MỞ ĐẦU Từ khi nguồn sáng laser đơn sắc độ nhạy cao ra đời , các lĩnh vực của laser và các ứng dụng về laser đã đƣợc nghiên cứu rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực: khoa học kỹ thuật, y học, kinh tế…Ngƣời ta đã sớm phát minh ra xung ngắn cỡ nano giây nhờ phƣơng pháp khóa mode bị động với laser Ruby, những năm tiếp theo phƣơng pháp này đã thành công với laser thủy tinh Nd và thu đƣợc xung ngắn cỡ pico giây.Xung ngắn nhất gần đây thu đƣợc cỡ 5fs nhờ sự khuếch đại các xung sáng từ laser màu khóa mode bị động cộng hƣởng vòng bằng cách truyền các xung đã đƣợc khuếch đại qua môi trƣờng quang học phi tuyến. Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phƣơng pháp quang phổ học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển vƣợt bậc, các đối tƣợng và phạm vi ứng dụng đƣợc mở rộng hơn.Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi hỏi thông tin phải đƣợc truyền với tốc độ cao và sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan trọng trong thông tin quang. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để phát và truyền dẫn xung cực ngắn là một vấn đề cấp thiết trong giai đoạn hiện nay, thực nghiệm đã chứng tỏ thu đƣợc xung cực ngắn bằng cách dùng nguồn bơm là laser ngắn cỡ fs kết hợp với buồng cộng hƣởng vòng và sử dụng hoạt chất màu kết hợp với chất hấp thụ bão hòa đặt bên trong buồng cộng hƣởng.Đây chính là phƣơng pháp khóa mode bị động của laser màu.Hoạt chất khuếch đại chủ yếu đặt trong buồng cộng hƣởng là Rhodamine 6G và chất hấp thụ bão hòa thƣờng là DODCI.Có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến việc truyền dẫn xung cực ngắn, trong đó có ảnh hƣởng của chirp đối với dạng xung trong buồng cộng hƣởng laser CPM .Luận văn của tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu : “Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM” 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Với đề tài luận văn đã lựa chọn nhƣ trên, chúng tôi xác định mục tiêu của luận văn là: + Nghiên cứu ảnh hƣởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong môi trƣờng hấp thụ bão hòa. + Nghiên cứu ảnh hƣởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong môi trƣờng khuếch đại.
+ Nghiên cứu hình ảnh không gian ba chiều của xung Super Gauss khi truyền trong sợi quang. Khóa luận của tôi gồm ba chƣơng: Chƣơng I : Sự tạo thành xung cực ngắn Chƣơng II: Laser màu xung cực ngắn Chƣơng III: Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hƣởng laser CPM. Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn! 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I : SỰ TẠO THÀNH XUNG CỰC NGẮN 1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn 1.1 Sự đồng bộ mode Cƣờng độ trƣờng tổng cộng E (t) của tia Laser là sự chồng chập cƣờng độ của M dao động riêng mode trục.1) m 2 ( M 1) ( M 1) Ở đây tổng lấy từ: m đến m 2 2 c Em: Là biên độ, m là pha của dao động riêng và là tần số vùng của L khoảng cách mode. Tần số này đƣợc xem là hằng số đối với toàn bộ vùng phát sóng.
Điều này luôn đúng khi ta bỏ qua sự tán sắc của môi trƣờng quang học, mà độ tán sắc này ảnh hƣởng tới độ dài quang học của buồng cộng hƣởng L. Những pha m của những dao động riêng khác nhau có thể là độc lập thống kê hoặc phụ thuốc thống kê với nhau, tuỳ theo đặc trƣng của môi trƣờng kích hoạt và của buồngcộng hƣởng. Chúng ta khảo sát trƣờng hợp độc lập thống kê của những pha này (điều này xảy ra trong những di chuyển mở rộng không đồng nhất). Khi đó đối với cƣờng độ trƣờng tổng cộng ta nhận đƣợc: 1 ˆ 2 I ~ E (t) 2 m Em (1.2) 2 Cƣờng độ tổng cộng sẽ là tổng cƣờng độ các mode riêng, cƣờng độ tổng cộng có thăng giáng và sự phân bố của chúng có đặc trƣng của tiếng ồn dạng Gauss, pha của mỗi mode sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên từ - đến + vì mỗi mode là dao động độc lập đối với nhau.
Nhƣng qua một cơ chế thích hợp trong buồng cộng hƣởng laser sẽ có thể thực hiện đƣợc một quan hệ phase xác định (cố định) giữa những dao động riêng khác nhau 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Do đó tia Laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian. Ngƣời ta gọi một Laser nhƣ vậy là Laser đồng bộ mode (mode locking: khoá mode). Một quan hệ phase xác định giữa các mode có nghĩa là: m - m-1 = (1.3) Ta thay thế m = m + 0 = vào biểu thức (1.
Khi các mode có biên độ Ê0 bằng nhau ta sẽ tìm đƣợc cƣờng độ trƣờng tổng cộng: m sin ( t ) E (t ) Eˆ 0 2 ei (t 0 ) KK (1.4) 2 Sự phụ thuộc thời gian của tia Laser đi ra đối với số mode M = 7 có thể diễn tả nhƣ hình bên. E2 (t) 2L u c (t) Hình 1 Các mode giao thoa đƣợc liên kết phase trong cộng hƣởng, và điều đó đã dẫn tới sự tạo thành xung sáng qua sự chồng chập. Cực đại của cƣờng độ sẽ đạt đƣợc ở thời điểm bằng không. Có nghĩa là: tm m (1.5) 2 Tín hiệu ra của Laser đƣợc đồng bộ mode sẽ là một đoàn xung tuần hoàn một khoảng thời gian u.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6) M c Khoảng thời gian u chính là khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng đi một vòng quanh buồng cộng hƣởng. Trong buồng cộng hƣởng luôn có chỉ một xung chạy đi và 2 2 về. Thời gian xung : L (1.7) M gen Ở đây gen là khoảng tần số mà trong đó M mode Laser dao động. Khi bơm mạnh gen sẽ có thể cỡ bằng độ rộng vạch của độ rộng vạch phổ của dịch chuyển Laser.
Nhƣ vậy muốn tạo đƣợc 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 dƣới ns. Đối với Laser rắn, độ dài xung ngắn nhất đạt cỡ độ ps và đối với Laser màu độ dài xung có thể đạt tới dƣới ps và có thể tới vùng fs.
Những xung đạt đƣợc trong Laser đồng bộ mode không những có độ dài xung 2 rất ngắn mà còn đạt công suất đỉnh rất cao. Cƣờng độ cực đại tỷ lệ với M 2 Ê0 còn 2 trong trƣờng hợp không có đồng bộ mode cƣờng độ chỉ tỷ lệ với M Ê0 tức là M nhỏ hơn khi có công suất mode nhƣ nhau trong hai trƣờng hợp. Những phƣơng 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.2 Đồng bộ mode chủ động Cơ sở của phƣơng pháp đồng bộ mode chủ động là một sự biến điệu tuần hoàn của những thông số Laser (biến điệu sự mất mát, nghịch đảo độ tích lũy và quãng đƣờng quang học với một bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hƣởng. Bộ biến điệu 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sẽ đƣợc điểu khiển qua một tín hiệu bên ngoài với tần số biến điệu phải bằng tần số của khoảng cách mode của những mode trục riêng.
Ta biết khoảng cách của hai dao động riêng liên tiếp đƣợc cho bởi biểu thức: c 1 v vq1 vq u 1 (1.(Ví dụ: Biến điện sự mất mát, hao phí), nhƣ thế ta có thể đạt đƣợc một sự đồng bộ pha của các dao động này của Laser. Điều đó có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi đƣợc kích thích nguyên tử của môi trƣờng Laser tăng lên do quá trình bơm thì đầu tiên sẽ đạt đƣợc ngƣỡng đối với tần số v0, ngƣỡng này sẽ trùng hoặc gần trùng với tần số cộng hƣởng của những nguyên tử của chất khuyếch đại. Trƣờng của mode này sẽ đƣợc biến điệu biên độ với tần số v nhƣ công thức (1.8) nhƣ vậy là sẽ nhận đƣợc một cƣờng độ trƣờng tổng hợp.9) Ở đây ký hiệu độ biến điệu. Từ đây có thể rút ra biểu thức: E0 E0 E (t ) E0 cos 2v0 t cos 2 (v0 v)t cos 2 (v0 v) (1.10) 2 2 Điều đó có nghĩa là nó đƣợc tách thành hai tần số bên cạnh,(v0 - v) và (v0 + v).
Hai tần số bên này là trùng khít với những dao động riêng bên cạnh tần số v0 của buồng cộng hƣởng. Những tần số này tiếp tục đƣợc khuyếch đại và lại tạo thành những tần số bên cạnh khi biến điệu với tần số v và do đó xuất hiện những tần số bên cạnh v0 2v. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi xuất hiện tất cả các mode trục trong vùng 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dao động và có pha liên kết với nhau hay đƣợc đồng bộ pha,và chu kỳ biến điệu phải bằng thời gian vòng quanh buồng cộng hƣởng C 2L T 1 v u 1 ; T u 2L C 1.3 Đồng bộ mode bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ. Có thể thực hiện sự đồng bộ mode qua việc biến điệu sự khuyếch đại của nó.
Điều này đƣợc thực hiện bằng cách bơm một Laser qua một đoạn xung liên tục của một Laser khác mà Laser này đã đƣợc đồng bộ mode. Điều quan trọng là độ dài cộng hƣởng của Laser cần đồng bộ mode phải bằng hoặc gần bằng độ dài cộng hƣởng của Laser dùng để bơm. Nhƣ vậy với những điều kiện xác định, sự khuyếch đại đƣợc biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng thời gian đi vòng quanh buồng cộng hƣởng. Tƣơng tự nhƣ trong sự biến điệu mất mát bên trong buồng cộng hƣởng sẽ tạo nên trong trƣờng hợp này ,ở trong vùng thời gian của sự khuyếch đại cực đại.
Một xung ngắn hơn cả mà độ dài của nó dƣới những điều kiện tối ƣu sẽ ngắn hơn từ 2 đến 3 bậc độ dài của xung bơm.