Luận văn Đo xung Laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo

Nội dung tài liệu: Luận văn Đo xung Laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phƣơng Thị Thúy Hằng ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phƣơng Thị Thúy Hằng ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐO Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số: 604403 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Nguyễn Đại Hưng Hà Nội – Năm 2011
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN 4 1.1. Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học 4 1.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang .5 1.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM) ...6 1.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học .8 1.2.3. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR) ...9 1.2.4. Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM) 10 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN ..13 2.1. Phƣơng pháp điện tử để đo xung laser ngắn .13 2.1.1. Photodiode ..13 2.1.2. Streak Camera 14 2.2. Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn .17 2.2.1. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp – Hàm tự tƣơng quan. .18 2.2.2. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn 22 2.2.2.1. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon .22 2.2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG) .24 2.2.2.3. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tƣơng quan 26 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN.......... .35 3.1. Hệ laser Nd:YVO4 mode-locking . .35 3.2. Sound Card (Bo mạch âm thanh) . . 37 3.3. Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phƣơng pháp tự tƣơng quan .. 39 3.3.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo ... .39 3.3.2. Xây dựng cấu hình hệ đo . ..40
4. 3.3.3. Lập trình cho hoạt động của hệ đo ...42 3.4. Kết quả thực nghiệm của hệ đo .. .45 3.5. Thảo luận .. .47 KẾT LUẬN.......................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO . ..53 PHỤ LỤC . .55
5. MỞ ĐẦU Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu và phát triển. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học Cùng với những ứng dụng không ngừng mở rộng của laser là những tiến bộ trong việc tạo ra các nguồn laser cực ngắn. Các xung laser cực ngắn ra đời, cho phép các nhà khoa học có thể nghiên cứu các quá trình xảy ra cực nhanh trong vật lý cũng như trong hóa học. Bằng việc tạo ra các xung quang học cực ngắn cỡ femto giây (10-15 s) và Atto giây (10-18 s), chúng ta có thể nắm bắt được sự chuyển đổng của các electron trong nguyên tử. Nhờ các xung cực ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được. Trong điện tử, viễn thông, các xung laser cực ngắn cho phép tạo ra các cảm biến siêu nhạy và thực hiện lấy mẫu quang điện trong các mạch điện tử có tốc độ cao. Các xung laser cực ngắn cho phép truyền nhiều tín hiệu trên một đường truyền vì độ rộng của các xung đủ ngắn để đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các xung khi ghép kênh quang học phân chia theo thời gian, đảm bảo cho các tín hiệu tránh được hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) và giảm được độ rộng của kênh khi ghép kênh phân chia theo tần số. Tuy nhiên, để có thể khai thác được hết những ưu điểm của xung quang học cực ngắn mà chúng ta đã nêu ở trên thì việc đo đạc chính xác độ rộng của xung là điều hết sức quan trọng. Nhưng các thiết bị và hệ thống đo điện tử chỉ có khả năng đo được các hiện tượng cực nhanh hay các xung quang học laser cực nhanh với độ dài cỡ một vài pico-giây, với những xung quang học cực ngắn (cỡ femto giây), các 1
6. thiết bị điện tử thông thường sẽ không thể đo được. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp, hệ thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao hơn nữa có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: Nghiên cứu và phát triển thiết bị đo” để thực hiện trong luận văn này. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương: + Chương 1. Các ứng dụng của xung laser ngắn. + Chương 2. Các phương pháp đo xung laser ngắn. + Chương 3. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan. Luận văn được thực hiện tại Phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù tôi đã rất cố gắng nhưng bản luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, các cán bộ khoa học và đồng nghiệp. 2
7. CHƢƠNG 1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA XUNG LASER NGẮN Ngày nay laser đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật. Đi sâu vào các ngành như quang phổ, phân tích chuẩn đoán, môi trường, khoa học vật liệu, công nghệ sinh học hay y học, ở đâu chúng ta cũng thấy bóng dáng của laser. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học . Các ứng dụng càng ngày càng có thêm đòi hỏi cao đối với các hệ laser xung ngắn về điều kiện làm việc ổn định, độ bền và giá thành hạ cũng như những yêu cầu về độ rộng xung càng ngắn. Những tiến bộ mới đây của các laser xung cực ngắn điều chỉnh được bước sóng có ảnh hưởng quan trọng tới việc nghiên cứu của rất nhiều ngành: vật lý, hóa học và sinh học. Các xung laser cực ngắn này còn cho phép thực hiện các ứng dụng tương lai trong ngành truyền thông với tốc độ truyền tối đa, hay theo dõi, điều khiển các quá trình siêu nhanh trên thang đo nguyên tử hay phân tử. Các laser xung cực ngắn hiện đang được dùng phổ biến và hết sức đa dạng trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản. 1.1. Ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học Do laser phát ra xung có độ rộng cực ngắn nên nó cho phép độ phân giải thời gian rất nhanh. Nhờ đó, một lĩnh vực ứng dụng khoa học quan trọng của các laser xung cực ngắn đã ra đời, đó là quang phổ phân giải thời gian [20]. Các nhà khoa học dựa vào quang phổ phân giải thời gian để nghiên cứu các quá trình xảy ra nhanh theo thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học. Một laser mode-locking có 3
8. thể mô tả chuyển động của các đối tượng di chuyển cực nhanh như các nguyên tử hay điện tử, do đó có thể đo được các quá trình hồi phục của các hạt tải trong chất bán dẫn, quá trình động học của các phản ứng hóa học, và việc lấy mẫu quang điện của các mạch điện tử tốc độ cao. Bằng việc sử dụng các laser mode-locking xung cực ngắn có thể đo được quá trình phân tích động học của các nguyên tử và các phản ứng hóa học phức tạp hơn. Những nghiên cứu này đã mang lại giải Nobel về hóa học cho Ahmed Zewail vào năm 1999. Nhờ các xung siêu ngắn mà các nhà khoa học đã có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được. Đặc biệt lĩnh vực hóa học femto giây đang phát triển thành một lĩnh vực to lớn và ở đây đã xuất hiện cơ hội thực sự kiểm soát trực tiếp các phản ứng hóa học nhờ sử dụng các xung laser cực nhanh thích hợp. Vật lý chất rắn có thể được nghiên cứu với độ phân giải thích hợp cho phép phân tích động học điện tử trong các chất bán dẫn, và khảo sát về tương tác cực nhanh giữa vật chất với ánh sáng. Đặc biệt, trong các máy gia tốc, các xung femto giây đang được sử dụng như các bộ tiêm photon để phát các xung điện tử cực ngắn Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra các tiến trình chức năng của các linh kiện điện tử nhờ các xung laser siêu ngắn, và có thể theo dõi xem liệu các xung điện sẽ chuyển động như thế nào qua các vi mạch. Một lĩnh vực ứng dụng lớn khác bao gồm tất cả những ngành ở đó cần tới ánh sáng có cường độ rất cao, chẳng hạn như các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân, trong việc gia công vật liệu hay phẫu thuật mắt. Ngoài ra người ta cũng cần tới ánh sáng cường độ lớn cả trong ngành quang phổ 2 photon. Khả năng tách chiết một cách kết hợp trong một thời gian rất ngắn, một lượng năng lượng cao được tích trữ trong các hệ khuếch đại laser nhờ sử dụng các hệ phát-khuếch đại femto giây đã tạo ra các hệ laser tương đối nhỏ gọn có công suất đỉnh tới vài chục TW. Chúng được 4
9. ứng dụng trong các thí nghiệm vật lý nguyên tử đa photon để phát các chùm tia X cực mạnh. Các xung cực ngắn năng lượng cao đã được sử dụng để nghiên cứu rất nhiều hiệu ứng quang phi tuyến. 1.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang Khả năng ứng dụng phân giải thời gian cao còn diễn ra ở cả các lĩnh vực thông tin và xử lý tín hiệu quang tốc độ bít siêu cao, có thể nói đây là lĩnh vực ứng dụng laser rộng rãi nhất. Với độ đơn sắc và kết hợp cao, các tia laser đã được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc [2]. Sử dụng tia laser để truyền tin tức có ưu điểm: So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp nhiều lần (vì dải tần số mà laser có thể thực hiện được lớn hơn sóng vô tuyến). Ví dụ với sóng vô tuyến, tần số sử dụng là 104 3 1011 Hz thì với các laser quang học hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 3 1012  15 1015 Hz nên dải sóng truyền 4 tăng lên đến 5 10 lần. Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4  0,8 m và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80 105 kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn. Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến. Hiện nay, với laser người ta có thể truyền tin với khoảng cách truyền là 100.000 km. Sử dụng các bước sóng thích hợp, người ta có thể truyền tin hiệu quả ở các môi trường khác nhau. Ngoài ra, các laser với tần số xung lặp lại cỡ GHz là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng của thông tin. Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống viễn thông dung lượng cao, trong các thiết bị chuyển mạch quang (photonic switching devices), sự kết nối quang học và sự phân phối xung clock (clock distribution). Trong tương lai, các xung clock được sử dụng trong các chip được tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integrated), các chùm điện tử phân cực của 5
10. các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ cao sẽ dựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [20, 22]. Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi xung quanh vùng 1,55 m sẽ trở thành linh kiện quan trọng trong viễn thông và thông tin quang. Các hệ thống truyền dẫn tần số 10 GHz thậm chí cao hơn thường được sử dụng xung RZ (return-to-zero) và kỹ thuật quản lý tán sắc soliton (soliton dispersion management techniques). Các nguồn laser 10-100 GHz có công suất trung bình cao ở bước sóng ngắn hơn là các nguồn đầy triển vọng cho xung đồng hồ trong các mạch tích hợp (IC) [22]. Xung clock trong mạch vi xử lý của các máy tính cá nhân (PC) hoạt động với tốc độ lớn hơn 3GHz, tăng từ 15% đến 30% mỗi năm và được dự đoán trước là có tốc độ khoảng 40 GHz vào năm 2020. Tín hiệu xung clock được tạo bởi laser mode-locking có thể được tiêm chính xác vào bên trong bộ vi xử lý với mục đích làm giảm những yêu cầu về công suất trên chip và hiện tượng méo, rung. 1.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM) Trong lĩnh vực thông tin quang, việc truyền tín hiệu quang từ laser bán dẫn qua sợi quang được coi là dữ liệu. Trong phạm vi này, các tần số của xung ánh sáng lặp lại cao hơn có thể truyền nhiều thông tin hơn trong 1s. Nói chung, với tốc độ truyền tin trong vùng GHz (Ví dụ cỡ 2,5 GHz đến 10 GHz), các cửa sổ truyền (transmission windows) sẽ nằm trong khoảng vài trăm ps với các xung cố định. Bảng 1.2 chỉ ra các tốc độ truyền xung tương ứng với cửa số truyền của nó cùng với các tốc độ từ 40 GHz tới 160 GHz. Các cửa sổ truyền ps này chỉ ra việc tạo xung tần số lặp lại cao trong thông tin quang tất yếu dẫn tới việc cần những xung cực ngắn. 6