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 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.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] 2 √2 τ p= ln2 πΔω 0 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 ω 0 , tiếp đó, với một chuỗi tuần hoàn của các xung không có dạng Gauss, nhưng có một thời gian xung gần đúng với τ p ∝1/ Δω0 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 gian-thời 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 gian-không 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.
Độ rộng xung τp luôn tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ Δ ω 0 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 ~ 0,2 nm, laser cho ~ 10nm; 4 laser màu ~ 100 nm; laser Ti: sapphire ~ 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 −15 đến 3 fs (3 × 10 s) 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.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. 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 5 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: 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 6 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: 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.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. 7 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.