Tài liệu Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG Hà Nội - 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................1 CHƯƠNG I: LASER PHÁT XUNG NGẮN 1.1. Laser phát xung ngắn........................................................................................ 4 1.1.1. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) .....................................................................................................................4 1.1.2. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping (Dumping cavity)........................................................................................ 6 1.1.3. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity)................ 8 1.1.4. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient) .......... 10 1.1.5. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection) ...................................................................................................................10 1.1.6. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling wave excitation).......... 11 1.1.7. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF)............. 13 1.1.8. Phương pháp khóa pha (mode-locking) ................................................ 14 1.2. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn ......................................................... 16 1.2.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học .......... 17 1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang................................... 19 1.2.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM) ............................................................................ 20 1.2.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học....................................................... 22 1.2.2.3. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR).......................................................................... 23 1.2.2.4. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM) ............................................................................ 24 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN 2.1. Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn................................................. 28 2.1.1. Photodiode. ................................................................................................. 28 2.1.2. Streak Camera ............................................................................................ 29 2.2. Phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn. ................................... 32 2.2.1. Nguyên tắc chung của phương pháp – Hàm tự tương quan. .................. 32 2.2.2. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn ................................................. 37 2.2.2.1. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon.............................. 38 2.2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG) .......................... 39 2.2.2.3. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan ............................. 40 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN 3.1. Hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến................................................................................................ 44 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo. ........................................................................ 44 3.1.2. Phát triển hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn ................................ 46 3.1.3. Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 48 3.2. Tính toán lý thuyết và mô phỏng.................................................................... 50 3.2.1. Tự tương quan giao thoa ........................................................................... 50 3.2.1.1. Tính toán lý thuyết ................................................................................ 50 3.2.1.2. Mô phỏng .............................................................................................. 53 3.2.2.Tự tương quan cường độ............................................................................. 61 3.2.2.1. Tính toán lý thuyết ................................................................................ 61 3.2.2.2. Mô phỏng .............................................................................................. 63 3.2.3. So sánh giữa tự tương quan giao và tự tương quan cường độ trong việc xác định độ rộng của xung quang học cực ngắn ....................................... 67 3.3. Fit giữa kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để tìm ra độ rộng xung chính xác ........................................................................................................... 69 3.3.1. Mô phỏng xác định dạng xung laser dựa trên dữ liệu của tự tương quan cường độ........... .......................................................................................... 70 3.3.2. Với dữ liệu thực nghiệm thứ nhất............................................................. 75 3.3.3. Với dữ liệu thực nghiệm thứ hai ............................................................... 78 3.3.4. Với dữ liệu thực nghiệm thứ ba................................................................. 80 KẾT LUẬN ...........................................................................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................85 A.1. Kết quả thực nghiệm phép đo độ rộng xung laser....................................... 87 A.2. Code mô phỏng tự tương quan giao thoa ..................................................... 92 A.3. Code mô phỏng tự tương quan cường độ ..................................................... 96 A.4. Fit giữa dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng.................................... 99 1 MỞ ĐẦU Ngày nay laser, đặc biệt là các laser cực ngắn, đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Cùng với những ứng dụng không ngừng mở rộng của laser là những tiến bộ trong việc tạo ra các nguồn laser cực ngắn. Các xung laser cực ngắn ra đời, cho phép các nhà khoa học có thể nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong vật lý cũng như trong hóa học. Bằng việc tạo ra các xung quang học cực ngắn cỡ femto giây (10-15 s) và Atto giây (10-18 s), chúng ta có thể nắm bắt được sự chuyển đổng của các electron trong nguyên tử. Nhờ các xung cực ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được. Trong điện tử, viễn thông, các xung laser cực ngắn cho phép tạo ra các cảm biến siêu nhạy và thực hiện lấy mẫu quang điện trong các mạch điện tử có tốc độ cao. Để có thể truyền nhiều tín hiệu trên một đường truyền, người ta thực hiện việc ghép kênh tín hiệu. Trong thông tin quang, có hai phương pháp ghép kênh chủ yếu là OTDM (ghép kênh quang học phân chia theo thời gian) và WDM (ghép kênh phân chia theo tần số). Tuy nhiên, dù có ghép kênh theo kiểu nào đi chăng nữa thì độ rộng cực ngắn của các xung là vô cùng cần thiết trong việc nâng cao tốc độ truyền. Với OTDM, các xung đòi hỏi đủ ngắn để đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các xung khi chúng được ghép thành tín hiệu truyền trong một cửa sổ truyền; còn với WDM, các xung quang học cực ngắn sẽ đảm bảo cho các tín hiệu tránh được hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) và giảm được độ rộng của kênh. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 2 Tuy nhiên, để có thể khai thác được hết những ưu điểm của xung quang học cực ngắn mà chúng ta đã nêu ở trên thì việc đo đạc chính xác độ rộng của xung là điều hết sức quan trọng. Với những xung quang học cực ngắn (cỡ femto giây), các thiết bị điện tử thông thường sẽ không thể đo được. Người ta có thể sử dụng các thiết bị điện tử đặc biệt như streak camera để đo các xung laser có độ rộng cỡ vài trăm femto giây, tuy nhiên giá thành của các thiết bị này lại rất đắt nên nó không được sử dụng phổ biến. Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn” để thực hiện trong luận văn này. Luận văn được chia thành 3 chương: + Chương I. Laser phát xung ngắn và một số ứng dụng của laser. + Chương II. Các phương pháp đo xung ngắn. + Chương III. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn Trong chương I, luận văn trình bày về một số phương pháp phát laser xung ngắn: Phương pháp điều biến độ phẩm chất của buồng cộng hưởng (Qswitching), phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng dumping (Dumping cavity), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity), phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient), phương pháp chọn lọc thời gian-phổ (Spectro temporal selection), phương pháp kích thích sóng chạy (Travelling wave excitation), phương pháp phản hồi phân bố (Distributed feedback), phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng (Mode-locking). Hiện nay, laser và đặc biệt là những laser cực ngắn đang có rất nhiều những ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: vật lý học, hóa học, công nghệ sinh học, y học, điện tử và viễn thông... nên trong chương I, tôi có đề cập tới một số ứng dụng của laser nói chung và laser cực ngắn nói riêng. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 3 Trong chương II, tôi tìm hiểu và trình bày một số phương pháp đo xung quang học cực ngắn. Các phương pháp đó có thể được chia thành 2 loại: Phương pháp điện tử và phương pháp quang học. Với phương pháp điện tử, luận văn trình bày về việc đo xung quang học cực ngắn sử dụng photodiode và streak camera. Cơ sở của phương pháp quang học của việc đo xung quang học cực ngắn là dựa trên kỹ thuật huỳnh quang hai photon và sự phát họa ba bậc hai trên cơ sở hàm tự tương quan. Trong chương III, luận sẽ trình bày về sơ đồ hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn theo phương pháp tự tương quan. Dựa trên những thông số của thực nghiệm, luận văn tiến hành tính toán lý thuyết cũng như mô phỏng quá trình đo. Để có được kết quả đo độ rộng xung là chính xác nhất, tôi thực hiện fit giữa dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng với mô phỏng với việc giả sử dạng xung tại lối vào khác nhau. Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Nguyễn Đại Hưng, cùng các anh chị tại phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy nhiên, do còn những hạn chế về sự hiểu biết cũng như những sơ suất trong quá trình thực hiện, nên bản luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Kính mong các thầy cô, cùng các anh chị đóng góp, chỉ bảo để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 4 CHƯƠNG I. LASER PHÁT XUNG NGẮN 1.1. 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) 1.1.1. 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 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. Hình 1.1 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. (a) (b) (c) (d) Hình 1.1. 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 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 1.1b). 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 1.1d). 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. 1.1.2. 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 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. Hình 1.2: 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 1.2). 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 8 1.1.3. 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 1.3. Laser bơm R1 Laser ra từ BCH Q-cao 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 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 1.4). 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]. Hình 1.4: 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 10 1.1.4. 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 microcavity 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] 1.1.5. 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 11 Cấu hình của một laser màu pico-giây chọn lọc thời gian – phổ trên hình 1.5. 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 M3 Laser ra L0 M1 M1 ’ L2 M0 G Hình 1.5: Sơ đồ một laser màu xung pico-giây chọn lọc thời gian-phổ [6]. Với kỹ thuật nén xung này ta thu được xung laser ngắn cỡ picogiây với hệ số nén xung cỡ 102 lần, độ rộng phổ và bước sóng có thể kiểm soát được [6]. 1.1.6. Phương pháp kích thích sóng chạy (Travelling wave excitation) Kích thích sóng chạy là một phương pháp đơn giản song khá hữu hiệu để phát xung ngắn tới cỡ pico-giây. Trong phương pháp này, một chùm laser bơm song song được xử lý sao cho để hình thành một sự trễ xung đồng đều theo chiều ngang của xung bơm (hình 1.6). Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 12 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật kích thích sóng chạy [3] Việc bơm ngang quy-vét màu như vậy có thể tạo nên một sự khuếch đại chuyển động về phía trước trong quy-vét màu có cùng vận tốc nhóm với các bức xạ cưỡng bức. Khi chùm bơm “chạm” vào môi trường laser, một bức xạ cưỡng bức đầu tiên sẽ phát ra tại một đầu quy-vét và liên tiếp được khuếch đại (tức là trong quy-vét màu, bức xạ laser đi tới vị trí nào thì xung kích thích cũng vừa kịp gây ra khả năng khuếch đại tới vị trí đó). Hình 1.7: Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy [3] Trong sơ đồ laser màu kích thích sóng chạy (hình 1.7), cách tử là thiết bị quan trọng nhất, để tạo nên một sự trễ không gian liên tục và đồng Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 13 đều nhau dọc theo chiều ngang của chùm bơm đã bị nhiễu xạ. Do vậy, xung bơm và các xung bức xạ sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên thể tích màu, tức là các bức xạ được khuếch đại. Phương pháp khuếch đại kích thích sóng chạy cho phép phát các xung ngắn có độ dài phụ thuộc vào mật độ năng lượng bơm, với hệ số nén xung thấp, cao nhất chỉ cỡ 2 lần (thông thường nguồn bơm là các xung laser cỡ pico-giây) [3]. 1.1.7. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF) Phương pháp phản hồi phân bố (DF) thường được sử dụng với laser màu. Nét đặc trưng về mặt cấu tạo của laser phản hồi phân bố là không dùng buồng cộng hưởng gồm các gương, thay vào đó ánh sáng được phản xạ Bragg và khuếch đại trong môi trường hoạt chất do hiệu ứng phản hồi phân bố, nó được tạo ra bởi sự thay đổi có tính chu kỳ theo không gian của một trong các thông số môi trường hoạt chất như: chiết suất, hệ số khuếch đại và thông số hình học. Giả sử trên môi trường hoạt chất của laser phản hồi phân bố, một cấu trúc có chu kỳ theo không gian của chiết suất và hệ số khuếch đại (hình 1.8). đã được tạo ra từ hệ vân giao thoa khi cho hai chùm laser bơm kết hợp với nhau (giao thoa) ngay trên bề mặt môi trường hoạt chất. Cấu trúc này tương đương như một cách tử Bragg. Khi môi trường bị kích thích các photon bức xạ (tại các vân sáng giao thoa) lan truyền trong môi trường này và chỉ có photon có độ dài bước sóng λ thỏa mãn điều kiện Bragg thì sẽ bị phản xạ lại truyền qua vân sáng. Mặt khác các photon này sẽ được khuếch đại trong khi lan truyền. Như vậy, chỉ có bước sóng λB thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg sẽ trở thành bước sóng laser phản hồi phân bố, còn các photon có bước sóng khác không được khuếch đại sẽ bị suy hao hết [7]. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 14 Cách tử Gương 1 Gương 2 Chùm bơm Hệ vân giao thoa Laser ra Hoạt chất Laser ra Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của laser DF [7] Ưu điểm nổi bật của laser phản hồi phân bố là khả năng phát laser đơn sắc cao tại các bước sóng khác nhau. Phương pháp phản hồi phân bố có thể ứng dụng cho các loại môi trường khác nhau, và có thể phát xung ngắn pico-giây. 1.1.8. Phương pháp khóa pha (mode-locking) Một buồng cộng hưởng laser điển hình gồm có hai gương phản xạ và môi trường hoạt chất khuếch đại ánh sáng. Khi không có các yếu tố lọc lựa tần số bên trong buồng cộng hưởng, laser dao động đồng thời với rất nhiều mode cộng hưởng bên trong profile phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong đó chứa các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng hưởng quang học. Hai mode dọc liên tiếp nhau cách nhau một khoảng f  c , trong đó c là 2L vận tốc ánh sáng trong chân không, L là chiều dài buồng cộng hưởng. Hình 1.9 mô tả phổ của một xung laser trong buồng cộng hưởng. Quan hệ về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn 15 khóa pha giữa các mode dao động đồng thời này thì sẽ đạt được sự chồng chập phù hợp của các biên độ mode. Độ khuếch đại fc fR f Tần số Hình 1.9. Mô tả các mode dọc trong buồng cộng hưởng Khi hai điều kiện sau đây được thỏa mãn: + Laser cần phải có một số mode dọc khá lớn. + Các mode này phải đảm bảo cách đều nhau về tần số và đồng bộ với nhau về pha. Các mode sẽ giao thoa với nhau và laser có thể phát ra một chuỗi xung ngắn tuần hoàn. Khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp bằng thời gian mà ánh sáng laser thực hiện một chu trình trong buồng cộng hưởng. Độ dài của mỗi xung tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng của môi trường laser, hay nói cách khác, nó tỷ lệ nghịch với số lượng mode của laser. Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật modelocking. Kỹ thuật này phụ thuộc vào phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên. Việc khóa mode này được thực hiện bằng bộ biến điệu quang học bên trong buồng cộng hưởng. Tùy theo nguyên tắc làm việc của bộ biến điệu, người ta chia phương pháp mode-locking thành hai loại: + Phương pháp mode-locking chủ động Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn