xung laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay
2.2.1. Thiết kế và nguyên lý hệ đo
Với hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn theo cấu hình giao thoa kế truyền thống (hình 2.1), do hạn chế của bộ dịch chuyển tịnh tiến và đặc điểm của phép đo lấy trung bình tín hiệu theo thời gian vì vậy thời gian thực hiện một phép đo khá dài (cỡ 10 - 20 phút). Điều đó gậy khó khăn cho việc quan sát, đánh giá nhanh độ rộng xung laser trong quá trình điều chỉnh quang học trong BCH để tối ưu hóa độ rộng xung trong quá trình hoạt động của laser.
Đối với các chuỗi xung laser có tần số lặp lại cao ( MHz), chúng ta có số xung laser trong một đơn vị thời gian được tăng lên rất nhiều (hàng triệu lần). Do vậy, về nguyên tắc chúng ta có thể giảm thời gian đo xuống rất nhiều (hàng triệu lần), tức là gần như tức thời. Để giảm thời gian đo, bằng cách nào đó chúng ta biến đổi rất nhanh độ trễ l của nhánh trễ và như thế chúng ta sẽ thu được kết quả đo tức thời. Giải pháp đó là thay bộ dịch chuyển tuyến tính bằng hệ gương quay. Cấu hình hệ đo nhanh độ rộng xung laser theo nguyên lý hiển thị trực tiếp được mô tả trên hình 2.4.
Về cơ bản, hệ đo nhanh độ rộng xung laser cực ngắn được thiết kế dựa trên cấu hình giao thoa kế Michelson với hai nhánh: nhánh thứ nhất cố định, với chiều dài không đổi l; nhánh thứ hai có chiều dài thay đổi bằng cách sử dụng cặp gương phẳng được đặt song song và cách nhau một khoảng 2R trên một trục quay cố định, khi hệ gương quay thì chiều dài nhánh thứ hai thay đổi trong khoảng l l. 2θ θ M3 M2 d M1 R M4 KDP S ψ
Độ lệch quang trình giữa hai nhánh của hệ đo sau một chu trình quay của gương quyết định phạm vi độ rộng xung laser mà hệ đo có thể đo được.
Các tính toán lý thuyết cho kết quả, độ lệch quang trình sau một chu trình quay được xác định theo biểu thức [6]:
(2.1)
Trong đó: là góc tới tạo bởi chùm tia laser với mặt gương quay thứ nhất M1.
d là đường kính của gương quay. Khi = /4 thì độ lệch quang trình cực đại:
Khi hệ gương quay với tần số f (chu kỳ quay T) thì mối liên hệ giữa độ rộng vết tự tương quan τ thu được với độ rộng xung laser thực t được biểu diễn theo công thức (2.2) với giả thiết xung laser có dạng sech2(t) và góc tới ban đầu ψ = /4:
2.2.2. Kết quả đo tức thời độ rộng xung laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay
Với cấu hình hệ đo trên hình 2.5, sử dụng cặp gương quay có đường kính d = 3 cm, phạm vi độ rộng xung laser mà hệ đo có thể đo được trong dải từ hàng trăm femtô giây đến 50 picô giây.
Kết quả đo độ rộng xung laser Nd:YVO4 khóa mode với hệ đo này được biểu diễn trên hình 2.5.
Với hệ laser khóa mode có tần số lặp lại f = 40 MHz, kết quả đo độ rộng xung laser trên hình 2.5a. Với tần số quay của hệ gương frot = 2 Hz, độ rộng xung laser thu được là: t 13 1 (ps). Hình 2.5b là kết quả đo độ rộng xung với laser khóa mode có tần số lặp lại f = 8,8 MHz, tần số quay của hệ gương frot = 2 Hz, độ rộng xung thu được t 13 1 (ps).
Cũng trên hệ đo này, bằng các điều chỉnh quang học đơn giản hệ đo có thể hoạt động tốt ở chế độ đo tự tương quan cường độ. Kết quả đo độ rộng xung laser được biểu diễn trên hình 2.6.
Hình 2.5: Vết tự tương quan giao thoa thu được trên dao động ký. (a) – Tần số lặp lại 40 MHz. (b) – Tần số lặp lại 8,8 MHz.
τ 1,6 ms frot = 2 Hz
τ 1,6 ms frot = 2 Hz
Với hệ laser khóa mode có tần số lặp lại f = 40 MHz, tần số quay của hệ gương frot = 1,5 Hz, độ rộng xung laser thu được là: t 13,1 1 (ps).
Qua các kết quả đo độ rộng xung laser khóa mode cho thấy, độ rộng xung laser thu được cỡ 13 1 ps (cho cả hai trường hợp tần số lặp lại 40 MHz và 8,8 MHz).
2.3. Khảo sát đo độ dài xung với hệ đo Femto-Chrome2.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ
Hệ đo độ dài xung laser cực ngắn được trang bị tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm về Điện tử lượng tử - Viện Vật lý là hệ đo thương mại Femto- Chrome FR-103XL của hãng FEMTOCHROME, RESEARCH.INC Mỹ. Đây là hệ đo theo phương pháp đo tự tương quan cường độ dựa trên cấu hình giao thoa kế Michelson. Nguyên lý hệ đo được biểu diễn trên hình 2.7:
Trong đó nhánh tạo trễ quang học được thực hiện bằng một cặp gương quay [6]. Với một sự thay đổi nhỏ góc tới của chùm ánh sáng tới cặp gương quay, sự thay đổi của thời gian trễ phụ thuộc theo thời gian và được biểu diễn gần đúng theo biểu thức (2.3):
T = (4.f.D.t)/c (2.3) Trong đó: D: là khoảng cách giữa hai gương;
f: là tần số quay; c: là vận tốc ánh sáng.
τ 2,4 ms frot =1,5 Hz
Hình 2.7: Nguyên lý hệ đo Femto – Chrome.
Hình 2.8: Cấu hình cặp gương quay sử dụng trong hệ Femto-Chrome. Sai số không tuyến tính gây ra bởi cặp gương quay được tính toán [6]:
NL = d/4D (2.4) Giới hạn dải đo của hệ được xác định [6]:
(2.5) PMT Khe hẹp Gương phản xạ góc Gương phản xạ Tấm chia chùm Cặp gương quay Thấu kính hội tụ KTP Máy tính D d f
2.3.2. Cấu tạo hệ đo Femto-Chrome
Hệ đo Femto-Chrome FR-103XL sử dụng cặp gương quay đường kính d = 2,5 cm; khoảng cách hai gương D = 7 cm; tinh thể phi tuyến KTP có độ dày 0,3 mm; thấu kính hội tụ được thay thế bởi gương cầu M2 tiêu cự f = 2,5cm; tấm chia chùm độ dày 0,5 mm; PMT Hamamatsu độ nhạy cao; hệ đo có thể hoạt động với các tần số quay khác nhau (10 Hz; 5 Hz hoặc 2,5 Hz). Các thông số chính của hệ:
- Dải bước sóng đo: 0.4 – 1.6 nm - Giới hạn xung đo: 200 ps
- Độ phân giải phép đo: < 5 fs
- Sai số không tuyến tính của phép đo 7%.
Cấu hình và bố trí quang học của hệ đo như trên hình 2.9:
Bố trí quang học của hệ đo (hình chiếu đứng).
Bố trí quang học của hệ đo (hình chiếu cạnh). PMT M3 M1 M2 Gương góc f KTP Tấm chia chùm Laser vào Cặp gương quay M2 PMT KTP
2.3.3. Khảo sát độ dài xung laser cực ngắn với hệ đo Femto-Chrome
Sử dụng hệ đo Femto – Chrome FR-103XL được trang bị, chúng tôi đã tiến hành đo độ dài xung laser khóa mode Nd:YVO4 phát xung cực ngắn, tần số lặp lại xung 40 MHz bơm bằng laser bán dẫn được chế tạo tại Viện Vật lý. Với tần số quay của cặp gương quay là 5 Hz, kết quả đo độ dài xung được thể hiện trên hình 2.11:
Hình 2.11: Vết tự tương quan đo được với tần số quay 5 Hz. Hình 2.10: Ảnh chụp hệ đo Femto- Chrome.
Kết quả đo ở hình 2.11 cho thấy độ bán rộng của vết tự tương quan đo được cỡ 1.4 ms, tương đương độ bán rộng quy đổi ra thời gian trễ theo tham số của hệ đo (T/t = 15,5 ps/ms) là 21,7 ps. Với giả thiết xung laser có dạng Sech2(t), ta có độ dài xung laser khóa mode là 14 ± 1 (ps).
Phép đo được thực hiện lặp lại với tần số quay 2,5 Hz, kết quả đo độ dài xung được biểu diễn trên hình 2.12. Độ bán rộng của vết tự tương quan đo được trên dao động ký là có 2,8 ms, tương ứng với độ bán rộng theo thời gian trễ quy đổi theo tham số của hệ đo (T/t = 7,75 ps/ms) là 21,7 ps. Với giả thiết xung laser có dạng Sech2(t) ta có độ dài xung laser khóa mode là 14 ± 1 (ps).
Hình 2.12: Vết tự tương quan đo được với tần số quay 2,5 Hz.
Như vậy, kết quả đo độ dài xung laser khóa mode Nd:YVO4 tần số lặp lại 40 MHz bơm bằng laser bán dẫn chế tạo tại Viện Vật lý bằng hệ đo thương mại Femto-Chrome với các tần số quay khác nhau của gương quay cho ta kết quả độ dài xung cỡ 14 ± 1 (ps).
2.3.4. Chuẩn hóa hệ đo Femto-Chrome
Theo thông số cung cấp của nhà sản xuất FEMTO-CHROME.INC Mỹ, hệ đo Femto-Chrome có độ rộng xung với dải đo từ 5 fs đến 200 ps với các tần số quay khác nhau (10 Hz, 5 Hz, 2,5 Hz). Tại mỗi tần số quay khác nhau
tương ứng với một hệ số chuyển đổi thời gian giữa giá trị hiển thị trên màn hình và độ rộng vết tự tương quan, cụ thể:
- Với tần số quay 10 Hz, tham số chuyển đổi T/t = 31 ps/ms. - Với tần số quay 5 Hz, tham số chuyển đổi T/t = 15,5 ps/ms. - Với tần số quay 2,5 Hz, tham số chuyển đổi T/t = 7,75 ps/ms.
Trong quá trình sử dụng, các tham số chuyển đổi có thể bị thay đổi. Do vậy, mỗi lần đo nhà sản xuất khuyến cáo chúng ta chuẩn hóa lại hệ đo sao cho kết quả đo được chính xác nhất.
Chúng tôi đã tiến hành chuẩn hóa lại hệ đo theo hướng dẫn của nhà sản xuất, hệ số chuẩn hóa được xác định qua biểu thức (2.6):
(2.6)
Hình 2.13: Hướng dẫn chuẩn hóa tham số chuyển đổi thời gian của hệ đo.
Trong đó:
x: là khoảng dịch chuyển của bộ vi dịch chuyển gắn với gương phản xạ góc của nhánh cố định.
Gương góc
Vết tự tương quan
s: là khoảng dịch chuyển tương ứng của vết tự tương quan hiển thị trên dao động ký khi thay đổi bộ vi dịch chuyển.
Bằng cách dịch chuyển bộ vi dịch chuyển gắn với gương phản xạ góc của nhánh cố định (đo khoảng dịch chuyển) và ghi lại khoảng dịch chuyển của vết tự tương quan trên dao động ký, kết quả chuẩn hóa lại hệ đo được xác định lại như sau:
- Với tần số quay 5 Hz, hệ số chuyển đổi T/t = 14,6 (ps/ms)
- Với tần số quay 2,5 Hz, hệ số chuyển đổi T/t = 7,3 (ps/ms)
Do vậy, kết quả đo độ dài xung laser khóa mode Nd:YVO4 tần số lặp lại 40MHz được bơm bằng laser bán dẫn sau chuẩn hóa sẽ là:
- Với tần số quay 5 Hz, độ dài xung laser khóa mode là 13,1 ± 1 (ps).
- Với tần số quay 2,5 Hz, độ dài xung laser khóa mode là 13,1 ± 1 (ps).
2.4. Đánh giá kết quả đo độ dài xung laser cực ngắn bằng các hệ đo tựchế tạo và hệ đo thương mại Femto-Chrome chế tạo và hệ đo thương mại Femto-Chrome
Với cùng hệ laser khóa mode Nd:YVO4 phát xung cực ngắn với tần số lặp lại 40 MHz bơm bằng laser bán dẫn được chế tạo tại Viện Vật lý, chúng tôi đã sử dụng các hệ đo độ rộng xung tự chế tạo (gồm hệ đo sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến; hệ đo tức thời độ rộng xung sử dụng hệ gương quay) và hệ đo thương mại Femto-Chrome để đánh giá và đo độ dài xung laser được chế tạo. Kết quả đo với các hệ đo khác nhau cụ thể như sau:
- Với hệ đo sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến, kết quả đo độ dài xung là 13 ± 0,5 (ps).
- Với hệ đo tức thời độ rộng xung sử dụng cặp gương quay kết quả đo độ dài xung là 13 ± 1 (ps).
- Với hệ đo Femto-Chrome, kết quả đo độ dài xung là 13,1 ± 1 (ps).
Kết quả trên cho thấy, các hệ đo độ dài xung laser cực ngắn được chế tạo tại Viện Vật lý khá phù hợp với kết quả đo sử dụng hệ đo thương mại Femto-Chrome. Sở dĩ hệ đo độ dài xung laser cực ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến có sai số nhỏ hơn hai hệ đo còn lại là bởi chúng loại bỏ được sai số không tuyến tính tạo bởi cặp gương quay. Các hệ đo tự chế tạo hiện chỉ có khả năng đo các xung laser trong dải cỡ pico-giây bởi sử dụng các yếu tố quang học như gương chia chùm, tinh thể phi tuyến không phù hợp với việc đo các xung trong dải femtô giây. Do vậy việc khảo sát độ dài xung mới chỉ dừng lại ở việc đo xung laser pico giây phát ra từ laser khóa mode Nd:YVO4 bơm bằng laser bán dẫn.
Phần III. KẾT LUẬN
3.1. Ý nghĩa của đề tài.
Trong đề tài này, chúng tôi đã nghiên cứu và trình bày về nguyên lý các phương pháp đo xung laser cực ngắn, sử dụng các hệ đo xung cực ngắn để đánh giá độ dài xung laser Nd:YVO4 khóa mode phát xung cực ngắn tần số lặp lại 40 MHz được bơm bằng laser bán dẫn. Cụ thể các kết quả đạt được:
1. Các phương pháp đo độ dài xung laser cực ngắn:
Phương pháp điện tử đo trực tiếp độ dài xung laser như photodiode; Streak Camera. Trong đó, photodiode được sử dụng để đo các xung laser trong giới hạn xung ngắn nhất cỡ vài trăm picô giây; Streak Camera có thể đo được các xung cực ngắn đến cỡ vài trăm femtô giây.
Phương pháp đo gián tiếp quang học: cơ sở của phương pháp này dựa trên hai cơ sở: xác định hàm tương quan của xung laser và sự biến đổi thời gian – không gian của xung laser cực ngắn. Phương pháp đo gián tiếp quang học phổ biến được sử dụng đó là phương pháp đo huỳnh quang hấp thụ hai photon và phương pháp đo tự tương quan, trong đó:
o Phương pháp đo huỳnh quang hấp thụ hai photon dựa trên quá trình biến đổi thời gian – không gian của xung laser, qua đó chụp ảnh phân giải cao vết phát xạ huỳnh quang của vật liệu khi hai xung laser tương tác với nhau. Ưu điểm của phương pháp huỳnh quang hấp thụ hai photon là sự đơn giản trong cách bố trí hệ đo. Phương pháp này cho phép đo các xung đơn hoặc xung có độ lặp lại thấp. Tuy nhiên, phương pháp huỳnh quang hấp thụ hai photon có nhược điểm là độ phân giải không cao và rất khó đạt được độ chính xác cao.
o Phương pháp đo hàm tự tương quan: đây là phương pháp đo được sử dụng khá phổ biến để đo độ dài xung laser cực ngắn. Cơ sở của phương pháp đó là xác định hàm tự tương quan theo độ trễ thời gian khi cho hai xung laser tương tác với nhau. Qua việc xác định hàm tự tương quan chúng ta có thể xác định được các tham số như độ rộng xung, pha hay quá trình điều biến pha của xung cực ngắn thông qua các hàm tự tương quan với các bậc khác nhau. Ưu điểm của phương pháp này đó là có thể xác định được độ dài của các xung rất ngắn (từ vài fs – vài trăm ps). Tuy nhiên cấu hình hệ đo khá phức tạp và yêu cầu độ ổn định cao.
2. Đo độ dài xung laser khóa mode chế tạo tại Viện Vật lý với các hệ đo tự chế tạo và hệ đo thương mại Femto-Chrome
- Sử dụng hệ đo độ dài xung laser cực ngắn tự chế tạo theo nguyên lý đo tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến, kết quả đo độ dài xung laser
khóa mode (khi dịch chuyển bộ vi dịch chuyển bằng tay và dịch chuyển bằng motor bước) cho kết quả độ dài xung là 13 ± 0,5 (ps).
- Sử dụng hệ đo tức thời độ dài xung laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay, kết quả đo độ dài xung thu được 13 ± 1 (ps).
- Sử dụng hệ đo thương mại Femto-Chrome, kết qủa đo độ dài xung thu được 13,1 ± 1 (ps).
3. So sánh kết quả đo và đánh giá độ chính xác của các hệ đo tự chế tạo
Với việc sử dụng hệ đo Femto – Chrome như là một thiết bị tham chiếu để qua đó đánh giá lại các hệ đo độ dài xung laser cực ngắn tự chế tạo tại Viện Vật lý, các kết quả đo cho thấy các hệ đo tự chế tạo cho kết quả khá trùng khớp với kết quả đo bằng hệ đo Femto-Chrome. Điều đó chứng tỏ rằng các hệ