Luận văn Ảnh hưởng của Chirp phi tuyến với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng Laser CPM

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của Chirp phi tuyến với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng Laser CPM

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- DƢƠNG THỊ THU HƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG LASER CPM Chuyên ngành:QUANG HỌC Mã số:664411 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN Hà Nội – Năm 2011 2
3. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN ............................................ 7 1.1. Laser màu ........................................................................................................ 7 1.1.1. Hoạt chất cho laser màu ............................................................................. 9 1.1.2 Tính chất của laser màu ............................................................................. 10 1.2 Các mode trong buồng cộng hƣởng laser .................................................... 13 1.2.1 Mode dọc trong buồng cộng hƣởng .......................................................... 13 1.2.2 Mode ngang trong buồng cộng hƣởng laser. ........................................... 14 1.3. Các phƣơng pháp đồng bộ mode ................................................................ 16 1.3.1. Nguyên lý tạo xung cực ngắn .................................................................... 16 1.3.2. Phƣơng pháp khoá mode chủ động ......................................................... 18 1.3.3 Cơ chế phát xung cực ngắn bằng phƣơng pháp bơm đồng bộ .............. 19 CHƢƠNG 2 : LASER MÀU CPM VÀ KỸ THUẬT NÉN XUNG CỰC NGẮN ......................................................................................................................... 23 2.1.. Cấu trúc buồng cộng hƣởng ....................................................................... 23 2.2 Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật nén xung ..................................................... 25 2.3. Sự tạo chirp và bù trừ chirp trong các thiết bị quang học ....................... 26 2.3.1 Quá trình tạo chirp ..................................................................................... 26 2.3.2. Sự mở rộng xung do tán sắc vận tốc nhóm (GVD) ................................... 27 2.3.3. Sự mở rộng pha do sự tự điều biến pha (SPM) ...................................... 28 2.3. 4. Quá trình bù trừ chirp ............................................................................. 29 2.4. Nén xung trong buồng cộng hƣởng ............................................................. 33 2.5 Nén xung ngoài buồng cộng hƣởng .............................................................. 36 2.5.1 Quan điểm đại số ......................................................................................... 37 2.5.2 Phương pháp đánh giá đại số: .................................................................... 38 2.5.3 Một vài hạn chế của quá trình nén xung .................................................. 39 3
4. CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP PHI TUYẾN ĐỐI VỚI XUNG DẠNG GAUSS TRONG BUỒNG CỘNG HƢỞNG CỦA LASER CPM ....... 40 3.1 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng chất hấp thụ bão hòa .. 40 3.1.1 Khảo sát sự tƣơng tác xung trong chất hấp thụ bão hòa ........................ 40 3.1.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. .......... 44 3.1.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc một. ............................................................................................................................... 51 3.1.4. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến bậc hai. ............................................................................................................................... 58 3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua môi trƣờng khuếch đại .................... 63 3.2.1 Tính toán lý thuyết sự biến đổi đặc trƣng xung khi đi qua môi trƣờng khuếch đại. ........................................................................................................... 63 3.2.1 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp tuyến tính. .......... 67 3.2.2 Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc một. ....................................................................................................................... 72 3.2.3. Khảo sát trƣờng hợp xung vào dạng Gauss có chirp phi tuyến tính bậc hai .......................................................................................................................... 78 3.3 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến qua không gian ba chiều. ....................... 84 3.3.1 Ảnh hƣởng của chirp tuyến tính qua không gian ba chiều. ................... 84 3.3.2 Ảnh hƣởng của chirp phi tuyến bậc hai qua không gian ba chiều. ....... 89 KẾT LUẬN...................................................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 96 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 97 4
5. MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của laser xung cực ngắn, phương pháp quang phổ học, lĩnh vực thông tin quang và nhiều ngành khác đã phát triển vượt bậc, các đối tượng và phạm vi ứng dụng được mở rộng hơn. Đặc biệt cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và yêu cầu của cuộc sống, ngày càng đòi hỏi thông tin phải được truyền với tốc độ cao, xung càng ngắn thì thông tin truyền càng nhanh. Sự phát triển của laser xung cực ngắn đã góp phần rất quan trọng trong thông tin quang. Vì vậy nghiên cứu về xung cực ngắn là một vấn đề cần thiết. Để có một bức tranh toàn cảnh, chúng ta cùng điểm qua những thành tựu cơ bản trong nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về xung cực ngắn. Về thực nghiệm, cho tới năm 1960 khoảng thời gian xung ngắn nhất đo được chỉ cỡ bậc nanô giây, được tạo ra thông qua sự phóng điện cực ngắn. Nhưng sau khi laser ra đời vào năm 1960 thì tình hình thay đổi nhanh chóng. Bằng các phương pháp Q-switching (Biến điệu độ phẩm chất) và đồng bộ mode , người ta đã đạt được những xung cỡ trăm picô giây hoặc ngắn hơn. Đến năm 1965, dựa trên phương pháp đồng bộ mode thụ động, bằng cách đặt trong buồng cộng hưởng của laser một chất hấp thụ bão hòa, các xung cực ngắn đã đạt được picô giây. Năm 1976 J.S.Rudock và Bradly thay đổi độ dài chất hấp thụ thì xung thu được có độ dài cỡ 0,3 ps. Để có được những xung ngắn hơn thì thực nghiệm chứng tỏ nên dùng buồng cộng hưởng vòng cùng với nén xung. Năm 1981, Shank, R.I.Fork và B.I.Green đã cải tiến buồng cộng hưởng vòng để thực hiện va chạm xung với việc sử dụng một dòng phun chất màu có độ dày 10  m thì đạt độ dài xung là 90fs. Cuối năm 1982 cũng dùng phương pháp va chạm xung, buồng cộng hưởng vòng cùng với sự bù trừ biến điệu pha trong buồng cộng hưởng, Diels và Pretels đã thu được xung có độ dài xấp xỉ 53fs. Năm 1985, Shank và Fork cải tiến nguồn bơm laser CPM cho xung 40 fs kết hợp nén xung và tự biến điệu pha thu được xung 8 fs. Như 5
6. vậy, thực nghiệm đã chứng tỏ ưu nhược điểm của việc dùng buồng cộng hưởng vòng cùng với nén xung trong lĩnh vực phát xung cực ngắn. Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm ( GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trọng. Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đề tài ảnh hưởng của chất hấp thụ bão hòa và môi trường khuếch đại đối với sự rút ngắn xung khi không có chirp. Nhưng khi có chirp thì chưa được khảo sát. Vì vậy để thấy được sự ảnh hưởng của chirp lên dạng xung như thế nào, tôi đã lựa chọn đề tài “ Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng của laser CPM ”. Bố cục luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Laser màu xung cực ngắn Chương 2: Laser màu CPM và kỹ thuật nén xung Chương 3: Ảnh hưởng của chirp phi tuyến đối với xung dạng Gauss trong buồng cộng hưởng laser CPM. Vì thời gian có hạn nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu xót và hạn chế, rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn 6
7. CHƢƠNG 1 - LASER MÀU XUNG CỰC NGẮN 1.1. Laser màu Một trong những ưu điểm chính của laser màu là có thể tạo ra nhiều vùng quang phổ khác nhau. Trái ngược với các laser rắn, laser màu được đặc trưng bởi độ khuyếch đại cao, cũng có nghĩa thời gian sống ở trạng thái trên là ngắn, thường ngắn hơn thời gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng. Do đó, chế độ khoá mode thông qua sự biến điệu độ khuyếch đại là có hiệu quả. Trong 15 năm qua laser màu fs được thay thế bằng laser rắn và laser sợi. Năm 1981 Fork và các đồng nghiệp đã giới thiệu laser màu khoá mode bằng va chạm xung (CPM) tạo ra xung dưới 100 fs. Trong laser màu này, cấu hình vòng cho phép hai xung lan truyền ngược nhau để phát triển trong buồng cộng hưởng. Môi trường hoạt chất là một dung dịch chứa chất màu hữu cơ (ví dụ như Rh 6G trong ethylene glycol), được bơm thông qua một ống, tạo thành một dòng tia mỏng (cỡ 100 m). Một dòng phun dung dịch chứa chất màu ( ví dụ như diethyloxadicarbocyanine iodide hoặc DODCI trong ethylene glycol) hoạt động như chất hấp thụ bão hoà. Hai xung lan truyền ngược chiều gặp nhau trong chất hấp thụ bão hoà (đây là cấu hình mà sự mất mát là tối thiểu). Một chuỗi lăng kính (một, hai, hoặc bốn lăng kính) cho phép điều chỉnh cộng hưởng tán sắc nhóm GVD. Bước sóng của xung được xác định bởi công tua quang phổ của độ khuyếch đại và chất màu hấp thụ. Giới hạn điều chỉnh đạt được bằng cách thay đổi nồng độ chất màu. Đã quan sát được xung ngắn hơn 25 fs với công suất đầu ra nói chung không quá 10 mW với sóng bơm liên tục, và lên đến 60 mW với một sóng bơm dạng xung ( laser Ar+ bị khoá mode). 7
8. Bảng chất màu hữu cơ sẵn có, có thể bao gồm toàn bộ vùng ánh sáng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại với các nguồn được điều hướng và bị khoá mode. Một bảng kết hợp được chất màu hấp thụ độ khuyếch đại sử dụng laser khoá mode bị động có thể được tìm thấy trong Diels. Chế độ khóa mode hỗn hợp của laser màu đã mở rộng bảng màu của bước sóng có sẵn thông qua chế độ khoá mode bị động, làm cho nó có thể chứa một phạm vi quang phổ rộng kéo dài từ vùng ánh sáng nhìn thấy, từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại gần. Lưu ý, buồng cộng hưởng của laser là tuyến tính, với chất hấp thụ và môi trường khuyếch đại tại hai đầu. Một cấu hình sử dụng thường xuyên được chú ý là “vòng phản cộng hưởng”. Dòng chất hấp thụ bão hoà có vị trí ở gần điểm cắt nhau của xung của buồng cộng hưởng phụ nhỏ. Trong đó xung chính được chia thành hai nửa được kết hợp lại trong cấu hình sóng đứng trong chất hấp thụ. Với laser vòng khó điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng độc lập với tất cả các thông số khác. Laser màu đặc biệt thành công trong phần ánh sáng nhìn thấy của quang phổ, nơi mà hầu như tất cả các bước sóng đều được kiểm soát. Lợi thế của việc sử dụng chất màu hữu cơ trong một dung môi nhớt là dòng phun dung dịch chứa chất màu cho phép công suất bơm cực kì cao, mật độ vượt quá 10 MW/cm2, được tập trung trên vùng khuếch đại. Những bất lợi của laser màu cũng nằm trong sự bất tiện khi liên kết với một hệ thống lưu thông chất lỏng. Để giữ lại hầu hết các đặc điểm của laser màu trong dung dịch lỏng ta thay thế bằng chất màu pha tạp, môi trường khuếch đại các hạt nano polymer. Tiến bộ đáng kể đã thực hiện được là phát triển một vật liệu có tính chất quang học tuyệt vời. Những môi trường hoạt động laser này vẫn chưa được áp dụng như một nguồn femto giây. Chiều dài buồng cộng hưởng ( so với chiều dài hình học của một xung fs) của đa số các laser ở chế độ khoá mode đáp ứng một mục đích cần thiết khi cần một chuỗi các xung thay vì cần một xung. Sự phát xạ của một xung ngắn bằng laser có buồng cộng hưởng dài đòi hỏi một sự chồng chất chặt chẽ của các mode dao động trong buồng cộng hưởng với mối quan hệ pha cố định. Tuy nhiên nếu chỉ cần một xung đơn, thì không cần nhiều hơn một mode dọc trong công tua độ khuếch đại. 8
9. Xung cực ngắn được tạo ra trong laser có buồng cộng hưởng nhỏ thông qua cộng hưởng biến điệu độ phẩm chất (Q – switching) hoặc biến điệu độ khuếch đại. Bên cạnh giới hạn độ rộng dải của độ khuếch đại, thời gian xung được thiết lập bởi độ rộng phổ của các mode dọc, và do đó thời gian cộng hưởng. Sau cùng được giới hạn bởi thời gian đi một vòng trong buồng cộng hưởng 2L/c. Lý tưởng nhất là buồng cộng hưởng của laser cần một phạm vi phổ rộng c/2L vượt quá độ rộng dải của độ khuyếch đại. Hai phương pháp phát xung ngắn là hoặc sử dụng buồng cộng hưởng cực ngắn (độ dày của ngăn chất màu Fabry-perot trong khoảng m) hoặc buồng cộng hưởng không truyền thống (laser hồi tiếp phân bố), tất cả đều có thành công và được phát triển cho laser màu (nhưng không giới hạn). Trong laser phân bố hồi tiếp hai chùm bơm tạo ra một kích thích biến điệu không gian hoạt động như một cách tử Bragg. Cách tử này đáp ứng như một sự hồi tiếp (cộng hưởng) của laser và bị phá huỷ trong quá trình phát triển xung. Thời gian tồn tại của buồng cộng hưởng này ngắn cùng với sự mở rộng không gian nhỏ có thể tạo ra các xung cỡ ps mà tần số có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kì cách tử. sau đó được xác định bởi góc chồng lên nhau của hai chùm tia bơm. Trong một laser “buồng cộng hưởng ngắn” điển hình, bước sóng có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh độ dày của ngăn chất màu trong phạm vi từ 3 đến 5 m với một bộ biến đổi uốn nhẹ gương sau của buồng cộng hưởng. Với thời gian đi một vòng quanh buồng cộng hưởng chỉ có 10 fs, rõ ràng thời gian xung sẽ không thể kéo dài hơn thời gian xung của một xung bơm ps. Như với laser phân bố hồi tiếp, động lực của sự suy giảm bơm có thể dẫn đến kết quả là các xung ngắn hơn đáng kể so với xung bơm. Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của laser này có thể được tìm thấy trong Kurz , ví dụ sử dụng một laser excimer. Szatmari and Schaefer tạo ra xung 500 fs, điều chỉnh được từ 400 đến 760 nm, trong một loạt các thông tin phân bố hồi tiếp và laser màu buồng cộng hưởng ngắn. Sau khi SPM và nén lại thì xung ngắn khoảng 30 fs trong một vùng phổ đã thu được từ 425 đến 650 nm. 1.1.1. Hoạt chất cho laser màu 9
10. Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin gọi là laser màu. Các tính chất quang học của những chất màu xuất hiện đầy đủ khi các chất màu được hoà tan trong dung môi. Những chất màu là các hợp chất hữu cơ phức tạp hấp thụ mạnh ở những vùng ánh sáng khả kiến như C6H6, C5H5N, C4H4N2 Ba chất màu thường được sử dụng làm hoạt chất màu laser là Rhodamine B (RhB), Rhodamine 6G (RH6G) và Cumarin. Cấu trúc của phân tử chất màu là có chứa các liên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau và các nguyên tử trong phân tử nằm trong cùng một mặt. Tính chất quang học của những chất màu chỉ xuất hiện đầy đủ trong những dung dịch lỏng hay dung dịch rắn. Trong dung dịch lỏng, thường quan sát được huỳnh quang tức thời. Thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích ở khoảng 10-9 s là rất ngắn sẽ gây ra khó khăn cho việc tạo nghịch đảo độ tích luỹ. Phổ hấp thụ hay phát xạ của chất màu gồm những đám cơ bản độ rộng 150 MHz ở trong vùng nhìn thấy và những đám phụ nằm trong vùng phổ tử ngoại. Sự huỳnh quang của phần lớn các chất màu không phụ thuộc vào độ dài của bức xạ kích thích. Khi kích thích Rhodomine B bằng các bước sóng =5890 A0 hoặc bức xạ tử ngoại =2537 A0 thì phổ huỳnh quang của nó không thay đổi, tuy nhiên với ánh sáng kích thích vùng tử ngoại thì những phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn cao hơn. Do đó các phân tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái đơn kích thích thấp hơn và từ đó bắt đầu quá trình phát quang không thay đổi. Để đạt được hiệu suất cao, chất màu laser phải có phổ hấp thụ phù hợp tốt với phổ bức xạ của nguồn bơm. 1.1.2 Tính chất của laser màu Tính chất quan trọng của laser màu là điều chỉnh được tần số hay bước sóng do phổ phát xạ của chúng rộng ( 10 – 100nm ~1013 – 1014 Hz). Dùng các chất màu thích hợp thu được bước sóng laser màu từ vùng hồng ngoại gần, vùng nhìn thấy cho đến vùng tử ngoại gần. Laser màu có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ thuộc nhiều nhóm hoá chất khác nhau như Comarin, Xanthen, Oxazin gọi là laser màu. Các tính chất 10