Mở đầu Xung cực ngắn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kĩ thuật. trong quang phổ học laser, xung cực ngắn đƣợc dùng để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong lý, hoá, sinh. Đặc biệt trong thông tin quang, xung sáng cực ngắn thƣờng đƣợc sử dụng để tăng tốc độ truyền dẫn thông tin. Có hai nguyên tắc phổ biến để phát xung laser cực ngắn là: nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất Q ( Q-Switching) và nguyên tắc đồng bộ mode.
Cả hai nguyên tắc này đều sử dụng cơ chế biến điệu trong buồng cộng hƣởng và dẫn đến nhiều phƣơng pháp phát xung laser cực ngắn khác nhau. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất với các phƣơng pháp nhƣ: quay gƣơng, khoá điện quang, sử dụng các chất màu hấp thụ bão hoà. Nguyên tắc khoá mode thƣờng sử dụng các phƣơng pháp chủ yếu là khoá mode chủ động, bơm đồng bộ hoặc khoá mode bị động. Nguyên tắc biến điệu độ phẩm chất Độ phẩm chất Q đo sự mất mát trong buồng cộng hƣởng, độ phẩm chất càng cao thì độ mất mát trong buồng cộng hƣởng càng thấp.
Quá trình có xung cực ngắn đƣợc phát ra khi có sự chọn lựa hệ số Q của buồng cộng hƣởng gọi là “biến điệu độ phẩm chất”. Mặc dù đạt đƣợc điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ nhƣng nếu tại thời điểm kích thích môi trƣờng hoạt chất, mất mát trong buồng cộng hƣởng lớn, độ phẩm chất Q thấp thì không thể phát đƣợc laser. Khi đạt tới ngƣỡng thì Q đột ngột tăng dẫn đến phát laser có năng lƣợng lớn. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện cơ, điện quang, từ quang và quang hoá trong buồng cộng hƣởng.
Khi van đóng, bơm kích thích có thể tạo đƣợc hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngƣỡng nhiều nhƣng laser không phát. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hƣởng có giá trị nhỏ [2]. Sau đó nhanh chóng mở rộng van thì độ phẩm chất Q của buồng 10 cộng hƣởng tăng lên đột ngột, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dƣới. Vì vậy hiệu độ tích luỹ giảm rất nhanh sẽ phát ra một xung cực ngắn có năng lƣợng lớn, thời gian xung ngắn (10-7- 10-9s ) và công suất cao (10 ÷ 103 MW).
Trên nguyên tắc này đã có một số phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc khảo sát nhƣ: - Phƣơng pháp quay gƣơng - Phƣơng pháp khoá điện quang - Phƣơng pháp sử dụng các chất màu hấp thụ bão hoà 1. Nguyên tắc đồng bộ mode Khi laser làm việc ở chế độ đa mode, các mode phát không đều tạo nên các đỉnh không đều nhau. Tuy nhiên nếu bằng cách nào đó giữ cho các mode đƣợc phát có biên độ gần nhƣ nhau và pha của chúng đƣợc đồng bộ thì thu đƣợc xung có công suất lớn. Chế độ hoạt động không dừng này đƣợc gọi là chế độ đồng bộ mode của laser.
Môi trƣờng khuyếch đại ánh sáng đƣợc đặt trong buồng cộng hƣởng gồm hai gƣơng cách nhau một đoạn L chỉ có những tần số quang học q qc 2L là tập hợp các mode của laser. Khi phát trong vùng đa mode cƣờng độ lối ra của laser phụ thuộc vào thời gian. Để đơn giản, xét N mode dao động dạng hàm sin có các tần số góc i , các pha giống nhau tại thời điểm t=0, với biên độ E bằng nhau ( Ei E sin it ) và i k i k , k là số nguyên, là độ rộng phổ cố định. Tại t = 0, biên độ tổng hợp ET=NE do tất cả các thành phần đƣợc định hƣớng dọc theo trục X theo giản đồ Fresnel hình (1.
Sau khoảng thời gian , véc tơ biểu diễn quay đi một góc: i t và độ chênh lệch góc giữa hai mode liên tiếp ( hình 1.1) Khi 2 N thì biên độ tổng hợp ET 0 , tức là t , trong đó: 11 2 (1.2) N Số mode N càng lớn thì thời gian càng ngắn ( là thời gian chuyển từ biên độ cực đại ET=NE đến biên độ bằng 0) θ i t=0 i 1 NE (a) (b) 2 N t T 2 c NE (c) (d) Hình 1. Nguyên lý khoá pha các mode Tại mỗi thời điểm 2k , ET sẽ đạt đƣợc cực đại (ET=NE) tại thời điểm T 2k 2L c với 2 c 2L (hình 1. Tóm lại với số lƣợng mode N lớn và độ rộng phổ thì biên độ tổng hợp đạt cực đại một cách tuần hoàn với chu kì T và tiến tới 0 trong khoảng thời gian rất ngắn kT . Vậy khi N mode đồng pha, lối ra laser gồm một dãy các xung với chu kì 2L/c tƣơng ứng với thời gian đi vòng quanh buồng cộng hƣởng.
Độ dài của mỗi xung N T N 2L cN , số mode bị khoá càng lớn thì biên độ của mỗi xung càng tăng và thời gian xung càng ngắn. Để hiểu rõ hơn về dao động động của laser bị khoá mode chúng ta tìm hiểu thêm vê các dao động khoá pha: 12 Để tạo thành xung cực ngắn trong buồng cộng hƣởng laser cần có nhiều mode dao động riêng hoặc dịch chuyển laser có một độ rộng dải tƣơng đối lớn. Xét một laser phát 2Nm+1 mode dọc với biên độ E0. Kí hiệu pha của mode thứ nm là n thì điều kiện đồng bộ mode; n1 n n n1 0 (1.3) Tức là hiệu số pha giữa hai mode liên tiếp không đổi theo thời gian và không gian, 0 là hằng số pha nào đó.
Trƣờng toàn phần trong buồng cộng hƣởng: Nm E t E0 exp i 0 m t m0 (1.4) m N m Trong đó m là chỉ số chạy, 0 là tần số mode ở trung tâm khuyếch đại, là khoảng cách giữa hai mode liên tiếp, phụ thuộc vào độ dài buồng cộng hƣởng. Để đơn giản thƣờng đặt pha của mode trung tâm bằng 0. Có thể tính đƣợc kết quả từ biểu thức trên: E t A t ei0t (1.6) sin t 0 / 2 Đƣợc gọi là biên độ trƣờng thành phần. Nhƣ vậy, khi có điều kiện đồng bộ pha, laser đã phát các xung lớn với khoảng cách giữa các xung là: 2 2 Lc (1.7) c c ở đây là khoảng cách giữa hai mode trƣớc khi có đồng bộ mode, Lc là độ dài Lc buồng cộng hƣởng.
Theo công thức trên thì hai xung vào cách nhau đúng thời gian ánh 13 sáng đi và quay lại buồng cộng hƣởng, lúc này laser phát xung và xung tạo ra cũng đi lại trong buồng cộng hƣởng. Khoảng thời gian xung bằng hai lần khoảng thời gian tính từ vị trí cực đại xung đến giá trị bằng ½ của cực đại xung này. Bỏ qua tính toán trung gian ta có: 4 Lc (1.8) 2 N m 1 c Từ đó cho thấy để thời khoảng xung nhỏ cần lựa chọn L c 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 đƣợc sự đồng bộ mode để phát xung cực lớn.
Trong thực tế, bằng phƣơng pháp đồng bộ mode ta có thể đạt đƣợc xấp xỉ 1 ns (10-9s), riêng với laser màu có thể đạt tới hang ps hay fs. Tính toán cũng cho thấy cƣờng độ cực đại xung tỉ lệ với đại lƣợng (2Nm + 1)A2(t). Hiện nay kĩ thuật khoá mode đƣợc phân loại tổng quát nhất thành khoá mode bị động và khoá mode chủ động. Khoá mode chủ động liên quan đến các nguồn bên ngoài còn khóa mode bị động là do biến điệu các yếu tố bên trong buồng cộng hƣởng.
Phƣơng pháp khoá mode chủ động Phƣơng pháp này là biến điệu sự mất mát bằng cách dùng một bộ điều biến đặt bên trong buồng cộng hƣởng. Bộ biến điệu này đƣợc 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 phƣơng pháp này là biến điệu biên độ (AM), biến điệu tần số (FM) và phƣơng pháp bơm đồng bộ.
Biến điệu biên độ Thƣờng sử dụng bộ biến điệu mất mát âm quang đặt trong buồng cộng hƣởng. Sóng siêu âm sẽ đi qua môi trƣờng trong suốt về quang học là thạch anh. Chu kì không gian của sự biến điệu sẽ bằng nửa bƣớc sóng siêu âm. Chu kì không gian đƣợc tạo nên do hiệu ứng quang đàn hổi gây bởi sóng siêu âm làm xuất hiện một cách tử pha [6].
14 Khi một sóng tới xuất hiện trên một cách tử pha nhƣ vậy thì một phần cƣờng độ sẽ bị nhiễu xạ trong hƣớng khác. Phần này của tia có thể điều khiển một thông số thích hợp nhờ cộng hƣởng để tạo nên mất mát năng lƣợng đƣợc biến điệu một cách tuần hoàn theo thời gian. Sóng siêu âm đƣợc đƣa vào trong môi trƣờng trong suốt nhờ một bộ truyền áp điện để biến đổi một tín hiệu các tần số thành năng lƣợng siêu âm. Biến điệu tần số(FM) Nếu tần số biến điệu bằng tần số khoảng cách mode làm cho các dải liên kết mỗi mode sẽ cộng hƣởng 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 phƣơng 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 đƣợc đồng bộ mode.
Chỉ khi độ dài buồng cộng hƣởng cần đồng bộ mode phải xấp xỉ bằng độ dài buồng cộng hƣởng laser dùng để bơm thì dƣới những điều kiện xác định sự khuyếch đại sẽ biến điệu theo thời gian với chu kì bằng chu kì buồng cộng hƣởng. Ngoài ra trong khoảng thời gian của sự khuyếch đại cực đại, dƣới những điều kiện tối ƣu phƣơng 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 đƣợc bơm bằng một đoàn xung của một laser Ruby đã đồng bộ mode. Khi buồng laser Ar+ hay Kr+ đƣợc đồng bộ mode chủ động thu đƣợc laser màu phát xung cực ngắn dƣới 1ps.