Để tiến hành phộp đo ta cần cú cỏc thiết bị và số lượng như sau:
STT Loại thiết bị Số lượng
1. Lăng kớnh 2
2. Photodide 2
3. Thấu kớnh hội tụ 1
4. Tinh thể phi tuyến (KDP) 1
5. Phin lọc tử ngoại (UV) 1
6. Motor DC 1
7. Bộ điều khiển Motor 1
8. Mạch khuyếch đại (Amplifier) 1
9. Mạch Triger 1
10. Card PCL - 711S 1
11. Phần mềm LabView 1
12. Mỏy vi tớnh 1
13. Dõy cable
Bảng 2.2. Cỏc thiết bị cần thiết xõy dựng hệ đo
2.2.2. Bố trớ thực nghiệm và sự hoạt động hệ đo autocorrelator
Cú nhiều cấu hỡnh thực nghiệm đang được sử dụng, chỳng khỏc nhau chủ yếu ở hệ thống thu và ghi tớn hiệu, ở cỏch thực hiện việc làm trễ xung. Tuy nhiờn cỏch bố trớ thực nghiệm phổ biến nhất hiện nay (hỡnh 2.14) dựa trờn cơ sở cấu hỡnh giao thoa kế Michelson, trong đú hai gương phản xạ được thay bằng lăng kớnh retroreflector để trỏnh cho chựm phản xạ trựng với chựm laser tới.
Một trong hai lăng kớnh được đặt trờn một bàn dịch chuyển để nhanh chúng hiệu chỉnh khoảng làm việc của hệ đo; lăng kớnh kia được đặt trờn một bàn vi chỉnh mà độ dịch chuyển của nú đo được một cỏch chớnh xỏc.
Hỡnh 2.12: Bố trớ thực nghiệm đo lường vết autocorrelation bậc 2
Trong hỡnh 2.12a hai chựm tia sau khi phản xạ từ cỏc lăng kớnh được hợp lại với nhau và giao thoa với nhau dọc theo đường truyền của chỳng (trong phạm vi chiều dài kết hợp). Với sự bố trờn hỡnh 2.12b hai chựm tia sau khi phản xạ từ cỏc lăng kớnh sẽ truyền đi song song (nhưng khụng trựng nhau), vỡ thế sự giao thoa giữa chỳng coi như được loại trừ. Trong trường hợp này việc sử dụng một thấu kớnh hội tụ để hội tụ hai chựm tia vào tinh thể phi tuyến hiển nhiờn là cần thiết, song ngay cả trong trường hợp 2.12a việc sử dụng thấu kớnh hội tụ tiờu cự ngắn cũng cần thiết vỡ điều đú cho phộp tạo nờn mật độ bức xạ cao trờn tinh thể để làm xuất hiện sự phỏt hoà ba bậc hai.
Rừ ràng rằng vết autocorrelation chỉ cú thể thu được khi sử dụng cỏch bố trớ hệ đo theo sơ đồ trờn hỡnh 2.12a. Sử dụng sơ đồ này cỏc “võn giao thoa” xuất hiện cả trong tớn hiệu trước và sau tinh thể. Vỡ vậy ta cần phải dựng một phin lọc phổ truyền qua để chỉ lọc lấy tớn hiệu hoà ba bậc hai.
Với hệ đụ theo sơ đồ trờn hỡnh 2.12b chựm sỏng hoà ba bậc hai phỏt ra theo phương phõn giỏc của gúc hợp bởi hai chựm sỏng tới. Do vậy trong trường hợp này
cú thể chỉ cần sử dụng một phin lọc khụng gian. Một điều đỏng chỳ ý khỏc là việc lọc lựa khụng gian như vậy đồng thời cung cấp khả năng loại trừ nền (bachkground). Điều đú cú nghĩa là đường cong ghi được thực sự là hàm intensity autocorrelation G(2)(τ).
Khi tiến hành đo lường, việc chọn tinh thể và chỉnh quang học để đạt được hiệu suất biến đổi cao cần phải được chỳ ý. Khi chọn tinh thể việc chọn loại tinh thể núi chung là dễ dàng (cỏc tinh thể BBO và KDP được dựng phổ biến vỡ chỳng cho một hiệu suất biến đổi cao trong một khoảng bước súng rộng), song việc chọn độ dày hỡnh học của tinh thể lại là một vấn đề cần chỳ ý, đặc biệt là khi đo lường cỏc xung femto - giõy.
Việc dịch chuyển lăng kớnh trong tầng làm trễ thường được thực hiện nhờ một motor chớnh xỏc cao kốm theo một cảm biến vị trớ để đồng bộ thời gian trễ với tớn hiệu được đo. Tốc độ dịch chuyển của motor và thời gian đo được chọn phự hợp với tần số lặp của xung laser, với mức độ lấy trung bỡnh tớn hiệu và với những điều kiện thực nghiệm khỏc.
Hinh 2.13. Sơ đồ hệ đo xung laser cực ngắn autocorrelator
2.2.2.1. Hai lăng kớnh
Hai lăng kớnh cú chung một nhiệm vụ là chuyển chiều ỏnh sỏng theo hướng mong muốn. Với lăng kớnh thứ nhất (Prism) là lăng kớnh cố định, cũn lăng kớnh thứ hai (Retroreflector) thỡ cú thể chuyển động tịnh tiến dọc theo một trục cố định thụng qua sự chuyển động của DC Motor.
Ta chọn loại này thay vỡ chọn gương phản xạ để điều chỉnh tia tới và tia phản xạ khụng giao thoa với nhau dọc theo đường truyền. Nhiệm vụ của người thiết kế là điều chỉnh sự tương quan giữa hai lăng kớnh để điều chỉnh sự tự tương quan của tớn hiệu xung laser thụng qua đú xỏc định tớn hiệu cần đo.
2.2.2.2. Photodiode
Hai Photodiode này cú nhiệm vụ chuyển đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu quang. Thụng qua đú để thu nhận tớn hiệu cần đo.
2.2.2.3. Thấu kớnh hội tụ
Cú nhiệm vụ hội tụ hai nguồn sỏng, tạo nờn mật độ năng lượng đủ lớn trờn tinh thể phi tuyến để tạo ra hoà ba bậc hai.
2.2.2.4. Tinh thể phi tuyến KDP
Đõy là tinh thể đặc biệt dựa trờn miền hoạt động phi tuyến của nú. Giả sử tớn hiệu của nguồn phỏt xung laser cú tần số là ω, khi được hội tụ vào tinh thể và ta điều chỉnh sự tương quan giữa hai tia sỏng tới thỡ sẽ xuất hiện tớn hiệu cú tấn số 2ω đi qua tinh thể phi tuyến theo phương phõn giỏc với hai tia đi ra khỏi thấu kớnh mà phỏt với tần số ω.
2.2.2.5. Phin lọc UV
Nhiệm vụ của phin lọc này là chỉ cho phộp tớn hiệu cú thành phần tần số 2ω và cản trở nhiễu nền đi tới Photodiode (PD).
Motor này cần yờu cầu với độ chớnh xỏc cao, tốc độ dịch chuyển của Motor cú thể thay đổi trong khoảng 0,01 mm/phỳt - 10mm/phỳt, khoảng dịch chuyển của DC Motor được ghi trờn trục của nú, khoảng cỏch cực đại là 8cm. Thụng qua Motor mà ta cú thể xỏc định được độ rộng ∆x của xung 2ω từ đú suy ra thời gian kộo dài xung 2ω từ đú suy ra thời gian kộo dài xung 2ω (∆τ). Khi cú thời gian kộp dài xung 2ω thỡ rất dễ dàng xỏc định được thời gian kộo dài xung cần đo ∆T. Hoạt động của Motor cú thể được điều khiển bằng mỏy vi tớnh.
2.2.2.7. Bộ điều khiển DC Motor (Motor Controller)
Motor Controller cú nhiệm vụ Set or Reset DC Motor và điều khiển theo hai chiều tiến (forward) hay lựi (backforward) khỏc nhau.
2.2.2.8. Mạch khuếch đại (Amplifer)
Nhiệm vụ của mạch khuếch đại là khuyếch đại tớn hiệu điện trước khi đưa tớn hiệu vào mỏy tớnh xử lý.
2.2.2.9. Mạch Triger.
Bộ Triger cú tỏc dụng tạo ra cỏc xung đồng bộ để đồng bộ với nguồn phỏt Laser. Mạch này dựng để cho phộp hay khụng cho phộp hoạt động ADC trỏnh cho ADC hoạt động liờn tục dẫn tới chuyển đổi cả nhiễu nền.
2.2.2.10. Card PCL - 711S
PCL - 711S Card là loại Card cắm trong mỏy tớnh cho phộp ta ghộp nối với cỏc thiết bị điều khiển (Motor) và cú thể chuyển đổi tớn hiệu tương tự thành số.
2.2.2.11. Cài đặt một chương trỡnh phần mềm LABVIEW
Đõy là loại ngụn ngữ cú thể dựng để điều khiển thiết bị, chương trỡnh này rất tiện ớch khi sử dụng để xõy dựng cỏc hệ đo vỡ nú tương thớch với nhiều thiết bị chuẩn quốc tế như: GPIB, DAQ, SERIAL … Mặt khỏc, LABVIEW cũn cung cấp rất nhiều
cỏc hàm cho việc tớnh toỏn trong rất nhiều lĩnh vực khỏc nhau như: xỏc suất, truyền thụng số, đo đạc …
2.2.2.12. Mỏy tớnh PC
Việc đo lường tự động hoỏ, lưu trữ và tớnh toỏn số liệu sẽ rất cần tới PC, nú cho phộp ta cú thể đo đạc và xử lý chớnh xỏc kết quả đo cũng như phối hợp điều khiển hệ thống.
2.2.2.13. Dõy Cable
Dõy Cable để lối cỏc bộ phận của hệ thống với nhau tạo thành một hệ thống khộp kớn hoàn chỉnh.
2.2.3. Hướng dẫn sử dụng và một số lưu ý khi bố trớ hệ đo. 2.2.3.1 Hướng dẫn sử dụng autocorrelator
Để đo độ dài của cỏc xung laser cú độ dài từ 500 ps xuống tới 50 fs (femtụ - giõy) trong vựng phổ nhỡn thấy, với tần số xung lặp lại 20Hz.
Cỏc bước đo được tiến hành như sau: 1. Kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống:
- Lỏi chựm tia laser cần đo và hệ thống sao cho chựm tia đi xuyờn qua cả hai diapharam.
- Kiểm tra và hiệu chỉnh độ song song của hai chựm tia đi tới thấu kớnh - Kiểm tra cỏc đầu cỏp tớn hiệu, cỏp trigger xem đó nối đỳng vị trớ chưa 2. Chạy phần mềm LabVIEW, sau đú mở chương trỡnh Laser Pulse.llb
3. Lấy tớn hiệu trigger vào phottodiode PD2, bật cụng tắc phõn cực trờn vỏ hộp diode
4. Bật cụng tắc nguồn cho bộ khuếch đại, đặt cỏc nỳm điều chỉnh độ khuếch đại ở vị trớ số 3.
5. Bật cụng tắc điều khiển motor ở vị trớ “Manual”, bật cụng tắc nguồn bộ điều khiển motor (ở phớa nắp sau)
6. Điều khiển cho motor quay tới vị trớ chớnh giữa khoảng dịch chuyển
7. Hội tụ cỏc chựm tia vào tinh thể, chỉnh cho tinh thể phỏt hoà ba bậc 2 do tỏc dụng của cả 2 chựm. Thu tớn hiệu bằng photodiode PD1 đặt sau một phin lọc UV.
8. Dịch chuyển giỏ của lăng kớnh P1 để cường độ hoà ba bậc 2 đạt mạnh nhất. 9. Dịch chuyển motor ra vị trớ ngoài cựng (hoặc trong cựng). Đặt tốc độ quay motor ở vị trớ 5 vũng/phỳt
10. Chạy chương trỡnh đo, đồng thời bật cụng tắc cho motor hoạt đụng. Quỏ trỡnh đo bắt đầu thực hiện
11. Khi thu xong vết autocorrelation, dừng chương trỡnh đo đồng thời dừng motor bằng cỏch tắt cụng tắc nguồn. Ghi dữ liệu vào file cần thiết.
2.2.3.2. Một số lưu ý khi bố trớ hệ đo.
Trong việc xõy dựng hệ đo cũng như tiến hành đo cần phải chỳ ý một cỏch đầy đủ đến cỏc yếu tố gõy ra sai số.
Yếu tố đầu tiờn cần chỳ ý là toàn khoảng phổ của xung phải được biến đổi một cỏch hiệu quả bởi tinh thể phi tuyến. Điều kiện này cú thể đảm bảo bằng sự mở rộng gúc phự hợp pha tại tiờu điểm của thấu kớnh. Yếu tố quan trọng thứ hai là phải chỳ ý đến ảnh hưởng của sự tỏn sắc tốc độ nhúm (Group Velocity Dispersion - GVD). GVD xảy ra với cỏc xung laser và quang sai của thấu kớnh sẽ gõy ra sự mở rộng bản thõn cỏc xung và mở rộng vết autocorrelation đo được. Do sự tỏn sắc tốc độ nhúm một xung laser 30 fs khi truyền qua tinh thể KDP cú độ dày 0,2 mm thỡ hiệu thời gian truyền qua giữa thành phần tần số cao nhất với thành phần tần số thấp nhất vào cỡ 5 fs. Để hạn chế ảnh hưởng của GVD hoặc là ta sử dụng tinh thể cú chiều dài ngắn (cỡ 100àm khi đo xung femtụ - giõy) hoặc sử dụng thấu kớnh cú tiờu cự ngắn. Thờm vào đú, cỏc thành phần quang học được dựng trong hệ cũng nờn cú độ dày nhỏ nhất cú thể.
Một nguyờn nhõn gõy sai số khỏc là sự hiệu chỉnh quang học và sai số cơ khớ khi dịch chuyển lăng kớnh. Núi chung những sai số này là nhỏ và ớt quan trọng, chỳng chỉ cú ảnh hưởng lớn khi cần một độ phõn giải thời gian rất cao. Những sai số loại này cú thể hạn chế bằng việc hiệu chỉnh tốt cấu hỡnh hỡnh học của hệ đo.
2.4 Kết quả đo. Hỡnh 2.14 Vết tự tương quan autocorrelation hiện thị qua phần mềm LabView
2.3.1. Xỏc định độ rộng xung laser mode-locking thụ động
Kết quả đo được, độ rộng của vết autocorelator là 20 ps. Với giả thiết dạng xung đo được cú dạng sech2, độ rộng xung laser mode-locking thực tế cỡ 13 ps.
20 13 1.54
T ps
∆ = =
2.3.2. Xỏc định độ rộng xung Laser màu STS ở bước súng 562 nm
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Vết tự tương quan xung laser Nd:YVO4 mode-locking
In te ns ity (m W ) Time (ps) Thời gian (ps) C ư ờ n g đ ộ (m W )
Hỡnh 2.15. Vết tự tương quan xung laser mode-locking thụ động
Hỡnh 2.16 . Vết autocorrelation Laser màu STS ở bước súng 562 nm - Xung đưa vào đo cú dạng sech2
- Độ rộng vết đo được là ~115 ps (FWHM), do vậy độ rộng xung laser ra được đỏnh giỏ là ~75 ps
- Ta cú 115 75 1.54
T ps
∆ = =
2.4.1. Thiết kế
Thiết kế cho thiết bị này đó được phõn tớch [2]. Xột cấu hỡnh (hỡnh 1), trong đú độ dài một nhỏnh của giao thoa kế Michelson được biến điệu bằng hệ gương quay M1, M2 (hỡnh 2). Sau khi qua tấm chia chựm S, trong nhỏnh thứ nhất chựm sỏng tới gương M4, sau đú phản xạ lại và tới tinh thể phi tuyến KDP. Trong nhỏnh thứ hai, chựm sỏng đến gương M1, phản xạ tới gương M2, tới gương M3 sau đú phản xạ lại theo quang trỡnh ban đầu và cựng tới tinh thể KDP. Tớn hiệu 2ω - vết tự tương quan - được thu bằng nhõn quang điện PM và được hiển thị trờn dao động ký. Cần chỳ ý rằng: cấu hỡnh này cú thể đo vết tự tương quan cường độ hoặc vết tự tương quan giao thoa nhờ một sự thay đổi quang học đơn giản.
Khi quay hệ gương một gúc θ, quang trỡnh sẽ thay đổi một lượng ∆L là:
∆L=2∆l=4R[sin2Ψsinθ−(1−cos2Ψ)(1−cosθ)] (2.14) Đối với gúc θ << 2 π ta cú: ∆ = θ Ψ−2θ(1−cos2Ψ) 1 2 sin R 4 L (2.15)
Vỡ số hạng thứ hai trong ngoặc là bộ nờn ta cú thể bỏ qua nú. Do đú, ta cú
Ψ θ ≈
∆L 4R sin2 (2.16)
Hỡnh 2.17. Sơ đồ nguyờn lý hệ đo trực tiếp độ rộng xung laser ngắn .
Từ phương trỡnh (2.16) ta thấy với những gúc quay θ bộ thỡ ∆L phụ thuộc tuyến tớnh vào θ. Do đú, nếu hệ gương quay với một tần số gúc đủ lớn (trờn 20 Hz) thỡ vết tự tương
2 θ θ M 3 M 2 d M 1 R Chựm tia tới M 4 K DP S ψ P M
quan được quột rất nhanh và trờn màn hỡnh dao động kớ vết tự tương quan được hiển thị một cỏch “liờn tục”.
Do đường kớnh gương d<<R, gương M2 chỉ cắt tia sỏng khi gúc quay nằm trong một giới hạn nhất định θmax. Với gúc θmax bộ, ta cú:
( − Ψ) Ψ = θ 2 cos 2 R sin d max (2.17) Hiệu quang trỡnh lớn nhất cú thể đạt được với một gúc tới ψ cho trước là:
∆ ≈ − Ψ ΨΨ 2 cos 2 sin 2 sin d 4 L (2.18) 2.4.2. Bố trớ thiết bị.
Dựa trờn cỏc kết quả thiết kế thu được trờn, thiết bị đo được phỏt triển (hỡnh 3), trong đú:
a) PM là nhõn quang điện dựng để thu tớn hiệu 2ω phỏt từ tinh thể phi tuyến.
b) Rotator là hệ gương quay gồm hai gương nhụm (hệ số phản xạ 98%, đường kớnh gương là d = 3 cm) được gắn ở hai đầu trục quay cú bỏn kớnh R=7.5 cm) và động cơ quay mà tần số quay được điều khiển bởi điện thế.
c) KDP là tinh thể phi tuyến để phỏt họa ba bậc hai.
d) M1 là gương phản xạ toàn phần với bước súng 1064 nm. e) S là gương chia chựm với hệ số phản xạ 50%.
2.4.3. Kết quả thực nghiệm
Với hệ đo vết tự tương quan được thiết kế và chế tạo như trờn và sử dụng một dao động ký thụng thường 20 MHz, thiết bị đo xung đó được sử dụng để đo và thu vết tự tương quan của cỏc xung laser cực ngắn (cỡ 10 ps) được phỏt ra từ hệ laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động, tần số lặp lại 30-100 MHz, được bơm bằng laser bỏn dẫn .
Khi hệ gương quay với tần số f thỡ theo phương trỡnh (2.16) ta cú mối liờn hệ giữa độ rộng vết tự tương quan ∆τ thu được với độ rộng xung thực ∆T được cho bởi cụng thức sau với giả thiết xung laser cú dạng sech2(t) và gúc tới ban đầu
ψ =π/4: ∆L =4.R.θ.sin2ψ (2.22) ⇒ ∆ =L 8 . .sin 2 . .π R ψ f ∆ =τ 1,54.∆T c. (2.23) 8. . .1,54. . 1,542. . q q R T c T T π ∆τ π τ∆ ⇒ ∆ = = 10-9(s) (2.24)