Ảnh hưởng chirp phi tuyến xung dạng Super Gauss buồng cộng hưởng laser CPM Bế Thu Thủy Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Vật lý Chuyên ngành: Quang học; Mã số:60 44 11 Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Đình Chiến Năm bảo vệ: 2011 Abstract Tổng quan nguyên lý tạo xung cực ngắn khóa mode bị động sử dụng hấp thụ bão hòa Nghiên cứu laser màu xung cực ngắn: mode-locking laser màu; xung laser màu; laser màu bơm đồng bộ; mode-locking bị động; mode-locking hỗn hợp; điều chỉnh bước sóng Phân tích ảnh hưởng chirp phi tuyến xung dạng super gauss buồng cộng hưởng laser CPM: trình tạo chirp; xung Super Gauss; khảo sát biến dạng xung qua môi trường hấp thụ bão hòa; ảnh hưởng chirp phi tuyến xung dạng Super Gauss buồng cộng hưởng laser; hình ảnh khơng gian ba chiều xung Super Gauss Keywords Quang học; Chirp; Phi tuyến; Laze màu Content Để tạo xung laser cực ngắn người ta sử dụng phương pháp khóa pha mode laser.Qua chế thích hợp buồng cộng hưởng laser thực quan hệ phase xác định dao động riêng khác nhau, tia laser phụ thuộc cách xác định vào thời gian,người ta gọi laser laser đồng mode (mode-locking: khóa mode).Những phương pháp quan trọng để đồng mode là: + Đồng mode chủ động + Đồng mode bị động +Đồng mode phương pháp bơm đồng Chương I trình bày nguyên lý tạo thành xung cực ngắn thông qua đồng mode, đồng mode chủ động, đồng mode bị động đồng mode phương pháp bơm đồng Tìm hiểu tạo thành xung cực ngắn thơng qua khóa mode bị động sử dụng chất hấp thụ bão hịa , giới thiệu mơ hình hấp thụ bão hịa bốn mức với mode-locking hấp thụ bão hòa chậm mode locking hấp thụ bão hịa nhanh Laser màu có tính chất quan trọng khả điều chỉnh tần số hay bước sóng, sử dụng chất màu thích hợp thu bước sóng laser màu dải phổ rộng từ vùng hồng ngoại gần, vùng nhìn thấy vùng tử ngoại gần.Laser màu cịn có hệ số khuếch đại lớn tạo xung laser cực ngắn với cường độ đỉnh xung cao +Mode-locking laser màu +Laser màu bơm đồng +Mode-locking bị động +Mode-locking hỗn hợp Chương II trình bày laser màu xung cực ngắn cụ thể phương pháp tạo thành xung cực ngắn laser màu gọi mode locking, chương trình bày xung laser màu, laser màu bơm đồng bộ, khả điều chỉnh bước sóng laser màu, mode locking bị động mode locking hỗn hợp Chương III trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng chirp phi tuyến lên xung dạng Super Gauss buồng cộng hưởng laser CPM, cụ thể kết sau: Ảnh hưởng chirp phi tuyến dối với xung Super Gauss qua mơi trường hấp thụ bão hịa: +Khi qua mơi trường hấp thụ bão hịa dạng xung thay đổi,mặt trước xung bị dốc hơn,đỉnh xung khuếch đại so với xung vào +Khi có chirp tuyến tính bắt đầu xuất xung vệ tinh hai bên xung chính, tăng giá trị tham số chirp C số xung vệ tinh tăng lên tham số chirp tăng dần cường độ xung giảm dần, tỉ số nửa độ rộng xung  /  vao tăng dần thấy m tăng dạng xung vng hơn,đồng thời cường độ xung tăng lên,và độ rộng xung vệ tinh rút ngắn, tỉ số nửa độ rộng xung  /  vao tăng lên tăng giá trị m +Khi có chirp phi tuyến số xung vệ tinh xuất nhiều hơn,xung khuếch đại nhiều hơn, xung bị mở rộng so với trường hợp có chirp tuyến tính tham số chirp tăng dần cường độ xung giảm dần, tỉ số nửa độ rộng xung  /  vao tăng dần C tăng m tăng dạng xung vng hơn,đồng thời cường độ xung tăng lên, tỉ số nửa độ rộng xung  /  vao tăng dần + Tham số chirp c thông số m ảnh hưởng tới cường độ độ rộng xung, cường độ xung giảm dần tham số chirp tăng, tăng dần thông số m tăng Ảnh hưởng chirp phi tuyến xung Super Gauss qua môi trường khuếch đại +Khi qua môi trường khuếch đại dạng xung thay đổi, mặt sau xung bị dốc hơn,và đỉnh xung khuếch đại + So sánh có chirp tuyến tính chirp phi tuyến ta thấy có chirp phi tuyến số xung phụ xuất nhiều hơn, xung bị mở rộng so với có chirp tuyến tính.số xung phụ tăng nhanh tăng giá trị tham số chirp C.Khi tăng thơng số m dạng xung trở nên vng hơn, m lớn xung vuông Khi tham số chirp tăng giữ nguyên giá trị thông số m ta thấy cường độ giảm dần nhiên cường độ giảm chậm so với trường hợp có chirp tuyến tính,tỉ số độ rộng xung độ rộng xung vào  /  vao giảm dần Khi tăng giá trị thông số m giữ nguyên giá trị C ta thấy cường độ xung tăng dần, tỉ số độ rộng xung độ rộng xung vào  /  vao giảm dần Khảo sát hình ảnh khơng gian ba chiều xung Super Gauss truyền qua sợi quang trường hợp có chirp tuyến tính phi tuyến.Hình ảnh khơng gian ba chiều giúp ta dễ hình dung dạng xung thay đổi theo khoảng cách Z/Ld, theo tham số chirp C.Khi có chirp phi tuyến với khoảng cách Z/Ld>0 không xuất xung phụ,cường độ xung giảm nhanh đỉnh xung trở nên nhọn đồng thời tham số chirp C tăng lên độ rộng xung bị thu hẹp Cường độ trường tổng cộng E (t) tia Laser chồng chập cường độ M dao động riêng mode trục ˆ E (t )  z Emeimi (0  m )  KK m Ở tổng lấy từ: m   (1.1) ( M  1) đến m  ( M  1) Em: Là biên độ, m pha dao động riêng   c L tần số vùng khoảng cách mode Tần số xem số tồn vùng phát sóng Điều ta bỏ qua tán sắc môi trường quang học, mà độ tán sắc ảnh hưởng tới độ dài quang học buồng cộng hưởng L Những pha m dao động riêng khác độc lập thống kê phụ thuốc thống kê với nhau, tuỳ theo đặc trưng mơi trường kích hoạt buồngcộng hưởng Chúng ta khảo sát trường hợp độc lập thống kê pha (điều xảy di chuyển mở rộng khơng đồng nhất) Khi cường độ trường tổng cộng ta nhận được: I ~ E (t)  m ˆ Em (1.2) Cường độ tổng cộng tổng cường độ mode riêng, cường độ tổng cộng có thăng giáng phân bố chúng có đặc trưng tiếng ồn dạng Gauss, pha mode thay đổi cách ngẫu nhiên từ - đến + mode dao động độc lập Nhưng qua chế thích hợp buồng cộng hưởng laser thực quan hệ phase xác định (cố định) dao động riêng khác Do tia Laser phụ thuộc cách xác định vào thời gian Người ta gọi Laser Laser đồng mode (mode locking: khoá mode) Một quan hệ phase xác định mode có nghĩa là: m - m-1 =  (1.3) Ta thay m = m + 0 = vào biểu thức (1.1) Khi mode có biên độ ˆ E0 ta tìm cường độ trường tổng cộng: m  sin  ( t   ) 2   ei (t   )  KK ˆ E (t )  E0 (1.4) Sự phụ thuộc thời gian tia Laser số mode M = diễn tả hình bên E2 (t) u 2L c (t) Hình Các mode giao thoa liên kết phase cộng hưởng, điều dẫn tới tạo thành xung sáng qua chồng chập Cực đại cường độ đạt thời điểm khơng Có nghĩa là:   tm       m   (1.5) Tín hiệu Laser đồng mode đoàn xung tuần hoàn khoảng thời gian u u 2 2L  M c (1.6) Khoảng thời gian u khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng vòng quanh buồng cộng hưởng Trong buồng cộng hưởng ln có xung chạy Thời gian xung :  L  2 2  M gen (1.7) Ở gen khoảng tần số mà M mode Laser dao động Khi bơm mạnh gen cỡ độ rộng vạch độ rộng vạch phổ dịch chuyển Laser Như muốn tạo xung cực ngắn độ rộng vạch phổ dịch chuyển Laser cần phải lớn Mode giá trị giới hạn độ dài xung cho qua giá trị nghịch đảo độ rộng vạch Cho nên Laser khí áp suất thấp, độ dài xung đạt cỡ ns ns Đối với Laser rắn, độ dài xung ngắn đạt cỡ độ ps Laser màu độ dài xung đạt tới ps tới vùng fs Những xung đạt Laser đồng mode khơng có độ dài xung ngắn mà cịn đạt cơng suất đỉnh cao Cường độ cực đại tỷ lệ với ˆ M E0 cịn trường hợp khơng có đồng mode cường độ tỷ lệ với ˆ M E0 tức M nhỏ có công suất mode hai trường hợp Những phương pháp quan trọng để đồng mode là: Đồng mode chủ động Bơm đồng để đồng mode Đồng mode bị động Cơ sở phương pháp đồng mode chủ động biến điệu tuần hồn thơng số Laser (biến điệu mát, nghịch đảo độ tích lũy quãng đường quang học với biến điệu đặt bên buồng cộng hưởng Bộ biến điệu điểu khiển qua tín hiệu bên ngồi với tần số biến điệu phải tần số khoảng cách mode mode trục riêng Ta biết khoảng cách hai dao động riêng liên tiếp cho biểu thức: v vq1  vq  c 1   u 1   2L  u (1.8) (Với giả thiết chiết suất môi trường bên cộng hưởng n = 1) Khi ta biến điệu thông số Laser với tần số hiệu (v) (Ví dụ: Biến điện mát, hao phí), ta đạt đồng pha dao động Laser Điều giải thích sau: Khi kích thích nguyên tử mơi trường Laser tăng lên q trình bơm đạt ngưỡng tần số v0, ngưỡng trùng gần trùng với tần số cộng hưởng nguyên tử chất khuyếch đại Trường mode biến điệu biên độ với tần số v công thức (1.8) nhận cường độ trường tổng hợp E(t) = E0 (1 +  cos2vt) cos2v0t (1.9) Ở  ký hiệu độ biến điệu Từ rút biểu thức: E (t )  E0 cos 2v0 t   E0 cos 2 (v0  v)t   E0 cos 2 (v0  v) (1.10) Điều có nghĩa tách thành hai tần số bên cạnh,(v0 - v) (v0 + v) Hai tần số bên trùng khít với dao động riêng bên cạnh tần số v0 buồng cộng hưởng Những tần số tiếp tục khuyếch đại lại tạo thành tần số bên cạnh biến điệu với tần số v xuất tần số bên cạnh v0  2v Quá trình tiếp tục xuất tất mode trục vùng dao động có pha liên kết với hay đồng pha,và chu kỳ biến điệu phải thời gian vòng quanh buồng cộng hưởng T 1  v  u 1  C ; 2L T u 2L C Có thể thực đồng mode qua việc biến điệu khuyếch đại Điều thực cách bơm Laser qua đoạn xung liên tục Laser khác mà Laser đồng mode Điều quan trọng độ dài cộng hưởng Laser cần đồng mode phải gần độ dài cộng hưởng Laser dùng để bơm Như với điều kiện xác định, khuyếch đại biến điệu theo thời gian với chu kỳ biến điệu thời gian vòng quanh buồng cộng hưởng Tương tự biến điệu mát bên buồng cộng hưởng tạo nên trường hợp ,ở vùng thời gian khuyếch đại cực đại Một xung ngắn mà độ dài điều kiện tối ưu ngắn từ đến bậc độ dài xung bơm Phương pháp bơm đồng thực tế quan tâm đặc biệt Laser màu Laser kích thích bơm quang học cách thuận lợi có cơng tua khuyếch đại rộng (độ rộng dải: 10131014) , làm cho tần số cực đại thay đổi liên tục Do điều chỉnh tần số Laser màu khoảng xác định Đồng mode bị động cho phép tạo xung cực ngắn ổn định mà không cần điều khiển từ bên ngoài.trong phương pháp đồng mode bị động người ta sử dụng hấp thụ bão hoà đặt buồng cộng hưởng Laser để thực nhiệm vụ đồng mode Bộ hấp thụ bão hoà phải có dịch chuyển hấp thụ tần số Laser với tiết diện hấp thụ lớn hoạt động nhờ trường sóng Laser Bộ hấp thụ bão hồ phải có đặc tính là: Khi cường độ ánh sáng tăng lên khả hấp thụ giảm Chúng ta khảo sát hấp thụ hệ hai mức: Thì phương trình cân điều kiện dừng (TL >> T21) ta tính hiệu độ tích luỹ hai mức theo biểu thức sau: N = N1 - N2 và: N  B  I / IS Ở I S  (1.11) cường độ bão hoà hấp thụ  21T21 N1 N2 độ tích luỹ mức mức TL: Là thời gian xung T21 thời gian tích lượng 21: Là tiết diện hiệu dụng Theo biểu thức trên, hiệu độ tích luỹ N giảm, mà điều tương ứng với việc đặc trưng cho hấp thụ tia, với tăng lên cường độ Nếu cường độ lớn so với cường độ bão hồ chất hấp thụ IS, khơng thể có hấp thụ Bộ hấp thụ bị bão hồ Trường hợp ngược lại,thời gian tích T21 lớn độ dài xung tức TL