NHỮNG TIẾN BỘ TRONG CÁC NGUỔN SÁNG: LASER QUANG SỢI ĐIỀU CHỈNH ĐƯỢC BƯỚC SÓNG TRONG VÙNG KHẢ KIẾN

Các laser phát liên tục, bước sóng điều chỉnh được (CW Tunable Laser) dùng trong nghiên cứu khoa học đòi hỏi có bước sóng tùy chọn và vạch phổ rất hẹp. Đặc biệt trong các lĩnh vực như phổ phân tử và vật lý nguyên tử cần dùng nguồn sáng có độ phân giải phổ cao và có khả năng diều chỉnh tới các bước sóng cần thiết thì các laser phát tần số cố định không đáp ứng được, chỉ các laser có tính năng nói trên mới có thể cho phép nghiên cứu tương tác ánh sáng với nguyên tử và phân tử, và điều khiển chúng với độ chính các cao.
Trong một số trường hợp, người ta đã dùng các laser diode điều chỉnh bước sóng không đắt tiền, kết hợp với bộ cộng hưởng ngoài cho phép điều chỉnh chính xác bước sóng không có chế' độ hops. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng đòi hỏi giải điều chỉnh bước sóng rộng, công suất cỡ hàng Watt, và chùm tia phẩm chất tốt thì thường phải dung các công nghệ laser khác.
Các laser "điều chỉnh bước sóng rộng" thường được dùng nhiều nhất là laser màu và laser titanium sapphire (Ti-Sapphire). Laser màu cho phép phát bước sóng trong vùng 400 - 1000 nm nhờ sử dụng các chất màu khác nhau. Tuy vậy, do sẵn có các laser bơm vùng sóng xanh, và sự thiếu hụt các laser khác bước sóng biến đổi ở vùng khả kiến, nên chúng trở nên hữu ích nhất trong vùng ánh sáng vàng đến đỏ (giữa 700 và 1.000nm). Laser Ti-Sapphire được dùng nhiều hơn do dễ sử dụng, và có độ ổn định tần số tốt hơn các laser màu.
Laser màu và laser Ti-Sapphire đã được đưa vào sử dụng lần lượt từ những năm 1970 và 1980. Dù các công nghệ laser khác cũng đã được đề cập từ khi đó, nhưng chỉ mới ít năm gần đây, với sự cấp thiết phải dùng các laser sợi quang làm nguồn bơm, một số laser phát liên tục, điều chỉnh được bước sóng, có công suất cao mới có trên thương trường.
Laser sợi quang và các nguồn bơm laser sợi quang điều chỉnh bước sóng.
Laser sợi quang đã biến đổi khả năng của các laser rắn bơm bằng laser bán dẫn ở các thập kỷ trước, sử dụng năng lượng nhiễu xạ hạn chế từ chế độ hàng chục Watt sang chế độ hàng Kilowatt. Chính nhờ sự dễ dàng điều khiển chế' độ nhiệt và sự ngăn chặn ánh sáng trong sợi quang, laser sợi quang đã có thể’ đạt được mức mới về công suất và sự vững chãi hơn so với các laser rắn bơm bằng laser bán dẫn thông thường.
Trong khi các laser sợi quang bản thân chúng chỉ giới hạn điều chỉnh bước sóng quanh các bước sóng trung tâm 1; 1,5 và 2pm⁽¹⁾ ứng với các sợi pha tạp Ytterbium (Yb), Erbium (Er) và Thulium (Tm), lại được dùng làm nguồn bơm hiệu quả cho các laser điều chỉnh một vùng rộng bước sóng. Laser liên tục (CW) Chromium Zinc Selenade (Cr.ZnSe) được bơm bằng laser sợi quang pha tạp Thulium cho bức xạ ra trong vùng bước sóng từ 2 đến 2,8pm, công suất trên 10W.Tương tự, dao động thông số quang học (OPO) bơm bằng laser sợi quang Ytterbium cho bức xạ ra công suất hơn 35W, trong vùng bước sóng 1,4 đến 4,6pm^Q). Những nguồn sáng này mở ra khả năng nghiên cứu quan trọng mới trong vùng hồng ngoại gần và hồng ngoại trung bình, mà các loại laser khác rất hạn chế tác dụng.
Chuyển đổi tần số các laser sợi quang trong vùng khả kiến.
Dù các laser sợi quang là những nguồn laser liên tục điều chỉnh bước sóng trong vùng hồng ngoại, nhưng chúng cũng có thể’ sử dụng để’ phát các bước sóng vùng khả kiến (hình 1). Các đặc trưng về công suất, phẩm chất chùm tia, độ phân cực và độ rộng vạch phổ khiến laser sợi quang là các nguồn bơm lý tưởng để’ chuyển đổi bước sóng nhờ sử dụng các vật liệu quang phi tuyến.
Do hiệu suất chuyển đổi công suất cao sang ánh sáng xanh, hòa ba bậc 2 (SHG) của laser sợi quang của Yb dùng triborate lithium đã có mặt trong thương phẩm phát sóng xanh, có công suất tới 200W°). Các laser sợi quang công suất thấp có thể tận dụng ưu thế về độ phi tuyến cao của các vật liệu quang phi tuyên giả hợp pha (QLM-NLO) như lithium niobate
đánh bóng tuần hoàn (PPLN). Các vật liệu này có thể chuyển đổi hiệu quả chỉ một lượng nhỏ công suất vào chừng vài Watt CW⁽⁴⁾.
Cùng với phát SHG ở vùng sóng xanh, sóng đỏ đã được đạt được bằng phát tần số tổng của 2 laser sợi quang pha tạp Er và Yb. Bằng các bước sóng tổng quanh 1060 và 1540 nm trong các vật liệu QPM-NLO ánh sáng da cam/đỏ công suất vài Watt đã nhận được ở bước sóng 625 và 645 nm⁽⁵⁾.
Cùng với các kỹ thuật nói trên, ánh sáng vùng khả kiến cũng đã nhận được nhờ phát hòa ba bậc 2 của laser Raman sợi quang. Các laser Raman sợi quang làm chuyển dịch bước sóng hoạt động của laser sợi Yb tới vùng 1100 đến 1400 nm. Tiến hành nhân đôi tần số sẽ có được bức xạ công suất cỡ Watt , ở vùng ánh sáng từ vàng đến đỏ.
Trong khi hiện tại đã có nhiều công ty cung cấp các laser sợi quang nhân đôi tần số, hình thành một phân khúc trang bị có ý nghĩa ở vùng khả kiến, điển hình các thiết bị này chỉ phát một bước sóng đơn lẻ(^fi). Đối với nhiều ứng dụng cho nghiên cứu, người sử dụng có mong muốn xác định bước sóng tối ưu cho một quá trình khảo sát, một nguồn laser sợi quang điều chỉnh tần số rộng trong vùng khả kiến có ưu thế vượt trội.
 
Bộ dao động thông số quang học liên tục (CW OPOs) cho vùng khả kiến.
Bộ dao động thông số quang học có khả năng điều chỉnh bước sóng rộng hơn bất kỳ loại laser rắn khác, nhưng rất khó thực hiện CW OPOs trong vùng khả kiến, do khả năng đáp ứng công suất có hạn của các vật liệu QPM NLO tại bước sóng xanh là bước sóng hoạt động của laser. Việc hấp thụ đáng kể ở vùng xanh, cũng như các bước sóng khả kiến phát ra cộng hưởng với buồng cộng hưởng OPO, dẫn tới hấp thụ và hội tụ của vật liệu phi tuyến, cuối cùng là sự lệch pha của các tia tương tác làm hỏng hiệu quả chuyển đổi. Để so sánh, có thể thấy khả năng đáp ứng công suất của PPLN và các vật liệu tương tự trong vùng hồng ngoại là tuyệt vời. Con đường chọn lựa để’ có bức xạ khả kiến ra điều chỉnh được tần số sử dụng OPO là thực hiện chuyển đổi phi tuyến cascaded, đó là một thiết bị dùng một OPO bơm hồng ngoại theo sau là SFG hoặc SHG để phát các sóng điều chỉnh được ngắn hơn bước sóng bơm (xem hình 2). Trong khi quá trình quang phi tuyến (NLO) thứ hai có thể’ thực hiện bên ngoài buồng cộng hưởng OPO, có thể’ nhận được hiệu suất tối đa, khi tận dụng được công suất cao trong buồng cộng hưởng tại bước sóng cộng hưởng của OPO. Dùng các tinh thể NLO riêng biệt cho mỗi quá trình, bức xạ có thể nhận được ở đầu ra của OPO là đỏ, xanh lá cây, xanh dương và tử ngoạl^(7,8).
Vớl vật liệu QLM NLO các quá trình nhiều phần có thể đánh dấu và cho phù hợp pha trên cùng một tinh thể, do đó là giảm được mất mát quang học và sự phức tạp trong căn chỉnh. Lockheed Martin đã phát triển một họ module OPO CW điều chỉnh bước sóng trên cơ sở phương pháp tiếp cận OPO/SHG này, với việc dùng laser sợi quang làm nguồn bơm (xem hình 3)
Module Argos OPO điều chỉnh tần số rộng do Lockheed Martin phát triển, được kích hoạt bằng dich chuyển tinh thể PPLN tương đối với nguồn bơm, như là chùm bơm truyền qua các giai đoạn poling phù hợp khác nhau của OPO/SFG được bơm bằng một laser đơn tần, đã nhận được bức xạ ra điều chỉnh từ vàng đến đỏ, công suất cỡ Watt (xem hình 4). Các ứng dụng của laser sợi quang điều chỉnh bước sóng vùng khả kiến.
Trong lúc các laser vùng khả kiến được dùng cho nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm chiếu phim, màn hiển thị, gia công vật liệu và sinh học quang tử (biophotonics); nhiều ứng dụng trong đó chỉ cần một hoặc nhiều bước sóng cố định, không cần một độ chính xác cao về bước sóng. Tuy nhiên ở các ứng dụng khoa học như bẫy nguyên tử, đồng hồ nguyên tử, các ngôi sao dẫn hướng Natri, và quang học lượng tử, nói chung cần một bước sóng chính xác, với độ rộng phổ cực hẹp, là những đặc trưng không thể’ có được ở các laser tần số cố định thương mại hiện có. Do thế, các nguồn laser công suất cao dựa trên các nguồn khuếch đại đơn tần như laser sợi quang phản hồi phân bố (DFB), hay phản xạ Bragg phân bố (DBR) hứa hẹn những khả năng nghiên cứu mới.
Tại trường Đại học Darmstadt (Darmstadt, CHLB. Đức), giáo sư Thomas Halfmann và nhóm của ông đã dùng ánh sáng khả kiến, điều chỉnh được bước sóng từ một Argos OPO (xem hình 5) cho các ứng dụng trong quang học lượng tử trạng thái rắn. Dùng một bước sóng dưới 605 nm một chút, họ đã điều khiển đồng bộ một bộ nhớ quang học từ tinh thể yttrium- orthosilicate pha tạp praesodymium (Pr³+ :Y₂SiO₅). Mới đây, nhóm này đã dùng (Pr³+ :Y₂ SiO₅) để "dừng" ánh sáng và lưu trữ một ảnh trong tinh thể, thời gian trữ ảnh được cho là cực dài tới 1 phút. Thiết bị lưu giữ số liệu quang học với thời gian lưu trữ cực dài (ultralong) là một yếu tố then chốt để cho các ứng dụng tương lai như xử lý thông tin trong máy tính lượng tử và giải mã lượng tử.
Tới gần đây, chỉ có laser màu hoặc nguồn phát bức xạ tần số tổng của 2 laser khóa pha là đáp ứng được yêu cầu bức xạ giải hẹp tại 606 nm, với công suất ra đủ để điều khiển Pr3+:Y2SiO5. Phương pháp tiếp cận OPO-SHG là cách đơn giản hơn cả để dựng hệ laser toàn rắn điều khiển bộ nhớ quang học.
Tại Đại học Rice (Houston, TX), Giáo sư Tom Killian's nghiên cứu các tính chất của nguyên tử siêu lạnh. Năm 2009 và 2010, lần đầu tiên nhóm của ông đã thu được các ngưng tụ Bose-Einstein strontium (BECs) và các khí Fermi suy biến lượng tử. Họ hiện đang phát triển các kỹ thuật để’ đưa các nguyên tử strontium siêu lạnh lên các trạng thái "Rydberg" kính thích bậc cao, tương tác nhau với những lực cự ly xa và mạnh, nhờ các momen lưỡng cực lớn có thể có ở các trạng thái này. Các tương tác lưỡng cực được tiên đoán dẫn tới các hiện tượng ngoại sinh như siêu cứng và soliton ba chiều.
Ở phòng thí nghiệm của nhóm, một Argos OPO công suất 1W tại 640 nm, được nhân đôi tần số trong một buồng cộng hưởng ngoài đã cho ra ánh sáng tử ngoại, công suất 200 mW. Các photon tử ngoại tác động một bước kích thích đa photon tới các trạng thái Rydberg. Phẩm chất chùm tia và công suất cao của OPO cho phép phát hiệu quả bức xạ tử ngoại cho các thí nghiệm nói trên, điều khó thực hiện do các lực dao động để kích thích nhỏ.
Mong ước chung của các người sử dụng, khi tiến hành nghiên cứu dùng các laser toàn rắn công suất khả kiến là được thoát khỏi các công nghệ
cũ như các laser màu, đòi hỏi tốn nhiều thời gian để duy trì và vận hành, cùng các nguy hiểm gặp phải khi sử dụng chất mầu và chất lỏng làm lạnh độc hại.
Điều chỉnh bước sóng trong cả vùng khả kiến.
Sự phát triển tương lai của các laser sợi quang chuyển đổi tần số đòi hỏi sự phát triển của các vật liệu quang phi thuyến phải "bắt kịp" với tiến bộ của Laser này. Trong khi các laser sợi đã phát được công suất tới Kilowatt, thì ít vật liệu phi tuyến có thể làm việc được ở vài trăm Watt trong vùng khả kiến và tử ngoại.
Còn các vật liệu quang phi tuyến giả hợp pha (QPM NLO) có lẽ chỉ làm việc được ở công suất vài chục Watt tại vùng khả kiến. Hơn nữa trong khí vật liệu QPM như PPLN truyền qua bước sóng xanh lam, sự hấp thụ của vật liệu ở vùng bước sóng này là một hạn chế cho việc tăng công suất. Thành tích và sự linh hoạt trong thiết kế các laser sợi quang chuyển đổi bước sóng sang vùng khả kiến dùng vật liệu QPM mở ra toàn cảnh của những tiến bộ hơn nữa trên lĩnh vực các nguồn NLO điều chỉnh giải rộng bơm bằng laser sợi quang.