Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG Hà Nội - 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: LASER PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Laser phát xung ngắn 1.1.1 Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) .4 1.1.2 Phương pháp chiết tách lượng buồng cộng hưởng Dumping (Dumping cavity) 1.1.3 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) 1.1.4 Phương pháp độ buồng cộng hưởng (Resonator transient) 10 1.1.5 Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection) 10 1.1.6 Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling wave excitation) 11 1.1.7 Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF) 13 1.1.8 Phương pháp khóa pha (mode-locking) 14 1.2 Các ứng dụng xung laser cực ngắn 16 1.2.1 Ứng dụng xung laser cực ngắn vật lý, sinh học hóa học 17 1.2.2 Ứng dụng laser xung ngắn thông tin quang 19 1.2.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM) 20 1.2.2.2 Việc tách xung đồng hồ quang học 22 1.2.2.3 Phản xạ kế miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR) 23 1.2.2.4 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM) 24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN 2.1 Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn 28 2.1.1 Photodiode 28 2.1.2 Streak Camera 29 2.2 Phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn 32 2.2.1 Nguyên tắc chung phương pháp – Hàm tự tương quan 32 2.2.2 Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn 37 2.2.2.1 Kỹ thuật đo dựa vào huỳnh quang hai photon 38 2.2.2.2 Kỹ thuật đo dựa vào phát họa ba bậc hai (SHG) 39 2.2.2.3 Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan 40 CHƯƠNG III: 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 dịch chuyển tịnh tiến 44 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ đo 44 3.1.2 Phát triển hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn 46 3.1.3 Kết thực nghiệm 48 3.2 Tính tốn lý thuyết mơ 50 3.2.1 Tự tương quan giao thoa 50 3.2.1.1 Tính tốn lý thuyết 50 3.2.1.2 Mô 53 3.2.2.Tự tương quan cường độ 61 3.2.2.1 Tính tốn lý thuyết 61 3.2.2.2 Mô 63 3.2.3 So sánh tự tương quan giao tự tương quan cường độ việc xác định độ rộng xung quang học cực ngắn 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3 Fit kết mơ với liệu thực nghiệm để tìm độ rộng xung xác 69 3.3.1 Mô xác định dạng xung laser dựa liệu tự tương quan cường độ 70 3.3.2 Với liệu thực nghiệm thứ 75 3.3.3 Với liệu thực nghiệm thứ hai 78 3.3.4 Với liệu thực nghiệm thứ ba 80 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 A.1 Kết thực nghiệm phép đo độ rộng xung laser 87 A.2 Code mô tự tương quan giao thoa 92 A.3 Code mô tự tương quan cường độ 96 A.4 Fit liệu thực nghiệm với kết mô 99 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Ngày laser, đặc biệt laser cực ngắn, trở thành công cụ thiếu nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học ứng dụng kỹ thuật Nhờ có laser, quang phổ laser có thành tựu vĩ đại ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học ngành liên quan nghiên cứu mơi trường, y học hay công nghệ sinh học… Cùng với ứng dụng không ngừng mở rộng laser tiến việc tạo nguồn laser cực ngắn Các xung laser cực ngắn đời, cho phép nhà khoa học nghiên cứu trình xảy cực nhanh vật lý hóa học Bằng việc tạo xung quang học cực ngắn cỡ femto giây (10-15 s) Atto giây (10-18 s), nắm bắt chuyển electron nguyên tử Nhờ xung cực ngắn mà nhà khoa học đo khoảng thời gian bước phản ứng q trình quang hợp, chí nhờ xung laser để điều khiển phản ứng hóa học cách định hướng để tổng hợp hợp chất mà phương pháp khác khó đạt Trong điện tử, viễn thơng, xung laser cực ngắn cho phép tạo cảm biến siêu nhạy thực lấy mẫu quang điện mạch điện tử có tốc độ cao Để truyền nhiều tín hiệu đường truyền, người ta thực việc ghép kênh tín hiệu Trong thơng tin quang, có hai phương pháp ghép kênh chủ yếu OTDM (ghép kênh quang học phân chia theo thời gian) WDM (ghép kênh phân chia theo tần số) Tuy nhiên, dù có ghép kênh theo kiểu độ rộng cực ngắn xung vô cần thiết việc nâng cao tốc độ truyền Với OTDM, xung đòi hỏi đủ ngắn để đảm bảo khơng có chồng lấn xung chúng ghép thành tín hiệu truyền cửa sổ truyền; với WDM, xung quang học cực ngắn đảm bảo cho tín hiệu tránh tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) giảm độ rộng kênh Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuy nhiên, để khai thác hết ưu điểm xung quang học cực ngắn mà nêu việc đo đạc xác độ rộng xung điều quan trọng Với xung quang học cực ngắn (cỡ femto giây), thiết bị điện tử thông thường đo Người ta sử dụng thiết bị điện tử đặc biệt streak camera để đo xung laser có độ rộng cỡ vài trăm femto giây, nhiên giá thành thiết bị lại đắt nên khơng sử dụng phổ biến Xuất phát từ u cầu đó, tơi chọn đề tài “ Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn” để thực luận văn Luận văn chia thành chương: + Chương I Laser phát xung ngắn số ứng dụng laser + Chương II Các phương pháp đo xung ngắn + Chương III Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn Trong chương I, luận văn trình bày số phương pháp phát laser xung ngắn: Phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Qswitching), phương pháp chiết tách lượng buồng cộng hưởng dumping (Dumping cavity), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity), phương pháp độ buồng cộng hưởng (Resonator transient), phương pháp chọn lọc thời gian-phổ (Spectro temporal selection), phương pháp kích thích sóng chạy (Travelling wave excitation), phương pháp phản hồi phân bố (Distributed feedback), phương pháp khóa mode buồng cộng hưởng (Mode-locking) Hiện nay, laser đặc biệt laser cực ngắn có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực: vật lý học, hóa học, cơng nghệ sinh học, y học, điện tử viễn thông nên chương I, tơi có đề cập tới số ứng dụng laser nói chung laser cực ngắn nói riêng Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong chương II, tơi tìm hiểu trình bày số phương pháp đo xung quang học cực ngắn Các phương pháp chia thành loại: Phương pháp điện tử phương pháp quang học Với phương pháp điện tử, luận văn trình bày việc đo xung quang học cực ngắn sử dụng photodiode streak camera Cơ sở phương pháp quang học việc đo xung quang học cực ngắn dựa kỹ thuật huỳnh quang hai photon phát họa ba bậc hai sở hàm tự tương quan Trong chương III, luận trình bày sơ đồ hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn theo phương pháp tự tương quan Dựa thông số thực nghiệm, luận văn tiến hành tính tốn lý thuyết mơ q trình đo Để có kết đo độ rộng xung xác nhất, thực fit liệu thực nghiệm với kết mô với mô với việc giả sử dạng xung lối vào khác Luận văn thực hướng dẫn tận tình GS.TS Nguyễn Đại Hưng, anh chị phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Tuy nhiên, hạn chế hiểu biết sơ suất q trình thực hiện, nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Kính mong thầy cơ, anh chị đóng góp, bảo để luận văn hoàn thiện Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG I LASER PHÁT XUNG NGẮN 1.1 Laser phát xung ngắn Hiện nay, nhiều phương pháp phát xung laser ngắn xây dựng thành công, mang lại ứng dụng to lớn kỹ thuật công nghệ Tuy nhiên, phương pháp có ưu điểm hạn chế riêng cần lựa chọn, áp dụng điều kiện phù hợp Trong phần này, tơi tìm hiểu phương pháp sau: + Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) + Phương pháp chiết tách lượng buồng cộng hưởng dumping (Dumphing cavity) + Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) + Phương pháp 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 buồng cộng hưởng (Mode- locking) 1.1.1 Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q- switching) Phẩm chất buồng cộng hưởng tỷ số lượng tích lũy buồng cộng hưởng lượng bị chu trình ánh sáng lại buồng cộng hưởng Theo phương pháp điều biến phẩm chất, lượng bơm quang học chuyển đổi tích lũy Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com môi trường hoạt chất độ phẩm chất buồng cộng hưởng mức thấp để ngăn cản phát xạ laser Khi đó, lượng tích lũy độ khuếch đại hoạt chất cao mát buồng cộng hưởng lại lớn nên laser không tạo Ngay phẩm chất buồng cộng hưởng trở lại giá trị cao, lượng tích lũy đột ngột giải phóng dạng xung laser ngắn Hình 1.1 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (a) (b) (c) (d) Hình 1.1 Tiến trình phát xung laser ngắn phương pháp Q-switch [1], [2] Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 95 end end d=sum(b)/k % Lây trung bình cac gia tri cua b do_rong=(d-c)*step; 2.3 Nhập tham số, hiển thị kết độ rộng xung vẽ đồ thị clc; clear all; omega=100*pi; step=0.01; t=-16:step:16; for k=1:3201 E_t(k,:)=incomming_shape(t-16+k*step); end % % Xac dinh rong xung cua xung vao % do_rong_xung_vao=width_of_pulse(incomming_shape(t).^2,0.005,step)%buoc nhay o day la buoc nhay cua t = step % for k=1:3201 Intent1(k)=2*trapz(t,E_t(1601,:).^4); Intent2(k)=4*trapz(t,E_t(k,:).*E_t(1601,:).*(E_t(k,:).^2+E_t(1601,:).^2).*cos(omega*(16+(k-1)*step))); Intent3(k)=2*trapz(t,E_t(k,:).^2.*E_t(1601,:).^2.*cos(2*omega*(-16+(k-1)*step))); Intent4(k)=4*trapz(t,E_t(1601,:).^2.*conj(E_t(k,:).^2)); Intent(k)=Intent1(k)+Intent2(k)+Intent3(k)+Intent4(k);%Cuong tuong quan giao thoa output(k)=Intent1(k)+Intent4(k); end min_out=min(output); max_out=max(output); check_intensity=max_out/min_out; % % Xac dinh rong xung % do_rong_xung_ra=width_of_pulse(output,0.01,step) % %Ve hinh bieu dien bien cua xung laser vao % figure(1) plot(t,incomming_shape(t).^2) xlabel('Time in ps') ylabel('Intentsity') Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 96 legend('Cuong cua xung vao voi I(t) = sech^2(0.5t)') % tau=-16:step:16; figure(4); plot(tau,output) xlabel('Delay(ps)') ylabel('Intent') title('Tu tuong quan giao thoa cua xung vao voi I(t)=sech^2(0.5t)') A.3 Code mô tự tương quan cường độ Mô với xung vào dạng Gauss 1.1 Dạng xung vào function [incomming_signal] = incomming_shape(t); incomming_signal = exp(-(0.5*t).^2); 1.2 Tính độ rộng xung function [do_rong]=width_of_pulse(x,do_chinh_xac,step); kt_temp=size(x); kt=kt_temp(2); min_x=min(x); max_x=max(x); for i=1:kt if(x(i)==max_x) index_maximum=i; end end for i=1:index_maximum if(abs((x(i)-min_x)-(max_x-min_x)/2)E_t(301,j)=E_t end % % Xac dinh rong xung cua xung vao % do_rong_xung_vao=width_of_pulse(incomming_shape(t).^2,0.005,step)%buoc nhay o day la buoc nhay cua t = step % for k=1:3201 Intent1(k)=2*trapz(t,E_t(1601,:).^4); Intent4(k)=4*trapz(t,E_t(1601,:).^2.*conj(E_t(k,:).^2)); output(k)=Intent1(k)+Intent4(k); end % % Xac dinh rong xung % do_rong_xung_ra=width_of_pulse(output,0.01,step) % %Ve hinh bieu dien bien cua xung laser vao % figure(1) plot(t,incomming_shape(t).^2) xlabel('Time in ps') ylabel('Intentsity') legend('Cuong cua xung vao voi I(t) = exp(-(0.5t)^2') % tau=-16:step:16; figure(4); plot(tau,output) xlabel('Delay(ps)') ylabel('output') title('Tu tuong quan cuong cua xung vao voi I(t) = exp(-(0.5t)^2'') Mô với xung vào dạng sech2 2.1 Dạng xung vào function [incomming_signal] = incomming_shape(t); incomming_signal = sech(0.5*t); Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 98 2.2 Tính độ rộng xung function [do_rong]=width_of_pulse(x,do_chinh_xac,step); kt_temp=size(x); kt=kt_temp(2); min_x=min(x); max_x=max(x); for i=1:kt if(x(i)==max_x) index_maximum=i; end end for i=1:index_maximum if(abs((x(i)-min_x)-(max_x-min_x)/2)E_t(301,j)=E_t end % -% Xac dinh rong xung cua xung vao % -do_rong_xung_vao=width_of_pulse(incomming_shape(t).^2,0.3,step)%buoc nhay o day la buoc nhay cua t = 0.01 % -for k=1:N %g1(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).^2); %g2(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).*E_t(k,:)*cos(omega*(-3+(k-1)*0.01))); %G(k)=g1(k)+g2(k); Intent1(k)=2*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^4); %Intent2(k)=4*trapz(t,E_t(k,:).*E_t(301,:).*(E_t(k,:).^2+E_t(301,:).^2).*cos(omega*(t_initial+(k-1)*step))); %Intent3(k)=2*trapz(t,E_t(k,:).^2.*E_t(301,:).^2.*cos(2*omega*(-t_initial+(k-1)*step))); Intent4(k)=4*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^2.*conj(E_t(k,:).^2)); %Intent(k)=Intent1(k)+Intent2(k)+Intent3(k)+Intent4(k);%Cuong tuong quan giao thoa output(k)=(Intent1(k)+Intent4(k))/Intent1(k); %output(k)=Intent4(k);% Th?c nghi?m c?a anh Khánh khơng th?y n?n %min_out=min(output); %max_out=max(output); %check_intensity=max_out/min_out; %max_intent=max(Intent); %ground_intent=Intent1(1); %check_interferometric=max_intent/ground_intent; end %output=Intent4+intent(1); % -% Xac dinh rong xung % -do_rong_xung_ra=width_of_pulse(output,0.5,step) % -max_out=max(output); % -Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 101 % -for i=1:23 for j=1:31 d_temp=-15+(j-1)*1; if(abs(d_temp-delay(i)) d?ch for i=1:1:size(delay,2) if(intent_temp(i)==max(intent_temp)) max_index=i end if(intent(i)==max(intent)) index=i end end %dich truc for i=1:1:size(delay,2) if(index > max_index) if((i-(index-max_index))>=1) intent1(i)=intent_temp(i-(index-max_index)); else intent1(i)=intent_temp(1); end else if((i-(index-max_index))t=0->E_t(301,j)=E_t end % -% Xac dinh rong xung cua xung vao % -do_rong_xung_vao=width_of_pulse(incomming_shape(t).^2,0.03,step)%buoc nhay o day la buoc nhay cua t = 0.01 % -for k=1:N %g1(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).^2); %g2(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).*E_t(k,:)*cos(omega*(-3+(k-1)*0.01))); Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 103 %G(k)=g1(k)+g2(k); Intent1(k)=2*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^4); %Intent2(k)=4*trapz(t,E_t(k,:).*E_t(301,:).*(E_t(k,:).^2+E_t(301,:).^2).*cos(omega*(t_initial+(k-1)*step))); %Intent3(k)=2*trapz(t,E_t(k,:).^2.*E_t(301,:).^2.*cos(2*omega*(-t_initial+(k-1)*step))); Intent4(k)=4*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^2.*conj(E_t(k,:).^2)); %Intent(k)=Intent1(k)+Intent2(k)+Intent3(k)+Intent4(k);%Cuong tuong quan giao thoa output(k)=(Intent1(k)+Intent4(k))/Intent1(k); %output(k)=Intent4(k);% Th?c nghi?m c?a anh Khánh khơng th?y n?n %min_out=min(output); %max_out=max(output); %check_intensity=max_out/min_out; %max_intent=max(Intent); %ground_intent=Intent1(1); %check_interferometric=max_intent/ground_intent; end %output=Intent4+intent(1); % -% Xac dinh rong xung % -do_rong_xung_ra=width_of_pulse(output,0.05,step) % -max_out=max(output); % -% -for i=1:size(delay,2) for j=1:N d_temp=-t_initial+(j-1)*step; if(abs(d_temp-delay(i)) d?ch for i=1:1:size(delay,2) if(intent_temp(i)==max(intent_temp)) max_index=i end if(intent(i)==max(intent)) Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 104 index=i end end %dich truc for i=1:1:size(delay,2) if(index > max_index) if((i-(index-max_index))>=1) intent1(i)=intent_temp(i-(index-max_index)); else intent1(i)=intent_temp(1); end % N?u index > max_index, ch?ng t? ta c?n d?ch tr?c sang ph?i else if((i-(index-max_index))t=0->E_t(301,j)=E_t end % -% Xac dinh rong xung cua xung vao % -do_rong_xung_vao=width_of_pulse(incomming_shape(t).^2,0.03,step)%buoc nhay o day la buoc nhay cua t = 0.01 % -for k=1:N %g1(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).^2); %g2(k)=2*trapz(t,E_t(301,:).*E_t(k,:)*cos(omega*(-3+(k-1)*0.01))); %G(k)=g1(k)+g2(k); Intent1(k)=2*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^4); %Intent2(k)=4*trapz(t,E_t(k,:).*E_t(301,:).*(E_t(k,:).^2+E_t(301,:).^2).*cos(omega*(t_initial+(k-1)*step))); %Intent3(k)=2*trapz(t,E_t(k,:).^2.*E_t(301,:).^2.*cos(2*omega*(-t_initial+(k-1)*step))); Intent4(k)=4*trapz(t,E_t((N+1)/2,:).^2.*conj(E_t(k,:).^2)); %Intent(k)=Intent1(k)+Intent2(k)+Intent3(k)+Intent4(k);%Cuong tuong quan giao thoa output(k)=(Intent1(k)+Intent4(k))/Intent1(k); %output(k)=Intent4(k);% Th?c nghi?m c?a anh Khánh không th?y n?n %min_out=min(output); %max_out=max(output); %check_intensity=max_out/min_out; %max_intent=max(Intent); %ground_intent=Intent1(1); %check_interferometric=max_intent/ground_intent; end %output=Intent4+intent(1); % -% Xac dinh rong xung % -do_rong_xung_ra=width_of_pulse(output,0.05,step) % -max_out=max(output); % -% -for i=1:size(delay,2) for j=1:N d_temp=-t_initial+(j-1)*step; Nghiên cứu phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 109 if(abs(d_temp-delay(i)) d?ch for i=1:1:size(delay,2) if(intent_temp(i)==max(intent_temp)) max_index=i end if(intent(i)==max(intent)) index=i end end %dich truc for i=1:1:size(delay,2) if(index > max_index) if((i-(index-max_index))>=1) intent1(i)=intent_temp(i-(index-max_index)); else intent1(i)=intent_temp(1); end % N?u index > max_index, ch?ng t? ta c?n d?ch tr?c sang ph?i else if((3+i-(index-max_index))