Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan

i MỤC LỤC 1.1 Đặc điểm tính chất xung laser Picô - giây 1.2 Cấu tạo laser 1.3 Các laser phát xung 1.4 Laser màu .8 1.5 Laser màu xung ngắn 12 Hình 1.4 Các mode dọc buồng cộng hưởng 12 1.6 Kết luận chương 20 2.1 Đo độ rộng xung trực tiếp 21 2.2 Kỹ thuật đo đặc trưng thời gian gián tiếp 28 2.3 Kết luận chương 40 3.1 Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô - giây [4] 42 3.2 Thiết lập hệ đo xung 46 3.3 Kết luận chương 54 ii DANH MỤC BẢNG BIỀU 1.1 Đặc điểm tính chất xung laser Picô - giây 1.2 Cấu tạo laser 1.3 Các laser phát xung 1.4 Laser màu .8 1.5 Laser màu xung ngắn 12 Hình 1.4 Các mode dọc buồng cộng hưởng 12 1.6 Kết luận chương 20 2.1 Đo độ rộng xung trực tiếp 21 2.2 Kỹ thuật đo đặc trưng thời gian gián tiếp 28 2.3 Kết luận chương 40 3.1 Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô - giây [4] 42 3.2 Thiết lập hệ đo xung 46 3.3 Kết luận chương 54 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.4 Các mode dọc buồng cộng hưởng 12 MỞ ĐẦU Một phát minh to lớn lĩnh vực vật lý kỷ 20 chế tạo laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạt động dựa nguyên lý khuếch đại cường độ ánh sáng nhờ vào tượng phát xạ cưỡng (cảm ứng) Hiện tượng Albert Einstein đưa giả thuyết đăng tạp chí vào năm 1917 Tuy nhiên để quan sát thực nghiệm phải chờ tới phát minh, vào năm 1954 - 1955, nhà vật lý người Nga người Mĩ Như ta biết vào năm 1960 ông Maiman, nhà vật lý người Mĩ tạo máy laser đầu tiên, sử dụng mơi trường hoạt tính chất rắn hồng ngọc (Ruby), phát sóng ánh sáng vùng quang phổ khả kiến 0,64 µm Từ năm 1960 trở đi, hàng loạt laser khác đời Để đơn giản cách gọi tên chúng thường phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lý mơi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học Hoặc dựa vào đặc tính xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung Hoặc dựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện Sự xuất laser sau năm 1960 đưa ngành quang học sang giai đoạn phát triển mới, quang phi tuyến tạo đột biến cơng nghệ 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 [1,2]… Ngoài vật lý laser hỗ trợ phát triển nhiều lĩnh vực khác truyền tải thông tin, truyền tải lượng [3,4], giải trí, cơng nghiệp, y sinh, cơng nghệ sinh học…[5,6,7] Có thể nói ứng dụng laser vào nghiên cứu khoa học công nghệ phong phú Đặc biệt tiến việc tạo nguồn xung laser cực ngắn sở, công cụ thiếu nghiên cứu khoa học cơng nghệ [8,9] Nó có vai trò to lớn sống đại nghiên cứu Để xác định đặc trưng thời gian xung quang học nêu việc xây dựng hệ đo độ rộng xung laser yêu cầu tất yếu Tuy nhiên, đo trực tiếp xung laser khó thiết bị điện tử thơng thường khơng có tính đáp ứng thời gian phù hợp đo gián tiếp Do đó, kỹ thuật đo độ rộng xung gián tiếp phương pháp tự tương quang chọn Việc nghiên cứu phát triển phương pháp, hệ đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao phương pháp tự tương quan có ý nghĩa vơ quan trọng Vì tơi chọn đề tài “Nghiên cứu tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan” để thực luận văn Mục tiêu luận văn: + Nghiên cứu đặc trưng xạ laser cực ngắn + Tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan khoảng thời gian Picô - giây + Đo độ rộng xung laser màu phản hồi phân bố Nội dung luận văn: Luận văn tiến hành nghiên cứu phương pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu thực nghiệm dựa sở lý thuyết tự tương quan để tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan khoảng thời gian Picô - giây Bố cục luận văn: + Mở đầu + Chương 1: Giới thiệu laser loại laser xung + Chương 2: Các kỹ thuật đo độ rộng xung + Chương 3: Đo độ rộng xung laser Picô - giây CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN 1.1 Đặc điểm tính chất xung laser Picô - giây Bức xạ laser xạ điện từ vùng phổ từ vùng tử ngoại gần (180 nm) đến vùng hồng ngoại (1mm) Chùm sáng từ xạ laser liên tục thường có cơng suất khoảng vài mili - Oat (mW) đến vài chục (thậm chí vài trăm) Oat (W) Nếu công suất xuất khoảng thời gian ngắn xung laser có cơng suất đỉnh trở nên lớn tính theo cơng thức ΔP = ΔE/Δτ ΔE lượng laser Δτ độ bán rộng thời gian xung laser Do đó, với xung laser ngắn cho xung có cơng suất lớn Mặt khác, độ bán rộng thời gian xung laser thỏa mãn điều kiện Heisenberg Δν Δτ ≤ a a số định dạng xung Về nguyên lý, xạ laser đơn sắc tức tồn mode dọc thực tế xạ bao gồm vài mode có bước sóng lân cận chúng phù hợp với số nguyên lần chiều dài buồng cộng hưởng Đặc điểm ảnh hưởng tới trình xác định độ dài xung (độ bán rộng xung) chồng chập mode phép đo thời gian sai lệch xác định số gia Δν hệ thức bất định Do đó, để xác định xác độ rộng xung laser, cần phải xem xét đến chất xung laser như: nguồn phát, công suất laser, vùng phổ… 1.2 Cấu tạo laser Về nguyên lý máy phát quang laser cấu tạo ba phận hình 1.1 là: Mơi trường hoạt tính, nguồn bơm lượng buồng cộng hưởng quang học [10] Hình 1.1 Cấu tạo máy phát lượng tử a) Môi trường hoạt tính Bộ phận quan trọng laser mơi trường hoạt tính Nó có nhiệm vụ khuếch đại cường độ sáng ánh sáng truyền qua Môi trường hoạt tính cần phải thỏa mãn số yêu cầu: có hiệu suất huỳnh quang cao, có thời gian sống huỳnh quang đủ lớn, có độ truyền qua tốt dải bước sóng phát laser thường phân chia thành nhóm sau: - Mơi trường hoạt tính rắn: bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) pha trộn thêm nguyên tố Nd 3+, Cr3+ Laser rắn điển hình Ruby, ngồi có Nd:YAG, Ti:Sphire, sợi quang học pha đất - Mơi trường hoạt tính lỏng: bao gồm dung dịch màu (Rodamin, Coumarin ) - Mơi trường hoạt tính khí: He - Ne, N2, CO2 - Mơi trường hoạt tính bán dẫn: Ga As, PbS, PbTe Về hoạt chất phải chất phát quang Sự khác môi trường hoạt tính dùng để gọi tên laser theo phân nhóm mặt kỹ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu, laser bán dẫn… b) Nguồn bơm Để khuếch đại ánh sáng trước hết mơi trường hoạt tính phải trạng thái kích thích Điều thực cách cung cấp lượng cho mơi trường hoạt tính thơng qua nguồn bơm Người ta thường sử dụng loại nguồn bơm sau cho loại laser thông dụng: - Nguồn bơm quang học bao gồm loại đèn, loại laser, diode phát quang… Thường ánh sáng nguồn bơm chọn cho phổ nằm vùng cực đại hấp thụ mơi trường hoạt tính để hiệu suất bơm tối ưu Phương pháp thường áp dụng cho mơi trường hoạt tính chất rắn hay chất lỏng - Nguồn bơm điện phóng điện mơi trường hoạt tính điện áp cao thường áp dụng cho mơi trường hoạt tính chất khí Hoặc nguồn dòng điện áp thấp tạo nên tái hợp lỗ trống điện tử qua vùng cấm chất bán dẫn sử dụng làm nguồn bơm laser bán dẫn - Bơm quang học bơm điện hai cách thơng dụng Ngồi có nguồn bơm hóa học nguồn bơm khí động học, hai cách sử dụng Mục đích việc bơm tạo nghịch đảo độ tích lũy (tức số lượng phân tử hay nguyên tử trạng thái kích thích nhiều trạng thái bản) môi trường hoạt tính Khi nghịch đảo độ tích lũy thiết lập phần lớn phân tử hay nguyên tử mơi trường hoạt tính tình trạng sẵn sàng phát ánh sáng phát ánh sáng theo quy luật phát xạ tự nhiên Cường độ phát sáng hệ tỉ lệ với số phân tử hay nguyên tử trạng thái kích thích b) Buồng cộng hưởng Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên thành nguồn sáng laser ta cần có điều kiện đặc biệt để chuyển biến phát xạ tự nhiên (tự phát) thành phát xạ cảm ứng Để thực điều cần đặt mơi trường hoạt tính vào buồng cộng hưởng quang học, ví dụ hai gương song song Để phân loại buồng cộng hưởng người ta thường dựa vào tính chất hình dạng gương Loại buồng cộng hưởng đơn giản buồng cộng hưởng Fabry - Perot, hệ gồm hai gương phản xạ đặt đồng trục song song với Một hai gương có hệ số phản xạ R=100%, gương thứ hai có độ phản xạ R 2m) Sau đó, dịch chuyển nhánh động từ xa đến gần cho hai chùm laser thành phần khơng thay đổi vị trí Bước hiệu chỉnh quan trọng liên quan đến độ xác phép đo Đặt thấu kính hội tụ (5) vào vị trí điều chỉnh vị trí tinh thể (6) cho vết hội tụ rơi vào tâm tinh thể để hiệu suất phát nhân tần số có giá trị cao Đặt quang trình nhánh động nhánh tĩnh nhau, xoay tinh thể quanh trục thẳng đứng để phát ba chùm xạ nhân tần 49 sau cố định vị trí tinh thể điểm thu chùm nhân tần Kiểm tra lại cách che chùm thành phần làm biến chùm quan sát thấy Cuối cùng, đặt đầu thu vào vị trí ghi nhận chùm tự tương quan chuẩn bị ghi tín hiệu 3.2.3 Thực nghiệm đo độ rộng xung Thay đổi vị trí nhánh động điều khiển motơ bước đến vị trí xa gần Đánh dấu điểm khởi đầu bừng việc ghi nhận giá trị micro - mét giá trị tương đương phần mềm điều khiển (hình 3.5) Lựa chọn chế độ đo giao diện điều khiển Các thông số đo lựa chọn thí nghiệm: - Bước dịch chuyển: 12000 bước (25 mm) - Ghi nhận tín hiệu: 10 bước/1 điểm 20 bước/điểm - Kênh tín hiệu: kênh (biên độ đỉnh) trigger - Hướng dịch chuyển: lặp lại thuận/nghịch theo phương trục x - Đầu thu: photodiode s1210 lắp kiểu phân cực ngược (nguồn 9V) - Tinh thể nhân tần: tinh thể Barium Borat (BBO) kích thước 6x5x5 mm Hình 3.5 Giao diện hệ đo tự tương quan cường độ 50 Chương trình điều khiển thiết bị đo ghi tín hiệu viết phần mềm Labview Đây chương trình tích hợp cho số thí nghiệm điều khiển bước sóng laser, đo phân bố cường độ laser, đo phân bố cường độ xạ tự tương quan… Do trước đo ta phải lựa chọn thông số phù hợp với chế độ đo Trong thí nghiệm này, tín hiệu đo đưa vào dao động ký hai kênh, kênh sử dụng làm trigger kênh lại nhận tín hiệu xạ họa ba bậc hai xử lý đồng với trình điều khiển khoảng dịch chuyển nhánh động hệ đo tự tương quan Kết đo độ rộng xung laser từ buồng cộng hưởng phản hồi phân bố khuếch đại bước sóng khác trình bày hình 3.6 (a) 51 (b) (c) Hình 3.6 Đường cong biểu diễn hàm tự tương quan theo thời gian trễ xạ laser từ buồng cộng hưởng DFDL hoạt động chế độ nhiễu xạ Bragg bậc 2: a) bước sóng 578,22 nm; b) 567 nm; c) 574 nm 52 Vết tự tương quan bậc hai đo số bước sóng phát từ laser màu DFDL hoạt động chế độ bậc cấu trúc nhiễu xạ Bragg Các kết hình cho thấy cấu trúc vết tự tương quan bao gồm đỉnh hẹp cấu trúc mịn rộng Điều giải thích q trình phát xung nhiều đỉnh dao động hồi phục độ tích lũy q trình phát xạ laser Độ bán rộng thời gian xung laser tới hạn tính độ rộng vết đỉnh laser hẹp Với xạ laser khơng có yếu tố khóa mode dập tắt dao động, độ rộng xung laser tính độ bán rộng đường bao xung laser Giá trị độ trễ thời gian ghi nhận chuyển đổi để tính độ bán rộng xung laser tùy thuộc vào dạng xung (Bảng 3.1) Bảng 3.1 Tương quan thời gian - phổ dạng xung Dạng xung Xung vuông Dạng Gaussian Dạng sech2 Lorent Biểu diễn toán học cường độ I(t) =I0 ≤ t≤ ∆ T =0 t ∆ T ∆τ / ∆T ∆v.∆T 0,886 0,441 −t = I 0e ( 0,36.∆T ) t    ÷ sech2  0,57.∆T   2t  1+  ÷  ∆T  1,55 0,315 0,221 Trong trường hợp thí nghiệm luận văn, dạng xung giả thiết dạng Gausian Độ trễ thời gian ( ∆τ ) nhân với hệ số 0,707 cho ta biết độ bán rộng xung laser Các kết đo bước sóng khác nhau, độ bán rộng xung laser (vết đo tự tương quan) khoảng 53 22,6 ps ÷ 28 ps Tại vùng bước sóng ngắn phổ xạ laser DFDL bậc có cực đại phát xạ hẹp so với xạ vùng phổ sóng dài Các kết đo xạ laser bơm lượng cao ngưỡng phát > 1,5 lần cho thấy không đơn xung laser phát mà vết tự tương quan bao gồm tập hợp xung laser có độ bán rộng nhỏ nằm bên đường bao vết đo tự tương quan Sử dụng phương pháp pháp làm mịn nhiều cực đại tín hiệu chương trình tính Origin biểu diễn hình 3.7 ta thấy cực đại lớn có độ bán rộng xung hẹp (khoảng 10 ps) Một đặc điểm kỹ thuật đo tự tương quan cho ta biết đặc trưng thời gian toàn xung laser mà không cho ta biết cụ thể dạng xác xung Do đường bao thời gian xung laser đo bao gồm vài xung thành phần minh họa hình 3.7 bước sóng 578 nm ghi nhận Hình 3.7 Phân tách biểu diễn xung đa thành phần 54 Điều giải thích tượng phát đa xung laser DFDL hoạt động chế độ bơm cao ngưỡng Hiện tượng công bố [18] Sự chồng chất thời gian không gian (giao thoa) tinh thể phi tuyến nhân tần số tạo nên dạng đường tự tương quan Cường độ sáng (a.u) Cường độ sáng (a.u) phức tạp (hình 3.8) Thời gian Độ trễ Hình 3.8 Độ rộng xung vết tự tương quan xạ đa xung Các xung thành phần cực đại có tính kết hợp khơng cao tạo nên hiệu ứng tương quan yếu (các xung có độ lệch pha nhỏ) dẫn đến hiệu ứng nhân đôi tần số nhỏ không ổn định tính đối xứng khơng cao 3.3 Kết luận chương Hệ đo độ rộng xung sở kỹ thuật tự tương quan cường độ thiết kế xây dựng Sau hiệu chuẩn hệ đo, lắp đặt đầu đo photodiode có độ nhậy tương ứng với vùng phổ quan sát, kết đo cường độ tín hiệu tự tương quan theo thời gian ghi nhận Giá trị đo độ bán rộng xung laser từ buồng cộng hưởng phản hồi phân bố nhiễu xạ Bragg bậc vùng Picô - giây cho thấy khả ứng dụng hệ đo để xác định độ bán rộng thời gian xung laser vùng khảo sát 55 KẾT LUẬN Xung laser ngắn công cụ hiệu để nghiên cứu trình xảy cực nhanh liên quan tới tương tác ánh sáng với vật chất Vật lý kỹ thuật phát xung laser cực ngắn nghiên cứu, phát triển mạnh Người ta phát xung cỡ vài femto - giây Do vậy, phương pháp thiết bị đo thông số xung quang học có độ phân giải thời gian cao cần thiết cho nghiên cứu ứng dụng quang học quang phổ laser Một thông số quan trọng cần xác định độ rộng xung cực ngắn Trong luận văn này, với nhiệm vụ tìm hiểu khảo sát thực nghiệm hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn Những kết tóm tắt sau: • Luận văn nghiên cứu kiến thức laser màu: Do chất màu có phổ huỳnh quang băng rộng, nên thuận lợi việc phát laser xung cực ngắn laser điều chỉnh bước sóng có độ đơn sắc cao • Luận văn tìm hiểu số thiết bị điện tử số kỹ thuật quang học để đo độ rộng xung laser cực ngắn • Luận văn tiến hành nghiên cứu xây dựng hệ đo đặc trưng thời gian xạ laser xung ngắn dựa nguyên lý tự tương quan thời gian cường độ Bằng giả thiết xung laser phát từ buồng cộng hưởng phản hồi phân bố có dạng Gaussian, hệ thí nghiệm ghi nhận độ rộng xung laser khoảng 12 ps đến 16 ps bước sóng laser khác Các kết chứng tỏ thành công hệ đo độ rộng xung kỹ thuật tự tương quan xây dựng Trong trình thực luận văn, hướng dẫn giúp đỡ tận tình PGS.TS Đỗ Quang Hòa cán khoa học trung tâm Điện tử học lượng tử, khả hạn chế lý khách quan khác nên luận văn chắn nhiều khuyết điểm Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.W Kaiser, “Ultrashort Laser Pulses and Applications”, Topics in Applied Physics, vol.60, Springer - Verlag, Heidelberg (1988) W Demtroder, “Laser spectroscopy, Basic Concepts and Instrumentation”, 3rd ed., Springer - Verlag, Berlin (2003) H Bitto, J.R Huber, “Molecular quantum beats High - resolution spectroscopy in the time domain”, Acc Chem Res 25 (1992) 65-71 K.B Eisental, “Ultrafast Chemical Reactions in the Liquid State, in Topics in Applied Physics”, vol 60, “Ultrashort Laser Pulses and Applications”, ed W Kaiser, Springer - Verlag, Berlin Heidelberg (1988) J.L Boulnois, “Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: A review”, Lasers in Med Sci (1986) 47 Carmen A Puliafito, “Laser Surgery and Medicine Principles and Practice”, Wiley - Liss (1996) S Gianfaldoni, G Tchernev, U Wollina, M Fioranelli, M G Roccia, R Gianfaldoni, and T Lotti, “An Overview of Laser in Dermatology: The Past, the Present and the Future” , Open Access Maced J Med Sci 2017 Jul 25; 5(4): 526–530 Đỗ Quang Hòa, Giáo trình “xử lý tín hiệu quang học”, Học Viện Khoa học Công nghệ, VAST Swam Optic LLC (2015), website: www.swamoptics.com 10 Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 11.Weng W Chow & Stephan W Koch, “Semiconductor - laser fundamental”, ISBN 3-540-64166-1, Springer 12 D.Q Hoa, N.D Hung, T Imasaka, N.T Thanh., “A Tunable picosecond dye laser based on cavity quenching and spectro - temporal selection”, Appl Phys B79 (2010) 463-467 57 13 Nguyễn Đại Hưng, Giáo trình “Vật lý kỹ thuật laser”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 14 W Becker, “Advanced time-correlated single photon counting techniques”, ISBN -10 3-540-26047-1, Springer 15 K.W Delong, “Practical issues in ultrashort - laser - pulse measurement using frequency - resolved optical gating”, IEEE jour of Quant Elect Vol.32 (7) (1996) 16 Đoàn Hoài Sơn, “Nghiên cứu vật lý công nghệ laser màu phản hồi phân bố”, Luận án tiến sỹ (2006) 17 N.T.M An, N.T.H Lien, N.D Hoang, and D.Q Hoa., “Improving the Performance of Gold - Nanoparticle - Doped Solid - State Dye Laser Using Thermal Conversion Effect”, JEM 47(4) (2018) 2237-2240 18 Zs Bor, A Muller, B Racz, anh P.F Schafer., “Ultrashort pulse generation by distributed feedback dye lasers I” Appl Phys B27 (1982) ... vơ quan trọng Vì tơi chọn đề tài Nghiên cứu tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan để thực luận văn Mục tiêu luận văn: + Nghiên cứu đặc trưng xạ laser cực ngắn + Tính. .. Tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan khoảng thời gian Picô - giây + Đo độ rộng xung laser màu phản hồi phân bố Nội dung luận văn: Luận văn tiến hành nghiên cứu phương... thuyết tự tương quan để tính tốn xây dựng hệ đo độ rộng xung laser kỹ thuật tự tương quan khoảng thời gian Picô - giây Bố cục luận văn: + Mở đầu + Chương 1: Giới thiệu laser loại laser xung +