Đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan nghiên cứu và phát triển thiết bị đo

Measuring ultra-short laser pulses by
autocorrelation method: research and
development equipment

Phuong Thị Thuy Hang

Hanoi University of science, VNU; Faculty of Physics
Major: Radio Physics and Electronics; Code: 604403
Supervisors: Prof. Dr. Nguyen Dai Hung, Institute of Physics
- Institute of Science and Technology Vietnam
Date of Presenting Thesis: 2011
Abstract. Nghiên cứu những ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa
học cũng như ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang (Ghép kênh phân chia
theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM), việc tách xung
đồng hồ quang học, phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain
reflectometry - OTDR), ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division
Multiplexing -WDM)). Trình bày các phương pháp đo xung laser ngắn qua phương
pháp điện tử để đo xung laser ngắn; phương pháp quang học để đo xung laser cực
ngắn. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự
tương quan: hệ laser Nd:YVO4 mode-locking; sound Card (Bo mạch âm thanh). Xây
dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: xây dựng
sơ đồ nguyên lý của hệ đo; xây dựng cấu hình hệ đo và lập trình cho hoạt động của
hệ đo. Đưa ra kết quả thực nghiệm của hệ do.

Keywords. Vật lý vô tuyến; Điện tử; Laze; Thiết bị đo; Thông tin quang

Content
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.
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 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.
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. 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 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. 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). Do năng
lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến.
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).
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].
1.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division
multiplexing OTDM)
Phương pháp phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM) là kết hợp vài
tín hiệu với tần số lặp lại thấp để tạo ra một tín hiệu kết hợp có tần số lặp lại cao hơn.
Ở nơi nhận, tín hiệu được phân tích thành các tín hiệu tốc độ bit thấp đã hợp thành,
mà sau đó nó có thể được thực hiện bởi thiết bị thiết kế cho tín hiệu tần số thấp này
[22, 8]. Tại bộ thu, các bộ điều chế được sử dụng như các cổng để tách dữ liệu 40
GHz thành các tín hiệu ghép 10 GHz, sau đó được truyền tới các bộ thu tách tín hiệu
10 GHz. Kết quả là một tín hiệu 40 GHz đã được truyền và nhận nhưng chỉ sử dụng
công nghệ 10 GHz. Tuy nhiên tại bộ thu sẽ thu được các tín hiệu OTDM kết hợp với

tín hiệu clock. Việc giải tín hiệu OTDM đòi hỏi phải có sự tách tín hiệu xung clock ra
khỏi dữ liệu
1.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học
Các laser xung có thể được sử dụng để đồng bộ tín hiệu xung clock trong
luồng dữ liệu và lối ra của chúng có thể sử dụng như tín hiệu định thời. Các phương
pháp tạo xung ngắn khác cũng có thể được sử dụng để thực hiện khôi phục tín hiệu
clock qua sợi quang trong đó có laser bán dẫn mode-locking. Hiện nay laser bán dẫn
mode-locking đã được sử dụng để tách tín hiệu xung clock từ tín hiệu OTDM 40
Gb/s để tạo thành các tín hiệu có tốc độ 10GHz.
1.2.3. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain
reflectometry - OTDR)
Kỹ thuật phản xạ kế trong miền thời gian quang học OTDR được sử dụng để
đo sợi quang thông qua việc thể hiện kết quả đo bằng hình ảnh các đặc tính suy hao
của sợi quang dọc theo chiều dài sợi. OTDR là phương pháp duy nhất hiện có để xác
định chính xác vị trí lỗi gẫy của sợi quang trong một tuyến cáp quang đã lắp đặt mà
mắt thường không nhìn thấy được. Phương pháp OTDR được thực hiện bằng cách
gửi một xung quang qua sợi quang và theo dõi ánh sáng phản xạ trở lại. Bằng việc
xác định công suất phản xạ theo thời gian có thể hình thành đường bao mất mát của
sợi quang. Các đỉnh nhọn gây ra trong quá trình phản xạ về là do vết gãy trong sợi
quang. Khoảng cách từ nguồn đến vị trí lỗi có thể tính toán từ thời gian truyền và sau
đó có thể kiểm tra lại vị trí đó đã chính xác chưa.
1.2.4. Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (Wavelength Division Multiplexing -
WDM)
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng là một cách gọi khác cho kỹ
thuật phân chia kênh theo tần số quang học (OFDM Optical Frequency Division
Multiplexing) [6]. Kỹ thuật này cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng
tốc độ bít truyền dẫn và không cần sử dụng nhiều sợi dẫn quang. Kỹ thuật này thực
hiện việc truyền ánh sáng có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi. Lý do để thực
hiện điều này là các hệ thống thông tin quang thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ
băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có và các nguồn phát xung ánh sáng có độ rộng khá

hẹp.
Kết luận chƣơng 1
Trong chương này, một số ứng dụng của xung laser ngắn trong vật lý, hóa
học, sinh học và trong việc truyền thông tốc độ cao đã được giới thiệu. Xung laser
ngắn ngày càng có vai trò hết sức quan trọng trong thực tiễn cuộc sống cũng như
trong nghiên cứu khoa học. Để có thể sử dụng được hết những ưu điểm của các xung
laser ngắn, việc xác định chính xác độ rộng của xung là điều quan trọng. Chính vì
vậy, trong chương tiếp theo, luận văn sẽ nghiên cứu các phương pháp đo xung laser
ngắn.
CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN

Như đã trình bày ở chương 1, 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 ngắn đã và đang được nghiên
cứu, phát triển mạnh mẽ. Người ta đã có thể phát được các xung laser 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 và laser. Một trong các thông số quan trọng cần được xác định là độ
rộng thời gian của xung ngắn. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu một số thiết bị
điện tử và một số kỹ thuật quang học để đo độ rộng của xung laser ngắn.
2. 1. Phƣơng pháp điện tử để đo xung laser ngắn
2.1.1. Photodiode
Kỹ thuật này đang được sử dụng để đo lường các xung tương đối dài (> 100
ps). Với các photodiode nhanh nhất, phương pháp đo lường xung laser ngắn bằng hệ
photodiode-oscillocope chỉ cho phép phân giải tối đa ở khoảng 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 phụ thuộc 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
[15].
Hiện nay, các Streak Camera có độ phân giải cao nhất của hãng Hamamatsu
cho phép đo xung laser cực ngắn đến 400 fs [10].
2.2. Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn.
2.2.1. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp – Hàm tự tƣơng quan
Các phương pháp này được xây dựng trên hai cơ sở:
+ Hàm tương quan (correlation functions)
+ Sự biến đổi thời gian – không gian.
Giả sử có hai tín hiệu xung được mô tả bởi hai hàm phụ thuộc thời gian F(t) và
F’(t). Nếu ta đã biết một trong hai hàm đó, chẳng hạn hàm F’(t), thì qua việc xác
định hàm tương quan (correlation function) G(τ) [12, 15]:

ta sẽ xác định được hàm còn lại F(t). Tuy nhiên, với các xung laser ngắn, ta không
thể tạo ra hàm F’(t) trong một thang thời gian ngắn được, khi đó ta dùng các xung
laser để đo lường chính nó.
Để thực hiện phép đo, bằng cách nào đó ta tách xung laser thành hai xung
giống nhau, sau đó cho chúng truyền theo hai đường khác nhau rồi tái hợp lại trong
một cấu hình giao thoa.
Tín hiệu tái hợp của hai xung ghi lại như một hàm của thời gian trễ τ giữa hai
xung. Hàm ghi được biểu diễn mối tương quan giữa hai xung ở hai thời điểm khác
nhau và được gọi là hàm tự tương quan (autocorrelation).
Trong thực tế đo, người ta chủ yếu sử dụng hàm tự tương quan bậc 2 [12, 13].
Về mặt thực nghiệm, các hàm tự tương quan có thể đo được nhờ các quá trình đa
photon.
2.2.2. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn
Ánh sáng truyền đi trong chân không với vận tốc 300 000 km/s, tức là trong 1
ps, ánh sáng đi được 300 µm. Chúng ta gặp nhiều khó khăn trong việc đo chính xác

một khoảng thời gian ngắn 1 ps, nhưng lại đo khá dễ dàng khoảng cách 300 µm với
độ chính xác cao. Do vậy, ta tìm cách thay vì đo thời gian, ta đo khoảng cách mà ánh
sáng truyền, đó chính là cơ sở thứ hai (sự biến đỗi thời gian – không gian) của
phương pháp đo lường xung laser cực ngắn.
2.2.2.1. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon
Sơ đồ bố trí thực nghiệm của kỹ thuật đo độ rộng xung ngắn bằng sự huỳnh
quang hai photon được thể hiện trên hình 2.5.







Hình 2.5: Sơ đồ đo lường huỳnh quang hai photon [15]


Tấm tách chùm
Dung dịch
chất màu
Camera độ nhạy cao
hoặc CCD camera
2.2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)
Sơ đồ nguyên lý của hệ đo tự tương quan bậc 2 được thể hiện như trong hình
2.6.

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên tắc của hệ đo vết tự tương quan bậc 2 [9]
2.2.2.3. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tƣơng quan
Có nhiều cấu hình thực nghiệm đang được sử dụng, chúng khác nhau chủ yếu
ở hệ thống thu và ghi tín hiệu, ở cách thực hiện việc làm trễ xung. Tuy nhiên, cách bố

trí thực nghiệm phổ biến nhất hiện nay dựa trên cơ sở cấu hình giao thoa kế
Michelson (hình 2.7).


Hình 2.7: Bố trí thực nghiệm đo vết tự tương quan bậc 2 [3]
a, Hệ đo tự tương quan cường độ (Intensity autocorrelation)
b, Hệ đo tự tương quan giao thoa (Interferometric autocorrelation)
Kết luận chƣơng 2
Trong chương 2, luận văn trình bày về các phương pháp đo xung laser ngắn:
Phương pháp điện tử và phương pháp quang học.
- Phương pháp điện tử: Thiết bị được sử dụng phổ biến để đo độ rộng của các
xung quang học ngắn hiện nay là photodiode và streakcamera.
+ Photodiode: Photodiode hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện, nó cho
phép biến đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu điện. Tín hiệu tại đầu ra của
photodiode được hiển thị trên dao động ký, khi đó, hình ảnh trên dao động ký sẽ cho
chúng ta biết hình ảnh về dạng xung laser. Phương pháp này được sử dụng phổ biến
để đo các xung tương đối dài, cỡ hơn 100 ps.
+ Streakcamera: Nguyên tắc hoạt động của streakcamera là biến đổi sự phân
bố cường độ sáng theo thời gian thành sự phân bố về độ chói của ảnh theo không
gian trên màn huỳnh quang. Hiện nay, các streakcamera có độ phân giải cao nhất cho
phép đo được các xung laser cực ngắn đến khoảng 400 fs.
- Phương pháp quang học: Khi cho các xung tương quan với nhau, độ rộng của
xung tương quan sẽ lớn hơn độ rộng của các xung thành phần, do đó việc xác định độ
rộng của xung tương quan sẽ được thực hiện dễ dàng hơn việc xác định trực tiếp độ
rộng của xung. Khi xác định được độ rộng tương quan và biết được độ rộng của một
xung đầu vào có độ rộng nhỏ hơn, ta sẽ xác định được độ rộng của xung còn lại. Tuy
nhiên, với các xung quang học cực ngắn, việc tạo ra và biết được chính xác độ rộng
của một xung nhỏ hơn là điều cực kỳ khó khăn. Do đó, trong thực tế, người ta sử
dụng phương pháp tự tương quan. Trong phần này, luận văn trình bày hai kỹ thuật đo
là kỹ thuật huỳnh quang hai photon và kỹ thuật phát họa ba bậc hai.

CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN

Hiện nay, tại trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý đã phát triển thành
công hệ laser Nd:YVO
4
mode-locking. Độ rộng xung laser phát ra từ laser Nd:YVO
4
mode-locking thường rất ngắn (vùng pi-cô-giây). Vì vậy, trong chương này, luận văn
sẽ nghiên cứu và phát triển hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự
tương quan để đo độ rộng xung của hệ laser Nd:YVO
4
mode-locking.
3.1. Hệ laser Nd:YVO4 mode-locking
Hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking cần đo độ rộng xung được chế tạo tại
phòng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử phát xung có tần số lặp
lại 8,8 MHz, công suất trung bình cực đại 450 mW, ở bước sóng 1064 nm.
Sơ đồ nguyên lý của hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking như hình 3.1
Nd:YVO
4

SESAM
R = 0.3 m
R = 0.5 m
Laser diode
OC (6%)
R = 2 m
R = 2 m
Multiple Pass Cavity
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking thụ động bằng
SESAM với buồng cộng hưởng siêu dài

3.2. Sound Card (Bo mạch âm thanh)
Sound card trong máy tính là một bo mạch mở rộng hoạt động một cách độc
lập với các chức năng về âm thanh trên máy tính. Vai trò chính của sound card là số
hóa âm thanh đến và chuyển các dòng dữ liệu số trở lại thành âm thanh. Sơ đồ khối
của sound card được biểu diễn trên hình 3.2
Hình 3.2: Sơ đồ khối của sound card
Khi đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan, tín hiệu
thu được trên photodiode là tín hiệu tương tự, để máy tính có thể xử lý được thì cần
một bộ chuyển đổi tương tự số để chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Trong
hệ đo này, chúng tôi sử dụng sound card được tích hợp sẵn trong máy tính của phòng
thí nghiệm Quang tử, Trung tâm điện tử học lượng tử, viện Vật lý để làm bộ chuyển
đổi tương tự số vì những lý do sau:
+ Hầu hết các máy tính hiện nay đều tích hợp sẵn sound card trên bo mạch chủ
và trên sound card đã có sẵn bộ chuyển đổi tương tự số (DAC). Bộ chuyển đổi tương
tự số trên các sound card hiện nay thường là 16 bit nên có độ phân giải khá cao so
với độ phân giải của một số thẻ thu thập dữ liệu (the data-acquisition card), chẳng
hạn như card PCL 711S có bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit.

+ Trong hệ đo, chúng ta có thể sử dụng thẻ thu nhận dữ liệu (the data-
acquisition card) để tiếp nhận tín hiệu từ photodiode và chuyển đổi tín hiệu từ dạng
tương tự sang dạng số trong hệ đo. Tuy nhiên giá thành của thẻ thu nhận dữ liệu (the
data-acquisition card) cao hơn rất nhiều so với sound card.
+ Để đảm bảo độ chính xác của phép đo độ rộng xung theo phương pháp tự
tương quan thì khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu của bộ chuyển đổi tương tự số
phải lớn hơn khoảng thời gian giữa hai lần phát xung liên tiếp của hệ laser cần đo.
Với hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking, tần số lặp lại xung rất cao 8,8 MHz nên
chúng tôi thấy rằng bộ chuyển đổi tương tự số trong sound card máy tính của phòng
thí nghiệm Quang tử, Trung tâm điện tử học lượng tử, viện Vật lý có tần số lấy mẫu
44,1 kHz đáp ứng được yêu cầu trên. Chính vì vậy, sound card sẽ được sử dụng làm
phương tiện thu nhận, số hóa dữ liệu từ photodiode trong hệ đo của chúng tôi.
3.3. Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phƣơng pháp tự tƣơng
quan
3.3.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo
Hệ đo được thiết kế theo cách bố trí thực nghiệm phổ biến nhất hiện nay
- cấu hình giao thoa kế Michelson.
3.3.2. Xây dựng cấu hình hệ đo
Sơ đồ cấu hình của hệ đo mà chúng tôi xây dựng như hình (3.4).
(1): Gương chia chùm, phản xạ 50% với bức xạ bước sóng 1064 .
(2): Gương phản xạ 100% với bức xạ có bước sóng 1064 nm, đặt trên bộ dịch
chuyển phản xạ chùm tia trên kênh làm trễ. Bộ dịch chuyển sử dụng motor Monoch
M25 của Pháp. Tốc độ dịch chuyển của motor có thể thay đổi trong khoảng 0,1
mm/phút tới 10 mm/phút thông qua điều khiển hộp số, với khoảng cách 1 mm/vòng,
khoảng cách dịch chuyển tối đa là 10cm.
(3): Gương phản xạ 100% (45 độ) với bức xạ có bước sóng 1064 nm.
(4): Gương phản xạ 100% bức xạ có bước sóng 1064 nm.
(5): Thấu kính hội tụ để hội tụ cả hai chùm tia vào tinh thể phi tuyến.

(6):Tinh thể phi tuyến KTP để phát họa ba bậc hai (kích thước: 3x3x5 mm) do
hãng CASIX – Trung Quốc cung cấp, công thức hóa học: KTiOPO
4
(Potassium
Titanyl Phosphate), khoảng phổ truyền qua: 0,35 – 4,5 m.
(7): Phim lọc hồng ngoại dùng để loại bỏ chùm tia 1064 nm.


Hình 3.4. Sơ đồ cấu hình hệ tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến

(8): Gương phản xạ 100% (45 độ) bức xạ có bước sóng 532 nm dùng để phản
xạ chùm tia sau khi đi qua tinh thể phi tuyến.
(9): Thấu kính hội tụ dùng để hội tụ chùm laser vào photodiode.
(10): Photodiode dùng để thu tín hiệu phát ra từ tinh thể phi tuyến.
(11): Máy vi tính để điều khiển motor, xử lý, phân tích dữ liệu thu được và
hiển thị vết tự tương quan.


(4)
(1)
(2)
(5)
(6)
(8)
(9)
(10)
(11)
(7)

(3)

(4)
3.3.3. Lập trình cho hoạt động của hệ đo
Bằng ngôn ngữ lập trình matlab, chúng tôi đã viết chương trình điều khiển
hoạt động của bộ dịch chuyển tịnh tiến và chương trình xử lý dữ liệu thu được từ
soud card. Chương trình lập trình của chúng tôi được trình bày trong phụ lục ở cuối
luận văn.
3.4. Kết quả thực nghiệm của hệ đo
Sử dụng hệ đo độ rộng xung tự tương quan vừa được xây dựng để đo độ rộng
xung của hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm
Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử. Cho bộ dịch chuyển tịnh tiến dịch chuyển
một khoảng 1,5 cm thì hiệu quang trình thay đổi 3 cm tương ứng với khoảng thời
gian trễ của hai xung laser là 100 ps. Chúng tôi đã thu được những dữ liệu thực
nghiệm và hình ảnh của vết tự tương quan như sau:
* Đo lần 1
Độ rộng xung tự tưong quan thu được là 13,8 ps. Từ đó, giả thiết dạng xung
cần đo là dạng sech
2
chúng ta tính được độ rộng xung laser cần đo là 13,8/1.54=9
(ps)
* Đo lần 2
-60 -40 -20 0 20 40 60
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Data: Data1_B

Model: Gauss

Chi^2 = 1.3721E-8
R^2 = 0.9922

y0 0.00026 ±4.0681E-6
xc 5.73951 ±0.02084
w 13.82606 ±0.04553
A 0.07514 ±0.00025
Intensity (V)
time (ps)
Experiment data 1
Độ rộng xung tự tưong quan thu được là 14,4 ps. Từ đó, giả thiết dạng xung
cần đo là dạng sech
2
sẽ tính được độ rộng xung laser cần đo là 14,4/1.54=9,3 (ps).

* Đo lần 3
-60 -40 -20 0 20 40 60
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Data: Data1_B
Model: Gauss

Chi^2 = 9.8759E-9
R^2 = 0.99382

y0 0.0004 ±3.0055E-6
xc 5.25543 ±0.01605
w 13.70431 ±0.03503
A 0.07131 ±0.00018
Intensity (V)
time (ps)
Experiment data 3
-60 -40 -20 0 20 40 60
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Data: Data1_B
Model: Gauss

Chi^2 = 9.7592E-9
R^2 = 0.99511

y0 0.00025 ±3.533E-6
xc 2.50367 ±0.01769
w 14.382 ±0.03911
A 0.08473 ±0.00022
Intensity (V)
time (ps)
Experiment data 2
Độ rộng xung tự tưong quan thu được là 13,7 ps. Từ đó, giả thiết dạng xung
cần đo là dạng sech

2
sẽ tính được độ rộng xung laser cần đo là 13,7/1.54=8,9 (ps).
Như vậy, độ rộng trung bình của xung laser cần đo là:
(9+9,3+8,9)/3=9,1 (ps) với sai số là ±3%
3.5. Thảo luận
* Với khoảng dịch chuyển tối đa và độ vi chuyển của bộ dịch chuyển tịnh tiến
thì hệ đo có thể đo được các xung có độ rộng khoảng vài chục fs đến vài trăm ps.
Hệ đo phù hợp để đo những xung có tần số lặp lại lớn (lớn hơn 44,1 kHz để
đảm bảo luôn có tín hiệu tự tương quan tới sound card bất kì khi nào sound card lấy
mẫu tín hiệu).
Các gương dùng trong hệ đo là gương ở vùng hồng ngoại và tinh thể phi tuyến
có dải truyền qua thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại nên hệ đo phù
hợp để đo độ rộng xung laser có bước sóng ở vùng hồng ngoại.
* Khi sử dụng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương
quan vừa được xây dựng để đo độ rộng xung quang học, kết quả thu được có thể có
sai số do những nguyên nhân sau:
- Ảnh hưởng của sự tán sắc tốc độ nhóm xảy ra với các xung laser. Sai
số này có thể bỏ qua do hệ của chúng ta đo các xung có độ rộng vào cỡ pico-giây.
- Quang sai của thấu kính sẽ gây ra sự mở rộng bản thân các xung laser,
do vậy mở rộng vết tự tương quan đo được. Sai số này khắc phục bằng việc sử dụng
các thành phần quang học có độ dày nhỏ nhất có thể.
- Sự hiệu chỉnh quang học và sai số cơ khí khi dịch chuyển bộ dịch
chuyển tịnh tiến. Sai số này có thể hạn chế bằng việc hiệu chỉnh tốt cầu hình hình học
của hệ đo.
- Sai số gây ra do các thao tác thí nghiệm.
Nói chung, những sai số trên trong phép đo xung pico-giây và femto – giây là
nhỏ, có thể chấp nhận được và chúng chỉ ảnh hưởng lớn khi cần một độ phân giải rất
cao. Khi nguồn laser cần đo độ rộng xung có chế độ hoạt động càng ổn định, khi tần
số lặp lại xung càng lớn thì kết quả của phép đo độ rộng xung có độ chính xác càng
cao.

* Hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn mà chúng tôi xây dựng có một số ưu
điểm sau :
- Hệ đo được xây dựng theo cấu hình giao thoa kế truyền thống cho phép thu
được kết quả đo đạc khá chính xác.
- Photodiode được dùng trong hệ đo của chúng tôi là photodiode chậm nhưng
hệ đo vẫn có thể đo các xung ngắn tới vài chục femto – giây.
- Cách thức sử dụng hệ đo rất đơn giản. Kết quả đo được hiển thị rõ ràng trên
màn hình máy tính (dạng xung tự tương quan và độ rộng xung tự tương quan).
- Hệ đo sử dụng sound card được tích hợp sẵn trên máy tính nên chi phí để
xây dựng hệ đo giảm đi rất nhiều so với khi sử dụng card thu thập dữ liệu (the data-
acquisition card) để làm bộ chuyển đổi tương tự số cho hệ đo.
Tuy nhiên, hệ đo cũng có một số những điểm hạn chế như sau:
- Hệ đo khó ứng dụng để đo độ rộng xung của các hệ laser có tần số lặp lại
thấp hoặc đơn xung.
- Do những hạn chế vật lý của môtơ nên việc thu vết tự tương quan cần mất
một khoảng thời gian. Điều này có thể gây trở ngại cho việc khảo sát tức thời xung
laser cực ngắn.
- Kết quả đo chỉ cho chúng ta thông tin về độ rộng của xung mà không cho ta
dạng của xung. Muốn thu được nhiều thông tin hơn nữa về xung laser, chúng ta cần
thiết kế và nghiên cứu các hệ đo có bậc tương quan cao hơn. Đây cũng chính là
hướng nghiên cứu mở rộng tiếp theo của đề tài này.
Kết luận chƣơng 3
Với mục đích xây dựng một hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn để đo độ rộng
xung phát ra từ hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm
Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử. Trong chương này, luận văn thực hiện
những nội dung sau:
- Tìm hiểu các thông số của hệ laser laser Nd:YVO
4

mode – locking cần đo.
- Nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động và các thông số cơ bản của sound card từ
đó nghiên cứu, sử dụng sound card trong hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng
phương pháp tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến.
- Xây dựng cấu hình hệ đo và lập trình cho hoạt động của hệ đo. Từ đó đã xây
dựng thành công hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan sử
dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến. Hệ đo sử dụng card sound được tích hợp sẵn trên bo
mạch chủ của máy tính để thực hiện chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng
số. Điều này cho phép đơn giản hóa cấu trúc của hệ đo và tiết kiệm chi phí trong quá
trình xây dựng hệ đo. Hệ đo không cần sử dụng các thiết bị có độ phân giải thời gian
cao nhưng vẫn có thể đo được các xung laser ngắn đến vài chục femto – giây.
Bằng hệ đo xung laser cực ngắn vừa được xây dựng, chúng tôi đã đo được độ
rộng xung laser phát ra từ hệ laser laser Nd:YVO
4
mode – locking được chế tạo tại
phòng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử. Với kết quả này, chúng
tôi hi vọng góp phần cung cấp thêm thông số về hệ laser laser Nd:YVO
4
mode –
locking để có thể khai thác và sử dụng hiệu quả hệ laser này.
KẾT LUẬN
Xung laser cực ngắn là cơ sở và là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu
khoa học và công nghệ. Có thể nói, laser nói chung và xung laser cực ngắn có vai trò
hết sức to lớn trong cuộc sống hiện đại, cũng như trong nghiên cứu khoa học. Để có
thể sử dụng được hết những ưu điểm của các xung laser cực ngắn, việc xác định
chính xác độ rộng của xung là điều quan trọng. Tuy nhiên, đo trực tiếp xung laser cực
ngắn là rất khó vì các thiết bị điện tử thông thường không thể đo được nhưng có thể
đo gián tiếp bằng phương pháp tự tương quan. Vì vậy, luận văn đã nghiên cứu và
phát triển thiết bị đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan. Luận văn
đã đạt được một số kết quả nghiên cứu chính như sau:

+ Nghiên cứu một số ứng dụng của xung laser cực ngắn trong điện tử viễn
thông, trong vật lý học, hóa học, sinh học
+ Tìm hiểu một số phương pháp đo xung quang học và nghiên cứu phương
pháp đo xung quang học cực ngắn bằng phương pháp quang học.
+ Nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động và các thông số cơ bản của sound card từ
đó nghiên cứu, sử dụng thành công sound card trong hệ đo độ rộng xung laser cực
ngắn bằng phương pháp tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến. Hệ đo có
cấu trúc đơn giản và không cần sử dụng các thiết bị đo có thời gian đáp ứng rất
nhanh như streak camera mà chỉ cần sử dụng photodiode chậm nhưng hệ đo có thể đo
được các xung laser cực ngắn (cỡ vài chục femto – giây).
+ Đo được độ rộng xung laser phát ra từ hệ laser laser Nd:YVO
4
mode –
locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử
bằng hệ đo xung laser cực ngắn vừa xây dựng.
Với kết quả này, chúng tôi hi vọng có thể cung cấp một thiết bị để đo độ rộng
xung quang học cực ngắn (ở tần số lặp lại xung cao). Thiết bị này hoàn toàn có khả
năng để xây dựng trong điều kiện các phòng thí nghiệm Quang tử ở Việt Nam.

References
Tiếng Việt
1. Chử Thị Thu Hà (2005), Các kết quả nghiên cứu ban đầu laser vi cầu trên nền
thủy tinh Silica Aluminium pha tạp đất hiếm Erbium, Luận văn thạc sỹ .
2. Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý laser và ứng dụng, Nhà
xuất bảo Đại học Quốc Gia Hà Nội.
3. Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích (2005),Thiết bị và linh kiện quang học,
quang phổ laser, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
4. Do Quoc Khanh, Nguyen T. Nghia, Le TT. Nga, Pham Long and Nguyen Dai
Hung (2007), Semiconductor Saturable Absorber Miror (SESAM) used for
generation of passively mode-locking ultrashort Nd:YVO

4
laser pulse, Asean
Journal Sciences and Technology for Development, Vol.24, pp.59-65.
5. Do Quoc Khanh, Nguyen Trong Nghia, Galieno Denardo, Vu Thi Bich, Pham
Long and Nguyen Dai Hung (2009), Generation of pico-second Laser Pulses
at 1064 nm From All Solid-state Passively Mode-locked Laser,
Communications in Physics, Vol. 19, Special Issue, pp. 125-136.
6. Phạm Long (2005), Vật liệu màu hữu cơ trong công nghệ laser màu xung
ngắn, Luận án tiến sỹ, Viện Vật Lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.
7. Hồ Quang Quý (2005), laser rắn, công nghệ và ứng dụng, NXB Đại học Quốc
Gia Hà Nội.
8. Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang, T2, Nhà xuất bản Bưu Điện.
9. Đoàn Hoài Sơn (2006), Nghiên cứu vật lý và công nghệ laser màu phản hồi
phân bố, Luận án tiến sĩ vật lý, Viện Vật Lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt
Nam.
Tiếng Anh
10. Demstroder W. ( 1996), Laser Spectroscopy, 2
nd
Ed., Springer, Berlin.
11. Diels J. C. M., et al. (1985), Control and measurement of ultrashort pulse
shapes (in amplitude and phase) with femtosecond accuracy, Appl. Opt., Vol.
24, No. 9, 1270 - 1282.
12. Kaiser W (1993), Ultrashort laser pulses: generation and applications,
Springer-Varlag, Berlin.
13. Klauder J.R., et al., Correlation effects in the display of picosecond pulses by
two-photon techniques, Appl. Phys. Lett., Vol. 13, No. 5, 1968 (174-176)
14. Rentzepis P.M., et al., Measurement of ultrashort laser pulses by three-photon
fluorescence, Appl. Phys. Lett., Vol. 17, No. 3, 1970 (122-125)
15. Rulliere C. (1998), Femtosecond laser Pulses, Springer, Berlin.
16. Sala K.L., et al., CW autocorelation measurements of picosecond laser

pulses, IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-16, No. 9, 1980 (990-996)
17. Saled B.E.A.& Teich M.C. (1991), Fundamentals of Photonics, Part 2, J.W.
Goodman Press
18. Schafer F.P. (1990), Dye Lasers, Springer, New York.
19. Shapino S.L., (1977), Ultrashort Light Pulse, Springter, Berlin.
20. Ursula Keller (2003), Recent developments in compact ultrafast laser, Nature
Vol 424, 831 – 838.
21. Vol der Linde D., Experimental study of single picosecond light pulses, IEEE
J. Quantum Electron., Vol. QE-8, No. 3, 1972 (328-338).
22. Williamson Craig A. (2003), Mode locking of novel semiconductor lasers.
23. Wirnitzer B., Measurement of ultrashort laser pulses, Opt. Comm. Vol. 48,
No, 3, 1983 (225-228).