Laser chế độ khóa (Mode-locked laser) có lịch sử lâu đời trên 50 năm. Dựa trên đặc tính xung cực ngắn (ultrashort pulse duration), femto giây mode-locked laser đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu phân tích theo thời gian để làm sáng tỏ các hiện tượng vật lý. Những ứng dụng của femtosecond laser ngày nay được mở rộng ra rất nhiều lĩnh vực từ việc phân tích phổ cho tới xử lý vật liệu, kính hiển vi, hình ảnh y sinh học, đo khoảng cách và đo không gian, đo thời gian và đồng bộ, truyền thông tin quang học, xử lý tín hiệu quang tử, và cảm biến từ xa… Gần đây khái niệm về laser phổ tần số răng lược đang ngày càng nổi bật trong nghiên cứu về femto giây mode-locked laser. Femto giây khóa pha (modelocked) laser thực sự trở thành nguồn phát ra những tần số ánh sáng có pha được ổn định. Phổ tần số răng lược tạo ra một khái niệm mới trong miền tần số là cơ sở để tạo ra máy đo phổ tần số, được coi như các bánh răng làm việc trong các đồng hồ nguyên tử quang học thông qua mối liên kết giữa tần số quang và tần số sóng cực ngắn.

Với sự phát triển của kỹ thuật chế tạo laser ngày nay, các laser có độ rộng xung từ hàng chục cho đến hàng trăm femto giây có thể được tạo ra thường từ nhiều loại laser khóa pha trạng thái rắn và sợi quang; độ rộng xung laser trong miền thời gian trực tiếp từ bộ dao động laser có thể đạt tới mức chỉ một vài femto giây. Khoảng thời gian giữa các xung về cơ bản được xác định bởi thời gian của ánh sáng phản xạ trong khoang khuếch đại. Khi laser chế độ khóa pha hoạt động một cách ổn định, các xung sẽ được tách biệt theo một khoảng thời gian cố định tương ứng với tần số lặp lại của xung là frep. Tần số lặp lại xung có thể đạt từ mức MHz tới mức GHz tùy theo thiết kế và yêu cầu của việc chế tạo. Đối với các laser sợi quang hoặc trạng thái rắn tần số lặp lại thường là khoảng ~100 MHz. Do sự khác biệt giữa vận tốc nhóm và vận tốc pha trong khi các tia laser phản xạ trong khoang khuếch đại của laser, có một sự trượt pha giữa các xung liên tiếp, sự trượt pha này là có chu kỳ và nó được đặc trưng bởi tần số offset. Tần số offset này có giá trị nhỏ vào khoảng vài MHz cho tới vài chục MHz đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định pha và tần số của laser.

Các nguồn laser femto giây sợi quang gần đây đã được thương mại hóa bởi một số hãng trên thế giới tuy nhiên có giá thành rất đắt và chỉ có rất ít các quốc gia trên thế giới đủ điều kiện vật chất và kỹ thuật để phát triển. Cũng vì giá thành đắt nên việc ứng dụng femto sợi quang trong thực tế còn khá hạn chế, các ứng dụng hiện tại mới chỉ dừng lại chủ yếu trong các phòng thí nghiệm với mục đích nghiên cứu các hiện tượng vật lý khi được kích thích bởi các xung laser có công suất tức thời rất cao. Vì vậy việc chế tạo thành công loại nguồn laser này là tiền đề cho việc giảm giá thành và phổ biến công nghệ và ứng dụng của nguồn laser này trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và cả sản xuất trong nước.

Việc nghiên cứu và chế tạo các nguồn laser femto giây trong nước đã được tiến hành bởi một số nhóm nghiên cứu trong nước và đã đạt được những thành tựu nhất định như tạo ra được nguồn femto giây sử dụng Ti : sapphire tuy nhiên các sản phẩm mới chỉ dừng lại ở mức độ sơ khai khi tạo ra được femto giây và nguồn sáng siêu liên tục (Super-contiuos laser), các nguồn sáng này phần lớn được khai thác như một nguồn phổ rộng mà các yếu tố liên quan tới việc ổn định pha hầu như chưa được đặt ra. Bên cạnh đó các nguồn này chưa có khả năng thương mại hóa và được sử dụng rộng rãi. Trong nghiên cứu lần này nguồn laser được chế tạo sẽ khắc phục được những hạn chế đó và đáp ứng được các yêu cầu khắt khe từ phía những đối tượng khách hàng.

Xuất phát từ thực tiễn trên, TS. Phạm Đức Quang và nhóm nghiên cứu tại Viện Ứng dụng công nghệ đã thực hiện đề tài “Tích hợp chế tạo hệ thống laser femto giây sợi quang độ ổn định cao” với mục tiêu: Nghiên cứu cơ sở nguyên lý của hệ thống laser femto giây; Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống trên máy tính; Đánh giá chất lượng các linh kiện cấu thành hệ thống.

Kể từ khi được phát minh vào năm 1958, laser đã trở thành công cộ đắc lực trong các lĩnh vực nghiên cứu trong quang học và quang tử, đặc biệt bắt đầu vào giữa những năm 1960, với việc sản xuất các xung hẹp bằng cách khóa cavity (Mode locking cavity) laser đã dẫn tới sự ra đời của một lĩnh vực nghiên cứu mới đó là quang học cực nhanh (ultrafast optic). Hiện nay, thế hệ xung cực nhanh vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu năng động. Khi các công nghệ truyền thông quang học đạt được tốc độ truyền cực cao và độ nhạy cao hơn, hiệu suất của các thiết bị sợi quang và hệ thống điện tử đã bắt đầu đạt đến giới hạn vật lý cơ bản của chúng.

Năm 1964, laser chế độ khóa (Mode locked laser) đầu tiên đã được nhóm tác giả đứng đầu là Hargrove hiện thực hóa. Các tác giả đã kết hợp một bộ điều biến quang âm trong một laser He-Ne để điều chỉnh mức độ mất mát bên trong laser và thu được chế độ khóa (mode-locked). Biên độ trung bình của tín hiệu laser trong chế độ khóa cao hơn năm lần so với mức mở khóa và phổ quang học nhanh chóng thay đổi từ liên tục thay đổi cho tới ổn định. Tốc độ lặp lại và độ rộng xung lần lượt là 56 MHz và 2.5ns.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã giới thiệu lịch sử phát triển, hình thành và nguyên lý cơ bản để chế tạo một laser sợi quang đa mode. Điều kiện để laser sợi quang đa mode trở thành một laser femto giây là nó phải phổ của laser phải rộng và laser phải được đặt trong điều kiện ổn định pha. Đảm bảo các mode, các bước sóng của laser phát ra có pha ổn định, khi đó các xung do laser phát ra sẽ có độ 20 rộng ở mức femto giây.

Đã trình bày lý thuyết và cách thức để tiến hành mô phỏng cũng như khảo sát đặc tính của tia laser bên trong sợi quang. Việc mô phỏng được tiến hành dựa trên mô hình các khối cơ bản của một laser femto giây sợi quang. Các khối này được module hóa và được đặc trưng bởi các công thức dựa trên lý thuyết truyền dẫn trong sợi quang. Chương trình mô phỏng cho phép chúng ta khảo sát và đưa ra một hình ảnh trực quan về tính chất của các xung laser qua mỗi module của hệ thống. Kết quả mô phỏng là cơ sở để tối ưu và đánh giá chất lượng của các thành phần trong hệ thống laser, khi laser được xây dựng trong thực tế.

Trình bày chi tiết về cấu tạo của một bộ laser femto giây hoàn chỉnh nhưng chưa bao gồm bộ phản hồi tín hiệu để thực hiện chế độ khóa. Việc thực hiện chế tạo laser femto giây có thể được thực hiện theo nhiều mô hình khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu đầu ra và số lượng các loại linh kiện mà chúng ta có. Như trong mô trong Hình 32 hoặc Hình 33, số lượng các linh kiện để tạo ra 1 bộ phát laser femto giây công xất nhỏ là it, tuy nhiên để tăng công suất lên thì yêu cầu phải qua các tầng khuếch đại lần 2 và thậm trí lần 3. Trong sơ đồ như Hình 33, việc áp dụng luôn 2 nguồn bơm cho hệ thống sẽ cho ra laser công suất lớn, tuy nhiên việc thực hiện chế độ khóa sẽ phức tạp hơn.

Miêu tả mô hình hệ thống laser sợi quang trong thực tế được chế tạo dựa theo các mô phỏng như trong nội dung nghiên cứu 2. Các công đoạn bao gồm lựa chọn cấu hình của laser, cách thức thực hiện các ghép nối giữa các sợi quang va cách thức đánh giá chất lượng các ghép nối được miêu tả và thực hiện chi tiết. Giúp cho việc chế tạo trở nên dễ dàng hơn.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18853/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)