Luận văn thạc sĩ HUS đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan nghiên cứu và phát triển thiết bị đo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phƣơng Thị Thúy Hằng ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phƣơng Thị Thúy Hằng ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO Chun ngành: Vật lí vơ tuyến 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….1 CHƢƠNG 1: CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN……………4 1.1 Ứng dụng xung laser ngắn vật lý, sinh học hóa học…………………4 1.2 Ứng dụng laser xung ngắn thông tin quang…………………………….5 1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM)……………………………………………… 1.2.2 Việc tách xung đồng hồ quang học…………………………………….8 1.2.3 Phản xạ kế miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR)……………………………………………………… 1.2.4 Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM)…………………………………………………………10 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN……… 13 2.1 Phƣơng pháp điện tử để đo xung laser ngắn………………………………….13 2.1.1 Photodiode…………………………………………………………… 13 2.1.2 Streak Camera…………………………………………………………14 2.2 Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn………………………….17 2.2.1 Nguyên tắc chung phƣơng pháp – Hàm tự tƣơng quan ……….18 2.2.2 Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn……………………………22 2.2.2.1 Kỹ thuật đo dựa vào huỳnh quang hai photon………….22 2.2.2.2 Kỹ thuật đo dựa vào phát họa ba bậc hai (SHG)……….24 2.2.2.3 Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tƣơng quan…………26 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG 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 phƣơng pháp tự tƣơng quan……………… …………………………………………………………………39 3.3.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ đo…………… ………………….39 3.3.2 Xây dựng cấu hình hệ đo………………………………………….… 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3.3 Lập trình cho hoạt động hệ đo………………………………… 42 3.4 Kết thực nghiệm hệ đo…………………………………………… ….45 3.5 Thảo luận…………………………………………………………………… ….47 KẾT LUẬN .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………….………… 53 PHỤ LỤC……………………………………….…………………………….55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Từ phát minh nay, laser không ngừng nghiên cứu phát triển 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 môi 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 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 Các xung laser cực ngắn cho phép truyền nhiều tín hiệu đường truyền độ rộng xung đủ ngắn để đảm bảo khơng có chồng lấn xung ghép kênh quang học phân chia theo thời gian, đảm bảo cho tín hiệu tránh tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) giảm độ rộng kênh ghép kênh phân chia theo tần số 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 Nhưng thiết bị hệ thống đo điện tử có khả đo tượng cực nhanh hay xung quang học laser cực nhanh với độ dài cỡ vài pico-giây, với xung quang học cực ngắn (cỡ femto giây), LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thiết bị điện tử thông thường đo Do đó, việc nghiên cứu phát triển phương pháp, hệ thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao có ý nghĩa vơ quan trọng Vì vậy, tơi chọn đề tài “Đo xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu phát triển thiết bị đo” để thực luận văn Nội dung luận văn chia thành chương: + Chương Các ứng dụng xung laser ngắn + Chương Các phương pháp đo xung laser ngắn + Chương Nghiên cứu phát triển hệ đo xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan Luận văn thực Phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trong trình học tập nghiên cứu, cố gắng luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp thầy cơ, cán khoa học đồng nghiệp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN Ngày laser trở thành công cụ thiếu nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học ứng dụng kỹ thuật Đi sâu vào ngành quang phổ, phân tích chuẩn đốn, mơi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y học, đâu thấy bóng dáng laser 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 môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Các ứng dụng ngày có thêm đòi hỏi cao hệ laser xung ngắn điều kiện làm việc ổn định, độ bền giá thành hạ yêu cầu độ rộng xung ngắn Những tiến laser xung cực ngắn điều chỉnh bước sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu nhiều ngành: vật lý, hóa học sinh học Các xung laser cực ngắn cho phép thực ứng dụng tương lai ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển trình siêu nhanh thang đo nguyên tử hay phân tử Các laser xung cực ngắn dùng phổ biến đa dạng lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Ứng dụng xung laser ngắn vật lý, sinh học hóa học Do laser phát xung có độ rộng cực ngắn nên cho phép độ phân giải thời gian nhanh Nhờ đó, lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng laser xung cực ngắn đời, quang phổ phân giải thời gian [20] Các nhà khoa học dựa vào quang phổ phân giải thời gian để nghiên cứu trình xảy nhanh theo thời gian vật lý, hóa học hay sinh học Một laser mode-locking có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thể mô tả chuyển động đối tượng di chuyển cực nhanh nguyên tử hay điện tử, đo trình hồi phục hạt tải chất bán dẫn, trình động học phản ứng hóa học, việc lấy mẫu quang điện mạch điện tử tốc độ cao Bằng việc sử dụng laser mode-locking xung cực ngắn đo q trình phân tích động học nguyên tử phản ứng hóa học phức tạp Những nghiên cứu mang lại giải Nobel hóa học cho Ahmed Zewail vào năm 1999 Nhờ xung siêu ngắn mà nhà khoa học đo khoảng thời gian bước phản ứng 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 Đặc biệt lĩnh vực hóa học femto giây phát triển thành lĩnh vực to lớn xuất hội thực kiểm sốt trực tiếp phản ứng hóa học nhờ sử dụng xung laser cực nhanh thích hợp Vật lý chất rắn nghiên cứu với độ phân giải thích hợp cho phép phân tích động học điện tử chất bán dẫn, khảo sát tương tác cực nhanh vật chất với ánh sáng Đặc biệt, máy gia tốc, xung femto giây sử dụng tiêm photon để phát xung điện tử cực ngắn Ngồi ra, kiểm tra tiến trình chức linh kiện điện tử nhờ xung laser siêu ngắn, theo dõi xem liệu xung điện chuyển động qua vi mạch Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất ngành cần tới ánh sáng có cường độ cao, chẳng hạn thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, việc gia cơng vật liệu hay phẫu thuật mắt Ngồi người ta cần tới ánh sáng cường độ lớn ngành quang phổ photon Khả tách chiết cách kết hợp thời gian ngắn, lượng lượng cao tích trữ hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng hệ phát-khuếch đại femto giây tạo hệ laser tương đối nhỏ gọn có cơng suất đỉnh tới vài chục TW Chúng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ứng dụng thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát chùm tia X cực mạnh Các xung cực ngắn lượng cao sử dụng để nghiên cứu nhiều hiệu ứng quang phi tuyến 1.2 Ứng dụng laser xung ngắn thông tin quang Khả ứng dụng phân giải thời gian cao diễn lĩnh vực thơng tin xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, nói lĩnh vực ứng dụng laser rộng rãi Với độ đơn sắc kết hợp cao, tia laser sử dụng rộng rãi nhanh ngành thông tin liên lạc [2] Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu điểm: So với sóng vơ tuyến, dải sóng truyền tin laser lớn gấp nhiều lần (vì dải tần số mà laser thực lớn sóng vơ tuyến) Ví dụ với sóng vơ tuyến, tần số sử dụng 104 31011 Hz với laser quang học hoạt động vùng phổ nhìn thấy có tần số khoảng 31012  151015 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5104 lần Do đó, với xạ laser nằm khoảng 0,4  0,8 m với kênh truyền tin 6,5 MHz sử dụng laser ta có gần 80105 kênh truyền lúc lớn gấp 105 lần kênh truyền sử dụng sóng ngắn Do lượng lớn nên tia laser xa sóng vơ tuyến Hiện nay, với laser người ta truyền tin với khoảng cách truyền 100.000 km Sử dụng bước sóng thích hợp, người ta truyền tin hiệu mơi trường khác Ngồi ra, laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz thành phần quan trọng nhiều ứng dụng thơng tin Chúng sử dụng hệ thống viễn thông dung lượng cao, thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), kết nối quang học phân phối xung clock (clock distribution) Trong tương lai, xung clock sử dụng chip tích hợp cao VLSI (Very Large Scale Integrated), chùm điện tử phân cực LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com máy gia tốc điện tử kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ cao dựa chuỗi xung cỡ GHz [20, 22] Khi tốc độ truyền liệu tăng, laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 m trở thành linh kiện quan trọng viễn thông thông tin quang Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz chí cao thường sử dụng xung RZ (return-to-zero) kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques) Các nguồn laser 10-100 GHz có cơng suất trung bình cao bước sóng ngắn nguồn đầy triển vọng cho xung đồng hồ mạch tích hợp (IC) [22] Xung clock mạch vi xử lý máy tính cá nhân (PC) hoạt động với tốc độ lớn 3GHz, tăng từ 15% đến 30% năm dự đốn trước có tốc độ khoảng 40 GHz vào năm 2020 Tín hiệu xung clock tạo laser mode-locking tiêm xác vào bên vi xử lý với mục đích làm giảm yêu cầu công suất chip tượng méo, rung 1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM) Trong lĩnh vực thơng tin quang, việc truyền tín hiệu quang từ laser bán dẫn qua sợi quang coi liệu Trong phạm vi này, tần số xung ánh sáng lặp lại cao truyền nhiều thơng tin 1s Nói chung, với tốc độ truyền tin vùng GHz (Ví dụ cỡ 2,5 GHz đến 10 GHz), cửa sổ truyền (transmission windows) nằm khoảng vài trăm ps với xung cố định Bảng 1.2 tốc độ truyền xung tương ứng với cửa số truyền với tốc độ từ 40 GHz tới 160 GHz Các cửa sổ truyền ps việc tạo xung tần số lặp lại cao thông tin quang tất yếu dẫn tới việc cần xung cực ngắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Độ rộng xung tự tưong quan thu 13,7 ps Từ đó, sử dụng bảng (2.1) giả thiết dạng xung cần đo dạng sech2 tính độ rộng xung laser cần đo 13,7/1.54=8,9 (ps) Như vậy, độ rộng trung bình xung laser cần đo là: (9+9,3+8,9)/3=9,1 (ps) với sai số ±3% 3.5 Thảo luận * Phương pháp tự tương quan phương pháp gián tiếp đo độ rộng xung quang học cực ngắn cỡ picô-giây femtô-giây sử dụng rộng rãi hầu hết phịng thí nghiệm laser xung ngắn giới Với hệ đo mà xây dựng, khoảng dịch chuyển tối đa dịch chuyển 10 cm nên hiệu quang trình tối đa xung 20 cm thời gian trễ lớn hai xung 20.10-2/(3.108) = 6,67.10-10 s = 667 ps Độ rộng xung tự tương quan mà hệ thu phải nhỏ 667 ps, độ rộng xung laser mà hệ đo phải nhỏ 667 /1,54= 432.10-12 ps Khoảng dịch chuyển nhỏ dịch chuyển µm, hiệu quang trình xung µm thời gian trễ hai xung 2.10-6/(3.108) = 6,67.10-15 s = 6,67 fs Về nguyên tắc, để máy tính vẽ xung tự tương quan cần ba điểm (ba điểm cường độ tín hiệu tự tương quan ứng với ba độ trễ khác hai xung) nên độ rộng xung tự tương quan mà hệ thu phải lớn 13,34 fs độ rộng xung laser mà hệ đo phải lớn 13,34/1,54 = 8,64 fs Tuy nhiên, để máy tính vẽ dạng xung tự tương quan cần nhiều điểm đo, nhiều điểm hình vẽ xác nên cần dịch chuyển tịnh tiến khoảng cách lớn nhiều so với bước dịch chuyển nhỏ Vì vậy, hệ đo dùng để đo xung ngắn cỡ vài chục femto – giây Như vậy, với khoảng dịch chuyển tối đa độ vi chuyển dịch chuyển tịnh 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tiến hệ đo đo xung có độ rộng khoảng vài chục fs đến vài trăm ps Sound card hệ đo có tần số lấy mẫu 44,1 kHz, tần số lặp lại xung cần đo nhỏ 44,1 kHz q trình đo có nhiều thời điểm cường độ tín hiệu SHG mà sound card thu không gây sai số cho phép đo Vì vậy, hệ đo phù hợp để đo xung có tần số lặp lại lớn (lớn 44,1 kHz để đảm bảo có tín hiệu tự tương quan tới sound card sound card lấy mẫu tín hiệu) Các gương dùng hệ đo gương vùng hồng ngoại (gương phản xạ tồn phần bước sóng 1064 nm) tinh thể phi tuyến có dải truyền qua thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại nên hệ đo phù hợp để đo độ rộng xung laser có bước sóng vùng hồng ngoại * Khi sử dụng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan vừa xây dựng để đo độ rộng xung quang học, kết thu có sai số nguyên nhân sau: - Ảnh hưởng tán sắc tốc độ nhóm xảy với xung laser Sai số bỏ qua hệ đo xung có độ rộng vào cỡ pico-giây - Quang sai thấu kính gây mở rộng thân xung laser, mở rộng vết tự tương quan đo Sai số khắc phục việc sử dụng thành phần quang học có độ dày nhỏ - Sự hiệu chỉnh quang học sai số khí dịch chuyển dịch chuyển tịnh tiến Sai số hạn chế việc hiệu chỉnh tốt cầu hình hình học hệ đo - Sai số gây thao tác thí nghiệm 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nói chung, sai số phép đo xung pico-giây femto – giây nhỏ, chấp nhận chúng ảnh hưởng lớn cần độ phân giải cao Khi nguồn laser cần đo độ rộng xung có chế độ hoạt động ổn định kết phép đo độ rộng xung có độ xác cao nguồn laser có chu kì phát xung cường độ xung phát khơng ổn định tín hiệu tự tương quan tới sound card khơng ổn định (lúc có, lúc khơng có tín hiệu tự tương quan tới sound card, cường độ tín hiệu tự tương quan tới sound card thăng giáng nhiều khoảng thời gian ngắn) Do đó, dạng xung tự tương quan thu khơng xác gây sai số cho phép đo Khi tần số lặp lại xung lớn độ xác phép đo độ rộng xung cao tần số lặp lại xung thấp có thời điểm sound card lấy mẫu khơng có tín hiệu tương quan tới sound card dẫn tới liệu đầu sound card khơng Do đó, số liệu cường độ tín hiệu tự tương quan theo thời gian mà máy tính thu bị sai lệch, máy tính vẽ dạng xung tự tương quan xác định độ rộng xung sai Khi tần số lặp lại xung lớn (cỡ MHz) khoảng thời gian hai lần lấy mẫu sound card có hàng nghìn xung laser phát ra, đảm bảo ln có tín hiệu tự tương quan xung laser tới sound card sound card lấy mẫu tín hiệu Do đó, liệu mà máy tính thu bị sai trường hợp tần số lặp lại xung thấp Trước đây, hệ đo độ rộng xung laser có cấu hình tương tự xây dựng thành cơng Viện Vật lý để đo xung màu 500 fs, tần số lặp lại 10 Hz Trong hệ đo này, trình phân tích, xử lý tín hiệu máy tính thực thông qua card PLC 711S Biến đổi A/D thực card PLC 711S, hoạt động đồng với xung laser nhờ kênh trigger Do đó, hệ đo khơng có khả đo độ rộng xung tần số lặp cao mà đo độ rộng xung tần số lặp lại nhỏ vài Hz Tuy nhiên, hệ đo phải sử dụng khuếch đại tích phân ghép nối máy tính phức tạp Hệ đo độ rộng xung mà 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát triển có cấu trúc đơn giản, thu tín hiệu photodiode (đáp ứng thời gian chậm) sử dụng card âm máy tính chuyển đổi tương tự - số hiển thị kết máy tính Tuy nhiên, hệ đo này, biến đổi A/D sound card thực cách tự động nên kết đo độ rộng xung hệ đo xác tần số lặp lại xung lớn (lớn tần số lấy mẫu sound card) * Hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn mà chúng tơi xây dựng có số ưu điểm sau : - Hệ đo xây dựng theo cấu hình giao thoa kế truyền thống cho phép thu kết đo đạc xác - Photodiode dùng hệ đo photodiode chậm hệ đo đo xung ngắn tới vài chục femto – giây Trong đó, để đo trực tiếp độ rộng xung laser cực ngắn phải sử dụng thiết bị đo có thời gian đáp ứng nhanh chẳng hạn streak camera đo xung laser ngắn tới vài trăm fem-tô-giây Tuy nhiên giá thành streak camera khá đắt tiền thực tế khó thực phương pháp đo trực tiếp Mặt khác, sử dụng vi dịch chuyển có bước dịch chuyển nhỏ hệ đo chúng tơi hồn tồn đo xung cỡ femto – giây xung ngắn - Cách thức sử dụng hệ đo đơn giản (chỉ cần chọn lệnh hình máy tính để điều khiển hệ bắt đầu đo hay cho hệ dừng lại) Kết đo hiển thị rõ ràng hình máy tính (dạng xung tự tương quan độ rộng xung tự tương quan) - Hệ đo sử dụng sound card tích hợp sẵn máy tính phí để xây dựng hệ đo giảm nhiều so với sử dụng card thu thập liệu (the dataacquisition card) để làm chuyển đổi tương tự số cho hệ đo 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuy nhiên, hệ đo có số điểm hạn chế sau: - Hệ đo cần có kênh quét để thay đổi thời gian trễ xung Điều có nghĩa vết tự tương quan thu kết trung bình nhiều xung khó ứng dụng để đo độ rộng xung hệ laser có tần số lặp lại thấp đơn xung - Do hạn chế vật lý môtơ nên việc thu vết tự tương quan cần khoảng thời gian Điều gây trở ngại cho việc khảo sát tức thời xung laser cực ngắn Thời gian thực phép đo dài, vậy, khó khăn cho việc quan sát (thời gian thực lần phép đo độ rộng xung mục 3.4 180 s để motor dịch hết khoảng cách cm với tốc độ dịch chuyển 10 mm/phút) - Độ rộng xung đo dựa tương quan bậc hai cho hình ảnh tương quan hồn tồn đối xứng khơng phụ thuộc vào hình dạng xung vào Điều có nghĩa là, phép đo tự tương quan cho thông tin độ rộng xung mà không cho ta dạng xung Muốn thu nhiều thông tin xung laser, cần thiết kế nghiên cứu hệ đo có bậc tương quan cao Đây hướng nghiên cứu mở rộng đề tài 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết luận chƣơng Với mục đích xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn để đo độ rộng xung phát từ hệ laser Nd:YVO4 mode – locking chế tạo phịng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử Trong chương này, luận văn thực nội dung sau: - Tìm hiểu thơng số hệ laser laser Nd:YVO4 mode – locking cần đo - Nghiên cứu cấu trúc, hoạt động thông số sound card từ nghiên cứu, sử dụng sound card hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan sử dụng dịch chuyển tịnh tiến - Xây dựng cấu hình hệ đo lập trình cho hoạt động hệ đo Từ xây dựng thành cơng hệ đo xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan sử dụng dịch chuyển tịnh tiến Hệ đo sử dụng card sound tích hợp sẵn bo mạch chủ máy tính để thực chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số Điều cho phép đơn giản hóa cấu trúc hệ đo tiết kiệm chi phí q trình xây dựng hệ đo Hệ đo không cần sử dụng thiết bị có độ phân giải thời gian cao đo xung laser ngắn đến vài chục femto – giây Bằng hệ đo xung laser cực ngắn vừa xây dựng, đo độ rộng xung laser phát từ hệ laser laser Nd:YVO4 mode – locking chế tạo phịng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử Với kết này, chúng tơi hi vọng góp phần cung cấp thêm thông số hệ laser laser Nd:YVO4 mode – locking để khai thác sử dụng hiệu hệ laser 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Xung laser cực ngắn sở công cụ thiếu nghiên cứu khoa học cơng nghệ Có thể nói, laser nói chung xung laser cực ngắn có vai trò to lớn sống đại, nghiên cứu khoa học Để sử dụng hết ưu điểm xung laser cực ngắn, việc xác định xác độ rộng xung điều quan trọng Tuy nhiên, đo trực tiếp xung laser cực ngắn khó thiết bị điện tử thông thường đo đo gián tiếp phương pháp tự tương quan Vì vậy, luận văn nghiên cứu phát triển thiết bị đo xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan Luận văn đạt số kết nghiên cứu sau: + Nghiên cứu số ứng dụng xung laser cực ngắn điện tử viễn thông, vật lý học, hóa học, sinh học + Tìm hiểu số phương pháp đo xung quang học nghiên cứu phương pháp đo xung quang học cực ngắn phương pháp quang học + Nghiên cứu cấu trúc, hoạt động thông số sound card từ nghiên cứu, sử dụng thành cơng sound card hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan sử dụng dịch chuyển tịnh tiến Hệ đo có cấu trúc đơn giản khơng cần sử dụng thiết bị đo có thời gian đáp ứng nhanh streak camera mà cần sử dụng photodiode chậm hệ đo đo xung laser cực ngắn (cỡ vài chục femto – giây) + Đo độ rộng xung laser phát từ hệ laser laser Nd:YVO4 mode – locking chế tạo phịng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử hệ đo xung laser cực ngắn vừa xây dựng 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Với kết này, chúng tơi hi vọng cung cấp thiết bị để đo độ rộng xung quang học cực ngắn (ở tần số lặp lại xung cao) Thiết bị hoàn tồn có khả để xây dựng điều kiện phịng thí nghiệm Quang tử Việt Nam 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Chử Thị Thu Hà (2005), Các kết nghiên cứu ban đầu laser vi cầu thủy tinh Silica Aluminium pha tạp đất Erbium, Luận văn thạc sỹ Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý laser ứng dụng, Nhà xuất bảo Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích (2005),Thiết bị linh kiện quang học, quang phổ laser, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Do Quoc Khanh, Nguyen T Nghia, Le TT Nga, Pham Long and Nguyen Dai Hung (2007), Semiconductor Saturable Absorber Miror (SESAM) used for generation of passively mode-locking ultrashort Nd:YVO4 laser pulse, Asean Journal Sciences and Technology for Development, Vol.24, pp.59-65 Do Quoc Khanh, Nguyen Trong Nghia, Galieno Denardo, Vu Thi Bich, Pham Long and Nguyen Dai Hung (2009), Generation of pico-second Laser Pulses at 1064 nm From All Solid-state Passively Mode-locked Laser, Communications in Physics, Vol 19, Special Issue, pp 125-136 Phạm Long (2005), Vật liệu màu hữu công nghệ laser màu xung ngắn, Luận án tiến sỹ, Viện Vật Lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Hồ Quang Quý (2005), laser rắn, công nghệ ứng dụng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang, T2, Nhà xuất Bưu Điện Đoàn Hoài Sơn (2006), Nghiên cứu vật lý công nghệ laser màu phản hồi phân bố, Luận án tiến sĩ vật lý, Viện Vật Lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tiếng Anh 10 Demstroder W ( 1996), Laser Spectroscopy, 2nd Ed., Springer, Berlin 11 Diels J C M., et al (1985), Control and measurement of ultrashort pulse shapes (in amplitude and phase) with femtosecond accuracy, Appl Opt., Vol 24, No 9, 1270 - 1282 12 Kaiser W (1993), Ultrashort laser pulses: generation and applications, Springer-Varlag, Berlin 13 Klauder J.R., et al., Correlation effects in the display of picosecond pulses by two-photon techniques, Appl Phys Lett., Vol 13, No 5, 1968 (174-176) 14 Rentzepis P.M., et al., Measurement of ultrashort laser pulses by threephoton fluorescence, Appl Phys Lett., Vol 17, No 3, 1970 (122-125) 15 Rulliere C (1998), Femtosecond laser Pulses, Springer, Berlin 16 Sala K.L., et al., CW autocorelation measurements of picosecond laser pulses, IEEE J Quantum Electron., Vol QE-16, No 9, 1980 (990-996) 17 Saled B.E.A.& Teich M.C (1991), Fundamentals of Photonics, Part 2, J.W Goodman Press 18 Schafer F.P (1990), Dye Lasers, Springer, New York 19 Shapino S.L., (1977), Ultrashort Light Pulse, Springter, Berlin 20 Ursula Keller (2003), Recent developments in compact ultrafast laser, Nature Vol 424, 831 – 838 21 Vol der Linde D., Experimental study of single picosecond light pulses, IEEE J Quantum Electron., Vol QE-8, No 3, 1972 (328-338) 22 Williamson Craig A (2003), Mode locking of novel semiconductor lasers 23 Wirnitzer B., Measurement of ultrashort laser pulses, Opt Comm Vol 48, No, 3, 1983 (225-228) 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHỤ LỤC Chƣơng trình điều khiển hoạt động motor xử lý liệu thu đƣợc sound card function varargout = CardSoundGuider(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @CardSoundGuider_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @CardSoundGuider_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [] , 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function CardSoundGuider_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); function varargout = CardSoundGuider_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; % Điều khiển động function Ready_for_Out handles.pval.Ready=[0 0 0]; parport=digitalio('parallel','LPT1'); line=addline(parport,0:3,'out'); putvalue(parport,handles.pval.Ready); guidata(hObject,handles) 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com function Move_Callback(hObject, eventdata, handles) handles.pval.Up=[0 1]; handles.pval.Down=[1 0]; Up.Value=get(handles.Up,'Value'); Down.Value=get(handles.Down,'Value'); set(handles.text1, 'String','Moving Up '); if Up.Value==1 parport=digitalio('parallel','LPT1'); line=addline(parport,0:3,'out'); putvalue(parport,handles.pval.Up); end if Down.Value==1 parport=digitalio('parallel','LPT1'); line=addline(parport,0:3,'out'); putvalue(parport,handles.pval.Down); set(handles.text1, 'String', 'Moving Down '); end % Xử lý liệu thu đươc từ sound card cla; Average=get(handles.Average, 'String'); Average=str2num(Average); Rec=get(handles.Buffer, 'String'); Rec=str2num(Rec); Fs = 4*11025; i=0; k=0; iold=1; zold=0; kold=1; Sumold=0; Sum=0; while 2>1; i=i+1; Check=get(handles.text1, 'String'); if strcmp(Check,'Stopped')==1; break end 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com y = wavrecord(Rec,Fs,'double'); hold on; subplot(2,1,1); axes(handles.axes1); plot(y); z=max(y(Rec-800:Rec)); hold off subplot(2,1,2); Sum=Sum+z; axes(handles.axes2); hold on; % plot([iold i],[zold z]); % iold=i; % zold=z; % drawnow; data(i)=z; if rem(i,Average)==0 k=k+1; %disp(Sum); data(k)=Sum; plot([kold k],[Sumold Sum]); kold=k; Sumold=Sum; drawnow; Sum=0; end set(handles.text6, 'String', num2str (z)); end FileName=get(handles.FileName,'string'); %disp(FileName); fid = fopen(FileName,'w'); for i=1:length(data) fprintf(fid,'%d ',data(i)); fprintf(fid,'\n'); end fclose(fid); parport=digitalio('parallel','LPT1'); 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com line=addline(parport,0:3,'out'); putvalue(parport,[0 0 0]) function Down_Callback(hObject, eventdata, handles) function text1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) function Stop_Callback(hObject, eventdata, handles) handles.Stop=1; set(handles.text1, 'String', 'Stopped'); guidata(hObject,handles); function FileName_Callback(hObject, eventdata, handles) function FileName_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function axes1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) function average_Callback(hObject, eventdata, handles) function average_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function Average_Callback(hObject, eventdata, handles) function Average_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function Buffer_Callback(hObject, eventdata, handles) function Buffer_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com end function intensity_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) function text6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... luận văn Nội dung luận văn chia thành chương: + Chương Các ứng dụng xung laser ngắn + Chương Các phương pháp đo xung laser ngắn + Chương Nghiên cứu phát triển hệ đo xung laser cực ngắn phương pháp. .. thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao có ý nghĩa vơ quan trọng Vì vậy, chọn đề tài ? ?Đo xung laser cực ngắn phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu phát triển thiết bị đo? ?? để thực luận. .. Kết luận chƣơng Trong chương 2, luận văn trình bày phương pháp đo xung laser ngắn. Với xung quang học cực ngắn, sử dụng thiết bị đo thông thường để thực phép đo độ rộng xung, cần có thiết bị phương