Đo xung Laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan nghiên cứu và phát triển thiết bị đo

Nhờ các xung cực ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phương Thị Thúy Hằng

ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ TƯƠNG QUAN:

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phương Thị Thúy Hằng

ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ TƯƠNG QUAN:

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO

Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử

Mã số: 604403

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TS Nguyễn Đại Hưng

Hà Nội – Năm 2011

MỞ ĐẦU……….1

CHƯƠNG 1: CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN………4

1.1 Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học………4

1.2 Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang……….5

1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM)……… 6

1.2.2 Việc tách xung đồng hồ quang học……….8

1.2.3 Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR)……… 9

1.2.4 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM)………10

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN……… 13

2.1 Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn……….13

2.1.1 Photodiode……… 13

2.1.2 Streak Camera………14

2.2 Phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn……….17

2.2.1 Nguyên tắc chung của phương pháp – Hàm tự tương quan ……….18

2.2.2 Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn………22

2.2.2.1 Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon………….22

2.2.2.2 Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)……….24

2.2.2.3 Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan…………26

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ TƯƠNG QUAN ……….35

3.1 Hệ laser Nd:YVO4 mode-locking ……….……….35

3.2 Sound Card (Bo mạch âm thanh) ……….………….………37

3.3 Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan……… ………39

3.3.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo……… ……….39

3.3.2 Xây dựng cấu hình hệ đo……….… 40

3.5 Thảo luận……… ….47

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….………… 53

PHỤ LỤC……….……….55

MỞ ĐẦU

Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu

và phát triển Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Cùng với những ứng dụng không ngừng mở rộng của laser là những tiến bộ trong việc tạo ra các nguồn laser cực ngắn Các xung laser cực ngắn

ra đời, cho phép các nhà khoa học có thể nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong vật lý cũng như trong hóa học Bằng việc tạo ra các xung quang học cực ngắn

cỡ femto giây (10-15 s) và Atto giây (10-18 s), chúng ta có thể nắm bắt được sự chuyển đổng của các electron trong nguyên tử Nhờ các xung cực ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được Trong điện tử, viễn thông, các xung laser cực ngắn cho phép tạo ra các cảm biến siêu nhạy và thực hiện lấy mẫu quang điện trong các mạch điện tử có tốc độ cao Các xung laser cực ngắn cho phép truyền nhiều tín hiệu trên một đường truyền vì độ rộng của các xung đủ ngắn để đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các xung khi ghép kênh quang học phân chia theo thời gian, đảm bảo cho các tín hiệu tránh được hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) và giảm được độ rộng của kênh khi ghép kênh phân chia theo tần số

Tuy nhiên, để có thể khai thác được hết những ưu điểm của xung quang học cực ngắn mà chúng ta đã nêu ở trên thì việc đo đạc chính xác độ rộng của xung là điều hết sức quan trọng Nhưng 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 độ dài cỡ một vài pico-giây, với những xung quang học cực ngắn (cỡ femto giây), các

thiết bị điện tử thông thường sẽ không thể đo được Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp, hệ thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao hơn nữa có ý nghĩa vô cùng quan trọng Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo” để thực hiện trong luận văn này

Nội dung luận văn được chia thành 3 chương:

+ Chương 1 Các ứng dụng của xung laser ngắn

+ Chương 2 Các phương pháp đo xung laser ngắn

+ Chương 3 Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan

Luận văn được thực hiện tại Phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng

tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù tôi đã rất cố gắng nhưng bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp

CHƯƠNG 1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN

Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật Đi sâu vào các ngành như quang phổ, phân tích chuẩn đoán, môi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y học, ở đâu chúng ta cũng thấy bóng dáng của laser Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành

ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Các ứng dụng càng ngày càng có thêm đòi hỏi cao đối với các hệ laser xung ngắn về điều kiện làm việc ổn định, độ bền và giá thành hạ cũng như những yêu cầu về độ rộng xung càng ngắn

Những tiến bộ mới đây của các laser xung cực ngắn điều chỉnh được bước sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu của rất nhiều ngành: vật lý, hóa học và sinh học Các xung laser cực ngắn này còn cho phép thực hiện các ứng dụng tương lai trong ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển các quá trình siêu nhanh trên thang đo nguyên tử hay phân tử Các laser xung cực ngắn hiện đang được dùng phổ biến và hết sức đa dạng trong lĩnh vực nghiên cứu

cơ bản

1.1 Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học

Do laser phát ra xung có độ rộng cực ngắn nên nó cho phép độ phân giải thời gian rất nhanh Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser xung cực ngắn đã ra đời, đó là quang phổ phân giải thời gian [20] Các nhà khoa học dựa vào quang phổ phân giải thời gian để nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh theo thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học Một laser mode-locking có

thể mô tả chuyển động của các đối tượng di chuyển cực nhanh như các nguyên tử hay điện tử, do đó có thể đo được các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn, quá trình động học của các phản ứng hóa học, và việc lấy mẫu quang điện của các mạch điện tử tốc độ cao Bằng việc sử dụng các laser mode-locking xung cực ngắn có thể đo được quá trình phân tích động học của các nguyên tử và các phản ứng hóa học phức tạp hơn Những nghiên cứu này đã mang lại giải Nobel về hóa học cho Ahmed Zewail vào năm 1999 Nhờ các xung siêu ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được

Đặc biệt lĩnh vực hóa học femto giây đang phát triển thành một lĩnh vực to lớn và ở đây đã xuất hiện cơ hội thực sự kiểm soát trực tiếp các phản ứng hóa học nhờ sử dụng các xung laser cực nhanh thích hợp Vật lý chất rắn có thể được nghiên cứu với độ phân giải thích hợp cho phép phân tích động học điện tử trong các chất bán dẫn, và khảo sát về tương tác cực nhanh giữa vật chất với ánh sáng Đặc biệt, trong các máy gia tốc, các xung femto giây đang được sử dụng như các bộ tiêm photon để phát các xung điện tử cực ngắn

Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra các tiến trình chức năng của các linh kiện điện

tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thể theo dõi xem liệu các xung điện sẽ chuyển động như thế nào qua các vi mạch

Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất cả những ngành ở đó cần tới ánh sáng có cường độ rất cao, chẳng hạn như các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, trong việc gia công vật liệu hay phẫu thuật mắt Ngoài ra người ta cũng cần tới ánh sáng cường độ lớn cả trong ngành quang phổ 2 photon Khả năng tách chiết một cách kết hợp trong một thời gian rất ngắn, một lượng năng lượng cao được tích trữ trong các hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng các hệ phát-khuếch đại femto giây đã tạo

ra các hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất đỉnh tới vài chục TW Chúng được

ứng dụng trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát các chùm tia X cực mạnh Các xung cực ngắn năng lượng cao đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu ứng quang phi tuyến

1.2 Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang

Khả năng ứng dụng phân giải thời gian cao còn diễn ra ở cả các lĩnh vực thông tin và xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, có thể nói đây là lĩnh vực ứng dụng laser rộng rãi nhất

Với độ đơn sắc và kết hợp cao, các tia laser đã được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc [2] Sử dụng tia laser để truyền tin tức có

ưu điểm: So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp nhiều lần (vì dải tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến) Ví dụ với sóng vô tuyến, tần số sử dụng là 10431011 Hz thì với các laser quang học hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 31012  151015 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5104lần Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4  0,8 m và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80105 kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn

Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến Hiện nay, với laser người ta có thể truyền tin với khoảng cách truyền là 100.000 km Sử dụng các bước sóng thích hợp, người ta có thể truyền tin hiệu quả ở các môi trường khác nhau

Ngoài ra, các laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng của thông tin Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống viễn thông dung lượng cao, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock distribution) Trong tương lai, các xung clock được sử dụng trong các chip được tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integrated), các chùm điện tử phân cực của

các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ dựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [20, 22]

Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 m sẽ trở thành linh kiện quan trọng trong viễn thông và thông tin quang Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz thậm chí cao hơn thường được sử dụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques)

Các nguồn laser 10-100 GHz có công suất trung bình cao ở bước sóng ngắn hơn là các nguồn đầy triển vọng cho xung đồng hồ trong các mạch tích hợp (IC) [22] Xung clock trong mạch vi xử lý của các máy tính cá nhân (PC) hoạt động với tốc độ lớn hơn 3GHz, tăng từ 15% đến 30% mỗi năm và được dự đoán trước là có tốc độ khoảng 40 GHz vào năm 2020 Tín hiệu xung clock được tạo bởi laser mode-locking có thể được tiêm chính xác vào bên trong bộ vi xử lý với mục đích làm giảm những yêu cầu về công suất trên chip và hiện tượng méo, rung

1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM)

Trong lĩnh vực thông tin quang, việc truyền tín hiệu quang từ laser bán dẫn qua sợi quang được coi là dữ liệu Trong phạm vi này, các tần số của xung ánh sáng lặp lại cao hơn có thể truyền nhiều thông tin hơn trong 1s Nói chung, với tốc độ truyền tin trong vùng GHz (Ví dụ cỡ 2,5 GHz đến 10 GHz), các cửa sổ truyền (transmission windows) sẽ nằm trong khoảng vài trăm ps với các xung cố định

Bảng 1.2 chỉ ra các tốc độ truyền xung tương ứng với cửa số truyền của nó cùng với các tốc độ từ 40 GHz tới 160 GHz Các cửa sổ truyền ps này chỉ ra việc tạo xung tần số lặp lại cao trong thông tin quang tất yếu dẫn tới việc cần những xung cực ngắn

Bảng 1.2 Tần số lặp lại xung tương ứng với cửa sổ truyền

Việc điều chế trực tiếp giới hạn hầu hết các nguồn quang hiện nay sử dụng thông tin quang là 10 GHz, do đó giới hạn dung lượng truyền với tốc độ truyền dữ liệu là 10 Gb/s trên một bước sóng Nguồn 40 GHz và việc truyền hiện nay là cơ sở của rất nhiều nghiên cứu cũng như yêu cầu các nguồn laser có thể điều chế tại tần số cao hơn với độ rộng xung ngắn hơn, và còn có những yêu cầu đối với các đầu thu mới có khả năng cảm nhận các tín hiệu nhanh này Việc tạo các đầu thu mới này đòi hỏi sự tiến bộ mạnh mẽ của điện tử học

Một phương pháp thiết kế mà không cần phải có các đầu thu độ nhạy cao được gọi là phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM) Nguyên lý này là để kết hợp vài tín hiệu với tần số lặp lại thấp để tạo ra một tín hiệu kết hợp có tần số

Tần số lặp lại xung (GHz) Cửa số truyền (ps)

Bộ điều chế 10GHz

Hình 1.1 Phân chia kênh theo thời gian quang học

OTDM

lặp lại cao hơn Ở nơi nhận, tín hiệu được phân tích thành các tín hiệu tốc độ bit thấp đã hợp thành, mà sau đó nó có thể được thực hiện bởi thiết bị thiết kế cho tín hiệu tần số thấp này [22, 8]

Ví dụ, lối ra từ một nguồn laser tạo ra các xung tại tần số 10 GHz có thể được chia làm 4 luồng như trong hình (1.1) Bốn bộ điều chế bên ngoài có thể được

sử dụng để điều chế dữ liệu trên mỗi luồng 10 GHz Các lối ra của mỗi bộ biến điệu này có thể được đặt hơi so le bằng việc sử dụng chiều dài sợi quang khác nhau, và được kết hợp để cùng đưa ra một tín hiệu ghép 40 GHz tại một bước sóng Sự quan trọng của độ rộng xung đã rõ ràng, nó yêu cầu các xung đủ ngắn để không bị chồng lấn lên nhau khi chúng được kết hợp thành tín hiệu ghép 40 GHz với cửa sổ truyền của nó là 25 ps

Tại bộ thu, các bộ điều chế được sử dụng như các cổng để tách dữ liệu 40 GHz thành các tín hiệu ghép 10 GHz, sau đó được truyền tới các bộ thu tách tín hiệu 10 GHz Kết quả là một tín hiệu 40 GHz đã được truyền và nhận nhưng chỉ sử dụng công nghệ 10 GHz Tuy nhiên tại bộ thu sẽ thu được các tín hiệu OTDM kết hợp với tín hiệu clock Việc giải tín hiệu OTDM đòi hỏi phải có sự tách tín hiệu xung clock ra khỏi dữ liệu

1.2.2 Việc tách xung đồng hồ quang học

Các xung ánh sáng trong mạng quang học [17] được cách nhau đều đặn vào thời điểm khi chúng rời khỏi bộ điều chế nguồn Tuy nhiên sau một hành trình của

nó qua hàng trăm thậm chí hàng nghìn kilomet, các hiệu ứng tán sắc của sợi quang

có thể làm mất khoảng thời gian hoàn hảo này như mô tả trong hình 1.2 Điều này trở thành một vấn đề tại bộ nhận cuối, nơi có yêu cầu để phân tích dữ liệu đến nhờ việc biết quyết định tại điểm đó tín hiệu nhận được là “1” hoặc “0” Sự khôi phục tín hiệu đồng hồ tại thiết bị nhận cuối đóng vai trò quan trọng trong việc rút thông tin định thời từ dữ liệu vào để tách dữ liệu ra Các hệ thống khôi phục tín hiệu đồng

hồ hiện nay dựa vào điện tử Điều này càng ngày càng khó thực hiện khi tốc độ bít

quang học tăng với tốc độ nhanh hơn sự phát

triển của điện tử Bất kỳ sự nâng cấp tốc độ bít

của hệ thống cũng yêu cầu các mạch điện tử

mới để đặt vào nơi cung cấp tín hiệu khôi phục

đồng hồ với tốc độ mới

Khả năng khôi phục lại thông tin định

thời từ tín hiệu quang học mà không cần bất kỳ

sự chuyển đổi nào trong lĩnh vực điện tử là

mục đích của việc khôi phục tín hiệu đồng hồ

bằng quang học Điều này loại bỏ nhiều sự

phức tạp của điện tử học và có thể cung cấp

tính linh hoạt về tốc độ bít mà một hệ thống cần nâng cấp

Các laser xung có thể được sử dụng để đồng bộ tín hiệu xung clock trong luồng dữ liệu và lối ra của chúng có thể sử dụng như tín hiệu định thời Các phương pháp tạo xung ngắn khác cũng có thể được sử dụng để thực hiện khôi phục tín hiệu clock qua sợi quang trong đó có laser bán dẫn mode-locking Hiện nay laser bán dẫn mode-locking đã được sử dụng để tách tín hiệu xung clock từ tín hiệu OTDM

Hình 1.2 Tín hiệu xung clock

a) từ nguồn phát xung cách đều nhau b) khoảng cách xung không đều sau khi truyền

và theo dõi ánh sáng phản xạ trở lại Bằng việc xác định công suất phản xạ theo thời gian có thể hình thành đường bao mất mát của sợi quang Các đỉnh nhọn gây ra trong quá trình phản xạ về là do vết gãy trong sợi quang Khoảng cách từ nguồn đến

vị trí lỗi có thể tính toán từ thời gian truyền và sau đó có thể kiểm tra lại vị trí đó đã chính xác chưa

Trong hệ thống OTDR hiện đại, các laser bán dẫn biến điệu độ khuếch đại thường được sử dụng như các nguồn xung quang học Chúng đơn giản về mặt thiết

kế và độ rộng xung truyền khoảng 50 - 100 ps thỏa mãn đối với những khoảng cách

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng:

Giả sử hệ thống thiết bị phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau (1, n) Các tín hiệu này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang Tín hiệu quang sau khi được ghép sẽ truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng Khi sử dụng kỹ thuật này cần phải chú ý tới hiện tượng xuyên kênh và độ rộng kênh Độ

quang Nếu sử dụng laser thì độ rộng kênh yêu cầu để không bị nhiễu giữa các kênh

và hạn chế hiện tượng xuyên kênh là khoảng vài chục nanomet, còn nếu sử dụng diode bán dẫn (LED) thì phải cần độ rộng kênh lớn gấp 10 đến 20 lần Vậy sử dụng các laser xung cực ngắn để làm nguồn phát tín hiệu quang là cần thiết để tránh hiện tượng xuyên kênh và có thể giảm được độ rộng kênh

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu về dung lượng truyền tin, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (Dense wavelength division multiplexing DWDM) đã bắt đầu được ứng dụng Gần đây, laser vi cầu, laser có buồng cộng hưởng dạng cầu kích thước micromét, đã được sử dụng làm nguồn phát trong mạng thông tin quang [1] Do laser vi cầu phát xạ các mode laser cực hẹp nên hiệu ứng dãn xung quang do tán sắc giảm mạnh, vì vậy, có thể tăng dung lượng các kênh truyền dẫn trong một sợi quang lên hàng trăm lần khi sử dụng công nghệ ghép kênh thông tin theo bước sóng mật độ cao (DWDM)

O(1 n )

Hình 1.3 Quá trình ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

Kết luận chương 1

Trong chương này, một số ứng dụng của xung laser ngắn trong vật lý, hóa học, sinh học và trong việc truyền thông tốc độ cao đã được giới thiệu Xung laser ngắn ngày càng có vai trò hết sức quan trọng trong thực tiễn cuộc sống cũng như trong nghiên cứu khoa học Để có thể sử dụng được hết những ưu điểm của các xung laser ngắn, việc xác định chính xác độ rộng của xung là điều quan trọng Chính vì vậy, trong chương tiếp theo, luận văn sẽ nghiên cứu các phương pháp đo xung laser ngắn

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN

Như đã trình bày ở 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

2 1 Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn

để đo lường các xung tương đối dài (> 100 ps)

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

2.1.2 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 2.1 [10,15] 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

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

Hình 2.1 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 2.1b) 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

(a)

(b)

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 (2.2)

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

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]

Hình 2.2: cấu hình cơ bản của hệ Streak camera [3]

2.2 Phương 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

2.2.1 Nguyên tắc chung của phương pháp – Hàm tự tương 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 2.3)

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 Chẳng hạn, hàm tự tương quan bậc 2 có thể xác định nhờ sự hấp thụ 2 photon hoặc sự phát họa ba bậc hai; hàm tự tương quan bậc 3 có thể xác định bằng sự hấp thụ 3 photon hoặc sự phát họa ba bậc ba Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy

đủ hàm tự tương quan bậc 2 và 3 là đủ để mô tả các hàm bậc cao hơn, nói cách khác

là đủ để xác định các đặc trưng của xung laser Trong thực tế đo, người ta chủ yếu

sử dụng hàm tự tương quan bậc 2 [12, 13]

Và đôi khi là hàm tự tương quan bậc 3 [14, 23]

Để sử dụng các hàm tự tương quan trong đo đạc ta phải thiết lập mối liên hệ đặc trưng của hàm tự tương quan với đặc trưng của xung I(t), chẳng hạn giữa độ rộng của hàm tự tương quan với độ rộng xung

Những phân tích lý thuyết cũng như đo đạc thực nghiệm đã khẳng định rằng, với hàm bậc 2, trong trường hợp tín hiệu là nhiễu ngẫu nhiên liên tục (bức xạ laser

từ một nguồn laser hoạt động ở chế độ tự do chứa một số lớn các mode có pha ngẫu nhiên) hàm tự tương quan (background-free) thu được tỷ số tương phản là

Tỷ số tương phản (contrast ratio) được định nghĩa là tỷ số giữa giá trị cực đại và giá trị nền (background) của hàm tự tương quan Nó cho phép

ta đoán nhận sự sai khác giữa tín hiệu nhận được so với tín hiệu ngẫu nhiên Độ rộng của vết tự tương quan là thước đo thời gian kết hợp của tín hiệu, và do vậy tỷ

lệ với nghịch đảo độ rộng phổ của tín hiệu Do đó ta có thể suy ra rằng trong trường hợp tín hiệu là ngẫu nhiên liên tục, hàm tự tương quan có dạng một khe hẹp

Dạng của hàm tự tương quan với 3 trường hợp tín hiệu khác nhau: 1) Nhiễu ngẫu nhiên liên tục; 2) Nhiễu cục bộ; 3) Xung laser đơn được biểu diễn trên hình 2.4

Rõ ràng profile của hàm tự tương quan phụ thuộc vào profile I(t) của tín hiệu Hơn nữa, mối liên hệ giữa độ rộng của hàm tự tương quan với độ rộng của xung laser cũng phụ thuộc vào dạng xung, trong khi đó hàm tự tương quan bậc

2 – là hàm đối xứng – không phản ánh thông tin về dạng xung và sự bất đối xứng của nó Tức là không cho ta biết chính xác dạng xung quang học được đo, để xác định dạng xung và đáp ứng phổ động học (chẳng hạn sự chirp, sự điều biến pha )

ta cần phải sử dụng các kỹ thuật khác Bảng 2.1 trình bày quan hệ giữa và đối với một số dạng xung

Hình 2.4: Dạng của hàm tự tương quan với ba tín hiệu khác nhau [1]-[3]

Bảng 2.1: Quan hệ giữa độ rộng tương quan và độ rộng xung vào với một số

dạng xung [11]-[15]

Ta thấy kết quả tối ưu nhất có thể đạt được khi giả thiết xung đo được có dạng sech2 Đó là một trong những lý do khiến xung dạng sech2

được chọn làm tiêu chuẩn trong đo lường xung laser ngắn, mà không kể đến dạng xung thực [12,15]

2.2.2 Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn

Ở mục trước, chúng ta đã trình bày những điều cơ bản về cơ sở thứ nhất (hàm tự tương quan) của phương pháp quang học để đo lường xung laser cực ngắn Trong mục này chúng ta sẽ đề cập tới kỹ thuật đo dựa vào phát họa ba bậc hai huỳnh quang hai photon để đo lường xung laser cực ngắn

Ta biết rằng ánh sáng truyền đi trong chân không với vận tốc 300 000 km/s, tức là trong 1 ps, ánh sáng đi được 300 µm Chúng ta gặp nhiều khó khăn trong việc

đo chính xác một khoảng thời gian ngắn 1 ps, nhưng lại đo khá dễ dàng khoảng cách 300 µm với độ chính xác cao Do vậy, ta tìm cách thay vì đo thời gian, ta đo khoảng cách mà ánh sáng truyền, đó chính là cơ sở thứ hai (sự biến đỗi thời gian – không gian) của phương pháp đo lường xung laser cực ngắn

2.2.2.1 Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon

Sơ đồ bố trí thực nghiệm của kỹ thuật đo độ rộng xung ngắn bằng sự huỳnh quang hai photon được thể hiện trên hình 2.5 Một xung laser được tách thành hai xung có cường độ bằng nhau bằng một tấm tách chùm 50/50, sau đó được lan truyền theo hai hướng khác nhau và đi vào một dung dịch chất mãu hữu cơ theo hai hướng ngược nhau

Dung dịch chất màu được chọn chỉ có thể phát huỳnh quang nhờ sự hấp thụ hai photon ở bước sóng của laser Huỳnh quang hai photon phát ra được ghi nhận nhờ phương pháp chụp ảnh vết huỳnh quang bằng máy ảnh có độ phân giải cao

Phân bố cường độ huỳnh quang đo được là một hàm của khoảng cách giữa hai xung, có thể viết ở dạng như biểu thức [16, 21]:

Trong đó, là hàm tự tương quan bậc 2, τ là thời gian trễ Kết quả đo được là hàm tự tương quan bậc 2 với nền không đổi, có tỷ số tương phản là 3:1

Ưu điểm của phương pháp huỳnh quang hai photon là sự đơn giản trong cách

bố trí hệ đo Trong phương pháp này cho phép đo các xung đơn hoặc xung có độ lặp lại thấp Tuy nhiên, phương pháp huỳnh quang hai photon có nhược điểm là độ phân giải không cao và rất khó đạt được độ chính xác cao Tỷ số tương phản thực nghiệm của phương pháp huỳnh quang hai photon phụ thuộc nhiều vào sự hiệu chỉnh quang học và sự phân chia cường độ chùm tia Sự hiệu chỉnh không tốt máy ảnh, độ phân giải của phim cũng có thể gây ra những biến dạng của vết huỳnh quang thu được

Kết quả thu được bằng phương pháp huỳnh quang hai photon không chứa đựng thông tin về pha của xung laser được đo và nền không đổi xuất hiện trong kết quả đo làm cho phép đo không nhạy với các tín hiệu có cường độ nhỏ [3]

Do những nhược điểm trên, hiện nay phương pháp huỳnh quang hai photon ít được sử dụng trong đo lường xung laser cực ngắn

Tấm tách chùm

Dung dịch chất màu

Camera độ nhạy cao hoặc CCD camera

2.2.2.2 Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)

* Sự phát họa ba bậc hai:

Khi môi trường phi tuyến quang được kích hoạt bởi nhiều trường quang học khác nhau, có rất nhiều hiệu ứng phi tuyến có thể xảy ra Trong hiệu ứng phi tuyến bậc hai, hai sóng ánh sáng khác nhau với cường độ điện trường của chúng là 1

E và

2



E có thể chồng chập và tạo ra phân cực phi tuyến bậc hai ( 2)

P được cho bởi biểu thức :P( 2)  0 ( 2)E E 1 2 với

Trong các vật liệu có đối xứng tâm thì độ cảm phi tuyến bậc hai bằng không, điều này có nghĩa là trong các vật liệu này không thể thực hiện được quá trính phát họa ba bậc hai

Giả sử độ dày của tinh thể là l; k1

là véc tơ sóng của tia tới, k2

là véc tơ sóng của tia họa ba bậc hai Cường độ chùm sáng họa ba bậc hai I2  tỉ lệ với

2

2

1

2 1

Trong vật liệu đẳng hướng thông thường, khi mà chiết suất là một hàm của bước sóng, sự phù hợp pha là không thể thực hiện được vì n2 n Trái lại, trong tinh thể dị hướng đơn trục, theo trục đó thì có sự phù hợp pha vì chiết suất với tia tới (tia thường) sẽ bằng chiết suất với tia họa âm bậc hai (tia bất thường)

* Kỹ thuật đo:

Sơ đồ nguyên lý của hệ đo tự tương quan bậc 2 được thể hiện như trong hình 2.6 Trong đó, sử dụng một tinh thể phi tuyến (thường là tinh thể BBO, KDP, LiIO3, ) để phát họa ba bậc hai khi hai chùm laser tới thỏa mãn điều kiện phù hợp pha Tín hiệu 2ω phát ra từ tinh thể được ghi nhờ một đầu thu quang học (chẳng hạn như photodiode, PM, .) Tín hiệu ra từ đầu thu quang là một hàm của thời gian trễ τ giữa hai xung:

Trong đó, G(2)(τ) là hàm tự tương quan bậc 2

(2.6)

(2.7) (2.8) Trong các biểu thức trên, ta đã chuẩn hóa

Từ biểu thức trên, ta có: , tức là vết tự tương

quan S(τ) có tỷ số tương phản là 8:1 [3]

2.2.2.3 Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan

Có nhiều cấu hình thực nghiệm đang được sử dụng, chúng khác nhau chủ yếu ở hệ thống thu và ghi tín hiệu, ở cách thực hiện việc làm trễ xung Tuy nhiên, cách bố trí thực nghiệm phổ biến nhất hiện nay dựa trên cơ sở cấu hình giao thoa kế Michelson (hình 2.7)

Một trong hai retroreflector được đặt trên một bàn dịch chuyển để nhanh chóng hiệu chỉnh khoảng cách làm việc của hệ đo; lăng kính được đặt trên một bàn

vi chỉnh mà độ dịch chuyển của nó đo được một cách chính xác

Trong hình 2.7a, hai chùm tia laser sau khi phản xạ từ các retroreflector sẽ truyền đi song song (không trùng nhau), vì thế sự giao thoa giữa chúng coi như được loại trừ Trong trường hợp này, việc sử dụng một thấu kính hội tụ để hội tụ hai chùm tia vào một tinh thể phi tuyến hiển nhiên là cần thiết, song ngay cả trong trường hợp hình 2.7b, việc sử dụng thấu kính hội tụ tiêu cự ngắn cũng cần thiết vì

điều đó cho phép tạo được mật độ bức xạ cao trên tinh thể để làm xuất hiện sự phát họa ba bậc hai

a, Hệ đo tự tương quan cường độ (Intensity autocorrelation)

b, Hệ đo tự tương quan giao thoa (Interferometric autocorrelation)

Khi sử dụng cách bố trí hệ đo theo sơ đồ trên hình 2.7b, tín hiệu ra từ đầu thu quang là một hàm của thời gian trễ τ giữa hai xung gọi là vết tự tương quan giao thoa (interferometric autocorrelation) Các “vân giao thoa” xuất hiện trong cả tín hiệu trước và sau tinh thể, do vậy, ta cần phải dùng một phim lọc phổ truyền qua để chỉ lọc lấy tín hiệu giao thoa bậc hai [15]

Với hệ đo theo sơ đồ như trên hình 2.7a, tín hiệu ra từ đầu thu quang là một hàm của thời gian trễ τ giữa hai xung gọi là vết tự tương quan cường độ (intensity autocorrelation) Chùm sáng họa ba bậc hai phát ra theo phương phân giác của góc hợp bởi hai chùm sáng tới Do vậy, người ta có thể chỉ cần sử dụng một phim lọc không gian để tách lấy tín hiệu họa ba bậc hai Một điều đáng chú ý khác là việc lọc

không gian như vậy đồng thời cung cấp khả năng loại trừ nền Điều đó có nghĩa là đường cong ghi được thực sự là hàm tự tương quan cường độ G(2)(τ)

* Với cấu hình hệ đo tự tương quan giao thoa:

Giả sử xung laser do nguồn phát ra có dạng

Sau khi qua bộ tách chùm 50:50 (1), xung laser tới được chia thành hai phần

có biên độ bằng nhau Gọi f 1 (t) là xung laser đi theo kênh thứ nhất và f 2 (t) là xung

laser đi theo kênh thứ hai, khi đó, ta có:

Nếu gọi τ1 là thời gian để xung laser truyền từ bộ tách chùm tới gương phản

xạ (3), đập vào gương phản xạ (4) rồi quay ngược trở lại bộ tách chùm Tức là xung laser khi quay lại bộ tách chùm sẽ trễ một khoảng τ1 so với xung f 1 (t) Do đó, dạng

xung laser đi theo kênh thứ nhất và quay trở lại bộ tách chùm là:

Giả sử rằng thời gian để xung laser truyền theo kênh thứ 2, sau khi đập vào gương phản xạ (2) rồi quay ngược trở lại bộ tách chùm là τ2 = τ1 – τ (τ có thể âm hoặc dương) Khi này, dạng xung truyền theo kênh thứ 2 khi quay lại bộ tách chùm

sẽ có phương trình:

Sau khi quay trở lại bộ tách chùm, hai xung f’ 1 (t) và f’ 2 (t) chồng chập và giao

thoa với nhau Vì vậy, ta có dạng xung tổng hợp sau bộ tách chùm là:

Vì trên thực tế, thời gian khảo sát lớn hơn rất nhiều so với độ rộng của xung,

nên ta có thể coi thời gian t sẽ có giá trị từ - ∞ đến + ∞ Để cho phương trình trở nên

đơn giản hơn và cũng không mất đi tính chính xác, ta thay

Xung g(t) này được hội tụ trên bề mặt của tinh thể KDP thông qua thấu kính

hội tụ (5) Do KDP là một tinh thể phi tuyến cho phép phát họa hài bậc 2, tức là

dạng xung thu được sau tinh thể KDP có phương trình:

Vì điện áp thu được trên photodiode tỷ lệ với cường độ của xung g’(t), do đó

ta cần xác định cường độ của xung này

Gọi I 2 (τ) là cường độ của xung g’(t), là hàm của độ trễ τ Ta có: