Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn

1 VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====oOo==== NGUYỄN VĂN HIỆP Hình 1.1 Các mode dọc buồng cộng hưởng KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG XUNG LASER NGẮN LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý, Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Vinh dành nhiều tâm huyết truyền đạt kiến thức quý báu, giúp đỡ hồn thành khóa học luận văn Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đồn Hồi Sơn, người tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hướng dẫn, đóng góp ý kiến quý báu để tơi hồn thành khố luận Tơi xin gửi lời cảm ơn thầy giáo chuyên ngành Quang học, kỹ thuật viện phòng kỹ thuật điện tử Viện Vật lý hưỡng dẫn, giúp đỡ q trình thí nghiệm, thực hành Xin cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, tổ Vật Lý trường THPT Cát Ngạn đồng nghiệp, bạn bè gia đình động viên, tạo điều kiện cho trình theo học chương trình cao học trường Đại học Vinh để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Vinh, tháng 12 năm 2010 Tác giả luận văn MỤC LỤC Mở đầu …………………………………………………….……………….…… Chương TỔNG QUAN VỀ LASER XUNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Các phương pháp phát xung laser ngắn ………….….….…………………6 1.1.1 Phương pháp Mode-locking ………………………….… …….………6 1.1.2 Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback)….………… ……9 1.1.3 Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS)………….………….…….… 10 1.1.4 Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)… 11 1.1.5 Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (cavity - quenching)………… 12 1.2 Các ứng dụng xung laser cực ngắn…………………………………….14 1.2.1 Ứng dụng xung laser cực ngắn vật lý, sinh học hóa học…… …15 1.2.2 Ứng dụng laser xung ngắn thông tin quang ………… ……… …16 Chương KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG XUNG LASER NGẮN 2.1 Nguyên lý phương pháp … ………………………….…………………22 2.1.1 Cơ sở thứ : Hàm tự tương quan……………………… …………….22 Cơ sở thứ hai : Biến đổi thời gian – Không gian………………… … 28 2.2 Thiết bị, bố trí thực nghiệm hoạt động hệ đo autocorrelator …28 2.2.1 Các thiết bị cần thiết xây dựng hệ đo………………… ……….……… …28 2.2.2 Bố trí thực nghiệm hoạt động hệ đo autocorrelator… … ……… ….29 2.2.3 Hướng dẫn sử dụng hệ đo……………………….……………….……… 34 2.3 Kết đo………… ………………………….…………………… … … 37 2.4 Đo độ rộng xung trực tiếp từ dao động ký, hệ gương quay … ……… …39 2.4.1 Thiết kế………………………………………………………….….… …39 2.4.2 Bố trí thiết bị.…………………………………………………… …….…40 2.4.3 Kết thực nghiệm …………… …………………………… ………41 KẾT LUẬN…………………………………………….…… ……44 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………….…………45 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN  FWHM Độ rộng xung nửa cực đại   Độ rộng vết tự tương quan    BCH Độ rộng nửa cực đại xung cần đo. Buồng cộng hưởng MỞ ĐẦU Sự đời laser thành tựu khoa học quan trọng kỷ XX Trong năm gần đây, công nghệ laser phát triển mạnh mẽ có ảnh hưởng to lớn trực tiếp lên lĩnh vực khác khoa học đời sống xã hội Trong năm gần laser xung ngắn quan tâm nghiên cứu, ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ Đặc biệt lĩnh vực nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian q trình lý, hố, sinh học, kiểm soát phản ứng hoá học nhờ sử dụng xung cực nhanh thích hợp ,khảo sát tương tác vật chất ánh sáng, kích thích nguyên tử phân tử hiệu ứng quang phi tuyến cịn nguồn sáng lý tưởng cho nghiên cứu động học, trình tượng xảy cực nhanh Ở Việt Nam việc nghiên cứu Vật lý laser xung ngắn tiến hành phòng thí nghiệm Quang học Quang phổ viện nghiên cứu số trường đại học Người ta quan tâm đến số phương pháp phát xung ngắn pico-giây(ps), có tính khả thi như: Phương pháp Mode-locking, phương pháp phản hồi phân bố (ĐFL), phương pháp lựa chọn thời gian- phổ (STS), phương pháp kích thích sóng chạy (TWE), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt Mỗi phương pháp này, người ta thu xung laser ngắn với ưu điểm, nhược điểm khác Mặt khác nhờ thành tựu công nghệ vật liệu rắn, chất màu giúp cấu hình hệ laser hệ laser ngày có tính khả thi cao điều kiện nước ta Cơng việc đo đạc tự động hố hệ đo lường cần thiết lĩnh vực khoa học công nghệ Việc thực phép đo với độ kéo dài tín hiệu cực ngắn cỡ (10-12 - 10-15 giây) độ rộng xung Laser cơng nghệ hồn tồn mới, việc dùng thiết bị điện tử để đo chúng Nhận thức vấn đề tính cấp thiết khả thi nghiên cứu kỹ thuật xác định độ rộng xung laser ngắn đóng góp cho nghiên cứu khoa học ứng dụng thực tiễn Chúng tơi đặt vấn đề tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn ” Nội dung nghiên cứu đề tài là: - Tìm hiểu nghiên cứu đặc điểm laser xung ngắn - Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp phát laser xung ngắn ứng dụng laser xung ngắn - Nghiên cứu kỹ thuật tự tương quan đo độ rộng thời gian xung ngắn Các kết nghiên cứu đề tài “Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn ” nhằm nâng cao hiểu biết thân đóng góp phần nhỏ phát triển lĩnh vực khoa học laser xung ngắn quan tâm nghiên cứu ứng dụng Cấu trúc luận văn phần mở đầu kết luận, nội dung trình bày chương Chương Giới thiệu phương pháp phát xung laser ngắn ứng dụng chúng đặc biệt lĩnh vực viễn thông thông tin quang Chương Kỹ thuật tự tương quan đo độ rộng xung laser ngắn Trình bày nguyên tắc phương pháp đo, cách bố trí thiết bị sơ đồ đo, hệ đo hoạt động hệ, kết thu Khóa luận thực khoa Vật Lý trường Đại Học Vinh hướng dẫn TS Đoàn Hoài Sơn Trong trình học tập nghiên cứu, cố gắng luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp thầy cô, cán khoa học đồng nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ LASER XUNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Các phương pháp phát xung laser ngắn Nói chung, độ rộng thời gian xung laser không nhiết giới hạn thời gian xung bơm quy định mà ngắn nhiều nhờ số kỹ thuật nén xung khác phần đưa số phương pháp phổ biến để thu xung laser ngắn Kỹ thuật Mode-locking, laser màu phản hồi phân bố, laser màu chọn lọc thời gian phổ Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation), phương pháp có số ưu điểm có nhược điểm riêng 1.1.1 Phương pháp Mode-locking Một BCH laser điển hình gồm có hai gương phản xạ môi trường hoạt chất khuếch đại ánh sáng Bức xạ laser phát có độ rộng phổ định, chứa đựng mode dọc phân bố trường hình thành BCH quang học Hai mode dọc liên tiếp cách khoảng (trong c L vận tốc ánh sáng chiều dài BCH, n chiết suất môi trường, l chiều dài môi trường hoạt chất) Quan hệ pha mode ngẫu nhiên, nhiên cưỡng mode để làm cho chúng có quan hệ pha xác định Khi hai điều kiện sau thoả mãn: laser có số mode dọc lớn mode cách tần số đồng pha, mode dao thoa với để laser phát chuỗi xung ngắn tuần hồn có chu kỳ T   ~ 2( L  l (n  1)) độ rộng xung c  độ rộng phổ khuếch đại Đây nội dung việc phát  xung ngắn kỹ thuật mode-locking hoàn toàn phụ thuộc vào độ rộng phổ khuếch đại môi trường hoạt chất số lượng mode dọc tạo nên Tuy nhiên tuỳ theo loại môi trường laser khác khả để tạo xung laser mode-lock có độ rộng xung khác Bảng 1.1 Khả tạo xung laser ngắn mode-lock vài loại vật liệu laser khác Laser Ruby Nd 10 Số mode dọc 103 Độ rộng xung (s) 012 1014 105-106 1011 1013- 11 Độ rộng công tua huỳnh quang (Hz) Màu 10-13- 0-12 10-14 Các điều kiện cần để thực mode-locking thành công cho laser là: - Môi trường khuếch đại phải có độ rộng phổ lớn - Buồng cộng hưởng có số lượng mode dọc đủ nhiều (Độ rộng xung mode-lock tỷ lệ nghịch với số mode BCH) - Theo lý thuyết phương pháp mode-locking thực số mode dọc N phải  3; (N =  d = 2 ), nhiên thực tế để thực  c mode-locking có hiệu suất hiệu số mode dọc phải lớn (104 mode dọc) 2 2 T = (2m  1) = = N  - Các mode dọc phải cách mặt tần số có quan hệ pha xác định (hay pha chúng phải đồng với nhau) Cùng với việc thoả mãn điều kiện nói trên, phương pháp mode-locking đòi hỏi yếu tố thiết bị laser, điều khiển quang, linh kiện biến điệu (quang âm, điện quang, ) có thơng số kỹ thuật phù hợp, xác cao Để thực mode-locking người ta sử dụng yếu tố điều biến mát khuếch đại BCH với tần số gấp số nguyên lần  ( khoảng cách hai mode dọc liên tiếp) Tuỳ theo nguyên tắc làm việc điều biến, người ta chia thành mode locking chủ động mode bị động Sự điều biến điều khiển nguồn tín hiệu bên ngồi (thơng thường sử dụng điều biến quang âm) gọi mode-locking chủ động Trong mode locking thụ động điều biến diễn tương tác xung ánh sáng với chất làm hấp thụ bão hoà BCH Bằng phương pháp mode-locking, người ta thu xung laser cực ngắn cỡ 10-14 s Mode-locking phương pháp phổ biến để phát xung quang cực ngắn, song có nhược điểm khơng thực với số loại môi trường laser việc phát xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp Ngồi ra, phịng thí nghiệm hạn chế thiết bị kinh phí việc áp dụng kỹ thuật mode-locking (giá thành cao yêu cầu khắt khe thiết bị) khó thực 10 1.1.2 Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback) Gương Cách tử + 1 Gương Chất màu Hình 1.2 Sơ đồ bơm laser màu phản hồi phân bố với hai gương phản xạ cách tử Phương pháp sử dụng nguồn bơm nano giây để bơm cho laser màu Cơ chế làm xung ngắn tự biến điệu độ phẩm chất cuvet màu Sự hình thành xung ngắn trình bày hình 1.2 Khi chùm laser đến cách tử có bậc nhiễu xạ +1 -1, hai chùm tia nhiễu xạ từ cách tử giao thoa với cuvet chất màu sau phản xạ gương, Do tính kết hợp, chùm giao thoa tạo biến đổi có chu kỳ khơng gian chất màu (cách tử Bragg) Khoảng cách vân giao thoa thoả mãn công thức   n p M sin  ,  bước sóng laser, p bước sóng laser bơm, n chiết suất môi trường chất màu, M bậc nhiễu xạ Bragg,  góc laser tới ... kỹ thuật xác định độ rộng xung laser ngắn đóng góp cho nghiên cứu khoa học ứng dụng thực tiễn Chúng đặt vấn đề tìm hiểu nghiên cứu đề tài ? ?Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn. .. laser xung ngắn - Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp phát laser xung ngắn ứng dụng laser xung ngắn - Nghiên cứu kỹ thuật tự tương quan đo độ rộng thời gian xung ngắn Các kết nghiên cứu đề tài ? ?Kỹ. .. hẹp phía sóng ngắn phát xạ laser băng rộng thu xung laser ngắn Với kỹ thuật nén xung ta thu xung laser ngắn với hệ số nén xung cỡ 102 lần 12 Tuy nhiên phương pháp phát xung ngắn kỹ thuật STS tồn