Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng secant-hyperbole trong hoạt động của laser màu buồng cộng hưởng vòng khóa mode bằng va chạm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.29 MB, 112 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Quyết Thắng
ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI
XUNG DẠNG SECANTHYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA
LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG
VA CHẠM XUNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Nguyễn Quyết Thắng
ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ VÀ SỰ TÁN SẮC ĐỐI VỚI
XUNG DẠNG SECANTHYPERBOLE TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA
LASER MÀU BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG KHÓA MODE BẰNG
VA CHẠM XUNG
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60440109
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. TRỊNH ĐÌNH CHIẾN
CƠ QUAN: TRƯỜNG ĐHKHTN HÀ NỘI
Hà Nội – Năm 2013
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Quang
Lượng Tử, các thầy cô trong và ngoài trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập và hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trịnh Đình Chiến, người đã
luôn tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận
văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Văn Bền, người đã đóng
góp những ý kiến quý báu cho tôi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập!
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên
Nguyễn Quyết Thắng
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
: Biên độ cực đại của xung
CW: Bơm liên tục
c: Vận tốc ánh sáng trong chân không
C: Tham số chirp
: Mật độ dòng photon
: Cường độ hấp thụ bão hòa
: Độ dài tán sắc
: Hệ số chiết suất phi tuyến
: Mật độ hạt (độ tích lũy) của nguyên tử ở các mức 1,2,3.
N: Tổng số nguyên tử tham gia vào quá trình tương tác.
: Chiết suất nhóm
SPM: Sự tự biến điệu pha (Self phase modulation)
GVD: Sự tán sắc vận tốc nhóm (GroupVelocity dispersion)
SAM: Sự tự biến điệu biên độ (Self amplitude modulation)
CPM: Laser màu khóa mode bị động bằng va chạm xung ( Colliding Pulse
ModeLocked)
: Khoảng thời gian xung truyền giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch
đại
u: Vận tốc ánh sáng trong chất hấp thụ bão hòa
: Năng lượng xung
: Độ rộng xung
: Thời gian tích thoát (hồi phục ngang)
: Tiết diện hấp thụ hiệu dụng
: Độ rộng phổ của xung
: Tham số tán sắc vận tốc nhóm
: Toán tử mật độ
: Tần số của laser
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Mối quan hệ về thời gian xung và cường độ xung trước và sau khi đi qua
chất hấp thụ bão hòa ……………………………………………….………...….……
41
Bảng 3.2: Mối quan hệ thời gian và cường độ xung trước và sau khi đi qua chất hấp
thụ bão hòa…………………………………………………………………............…46
Bảng 3.3: Mối quan hệ của thời gian xung và cường độ xung của các xung có chirp
trước và sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa…………………………………………
49
Bảng 3.4: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so với xung
vào khi đi qua môi trường khuếch đại…………………………………………..……
52
Bảng 3.5: Tỷ số giữa thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra và xung đi
vào
môi
trường
khuếch
đại…………………………………………………………....55
Bảng 3.6: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon của xung ra so
với xung vào môi trường khuếch đại………………………………………………….
…..58
Bảng 3.7: Mối quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung ra so
với xung vào cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……………………………….
………60
Bảng 3.8: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant
hyperbole có chirp tuyến tính trước và sau khi đi qua cả môi trường hấp thụ bão hòa
và khuếch đại………………………………………………..……………………..
…….64
Bảng 3.9: Quan hệ của thời gian xung và mật độ dòng photon giữa xung trước và
sau khi đi qua chất hấp thụ bão hòa và khuếch
đại………………………………………..68
Bảng 3.10: Mối quan hệ về độ rộng xung và mật độ dòng photon giữa xung ban đầu
và xung đi lại nhiều vòng trong buồng cộng hưởng………………………………..
…..71
Bảng 3.11: Mối quan hệ về độ rộng xung và cường độ xung của xung secant
hyperbole có chirp tuyến tính của xung ban đầu so với xung đi lại nhiều lần quanh
buồng cộng hưởng………………………………………………..……………….….74
Bảng 3.12: Mối quan hệ của xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2
trước và sau khi đi lại nhiều lần quanh buồng cộng hưởng…………………..……..
………81
Bảng 3.13: Mối quan hệ về độ rộng xung và cường độ của xung secanthyperbole đi
qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại với các độ dày thay
đổi……………………………………………………………………………...….…..84
Bảng 3.14: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant
hyperbole có chirp tuyến tính trong buồng cộng hưởng với các độ dày của chất màu
khác nhau……………………………………...………………………………………84
Bảng 3.15: Mối quan hệ về thời gian xung và mật độ dòng photon của xung secant
hyperbole có chirp phi tuyến trong buồng cộng hưởng với các độ dày của chất màu
khác nhau……………………..……………………………………………………….86
DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1: Xung secanthyperbole không có chirp trước và sau khi đi qua chất hấp thụ
bão hòa……………………………………………………………...…………………41
Hình 3.2: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua
chất hấp thụ bão hòa……………………………………..……………………………
44
Hình 3.3: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua
chất hấp thụ bão hòa………………………..………………………………..
……….44
Hình 3.4: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi
qua chất hấp thụ bão hòa…………………………………...……………………..….
……45
Hình 3.5: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi đi
qua
chất
hấp
thụ
bão
hòa…………………………………..
……………………………...45
Hình 3.6: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua
chất
hấp
thụ
bão
hòa…………………………………………………………………..47
Hình 3.7: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua
chất hấp thụ bão hòa…………………………………………...…………..…………
48
Hình 3.8: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi
qua chất hấp thụ bão hòa………………………………………………………....
……….48
Hình 3.9: Xung secanthyperbole không có với C=0 trước và sau khi đi qua môi
trường khuếch đại…………………….………………………………………………
52
Hình 3.10: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua
môi trường khuếch đại………………………………………...……………..
……….54
Hình 3.11: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua
môi
trường
khuếch
đại………………………………………………………………..54
Hình 3.12: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi
qua môi trường khuếch đại…………………………………………………...
……….55
Hình 3.13: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua
môi trường khuếch đại…………………………………………………..……………
56
Hình 3.14: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua
môi trường khuếch đại………………………………………………………..………
57
Hình 3.15: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi
qua môi trường khuếch đại……………………………………………..
………………….57
Hình 3.16: Xung secanthyperbole không có chirp với C=0 trước và sau khi đi qua cả
môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………..
………..59
Hình 3.17: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=1 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………………
61
Hình 3.18: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=3 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………………
61
Hình 3.19: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=6 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………………
62
Hình 3.20: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=10 trước và sau khi đi
qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……………………………………….……
63
Hình 3.21: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=15 trước và sau khi đi
qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……………………………………………
63
Hình 3.22: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=25 trước và sau khi đi
qua
cả
môi
trường
hấp
thụ
và
khuếch
đại……………………………………………..63
Hình 3.23: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=1 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại…………………………………………..
……..65
Hình 3.24: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=3 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……………………………………………..
…..65
Hình 3.25: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=6 trước và sau khi đi qua
cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………………………………………...
……….66
Hình 3.26: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=10 trước và sau khi đi
qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………………………………………..
………..66
Hình 3.27: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=15 trước và sau khi đi
qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại……………………………………..
…………..67
Hình 3.28: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=25 trước và sau khi đi
qua cả môi trường hấp thụ và khuếch đại………………………………………..
……….67
Hình 3.29: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=2 vòng quanh buồng cộng
hưởng………………………………………………………………………………….6
9
Hình 3.30: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=3 vòng quanh buồng cộng
hưởng………………………………………………………………………………….6
9
Hình 3.31: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=4 vòng quanh buồng cộng
hưởng………………………………………………………………………………….7
0
Hình 3.32: Xung secanthyperbole không có chirp đi N=5 vòng quanh buồng cộng
hưởng……………………………………………………………..…………….…….70
Hình 3.33: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=2 vòng quanh
buồng cộng hưởng……………………………..……………………………..………72
Hình 3.34: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=3 vòng quanh
buồng cộng hưởng……………………………………………………………….…..72
Hình 3.35: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=4 vòng quanh
buồng cộng hưởng……………………………………………………………….…..73
Hình 3.36: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính với C=2 đi lại N=5 vòng quanh
buồng cộng hưởng………………………………………………………………..….73
Hình 3.37: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=2 vòng quanh
buồng cộng hưởng……………………………..………………………………….…75
Hình 3.38: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=3 vòng quanh
buồng cộng hưởng………………………………………………………..……….…75
Hình 3.39: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=4 vòng quanh
buồng cộng hưởng…………………………………………………..………….……76
Hình 3.40: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến với C=2 đi lại N=5 vòng quanh
buồng cộng hưởng…………………………………………………..……………..…76
Hình 3.41: Xung secanthyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng
với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm………………………………………..
……79
Hình 3.42: Xung secanthyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng
với độ dày chất màu: L=70 μm, Lk=400 μm…………………………………………..
…79
Hình 3.43: Xung secanthyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng
với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm……………………………………..
………80
Hình 3.44: Xung secanthyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng
với độ dày chất màu: L=30 μm, Lk=200 μm……………………………………...
………80
Hình 3.45: Xung secanthyperbole không có chirp đi lại quanh buồng cộng hưởng
với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm. ………………………………..…..
………81
Hình 3.46: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm…………………………….…..82
Hình 3.47: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm………..………………….
……..83
Hình 3.48: Xung secanthyperbole có chirp tuyến tính C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm……………………..…….…..…
83
Hình 3.49: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=90 μm, Lk=500 μm…………..………………….
…..85
Hình 3.50: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=50 μm, Lk=300 μm…………………………..
……..85
Hình 3.51: Xung secanthyperbole có chirp phi tuyến C=2 đi lại quanh buồng cộng
hưởng với độ dày chất màu: L=10 μm, Lk=100 μm………………………….....……
86
MỤC LỤC
Lời
mở
đầu:
………………………………………………………......1
CHƯƠNG
1:
LASER
XUNG
CỰC
NGẮN……………………………………….....3
1.1
Giới
thiệu
chung
về
laser
xung
cực
ngắn………………………………………...3
1.2. Các phương pháp đồng bộ mode tạo xung cực
ngắn…………………………..5
1.2.1:
Phương
pháp
đồng
bộ
mode
chủ
động…………………………………7
1.2.2: Phương pháp đồng bộ mode bị động:
…………………………………..8
1.2.3: Phương pháp đồng bộ mode hỗn hợp:……………………………..
….11
1.2.4:
Một
số
phương
pháp
khác……………………………………………..12
1.3: Laser màu xung cực ngắn………………………………………………………
15
1.3.1: Khái quát về laser màu……………………………………………...…15
1.3.2: Một số tính chất của laser màu…………………………………….
….16
1.3.3: Một số sơ đồ khóa mode tạo xung cực ngắn cho laser màu……….
…18
CHƯƠNG 2: LASER MÀU TẠO XUNG CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
BỊ ĐỘNG
2.1: Laser màu CPM………………………………………………………………..23
2.1.1:
Giới
thiệu
laser
màu
CPM
………………………………………….....24
2.1.2: Đồng bộ mode bị động cho laser màu CPM……………………….
….24
2.2: Một số hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến xung cực ngắn trong buồng
cộng
hưởng
laser………………………………………………………………………..….25
2.2.1: Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm GVD………………….
….25
2.2.2: Sự mở rộng xung do sự tự biến điệu pha SPM……………..
………...26
2.2.3: Quá trình tạo chirp…………………………………………………..…
27
2.2.4: Quá trình bù trừ chirp…………………………………………………
28
2.3: Kỹ thuật nén xung………………………………………………………………
29
2.3.1: Nén xung trong buồng cộng hưởng……………………….
…………..32
2.3.2: Nén xung ngoài buồng cộng hưởng………………….….
…………….34
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP VÀ TÁN SẮC ĐỐI VỚI
XUNG DẠNG SECANTHYPERBOLE TRONG LASER CPM
3.1: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secanthyperbole đi qua môi
trường hấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng laser
CPM…….....................................36
3.1.1: Khảo sát sự tương tác xung trong chất hấp thụ bão hòa………………
36
3.1.2:
Khảo
sát
xung
secanthyperbole
không
có
chirp……………………….40
3.1.3: Khảo sát xung secanthyperbole có chirp…………………………...….42
3.2: Khảo sát ảnh hưởng của chirp khi xung secanthyperbole đi qua môi
trường khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser
CPM……………………………..……50
3.2.1: Tương tác của xung khi đi qua môi trường khuếch đại……….
……..50
3.2.2: Khảo sát trường hợp xung secanthyperbole không có
chirp………...52
3.2.3: Khảo sát trường hợp xung secanthyperbole có chirp
……………....53
3.3: Khảo sát xung secant hyperbole đi qua cả môi trường hấp thụ và môi
trường
khuếch
đại…………………………………………………………………………....59
3.3.1:Trường
hợp
xung
secanthyperbole
không
có
chirp…………………..59
3.3.2:
Trường
hợp
xung
secanthyperbole
có
chirp………………………….60
3.4: Khảo sát xung secanthyperbole đi nhiều vòng quanh buồng cộng
hưởng...69
3.4.1: Xung secanthyperbole không có chirp………………………………....69
3.4.2:Xung secanthyperbole có chirp…………………...……………………72
3.5: Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc đối với xung dạng secanthyperbole
trong buồng cộng hưởng laser CPM……………………………………………..
………..78
3.5.1: Xung secanthyperbole không có chirp…………………………………80
3.5.2:Xung secanthyperbole có chirp…………………………………………82
Kết luận ……...…………………………………………………………….
…..89
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các công trình nghiên cứu và ứng dụng của kỹ
thuật laser nói chung và laser xung cực ngắn nói riêng đã ngày càng phát triển và
đóng góp vào nền khoa học tiên tiến của nhân loại. Trong quang phổ học laser, xung
cực ngắn được dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hóa,
sinh… Xung cực ngắn còn được nghiên cứu trong ứng dụng đồng hồ nguyên tử,
đặc biệt là trong thông tin quang. Để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin các xung cực
ngắn thường được sử dụng và người ta ngày càng cố gắng thu hẹp tối ưu độ rộng
của xung sáng. Vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm để phát
triển và truyền dẫn là vấn đề có tính thời sự.
Từ những năm 1960 trở lại đây, khi các laser bắt đầu ra đời và phát triển thì
các kỷ lục về xung laser cực ngắn luôn được các phòng thí nghiệm trên thế giới tạo
ra. Từ laser Ti:Saphia và các loại laser rắn khác được đồng bộ mode (khóa mode)
tạo ra các xung pico giây. Cho đến năm 1981 khi C.V. Shank đã cải tiến buồng cộng
hưởng vòng cho laser màu để thực hiện va chạm xung (phương pháp CPM:
colliding pulse modelooking) thì độ dài xung đạt được là 90 fs. Sau đó thì một loạt
các kỷ lục mới được tạo ra với xung giảm đến vài femto giây bằng việc bù trừ tán
sắc và biến điệu pha trong buồng cộng hưởng. Các kỹ thuật nén xung sáng cũng đã
được áp dụng triệt để vào laser CPM để giảm độ rộng của xung sáng laser. Qua đó
đã chứng tỏ ưu điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng và kỹ thuật nén xung
trong việc tạo ra các xung laser cực ngắn. Do vậy laser CPM vẫn luôn là đề tài hấp
dẫn đối với các công trình nghiên cứu về laser xung cực ngắn hiện nay.
Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiệu ứng
tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng xung đồng
thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình
biến đổi xung sáng trong buồng cộng hưởng laser 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
16
chirp tần số đối với xung khi đi qua chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch
đại. Nhưng quá trình xung đi qua cả chất hấp thụ và khuếch đại nhiều vòng quanh
buồng cộng hưởng thì chưa được khảo sát. Đồng thời chúng tôi cũng khảo sát sự
phụ thuộc của độ dày chất hấp thụ và khuếch đại đối với cường độ và độ rộng
xung secanthyperbole trong buồng cộng hưởng laser. Qua đó nhằm tìm ra những
điều kiện tối ưu cho laser màu CPM phát các xung cực ngắn cỡ femto giây. Nhằm
đạt được các mục đích trên tôi đã quyết định chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng
của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng secanthyperbole trong hoạt động
của laser màu buồng cộng hưởng vòng khóa mode bằng va chạm xung”.
Bố cục luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Laser xung cực ngắn
Chương 2: Laser màu tạo xung cực ngắn bằng phương pháp bị động
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của chirp và tán sắc đối với xung dạng
secant hyperbole trong laser CPM khi xung đi qua cả chất hấp thụ bão hòa và môi
trường khuếch đại một vòng và nhiều vòng quanh buồng cộng hưởng…
17
CHƯƠNG 1: LASER XUNG CỰC NGẮN
1.1 Giới thiệu chung về laser xung cực ngắn
Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa của đất nước nói riêng và
của cả nhân loại nói chung thì công nghệ laser luôn là một đề tài hấp dẫn cũng như
có nhiều ứng dụng to lớn trong kỹ thuật công nghệ và cả đời sống. Và laser xung
cực ngắn nói riêng là một lĩnh vực mới mẻ và vẫn đang được nghiên cứu phát triển,
ứng dụng…. Laser xung cực ngắn là những laser mà xung sáng có độ rộng xung cỡ
vài pico, hoặc femto giây và nhỏ hơn nữa. Đã có rất nhiều thành tựu về lý thuyết
cũng như cả về thực nghiệm trong việc tạo ra các xung cực ngắn với một nguồn
laser. Người ta đã chỉ ra được rằng các biến đổi Fourier của một xung ánh sáng cực
ngắn sẽ có phổ rất rộng. Tuy nhiên, một buồng cộng hưởng laser sẽ chỉ cho phép
dao động trong một khoảng hẹp tần số trên các tần số cộng hưởng riêng biệt νq =
qc/2L (trong đó q là một số nguyên, c là tốc độ ánh sáng và L là chiều dài quang học
của buồng cộng hưởng laser). Do đó một laser không thể cung cấp các xung cực
ngắn trong khi hoạt động ở chế độ bình thường của nó. Các tần số tạo nên sự phân
bố các mode dọc của laser. Nhưng qua một cơ chế thích hợp tạo được mối quan hệ
pha xác định giữa các mode dao động khác nhau trong buồng cộng hưởng laser thì ta
có thể tạo nên laser phát ở chế độ xung cực ngắn. Laser như vậy được gọi là laser
được đồng bộ mode hay khóa mode (mode looking).
Các mode dọc có thể tự dao động trong chế độ đa mode tự do của laser là
những mode mà có sự khuếch đại không bão hòa lớn hơn hao phí của buồng cộng
hưởng laser. Số lượng các mode này là N, trong điềù kiện này ta thấy cường độ tức
thời biến thiên theo các đường có chiều rộng là Δτ ≈ 1/ΔνL, là nghịch đảo của độ
rộng đường cong khuếch đại. Và lớn hơn số mode liên quan, nhỏ hơn giá trị của Δτ.
Nếu bây giờ chúng ta giả sử các mode có độ lệch pha không đổi, laser lối ra sẽ bao
18
gồm một loạt các xung đơn tuần hoàn liên tiếp, sau mỗi Δτ, chu kỳ lặp lại được
cho bởi eT=2L / c. Trong điều kiện này, tia laser được gọi là hoạt động trong chế
độ đồng bộ mode.
Hình 1.1: Biểu đồ các mode dao động trong buồng cộng hưởng có chiều dài L,
với hệ số khuếch đại G > 0. [19]
Gọi τp là tổng độ rông xung tại một nửa cực đại, và được cho bởi: [19]
Mặc dù phân bố biên độ dạng Gauss của các mode đã được lựa chọn để đơn
giản hoá về mặt toán học, hình dạng thực tế của phân bố biên độ ảnh hưởng đến
hình dạng của xung. Các phân bố biên độ khác của các mode với khoảng cách tần
số như nhau và tương đương với quang phổ rộng Δ, tiếp đó, với một chuỗi tuần
hoàn của các xung không có dạng Gauss, nhưng có một thời gian xung gần đúng với
và một chu kỳ T = 2L / c. Để hiểu được nguyên nhân về tính chu kỳ của xung laser,
chúng ta có thể phân tích sự phân bố không gianthời gian của sóng điện từ dừng
tồn tại bên trong các buồng cộng hưởng laser khi nó hoạt động với chế độ đồng bộ
mode (khóa mode). Từ đó có thể làm một phép tính tương tự cho các phách của N
mode dọc, nhưng có tính đến phân bố thời giankhông gian riêng của mỗi mode bên
trong buồng laser. Tính toán này cho thấy nếu quá trình tạo phách xảy ra lập tức tại
một điểm B cụ thể, thì ngay lập tức thời điểm đó các phách của mode khác sẽ triệt
tiêu ở tất cả các điểm khác của buồng cộng hưởng.
19
Độ rộng xung τp luôn tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ Δ của sự phân bố biên độ
các mode (với số N của mode đồng bộ pha). Rõ ràng là các laser có khuếch đại
trung bình sẽ phát ra xung ngắn nhất. Một laser ion Argon có độ rộng dải
nm; laser Ruby có
laser màu
~ 0,2 nm, laser
~ 100 nm; laser Ti: sapphire
cho
~ 10nm;
~ 400 nm. Những dữ liệu này cho
thấy rằng độ rộng xung nhỏ nhất mà người ta có thể hy vọng có được trực tiếp tại
đầu ra của laser với chế độ đồng bộ pha khác nhau là từ 150 ps đối với một laser
ion Argon đến 3 fs (3 × 10s) cho laser Ti: sapphire. Độ rộng phổ có thể được đo
bằng một máy quang phổ hoặc với một giao thoa kế Fabry_Pérot… Mô hình minh
họa sau đây là hình ảnh xung trong một laser buồng cộng hưởng vòng. [19]
Hình 1.2: Mô tả xung được hình thành trong buồng cộng hưởng laser vòng.[19]
Điều này là do sự có mặt của một lượng lớn các mode mà các bước sóng λn
đều khác nhau. Việc tăng số lượng các mode N sẽ càng rút ngắn khoảng cách này.
20
1.2. Các phương pháp đồng bộ mode tạo xung cực ngắn
Khi laser hoạt động ở chế độ đa mode tự do, thường có sự tác động ảnh
hưởng lẫn nhau giữa các mode khác nhau được khuếch đại bởi phát xạ kích thích
của cùng một nguyên tử, phân tử hoặc các ion. Sự tương tác này gây ra những biến
đổi lớn về pha và biên độ của các mode. Mục đích của chế độ đồng bộ mode là
thiết lập sự tương quan giữa các mode mà mối liên hệ các pha là một hằng số. Ý
tưởng đầu tiên mà người ta chú ý đến là việc thiết lập đồng bộ về mặt thời gian,
chúng ta có thể tập trung được năng lượng laser nhiều hơn bằng cách chèn một môi
trường phi tuyến – hay một hệ thống nào khác nhằm thúc đẩy cường độ mạnh bên
trong buồng laser.
Khi sóng truyền qua lại trong buồng laser, một cực đại ban đầu yếu sẽ có
thể phát triển mạnh nhờ sự tương tác của cực đại thấp hơn trong môi trường
khuếch đại. Nếu các điều kiện được lựa chọn thích hợp,thì có thể tập trung tất cả
năng lượng của buồng ở một xung duy nhất. Đây gọi là điểm đã đồng bộ mode: đó
là việc chọn lọc một cường độ cực đại duy nhất tại một điểm theo thời gian,tương
đương với việc thiết lập một mối quan hệ về pha giữa các mode dọc trong một
miền tần số.
Một ý tưởng thứ hai là thiết lập đồng bộ về mặt tần số. Nếu một thiết bị
được lắp bên trong buồng mà điều biến các mode ở một tần số gần với tần số
mode tổng hợp, khoảng c/2L; thì việc tương tác để đạt được cực đại trong môi
trường khuếch đại sẽ dẫn đến một liên kết giữa các mode, đươc tạo ra bởi biến
điệu các mode lân cận. Các pha của các mode sau đó có thể “đồng bộ’’với nhau.
Đây là phương pháp đầu tiên với việc tự điều biến của các mode ở tần số c/2L và
do đó thiết lập được một mối quan hệ về pha giữa các mode này.
Hai ý tưởng coi là điểm khởi đầu cho phương pháp đồng bộ mode và phát
triển cho đến nay đó là:
21
Đồng bộ mode bị động: bằng cách dùng một chất hấp thụ bão hòa trong
buồng cộng hưởng laser;
Đồng bộ mode chủ động: từ một bộ điều biến bên ngoài ở tần số Ω với các
hao phí trong buồng cộng hưởng laser (ví dụ có thể bằng cách dùng một tinh
thể âm_quang bên trong buồng) hoặc bằng cách bơm bằng một laser đã đồng
bộ mode.
Gần đây, với sự ra đời của laser Ti: sapphire, trong đó rất đơn giản để có
được chế độ đồng bộ mode, điều đó đã làm những phương pháp trên được phổ
biến một lần nữa. Tuy nhiên nhiều phương pháp cũng đã được biết đến cũng đã tìm
thấy các ứng dụng mới và hiệu quả. Đó là chế độ tự đồng bộ mode trong các tính
chất phi tuyến của môi trường khuếch đại tự nhiên và làm tăng cường cực đại phát
sinh trong buồng laser. Đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng xung cực
ngắn trong laser màu buồng cộng hưởng vòng thì đã và đang mở ra những điều vô
cùng lý thú, với những thành quả đạt được laser cỡ vài femto giây (một vài dao
động sáng). Qua đó khẳng định hơn nữa tiềm năng ứng dụng của lĩnh vực laser
xung cực ngắn bằng thực nghiệm.
1.2.1: Phương pháp đồng bộ mode chủ động
Chúng ta đặt một phần tử bên trong các buồng laser và điều biến sự hao phí
của nó. Phần tử này sẽ giúp ta điều biến được biên độ của từng mode dọc. Kỹ
thuật này gọi là phương pháp đồng bộ mode bằng cách điều biến biên độ (AM) và
nó được sử dụng để đồng bộ mode trong laser ion, ví dụ laser Nd3+ :YAG.
Thông thường, một bộ điều biến âm_quang được đặt bên trong buồng laser
để điều biến các hao phí trong buồng. Đồng thời với mục đích đồng bộ các mode và
chọn lọc bước sóng mong muốn.
22
Hình 1.3: Mô tả chế độ khóa mode chủ động trong buồng laser. [19]
Với việc biến điệu biên độ sử dụng bộ biến điệu âm quang, sóng siêu âm sẽ
đi qua môi trường trong suốt. Biên độ của sự biến điệu tỉ lệ với cường độ của sóng
siêu âm, và chu kỳ không gian của biến điệu bằng nửa bước sóng của sóng siêu âm.
Tương tự như chế độ đồng bộ mode trên, ta cũng có thể đạt được bằng cách
điều biến tần số (FM). Các phương pháp AM và FM tạo thành một loại phương
pháp trong hoạt động đồng bộ mode.
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào phương pháp hoạt động thứ hai, thường được gọi
là phương pháp bơm đồng bộ:
Thông thường, bơm đồng bộ thu được bằng cách bơm vào môi trường
khuếch đại của laser bằng một chùm tia lối ra của một laser khác đã được đồng bộ
mode. Điều chỉnh chiều dài L của buồng cộng hưởng làm cho nó có thể thích ứng
với mode tổng hợp tách theo tần số c/2L đến tần số Ω/2π của xung laser bơm.
Trước tiên, nó cho thấy rằng có thể kết hợp hai hoạt động là điều biến bơm
các hao phí buồng buồng cộng hưởng và điều biến khuếch đại trong cùng một hệ
thống laser. Thứ hai, và quan trọng hơn là nó cho thấy có thể sử dụng một laser đã
đồng bộ mode như là một nguồn xung liên tục ps để bơm một laser thứ hai và vì
thế có được một loạt các xung dưới pico giây.
Ta có thời gian đi qua của xung trong buồng được xác định bởi tần số lặp lại
của các xung bơm.Vì vậy chiều dài của buồng thích ứng là rất quan trọng. Trước
23
khi xung đến, độ khuếch đại là chưa bão hòa, do đó sườn trước xung có sự tăng
nhiều hơn sườn sau của xung. Thời gian đi qua của xung trong môi trường khuếch
đại được rút ngắn. Việc rút ngắn thời gian đi qua là tỷ lệ thuận với sự khác biệt
giữa giá trị chưa bão hòa và bão hòa của khuếch đại. Chế độ khóa mode xảy ra
tương ứng cho giá trị dương rất nhỏ của ΔL = + ε. Cấu trúc xung phụ thuộc rất
nhiều vào việc điều chỉnh độ dài của buồng laser.
1.2.2: Phương pháp đồng bộ mode bị động:
Một phương pháp thứ hai thường được sử dụng trong phương pháp khóa
mode gọi là phương pháp đồng bộ mode bị động.
Động học của khuếch đại bão hòa trong môi trường khuếch đại ảnh hưởng
đến sự biến dạng của xung. Chúng tôi muốn cho thấy rằng nếu môi trường hấp thụ
với một hệ số hấp thụ bão hòa được đặt bên trong buồng cộng hưởng, thì sự kết
hợp giữa chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại bão hòa dẫn đến một
cách tự nhiên sự đồng bộ mode của laser. Các chất hấp thụ bão hòa thường dùng là
dung dịch chất màu lỏng. Tuy nhiên, kể từ khi ra đời của laser Ti: sapphire, người ta
đang tìm kiếm chất liệu rắn để làm chất hấp thụ bão hòa,đặc biệt là trong số các
chất bán dẫn.
Hình_1.4: Xung đi lại vòng tròn trong buồng laser bao gồm bộ hấp thụ bão hòa
và môi trường khuếch đại. [19]
24
Chất hấp thụ bão hòa được đặc trưng bởi cường độ bão hòa
của nó.
Tham số này được định nghĩa là cường độ mà ở đó sự chênh lệch độ tích lũy tồn tại
giữa hai mức cường độ thấp giảm theo hệ số hai. Định nghĩa này do đó cho ta thấy
rằng hệ số hấp thụ phải tỉ lệ thuận với sự chênh lệch độ tích lũy.
Hình_1.5: Hệ số khuếch đại qua môi trường khuếch đại bão hòa như là một
hàm của cường độ tín hiệu tới.
Hơn nữa, như đã nói trước đó, các môi trường khuếch đại còn có đặc tính
bão hòa. Ở cường độ thấp, G có một giá trị không đổi G0 và khá lớn (hình_1.5). Nó
được gọi là chưa bão hòa. Khi cường độ tới cao hơn, có sự suy giảm sự chênh lệch
nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức tham gia vào quá trình khuếch đại, và hệ số
khuếch đại G giảm. Như có thể thấy trong hình 1.5, chúng ta có thể xác định
cường độ bão hòa của G, tương đương với cường độ bão hòa
là
của chất hấp
thụ. Nếu điều kiện thuận lợi, đỉnh cường độ tối đa trong buồng sẽ chứa tất cả
năng lượng của sóng trong buồng.
Hình_1.6: Mô tả thay đổi hình dạng của xung sau khi đi qua một chất hấp thụ
bão hòa. [10]
25
