Tài liệu ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa sesam để phát xung laser ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LƯƠNG ĐỨC LƯU øNG DôNG G¦¥NG B¸N DÉN HÊP THô B·O HßA (SESAM) §Ó PH¸T XUNG LASER NG¾N LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LƯƠNG ĐỨC LƯU øNG DôNG G¦¥NG B¸N DÉN HÊP THô B·O HßA (SESAM) §Ó PH¸T XUNG LASER NG¾N Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐOÀN HOÀI SƠN NGHỆ AN - 2012 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành nhờ quá trình nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn. Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy về sự giúp đỡ quý báu này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban chủ nhiệm cùng các thầy cô trong khoa Vật lý, Khoa đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Vinh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập tại cơ sở đào tạo. Xin chân thành cảm ơn ! Vinh, tháng 9 năm 2012 Tác giả MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU..................................................................................................................1 Chương 1. PHƯƠNG PHÁP MODE-LOCKING PHÁT XUNG LASER NGẮN VÀ ỨNG DỤNG................................................3 1.1. Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hưởng (modelocking).......................................................................................................3 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking............................3 1.1.2. Phương pháp mode-locking chủ động......................................................5 1.1.3. Phương pháp mode-locking thụ động......................................................6 1.1.4. So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động...................7 1.2. Các ứng dụng của xung laser ngắn..........................................................9 1.2.1. Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học...............10 1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang................................10 Chương 2. GƯƠNG BÁN DẪN HẤP THỤ BÃO HÒA (SESAM)............12 2.1. Giới thiệu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa – SESAM.........................12 2.2. Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)...........................................13 2.2.1. Cấu trúc điển hình của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)..................................................................................................13 2.2.2. Gương Bragg............................................................................................14 2.2.3. Các lớp chống phản xạ............................................................................15 2.3. Các thông số cơ bản của SESAM...........................................................16 2.3.1. Thông lượng bão hòa...............................................................................17 2.3.2. Cường độ bão hòa Isat...............................................................................17 2.3.3. Độ sâu biến điệu.......................................................................................17 2.3.4. Các mất mát chưa bão hòa.....................................................................17 2.3.5. Thời gian hồi phục hấp thụ.....................................................................18 2.4. Các cấu trúc khác nhau của SESAM.....................................................19 1 2.4.1. Gương hấp thụ bão hoà Fabry-Perot khử cộng hưởng độ nét cao (high-finesse antiresonant Fabry-Perot saturable absorber)..................................................................................................22 2.4.2. SESAM có phủ lớp chống phản xạ (Antireflection-Coated SESAM)....................................................................................................23 2.4.3. Gương hấp thụ bão hoà Fabry-Perot khử cộng hưởng độ nét thấp (low-finesse antiresonant Fabry-Perot saturable absorber)..................................................................................................26 Chương 3. 3.1. PHÁT XUNG LASER NGẮN SỬ DỤNG SESAM.................29 Cấu hình buồng cộng hưởng của hệ laser Nd:YVO4 sử dụng SESAM được bơm bằng laser bán dẫn..................................................29 3.2. Nguồn bơm laser diode...........................................................................30 3.2.1. Nguồn nuôi laser diode (LDD)................................................................30 3.2.2. Bộ làm mát cho laser diode (ATC-03H).................................................32 3.2.3. Laser diode ATC-C2000-808-3...............................................................32 3.3. Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM)...........................................33 3.4. Sơ đồ thí nghiệm......................................................................................34 3.5. Tìm hiểu các kết quả thực nghiệm.........................................................35 3.5.1. Độ rộng xung laser mode-locking thụ động...........................................35 3.5.2. Tần số lặp lại xung...................................................................................36 3.5.3. Công suất của laser mode-locking..........................................................37 KẾT LUẬN............................................................................................................ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................40 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang và viễn thông đã phát triển mạnh, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của sự phát triển kinh tế xã hội. Một trong những khả năng để phát triển các hệ thống thông tin quang hiện đại là sử dụng các laser phát xung cực ngắn, tần số lặp lại cao. Có nhiều phương pháp phát xung laser ngắn, ứng dụng trong KHCN. Trong đó phương pháp mode–locking cho phép tạo ra xung laser ngắn, có tần số lặp lại cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của hệ thống thông tin quang. Với kỹ thuật mode– locking, phương pháp mode–locking thụ động sử dụng các môi trường hấp thụ bão hòa thường được sử dụng phổ biến hơn do nó có thể tạo ra xung ngắn hơn và tần số lặp lại cao. Kỹ thuật mode–locking thụ động sử dụng SESAM đang là phương pháp hiệu quả nhất để phát triển các laser phát xung ngắn có tần số lặp lại cao dùng trong thông tin quang. Ở Việt Nam đã có một số trung tâm nghiên cứu, ứng dụng và phát triển hệ laser xung ngắn (picôgiây, femtôgiây), trong đó có kỹ thuật phát xung laser ngắn nhờ gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM - SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) . Đây là một kỹ thuật phát xung ngắn, có cấu hình không quá phức tạp, có tính khả thi cao trong điều kiện nước ta. Nhận thức được tầm quan trọng này, chúng tôi lựa chọn đề tài ”Ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) để phát xung laser ngắn” cho đề tài luận văn của mình. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Phương pháp mode–locking phát xung laser ngắn và ứng dụng: Tìm hiểu về kỹ thuật mode–locking phát xung laser ngắn và ứng dụng trong vật lý, hóa học cũng như sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực thông tin quang. Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM): Các tính chất và thông số vật lý của SESAM cũng như các cấu trúc của nó. 2 Chương 3: Phát xung laser ngắn sử dụng SESAM: Tìm hiểu hệ laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động sử dụng SESAM để tạo xung có độ rộng khoảng 13 ps và tần số lặp lại từ 30 - 100 MHz. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù rất cố gắng nhưng bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp. 3 Chương 1 PHƯƠNG PHÁP MODE–LOCKING PHÁT XUNG LASER NGẮN VÀ ỨNG DỤNG Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để tạo xung laser ngắn: kỹ thuật biến điệu độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng (Q-switching), tách năng lượng buồng cộng hưởng hay buồng cộng hưởng kết xuất (Dumping Cavity), phản hồi phân bố (Distributed Feedback), buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity), kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation - TWE), lọc lựa thời gian - phổ (Spectro Temporal Selection - STS), quá độ buồng cộng hưởng (Resonator Transient). Tuy nhiên, để đảm bảo phát được các xung laser ngắn, tần số xung lớn thì phải sử dụng các kỹ thuật mode-locking. Một kĩ thuật phát xung laser ngắn rất hiệu quả hiện nay cho phép tạo các xung laser ngắn cỡ picôgiây đến femtôgiây đã được sử dụng, đó là phương pháp tạo xung laser ngắn bằng kĩ thuật mode-locking thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà (SESAM). Với phương pháp này, ta có thể tạo được các xung laser ngắn (picôgiây tới femtôgiây) có tần số lặp lại và độ ổn định cao cũng như công suất lớn với cấu hình laser nhỏ gọn, đáp ứng được những yêu cầu cần thiết trong thông tin quang. 1.1. Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hưởng (mode-locking) 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking 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. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong đó có chứa các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng hưởng quang học. Một cách tổng quát, xét buồng cộng hưởng với chiều dài L và trục buồng cộng hưởng lấy theo trục Oz. Một sóng phẳng với bước sóng  lan truyền theo phương gần trục (hợp với Oz một góc nhỏ  ) thì do sự phản xạ của các gương, trong buồng 4 cộng hưởng sẽ xuất hiện hiện tượng giao thoa sóng. Điều kiện giao thoa cực đại Độ khuếch đại được cho bởi: 2 L cos  m (m là số nguyên cỡ 106 với ánh sáng vùng quang học). fc fR f Tần số Đối mode Hình 1.1. Mô tả các mode dọc trong buồng cộng hưởng. dọc với các (lan truyền theo phương trục Oz: góc  0 ) thì: 2 L m   2 L / m . Khi đó, hai mode dọc liên tiếp trong buồng cộng hưởng sẽ cách nhau một khoảng:   c , (c là vận 2L tốc ánh sáng trong chân không). Quan hệ về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện khóa pha giữa các mode dao động đồng thời này thì sẽ đạt được sự chồng chập phù hợp của các biên độ mode. Khi hai điều kiện sau đây được thỏa mãn:  Laser cần phải có một số mode dọc khá lớn.  Các mode này phải cách đều nhau về tần số và đồng bộ với nhau về pha thì 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 nó tỷ lệ nghịch với số lượng mode của laser. 5 Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật mode-locking. Kỹ thuật này phụ thuộc vào phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên. Có hai phương pháp tạo xung ngắn bằng kĩ thuật mode-locking: phương pháp mode-locking chủ động và phương pháp mode-locking thụ động. 1.1.2. Phương pháp mode-locking chủ động Phương pháp mode-locking chủ động là phương pháp sử dụng một bộ biến điệu đặt trong buồng cộng hưởng (điện quang hoặc âm quang) được điều khiển bởi một tín hiệu cao tần bên ngoài để đồng bộ các xung theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng. Để khoá pha của các mode, cần tạo ra sự biến điệu tuần hoàn của các thông số buồng cộng hưởng với tần số bằng hoặc là bội tần số đi lại của photon trong buồng cộng hưởng. Phương pháp mode-locking chủ động được chia làm hai loại: sử dụng phương pháp biến điệu biên độ (AM) và phương pháp biến điệu tần số (FM) [1]. Trong phương pháp biến điệu biên độ (AM), người ta đặt một thiết bị biến điệu trong buồng cộng hưởng. Khi điều khiển thiết bị này bằng một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự điều biến biên độ hình sin của ánh sáng bên trong buồng cộng hưởng với tần số f. Nếu tần số biến điệu f này khác với khoảng cách mode  = c/2L thì chỉ dẫn đến sự biến điệu biên độ trường của mỗi mode. Nếu tần số biến điệu f bằng khoảng cách mode  = c/2L, khi đó sẽ có sự trao đổi năng lượng giữa các mode. Sự tương tác giữa các mode này dẫn đến sự đồng bộ về pha hay các mode được khóa pha. Khi chúng truyền qua bộ biến điệu bên trong buồng cộng hưởng, chúng cũng được biến điệu và tạo ra các mode mới với  = o  2f. Nếu cứ tiếp tục như vậy dẫn tới tất cả các mode trong phổ khuếch đại đều bị khóa pha và tham gia vào quá trình hoạt động của laser. Phương pháp mode locking chủ động biến điệu tần số (FM) sử dụng thiết bị biến điệu dựa trên hiệu ứng quang điện. Thiết bị này, khi đặt trong buồng cộng hưởng laser và được điều khiển với một tín hiệu điện sẽ tạo ra sự dịch tần biến thiên 6 hình sin rất nhỏ khi có ánh sáng truyền qua nó. Chỉ ánh sáng có tần số không bị thay đổi khi truyền qua bộ biến điệu (tức độ dịch tần bằng 0) sẽ tạo ra xung ánh sáng hẹp. Số mode buồng cộng hưởng càng nhiều thì độ rộng xung mode-locking thu được càng ngắn và công suất xung mode-locking càng lớn. Hình 1.2 mô tả hình ảnh các xung laser mode-locking phụ thuộc số lượng các mode được khoá pha. IL N=5 T=1/ a) T=2d/c t IL/10 N=15 b) t Hình 1.2. Xung laser ra của hệ laser xung mode-locking. với 5 mode bị khoá. với 15 mode bị khoá. Ngoài ra người ta còn sử dụng kỹ thuật mode-locking đồng bộ hay bơm đồng bộ. Nguồn bơm sẽ tự biến điệu để tạo xung ngắn. Thông thường, các nguồn bơm này là một laser mode-locking. Kỹ thuật này đòi hỏi tương hợp giữa chiều dài buồng cộng hưởng và biến điệu của nguồn bơm. 1.1.3. Phương pháp mode-locking thụ động Bộ hấp thụ bão hòa là môi trường có hệ số hấp thụ giảm khi cường độ ánh sáng truyền qua nó tăng; do đó nó truyền các xung cường độ lớn với sự hấp thụ khá 7 nhỏ. Thời gian hồi phục của bộ hấp thụ bão hoà phải ngắn hơn thời gian một chu trình đi lại trong buồng cộng hưởng, nếu không sẽ hình thành nhiều xung. Ban đầu, môi trường laser phát bức xạ tự phát làm tăng các thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian của mật độ năng lượng. Một vài thăng giáng này có thể được khuếch đại tới một mức độ nào đó mà thăng giáng có thể truyền qua bộ hấp thụ bão hòa với suy giảm nhỏ. Các công suất nhỏ hơn của thăng giáng này có sự suy giảm mạnh hơn và bị hấp thụ. Kết quả là một xung công suất lớn có thể được tạo ra bên trong buồng cộng hưởng. Việc điều chỉnh nồng độ của chất màu có thể làm thăng giáng ban đầu trở thành một xung hẹp liên tục bên trong buồng cộng hưởng, do đó tạo thành chuỗi xung mode-locking. 1.1.4. So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động Trong phương pháp mode-locking chủ động, một tín hiệu cao tần bên ngoài được đưa vào để điều khiển bộ biến điệu đặt bên trong buồng cộng hưởng nhằm đồng bộ các xung laser theo thời gian một chu trình buồng cộng hưởng. Trong phương pháp mode-locking thụ động, sự biến điệu được tạo ra trực tiếp bởi các xung laser. Tức không cần sự đồng bộ ngoài và bộ biến điệu thụ động có thể cho phép tạo các xung ngắn với tần số xung lớn hơn nhiều. Đối với mode-locking chủ động, sự biến điệu của độ suy hao được kiểm soát từ bên ngoài và nó không thể tạo ra sự biến đổi nhanh cho cường độ xung. Với mode-locking bị động, sự biến điệu của độ suy hao xác định bởi chính bản thân dạng xung, như vậy cho phép tạo ra cửa sổ khuếch đại tổng ngắn hơn nhiều. Các laser mode-locking chủ động thông thường có thời gian và phổ dạng Gauss. Ngược lại, phương pháp mode-locking thụ động cho thời gian và phổ có dạng hyperbolic không phụ thuộc vào thời gian phản ứng của bộ hấp thụ. Để khoá pha các mode, các phương pháp mode-locking chủ động có thể là biến điệu biên độ, biến điệu tần số hay bơm đồng bộ, va chạm xung. Trong thực tế, các thiết bị biến điệu được điều khiển từ bên ngoài hoặc đặt bên ngoài buồng cộng hưởng sẽ được dùng để chủ động can thiệp vào sự biến điệu có chu kỳ của độ suy hao trong buồng 8 cộng hưởng. Do đó nó rất nhạy với các thăng giáng của tần số (do biến điệu bên ngoài) và khoảng cách giữa hai mode dọc liên tiếp của buồng cộng hưởng (c/2L), vì vậy kỹ thuật mode-locking chủ động khó đạt tới chế độ xung nhỏ hơn picô giây. Bảng 1.1. So sánh một số kỹ thuật mode-locking khác nhau (công suất trung bình 1W). Kỹ thuật Mode-locking chủ động Mode-locking thụ động Thiết bị modelocking Laser Độ dài xung Năng lượng xung Tế bào Pockels Argon liên tục He-Ne liên tục Nd:YAG xung 300 ps 500 ps 100 ps 10 nJ 0,1 µJ 10 mJ Bộ hấp thụ bão hoà chất màu; SESAM Màu, liên tục Nd:YAG 1 ps 1 – 10 ps 1 nJ 1 nJ Màu, liên tục Tâm màu 1 ps 1 ps 10 nJ 10 nJ Laser bơm Mode-locking mode-lock và bằng bơm đồng phù hợp chiều bộ dài BCH Các phương pháp mode-locking bị động có thể sử dụng các bộ hấp thụ bão hoà hoặc dựa trên hiệu ứng Kerr quang học. Các laser màu xung mode-locking thụ động thường sử dụng cơ chế bão hoà phi tuyến trong các bộ hấp thụ bão hoà (thường là các cu-vet đựng các dung dịch màu hữu cơ và gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) mà ta sẽ nghiên cứu kỹ sau đây). Vì có các suy hao trong bộ hấp thụ, để đạt tới ngưỡng dao động thì độ khuếch đại của môi trường hoạt tính phải đủ lớn, thời gian hồi phục của môi trường và bộ hấp thụ phải đủ ngắn so với thời gian một chu trình buồng cộng hưởng, và thời gian hồi phục của các chuyển dời tại bức xạ khuếch đại trong môi trường hoạt tính dung dịch màu phải có cỡ thời gian một chu trình buồng cộng hưởng. Phương pháp mode-locking thụ động khá đơn giản, có thể áp dụng cho cả laser liên tục cũng như laser xung (do vậy, đòi hỏi nỗ lực thực nghiệm ít hơn kỹ thuật mode-locking chủ động và không cần những thiết bị phức tạp). Tuy vậy, trong công nghệ laser màu chúng có nhược điểm là bị hạn chế về khả 9 năng chọn được các cặp chất màu hấp thụ bão hoà và các chất màu của hệ phát laser tương thích. Bên cạnh đó, chúng tạo ra các xung tương đối yếu và vùng điều chỉnh được bước sóng khá hẹp. Tóm lại, mode-locking là phương pháp khá phổ biến để phát xung quang cực ngắn. Nhược điểm là không thực hiện được với các xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp, giá thành cao và yêu cầu khắt khe về thiết bị. Nhưng nó có ưu điểm là cho phép phát được các xung laser ngắn nhất hiện nay khi tổ hợp với một số kỹ thuật nén xung khác. 1.2. Các ứng dụng của xung laser ngắn Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật. Đi sâu vào các ngành như quang phổ, phân tích chuẩn đoán, môi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y học, ở đâu chúng ta cũng thấy bóng dáng của laser. 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… Laser xung ngắn đã được lựa chọn do nó có các đặc tính phù hợp với rất nhiều ứng dụng như:  Độ rộng xung cực ngắn.  Tần số lặp lại xung cao.  Công suất đỉnh lớn. Những tiến bộ mới đây của các laser xung cực ngắn điều chỉnh được bước sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu của rất nhiều ngành: vật lý, hóa học và sinh học. Các xung laser cực ngắn này còn cho phép thực hiện các ứng dụng tương lai trong ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển các quá trình siêu nhanh trên thang đo nguyên tử hay phân tử cũng như trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản. 10 1.2.1. Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học Do laser phát ra xung có độ rộng cực ngắn nên nó cho phép độ phân giải thời gian rất cao. Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser xung ngắn đã ra đời, đó là quang phổ phân giải thời gian. Các nhà khoa học dựa vào quang phổ phân giải thời gian để nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh theo thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học. Một laser mode-locking có thể mô tả chuyển động của các đối tượng di chuyển cực nhanh như các nguyên tử hay điện tử, do đó có thể đo được các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn, quá trình động học của các phản ứng hóa học hoặc 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… Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra các tiến trình chức năng của các linh kiện điện tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thể theo dõi xem liệu các xung điện sẽ chuyển động như thế nào qua các vi mạch. Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất cả những ngành ở đó cần tới ánh sáng có cường độ rất mạnh, chẳng hạn như các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, trong việc gia công vật liệu hay phẫu thuật mắt. Ngoài ra người ta cũng cần tới ánh sáng cường độ mạnh cả trong ngành quang phổ 2 photon. Khả năng tách chiết một cách kết hợp trong một thời gian rất ngắn một lượng năng lượng cao được tích trữ trong các hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng các hệ phát-khuếch đại femtogiây đã tạo ra các hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất đỉnh tới vài chục TW. Chúng được ứng dụng trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát các chùm tia X cực mạnh. Các xung cực ngắn - năng lượng lớn đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu ứng quang phi tuyến. 1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang Với độ đơn sắc và kết hợp cao, các tia laser đã được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc [1]. Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu điểm: So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp nhiều lần (vì dải tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến). Ví dụ với sóng vô 11 tuyến, tần số sử dụng là 104 ¸ 3´1011 Hz thì với các laser quang học hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 3´1012 ¸ 15´1015 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5´104 lần. Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 ¸ 0,8 mm và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80´105 kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn. Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến. Hiện nay, với laser người ta có thể truyền tin với khoảng cách truyền là 100.000 km. Với các bước sóng thích hợp, người ta có thể truyền tin hiệu quả ở các môi trường khác nhau. Ngoài ra, các laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng của thông tin. Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống viễn thông dung lượng lớn, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock distribution). Trong tương lai, các xung clock được sử dụng trong các chip được tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integrated), các chùm điện tử phân cực của các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ dựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [7]. Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 mm sẽ trở thành linh kiện quan trọng trong viễn thông và thông tin quang. Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz thậm chí cao hơn thường được sử dụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques). 12 Chương 2 GƯƠNG BÁN DẪN HẤP THỤ BÃO HÒA Với mục đích tạo ra các xung có độ rộng ngắn, tần số lớn để ứng dụng trong thông tin quang, phương pháp chế tạo các nguồn laser xung ngắn dựa trên kỹ thuật mode-locking được lựa chọn. Kỹ thuật mode-locking thụ động được sử dụng hiệu quả hơn kỹ thuật mode-locking chủ động vì nó cho phép tạo ra các xung laser ngắn, công suất lớn và độ ổn định cao, đặc biệt có thể cho tần số lặp lại xung cao. Với việc phát triển của công nghệ trong lĩnh vực khoa học vật liệu bán dẫn, việc tạo ra các gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) cho kỹ thuật mode-locking thụ động có một ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật phát laser xung ngắn. Với các đặc điểm nổi bật của SESAM như: kích thước nhỏ gọn, phổ mở rộng từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại, thời gian hồi phục nhanh…, phương pháp phát xung laser ngắn dựa trên kĩ thuật mode-locking sử dụng SESAM đang là kĩ thuật tạo xung ngắn được sử dụng phổ biến và là phương pháp tạo xung laser ngắn hữu hiệu nhất hiện nay. Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu các tính chất và thông số vật lý cũng như cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM). 2.1. Giới thiệu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa – SESAM Các thiết bị SESAM hiện nay đã được sử dụng rộng rãi và trở thành linh kiện quan trọng không thể thiếu trong các nguồn laser cực ngắn mode-locking thụ động. Việc sử dụng bộ hấp thụ bão hòa để tạo xung cực ngắn đã được ứng dụng từ rất sớm. Trước đây, bộ hấp thụ bão hòa thường sử dụng là các chất màu nhưng do tuổi thọ ngắn, độc và quá trình điều khiển phức tạp, nên sau đó người ta sử dụng các bộ hấp thụ bão hòa ở trạng thái rắn như các tinh thể Cr:YAG. Tuy nhiên, bộ hấp thụ bão hòa rắn cũng chỉ hoạt động trong vùng bước sóng nhất định, thời gian hồi phục và các mức bão hòa giới hạn. Khi phát minh ra chất bán dẫn, việc chế tạo bộ hấp thụ bão hòa bằng vật liệu bán dẫn có thể khắc phục được nhược điểm của bộ hấp thụ bão hòa rắn vì vật liệu 13 bán dẫn có thể hấp thụ ở một vùng bước sóng tương đối rộng (từ vùng khả kiến cho tới vùng hồng ngoại) và có thể điều chỉnh các thông số của chúng như: thời gian hồi phục, thông lượng bão hòa… bằng cách thay đổi các thông số chế tạo. Các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng các laser rắn được bơm bằng laser diode mode-locking thụ động hầu như không hoạt động trong chế độ liên tục (không có Q-Switch), việc này đã giới hạn các ứng dụng thực tế của chúng. Vấn đề được giải quyết khi phát minh ra gương SESAM đầu tiên vào năm 1992 (bộ hấp thụ bão hòa Fabry-Perot khử cộng hưởng). Việc phát minh ra SESAM là bước nhảy vọt quan trọng để chế tạo ra laser Nd:YAG và Nd:YLF mode-locking liên tục. Cũng với phương pháp này người ta đã nâng cao các thông số quan trọng của laser như: độ rộng xung, công suất, tần số lặp lại xung... Ngày nay, cấu trúc thiết kế của SESAM ngày càng được hoàn thiện giúp cho việc chế tạo các hệ laser phát xung ngắn với tần số lặp lại cao, công suất lớn và độ ổn định cao. 2.2. Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) Đế GaAs 2.2.1. Cấu trúc điển hình của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) xung Gương Bragg GaAs/AlAs lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs Hình 2.1: của SESAM hoạt(SEmiconductor động trong vùngSaturable Gương bán Cấu dẫn trúc hấp điển thụ hình bão hòa - SESAM 1064nm. Trên đế GaAs tạo một gương Bragg GaAs/AlGaAs. Nằm Absorber Mirror) là một cấu trúc gương kết hợp với bộ hấp thụ bão hòa, tất cả đều dưới lớp trên là một lớp hấp thụ giếng lượng tử InGaAs dày 10nm. 14 làm bằng công nghệ bán dẫn. Thông thường, thiết bị này gồm có một gương Bragg và một lớp hấp thụ bão hòa đơn giếng lượng tử ở gần bề mặt. 2.2.2. Gương Bragg Gương Bragg (còn được gọi là gương 1/4 bước sóng) là một cấu trúc gồm một chuỗi Tia tới Chùm tia phản xạ các lớp xen kẽ với hai loại vật liệu quang học khác nhau, độ dày quang học của mỗi lớp nK tương ứng với 1/4 bước sóng thiết kế của nH gương ứng với tia tới vuông góc; nếu gương nL được thiết kế cho góc tới lớn hơn thì các lớp nH cần phải dày hơn. nL Nguyên lý hoạt động có thể được hiểu nH như sau: Mỗi mặt phân cách giữa hai vật liệu nS tạo thành một phản xạ Fresnel. Đối với bước sóng thiết kế, chiều dài đường đi quang học khác nhau giữa sự phản xạ từ các mặt phân Hình 2.2. Cấu trúc của gương Bragg. cách là 1/2 bước sóng, hơn nữa hệ số phản xạ đối với các mặt phân cách có các dấu xen kẽ. Do đó, tất cả các thành phần đã phản xạ từ mặt phân cách giao thoa với nhau, dẫn tới sự phản xạ mạnh. Hệ số phản xạ đạt được xác định bằng số các cặp và chiết suất tỉ đối giữa các lớp vật liệu. Độ rộng phổ phản xạ xác định chủ yếu bởi chiết suất tỉ đối. Trễ tán sắc nhóm của gương Bragg triệt tiêu tại bước sóng thiết kế và nhỏ trong phần lớn độ rộng phổ phản xạ. Tuy nhiên, tán sắc xảy ra tại biên của vùng bước sóng này thì đáng kể. Hệ số phản xạ R của gương Bragg được tính theo công thức: 1 Y R   1  Y  2 với Y (n H / n L ) 2 p (n H ) 2 / n s trong đó (2p+1) là số các lớp có chiết suất cao và thấp.