CHƯƠNG 3 : ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER PICÔ GIÂY
3.2. Thiết lập hệ đo xung
3.2.3. Thực nghiệm đo độ rộng xung
Thay đổi vị trí của nhánh động bằng điều khiển motơ bước đến vị trí xa nhất hoặc gần nhất. Đánh dấu điểm khởi đầu bừng việc ghi nhận giá trị trên micro - mét hoặc giá trị tương đương trên phần mềm điều khiển (hình 3.5). Lựa chọn chế độ đo trên giao diện điều khiển. Các thông số đo được lựa chọn trong thí nghiệm:
- Bước dịch chuyển: 12000 bước (25 mm)
- Ghi nhận tín hiệu: 10 bước/1 điểm hoặc 20 bước/điểm - Kênh tín hiệu: kênh 1 (biên độ đỉnh) trigger ngoài
- 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.
Chương trình điều khiển thiết bị và đo ghi tín hiệu được viết bằng phần mềm Labview. Đây là một chương trình tích hợp cho một số thí nghiệm như điều khiển bước sóng laser, đo phân bố cường độ laser, đo phân bố cường độ bức xạ tự tương quan… Do đó trước khi đo ta phải lựa chọn các thông số phù hợp với chế độ đo. Trong thí nghiệm này, tín hiệu đo được đưa vào dao động ký hai kênh, một kênh sử dụng làm trigger và kênh còn lại nhận tín hiệu bức xạ họa ba bậc hai và được xử lý đồng bộ với quá trình điều khiển khoảng dịch chuyển của nhánh động trong hệ đo tự tương quan.
Kết quả đo độ rộng xung laser từ buồng cộng hưởng phản hồi phân bố đã được khuếch đại tại các bước sóng khác nhau được trình bày trên hình 3.7
(a)
(b)
(c)
Hình 3.7. Đường cong biểu diễn hàm tự tương quan theo thời gian trễ của bức xạ laser từ buồng cộng hưởng DFDL hoạt động ở chế độ nhiễu xạ Bragg
bậc 2: a) tại bước sóng 578,22 nm; b) 567 nm; c) 574 nm. C ư ờ n g đ ộ t ự t ư ơ n g q u a n ( a .u ) Thời gian trễ (ps)
Vết tự tương quan bậc hai được đo tại một số bước sóng phát ra từ laser màu DFDL hoạt động ở chế độ bậc 2 của cấu trúc nhiễu xạ Bragg. Các kết quả trên hình cho thấy cấu trúc của vết tự tương quan bao gồm một đỉnh hẹp trên nền một cấu trúc khá mịn và rộng. Điều này được giải thích bởi quá trình phát xung nhiều đỉnh do sự dao động hồi phục của độ tích lũy trong quá trình phát bức xạ laser. Độ bán rộng thời gian của xung laser tới hạn được tính bởi độ rộng vết của đỉnh laser hẹp. Với một bức xạ laser không có yếu tố khóa mode hoặc dập tắt dao động, độ rộng của xung laser được tính bằng độ bán rộng của đường bao của xung laser. Giá trị độ trễ thời gian ghi nhận được sẽ được chuyển đổi để tính được độ bán rộng của xung laser tùy thuộc vào dạng xung (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Tương quan thời gian - phổ của các dạng xung
Dạng xung Biểu diễn toán học
của cường độ I(t) ∆τ /∆T ∆ ∆v. T
Xung vuông =I0 khi 0 ≤ t≤ ∆T
=0 t<0 và t > ∆T 1 0,886 Dạng Gaussian ( ) 2 2 0,36. 0 t T I e − ∆ = 2 0,441 Dạng sech2 sech2 0,57. t T ∆ 1,55 0,315 Lorent 2 1 2 1 t T + ∆ 2 0,221
Trong trường hợp thí nghiệm của luận văn, dạng xung được giả thiết là dạng Gausian. Độ trễ thời gian (∆τ ) được nhân với hệ số 0,707 sẽ cho ta biết độ bán rộng của xung laser. Các kết quả đo chỉ ra rằng tại các bước sóng
khác nhau, độ bán rộng của xung laser (vết đo tự tương quan) trong khoảng 22,6 ps ÷ 28 ps. Tại vùng bước sóng ngắn hơn trong phổ bức xạ laser DFDL bậc 2 có các cực đại phát xạ hẹp hơn so với bức xạ trong vùng phổ sóng dài.
Các kết quả đo đối với bức xạ laser được bơm bởi năng lượng cao trên ngưỡng phát > 1,5 lần cho thấy không chỉ một đơn xung laser được phát ra mà vết tự tương quan bao gồm tập hợp của các xung laser có độ bán rộng nhỏ nằm bên trong đường bao của vết đo tự tương quan. Sử dụng phương pháp pháp làm mịn nhiều cực đại tín hiệu của chương trình tính Origin như biểu diễn trên hình 3.8 ta có thể thấy cực đại lớn nhất có độ bán rộng xung khá hẹp (khoảng 10 ps).
Một đặc điểm của kỹ thuật đo tự tương quan là cho ta biết đặc trưng thời gian của toàn bộ xung laser mà không cho ta biết cụ thể dạng chính xác của xung. Do đó trong đường bao thời gian của xung laser đo được có thể bao gồm một vài các xung thành phần như minh họa trên hình 3.8 tại bước sóng 578 nm đã được ghi nhận.
Điều này có thể giải thích bằng hiện tượng phát đa xung khi laser DFDL hoạt động ở chế độ bơm cao trên ngưỡng. Hiện tượng này đã được công bố trong [18]. Sự chồng chất về thời gian và không gian (giao thoa) trong tinh thể phi tuyến nhân tần số sẽ tạo nên dạng đường tự tương quan phức tạp (hình 3.9).
Hình 3.9. Độ rộng xung và vết tự tương quan đối với một bức xạ đa xung Các xung thành phần và cực đại chính có tính kết hợp không cao do đó tạo nên hiệu ứng tương quan yếu (các xung này có độ lệch pha nhỏ) dẫn đến hiệu ứng nhân đôi tần số nhỏ và không ổn định cũng như tính đối xứng không cao.
3.3. Kết luận chương
Hệ đo độ rộng xung trên cơ sở kỹ thuật tự tương quan cường độ đã được thiết kế và xây dựng. Sau khi hiệu chuẩn hệ đo, lắp đặt đầu đo photodiode có độ nhậy tương ứng với vùng phổ quan sát, các kết quả đo cường độ tín hiệu tự tương quan theo thời gian đã được ghi nhận. Giá trị đo độ bán rộng xung laser từ buồng cộng hưởng phản hồi phân bố nhiễu xạ Bragg bậc 2 trong vùng Picô - giây cho thấy khả năng ứng dụng hệ đo để xác định độ bán rộng thời gian của các xung laser trong vùng khảo sát.
Thời gian trễ Độ trễ C ư ờ n g đ ộ t ự t ư ơ n g q u an ( a.u ) C ư ờ n g đ ộ t ự t ư ơ n g q u an ( a.u )
KẾT LUẬN
Xung laser ngắn là công cụ hiệu quả và duy nhất để nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh và liên quan tới sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Vật lý và kỹ thuật phát xung laser cực ngắn đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh. Người ta có thể đã phát được các xung cỡ vài femto - giây. Do vậy, những phương pháp và thiết bị đo các thông số của các xung quang học có độ phân giải thời gian cao là rất cần thiết cho các nghiên cứu và ứng dụng quang học quang phổ laser. Một trong các thông số quan trọng cần được xác định là độ rộng của xung cực ngắn.
Trong luận văn này, với nhiệm vụ tìm hiểu và khảo sát thực nghiệm hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn. Những kết quả chính có thể tóm tắt như sau:
• Luận văn nghiên cứu kiến thức cơ bản về laser màu: Do chất màu có phổ huỳnh quang băng rộng, nên rất thuận lợi trong việc phát laser xung cực ngắn và laser điều chỉnh bước sóng có độ đơn sắc cao.
• Luận văn đã tìm hiểu một số thiết bị điện tử và một số kỹ thuật quang học để đo độ rộng xung laser cực ngắn.
• Luận văn đã tiến hành nghiên cứu xây dựng hệ đo đặc trưng thời gian của bức xạ laser xung ngắn dựa trên nguyên lý tự tương quan thời gian cường độ. Bằng giả thiết là các xung laser phát ra từ một buồng cộng hưởng phản hồi phân bố có dạng Gaussian, hệ thí nghiệm đã ghi nhận được một độ rộng xung laser trong khoảng 12 ps đến 16 ps tại các bước sóng laser khác nhau. Các kết quả này chứng tỏ sự thành công của hệ đo độ rộng xung bằng kỹ thuật tự tương quan đã được xây dựng.
Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS.TS Đỗ Quang Hòa cùng các cán bộ khoa học tại trung tâm Điện tử học lượng tử, nhưng do khả năng còn hạn chế và những lý do khách quan khác nên bản luận văn chắc chắn còn nhiều khuyết điểm. Kính mong nhận được những đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.W. Kaiser, “Ultrashort Laser Pulses and Applications”, Topics in Applied Physics, vol.60, Springer - Verlag, Heidelberg (1988).
2. W. Demtroder, “Laser spectroscopy, Basic Concepts and Instrumentation”, 3rd ed., Springer - Verlag, Berlin (2003).
3. H. Bitto, J.R. Huber, “Molecular quantum beats. High - resolution spectroscopy in the time domain”, Acc. Chem. Res. 25 (1992) 65-71.
4. 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).
5. J.L. Boulnois, “Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: A review”, Lasers in Med. Sci. 1 (1986) 47.
6. Carmen A. Puliafito, “Laser Surgery and Medicine. Principles and Practice”, Wiley - Liss (1996).
7. 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.
8. Đỗ Quang Hòa, Giáo trình “xử lý tín hiệu quang học”, Học Viện Khoa học và Công nghệ, VAST.
9. Swam Optic LLC. (2015), website: www.swamoptics.com
10. Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser và 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.
13. Nguyễn Đại Hưng, Giáo trình “Vật lý và 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 và 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).