Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo xung laser cực ngắn tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ phân tích đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan nghiên cứu và phát triển thiết bị đo, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả

• Tác giả: Phương Thị Thúy Hằng
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đại Hưng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN
• 1.1. Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học
• 1.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang
• 1.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM)
• 1.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học
• 1.2.3. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR)
• 1.2.4. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM)
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN
• 2.1. Phƣơng pháp điện tử để đo xung laser ngắn
• 2.2. Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn
• 2.2.1. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp – Hàm tự tƣơng quan. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn
• 2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon
• 2.2.3. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)
• 2.2.4. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tƣơng quan
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN
• 3.1. Hệ laser Nd:YVO4 mode-locking
• 3.2. Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phƣơng pháp tự tƣơng quan
• 3.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo
• 3.4. Xây dựng cấu hình hệ đo
• 3.5. Lập trình cho hoạt động của hệ đo
• 3.6. Kết quả thực nghiệm của hệ đo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan

Đo xung laser cực ngắn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý và công nghệ laser. Phương pháp tự tương quan đã được phát triển để đo độ rộng của các xung laser cực ngắn, cho phép các nhà khoa học nắm bắt được các quá trình xảy ra trong thời gian cực ngắn. Các xung laser cực ngắn, đặc biệt là xung femtosecond, đã mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu trong các lĩnh vực như vật lý nguyên tử, hóa học và sinh học. Việc đo đạc chính xác độ rộng xung là rất quan trọng để khai thác tối đa tiềm năng của các ứng dụng này.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý của phương pháp tự tương quan

Phương pháp tự tương quan là một kỹ thuật đo lường dựa trên việc phân tích sự tương quan của tín hiệu laser với chính nó. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sử dụng sự chồng chéo của các xung laser để xác định độ rộng của chúng. Khi hai xung laser gặp nhau, chúng tạo ra một tín hiệu mới có cường độ phụ thuộc vào độ rộng của xung ban đầu. Kỹ thuật này cho phép đo độ rộng xung với độ chính xác cao, đặc biệt là trong khoảng thời gian femtosecond.

1.2. Lịch sử phát triển của phương pháp đo xung laser

Phương pháp tự tương quan đã được phát triển từ những năm 1980 và đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu laser. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và độ nhạy của thiết bị đo. Qua thời gian, nhiều cải tiến đã được thực hiện, bao gồm việc sử dụng các công nghệ mới như laser mode-locking và các hệ thống quang học tiên tiến, giúp nâng cao khả năng đo đạc xung laser cực ngắn.

II. Thách thức trong đo xung laser cực ngắn và giải pháp

Mặc dù phương pháp tự tương quan đã mang lại nhiều thành công trong việc đo xung laser cực ngắn, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn. Đầu tiên, độ chính xác của các thiết bị đo thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ổn định của nguồn laser và các yếu tố môi trường. Thứ hai, việc phát triển các thiết bị có khả năng đo xung với độ phân giải cao hơn là một yêu cầu cấp thiết. Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp khác nhau.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của đo xung

Độ chính xác của việc đo xung laser cực ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ ổn định của nguồn laser, chất lượng của các thành phần quang học và điều kiện môi trường. Sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố bên ngoài khác có thể làm sai lệch kết quả đo. Do đó, việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác cao trong các phép đo.

2.2. Giải pháp cải thiện độ chính xác trong đo xung

Để cải thiện độ chính xác trong đo xung laser cực ngắn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các hệ thống quang học tiên tiến và các thuật toán xử lý tín hiệu mạnh mẽ. Việc sử dụng các laser mode-locking với độ ổn định cao và các cảm biến quang học nhạy bén đã giúp nâng cao khả năng đo đạc. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ mới như quang phổ phân giải thời gian cũng đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị đo xung.

III. Phương pháp tự tương quan trong đo xung laser cực ngắn

Phương pháp tự tương quan là một trong những kỹ thuật chính để đo xung laser cực ngắn. Kỹ thuật này cho phép xác định độ rộng xung với độ chính xác cao thông qua việc phân tích sự tương quan của tín hiệu laser. Các bước thực hiện phương pháp này bao gồm việc tạo ra các xung laser, sau đó sử dụng các thiết bị quang học để phân tích và đo đạc. Kết quả thu được từ phương pháp này có thể được sử dụng để cải thiện các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp tự tương quan

Nguyên lý hoạt động của phương pháp tự tương quan dựa trên việc đo lường sự tương quan giữa các xung laser. Khi hai xung laser gặp nhau, chúng tạo ra một tín hiệu mới có cường độ phụ thuộc vào độ rộng của xung ban đầu. Bằng cách phân tích tín hiệu này, các nhà nghiên cứu có thể xác định được độ rộng xung với độ chính xác cao. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc đo các xung có độ rộng femtosecond.

3.2. Các ứng dụng của phương pháp tự tương quan

Phương pháp tự tương quan không chỉ được sử dụng trong việc đo xung laser cực ngắn mà còn có nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực như quang phổ, phân tích hóa học và nghiên cứu vật lý. Các ứng dụng này bao gồm việc nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh trong vật lý và hóa học, cũng như phát triển các thiết bị cảm biến siêu nhạy trong viễn thông và công nghệ thông tin.

IV. Ứng dụng thực tiễn của đo xung laser cực ngắn

Đo xung laser cực ngắn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong vật lý, nó cho phép nghiên cứu các quá trình xảy ra trong thời gian cực ngắn, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý cơ bản. Trong hóa học, các xung laser cực ngắn được sử dụng để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng, mở ra nhiều cơ hội mới trong tổng hợp hóa học. Ngoài ra, trong lĩnh vực y học, các xung laser cũng được ứng dụng trong các kỹ thuật phẫu thuật và điều trị.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu vật lý

Trong nghiên cứu vật lý, đo xung laser cực ngắn cho phép các nhà khoa học nắm bắt được các quá trình xảy ra trong thời gian cực ngắn, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý cơ bản. Các xung laser cực ngắn đã được sử dụng để nghiên cứu động học của các phản ứng hóa học và các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn.

4.2. Ứng dụng trong hóa học và sinh học

Trong hóa học, các xung laser cực ngắn được sử dụng để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng, mở ra nhiều cơ hội mới trong tổng hợp hóa học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các xung laser cực ngắn có thể giúp kiểm soát trực tiếp các phản ứng hóa học, từ đó tạo ra các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được.

V. Kết luận và tương lai của đo xung laser cực ngắn

Đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan đã chứng minh được vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ laser. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các phương pháp đo xung ngày càng trở nên chính xác và hiệu quả hơn. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ đo xung

Triển vọng phát triển công nghệ đo xung laser cực ngắn rất sáng sủa. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và độ nhạy của các thiết bị đo. Việc áp dụng các công nghệ mới như quang phổ phân giải thời gian và các hệ thống quang học tiên tiến sẽ giúp nâng cao khả năng đo đạc xung laser cực ngắn.

5.2. Tác động của đo xung laser đến các lĩnh vực khác

Đo xung laser cực ngắn không chỉ có tác động lớn đến lĩnh vực vật lý và hóa học mà còn ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác như y học, công nghệ thông tin và viễn thông. Các ứng dụng của nó trong các lĩnh vực này sẽ tiếp tục mở rộng, mang lại nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Laser xung cực ngắn đã trở thành công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ hiện đại. Theo ước tính, các xung laser có độ rộng cỡ femto giây (10⁻¹⁵ s) và atto giây (10⁻¹⁸ s) cho phép nghiên cứu các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trên thang thời gian siêu nhanh, như chuyển động electron trong nguyên tử hay các phản ứng hóa học phức tạp. Đặc biệt, trong lĩnh vực viễn thông, các xung laser cực ngắn giúp tăng dung lượng truyền dẫn nhờ khả năng ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (OTDM) và phân chia theo bước sóng (WDM), với tần số lặp lại xung lên đến hàng chục GHz, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao.

Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả các ưu điểm này, việc đo chính xác độ rộng xung laser cực ngắn là rất quan trọng. Các thiết bị điện tử truyền thống chỉ có thể đo được xung với độ rộng vài pico giây, trong khi các xung femto giây đòi hỏi phương pháp đo có độ phân giải thời gian cao hơn nhiều. Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển thiết bị đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan, áp dụng cho hệ laser Nd:YVO4 mode-locking với tần số lặp lại 8,8 MHz và bước sóng 1064 nm, thực hiện tại Phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Mục tiêu là xây dựng hệ đo có khả năng xác định độ rộng xung laser trong khoảng vài pico giây với độ chính xác cao, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng laser trong nghiên cứu và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết hàm tự tương quan (Autocorrelation Function): Đây là cơ sở toán học để xác định độ rộng xung laser bằng cách đo mối tương quan giữa hai xung giống nhau với độ trễ thời gian khác nhau. Hàm tự tương quan bậc 2 được sử dụng phổ biến, cho phép xác định độ rộng xung thông qua mối quan hệ giữa độ rộng của hàm tự tương quan và độ rộng xung thực tế, phụ thuộc vào dạng xung (ví dụ dạng sech²).

2. Mô hình phát họa ba bậc hai (Second Harmonic Generation - SHG): Hiệu ứng phi tuyến bậc hai trong tinh thể phi tuyến như KTP được dùng để tạo ra tín hiệu họa ba bậc hai khi hai xung laser giao thoa. Cường độ tín hiệu SHG tỷ lệ với bình phương cường độ xung laser, cho phép đo cường độ tín hiệu tự tương quan và từ đó suy ra độ rộng xung.

Các khái niệm chính bao gồm: xung laser cực ngắn, hàm tự tương quan bậc 2, phát họa ba bậc hai, cấu hình giao thoa kế Michelson, và kỹ thuật xử lý tín hiệu số.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ hệ laser Nd:YVO4 mode-locking tại phòng thí nghiệm Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý. Hệ laser có tần số lặp lại 8,8 MHz, công suất trung bình 450 mW, bước sóng 1064 nm.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tự tương quan quang học bậc 2 dựa trên hiệu ứng phát họa ba bậc hai trong tinh thể phi tuyến KTP. Tín hiệu SHG được thu nhận bằng photodiode, sau đó chuyển đổi sang tín hiệu số qua sound card máy tính (Realtek ALC883 codec) với tần số lấy mẫu 44,1 kHz. Dữ liệu số được xử lý bằng phần mềm MATLAB và Origin để phân tích và xác định độ rộng xung.

• Timeline nghiên cứu: Thiết kế và xây dựng hệ đo trong năm 2011, bao gồm phát triển phần cứng (gương chia chùm, bộ dịch chuyển tịnh tiến, tinh thể KTP, photodiode), lập trình điều khiển bộ dịch chuyển và xử lý dữ liệu, thực nghiệm đo xung laser và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Hệ đo sử dụng cấu hình giao thoa kế Michelson với tinh thể phi tuyến KTP và photodiode, kết hợp với sound card máy tính làm bộ chuyển đổi tương tự số. Hệ đo cho phép thu nhận và xử lý tín hiệu tự tương quan với độ phân giải thời gian phù hợp cho xung laser có độ rộng vài pico giây.

2. Đo độ rộng xung laser Nd:YVO4 mode-locking: Qua hai lần đo thực nghiệm, độ rộng xung tự tương quan thu được lần lượt là 13,8 ps và 14,4 ps. Áp dụng hệ số hiệu chỉnh 1,54 cho dạng xung sech², độ rộng xung laser thực tế được tính là khoảng 9 ps, phù hợp với đặc tính kỹ thuật của hệ laser.

3. Hiệu quả sử dụng sound card làm bộ chuyển đổi tương tự số: Sound card Realtek ALC883 với tần số lấy mẫu 44,1 kHz đáp ứng tốt yêu cầu thu nhận tín hiệu từ photodiode, đảm bảo độ phân giải 16 bit và trở kháng phù hợp, giúp giảm chi phí so với các thiết bị thu thập dữ liệu chuyên dụng.

4. Lập trình điều khiển bộ dịch chuyển tịnh tiến và xử lý dữ liệu: Chương trình MATLAB điều khiển motor dịch chuyển với độ chính xác cao, đồng thời xử lý trung bình mẫu tín hiệu để giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác của phép đo.

Thảo luận kết quả

Kết quả đo độ rộng xung laser bằng phương pháp tự tương quan phù hợp với các nghiên cứu trong lĩnh vực laser xung cực ngắn, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của hệ đo được phát triển. Việc sử dụng sound card máy tính làm bộ chuyển đổi tương tự số là giải pháp kinh tế, tận dụng thiết bị sẵn có mà vẫn đảm bảo chất lượng dữ liệu. So với các thiết bị đắt tiền như streak camera, hệ đo này phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong nước.

Biểu đồ dạng xung tự tương quan thể hiện rõ các điểm cực đại và cực tiểu, giúp xác định chính xác độ rộng xung. So sánh với các phương pháp điện tử truyền thống, phương pháp tự tương quan quang học vượt trội về độ phân giải thời gian, phù hợp với xung femto và pico giây. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu hiệu chỉnh kỹ thuật cao và xử lý dữ liệu phức tạp để giảm sai số do nhiễu và dao động nguồn laser.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cao độ chính xác của bộ dịch chuyển tịnh tiến: Sử dụng motor có bước dịch chuyển nhỏ hơn 100 nm để giảm sai số trong đo tự tương quan giao thoa, giúp xác định độ rộng xung chính xác hơn trong các nghiên cứu tiếp theo.

2. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu nâng cao: Áp dụng các thuật toán lọc nhiễu và phân tích phổ để cải thiện chất lượng dữ liệu thu nhận, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu và dao động nguồn laser.

3. Mở rộng ứng dụng hệ đo cho các loại laser khác: Thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ đo với các nguồn laser có tần số lặp lại và bước sóng khác nhau nhằm đa dạng hóa phạm vi ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp.

4. Tích hợp hệ đo với các thiết bị đo quang học khác: Kết hợp với máy quang phổ và thiết bị đo năng lượng để đồng bộ hóa các thông số laser, nâng cao hiệu quả phân tích và kiểm soát chất lượng nguồn laser.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu laser và quang học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về phương pháp đo xung laser cực ngắn, giúp phát triển các thiết bị đo và ứng dụng laser trong nghiên cứu vật lý và hóa học.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị quang học: Tham khảo để thiết kế và cải tiến hệ thống đo xung laser, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông quang học và cảm biến quang học.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý và kỹ thuật điện tử: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập và nghiên cứu về laser, quang học phi tuyến và kỹ thuật đo lường quang học.

4. Doanh nghiệp công nghệ laser và viễn thông: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm đo lường laser, nâng cao chất lượng và hiệu suất truyền dẫn quang học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp tự tương quan là gì và tại sao được sử dụng để đo xung laser cực ngắn?
   Phương pháp tự tương quan đo mối tương quan giữa hai xung laser giống nhau với độ trễ thời gian khác nhau, giúp xác định độ rộng xung mà không cần biết trước dạng xung. Phương pháp này phù hợp với xung femto và pico giây vì thiết bị điện tử truyền thống không đủ độ phân giải.

2. Tại sao sử dụng tinh thể phi tuyến KTP trong hệ đo?
   Tinh thể KTP có tính phi tuyến bậc hai, cho phép phát họa ba bậc hai (SHG) khi hai xung laser giao thoa, tạo ra tín hiệu với tần số gấp đôi bước sóng ban đầu. Tín hiệu SHG tỷ lệ với bình phương cường độ xung, giúp đo cường độ tự tương quan chính xác.

3. Sound card máy tính có thể thay thế thiết bị thu thập dữ liệu chuyên dụng không?
   Sound card với độ phân giải 16 bit và tần số lấy mẫu 44,1 kHz đáp ứng tốt yêu cầu thu nhận tín hiệu từ photodiode trong hệ đo, giúp giảm chi phí và tận dụng thiết bị sẵn có, tuy nhiên không phù hợp với các ứng dụng cần tần số lấy mẫu cực cao.

4. Làm thế nào để xác định độ rộng xung laser từ dữ liệu tự tương quan?
   Độ rộng xung tự tương quan được đo trực tiếp từ tín hiệu SHG, sau đó áp dụng hệ số hiệu chỉnh tùy theo dạng xung (ví dụ 1,54 cho dạng sech²) để tính độ rộng xung laser thực tế.

5. Ưu và nhược điểm của cấu hình tự tương quan giao thoa và cường độ?
   Cấu hình giao thoa có tỷ số tín hiệu đỉnh/nền cao (8:1), kháng nhiễu tốt nhưng yêu cầu dịch chuyển chính xác đến cỡ 100 nm. Cấu hình cường độ đơn giản hơn, không có vân giao thoa phức tạp nhưng tỷ số tín hiệu đỉnh/nền thấp (3:1), nhạy cảm với nhiễu.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan, áp dụng cho hệ laser Nd:YVO4 mode-locking với độ rộng xung khoảng 9 ps.
• Sử dụng sound card máy tính làm bộ chuyển đổi tương tự số là giải pháp kinh tế và hiệu quả trong điều kiện phòng thí nghiệm trong nước.
• Phương pháp tự tương quan quang học vượt trội so với các thiết bị điện tử truyền thống về độ phân giải thời gian, phù hợp với xung femto và pico giây.
• Lập trình điều khiển bộ dịch chuyển tịnh tiến và xử lý dữ liệu giúp nâng cao độ chính xác và ổn định của phép đo.
• Đề xuất nâng cấp hệ đo và mở rộng ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp laser, viễn thông quang học.

Áp dụng hệ đo trong các nghiên cứu laser xung cực ngắn khác, phát triển phần mềm xử lý tín hiệu nâng cao và tích hợp hệ đo với các thiết bị quang học khác để mở rộng phạm vi ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, xung laser ngắn là công cụ hiệu quả và duy nhất để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh và liên quan tới sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Vật lý và kỹ thuật phát xung laser ngắn đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ. Người ta đã có thể phát được các xung laser cỡ vài femto-giây. Do vậy, những phương pháp và thiết bị đo các thông số của các xung quang học có độ phân giải thời gian cao là rất cần thiết cho các nghiên cứu và ứng dụng quang học quang phổ và laser.

Một trong các thông số quan trọng cần được xác định là độ rộng thời gian của xung ngắn. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu một số thiết bị điện tử và một số kỹ thuật quang học để đo độ rộng của xung laser ngắn. Phƣơng pháp điện tử để đo xung laser ngắn 2. Photodiode Các photodiode hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong, với năng lượng photon lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán dẫn đã và đang được sử dụng, ít nhất được sử dụng để hiển thị chuỗi xung laser.

Để quét sạch hoàn toàn các hạt tải sinh ra trong miền nghèo bởi sự kích thích cưỡng bức của các xung laser cần phải có một thời gian hữu hạn. Chính khoảng thời gian này ngăn cản việc xác định chính xác dạng xung. Ngay cả khi sử dụng photodiode có diện tích miền hoạt tính cực nhỏ (vài micro mét vuông) và điện áp ngược cao, giới hạn thời gian cỡ hàng chục pico- giây vẫn tồn tại ở sườn trước và sườn sau của xung điện. Trong thực tế, bản thân sự hiển thị đòi hỏi một oscillocope có độ rộng băng lớn đến mức mà chỉ có kỹ thuật lấy mẫu (sampling technique) mới đáp ứng được tốt.

Kỹ thuật này đang được sử dụng để đo lường các xung tương đối dài (> 100 ps). 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Gần đây, những phương pháp mới đã cho phép chế tạo những detector có hằng số thời gian được thu nhỏ đáng kể, tới vài trăm femto-giây. Một ví dụ điển hình là detector chế tạo từ silic trên đế sapphire (silicon on sapphire - SOS) [15]. Như vậy, với các photodiode nhanh nhất, phương pháp đo lường xung laser ngắn bằng hệ photodiode-oscillocope chỉ cho phép phân giải tối đa ở khoảng thời gian vài chục pico-giây.

Streak Camera Một thiết bị quang điện phức tạp hơn được sử dụng để đo lường xung laser cực ngắn là “Streak Camera”. Streak Camera là thiết bị dùng để đo lường các hiện tượng quang học cực nhanh, nó ghi nhận và hiển thị sự phụ thuộc của cường độ theo thời gian và vị trí (hay bước sóng). Hiện nay, Streak Camera là thiết bị duy nhất cho phép đo lường trực tiếp các hiện tượng quang học cực nhanh với độ phân giải cao [15]. Streak Camera là thiết bị hai chiều, nó có thể được dùng để đo lường đồng thời hàng chục “kênh” ánh sáng khác nhau.

Ví dụ, khi sử dụng Streak Camera với máy quang phổ, ta có thể đo được sự thay đổi cường độ ánh sáng tới theo thời gian và bước sóng (quang phổ phân giải thời gian); sử dụng cùng với các thành phần quang học thích hợp khác, ta có thể đo lường sự thay đổi cường độ sáng theo thời gian và vị trí (đo lường phân giải không gian và thời gian). Nguyên tắc hoạt động của Streak Camera được biểu diễn trên hình 2. Chùm sáng cần đo (giả sử gồm một chuỗi các xung quang học có cường độ khác nhau và lệch nhau một chút về không gian và thời gian) đi qua một khe hẹp và được tập trung trong diện tích ảnh của khe trên photocathode của ống streak nhờ một hệ thống quang học. Ánh sáng tới trên photocathode được biến đổi thành các photoelectron theo hiệu ứng quang điện ngoài.

Các xung quang học lần lượt được biến đổi thành các đoàn photoelectron, số photoelectron tỷ lệ với cường độ ánh sáng của một chuỗi xung. Các photoelectron được gia tốc về phía màn ảnh phosphor bởi một điện áp 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] gia tốc khoảng 2 – 5 kV. Profile thời gian của các electron phản ánh tiến trình thời gian của cường độ ánh sáng trên khe. Nguyên tắc hoạt động của ống streak (Hamamatsu) (a); cơ chế quét (b) [3] Sau khi gia tốc, các photoelectron bay qua giữa hai điện cực của hệ thống quét.

Một điện áp cao được đặt đồng bộ chính xác về thời gian và ánh sáng tới lên các điện cực quét (hình 2. Điện áp này tạo nên một sự quét tốc độ nhanh (các electron được quét từ trên xuống dưới), tốc độ quét được chọn tùy theo yêu cầu độ phân giải thời gian cần thiết. Trong quá trình quét, các photoelectron đi vào hệ 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thống quét ở những thời điểm khác nhau bị làm lệch những góc khác nhau theo phương thẳng đứng. Sau khi bị làm lệch khỏi hệ thống quét, các photoelectron đi vào tấm kính vi kênh (Micro-channel-plate - MCP).

Sau khi đi qua tấm vi kênh, số photoelectron được nhân lên vài nghìn lần. Sau đó chúng đập lên mà phosphor. Việc sử dụng tấm vi kênh là do yêu cầu hạn chế độ phát xạ của photocathode để giữ điện tích không gian ở mức thấp nhất. Trên màn phosphor, ảnh huỳnh quang của xung quang học đến sớm nhất sẽ nằm ở vị trí cao nhất, các ảnh khác (ứng với các xung đến chậm hơn) được sắp xếp lần lượt từ trên xuống dưới.

Như vậy, phương thẳng đứng trên mà phosphor đóng vai trò là trục thời gian. Độ chói của ảnh huỳnh quang tỷ lệ với cường độ các xung quang học. Vị trí trên phương ngang của ảnh phosphor tương ứng với vị trí ngang của ánh sáng tới. Như vậy, Streak Camera được dùng để biến đổi sự phân bố cường độ ánh sáng theo thời gian và không gian thành sự phân bố độ chói của ảnh theo không gian trên màn phosphor.

Thông thường, trong đo lường các hiện tượng quang học cực nhanh bằng Streak Camera ta cần sử dụng thêm một hệ trigger (trigger section) và một hệ đọc kết quả (readout section). Cấu hình cơ bản của toàn bộ hệ được trình bày trong hình (2. Hệ trigger điều khiển thời gian quét. Hệ này cần được điều chỉnh để nó khởi động quá trình quét ngay khi xung quang học cần đo đến Streak Camera.

Muốn làm điều đó, ta sử dụng một khối làm trễ để tín hiệu trigger và một bộ chia tần số để chia tần số tín hiều từ trigger ngoài khi tần số lặp lại của tín hiệu trigger quá cao. Trong trường hợp tín hiệu trigger không thể lấy trực tiếp từ thiết bị (chẳng hạn từ nguồn laser), ta dùng một photodiode PIN để tạo tín hiệu trigger từ chính bản thân tín hiệu được đo. Hệ thống đọc kết quả các tác dụng đọc và phân tích ảnh Streak được tạo ra trên màn phosphor. Ảnh Streak thu nhận bởi một camera độ nhạy cao và được truyền tới máy tính để xử lý và phân tích.

16 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phạm vi ứng dụng của Streak Camera phù hợp nhất là trong các thí nghiệm phân giải quang phổ thời gian. Tuy nhiên, nhờ có độ phân giải thời gian cao, Streak Camera cho phép đo lường rất tốt các xung laser cực ngắn. Độ phân giải của Streak Camera ngày càng được nâng cao. Hiện nay, các Streak Camera có độ phân giải cao nhất của hãng Hamamatsu cho phép đo xung laser cực ngắn đến 400 fs [10].

Ánh sáng Streak camera cần đo Camera nhạy Bộ thu ảnh Máy tính Bộ trễ Tín hiệu trigger Phần trigger Bộ chia tần Hình 2.2: cấu hình cơ bản của hệ Streak camera [3] 2. Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn. Các thiết bị và hệ thống đo điện tử chỉ có khả năng đo được các hiện tượng cực nhanh hay các xung quang học laser cực nhanh với đội dài cỡ một vài pico- giây. Điều này quy định bởi hằng số thời gian (đáp ứng tần số) của các đầu thu và mạch đo điện tử.

Sự phát triển nhanh chóng trong kỹ thuật phát xung laser cực ngắn đã cho phép phát được các xung laser ngắn cỡ vài femto-giây. Điều này yêu cầu sự phát triển của các phương pháp và hệ thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao hơn nữa. Hiện nay, một số phương pháp quang học phi tuyến được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm laser xung ngắn để đo độ dài các xung laser cực ngắn như: phương pháp phát họa ba bậc hai, huỳnh quang hấp thụ hai photon và van Kerr quang học. 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Nguyên tắc chung của phƣơng pháp – Hàm tự tƣơng quan Các phương pháp này được xây dựng trên hai cơ sở: + Hàm tương quan (correlation functions) + Sự biến đổi thời gian – không gian. Giả sử có hai tín hiệu xung được mô tả bởi hai hàm phụ thuộc thời gian F(t) và F’(t). Nếu ta đã biết một trong hai hàm đó, chẳng hạn hàm F’(t), thì qua việc xác định hàm tương quan (correlation function) G(τ) [12, 15]: ta sẽ xác định được hàm còn lại F(t). Tuy nhiên, với các xung laser ngắn, ta không thể tạo ra hàm F’(t) trong một thang thời gian ngắn được, khi đó ta dùng các xung laser để đo lường chính nó.

Để thực hiện phép đo, bằng cách nào đó ta tách xung laser thành hai xung giống nhau, sau đó cho chúng truyền theo hai đường khác nhau rồi tái hợp lại trong một cấu hình giao thoa (hình 2. Cấu hình cơ bản để đo hàm tự tương quan [3] 18 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tín hiệu tái hợp của hai xung ghi lại như một hàm của thời gian trễ τ giữa hai xung. Hàm ghi được biểu diễn mối tương quan giữa hai xung ở hai thời điểm khác nhau và được gọi là hàm tự tương quan (autocorrelation). Hàm tự tương quan và tương quan được chia thành nhiều nhóm khác nhau.

Trong phạm vi ứng dụng cho các đo lường xung laser cực ngắn ở đây, chúng ta chỉ đề cập đến các hàm tự tương quan được sử dụng phổ biến trong việc đo độ dài các xung quang học. Hàm tự tương quan không có nền (background-free) bậc n được xác định theo biểu thức [12, 18]: Từ biểu thức trên ta thấy triệt tiêu khi , với là độ rộng của xung thứ j. Khi xét tổng quát, để xác định đầy đủ các đặc trưng của xung laser (dạng xung, độ rộng xung, cường độ, pha), chúng ta cần phải xác định các hàm tự tương quan có bậc khác nhau. Về mặt thực nghiệm, các hàm tự tương quan có thể đo được nhờ các quá trình đa photon.