
+




21
hay Kr
+
được đồng bộ mode chủ động đã đạt được Laser màu với độ xung cực ngắn
dưới 1 ps và thấy là một phương pháp rất có lợi.
* Cơ chế của sự biến điện bộ khuyếch đại hay trong việc bơm đồng bộ.
Laser màu được bơm đồng bộ bằng đoàn xung liên tục của một một Laser
được đồng bộ mode chủ động. Ví dụ: Laser Ar
+
được đồng bộ mode tích cực có độ
dài xung khoảng 100ps đến 200ps. Thời gian tích thoát của mức Laser trên T
31

đối
với Laser màu mà ta sử dụng là nằm trong vùng ns. (Thí dụ: đối với Khodamin 6G
thì T
31
= 5ns) và như vậy là lớn so với độ xung của Laser bơm hay xung của Laser
phát nhưng lại là nhỏ hơn so với thời gian vòng quanh cộng hưởng
C
L
u
2
0

. Có
nghĩa là:
T
1
,T
p
<< T
31
, T
32
< u
0



100-200ps
100-200ps

0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
200 400 600


(*)
K.®¹i
tÞnh
0
t/ps
Xung laser
A+
+
xung
Công
suất
t/ps



22
0
0.2
0.4
0.6

0.8
1
200 400 600

Sự phát triển theo thời gian của sự khuyếch đại tịnh và của các cường độ của
Laser bơm và Laser mầu trong một vùng Laser được bơm đồng bộ.
Ta nhận thấy rằng: Dưới điều kiện này (*) thì sự nghịch đảo độ tích luỹ của môi
trường kích hoạt chỉ phụ thuộc vào năng lượng bán được đưa thêm ở thời điểm đó.
Như ở hình trên đã diễn tả, hệ số khuyếch đại tăng dần do kết quả của sự
bơm, tăng cho đến khi vượt quá mức ở sự hao phí,điều đó có nghĩa nó sẽ đạt được
ngưỡng Laser. Từ thời điểm này Laser bắt đầu phát. Năng lượng của xung Laser sau
đó tăng nhanh và đạt được vùng dao động trong chế độ làm việc mới Laser, có
nghĩa là kết thúc quá trình tăng của khuyếch đại. Sự nghịch đảo độ tích luỹ của chất
màu sẽ bị giảm do sự phát xạ cưỡng bức, qua đó sự khuyếc đại lại giảm nhanh
xuống giá trị mức hao phí.
Điều kiện của sự khuyếch đại thuần tịnh dương là chỉ được thực hiện trong
một khoảng thời gian nhỏ của thời gian xung bơm cho nên tia Laser tạo nên chỉ tập
trung ở khoảng xung rất ngắn. Việc giảm sự khuyếch đại qua những lớp xung Laser
được tạo ra tự nó là một khởi điểm quan trọng cho sự đồng bộ mode có kết quả, vì
qua đó sự cắt xung ở mặt sau đã được thực hiện. Điều quan trọng ở đây là xung
Laser trong chế độ liên tục phải chạy luôn luôn đồng bộ chính xác với xung bơm
qua môi trường kích hoạt. Điều đó cũng có nghĩa là: Một sự điều chỉnh tương đối
chính xác của độ dài cộng hưởng của hai Laser phải đạt cỡ Micromet
Phương pháp đồng bộ mode bằng bơm đồng bộ cũng có thể áp dụng cho
Laser bán dẫn và được chú ý đặc biệt. Ở đó một mặt có khả năng tạo bơm quang



23
học đồng bộ (Ví dụ: Nhờ sự giúp đỡ của Laser), một mặt khác có thể bơm đồng bộ

không quang học qua việc biến điện của dòng phun.
 
2









CHƢƠNG 2 : LASER MÀU CPM VÀ KỸ THUẬT NÉN XUNG CỰC NGẮN
2.1 Cấu trúc buồng cộng hƣởng
Xét chất hấp thụ bão hoà được đặt trong một buồng cộng hưởng laser màu
dạng vòng khoá mode bị động bằng va chạm xung:









Hình 2.1: Sơ đồ laser màu dạng vòng khóa mode thụ động bằng va chạm
xung sử dụng chất bão hòa
b
T
0

: khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hoà và môi trường
khuếch đại.
Giả sử buồng cộng hưởng laser màu dạng vòng khoá mode bằng va chạm
xung gồm một môi trường hấp thụ bão hoà ( chất hấp thụ ) và một môi trường
5%
100%
100%
100%
Gương ra
Hấp thụ
Khuếch đại
Xung L
Xung R
T
0
b
= T
c
/4



24
khuếch đại. Trong đó, chất hấp thụ là dòng phun dung dịch chứa chất màu DODCI
được hoà tan trong ethylene glycol. Môi trường khuếch đại là dòng phun dung dịch
chứa chất màu Rhodamine 6G ( Rh6G) cũng được hoà tan trong ethylene glycol có
nồng độ thích hợp với tốc độ chất màu. Hoạt chất được kích thích bởi laser Argon
CW có công suất khoảng ( 3-7 W) với bước sóng 5145 A
0
( 514,5nm).

Khoảng cách giữa chất hấp thụ bão hoà và môi trường khuếch đại được chọn
bằng Lc/4 để thuận lợi cho tính toán và tạo ra sự cân bằng biên độ cho các xung khi
đi đến gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà. Lí do như sau:
Nếu chọn bằng Lc/2 thì hai xung gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà, sau
một thời gian bằng một nửa thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng hai xung sẽ
gặp nhau trong môi trường khuếch đại. Nếu chỉ cần đi một ít, khi đó khoảng cách
chất hấp thụ và môi trường khuếch đại không bằng Lc/2 thì hai xung đến môi
trường khuếch đại từ hai phía không đồng thời, chúng tương tác lẫn nhau trong môi
trường khuếch đại và sẽ được khuếch đại khác nhau, tạo ra sự không ổn định khi
quay lại gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà.
Nếu chọn bằng Lc/4 thì hai xung được khuếch đại cách nhau khoảng thời
gian bằng nửa thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng. Nếu bị lệch đi một ít, tức
là khoảng cách chất hấp thụ và môi trường khuếch đại khác Lc/4 thì cũng không
ảnh hưởng đến sự khuếch đại vì trong thời gian đó các nguyên tử sau khi bức xạ
xuống trạng thái cơ bản đã kịp chuyển lên trạng thái kích thích và việc chọn này
cũng thoả mãn điều kiện giao thoa của hai xung trong chất hấp thụ bão hoà.
Cơ chế tạo thành xung cực ngắn trong buồng cộng hưởng: Khi tia laser bơm
đã vượt quá ngưỡng phát laser thì trường tia laser phát ra sẽ bao gồm một sự chồng
chập thống kê của nhiều đỉnh thăng giáng theo thời gian do tác động của tạp âm.
Chất hấp thụ bão hoà ưu tiên cho những thăng giáng mà ở đó có cường độ cực đại
vì đối với những nhóm thăng giáng này do có sự bão hoà của chất hấp thụ nên sự
mất mát là ít nhất. Cứ như vậy các thăng giáng khác sẽ bị ức chế và cuối cùng tạo
thành một xung cực ngắn. Do sự cùng tác dụng của sự giảm khuếch đại và sự bão



25
hoà của chất hấp thụ lên xung sẽ làm xuất hiện một chế độ trung tâm là có khuếch
đại.
2.2 Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật nén xung

Sự nén xung đạt được bằng hai bước liên tiếp:
Bước 1: Xung truyền qua mẫu phi tuyến, trong đó sự điều biến pha làm tăng
độ rộng dải xung ( tạo chirp ).
Bước 2: Xung bị biến điệu tần số truyền qua mẫu quang học phi tuyến (cách
tử , lăng kính …). Mẫu này bù trừ với sự điều biến pha trong khi độ rộng xung
không đổi. Thời gian xung ra được xác định bởi độ rộng xung sau khi đi qua mẫu
phi tuyến nên nó ngắn hơn đáng kể so với xung lối vào.
Khảo sát bước thứ 2 một cách chi tiết: Biểu diễn xung có chirp theo tần số
nhân nó với hàm truyền của các phần tử tuyến tính thu được:
)()(
12
)()(


ii
eeaa


(2.1)
Để xung lối ra đạt cường độ đỉnh cực đại
)(

phải thỏa mãn điều kiện:
)(

=
)(


Khi đó với n

2
:
)()(
)()(

nn

(2.2)
Hầu hết các phần tử tuyến tính được dùng trong quá trình nén xung có hàm
truyền
)(

và
)(
)2(

. Sự nén xung cực đại với các phần tử này nếu
)()(
)2()2(


. Trên quan điểm lí thuyết hàm pha bất kì
)(

có thể phù hợp theo
các bậc n nếu ta dùng n yếu tố tuyến tính thích hợp. Ví dụ B
1
, B
2
, B

3
….B
n
mà trong
đó sự tán sắc có thể điều chỉnh được.
Ta có:







L
m
m
m
L
d
d




)(
0
)(
(2.3)
Tương ứng với quá trình nén xung ta xét phần tử tuyến tính làm thay đổi
năng lượng xung hay

1)( 

R
cho thấy dưới những điều kiện xác định các xung có
chirp cũng có thể bị nén nhờ một quá trình lọc phổ đơn giản liên quan đến sự hao