Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Vương Văn Cường
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Đại Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Hệ Đo Xung Quang Học Cực Ngắn
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LASER PHÁT XUNG NGẮN
• 1.1. Laser phát xung ngắn
• 1.2. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching)
• 1.3. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping (Dumping cavity)
• 1.4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity)
• 1.5. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient)
• 1.6. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection)
• 1.7. Phương pháp kích thích sóng chạy (Travelling wave excitation)
• 1.8. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF)
• 1.9. Phương pháp khóa pha (mode-locking)
• 1.10. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn
• 1.10.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học
• 1.10.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang
• 1.10.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM)
• 1.10.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR)
• 1.10.2.3. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM)
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN
• 2.1. Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn
• 2.2. Phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn
• 2.3. Nguyên tắc chung của phương pháp – Hàm tự tương quan
• 2.4. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn
• 2.5. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon
• 2.6. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)
• 2.7. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN
• 3.1. Hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến
• 3.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo
• 3.3. Phát triển hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn
• 3.4. Kết quả thực nghiệm
• 3.5. Tính toán lý thuyết và mô phỏng
• 3.5.1. Tự tương quan giao thoa
• 3.5.2. Tính toán lý thuyết
• 3.5.3. Tự tương quan cường độ
• 3.5.4. Tính toán lý thuyết
• 3.5.5. So sánh giữa tự tương quan giao và tự tương quan cường độ trong việc xác định độ rộng của xung quang học cực ngắn
• 3.6. Fit giữa kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để tìm ra độ rộng xung chính xác
• 3.7. Mô phỏng xác định dạng xung laser dựa trên dữ liệu của tự tương quan cường độ
• 3.7.1. Với dữ liệu thực nghiệm thứ nhất
• 3.7.2. Với dữ liệu thực nghiệm thứ hai
• 3.7.3. Với dữ liệu thực nghiệm thứ ba
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn tại VNU UET

Nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn tại VNU UET là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ quang học hiện đại. Hệ đo này cho phép đo đạc chính xác độ rộng của các xung quang học cực ngắn, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học và công nghệ sinh học. Việc phát triển hệ đo này không chỉ giúp nâng cao khả năng nghiên cứu mà còn tạo ra những công cụ hữu ích cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ đo xung quang học

Hệ đo xung quang học là thiết bị dùng để đo độ rộng và các đặc tính khác của xung quang học. Vai trò của nó rất quan trọng trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong thời gian ngắn, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các quá trình này.

1.2. Lịch sử phát triển hệ đo xung quang học tại VNU UET

Tại VNU UET, nghiên cứu về hệ đo xung quang học đã bắt đầu từ những năm gần đây, với sự tham gia của nhiều giảng viên và sinh viên. Các nghiên cứu này đã đóng góp vào việc phát triển công nghệ đo xung quang học tại Việt Nam.

II. Thách thức trong nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Các vấn đề như độ chính xác của thiết bị, chi phí đầu tư và khả năng ứng dụng trong thực tiễn là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Độ chính xác và độ nhạy của hệ đo

Độ chính xác của hệ đo xung quang học cực ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế của thiết bị và các phương pháp đo. Việc cải thiện độ nhạy của hệ thống là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Chi phí và khả năng tiếp cận công nghệ

Chi phí đầu tư cho các thiết bị đo xung quang học cực ngắn thường rất cao, điều này hạn chế khả năng tiếp cận công nghệ cho nhiều cơ sở nghiên cứu và ứng dụng. Cần có các giải pháp để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn

Để phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống.

3.1. Phương pháp tự tương quan trong đo xung quang học

Phương pháp tự tương quan là một trong những kỹ thuật chính được sử dụng để đo độ rộng xung quang học. Kỹ thuật này cho phép xác định độ rộng xung một cách chính xác thông qua việc phân tích tín hiệu quang học.

3.2. Kỹ thuật mô phỏng và tính toán lý thuyết

Mô phỏng và tính toán lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ đo. Các mô hình lý thuyết giúp dự đoán hành vi của xung quang học và tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ đo xung quang học cực ngắn

Hệ đo xung quang học cực ngắn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học và công nghệ sinh học. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn tạo ra những sản phẩm công nghệ mới.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu vật lý và hóa học

Hệ đo xung quang học cực ngắn cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các quá trình xảy ra trong thời gian ngắn, từ đó hiểu rõ hơn về các phản ứng hóa học và hiện tượng vật lý.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Trong công nghệ sinh học, hệ đo xung quang học cực ngắn được sử dụng để nghiên cứu các quá trình sinh học diễn ra trong thời gian ngắn, giúp phát triển các phương pháp điều trị mới.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn

Nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn tại VNU UET đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua để phát triển công nghệ này hơn nữa. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ.

5.1. Tóm tắt những thành tựu đã đạt được

Các thành tựu trong nghiên cứu hệ đo xung quang học cực ngắn đã góp phần nâng cao khả năng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ quang học tại Việt Nam.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác, giảm chi phí và mở rộng khả năng ứng dụng của hệ đo xung quang học cực ngắn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của công nghệ quang tử và viễn thông tốc độ cao đã thúc đẩy nhu cầu ứng dụng các nguồn phát xung quang học cực ngắn ở thang đo $10^{-12}$ giây (pico giây), $10^{-15}$ giây (femto giây) và $10^{-18}$ giây (atto giây). Trong truyền dẫn thông tin quang hiện đại, các hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (OTDM) và ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM) đòi hỏi độ rộng xung cực hẹp để đạt tốc độ truyền dẫn từ 40 Gbps đến 160 Gbps trên mỗi bước sóng mà không gây chồng lấn tín hiệu hay nhiễu xuyên kênh.

Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác độ rộng của các xung quang học cực ngắn là một thách thức kỹ thuật lớn. Các thiết bị đo điện tử truyền thống sử dụng photodiode và dao động ký bị giới hạn bởi thời gian đáp ứng của hạt tải điện, chỉ phân giải được các xung dài trên 100 ps. Thiết bị camera quét vệt (streak camera) có thể đạt độ phân giải đến 400 fs nhưng giá thành lên tới hàng trăm nghìn USD, gây rào cản tài chính nghiêm trọng cho các phòng thí nghiệm trong nước.

Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu này tập trung phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn dựa trên kỹ thuật tự tương quan quang học và hiệu ứng phát họa ba bậc hai (SHG) kết hợp cấu hình giao thoa kế Michelson. Công trình được thực hiện tại Trung tâm Điện tử học lượng tử thuộc Viện Vật lý phối hợp cùng Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2009-2010. Nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt khi chế tạo thành công hệ đo có độ chính xác cao, chi phí thấp, tối ưu hóa việc phân tích xung từ 5 fs đến 70 ps, phục vụ đắc lực cho nghiên cứu vật lý laser và công nghệ viễn thông tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác quang phi tuyến và lý thuyết xử lý tín hiệu quang học phân giải thời gian siêu nhanh:

1. Lý thuyết quang phi tuyến bậc hai và hiệu ứng phát họa ba bậc hai (SHG): Khi hai chùm tia laser hội tụ vào tinh thể phi tuyến (như BBO, KDP hoặc LiIO3) thỏa mãn điều kiện phù hợp pha, chúng tương tác để tạo ra chùm tia có tần số sóng hài gấp đôi $2\omega$.
2. Lý thuyết hàm tự tương quan quang học (Autocorrelation): Tín hiệu xung cực ngắn được tách thành hai phần và cho trễ quang học tương đối $\tau$ thông qua đường truyền cơ học. Cường độ tích phân của sóng hài bậc hai ghi nhận được là hàm của thời gian trễ $\tau$, mang thông tin chính xác về độ rộng xung gốc.
3. Nguyên lý biến đổi không gian – thời gian: Tận dụng vận tốc truyền ánh sáng $c = 300.000$ km/s (tương ứng 1 ps thời gian bằng $300\ \mu\text{m}$ chiều dài quang trình), hệ thống chuyển đổi phép đo thời gian cực nhỏ thành phép đo khoảng cách vi dịch chuyển cơ học chính xác.
4. Các khái niệm then chốt bao gồm: Tự tương quan cường độ (intensity autocorrelation), tự tương quan giao thoa (interferometric autocorrelation), tỷ số tương phản lý thuyết (8:1 đối với tự tương quan giao thoa và 3:1 đối với huỳnh quang hai photon), và dạng xung chuẩn hóa (sech2, Gauss, Lorentz).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ 3 bộ dữ liệu thực nghiệm đo đạc các nguồn phát xung laser ngắn tại phòng thí nghiệm, kết hợp với tập dữ liệu mô phỏng số học giải thuật hàm tự tương quan.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm quang học và mô phỏng số trên máy tính:

• Cỡ mẫu và cách chọn mẫu: Nghiên cứu thực hiện lấy mẫu tín hiệu liên tục qua 3 chuỗi thực nghiệm điển hình với các xung có độ rộng từ vài chục femto giây đến pico giây. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng nhằm kiểm chứng khả năng phân giải trên nhiều dải bước sóng từ 400 nm đến 1064 nm.
• Lý do chọn phương pháp phân tích: Phép đo tự tương quan cường độ loại trừ nền (background-free) sử dụng tinh thể phi tuyến SHG được chọn làm phương pháp chủ đạo vì loại bỏ hoàn toàn tín hiệu nhiễu nền, đem lại độ nhạy cao hơn 100% so với kỹ thuật huỳnh quang 2 photon (TPF).
• Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình tính toán lý thuyết, thiết kế cơ - quang học, lập trình thuật toán khớp đường cong (curve fitting) và thử nghiệm thực tế diễn ra trong vòng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế và hoàn thiện hệ đo tự tương quan quang học: Hệ thống được xây dựng trên nền tảng giao thoa kế Michelson kết hợp bộ vi dịch chuyển tịnh tiến chính xác. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, ghi nhận tín hiệu sóng hài bậc hai với tỷ số tương phản đỉnh-nền đạt xấp xỉ 8:1 đối với cấu hình tự tương quan giao thoa, hoàn toàn trùng khớp với giá trị lý thuyết.
2. Năng lực đo đạc thời gian siêu chính xác: Hệ đo chuyển đổi thành công khoảng cách dịch chuyển cơ học sang độ trễ quang học. Độ dịch chuyển chỉ $30\ \mu\text{m}$ tương ứng với độ trễ 100 fs, cho phép hệ thống phân giải chính xác các xung laser có độ rộng từ 5 fs (tương đương nguồn Ti:Sapphire) đến 70 ps (nguồn He-Ne).
3. Đánh giá độ chính xác qua thuật toán khớp đường cong: Qua việc fit dữ liệu thực nghiệm với 3 mô hình dạng xung chuẩn, dạng xung sech2 chứng minh độ phù hợp cao nhất với hệ số tương quan đạt trên 98%, giúp giảm thiểu sai số đo độ rộng xung hơn 15% so với việc giả định dạng xung Gauss đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của hệ đo tự tương quan SHG bắt nguồn từ cơ chế phát sóng hài không đồng trục. Khi hai chùm tia tới hội tụ tại tinh thể phi tuyến theo hai hướng khác nhau, tín hiệu $2\omega$ phát ra theo phương phân giác, cho phép dùng màng chắn lọc không gian để triệt tiêu hoàn toàn chùm tia bơm cơ bản và loại bỏ ánh sáng nền.

So với hệ thống streak camera đắt đỏ có độ phân giải tối đa 400 fs, hệ đo tự tương quan quang học tự phát triển đạt độ phân giải cao hơn đáng kể (dưới 50 fs) với chi phí chế tạo chỉ bằng khoảng 10% đến 15% giá thành thiết bị thương mại. Phương pháp này cũng vượt trội hơn phương pháp điện tử dùng photodiode nhanh vốn bị giới hạn ở ngưỡng 100 ps do thời gian quét hạt tải trong chất bán dẫn.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, kết quả nghiên cứu được trực quan hóa thông qua đồ thị phân bố cường độ tín hiệu SHG theo bước dịch chuyển $\tau$. Dữ liệu tạo thành đường cong đối xứng hình chuông với 8 vạch giao thoa đặc trưng bao quanh đỉnh cực đại. Bảng đối chiếu hệ số nén xung giữa 8 phương pháp phát xung laser (từ nén 2 lần ở sóng chạy đến 100 lần ở chọn lọc thời gian - phổ) khẳng định kỹ thuật khóa mode kết hợp đo tự tương quan là giải pháp toàn diện nhất để kiểm soát nguồn phát quang học siêu nhanh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tự động hóa hệ thống dịch chuyển quang học: Thay thế vít vi chỉnh cơ khí thủ công bằng bàn dịch chuyển tịnh tiến điều khiển bằng động cơ bước hoặc cảm biến áp điện piezo, tích hợp giao tiếp máy tính qua chuẩn RS-232/USB. Mục tiêu đạt độ phân giải vị trí dưới $0,05\ \mu\text{m}$ (tương đương 0,33 fs), hoàn thành trong 6 tháng do nhóm kỹ thuật phần cứng phụ trách.
2. Nâng cấp thuật toán đo biên độ và pha xung (FROG): Triển khai mở rộng hệ đo sang kỹ thuật cách tử quang học phân giải tần số (Frequency-Resolved Optical Gating - FROG) hoặc SPIDER nhằm tái tạo đầy đủ cả hình dạng xung lẫn độ trôi tần (chirp), đặt mục tiêu giảm sai số đo dạng xung xuống dưới 2% trong vòng 12 tháng.
3. Ứng dụng kiểm chuẩn trong mạng viễn thông quang: Đưa hệ đo vào ứng dụng thực tế tại các trung tâm R&D viễn thông để kiểm định chất lượng xung cho hệ thống truyền dẫn OTDM 40 GHz và 160 GHz, ngăn ngừa hiện tượng chồng lấn xung khi truyền qua hàng trăm kilomet sợi quang.
4. Tối ưu hóa tinh thể phi tuyến nội địa hóa: Phối hợp cùng các viện nghiên cứu vật liệu để thử nghiệm các loại tinh thể BBO và KDP mỏng dưới $100\ \mu\text{m}$, giúp giảm hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và hạ giá thành vật tư tiêu hao thêm 30% trong giai đoạn 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư R&D trong ngành Viễn thông Quang: Nắm vững các tiêu chuẩn xung đồng hồ, kỹ thuật ghép kênh OTDM/DWDM và phương pháp khắc phục tán sắc sợi quang trong các đường truyền dung lượng cao trên 40 Gbps.
2. Học viên cao học và Giảng viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Quang học: Sử dụng tài liệu làm giáo trình tham khảo chuyên sâu về 8 kỹ thuật phát xung laser ngắn, quang học phi tuyến và phương pháp thiết kế giao thoa kế Michelson.
3. Nhà nghiên cứu Vật lý Quang phổ và Hóa học Femto giây: Ứng dụng hệ đo tự tương quan để định chuẩn các nguồn laser xung cực ngắn phục vụ thí nghiệm phân giải thời gian theo dõi động học phản ứng phân tử.
4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường chính xác: Khai thác sơ đồ nguyên lý và giải thuật mô phỏng để thương mại hóa các module đo độ rộng xung quang học giá rẻ phục vụ các phòng lab trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các thiết bị điện tử thông thường không thể đo được xung laser femto giây? Các photodiode và dao động ký thông thường phụ thuộc vào thời gian quét hạt tải điện trong miền nghèo bán dẫn, tạo ra độ trễ sườn xung ít nhất từ vài chục đến 100 ps. Do đó, các thiết bị này hoàn toàn bất khả thi trong việc phân giải các xung quang học cực ngắn ở thang đo femto giây ($10^{-15}$ s).

2. Nguyên lý chuyển đổi thời gian sang không gian trong hệ đo tự tương quan hoạt động như thế nào? Dựa trên vận tốc truyền ánh sáng $300.000$ km/s, ánh sáng đi được $300\ \mu\text{m}$ trong thời gian 1 ps. Thay vì đo khoảng thời gian siêu ngắn, hệ thống đo khoảng cách dịch chuyển của gương phản xạ ở mức micromet, từ đó quy đổi chính xác ra độ rộng thời gian của xung.

3. Phương pháp phát họa ba bậc hai (SHG) vượt trội hơn phương pháp huỳnh quang hai photon ở điểm nào? Kỹ thuật SHG tạo ra tín hiệu sóng hài ở hướng phân giác tách biệt, cho phép lọc bỏ hoàn toàn ánh sáng nền bằng màng chắn không gian. Ngược lại, kỹ thuật huỳnh quang hai photon luôn tồn tại nền sáng không đổi với tỷ số tương phản chỉ 3:1, làm giảm độ nhạy với tín hiệu yếu.

4. Tại sao hàm sech2 thường được chọn làm chuẩn khi tính toán độ rộng xung? Qua các phân tích quang phổ và đo đạc thực nghiệm, các laser khóa mode thụ động tạo ra xung có đường bao năng lượng tiệm cận dạng hàm secant hypebolic bình phương ($sech^2$). Dạng xung này cho sai số fit thấp nhất (dưới 2%) và tỷ lệ chuyển đổi độ rộng FWHM ổn định ở mức 1,54.

5. Luận văn này đóng góp gì cho sự phát triển của mạng thông tin quang tốc độ cao? Nghiên cứu cung cấp giải pháp đo lường chính xác các xung đồng hồ và xung dữ liệu trong dải cửa sổ truyền từ 6,25 ps đến 25 ps (tương ứng 40 GHz đến 160 GHz), giúp kiểm soát độ dãn xung do tán sắc và nâng cao dung lượng truyền dẫn của mạng cáp quang.

Kết luận

• Hệ thống hóa toàn diện 8 phương pháp phát xung laser ngắn và phân tích ưu nhược điểm của các kỹ thuật đo quang điện tử hiện đại.
• Thiết kế và chế tạo thành công hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn dựa trên hiệu ứng tự tương quan SHG kết hợp giao thoa kế Michelson.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình máy tính mô phỏng và khớp dữ liệu thực nghiệm, xác định chính xác độ rộng xung từ mức femto giây đến pico giây với độ tin cậy trên 98%.
• Đưa ra giải pháp công nghệ chi phí thấp thay thế hiệu quả các thiết bị nhập ngoại đắt tiền như streak camera cho các phòng thí nghiệm trong nước.
• Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới tập trung tự động hóa bàn vi dịch chuyển piezo và tích hợp thuật toán đo pha FROG; các nhà nghiên cứu và kỹ sư quang điện tử hãy liên hệ khai thác ngay tài liệu này để ứng dụng vào các dự án nghiên cứu viễn thông và quang học tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. LASER PHÁT XUNG NGẮN 1. Laser phát xung ngắn Hiện nay, nhiều phương pháp phát xung laser ngắn đã được xây dựng thành công, mang lại những ứng dụng to lớn trong kỹ thuật và công nghệ. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng cần được lựa chọn, áp dụng trong điều kiện phù hợp.

Trong phần này, tôi đã tìm hiểu về các phương pháp sau: + Phương pháp biến điệu độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng (Q-switching) + Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng dumping (Dumphing cavity) + Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) + Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator temporal selection - STS) + Phương pháp kích thích sóng chạy (Trevaling wave excitation) + Phương pháp pahnr hồi phân bố (Distributed Feedback - DF) + Phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng (Mode- locking) 1. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q- switching) Phẩm chất của buồng cộng hưởng là tỷ số giữa năng lượng được tích lũy trong buồng cộng hưởng và năng lượng bị mất đi trong một chu trình ánh sáng đi lại trong buồng cộng hưởng. Theo phương pháp điều biến phẩm chất, năng lượng bơm quang học được chuyển đổi và tích lũy Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 trong môi trường hoạt chất khi độ phẩm chất của buồng cộng hưởng ở mức thấp để ngăn cản sự phát xạ laser. Khi đó, mặc dù năng lượng được tích lũy và độ khuếch đại hoạt chất là cao nhưng mất mát của buồng cộng hưởng lại lớn nên laser vẫn không được tạo ra.

Ngay khi phẩm chất của buồng cộng hưởng trở lại giá trị cao, năng lượng đã được tích lũy sẽ đột ngột giải phóng dưới dạng xung laser ngắn.1 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q-switch [1], [2] Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 Ban đầu, sự phát xạ laser không thể do độ phẩm chất của buồng cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộng hưởng cao nhất) (hình 1. Thời gian cuối của xung bơm (hình 1.1c), khi nghịch đảo độ tích lũy đã đạt tới giá trị cực đại, độ phẩm chất Q được chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mất mát buồng cộng hưởng thấp nhất). Tại thời điểm này, thông lượng photon bắt đầu tăng lên trong buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình 1.

Như ta thấy trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến phẩm chất xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở “khóa” phẩm chất [1], [2]. Tùy theo nguyên tắc làm việc của bộ điều biến, người ta chia phương pháp điều biến độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thành hai loại: + Phương pháp chủ động. + Phương pháp bị động. Phương pháp chủ động sử dụng bộ biến điệu được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu ngoài, còn đối với phương pháp bị động, sự biến điệu diễn ra trong buồng cộng hưởng mà hoàn toàn không có sự can thiệp từ bên ngoài.

Phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng được sử dụng rộng rãi để phát xung laser ngắn có độ rộng cỡ nano-giây, công suất cao. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping (Dumping cavity) Buồng cộng hưởng của một laser dumping gồm các gương có hệ số phản xạ cao. Do vậy, buồng cộng hưởng có độ mất mát thấp và có độ phẩm chất cao. Năng lượng của bức xạ laser liên tục trong buồng cộng hưởng có thể trở nên rất lớn, vì sự thất thoát năng lượng ra khỏi buồng cộng hưởng không đáng kể.

Tại thời điểm năng lượng laser trong buồng Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 cộng hưởng là đủ lớn, một bộ điều biến quang học đã được đặt ở trong buồng cộng hưởng sẽ hoạt động để đưa một phần năng lượng laser được tích lũy ra khỏi buồng cộng hưởng.2: Buồng cộng hưởng Dumping với bộ biến điệu âm-quang [3] Thông thường một bộ biến điệu âm – quang được sử dụng cho laser khí và laser màu liên tục (hình 1. Một xung siêu âm được gửi qua một bản thạch anh được đặt trong buồng cộng hưởng. Sóng âm tạo nên một sự điều biến không gian của chiết suất n(t,x) theo thời gian và có chu kỳ. Chiết suất biến đổi có chu kỳ này sẽ hoạt động như một cách tử Bragg.

Khi một sóng quang học truyền qua bản Bragg, một phần của cường độ tới bị nhiễu xạ và được chiết tách ra trong một xung ngắn. Tần số lặp lại của các xung laser được tách ra có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng bằng cách lựa chọn tần số lặp lại thích hợp của xung siêu âm. Kỹ thuật buồng cộng hưởng laser dumping được áp dụng chủ yếu cho các laser khí và laser màu liên tục. Với kỹ thuật này, người ta đã thu được các xung laser có độ rộng 10 -100ns, tần số lặp lại xung cỡ 4Mhz [3].

Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) Kỹ thuật buồng cộng hưởng dập tắt tạo ra xung laser ngắn từ laser bơm với độ rộng xung cỡ nano-giây, và được sử dụng đầu tiên cho laser màu. Trong cấu hình của một laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt bơm ngang ở hình 1. Laser bơm Laser ra từ BCH Q-cao R1 R2 R3 Laser ra từ BCH Q-thấp BCH Q-thấp BCH Q-cao Hình 1.3: Cấu hình của laser màu buồng cộng hưởng dập tắt [6].

Môi trường hoạt chất là những dung dịch màu được chứa trong quy-vét. Người ta tạo ra hai buồng cộng hưởng laser khác nhau nhưng cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. Buồng cộng hưởng thứ nhất có độ phẩm chất thấp được tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai thành quy-vét làm hai gương phản xạ. Buồng cộng hưởng thứ hau có độ phẩm chất cao được tạo nên bằng việc sử dụng gương có hệ số phẩm chất cao làm gương sau và một thành quy-vét.

Buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao có chiều dài lớn hơn buồng cộng hưởng thứ nhất và quang trục của nó lệch chút ít so với buồng cộng hưởng thứ nhất. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 Nếu hai buồng cộng hưởng này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp hoặc độ phẩm chất cao đều là các xung laser cỡ nano-giây. Tuy nhiên khi hai buồng cộng hưởng này cùng hoạt động đồng thời thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích lũy trong môi trường hoạt chất. Hoạt động của laser có buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gain) trong môi trường hoạt chất.

Do đó sự phát laser (buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp) chỉ cho phép phát một xung ở lối ra (hình 1. Phương pháp phát xung laser ngắn từ buồng cộng hưởng dập tắt là đơn giản. Chúng ta có thể kiểm soát được đặc tính thời gian của xung laser lối ra từ buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp bằng việc khống chế các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt chất dùng chung giữa hai buồng cộng hưởng, thông số buồng cộng hưởng độ phẩm chất cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất màu. Đây là ưu điểm của phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt.

Tuy nhiên phương pháp này chỉ cho phép phát các xung ngắn với hệ số nén xung thấp chỉ cỡ 10 lần [4].4: Động học của quá trình dập tắt xung trong buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp [5]. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient) Đặc điểm dao động hồi phục của phát xạ laser từ các buồng cộng hưởng có độ dài ngắn, được bơm gần ngưỡng chính là cơ sở cho việc phát triển phương pháp quá độ của buồng cộng hưởng để tạo các xung laser ngắn. Điều hiện cần để quan sát các dao động hồi phục là thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng nhỏ hơn thời gian huỳnh quang kéo dài của các tâm hoạt chất.

Hiện tượng dao động hồi phục ở các laser xung đã được quan sát và nghiên cứu trong các laser rắn và laser màu. Nguyên nhân của nó là do tương tác giữa độ tích lũy của môi trường hoạt chất và năng lượng trường photon trong buồng cộng hưởng. Khi bơm gần ngưỡng bằng laser màu nano-giây, các dao động hồi phục quan sát được trong các laser màu trong vùng khả kiến có độ rộng xung nhỏ hơn 1ns và bằng một laser ngắn có thể thu được [3] Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng có thể được sử dụng cả với các laser micro-cavity để phát xung ngắn, khi chúng được bơm bằng các laser pico-giây khác. Khi sử dụng xung 80 ps bơm các laser màu micro- cavity 250 µm và 100 µm, các xung laser màu thu được là 12 ps và 8 ps tương ứng.

Hạn chế của phương pháp quá độ buồng cộng hưởng là độ nén xung thấp (nhỏ hơn 10 lần) và không ổn định về năng lượng, độ dài thời gian [3] 1. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection) Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm nano-giây là phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (STS). Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ dựa trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng laser ngắn, có độ phẩm chất thấp [6] Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 Cấu hình của một laser màu pico-giây chọn lọc thời gian – phổ trên hình 1. Laser màu được bơm bằng một laser nano-giây.

Một cu-vét màu được sử dụng như một buồng cộng hưởng ngắn có độ phẩm chất thấp. Một các tử G và một khe hẹp S được sử dụng để lọc lấy một dải phổ hẹp từ vùng sóng ngắn của phổ laser băng rộng. Bức xạ sau khi chọn lọc là một xung laser ngắn. Ta có thể phát các xung laser ngắn có độ dài bước sóng tùy ý bằng cách quay cách tử hoặc thay đổi nồng độ dung dịch chất màu.

M2 Chùm laser bơm Laser ra M3 L0 M1 M1 ’ M0 L2 G Hình 1.5: Sơ đồ một laser màu xung pico-giây chọn lọc thời gian-phổ [6].