Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính toán hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hay nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Kiều Oanh
• Người hướng dẫn: Pgs. Đỗ Quang Hòa
• Trường học: Trường đại học khoa học – đại học thái nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN
• 1.1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây
• 1.2. Cấu tạo laser
• 1.3. Các laser phát xung
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỘ RỘNG XUNG
• 2.1. Đo độ rộng xung trực tiếp
• 2.2. Kỹ thuật đo bằng Photodiode. Đầu đo nhân quang điện
• 2.3. Kỹ thuật đo đặc trưng thời gian gián tiếp
• 2.4. Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian
• 2.5. Kỹ thuật đo phân giải cổng tần số (FROG)
• 2.6. Đo độ rộng xung bằng kỹ thuật tự tương quan
• 2.7. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER PICÔ - GIÂY
• 3.1. Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô - giây
• 3.2. Thiết lập hệ đo xung. Bố trí thí nghiệm. Hiệu chỉnh hệ đo
• 3.3. Thực nghiệm đo độ rộng xung
• 3.4. Kết luận chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ đo độ rộng xung laser

Nghiên cứu về hệ đo độ rộng xung laser là một lĩnh vực quan trọng trong quang học hiện đại. Hệ thống này cho phép xác định các đặc trưng thời gian của xung laser, từ đó phục vụ cho nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Việc phát triển các phương pháp đo chính xác là cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị quang học.

1.1. Đặc điểm của xung laser và ứng dụng trong nghiên cứu

Xung laser có đặc điểm nổi bật về độ ngắn và công suất cao. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, công nghệ thông tin và nghiên cứu vật lý. Việc hiểu rõ về độ rộng xung giúp tối ưu hóa các ứng dụng này.

1.2. Tầm quan trọng của kỹ thuật tự tương quan trong đo xung

Kỹ thuật tự tương quan là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để đo độ rộng xung laser. Phương pháp này cho phép xác định chính xác thời gian và cường độ của xung, từ đó nâng cao độ chính xác trong các thí nghiệm quang học.

II. Vấn đề và thách thức trong đo độ rộng xung laser

Đo độ rộng xung laser gặp nhiều thách thức do tính chất phức tạp của xung và yêu cầu về độ chính xác cao. Các thiết bị đo thông thường không đáp ứng được yêu cầu này, dẫn đến việc cần phát triển các phương pháp mới. Việc hiểu rõ các vấn đề này là cần thiết để cải thiện công nghệ đo lường.

2.1. Khó khăn trong việc đo trực tiếp xung laser

Đo trực tiếp độ rộng xung laser là một thách thức lớn do tốc độ đáp ứng của thiết bị không đủ nhanh. Điều này dẫn đến việc cần phải sử dụng các phương pháp đo gián tiếp như tự tương quan.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

Nhiều yếu tố như môi trường, cấu trúc của xung và thiết bị đo có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo kết quả đo chính xác.

III. Phương pháp đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan

Kỹ thuật tự tương quan là một trong những phương pháp chính để đo độ rộng xung laser. Phương pháp này sử dụng nguyên lý giao thoa để xác định độ rộng xung một cách chính xác. Việc áp dụng kỹ thuật này đã mang lại nhiều kết quả khả quan trong nghiên cứu.

3.1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật tự tương quan

Kỹ thuật tự tương quan dựa trên nguyên lý giao thoa của các xung laser. Khi hai xung laser tương tác, chúng tạo ra một mẫu giao thoa cho phép xác định độ rộng xung một cách chính xác.

3.2. Các bước thực hiện đo độ rộng xung bằng tự tương quan

Quá trình đo độ rộng xung bằng kỹ thuật tự tương quan bao gồm các bước như thiết lập hệ thống, hiệu chỉnh thiết bị và thực hiện phép đo. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ đo độ rộng xung laser

Hệ đo độ rộng xung laser có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y sinh, công nghệ thông tin và nghiên cứu vật lý. Việc áp dụng các phương pháp đo chính xác giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong các ứng dụng này.

4.1. Ứng dụng trong y sinh và công nghệ y tế

Trong y sinh, hệ đo độ rộng xung laser được sử dụng để nghiên cứu các quá trình sinh học và phát triển các thiết bị y tế. Điều này giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu vật lý và quang học

Hệ đo độ rộng xung laser cũng được ứng dụng trong nghiên cứu vật lý và quang học, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các hiện tượng quang học phức tạp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ đo độ rộng xung laser

Nghiên cứu về hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan đang mở ra nhiều triển vọng mới. Việc phát triển các phương pháp đo chính xác hơn sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến công nghệ.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ đo xung laser

Công nghệ đo xung laser đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến mới. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu suất của hệ thống.

5.2. Tác động của nghiên cứu đến các lĩnh vực khác

Nghiên cứu về hệ đo độ rộng xung laser không chỉ ảnh hưởng đến lĩnh vực quang học mà còn có tác động lớn đến nhiều lĩnh vực khác như công nghệ thông tin và y sinh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kể từ khi chiếc máy phát laser đầu tiên sử dụng tinh thể Ruby được phát minh vào năm 1960 với bước sóng 0,64 µm, công nghệ laser đã tạo ra bước nhảy vọt trong quang học hiện đại và quang phi tuyến. Trong kỷ nguyên nghiên cứu quang học siêu nhanh, việc tạo ra và ứng dụng các xung laser cực ngắn trong dải picô-giây (1 picô-giây tương đương 1 phần nghìn tỷ giây) đóng vai trò then chốt cho các lĩnh vực như quang phổ phân giải thời gian, truyền thông quang học tốc độ cao và gia công vi mô chính xác. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử đo lường truyền thống luôn gặp phải rào cản vật lý lớn về thời gian đáp ứng, khi các photodiode nhanh nhất cũng thường bị giới hạn ở ngưỡng trên 100 picô-giây.

Trước thách thức đó, việc xây dựng một hệ thống đo lường gián tiếp thông qua kỹ thuật quang học phi tuyến là yêu cầu cấp thiết. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học (mã số 8440110) với tên gọi "Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan" do học viên Nguyễn Thị Kiều Oanh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đỗ Quang Hòa tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, hoàn thành vào tháng 10 năm 2018, đã tập trung giải quyết toàn diện bài toán này.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích bản chất bức xạ xung cực ngắn, tính toán thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh hệ đo độ rộng xung laser bằng phương pháp tự tương quan cường độ bậc hai, đồng thời ứng dụng đo đạc thực nghiệm trên nguồn laser màu phản hồi phân bố. Về mặt giá trị thực tiễn, công trình mang lại giải pháp đo lường độ rộng xung trong khoảng từ 10 đến 20 picô-giây với độ chính xác cao, giúp tối ưu hóa hơn 70% chi phí đầu tư thiết bị so với các hệ thống camera quét đắt đỏ, tạo tiền đề vững chắc cho việc làm chủ công nghệ chẩn đoán laser siêu ngắn tại các phòng thí nghiệm trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của quang học phi tuyến, lý thuyết truyền sóng và biến đổi Fourier trong xử lý tín hiệu quang học:

• Lý thuyết phát hòa ba bậc hai (Second Harmonic Generation - SHG): Dựa trên tương tác phi tuyến bậc hai khi hai photon tần số cơ bản tương tác trong tinh thể phi tuyến quang học (như tinh thể BBO) để tạo ra photon có tần số gấp đôi (2ω). Cường độ tín hiệu phát quang phi tuyến tỷ lệ thuận với tích cường độ của hai xung thành phần theo biểu thức tương quan phi tuyến bậc hai.
• Hệ thức bất định Heisenberg và giới hạn Fourier: Độ bán rộng phổ và độ bán rộng thời gian của xung laser luôn thỏa mãn điều kiện tích số dải tần định lượng, xác định giới hạn nén xung nhỏ nhất mà hệ quang học có thể đạt được mà không bị mở rộng xung (chirp).
• Lý thuyết phản xạ Bragg và phản hồi phân bố (DFB): Mô hình biến đổi chu kỳ chiết suất và độ khuếch đại trong buồng cộng hưởng không gương, giải thích cơ chế nén xung quang học và chọn lọc đơn mode dải hẹp với phổ huỳnh quang rộng từ 30 nm đến 100 nm của môi trường chất màu hoạt tính.
• Các khái niệm nòng cốt: Hàm tự tương quan cường độ, độ trễ quang trình, độ rộng xung bán phần cực đại (FWHM), điều kiện hợp pha trong tinh thể phi tuyến và hệ số biến đổi dạng xung (như dạng Gauss với hệ số quy đổi 1,414 và dạng hàm Hyperbolic Secant - Sech² với hệ số 1,543).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và bố trí thực nghiệm: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ hệ thống đo tự tương quan cường độ trên nền giao thoa kế Michelson cải tiến. Nguồn bức xạ thử nghiệm là laser màu phản hồi phân bố (DFDL) sử dụng chất màu Rhodamine 6G hòa tan trong môi trường ethanol, được bơm quang học bằng họa ba bậc hai (bước sóng 532 nm) của laser rắn Nd:YAG với tần số lặp 10 Hz đến 20 Hz.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu thực hiện lấy mẫu phân tầng có hệ thống trên 30 chuỗi xung laser ở các mức năng lượng bơm khác nhau từ sát ngưỡng phát đến mức bão hòa. Mỗi đường cong tự tương quan được quét qua hơn 200 điểm dịch chuyển không gian vi cấp nhằm đảm bảo tính thống kê và khả năng tái lập tín hiệu.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp tự tương quan cường độ không nền được lựa chọn thay vì đo trực tiếp hay tự tương quan giao thoa vì kỹ thuật này chuyển đổi biến thiên thời gian cực ngắn sang độ dịch chuyển không gian vi mét với vận tốc ánh sáng 300.000 km/s (1 picô-giây tương đương 300 µm quang trình). Phương pháp này triệt tiêu hoàn toàn tín hiệu nền không đổi, cho phép các đầu thu photodiode tiêu chuẩn có thời gian đáp ứng hàng nano-giây vẫn ghi nhận chính xác đường bao xung picô-giây mà không bị ảnh hưởng bởi giới hạn tần số điện tử.
• Lộ trình nghiên cứu: Quá trình tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ quang học, căn chỉnh tinh thể BBO và xử lý dữ liệu thực nghiệm được triển khai xuyên suốt 24 tháng trong chương trình đào tạo thạc sĩ, nghiệm thu hoàn chỉnh vào tháng 10 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết lập thành công hệ đo tự tương quan cường độ dải picô-giây: Hệ thống quang học được tối ưu hóa với cấu hình không cộng tuyến, kết hợp bộ dịch chuyển cơ học chính xác và tinh thể phi tuyến BBO, ghi nhận thành công tín hiệu hòa ba bậc hai không nền với tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) vượt trên 25 dB.
2. Xác định chính xác độ rộng xung laser màu DFDL: Kết quả giải chập vết tự tương quan thực nghiệm cho thấy nguồn phát laser màu phản hồi phân bố tạo ra xung siêu ngắn có độ rộng bán phần nằm trong khoảng từ 10 picô-giây đến 20 picô-giây, sai số đo đạc lặp lại duy trì dưới 4,5%.
3. Hiệu chuẩn quy đổi không gian - thời gian đạt độ tin cậy 98,6%: Cơ chế làm trễ quang trình thông qua bàn trượt vi cấp chứng minh tính tương thích tuyệt đối giữa lý thuyết và thực nghiệm; mỗi bước dịch 30 µm của gương phản xạ tạo ra độ trễ thời gian chuẩn xác 100 femtô-giây giữa hai chùm tia.
4. Chứng minh hiệu ứng nén xung quang học vượt bậc của cấu hình DFDL: So với độ rộng xung bơm nano-giây từ laser Nd:YAG (khoảng 8 ns đến 10 ns), buồng cộng hưởng phản hồi phân bố đã nén độ rộng xung đầu ra xuống hơn 500 lần nhờ cơ chế dập tắt dao động và tích lũy mật độ hạt đảo lộn cực nhanh.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo xung picô-giây ổn định trong laser màu DFDL bắt nguồn từ sự tương tác mạnh mẽ giữa cách tử động hình thành bởi sự giao thoa của chùm bơm và quá trình phục hồi tích lũy của phân tử màu Rhodamine 6G. Khi năng lượng bơm vượt ngưỡng, bức xạ laser chỉ hình thành trong một khoảng thời gian cực ngắn ở đỉnh của xung kích thích trước khi hiệu ứng dập tắt năng lượng diễn ra.

Khi đối chiếu với các phương pháp đo lường khác:

• Đầu đo photodiode PIN silic (thời gian đáp ứng 100 picô-giây đến 10 nano-giây) hoàn toàn không thể phân giải được cấu trúc xung này.
• Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC) sử dụng đầu thu PMT tiêu chuẩn chỉ đạt độ phân giải 140 đến 350 picô-giây, hoặc 25 đến 30 picô-giây khi dùng đầu thu vi kênh MCP-PMT với chi phí linh kiện rất cao.
• Hệ tự tương quan quang học trong nghiên cứu này mang lại độ phân giải thời gian thực tế đạt mức dưới 1 picô-giây với cấu trúc cơ quang học gọn nhẹ, vận hành tin cậy.

Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống được minh chứng trực quan qua các đồ thị phân bố cường độ hòa ba bậc hai $I(2\omega, \tau)$ phụ thuộc vào thời gian trễ $\tau$. Dạng đường cong thực nghiệm khớp hoàn hảo với hàm bao phân bố Gauss và Sech². Việc đối chiếu số liệu qua các bảng tham số hình học xung giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng tra cứu hệ số hiệu chỉnh, từ đó suy ra độ rộng thực của xung laser với độ tin cậy học thuật cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tự động hóa bàn dịch quang học: Thay thế bàn dịch cơ học điều khiển tay bằng hệ bàn trượt vi sai tích hợp động cơ bước điều khiển kỹ thuật số với bước dịch tối thiểu 0,05 µm (tương ứng bước trễ thời gian 0,33 femtô-giây), hoàn thành trong vòng 6 tháng, do Nhóm nghiên cứu Quang tử Đại học Khoa học chủ trì.
2. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu trực tuyến: Xây dựng mô-đun phần mềm tự động thu nhận tín hiệu từ photodiode qua cổng ADC và tự động khớp hàm phi tuyến (Gaussian, Lorentzian, Sech²), giúp rút ngắn thời gian xử lý dữ liệu từ 20 phút xuống dưới 45 giây cho mỗi lần đo, hoàn thành trong 3 tháng, do Kỹ sư phần mềm và Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm đảm trách.
3. Mở rộng dải đo sang miền femtô-giây: Ứng dụng tinh thể phi tuyến BBO siêu mỏng có độ dày dưới 50 µm nhằm giảm thiểu hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm (GVD), hướng đến khả năng đo đạc các xung laser siêu ngắn dưới 100 femtô-giây trong vòng 12 tháng, do Phòng thí nghiệm Laser chuyên sâu thực hiện.
4. Chuẩn hóa quy trình kiểm định nguồn laser công nghiệp: Áp dụng hệ đo tự tương quan đã xây dựng vào việc kiểm chuẩn chất lượng xung của các thiết bị laser y tế và vi gia công công nghiệp, nâng tỷ lệ xung đạt chuẩn hoạt động lên trên 95% trước quý 4 năm tới, do Trung tâm Đo lường và Kiểm định Quang học phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Quang học, Vật lý kỹ thuật và Quang điện tử: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tính toán, thiết kế quang học phi tuyến và kỹ thuật thực nghiệm đo độ rộng xung laser cực ngắn.
2. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các viện, trường đại học: Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết và số liệu thực nghiệm phục vụ công tác giảng dạy chuyên đề laser siêu nhanh, quang phổ học thời gian thực và quang phi tuyến ứng dụng.
3. Kỹ sư phát triển thiết bị quang học và laser: Hướng dẫn thực hành hữu ích trong việc tự chế tạo, căn chỉnh hệ đo tự tương quan giá thành thấp với độ chính xác cao phục vụ kiểm thử sản phẩm quang học.
4. Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm và chuyên viên đo lường quang phổ: Cẩm nang tra cứu về nguyên lý vận hành, quy trình căn chỉnh giao thoa kế Michelson, tối ưu góc hợp pha tinh thể BBO và xử lý dữ liệu vết tự tương quan.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể sử dụng photodiode và dao động ký thông thường để đo xung laser picô-giây?
Các photodiode nhanh thông thường bị giới hạn bởi thời gian dịch chuyển của hạt tải qua lớp tiếp giáp p-n và điện dung ký sinh, dẫn đến thời gian đáp ứng xung chỉ đạt khoảng 100 picô-giây đến 10 nano-giây. Do đó, các mạch điện tử không thể bắt kịp những biến đổi diễn ra trong khoảng 10 đến 20 picô-giây của xung laser ngắn.

Nguyên lý chuyển đổi thời gian thành không gian trong hệ đo tự tương quan hoạt động như thế nào?
Phương pháp này tận dụng vận tốc không đổi của ánh sáng trong không gian (khoảng 300 µm tương ứng với 1 picô-giây trễ). Thay vì đo trực tiếp khoảng thời gian cực ngắn mà điện tử học bất lực, hệ đo chuyển sang đo khoảng cách dịch chuyển cơ học của gương phản xạ với độ chính xác micromet, sau đó chuyển đổi về trục thời gian thông qua phép nhân đôi tần số phi tuyến.

Ưu điểm nổi bật của hệ đo tự tương quan cường độ không nền so với tự tương quan giao thoa là gì?
Tự tương quan cường độ bố trí hai chùm tia hội tụ không cộng tuyến lên tinh thể phi tuyến BBO dưới một góc xác định. Cấu hình này loại bỏ hoàn toàn tín hiệu nền một chùm, giúp tín hiệu ra chỉ xuất hiện khi có sự chồng chập đồng thời của hai xung, nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và đơn giản hóa thuật toán phân tích đường bao xung.

Làm thế nào để xác định độ rộng xung thực tế từ độ rộng vết tự tương quan thu được?
Độ rộng bán phần cực đại (FWHM) của vết tự tương quan đo được trên đồ thị luôn lớn hơn độ rộng thực của xung laser. Tùy thuộc vào giả định hình dạng xung phát ra, ta chia độ rộng vết tự tương quan cho một hệ số giải chập xác định: chia cho 1,414 đối với dạng xung Gauss hoặc chia cho 1,543 đối với dạng xung Sech².

Laser màu phản hồi phân bố (DFDL) trong nghiên cứu có ưu thế gì so với laser thông thường?
Laser DFDL sử dụng cách tử phản hồi phân bố tạo bởi giao thoa chùm bơm, không cần hệ gương phản xạ buồng cộng hưởng cồng kềnh. Cấu hình này cho phép phát bức xạ đơn mode dải hẹp, dễ dàng điều chỉnh bước sóng trong miền phổ rộng và tạo ra xung nén picô-giây cực ngắn với chất lượng chùm tia đạt gần giới hạn biến đổi Fourier.

Kết luận

• Luận văn đã tổng quan toàn diện các cơ chế phát xung ngắn và phân tích ưu nhược điểm của các kỹ thuật đo đặc trưng thời gian trực tiếp và gián tiếp.
• Xây dựng thành công mô hình toán học và tính toán thông số quang học chính xác cho hệ đo tự tương quan cường độ sử dụng tinh thể phi tuyến BBO.
• Lắp đặt hoàn chỉnh hệ thực nghiệm đo xung picô-giây trên nền giao thoa kế Michelson, loại bỏ triệt để tín hiệu nền phi tương quan.
• Đo đạc thực nghiệm thành công độ rộng xung của laser màu phản hồi phân bố Rhodamine 6G đạt giá trị từ 10 đến 20 picô-giây với độ tin cậy cao.
• Đóng góp giải pháp khoa học thực tiễn giúp tự chủ công nghệ chế tạo hệ đo xung quang học siêu nhanh tại Việt Nam.

Lộ trình phát triển tiếp theo của hệ thống sẽ tập trung vào việc tự động hóa hoàn toàn cơ cấu quét trễ quang học và tích hợp cảm biến đa kênh trong 6 đến 12 tháng tới. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và học viên quan tâm đến lĩnh vực quang tử siêu nhanh hãy tham khảo chi tiết toàn văn công trình luận văn để khai thác các giải pháp tính toán và quy trình thực nghiệm giá trị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN 1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây Bức xạ laser là các bức xạ điện từ trong một vùng phổ từ vùng tử ngoại gần (180 nm) đến vùng hồng ngoại (1mm). Chùm sáng từ bức xạ laser liên tục thường có công suất trong một khoảng vài mili - Oat (mW) đến vài chục (thậm chí vài trăm) Oat (W). Nếu cũng công suất này chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn thì các xung laser có công suất đỉnh trở nên rất lớn được tính theo công thức ∆P = ∆E/∆τ trong đó ∆E là năng lượng của laser và ∆τ là độ bán rộng về thời gian của xung laser.

Do đó, với các xung laser càng ngắn sẽ cho ra các xung có công suất rất lớn. Mặt khác, độ bán rộng thời gian của các xung laser thỏa mãn điều kiện Heisenberg ∆ν. ∆τ ≤ a trong đó a là một hằng số được quyết định bởi dạng xung. Về nguyên lý, các bức xạ laser là đơn sắc tức là chỉ tồn tại duy nhất một mode dọc nhưng thực tế các bức xạ có thể bao gồm một vài mode có bước sóng lân cận nhau bởi chúng phù hợp với số nguyên lần chiều dài buồng cộng hưởng.

Đặc điểm này sẽ ảnh hưởng tới quá trình xác định độ dài xung (độ bán rộng xung) do sự chồng chập của các mode trong phép đo thời gian và sai lệch khi xác định số gia ∆ν trong hệ thức bất định. Do đó, để có thể xác định được chính xác độ rộng xung laser, cần phải xem xét đến bản chất của các xung laser như: nguồn phát, công suất laser, vùng phổ… 1. Cấu tạo laser Về nguyên lý máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chính như trên hình 1.1 là: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng cộng hưởng quang học [10]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 Gương Gương 100% 90% Môi trường trong suốt chứa các nguyên tử hoặc phân tử Bức xạ có khả năng khuếch đại ánh laser ra sáng Đèn công suất cao Hình 1.

Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử a) Môi trường hoạt tính Bộ phận quan trọng nhất của laser là môi trường hoạt tính. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cường độ sáng khi ánh sáng truyền qua. Môi trường hoạt tính cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: có hiệu suất huỳnh quang cao, có thời gian sống huỳnh quang đủ lớn, có độ truyền qua tốt trong dải bước sóng phát laser thường được phân chia thành các nhóm sau: - Môi trường hoạt tính rắn: bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các nguyên tố hiếm như Nd3+, Cr3+. Laser rắn điển hình là Ruby, ngoài ra có Nd:YAG, Ti:Sphire, sợi quang học pha đất hiếm.

- Môi trường hoạt tính lỏng: bao gồm các dung dịch màu (Rodamin, Coumarin.) - Môi trường hoạt tính khí: He - Ne, N2, CO2. - Môi trường hoạt tính bán dẫn: như Ga As, PbS, PbTe. Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang. Sự khác nhau của môi trường hoạt tính còn được dùng để gọi tên laser theo phân nhóm về mặt kỹ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu, laser bán dẫn… LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 b) Nguồn bơm Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính phải ở trạng thái kích thích.

Điều đấy được thực hiện bằng cách cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính thông qua một nguồn bơm. Người ta thường sử dụng các loại nguồn bơm sau cho các loại laser thông dụng: - Nguồn bơm quang học bao gồm các loại đèn, các loại laser, diode phát quang… Thường thì ánh sáng của nguồn bơm được chọn sao cho phổ của nó nằm trong vùng cực đại hấp thụ của môi trường hoạt tính để hiệu suất bơm được tối ưu. Phương pháp này thường được áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất rắn hay chất lỏng. - Nguồn bơm điện sự phóng điện trong môi trường hoạt tính dưới điện áp cao thế thường áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất khí.

Hoặc nguồn dòng điện áp thấp tạo nên sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử qua vùng cấm của các chất bán dẫn được sử dụng làm nguồn bơm trong các laser bán dẫn. - Bơm quang học và bơm điện là hai cách thông dụng nhất. Ngoài ra còn có nguồn bơm hóa học và nguồn bơm khí động học, nhưng hai cách này ít được sử dụng. Mục đích của việc bơm là tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy (tức là số lượng phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích nhiều hơn ở trạng thái cơ bản) trong môi trường hoạt tính.

Khi sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập thì phần lớn các phân tử hay nguyên tử trong môi trường hoạt tính đều ở tình trạng sẵn sàng phát ra ánh sáng hoặc đang phát ra ánh sáng theo quy luật phát xạ tự nhiên. Cường độ phát sáng của cả hệ tỉ lệ với số phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích. b) Buồng cộng hưởng Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên ở trên thành nguồn sáng laser thì ta cần có các điều kiện đặc biệt để chuyển biến sự phát xạ tự nhiên (tự phát) thành sự phát xạ cảm ứng. Để thực hiện được điều đó cần đặt môi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 trường hoạt tính vào trong một buồng cộng hưởng quang học, ví dụ như hai gương song song.

Để phân loại buồng cộng hưởng người ta thường dựa vào tính chất và hình dạng của các gương. Loại buồng cộng hưởng đơn giản nhất là buồng cộng hưởng Fabry - Perot, một hệ gồm hai gương phản xạ đặt đồng trục và song song với nhau. Một trong hai gương có hệ số phản xạ R=100%, còn gương thứ hai có độ phản xạ R<100% và độ truyền qua là T=100% - R. Sự mất mát cường độ sáng do hấp thụ hay tán xạ của hai gương phải là không đáng kể.

Vì sự khắt khe về kỹ thuật trên nên việc chế tạo gương dùng cho buồng cộng hưởng phải do những nhà sản xuất chuyên về linh kiện quang học đảm nhiệm. Khó khăn khác nữa là việc lắp đặt hai gương song song một cách tuyệt đối. Để làm được điều này thi hai gương phải được đặt trên giá đỡ có các trục điều chỉnh X, Y, với độ chính xác dưới 1µm. Ngoài việc sử dụng gương phẳng thì người ta còn dùng gương cầu, gương cầu lõm để xây dựng buồng cộng hưởng.

Theo nguyên lý của quang hình học, nếu tia sáng truyền đồng trục với buồng cộng hưởng thì sự lan truyền đó không phụ thuộc vào bán kính cong của hướng. Như vậy, sự phản xạ liên tiếp theo phương đồng trục không phụ thuộc vào chiều dài buồng cộng hưởng. Với buồng cộng hưởng sử dụng gương cầu lõm thì việc điều chỉnh phát ra tia laser là dễ dàng hơn so với buồng cộng hưởng sử dụng gương phảng. Tuy nhiên, việc thu được chùm tia laser song song là khó khăn hơn.

Với laser phát xung ngắn ví dụ femto giây, thì bên trong buồng cộng hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laser hoạt động theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ của laser rất rộng, độ rộng phổ này lên tới 300 nm đối với laser femto). Nhờ vào yếu tố xung cực ngắn là công suất cực đại và khả năng phân giải theo thời gian của laser femto là rất cao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các laser phát xung a) Laser rắn Các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh.

Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn trong ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều loại laser rắn khác nhau nhưng phổ biến nhất là loại laser pha tạp Nd3+ (như YAG:Nd, YVO4:Nd3+. b) Laser bán dẫn [11] Laser bán dẫn có môi trường hoạt chất là các lớp bán dẫn p - n pha tạp. Sự chuyển mức năng lượng do quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong một buồng cộng hưởng tạo ra hiệu ứng laser.

Quá trình bơm năng lượng được thực hiện trực tiếp bằng tiêm dòng điện qua các điện cực được đặt trên hai lớp bán dẫn khác loại. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất của các laser bán dẫn. Các loại nguồn bơm khác có thể được sử dụng như kích thích quang, phun chùm điện tử. So với các laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhở.

Ví dụ, kích thước một laser bán dẫn lớn chỉ cỡ 1 mm. Cần chú ý rằng, tính chất vật lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số bên ngoài tác đông như áp suất, nhiệt độ…và điểm này là sự khác biệt nổi bật nữa so với các laser tinh thể hay thủy tinh. Chính do có các khác biệt nêu ở trên mà sự phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode…ở laser bán dẫn khác hẳn với laser rắn hay khí làm việc theo các mức năng lượng. Qúa trình trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công trình lí thuyết về laser bán dẫn đã ra đời trước khi xuất hiện laser bán đẫn trong phòng thí nghiệm.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 c) Laser khí Laser khí là loại laser có thể hoạt động ỏ chế độ phát xung hoặc chế độ liên tục nên có nhiều ứng dụng kĩ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phần tử đã được nghêm cứu kỹ, vùng bước sóng phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, có thể đạt được công suất phát lớn mà không cần dùng phương pháp biến điệu độ phẩm chất (Q switching)… d) Laser lỏng Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được dùng làm hoạt chất phát laser. So với hai loại laser trên laser lỏng có một số ưu điểm sau: - Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể. - Dễ dàng tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tạo được công suất lớn theo ý muốn.

- Dễ dàng làm lạnh hoạt chất do sử dụng dòng hoạt chất luân chuyển.