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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.