(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ KIỀU OANH

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ ĐO ĐỘ RỘNG
XUNG LASER BẰNG KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

THÁI NGUYÊN - 10/2018


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC

NGUYỄN THỊ KIỀU OANH

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ ĐO ĐỘ
RỘNG XUNG LASER BẰNG KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ QUANG HÒA

THÁI NGUYÊN - 10/2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018
Học viên

Nguyễn Thị Kiều Oanh


ii

LỜI CẢM ƠN
Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng gắn liền với sự hỗ trợ
giúp đỡ của những người xung quanh. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm
luận văn đến nay, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô,
gia đình và bạn bè.
Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến quý Thầy Cô của trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Thái
Nguyên đã tâm huyết truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu trong
suốt hai năm học Thạc Sỹ tại trường.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Quang Hòa đã
tận tâm chỉ bảo hướng dẫn em qua từng buổi học, trong những giờ thực hành,
tạo mẫu, trên phòng thí nghiệm, các buổi thảo luận về đề tài nghiên cứu. Nhờ
có những lời hướng dẫn dạy bảo đó, bài luận văn này của em đã hoàn thành

xuất sắc nhất. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy.
Do vốn kiến thức của em còn hạn chế và thời gian nghiên cứu có hạn
nên trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn cùng lớp để
bài luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Kiều Oanh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................ii
MỤC LỤC ......................................................................................................iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ ..................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN ................................................. 3
1.1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây............................ 3
1.2. Cấu tạo laser........................................................................................... 3
1.3. Các laser phát xung ................................................................................ 7
1.4. Laser màu ............................................................................................... 8
1.5. Laser màu xung ngắn ........................................................................... 12
1.5.1. Phương pháp Mode - locking........................................................ 12
1.5.2. Phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS).................................. 14
1.5.3. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation) 15
1.5.4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity - Quenching) .. 16
1.5.5. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback) ............. 19

1.6. Kết luận chương ................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỘ RỘNG XUNG .......................... 21
2.1. Đo độ rộng xung trực tiếp .................................................................... 21
2.1.1. Kỹ thuật đo bằng Photodiode........................................................ 21
2.1.2. Đầu đo nhân quang điện ............................................................... 24
2.1.3. Streak - Camera ............................................................................ 26
2.2. Kỹ thuật đo đặc trưng thời gian gián tiếp ............................................ 28
2.2.1. Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian [14]................... 28
2.2.2. Kỹ thuật đo phân giải cổng tần số (FROG) [15].......................... 32


iv
2.2.3. Đo độ rộng xung bằng kỹ thuật tự tương quan [13]..................... 34
2.3. Kết luận chương ................................................................................... 40
CHƯƠNG 3: ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER PICÔ - GIÂY................... 42
3.1. Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô - giây [16] ....... 42
3.2. Thiết lập hệ đo xung............................................................................. 46
3.2.1. Bố trí thí nghiệm............................................................................ 46
3.2.2. Hiệu chỉnh hệ đo ........................................................................... 48
3.2.3. Thực nghiệm đo độ rộng xung ...................................................... 49
3.3. Kết luận chương ................................................................................... 54
KẾT LUẬN .................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56


v

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
DFB

Phương pháp phản hồi phân bố

STS

Phương pháp chọn lọc phổ thời gian

BCH

Buồng cộng hưởng

DFDL

Laser màu phản hồi phân bố

TCSPC

Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian

FROG

Kỹ thuật đo phân giải cổng tần số

PMT

Nhân quang điện

IFR

Hàm đáp ứng của thiết bị

BBO

Tinh thể phi tuyến quang học


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Số

Tên hình, sơ đồ

hiệu bảng
1.1
1.2

Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử
Khoảng lựa chọn bước sóng của các chất màu
laser

Trang
4
9

1.3

Sơ đồ bơm cho laser màu

11

1.4

Các mode dọc trong buồng cộng hưởng

12

1.5
1.6
1.7

Tiến trình phổ trong phát xạ laser màu của
PM567/polymer BCH
Sơ đồ một laser màu rắn Picô - giây STS
Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích
thích sóng chạy

15
15
16

1.8

Cấu hình của laser màu BCH quenching

17

1.9

Kết quả tính toán cho thấy laser ra

18

1.10
2.1

Đặc trưng thời gian của bức xạ laser màu BCH Q
– thấp theo cấu hình BCH kép
Sơ đồ nguyên lý đo bằng photodiode phân cực
ngược

19
21

2.2

Đi - ốt thác lũ

23

2.3

Sơ đồ nguyên lý hệ đo Streak - Camera

26

2.4
2.5
2.6

Sơ đồ nguyên lý đo đếm đơn photon tương quan

thời gian
Sơ đồ khối nguyên lý kỹ thuật đếm đơn photon
tương quan thời gian
Độ phân giải thời gian của các kỹ thuật đo

28
29
31


vii
Số

Tên hình, sơ đồ

hiệu bảng

Trang

2.7

Sơ đồ cấu hình hệ đo FROG

32

2.8

Các thông tin từ tín hiệu FROG

34

2.9

Sơ đồ nguyên lý đo tự tương quan

36

2.10
2.11
3.1
3.2

Cấu hình môt hệ đo độ rộng xung theo nguyên lý
tự tương quan giao thoa
Phương pháp đo loại bỏ nền trong kỹ thuật đo tự
tương quan
Cấu hình laser màu phản hồi phân bố sử dụng
gương chia chùm
Cách tử Bragg có N (chu kì) gương bán phản xạ
song song

38
40
42
44

3.3

Mô tả ánh sáng phản xạ theo điều kiện Bragg

45

3.4

Sơ đồ xây dựng hệ đo tự tương quan cường độ

46

3.5

Hệ đo tự tương quan cường độ

47

3.6

Giao diện hệ đo tự tương quan cường độ

49

Đường cong biểu diễn hàm tự tương quan theo
3.7

thời gian trễ của bức xạ laser từ buồng cộng
hưởng DFDL hoạt động ở chế độ nhiễu xạ Bragg

51

bậc 2
3.8

3.9

Phân tách biểu diễn của một xung đa thành phần
Độ rộng xung và vết tự tương quan đối với một
bức xạ đa xung

53
54


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
hiệu bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Một số thông số của các đầu thu khác nhau

30

3.1

Tương quan thời gian - phổ của các dạng xung

52


1
MỞ ĐẦU
Một trong những phát minh to lớn trong lĩnh vực vật lý của thế kỷ 20 là
sự chế tạo ra các laser. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại cường độ ánh sáng nhờ
vào hiện tượng phát xạ cưỡng bức (cảm ứng). Hiện tượng này đã được Albert
Einstein đưa ra giả thuyết và đăng trên tạp chí vào năm 1917. Tuy nhiên để
quan sát được bằng thực nghiệm thì phải chờ tới sự phát minh, vào những
năm 1954 - 1955, của nhà vật lý người Nga và người Mĩ. Như ta đã biết vào
những năm 1960 ông Maiman, nhà vật lý người Mĩ đã tạo ra máy laser đầu
tiên, sử dụng môi trường hoạt tính là chất rắn hồng ngọc (Ruby), phát sóng
ánh sáng trong vùng quang phổ khả kiến 0,64 µm. Từ năm 1960 trở đi, hàng
loạt laser khác nhau ra đời. Để đơn giản trong cách gọi tên chúng thường
được phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lý của môi trường hoạt tính:
rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học... Hoặc dựa vào đặc tính bức xạ laser
(dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung. Hoặc dựa vào phương pháp kích
thích: quang học, hóa học, điện...
Sự xuất hiện của laser sau những năm 1960 đã đưa ngành quang học
sang giai đoạn phát triển mới, quang phi tuyến và đã tạo ra một sự đột biến về
công nghệ. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại
trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn
[1,2]… Ngoài ra vật lý laser đã hỗ trợ sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác
như truyền tải thông tin, truyền tải năng lượng [3,4], giải trí, công nghiệp, y
sinh, công nghệ sinh học…[5,6,7]. Có thể nói những ứng dụng của laser vào
nghiên cứu khoa học và công nghệ là rất phong phú. Đặc biệt tiến bộ trong
việc tạo ra nguồn xung laser cực ngắn là cơ sở, công cụ không thể thiếu trong
nghiên cứu khoa học và công nghệ [8,9]. Nó có vai trò hết sức to lớn trong

cuộc sống hiện đại cũng như trong nghiên cứu. Để có thể xác định được đặc


2
trưng thời gian của các xung quang học đã nêu ở trên thì việc xây dựng hệ đo
độ rộng xung laser là một yêu cầu tất yếu. Tuy nhiên, đo trực tiếp xung laser
là rất khó vì các thiết bị điện tử thông thường không có tính đáp ứng thời gian
phù hợp nhưng có thể đo gián tiếp. Do đó, một trong các kỹ thuật đo độ rộng
xung gián tiếp là phương pháp tự tương quang được chọn. Việc nghiên cứu và
phát triển các phương pháp, hệ đo xung quang học có độ phân giải thời gian
cao hơn nữa bằng phương pháp tự tương quan có ý nghĩa vô cùng quan trọng.
Vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung
laser bằng kỹ thuật tự tương quan” để thực hiện trong luận văn này.
Mục tiêu của luận văn:
+ Nghiên cứu về các đặc trưng của bức xạ laser cực ngắn.
+ Tính toán xây dựng một hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự
tương quan trong khoảng thời gian Picô - giây.
+ Đo độ rộng xung laser màu phản hồi phân bố.
Nội dung luận văn: Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương
pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu thực nghiệm và dựa trên cơ
sở lý thuyết tự tương quan để có thể tính toán xây dựng một hệ đo độ rộng
xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan trong khoảng thời gian Picô - giây.
Bố cục của luận văn:
+ Mở đầu
+ Chương 1: Giới thiệu laser và các loại laser xung.
+ Chương 2: Các kỹ thuật đo độ rộng xung.
+ Chương 3: Đo độ rộng xung laser Picô - giây.


3

CHƯƠNG 1:
LASER MÀU XUNG NGẮN
1.1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây
Bức xạ laser là các bức xạ điện từ trong một vùng phổ từ vùng tử ngoại
gần (180 nm) đến vùng hồng ngoại (1mm). Chùm sáng từ bức xạ laser liên
tục thường có công suất trong một khoảng vài mili - Oat (mW) đến vài chục
(thậm chí vài trăm) Oat (W). Nếu cũng công suất này chỉ xuất hiện trong một
khoảng thời gian ngắn thì các xung laser có công suất đỉnh trở nên rất lớn
được tính theo công thức ∆P = ∆E/∆τ trong đó ∆E là năng lượng của laser và
∆τ là độ bán rộng về thời gian của xung laser. Do đó, với các xung laser càng
ngắn sẽ cho ra các xung có công suất rất lớn. Mặt khác, độ bán rộng thời gian
của các xung laser thỏa mãn điều kiện Heisenberg ∆ν. ∆τ ≤ a trong đó a là
một hằng số được quyết định bởi dạng xung.
Về nguyên lý, các bức xạ laser là đơn sắc tức là chỉ tồn tại duy nhất
một mode dọc nhưng thực tế các bức xạ có thể bao gồm một vài mode có
bước sóng lân cận nhau bởi chúng phù hợp với số nguyên lần chiều dài buồng
cộng hưởng. Đặc điểm này sẽ ảnh hưởng tới quá trình xác định độ dài xung
(độ bán rộng xung) do sự chồng chập của các mode trong phép đo thời gian
và sai lệch khi xác định số gia ∆ν trong hệ thức bất định. Do đó, để có thể xác
định được chính xác độ rộng xung laser, cần phải xem xét đến bản chất của
các xung laser như: nguồn phát, công suất laser, vùng phổ…
1.2. Cấu tạo laser
Về nguyên lý máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chính
như trên hình 1.1 là: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng
cộng hưởng quang học [10].


4

Gương

90%

Gương
100%
Môi trường trong suốt chứa
các nguyên tử hoặc phân tử
có khả năng khuếch đại ánh
sáng

Bức xạ
laser ra

Đèn công suất cao
Hình 1.1. Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử
a) Môi trường hoạt tính
Bộ phận quan trọng nhất của laser là môi trường hoạt tính. Nó có
nhiệm vụ khuếch đại cường độ sáng khi ánh sáng truyền qua. Môi trường hoạt
tính cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: có hiệu suất huỳnh quang cao, có thời
gian sống huỳnh quang đủ lớn, có độ truyền qua tốt trong dải bước sóng phát
laser thường được phân chia thành các nhóm sau:
- Môi trường hoạt tính rắn: bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh (glass)
được pha trộn thêm các nguyên tố hiếm như Nd3+, Cr3+... Laser rắn điển hình là
Ruby, ngoài ra có Nd:YAG, Ti:Sphire, sợi quang học pha đất hiếm...
- Môi trường hoạt tính lỏng: bao gồm các dung dịch màu (Rodamin,
Coumarin..)
- Môi trường hoạt tính khí: He - Ne, N2, CO2...
- Môi trường hoạt tính bán dẫn: như Ga As, PbS, PbTe... Về cơ bản
những hoạt chất này phải là những chất phát quang.
Sự khác nhau của môi trường hoạt tính còn được dùng để gọi tên laser
theo phân nhóm về mặt kỹ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu, laser bán dẫn…

5
b) Nguồn bơm
Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính
phải ở trạng thái kích thích. Điều đấy được thực hiện bằng cách cung cấp
năng lượng cho môi trường hoạt tính thông qua một nguồn bơm. Người ta
thường sử dụng các loại nguồn bơm sau cho các loại laser thông dụng:
- Nguồn bơm quang học bao gồm các loại đèn, các loại laser, diode
phát quang… Thường thì ánh sáng của nguồn bơm được chọn sao cho phổ
của nó nằm trong vùng cực đại hấp thụ của môi trường hoạt tính để hiệu suất
bơm được tối ưu. Phương pháp này thường được áp dụng cho môi trường
hoạt tính là chất rắn hay chất lỏng.
- Nguồn bơm điện sự phóng điện trong môi trường hoạt tính dưới điện
áp cao thế thường áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất khí. Hoặc nguồn
dòng điện áp thấp tạo nên sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử qua vùng cấm
của các chất bán dẫn được sử dụng làm nguồn bơm trong các laser bán dẫn.
- Bơm quang học và bơm điện là hai cách thông dụng nhất. Ngoài ra
còn có nguồn bơm hóa học và nguồn bơm khí động học, nhưng hai cách này
ít được sử dụng. Mục đích của việc bơm là tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy
(tức là số lượng phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích nhiều hơn ở
trạng thái cơ bản) trong môi trường hoạt tính.
Khi sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập thì phần lớn các phân tử hay
nguyên tử trong môi trường hoạt tính đều ở tình trạng sẵn sàng phát ra ánh sáng
hoặc đang phát ra ánh sáng theo quy luật phát xạ tự nhiên. Cường độ phát sáng
của cả hệ tỉ lệ với số phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích.
b) Buồng cộng hưởng
Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên ở trên thành nguồn sáng laser
thì ta cần có các điều kiện đặc biệt để chuyển biến sự phát xạ tự nhiên (tự
phát) thành sự phát xạ cảm ứng. Để thực hiện được điều đó cần đặt môi

6
trường hoạt tính vào trong một buồng cộng hưởng quang học, ví dụ như hai
gương song song.
Để phân loại buồng cộng hưởng người ta thường dựa vào tính chất và
hình dạng của các gương. Loại buồng cộng hưởng đơn giản nhất là buồng
cộng hưởng Fabry - Perot, một hệ gồm hai gương phản xạ đặt đồng trục và
song song với nhau. Một trong hai gương có hệ số phản xạ R=100%, còn
gương thứ hai có độ phản xạ R<100% và độ truyền qua là T=100% - R. Sự
mất mát cường độ sáng do hấp thụ hay tán xạ của hai gương phải là không
đáng kể. Vì sự khắt khe về kỹ thuật trên nên việc chế tạo gương dùng cho
buồng cộng hưởng phải do những nhà sản xuất chuyên về linh kiện quang học
đảm nhiệm. Khó khăn khác nữa là việc lắp đặt hai gương song song một cách
tuyệt đối. Để làm được điều này thi hai gương phải được đặt trên giá đỡ có
các trục điều chỉnh X, Y, với độ chính xác dưới 1µm.
Ngoài việc sử dụng gương phẳng thì người ta còn dùng gương cầu,
gương cầu lõm để xây dựng buồng cộng hưởng. Theo nguyên lý của quang
hình học, nếu tia sáng truyền đồng trục với buồng cộng hưởng thì sự lan
truyền đó không phụ thuộc vào bán kính cong của hướng. Như vậy, sự phản
xạ liên tiếp theo phương đồng trục không phụ thuộc vào chiều dài buồng cộng
hưởng. Với buồng cộng hưởng sử dụng gương cầu lõm thì việc điều chỉnh
phát ra tia laser là dễ dàng hơn so với buồng cộng hưởng sử dụng gương
phảng. Tuy nhiên, việc thu được chùm tia laser song song là khó khăn hơn.
Với laser phát xung ngắn ví dụ femto giây, thì bên trong buồng cộng
hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laser hoạt động
theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ của laser rất rộng, độ
rộng phổ này lên tới 300 nm đối với laser femto). Nhờ vào yếu tố xung cực
ngắn là công suất cực đại và khả năng phân giải theo thời gian của laser femto
là rất cao.

7
1.3. Các laser phát xung
a) Laser rắn
Các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế
tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh. Laser rắn cho phép phát các xung có
năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên
cứu mà còn trong ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều loại laser rắn khác nhau
nhưng phổ biến nhất là loại laser pha tạp Nd3+ (như YAG:Nd, YVO4:Nd3+...)
hoặc Ti3+ (như Ti: Saphire).
b) Laser bán dẫn [11]
Laser bán dẫn có môi trường hoạt chất là các lớp bán dẫn p - n pha tạp.
Sự chuyển mức năng lượng do quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong
một buồng cộng hưởng tạo ra hiệu ứng laser. Quá trình bơm năng lượng được
thực hiện trực tiếp bằng tiêm dòng điện qua các điện cực được đặt trên hai lớp
bán dẫn khác loại. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất
của các laser bán dẫn. Các loại nguồn bơm khác có thể được sử dụng như kích
thích quang, phun chùm điện tử.
So với các laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở
dạng hình học của chúng đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất
nhở. Ví dụ, kích thước một laser bán dẫn lớn chỉ cỡ 1 mm. Cần chú ý rằng,
tính chất vật lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số
bên ngoài tác đông như áp suất, nhiệt độ…và điểm này là sự khác biệt nổi bật
nữa so với các laser tinh thể hay thủy tinh. Chính do có các khác biệt nêu ở
trên mà sự phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode…ở
laser bán dẫn khác hẳn với laser rắn hay khí làm việc theo các mức năng
lượng. Qúa trình trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn
đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công
trình lí thuyết về laser bán dẫn đã ra đời trước khi xuất hiện laser bán đẫn

trong phòng thí nghiệm.


8
c) Laser khí
Laser khí là loại laser có thể hoạt động ỏ chế độ phát xung hoặc chế độ
liên tục nên có nhiều ứng dụng kĩ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so
với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng
của các khí nguyên tử hay phần tử đã được nghêm cứu kỹ, vùng bước sóng
phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, có thể đạt được công
suất phát lớn mà không cần dùng phương pháp biến điệu độ phẩm chất (Q
switching)…
d) Laser lỏng
Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được dùng làm hoạt chất
phát laser. So với hai loại laser trên laser lỏng có một số ưu điểm sau:
- Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể.
- Dễ dàng tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để
tạo được công suất lớn theo ý muốn.
- Dễ dàng làm lạnh hoạt chất do sử dụng dòng hoạt chất luân chuyển.
- Dễ tiến hành nghiên cứu vì dễ thay đổi thành phần các hoạt chất trong
bình chứa.
Laser lỏng có nhược điểm là sự suy giảm của tâm hoạt chất (hiện tượng
tẩy quang) dẫn tới sự không ổn định về tần số và công suất phát. Ngoài ra,
chất thải của môi trường hoạt tính cần phải được bảo quản, xử lý phức tạp
tránh ô nhiễm và gây độc hại cho môi trường.
1.4. Laser màu
Laser màu có dải bước sóng hoạt động rất rộng, từ vùng tử ngoại gần
khoảng 310 nm đến vùng hồng ngoại khoảng 1300 nm (hình 1.2). Với dải
hoạt động rộng như vậy, laser màu có ưu thế lớn trong việc phát xung laser
cực ngắn, phát laser băng hẹp.

9

Năng lượng tương đối

Đường cong thay đổi chất màu

Hình 1.2. Khoảng lựa chọn bước sóng của các chất màu laser
Đặc điểm nổi bật của laser màu đó là khả năng điều chỉnh bước sóng
trong miền phổ rộng (phổ huỳnh quang băng rộng từ 30 - 100 nm). Có nhiều
phương pháp để chọn lọc bước sóng cho laser màu như: sử dụng các yếu tố
tán sắc hay sử dụng các yếu tố chọn lọc giao thoa đưa vào buồng cộng hưởng,
buồng cộng hưởng phản hồi phân bố… Một đặc điểm khác của laser màu là
có thể hoạt động ở chế độ xung ngắn, xung cực ngắn với công suất cao. Có
nhiều phương pháp tạo xung cực ngắn điển hình như: mode - locking, chọn
lọc phổ thời gian, kích thích sóng chạy, phản hồi phân bố…
Laser màu có hệ số khuếch đại lớn cũng như dễ chế tạo và thay đổi môi
trường hoạt chất của nó nên rất thuận tiện cho việc nghiên cứu. Mặt khác giá
thành chất màu không cao và laser màu có khả năng làm việc tốt ngay ở nhiệt
độ phòng nên laser màu là nguồn laser thay đổi bước sóng phù hợp cho các
phòng thí nghiệm quang phổ ở nước ta.
Laser màu thường được kích thích bằng bơm quang học. Hiện nay để
bơm cho laser màu người ta thường dùng họa ba bậc hai, bậc ba của laser
Nd3+ trong nền YAG hoặc laser Nitơ, ngoài ra còn sử dụng các loại đèn xung


10
như đèn Xenon dạng ống hay dạng xoắn… Sử dụng nguồn bơm laser phát
dạng xung để kích thích cho hệ laser màu sẽ hạn chế được ảnh hưởng của

trạng thái tích lũy bội ba (Triplet). Thời gian sống của trạng thái đơn kích
thích cỡ ns, nên xung bơm cần phải có độ rộng thời gian tương ứng để có thể
tạo được nghịch đảo độ tích lũy lớn. Khi sử dụng nguồn bơm liên tục ta
thường phải đưa vào chất đệm, nó sẽ đóng vai trò làm giảm độ tích lũy ở mức
dưới. Nguồn bơm phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ hấp thụ của chất màu
laser và nói chung phải có cường độ đủ lớn. Như vậy điều kiện của một nguồn
bơm cho laser màu là:
- Thời gian xung bơm phải đủ nhanh (thường dưới 20 ns)
- Cường độ bơm phải đủ mạnh để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy.
- Phổ bức xạ của nguồn bơm phải phù hợp với phổ hấp thụ của chất
màu laser.
Người ta thường sử dụng các sơ đồ bơm ngang hoặc bơm dọc để thực
hiện bơm quang học cho laser màu như minh họa trên hình 1.3, ngoài ra còn
dùng sơ đồ bơm nghiêng. Chất màu được chứa trong cuvette và được luân
chuyển sẽ giúp làm mát, tăng độ bền nhiệt và bền quang của chất màu, đồng
thời tạo được sự phân bố đồng đều nồng độ dung dịch màu.
Trong sơ đồ bơm ngang sự nghịch đảo độ tích lũy trong dung dịch màu
là không đều dọc theo tia laser bơm vì tia bơm bị suy giảm trong dung dịch.
Do vậy nếu nồng độ chất màu ở mức khá cao thì điều kiện ngưỡng phát chỉ đạt
trong một lớp mỏng ngay sau cửa sổ lối vào của tia kích thích. Hậu quả sẽ làm
tăng hao phí do nhiễu xạ và tăng góc phân kỳ của chùm tia. Với sơ đồ bơm
ngang, người ta thường dùng một thấu kính trụ được bố trí trước cuvette để hội
tụ chùm tia, tạo mật độ quang học cao và đồng đều dọc theo bề mặt cuvette.
Trong sơ đồ bơm dọc, tia laser bơm đi qua gương M1 của buồng cộng
hưởng laser màu. Gương này thỏa mãn cho qua tia laser bơm và phản xạ bước
sóng của laser màu, điều này là khó thực hiện khi bức xạ của laser bơm và của


11
laser màu là khá gần nhau. Nồng độ chất màu và độ sâu của dung dịch cần

được điều chỉnh sao cho năng lượng kích thích phân bố đồng đều trong toàn
bộ thể tích cuvette, do đó độ phân kỳ của chùm tia laser màu sẽ rất nhỏ.
Chất màu
Ch?t
màu

Bơm
Bơm quang
quanghọc
h?c

Chất màu
màu
Ch?t

Bơm
Bơm
quang
quang
h?c

học

Hình 1.3. Sơ đồ bơm cho laser màu
Còn với sơ đồ bơm nghiêng thường sử dụng khi kích thước cuvette
màu nhỏ so với kích thước buồng cộng hưởng. Lúc đó tia laser bơm và tia
laser màu sẽ tạo với nhau một góc nhỏ mà không cùng phương nữa, góc tạo
bởi hai tia laser càng nhỏ càng tốt. Những khó khăn gặp phải đối với hệ
gương của laser màu bơm dọc sẽ được loại bỏ. Bơm nghiêng phù hợp với
buồng cộng hưởng vòng làm giảm ngưỡng bơm, tăng số mode nên dễ tạo

xung cực ngắn. Mặt khác, với sơ đồ bơm nghiêng ta còn có thể tăng thể tích
dung dịch màu hoạt chất lên khi ta điều chỉnh cho tia laser bơm và tia laser
màu hợp thành một góc nhỏ hơn.
Laser màu phản hồi phân bố (DFB) được nghiên cứu phát triển với mục
đích phát các xung laser cực ngắn, đơn sắc lại có thể thay đổi bước sóng liên
tục trong một miền phổ rộng. Điểm đặc trưng của laser màu DFB là không sử
dụng buồng cộng hưởng có hai gương phản xạ, mà dựa trên hiệu ứng phản xạ
Bragg được hình thành ngay trong môi trường hoạt chất. Tức là tạo ra sự biến
đổi mang tính chu kỳ các thông số môi trường như: chiết suất, hay độ tăng
trưởng. Hệ laser màu DFB có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành mà lại hoạt động
ổn định với các xung laser phát ra đạt gần giới hạn khai triển Fourier. Cấu hình
chi tiết của lớp laser này sẽ được trình bày trong chương sau của luận văn.


12
1.5. Laser màu xung ngắn
Độ rộng thời gian của xung laser không nhất thiết chỉ do giới hạn thời
gian của xung bơm quy định mà có thể ngắn hơn rất nhiều nhờ một số kỹ
thuật nén xung khác nhau. Trong phần này chúng tôi trình bày một số phương
pháp phổ biến để phát xung laser ngắn là:
- Phương pháp Mode - locking
- Phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS)
- Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)
- Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity - quenching)
- Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback)
1.5.1. Phương pháp Mode - locking
Một BCH laser điển hình gồm có hai gương phản xạ và môi trường
hoạt chất khuếch đại ánh sáng. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định,
trong đó chứa đựng các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành
trong BCH quang học. Hai mode dọc liên tiếp cách nhau một khoảng

ω=

c
(trong đó c và L là vận tốc ánh sáng và chiều dài BCH, n là
2( L + l ( n − 1))

chiết suất của môi trường, l là chiều dài của môi trường hoạt chất). Hình 1.4
biểu diễn sự phân bố các mode dọctrong buồng cộng hưởng.

Hình 1.4. Các mode dọc trong buồng cộng hưởng


13
Quan hệ về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên có thể
cưỡng bức các mode để làm cho chúng có một quan hệ về pha xác định. Khi
hai điều kiện sau đây được thoả mãn: laser có số mode dọc khá lớn và các
mode này cách đều nhau về tần số và đồng bộ về pha, các mode sẽ giao thoa
với nhau để laser phát ra một chuỗi xung ngắn tuần hoàn có chu kỳ
T=

2( L + l ( n − 1))
1
và độ rộng xung là ∆ τ ~
trong đó ∆ν là độ rộng phổ
c
∆ν

khuếch đại. Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật mode locking hoàn toàn phụ thuộc vào độ rộng phổ khuếch đại của môi trường hoạt
chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên. Tuy nhiên tuỳ theo từng
loại môi trường laser khác nhau thì khả năng để tạo ra những xung laser mode

- lock sẽ có độ rộng xung khác nhau.
Các điều kiện cần để thực hiện mode - locking hiệu quả cho một laser là:
- Môi trường khuếch đại phải có độ rộng phổ lớn.
- Buồng cộng hưởng có số lượng mode dọc đủ nhiều (Độ rộng của xung
mode - lock tỷ lệ nghịch với số mode trong BCH).
- Theo lý thuyết phương pháp mode - locking có thể thực hiện được khi
số mode dọc N phải ≥ 3; (N =

δν
d
= 2δν ), tuy nhiên trên thực tế để thực
∆ν
c

hiện mode - locking có hiệu suất hiệu quả thì số mode dọc phải khá lớn (≥104
mode dọc).
∆T =

2π
2π
1
=
=
( 2m + 1)Ω
NΩ
δν

- Các mode dọc này phải cách đều nhau về mặt tần số và có quan hệ
về pha xác định (hay các pha của chúng phải đồng bộ với nhau).
Để thực hiện mode - locking người ta có thể sử dụng yếu tố điều biến

sự mất mát hoặc sự khuếch đại trong BCH với tần số bằng hoặc gấp một số
nguyên lần ω (ω là khoảng cách giữa hai mode dọc liên tiếp). Tuỳ theo


14
nguyên tắc làm việc của bộ điều biến, người ta chia thành mode locking chủ
động hoặc mode - locking bị động.
Sự điều biến được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu bên ngoài (thông
thường sử dụng bộ điều biến là bộ quang âm) được gọi là mode - locking chủ
động. Trong mode - locking thụ động sự điều biến diễn ra do tương tác của
xung ánh sáng với chất làm bộ hấp thụ bão hoà ở trong BCH.
Bằng phương pháp mode - locking, người ta có thể thu được những
xung laser cực ngắn cỡ 10-14 s. Mode - locking là phương pháp phổ biến để
phát xung quang cực ngắn, song có nhược điểm là không thực hiện được với
một số loại môi trường laser phát xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp.
Ngoài ra, các phòng thí nghiệm hạn chế về thiết bị và kinh phí thì việc áp
dụng kỹ thuật mode - locking (giá thành cao và yêu cầu khắt khe về thiết bị)
là khó thực hiện được.
1.5.2. Phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS)
Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm nano giây là
phương pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto - Temporal - Selection). Phương
pháp STS dựa trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu băng
rộng phát ra từ một BCH ngắn Q - thấp [12].
Việc nghiên cứu tiến trình phổ của laser này cho thấy, tại thời điểm ban
đầu phổ laser rất rộng, ngay sau đó, một sự làm hẹp phổ rất nhanh xảy ra và
cực đại phổ phát xạ chuyển về phía sóng dài. Điều này có nghĩa là có sự dập
tắt dao động rất nhanh ở về phía sóng ngắn của phổ laser. Nếu lọc lựa một
băng phổ hẹp ở phía sóng ngắn của phát xạ laser băng rộng sẽ thu được một
xung laser ngắn. Với kỹ thuật nén xung này ta thu được xung laser ngắn với
hệ số nén xung cỡ 102 lần.

Cường độ (đ.v.t.đ)

15

Hình 1.5. Tiến trình phổ trong phát xạ laser màu của PM567/polymer
BCH L = 5cm, l=1cm, R=R1=R2=0.1, N = 5e17, r =10
Tuy nhiên phương pháp phát xung ngắn bằng kỹ thuật STS vẫn còn tồn
tại nhược điểm là phát xung ngắn ở trong một vùng phổ hẹp.

M2
90 ps

DS

Nd :YAG laser
(2 ω ) 532 nm
20 Hz

S
Lo

M1

M3
L2

M0
L2

M 1’

G

L

Hình 1.6. Sơ đồ một laser màu rắn picô - giây STS
1.5.3. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)
Kích thích sóng chạy là một phương pháp đơn giản song khá hữu hiệu
để phát xung ngắn tới cỡ ~ ps. Trong laser sử dụng chất màu làm môi trường
truyền sóng bức xạ được kích thích kiểu sóng chạy, pha không gian của một
xung bơm được xử lý để tạo ra một nhóm xung trễ đều theo chiều ngang
đường kính của chùm bơm như hình 1.7.