- cộng hưởng laser CPM. - Tổng quan về nguyên lý tạo xung cực ngắn và khóa mode bị động sử dụng hấp thụ bão hòa. - Phân tích những ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng super gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM: quá trình tạo chirp. - khảo sát sự biến dạng xung khi đi qua môi trường hấp thụ bão hòa. - ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Super Gauss trong buồng cộng hưởng laser. - Để tạo ra những xung laser cực ngắn người ta sử dụng phương pháp khóa pha các mode của laser.Qua một cơ chế thích hợp trong buồng cộng hưởng laser có thể thực hiện một quan hệ phase xác định giữa những dao động riêng khác nhau, khi đó tia laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian,người ta gọi một laser như vậy là laser đồng bộ mode (mode-locking: khóa mode).Những phương pháp quan trọng để đồng bộ mode là:. - Tìm hiểu về sự tạo thành xung cực ngắn thông qua khóa mode bị động sử dụng chất hấp thụ bão hòa , giới thiệu mô hình hấp thụ bão hòa bốn mức với mode-locking hấp thụ bão hòa chậm và mode locking hấp thụ bão hòa nhanh.. - Ảnh hưởng của chirp phi tuyến dối với xung Super Gauss khi đi qua môi trường hấp thụ bão hòa:. - +Khi đi qua môi trường hấp thụ bão hòa thì dạng xung thay đổi,mặt trước của xung bị dốc hơn,đỉnh xung được khuếch đại so với xung vào.. - Nhưng qua một cơ chế thích hợp trong buồng cộng hưởng laser sẽ có thể thực hiện được một quan hệ phase xác định (cố định) giữa những dao động riêng khác nhau này. - Do đó tia Laser sẽ phụ thuộc một cách xác định vào thời gian.. - Sự phụ thuộc thời gian của tia Laser đi ra đối với số mode M = 7 có thể diễn tả như hình bên.. - Tín hiệu ra của Laser được đồng bộ mode sẽ là một đoàn xung tuần hoàn một khoảng thời gian u.. - Khoảng thời gian u chính là khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng đi một vòng quanh buồng cộng hưởng. - Trong buồng cộng hưởng luôn có chỉ một xung chạy đi và về. - Thời gian xung. - gen sẽ có thể cỡ bằng độ rộng vạch của độ rộng vạch phổ của dịch chuyển Laser. - Đồng bộ mode chủ động. - v ) .(Ví dụ: Biến điện sự mất mát, hao phí), như thế ta có thể đạt được một sự đồng bộ pha của các dao động này của Laser.. - Từ đây có thể rút ra biểu thức:. - Hai tần số bên này là trùng khít với những dao động riêng bên cạnh tần số v 0 của buồng cộng hưởng. - Có thể thực hiện sự đồng bộ mode qua việc biến điệu sự khuyếch đại của nó. - Như vậy với những điều kiện xác định, sự khuyếch đại được biến điệu theo thời gian với một chu kỳ biến điệu bằng thời gian đi vòng quanh buồng cộng hưởng.. - Tương tự như trong sự biến điệu mất mát bên trong buồng cộng hưởng sẽ tạo nên trong trường hợp này ,ở trong vùng thời gian của sự khuyếch đại cực đại.. - làm cho tần số của cực đại có thể thay đổi liên tục. - Do đó có thể điều chỉnh tần số của Laser màu trong một khoảng xác định nào đó.. - Đồng bộ mode bị động cho phép tạo được xung cực ngắn và ổn định mà không cần sự điều khiển từ bên ngoài.trong phương pháp đồng bộ mode bị động người ta sử dụng một bộ hấp thụ bão hoà đặt trong buồng cộng hưởng của Laser để thực hiện nhiệm vụ đồng bộ mode.. - Bộ hấp thụ bão hoà phải có một dịch chuyển hấp thụ trên tần số Laser với một tiết diện hấp thụ lớn nhất và nó được hoạt động nhờ trường sóng Laser. - Bộ hấp thụ bão hoà phải có đặc tính là: Khi cường độ ánh sáng tăng lên thì khả năng hấp thụ của nó giảm đi.. - Chúng ta khảo sát một bộ hấp thụ như một hệ hai mức: Thì phương trình cân bằng và dưới điều kiện dừng (T L >>. - là cường độ bão hoà của bộ hấp thụ N 1 và N 2 là độ tích luỹ ở mức 1 và mức 2. - T L : Là thời gian xung. - T 21 là thời gian tích thoát năng lượng. - Theo biểu thức trên, hiệu độ tích luỹ N sẽ giảm, mà điều đó tương ứng với việc đặc trưng cho sự hấp thụ của tia, với sự tăng lên của cường độ. - cường độ lớn hơn so với cường độ bão hoà của chất hấp thụ I S , thì sẽ không thể có sự hấp thụ nữa. - Bộ hấp thụ đã bị bão hoà.. - Trong trường hợp này thì sự hấp thụ sẽ giảm khi năng lượng của xung tăng lên.Trong khi mặt trước của xung giảm mạnh vì ở thời gian đó thì năng lượng xung còn nhỏ và sự hấp thụ đạt bão hoà, có thể sau một thời gian lớn và sự bão hoà hấp thụ được xác lập nên mặt sau của xung gần như không bị yếu đi khi đi qua bộ hấp thụ.. - Thời gian tích thoát của môi trường kích hoạt trong Laser mầu nằm ở cỡ độ lớn của thời gian vòng quanh cộng hưởng bởi thời gian tích thoát của chất mầu hấp thụ là lớn đối với thời gian xung. - Xung cực ngắn sẽ được tạo thành do sự tác dụng tổ hợp của các bộ hấp thụ bão hoà (mà nó đã xén, cắt mặt trước của xung) và của bộ khuyếch đại (mà nó đã cắt mặt sau của xung).. - Cơ chế của đồng bộ mode bị động dựa trên sự biến điệu theo thời gian của sự mất mát trong buồng cộng hưởng cũng như sự đồng bộ mode chủ động.. - mà đạt được bão hoà của chất hấp thụ. - Chất hấp thụ bão hoà dành ưu tiên cho những thăng giáng có năng lượng cực đại vì đối với những nhóm thăng giáng này, do sự bão hoà của sự hấp thụ nên mất mát là ít nhất.Bằng cách như vậy mà tất cả những thăng giáng khác sẽ bị hạn chế và cuối cùng tạo thành một xung cực ngắn.. - Sự bão hoà trong chất hấp thụ phải đạt khả năng cao nhất so với sự bão hoà trong khuyếch đại.. - Sự hấp thụ tín hiệu nhỏ của chất hấp thụ phải đạt khả năng cao nhất mà qua đó một công suất xung hay năng lượng xung cao cần thiết để đạt được sự bão hoà cao trong bộ hấp thụ.. - Hấp thụ : Môi trường hấp thụ bão hòa phổ biến nhất sử dụng cho chế độ khóa mode là dung dịch chất màu hữu cơ và chất bán dẫn.Do đó có thể được mô hình hóa theo hệ thống bốn mức, thể hiện trong hình 2 [7].Sự dịch chuyển từ 1 2 là sự hấp thụ cộng hưởng bức xạ laser, và cường độ hấp thụ tỉ lệ thuận với mật độ. - trong đó N j là mật độ hấp thụ đơn vị m 3 ở mức j của chất hấp thụ).Mật độ tích lũy toàn phần là N A .Quá trình chuyển từ mức 2 3 và 4 1 là quá trình tích thoát được thực hiện rất nhanh.Thời gian tích thoát chuyển từ. - 1 .Ta giả sử rằng quang phổ hấp thụ được mở rộng đồng nhất và được xem là không đổi trong băng thông khóa mode.điều giả sử này bỏ qua các tương tác hấp thụ laser[7].. - Với những giả sử này ta có thể mô tả sự hấp thụ bởi phương trình tốc độ đơn giản:. - Số hạng đầu của vế phải là do sự tích thoát ra của mức 3 và số hạng thứ hai biểu thị sự hấp thụ cưỡng bức. - Xung được chuẩn hóa để a (t ) 2 là năng lượng phụ thuộc thời gian được mang bởi xung. - A là tiết diện hấp thụ từ 1 2. - Hình 2: Mô hình hấp thụ bão hòa bốn mức. - năng lượng photon, và A A là diện tích tiết diện của chùm tia trong bộ hấp thụ.Sử dụng phương trình (1.13b) ta có thể viết lại pt (1.13a) như sau:. - Là năng lượng hấp thụ bão hòa.Giả sử rằng mất mát sau mỗi lần truyền qua là nhỏ.số hạng mất mát l(t) phụ thuộc thời gian tỉ lệ thuận với mật độ trạng thái cơ bản của bộ hấp thụ N 1. - Trong đó l a là chiều dài môi trường hấp thụ.. - t p ta nói hấp thụ bão hòa nhanh. - t p ta nói hấp thụ bão hòa chậm.. - Hấp thụ bão hòa nhanh : khi A. - t p ta có thể đặt 1 0. - t 2 .Sự hấp thụ giảm cùng với sự tăng cường độ laser. - Hấp thụ bão hòa chậm: khi A. - t p , ta có thể giải cho động học hấp thụ trong xung khóa mode bằng cách đặt N N 1. - i là độ tích lũy hấp thụ ban đầu ở mức 1 ngay khi có xung laser. - U(t) là năng lượng xung tăng tới thời gian t, và U A là năng lượng hấp thụ bão hòa. - và l(t) giảm đơn điệu trong suốt thời gian xung.Mức độ bão hòa phụ thuộc vào năng lượng xung tích lũy.Chú ý rằng năng lượng bão hòa quan trọng trong trường hợp hấp thụ chậm, trong khi đối với hấp thụ nhanh thì công suất bão hòa mới là quan trọng. - Sau khi xung laser kết thúc mật độ hấp thụ giảm theo hàm mũ và quay trở lại điều kiện cân bằng của nó,do đó , sau khi xung laser kết thúc ta có:. - Môi trường hoạt chất : ta phân tích môi trường hoạt chất bằng cách sử dụng mô hình bốn mức tương tự như trong hấp thụ .Điểm khác biệt chính là bức xạ laser. - Chỉ trong trường hợp môi trường hoạt chất bão hòa chậm ( t p. - Chú ý rằng độ tăng ích bão hòa động học là không đáng kể.Cho các môi trường như chất bán dẫn hoặc phân tử chất màu, trong đó G là thời gian lặp lại xung ( thông thường , nano giây), độ tăng ích bão hòa động học ở pt (1.22a) có thể đóng vai trò quan trọng trong chế độ khóa mode , Tuy nhiên , khi G lớn hơn rất nhiều so với chu kì của xung ( vd : trạng thái rắn pha tạp như Ti:sapphire, Nd:YAG, hoặc sợi thủy tinh pha tạp Er), độ tăng ích bão hòa động học là rất. - nhỏ, mặc dù môi trường hoạt chất không bão hòa đặc trưng cho công suất trung bình.Điều này tương tự như một bộ lọc điện trở-tụ low-pass, cho thấy phản ứng nhỏ cho những tần số điều khiển vượt qúa 1/RC.Trong môi trường hoạt chất laser. - G đóng vai trò là thời gian RC[7].. - Hàm tăng ích phụ thuộc thời gian g T. - t g t l t l 0 đóng vai trò quan trọng trong lý thuyết về chế độ khóa mode hấp thụ bão hòa chậm. - Hình 3 [7] thể hiện đồ thị cơ chế làm ngắn xung trong khóa mode với hấp thụ bão hòa chậm.Trước khi xuất hiện hao phí vượt quá độ khuếch đại.Khi xung đến, sự bão hòa hấp thụ làm cho đường hao phí giảm xuống dưới đường khuếch đại.vào thời điểm này xung bị ảnh hưởng bởi sự khuếch đại xung ,sau đó khi độ khuếch đại của xung bắt đầu bão hòa , và kết quả là độ khuếch đại giảm xuống dưới hao phí.Tổ hợp trạng thái bão hòa của g(t) và l(t) dẫn đến một vùng khuếch đại tịnh ở trọng tâm xung.. - Sự mất mát bão hòa l(t) được viết. - Mất mát bão hòa ban đầu l. - Hình 3: Quá trình rút ngắn xung trong mode-locking hấp thụ bão hòa chậm.. - 0 là giá trị tín hiệu nhỏ của mất mát phi tuyến .U là tổng năng lượng xung, và T là thời gian đi một vòng buồng cộng hưởng. - Mất mát phi tuyến ban đầu có thể nhỏ hơn so với giá trị tín hiệu nhỏ nếu hấp thụ không hoàn toàn phục. - Thời gian (t) Xung mode-locked. - hồi giữa các xung.Theo lý thuyết Haus, giả sử rằng bộ hấp thụ bão hòa khôi phục cơ bản hoàn toàn, do đó. - Ta có thể thực hiện vài quan sát quan trọng sau đây:. - Đầu tiên, độ khuếch đại tịnh g T. - Để đạt được vùng khuếch đại tịnh, hấp thụ phải bão hòa trước khi khuếch đại, nghĩa là. - Với điều kiện là tiết diện khuếch đại và hấp thụ. - A có thể so sánh ,điều kiện này có thể đạt được bằng cách tập trung hội tụ vào hấp thụ.. - Mặc dù có thể đáp ứng đồng thời tất cả những điều kiện này ,vẫn cần phải lựa chọn sự phù hợp giữa môi trường khuếch đại và môi trường hấp thụ. - Mô hình thành công nhất của laser khóa mode sử dụng hấp thụ bão hòa chậm là laser màu dạng vòng khóa mode bằng va chạm xung(CPM. - vài watts từ laser ion argon.Chất hấp thụ bão hòa là dòng chảy của một dung dịch chất màu hấp thụ DODCI.Buồng cộng hưởng vòng dẫn đến một cơ chế khóa mode bổ sung cải thiện hiệu quả của quá trình làm ngắn xung bởi khóa mode bị động hấp thụ bão hòa chậm.Một buồng cộng hưởng vòng có thể hỗ trợ hai xung cùng một lúc.một xung đi theo chiều kim đồng hồ và một xung đi ngược lại.Đó là điều thuận lợi nhất cho hai xung này gặp nhau hoặc va chạm trong dòng phun chất hấp thụ.Giao thoa dạng sóng đứng được tạo ra , khi đó các xung chồng lên nhau trong vùng hấp thụ khiến năng lượng bị mất là nhỏ nhất bởi vì hấp thụ bão hòa là lớn nhất ở nơi mà trường quang học là mạnh nhất và nhỏ nhất ở trường quang bằng không của hình giao thoa.Để sử dụng hiệu ứng này tốt nhất, ống phun được sử dụng để sản xuất ra dòng chất màu hấp thụ có độ dày dưới vài chục micromet ( so với vài trăm micromet của dòng chất màu khuếch đại), phù hợp với độ dày hấp thụ trong phạm vi không gian của vùng va chạm xung.Dạng hình học của xung va chạm tăng cường cơ chế hấp thụ bão hòa, dẫn đến xung ngắn hơn và sự ổn định tăng lên.Sự sắp xếp bốn lăng kính dưới góc Brewster được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu và độ lớn của tán sắc vận tốc nhóm trong buồng cộng hưởng . - Sự tối ưu hóa laser CPM dẫn đến xung thời gian ngắn 27fs, trong chế độ hoạt động này ,trong buồng cộng hưởng xung bị nén do tác động tán sắc phối hợp với tự điều biến phase với nhau trong dòng chất màu xuất hiện để bổ sung cơ chế rút ngắn xung gây ra do sự bão hòa.. - Hấp thụ bão hòa nhanh được sử dụng cho mode-locking chủ yếu để tạo ra xung pico giây với hệ thống laser trạng thái rắn có dải tương đối hẹp, hoặc là (a) sử dụng chất màu hấp thụ nhanh đồng thời khóa mode bị động và Q-switching, hoặc sử dụng (b) chất bán dẫn hấp thụ bão hòa cho chế độ khóa mode ổn định.. - giây), sự bão hòa khuếch đại động trong thời gian xung là rất nhỏ , do đó ta thay. - t 2 được mở rộng.điều này là hợp lí nếu công suất khóa mode vẫn còn đủ dưới công suất bão hòa P A .Một điểm khác biệt trong việc xử lý ở đây là ta giả sử rằng độ khuếch đại không phụ thuộc tần số , trong khi trước đây giả sử rằng băng thông khuếch đại hữu hạn đóng vai trò chính trong việc hạn chế băng thông.. - Hình 5: Độ khuếch đại và hao phí trong mode-locking hấp thụ bão hòa nhanh.. - Cuối cùng, sử dụng phương trình khuếch đại bão hòa:. - t 2 .Miễn là năng lượng xung vẫn không đổi,ta có thể kết luận rằng cường độ của SAM tỉ lệ nghịch với độ rộng xung.Khi xung trở nên càng ngắn hơn trong suốt quá trình hoạt động khóa mode, việc làm ngắn xung trở nên hiệu quả hơn.Kết quả là, khóa mode hấp thụ nhanh có thể hỗ trợ xung cực ngắn.Tương tự, khi các xung vẫn còn rất dài , quá trình khóa mode là rất yếu.Điều đó có nghĩa là quá trình khóa mode ban đầu là khó khăn.Nó phù hợp với quan sát thực nghiệm những laser rắn được khóa mode bị động[11].. - mà khuếch đại laser vượt qua mất mát của buồng cộng hưởng.Quang phổ laser phát ra được minh họa trên hình 2.1a.. - MẤT MÁT CỘNG HƯỞNG KHUẾCH ĐẠI LASER. - CÁC MODE CỘNG HƯỞNG. - Có thể thu được xung ngắn chỉ với một laser mode-locked nếu độ rộng dải khuếch đại tương đối rộng.Vd độ rộng dải của một laser khí chỉ vào khoảng