CHƯƠNG I. LASER PHÁT XUNG NGẮN 1. Laser phát xung ngắn Hiện nay, nhiều phương pháp phát xung laser ngắn đã được xây dựng thành công, mang lại những ứng dụng to lớn trong kỹ thuật và công nghệ. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng cần được lựa chọn, áp dụng trong điều kiện phù hợp.
Trong phần này, tôi đã tìm hiểu về các phương pháp sau: + Phương pháp biến điệu độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng (Q-switching) + Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng dumping (Dumphing cavity) + Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) + Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator temporal selection - STS) + Phương pháp kích thích sóng chạy (Trevaling wave excitation) + Phương pháp pahnr hồi phân bố (Distributed Feedback - DF) + Phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng (Mode- locking) 1. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q- switching) Phẩm chất của buồng cộng hưởng là tỷ số giữa năng lượng được tích lũy trong buồng cộng hưởng và năng lượng bị mất đi trong một chu trình ánh sáng đi lại trong buồng cộng hưởng. Theo phương pháp điều biến phẩm chất, năng lượng bơm quang học được chuyển đổi và tích lũy Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 trong môi trường hoạt chất khi độ phẩm chất của buồng cộng hưởng ở mức thấp để ngăn cản sự phát xạ laser. Khi đó, mặc dù năng lượng được tích lũy và độ khuếch đại hoạt chất là cao nhưng mất mát của buồng cộng hưởng lại lớn nên laser vẫn không được tạo ra.
Ngay khi phẩm chất của buồng cộng hưởng trở lại giá trị cao, năng lượng đã được tích lũy sẽ đột ngột giải phóng dưới dạng xung laser ngắn.1 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q-switch [1], [2] Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Ban đầu, sự phát xạ laser không thể do độ phẩm chất của buồng cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộng hưởng cao nhất) (hình 1. Thời gian cuối của xung bơm (hình 1.1c), khi nghịch đảo độ tích lũy đã đạt tới giá trị cực đại, độ phẩm chất Q được chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mất mát buồng cộng hưởng thấp nhất). Tại thời điểm này, thông lượng photon bắt đầu tăng lên trong buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình 1.
Như ta thấy trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến phẩm chất xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở “khóa” phẩm chất [1], [2]. Tùy theo nguyên tắc làm việc của bộ điều biến, người ta chia phương pháp điều biến độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thành hai loại: + Phương pháp chủ động. + Phương pháp bị động. Phương pháp chủ động sử dụng bộ biến điệu được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu ngoài, còn đối với phương pháp bị động, sự biến điệu diễn ra trong buồng cộng hưởng mà hoàn toàn không có sự can thiệp từ bên ngoài.
Phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng được sử dụng rộng rãi để phát xung laser ngắn có độ rộng cỡ nano-giây, công suất cao. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping (Dumping cavity) Buồng cộng hưởng của một laser dumping gồm các gương có hệ số phản xạ cao. Do vậy, buồng cộng hưởng có độ mất mát thấp và có độ phẩm chất cao. Năng lượng của bức xạ laser liên tục trong buồng cộng hưởng có thể trở nên rất lớn, vì sự thất thoát năng lượng ra khỏi buồng cộng hưởng không đáng kể.
Tại thời điểm năng lượng laser trong buồng Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 cộng hưởng là đủ lớn, một bộ điều biến quang học đã được đặt ở trong buồng cộng hưởng sẽ hoạt động để đưa một phần năng lượng laser được tích lũy ra khỏi buồng cộng hưởng.2: Buồng cộng hưởng Dumping với bộ biến điệu âm-quang [3] Thông thường một bộ biến điệu âm – quang được sử dụng cho laser khí và laser màu liên tục (hình 1. Một xung siêu âm được gửi qua một bản thạch anh được đặt trong buồng cộng hưởng. Sóng âm tạo nên một sự điều biến không gian của chiết suất n(t,x) theo thời gian và có chu kỳ. Chiết suất biến đổi có chu kỳ này sẽ hoạt động như một cách tử Bragg.
Khi một sóng quang học truyền qua bản Bragg, một phần của cường độ tới bị nhiễu xạ và được chiết tách ra trong một xung ngắn. Tần số lặp lại của các xung laser được tách ra có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng bằng cách lựa chọn tần số lặp lại thích hợp của xung siêu âm. Kỹ thuật buồng cộng hưởng laser dumping được áp dụng chủ yếu cho các laser khí và laser màu liên tục. Với kỹ thuật này, người ta đã thu được các xung laser có độ rộng 10 -100ns, tần số lặp lại xung cỡ 4Mhz [3].
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) Kỹ thuật buồng cộng hưởng dập tắt tạo ra xung laser ngắn từ laser bơm với độ rộng xung cỡ nano-giây, và được sử dụng đầu tiên cho laser màu. Trong cấu hình của một laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt bơm ngang ở hình 1. Laser bơm Laser ra từ BCH Q-cao R1 R2 R3 Laser ra từ BCH Q-thấp BCH Q-thấp BCH Q-cao Hình 1.3: Cấu hình của laser màu buồng cộng hưởng dập tắt [6].
Môi trường hoạt chất là những dung dịch màu được chứa trong quy-vét. Người ta tạo ra hai buồng cộng hưởng laser khác nhau nhưng cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. Buồng cộng hưởng thứ nhất có độ phẩm chất thấp được tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai thành quy-vét làm hai gương phản xạ. Buồng cộng hưởng thứ hau có độ phẩm chất cao được tạo nên bằng việc sử dụng gương có hệ số phẩm chất cao làm gương sau và một thành quy-vét.
Buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao có chiều dài lớn hơn buồng cộng hưởng thứ nhất và quang trục của nó lệch chút ít so với buồng cộng hưởng thứ nhất. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Nếu hai buồng cộng hưởng này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp hoặc độ phẩm chất cao đều là các xung laser cỡ nano-giây. Tuy nhiên khi hai buồng cộng hưởng này cùng hoạt động đồng thời thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích lũy trong môi trường hoạt chất. Hoạt động của laser có buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gain) trong môi trường hoạt chất.
Do đó sự phát laser (buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp) chỉ cho phép phát một xung ở lối ra (hình 1. Phương pháp phát xung laser ngắn từ buồng cộng hưởng dập tắt là đơn giản. Chúng ta có thể kiểm soát được đặc tính thời gian của xung laser lối ra từ buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp bằng việc khống chế các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai buồng cộng hưởng, thông số buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất màu. Đây là ưu điểm của phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt.
Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép phát các xung ngắn với hệ số nén xung thấp chỉ cỡ 10 lần [4].4: Động học của quá trình dập tắt xung trong buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp [5]. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient) Đặc điểm dao động hồi phục của phát xạ laser từ các buồng cộng hưởng có độ dài ngắn, được bơm gần ngưỡng chính là cơ sở cho việc phát triển phương pháp quá độ của buồng cộng hưởng để tạo các xung laser ngắn. Điều hiện cần để quan sát các dao động hồi phục là thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng nhỏ hơn thời gian huỳnh quang kéo dài của các tâm hoạt chất.
Hiện tượng dao động hồi phục ở các laser xung đã được quan sát và nghiên cứu trong các laser rắn và laser màu. Nguyên nhân của nó là do tương tác giữa độ tích lũy của môi trường hoạt chất và năng lượng trường photon trong buồng cộng hưởng. Khi bơm gần ngưỡng bằng laser màu nano-giây, các dao động hồi phục quan sát được trong các laser màu trong vùng khả kiến có độ rộng xung nhỏ hơn 1ns và bằng một laser ngắn có thể thu được [3] Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng có thể được sử dụng cả với các laser micro-cavity để phát xung ngắn, khi chúng được bơm bằng các laser pico-giây khác. Khi sử dụng xung 80 ps bơm các laser màu micro- cavity 250 µm và 100 µm, các xung laser màu thu được là 12 ps và 8 ps tương ứng.
Hạn chế của phương pháp quá độ buồng cộng hưởng là độ nén xung thấp (nhỏ hơn 10 lần) và không ổn định về năng lượng, độ dài thời gian [3] 1. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection) Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm nano-giây là phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (STS). Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ dựa trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng laser ngắn, có độ phẩm chất thấp [6] Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Cấu hình của một laser màu pico-giây chọn lọc thời gian – phổ trên hình 1. Laser màu được bơm bằng một laser nano-giây.
Một cu-vét màu được sử dụng như một buồng cộng hưởng ngắn có độ phẩm chất thấp. Một các tử G và một khe hẹp S được sử dụng để lọc lấy một dải phổ hẹp từ vùng sóng ngắn của phổ laser băng rộng. Bức xạ sau khi chọn lọc là một xung laser ngắn. Ta có thể phát các xung laser ngắn có độ dài bước sóng tùy ý bằng cách quay cách tử hoặc thay đổi nồng độ dung dịch chất màu.
M2 Chùm laser bơm Laser ra M3 L0 M1 M1 ’ M0 L2 G Hình 1.5: Sơ đồ một laser màu xung pico-giây chọn lọc thời gian-phổ [6].