2.1.1. Photodiode.
Các photodiode hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong, với
năng lượng photon lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán dẫn đã và đang được sử dụng, ít nhất được sử dụng để hiển thị chuỗi xung laser. Để quét sạch hoàn toàn các hạt tải sinh ra trong miền nghèo bởi sự kích thích
cưỡng bức của các xung laser cần phải có một thời gian hữu hạn. Chính khoảng thời gian này ngăn cản việc xác định chính xác dạng xung. Ngay cả khi sử dụng photodiode có diện tích miền hoạt tính cực nhỏ(vài micro
mét vuông) và điện áp ngược cao, giới hạn thời gian cỡ hàng chục pico- giây vẫn tồn tại ở sườn trước và sườn sau của xung điện. Trong thực tế, bản thân sự hiển thị đòi hỏi một oscillocope có độ rộng băng lớn đến mức mà chỉ có kỹ thuật lấy mẫu (sampling technique) mới đáp ứng được tốt.
Kỹ thuật này đang được sử dụng để đo lường các xung tương đối dài (> 100 ps).
Gần đây, những phương pháp mới đã cho phép chế tạo những detector có hằng số thời gian được thu nhỏ đáng kể, tới vài trăm femto- giây. Một ví dụ điển hình là detector chế tạo từ silic trên đế sapphire (silicon on sapphire - SOS) [16].
Như vậy, với các photodiode nhanh nhất, phương pháp đo lường xung laser ngắn bằng hệ photodiode-oscillocope chỉ cho phép phân giải tối đa ởkhoảng thời gian vài chục pico-giây.
2.1.2. Streak Camera
Một thiết bị quang điện phức tạp hơn được sử dụng để đo lường xung laser cực ngắn là “Streak Camera”. Streak Camera là thiết bị dùng
để đo lường các hiện tượng quang học cực nhanh, nó ghi nhận và hiển thị
sự phụthuộc của cường độ theo thời gian và vị trí (hay bước sóng). Hiện nay, Streak Camera là thiết bị duy nhất cho phép đo lường trực tiếp các hiện tượng quang học cực nhanh với độ phân giải cao [16].
Streak Camera là thiết bị hai chiều, nó có thể được dùng để đo lường đồng thời hàng chục “kênh” ánh sáng khác nhau. Ví dụ, khi sử
dụng Streak Camera với máy quang phổ, ta có thể đo được sự thay đổi
cường độ ánh sáng tới theo thời gian và bước sóng (quang phổ phân giải thời gian); sử dụng cùng với các thành phần quang học thích hợp khác, ta có thể đo lường sự thay đổi cường độ sáng theo thời gian và vị trí (đo lường phân giải không gian và thời gian)
Nguyên tắc hoạt động của Streak Camera được biểu diễn trên hình 2.1. Chùm sáng cần đo (giả sử gồm một chuỗi các xung quang học có
cường độkhác nhau và lệch nhau một chút về không gian và thời gian) đi
qua một khe hẹp và được tập trung trong diện tích ảnh của khe trên photocathode của ống streak nhờmột hệthống quang học.
Hình 2.1. Nguyên tắc hoạt động của ống streak (Hamamatsu) (a); cơ chếquét (b) [17]
Ánh sáng tới trên photocathode được biến đổi thành các photoelectron theo hiệu ứng quang điện ngoài. Các xung quang học lần
lượt được biến đổi thành các đoàn photoelectron, số photoelectron tỷ lệ
với cường độ ánh sáng của một chuỗi xung. Các photoelectron được gia tốc về phía màn ảnh phosphor bởi một điện áp gia tốc khoảng 2 – 5 kV. Profile thời gian của các electron phản ánh tiến trình thời gian của cường
độánh sáng trên khe.
Sau khi gia tốc, các photoelectron bay qua giữa hai điện cực của hệ
thống quét. Một điện áp cao được đặt đồng bộ chính xác về thời gian và
(a)
ánh sáng tới lên các điện cực quét (hình 2.1b). Điện áp này tạo nên một sự
quét tốc độ nhanh (các electron được quét từ trên xuống dưới), tốc độ quét
được chọn tùy theo yêu cầu độ phân giải thời gian cần thiết. Trong quá trình quét,các photoelectron đi vào hệthống quétở những thời điểm khác nhau bị làm lệch những góc khác nhau theo phương thẳng đứng. Sau khi bị làm lệch khỏi hệ thống quét, các photoelectron đi vào tấm kính vi kênh (Micro-channel-plate - MCP).
Sau khi đi qua tấm vi kênh, số photoelectron được nhân lên vài nghìn lần. Sau đó chúng đập lên mà phosphor. Việc sử dụng tấm vi kênh là do yêu cầu hạn chế độ phát xạ của photocathode để giữ điện tích không gianở mức thấp nhất.
Trên mà phosphor, ảnh huỳnh quang của xung quang học đến sớm nhất sẽ nằm ở vị trí cao nhất, các ảnh khác (ứng với các xung đến chậm
hơn) được sắp xếp lần lượt từ trên xuống dưới. Như vậy, phương thẳng
đứng trên mà phosphor đóng vai trò là trục thời gian. Độ chói của ảnh huỳnh quang tỷ lệ với cường độ các xung quang học. Vị trí trên phương
ngang của ảnh phosphor tương ứng với vị trí ngang của ánh sáng tới. Như
vậy, Streak Camera được dùng đểbiến đổi sự phân bố cường độánh sáng theo thời gian và không gian thành sự phân bố độchói củaảnh theo không gian trên màn phosphor.
Thông thường, trong đo lường các hiện tượng quang học cực nhanh bằng Streak Camera ta cần sử dụng thêm một hệ trigger (trigger section) và một hệ đọc kết quả (readout section). Cấu hình cơ bản của toàn bộ hệ được trình bày trong hình 2.2.
Hệ trigger điều khiển thời gian quét. Hệnày cần được điều chỉnh để
nó khởi động quá trình quét ngay khi xung quang học cần đo đến Streak Camera. Muốn làm điều đó, ta sử dụng một khối làm trễ để tín hiệu trigger và một bộ chia tần số để chia tần số tín hiều từ trigger ngoài khi
trigger không thể lấy trực tiếp từ thiết bị (chẳng hạn từ nguồn laser), ta dùng một photodiode PIN để tạo tín hiệu trigger từ chính bản thân tín hiệu
được đo.
Hình 2.2: cấu hình cơ bản của hệStreak camera [17]
Hệ thống đọc kết quả các tác dụng đọc và phân tích ảnh Streak
được tạo ra trên màn phosphor. Ảnh Streak thu nhận bởi một camera độ
nhạy cao và được truyền tới máy tính để xửlý và phân tích.
Phạm vi ứng dụng của Streak Camera phù hợp nhất là trong các thí nghiệm phân giải quang phổ thời gian. Tuy nhiên, nhờ có độ phân giải thời gian cao, Streak Camera cho phép đo lường rất tốt các xung laser cực ngắn. Độ phân giải của Streak Camera ngày càng được nâng cao. Hiện
nay, các Streak Camera có độ phân giải cao nhất của hãng Hamamatsu
cho phép đo xung laser cực ngắn đến 400 fs.