Các ứng dụng khác nhau của nguồn laser xung dựa vào khả năng tạo ra một loạt các cặp xung với độ trễ tăng dần giữa chúng. Việc triển khai quét độ trễ quang học như vậy với độ chính xác cao đòi hỏi khắt khe, đặc biệt đối với độ trễ dài.
Giải quyết thách thức này, các nhà vật lý của ETH đã phát triển một loại laser ‘lược kép’ linh hoạt, kết hợp phạm vi quét rộng với công suất cao, độ ồn thấp, hoạt động ổn định và dễ sử dụng — từ đó mang lại triển vọng sáng sủa cho các mục đích sử dụng thực tế.
>> Tham khảo: Trao quyền cho người dùng để đánh giá nội dung giúp chống lại thông tin sai lệch.
Công nghệ laser cực nhanh đã cho phép một loạt các phương pháp đo lường chính xác. Chúng đặc biệt bao gồm một loạt các thí nghiệm laser xung trong đó một mẫu được kích thích và sau một khoảng thời gian thay đổi, phản ứng được đo.
Trong những nghiên cứu như vậy, độ trễ giữa hai xung thường bao gồm phạm vi từ femto giây đến nano giây. Trong thực tế, quét thời gian trễ trên một phạm vi rộng theo cách có thể lặp lại và chính xác là một thách thức đáng kể.
Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc nhóm của Giáo sư Ursula Keller thuộc Khoa Vật lý tại ETH Zurich, với sự đóng góp chính của Tiến sĩ Justinas Pupeikis, Tiến sĩ Benjamin Willenberg và Tiến sĩ Christopher Phillips, hiện đã thực hiện một bước quan trọng hướng tới một giải pháp có tiềm năng trở thành nhân tố thay đổi cuộc chơi cho nhiều ứng dụng thực tế.
Viết trên Optica, gần đây họ đã giới thiệu và trình diễn một thiết kế laser linh hoạt, cung cấp cả thông số kỹ thuật vượt trội và thiết lập ít phức tạp, chạy ổn định trong nhiều giờ.
Con đường dài dẫn đến độ trễ dài
Giải pháp đơn giản nhất về mặt khái niệm để quét độ trễ quang dựa trên tia laser có đầu ra được chia thành hai xung. Trong khi một trong số chúng đi theo một lộ trình cố định đến mục tiêu, thì đường quang học cho xung thứ hai được thay đổi với các gương dịch chuyển tuyến tính.
Đường đi giữa các gương càng dài thì xung laser đến mục tiêu càng muộn và độ trễ so với xung đầu tiên càng dài. Tuy nhiên, vấn đề là ánh sáng di chuyển với tốc độ cao nổi tiếng, bao phủ khoảng 0,3 mét mỗi nano giây (trong không khí). Đối với các dòng có độ trễ cơ học, điều này có nghĩa là việc quét để có độ trễ lên tới vài nano giây yêu cầu các thiết bị lớn có cấu trúc cơ học phức tạp và thường chậm.
Một cách tinh tế để tránh các cấu trúc phức tạp thuộc loại đó là sử dụng một cặp laser xung cực ngắn phát ra các chuỗi xung, mỗi chuỗi có tốc độ lặp lại hơi khác nhau.
>> Tham khảo: Những khám phá mới về vật liệu pin mặt trời đầy hứa hẹn nhờ kính hiển vi mới.
Giả sử, nếu các xung đầu tiên phát ra từ mỗi tia laser được đồng bộ hóa hoàn hảo, thì cặp thứ hai có độ trễ giữa các xung tương ứng với sự khác biệt về thời gian lặp lại của hai tia laser. Cặp xung tiếp theo có độ trễ gấp đôi giữa chúng, v.v.
Theo cách này, có thể quét độ trễ quang hoàn toàn tuyến tính và nhanh chóng mà không cần các bộ phận chuyển động — ít nhất là trên lý thuyết. Loại tinh vi nhất của hệ thống laser tạo ra hai chuỗi xung như vậy được gọi là lược kép, liên quan đến cấu trúc quang phổ của đầu ra bao gồm một cặp lược tần số quang học.
Mặc dù lời hứa về phương pháp lược kép đã rõ ràng từ lâu, nhưng tiến trình hướng tới các ứng dụng bị cản trở bởi những thách thức liên quan đến việc thiết kế một hệ thống laser có thể triển khai dễ dàng, cung cấp hai lược hoạt động đồng thời với chất lượng cần thiết và độ ổn định tương đối cao.
Bây giờ, Pupeikis et al. đã tạo ra một bước đột phá đối với một loại laser thực tế như vậy và chìa khóa là một cách mới để tạo ra hai tổ hợp tần số trong một và cùng một khoang laser.
Hai dãy xung quang
Nhiệm vụ mà các nhà nghiên cứu có trong tay là xây dựng một nguồn laser bao gồm hai dãy xung quang kết hợp về cơ bản giống nhau về mọi đặc tính ngoại trừ sự khác biệt cực kỳ quan trọng đó về tốc độ lặp lại.
Một lộ trình tự nhiên để đạt được điều này là tạo ra hai chiếc lược trong cùng một khoang laser. Nhiều cách tiếp cận khác nhau để thực hiện ghép kênh khoang laser như vậy đã được giới thiệu trong quá khứ. Nhưng những thứ này thường yêu cầu các thành phần bổ sung được đặt bên trong khoang.
Điều này giới thiệu tổn thất và các đặc điểm phân tán khác nhau cho hai lược, trong số các vấn đề khác. Các nhà vật lý ETH đã khắc phục những vấn đề này trong khi vẫn đảm bảo rằng hai lược chia sẻ tất cả các thành phần bên trong khoang.
Họ đã đạt được điều này bằng cách đưa vào trong khoang một ‘lăng kính’, một thiết bị có hai góc riêng biệt trên bề mặt mà từ đó ánh sáng được phản xạ.
Lăng kính kép chia chế độ khoang thành hai phần và các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng bằng cách thiết kế khoang quang phù hợp, hai lược có thể được phân tách theo không gian trên các thành phần nội khoang đang hoạt động trong khi vẫn đi theo một đường rất giống nhau.
‘Các thành phần hoạt động’ ở đây đề cập đến môi trường khuếch đại, nơi phát ra tia laze và đến phần tử được gọi là SESAM (gương hấp thụ bão hòa chất bán dẫn), cho phép khóa chế độ và tạo xung. Sự phân tách không gian của các chế độ ở các giai đoạn này có nghĩa là có thể tạo ra hai lược với khoảng cách riêng biệt, trong khi hầu hết các thuộc tính khác về cơ bản được sao chép.
>> Tham khảo: Bản đồ đa dạng thực vật thế giới.
Đặc biệt, hai lược có tiếng ồn thời gian tương quan cao. Đó là, mặc dù không thể tránh khỏi sự không hoàn hảo trong cấu trúc lược thời gian, nhưng chúng gần như giống nhau đối với hai chiếc lược, giúp có thể xử lý tiếng ồn như vậy.
Cánh cửa với các ứng dụng thực tế
Một tính năng nổi bật của kiến trúc khoang đơn mới lạ hiện được giới thiệu là nó không yêu cầu sự thỏa hiệp trong thiết kế laser. Thay vào đó, kiến trúc khoang tối ưu cho vận hành một lược có thể dễ dàng điều chỉnh để sử dụng lược kép.
Cùng với đó, thiết kế mới cũng thể hiện sự đơn giản hóa đáng kể so với các sản phẩm thương mại và mở ra con đường sản xuất và triển khai loại nguồn laser cực nhanh mới này.
Các điểm chuẩn đạt được trong các cuộc biểu tình đầu tiên là rất đáng khích lệ. Các nhà nghiên cứu đã quét độ trễ quang học 12,5 ns (tương đương với khoảng cách 3,75 m trong không khí) với độ chính xác 2-fs (ít hơn một micromet trong khoảng cách vật lý) ở tốc độ lên tới 500 Hz và có độ ổn định cao kỷ lục đối với một tia laser lược kép một khoang.
>> Tham khảo: Combo CRISPR mới tăng cường sức mạnh chỉnh sửa bộ gen ở thực vật.
Hiệu suất thu được — bao gồm công suất cao hơn 2,4 W cho mỗi lược, thời lượng xung ngắn dưới 140 fs và khả năng ghép nối được chứng minh với bộ tạo dao động tham số quang học (OPO) để chuyển đổi ánh sáng thành một chế độ bước sóng khác – – nhấn mạnh tiềm năng thực tế của phương pháp tiếp cận đối với phổ rộng các phép đo, từ dải quang học chính xác (phép đo quang học của khoảng cách tuyệt đối) đến quang phổ hấp thụ có độ phân giải cao và quang phổ phi tuyến để lấy mẫu các hiện tượng cực nhanh.
