Chương I : Tổng quan về phát xung cực ngắn Chương II : Laser màu xung cực ngắn Chương III: Ảnh hưởng của chirp tần số và sự tán sắc đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser màu CPM. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHÁT XUNG CỰC NGẮN 1.1 Nguyên lý tạo xung cực ngắn 2 Hiện nay, về lý thuyết và thực nghiệm, người ta sử dụng phương pháp đồng bộ mode (khóa mode) để tạo ra xung laser cực ngắn. Với nguyên tắc khóa mode thường sử dụng các phương pháp chủ yếu là khóa mode chủ động, bơm đồng bộ hoặc khóa mode thụ động. Trong phương pháp khóa mode chủ động, thường dùng một biến tử được điều khiển từ bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian trong buồng cộng hưởng, dựa trên biến điệu biên độ hoặc biến điệu tần số.
Phương pháp bơm đồng bộ thực hiện bằng cách bơm một laser qua một đoàn xung liên tục của một laser khác mà laser này đã được đồng bộ mode. Còn trong phương pháp khóa mode thụ động, sự biến điệu pha được tạo ra trực tiếp bởi các xung nhờ chất hấp thụ bão hòa đặt trong buồng cộng hưởng. Ưu điểm của phương pháp khóa mode thụ động so với khóa mode chủ động là không cần sự đồng bộ của các thiết bị ngoại vi và độ nhạy của sự biến điệu thụ động là nhanh hơn, vì thế cho phép tạo ra những xung cực ngắn và ổn định hơn nhiều. Sự khóa mode thụ động là do cơ chế bão hòa phi tuyến của chất hấp thụ bão hòa tạo ra.
Nguyên tắc đồng bộ mode (khóa mode) Các phương pháp khóa mode có thể sử dụng sự biến điệu biên độ, biến điệu tần số, bơm đồng bộ hay va chạm xung Cơ chế đồng bộ mode có thể hiểu như sau: Để tạo được xung có công suất lớn, một trong các phương pháp là giữ cho các mode được phát có biên độ gần như nhau và pha của chúng là đồng bộ. Chế độ hoạt động không dừng này cũng được gọi là chế độ đồng bộ mode của laser. Chúng ta có thể hiểu được tính chất của sự đồng bộ mode vừa nêu, xét thí dụ đơn giản của laser phát 2Nm+1 mode trục dọc với biên độ E0. Kí hiệu pha của mode thứ n là n thì điều kiện đồng bộ mode đòi hỏi n1 n n n1 0 (1.1) 3 tức là hiệu số pha giữa hai mode liên tiếp là không đổi theo thời gian và không gian, 0 là hằng số pha nào đó.
Điều kiện này như là điều kiện giao thoa cho nhiều sóng trong quang học thông thường. Trường toàn phần trong buồng cộng hưởng có thể viết như sau[1]: Nm E (t ) E exp i m t m m N m 0 0 0 (1.2) m là chỉ số chạy, 0 là tần số mode ở trung tâm khuếch đại, là khoảng cách hai mode liên tiếp, phụ thuộc vào độ dài buồng cộng hưởng. Để đơn giản chúng ta có thể đặt pha của mode ở trung tâm bằng không. Biểu thức tổng (1.11) có thể tính được, kết quả cho: E(t ) A(t )ei t 0 (1.4) sint 0 / 2 và được gọi là biên độ trường toàn phần.
Đường biểu diễn cường độ trường I A(t ) trong trường hợp số mode phát 2 là 7 (2Nm + 1 = 7) được trình bày ở hình 1.1: Hình ảnh xung với số mode phát là 7. Như thế, khi có điều kiện đồng bộ pha (1.1), laser đã phát các xung lớn với khoảng cách giữa các xung này là : 2 2L ' c (1.5) c 4 c ở đây là khoảng cách giữa hai mode trước khi có đồng bộ mode, Lc là ký Lc hiệu độ dài buồng cộng hưởng. Theo công thức (1.5), hai xung vào cách nhau đúng bằng thời gian ánh sáng đi và quay lại trong buồng cộng hưởng, lúc này laser phát xung và xung tạo ra cũng đi lại trong buồng cộng hưởng. Khoảng thời gian xung ' có thể xác định từ biểu thức (1.2) và bằng hai lần khoảng thời gian tính từ vị trí cực đại xung đến giá trị bằng 1/2 của cực đại xung này.
Bỏ qua tính toán trung gian ta có: 4 Lc ' (1.6) cho thấy để thời khoảng xung nhỏ cần chọn Lc nhỏ hoặc cho phát nhiều mode (Nm lớn). Với các laser màu (độ mở rộng đồng nhất lớn dẫn đến số mode phát lớn) dễ dàng thực hiện được sự đồng bộ mode để phát xung cực lớn. Trong thực tế, bằng phương pháp đồng bộ mode ta có thể đạt được ' xấp xỉ 1ns (10-9s), riêng với laser màu có thể đạt tới hàng ps hay fs. Tính toán cũng cho thấy cường độ cực đại xung tỉ lệ với đại lượng (2Nm+1)A2(t).
[1] Sự biến điệu tuần hoàn các thông số laser có thể thực hiện không những bằng các tín hiệu đưa từ bên ngoài mà còn bằng cơ chế tự động ngay trong buồng cộng hưởng. Để đạt được mục đích này, cần phải có một phần tử phi tuyến đặt trong buồng cộng hưởng, chẳng hạn một chất hấp thụ bão hòa. Chính vì tự 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 thụ động hay tự động.2 Đồng bộ mode chủ động Cơ sở của phương pháp đồng bộ mode chủ động là một sự biến điệu tuần hoàn của những thông số Laser với một bộ biến điệu đặt bên trong cộng hưởng. Bộ biến điệu 5 sẽ được điểu khiển qua một tín hiệu bên ngoài với một 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 được cho bởi biểu thức[1]: c 1 1 v q 1 q u (1.7) 2 L u (Với giả thiết chiết suất của môi trường bên trong cộng hưởng n = 1) Khi ta biến điệu thông số của Laser với tần số hiệu này (ν) Điều đó có thể được giải thích như sau: Khi được sự kích thích đối với nguyên tử của môi trường Laser tăng lên do quá trình bơm thì đầu tiên ngưỡng đối với tần số ν0 sẽ đạt được, ngưỡng này sẽ trùng hoặc gần trùng với tần số cộng hưởng của những nguyên tử của chất khuếch đại. Trường của mode này sẽ được biến điệu về biên độ với tần số ν như công thức (1.7) như vậy ta sẽ nhận được một cường độ trường tổng hợp dạng.8) Ở đây ký hiệu độ biến điệu. Từ đây có thể rút ra từ định lý cộng lượng giác thông thường biểu thức: E0 E0 E (t ) E0 cos 2v0t cos 2 ( 0 )t cos 2 ( 0 )t (1.9) 2 2 Điều đó có nghĩa là nó được tách thành hai tần số bên cạnh:(ν0 - v) và (ν0 + v). Hai tần số bên này là trùng khít với những dao động riêng bên cạnh ν0 của cộng hưởng.
Trường hợp của những tần số này tiếp tục được khuếch 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 ν0 2v. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi xuất hiện tất cả các mode trục trong vùng dao động và có pha liên kết với nhau hay được đồng bộ pha. Với chu kỳ biến điệu phải bằng thời gian vòng quanh cộng hưởng [1].3 Đồng bộ mode bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ Đồng bộ mode bằng phương pháp bơm đồng bộ được thực hiện thông qua việc biến điệu sự khuếch đại của nó. Điều này được thể hiện bằng cách bơm một 6 Laser qua một đoàn 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 bơm (hoặc bằng một số nguyên lần). Như vậy, thì dưới những điều kiện xác định, sự khuếch đại sẽ được biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng thời gian đi vòng quanh cộng hưởng. 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 có một công tua khuếch đại rất rộng (độ rộng dài: 10131014Hz). Nhờ việc sử dụng một bộ lọc quang học để lọc lựa tần số, điều đó sẽ làm hẹp một cách cơ bản độ rộng dải của tia Laser trong buồng cộng hưởng và làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục.
Do đó có thể điều chỉnh tần số của Laser màu như vậy trong một vùng 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 có nhiều ý nghĩa lớn trong việc tạo những xung ps và dưới ps. Đồng bộ mode Laser màu dùng bơm đồng bộ được sử dụng tương đối sớm.
Ở đó một Laser màu đã được bơm bằng đoàn xung của một Laser Ruby đã được đồng bộ mode hoặc bằng hoạ ba bậc hai của Laser thuỷ tinh Nêôđym. Tuy nhiên xung Laser màu đạt được trong những thực nghiệm này ở độ dài chỉ ở bậc xung bơm. Cho đến khi sử dụng nguồn bơm là Laser Ar+ hay Kr+ được đồng bộ mode chủ động đã đạt được Laser màu với xung cực ngắn dưới 1 ps và thấy là một phương pháp rất có lợi.4 Đồng bộ mode bị động Trong phương pháp đồng bộ mode bị động người ta sử dụng một bộ hấp thụ bão hoà đặt trong buồng cộng hưởng của Laser để thực hiện nhiệm vụ đồng bộ mode. 7 Bộ hấp thụ bão hoà phải có một dịch chuyển hấp thụ trên tần số Laser với một tiết diện hấp thụ lớn nhất và nó được hoạt động nhờ trường sáng Laser.
Bộ hấp thụ bão hoà cũng có đặt tính rằng: Khi cường độ ánh sáng tăng lên thì khả năng hấp thụ của nó giảm đi. Chúng ta khảo sát một bộ hấp thụ như một hệ hai mức.