Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VƯƠNG VĂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN
HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VƯƠNG VĂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN
HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 605270
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG
Hà Nội - 2010
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I:
LASER PHÁT XUNG NGẮN
1.1. Laser phát xung ngắn 4
1.1.1. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching)
4
1.1.2. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping
(Dumping cavity) 6
1.1.3. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity) 8
1.1.4. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient) 10
1.1.5. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection)
10

1.1.6. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling wave excitation) 11
1.1.7. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF) 13
1.1.8. Phương pháp khóa pha (mode-locking) 14
1.2. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn 16
1.2.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học 17
1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang 19
1.2.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division
multiplexing OTDM) 20
1.2.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học 22
1.2.2.3. Phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain
reflectometry - OTDR) 23
1.2.2.4. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division
Multiplexing -WDM) 24
CHƯƠNG II:
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO XUNG LASER NGẮN
2.1. Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn 28
2.1.1. Photodiode. 28
2.1.2. Streak Camera 29
2.2. Phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn. 32
2.2.1. Nguyên tắc chung của phương pháp – Hàm tự tương quan 32
2.2.2. Kỹ thuật đo độ rộng xung laser cực ngắn 37
2.2.2.1. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon 38
2.2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG) 39
2.2.2.3. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tương quan 40
CHƯƠNG III:
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN
HỆ ĐO XUNG QUANG HỌC CỰC NGẮN
3.1. Hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn tự tương quan sử dụng bộ dịch
chuyển tịnh tiến 44
3.1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo. 44

3.1.2. Phát triển hệ đo độ rộng xung quang học cực ngắn 46
3.1.3. Kết quả thực nghiệm 48
3.2. Tính toán lý thuyết và mô phỏng 50
3.2.1. Tự tương quan giao thoa 50
3.2.1.1. Tính toán lý thuyết 50
3.2.1.2. Mô phỏng 53
3.2.2.Tự tương quan cường độ 61
3.2.2.1. Tính toán lý thuyết 61
3.2.2.2. Mô phỏng 63
3.2.3. So sánh giữa tự tương quan giao và tự tương quan cường độ trong việc
xác định độ rộng của xung quang học cực ngắn 67
3.3. Fit giữa kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để tìm ra độ rộng xung
chính xác 69
3.3.1. Mô phỏng xác định dạng xung laser dựa trên dữ liệu của tự tương quan
cường độ 70
3.3.2. Với dữ liệu thực nghiệm thứ nhất 75
3.3.3. Với dữ liệu thực nghiệm thứ hai 78
3.3.4. Với dữ liệu thực nghiệm thứ ba 80
KẾT LUẬN 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
A.1. Kết quả thực nghiệm phép đo độ rộng xung laser 87
A.2. Code mô phỏng tự tương quan giao thoa 92
A.3. Code mô phỏng tự tương quan cường độ 96
A.4. Fit giữa dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng 99
1
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
MỞ ĐẦU
Ngày nay laser, đặc biệt là các laser cực ngắn, đã trở thành một công cụ
không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng
kỹ thuật. 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. Để có thể truyền
nhiều tín hiệu trên một đường truyền, người ta thực hiện việc ghép kênh tín hiệu.
Trong thông tin quang, có hai phương pháp ghép kênh chủ yếu là OTDM (ghép
kênh quang học phân chia theo thời gian) và WDM (ghép kênh phân chia theo
tần số). Tuy nhiên, dù có ghép kênh theo kiểu nào đi chăng nữa thì độ rộng cực
ngắn của các xung là vô cùng cần thiết trong việc nâng cao tốc độ truyền. Với
OTDM, các xung đòi hỏi đủ ngắn để đảm bảo không có sự chồng lấn giữa các
xung khi chúng được ghép thành tín hiệu truyền trong một cửa sổ truyền; còn
với WDM, các xung quang học cực ngắn sẽ đảm bảo cho các tín hiệu tránh được
hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ISI) và giảm được độ rộng của kênh.
2
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học 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. Với những xung quang học cực ngắn (cỡ femto
giây), các thiết bị điện tử thông thường sẽ không thể đo được. Người ta có thể sử
dụng các thiết bị điện tử đặc biệt như streak camera để đo các xung laser có độ
rộng cỡ vài trăm femto giây, tuy nhiên giá thành của các thiết bị này lại rất đắt
nên nó không được sử dụng phổ biến. Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi đã chọn đề tài
“ Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn” để thực hiện trong
luận văn này.
Luận văn được chia thành 3 chương:
+ Chương I. Laser phát xung ngắn và một số ứng dụng của laser.
+ Chương II. Các phương pháp đo xung ngắn.
+ Chương III. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Trong chương I, luận văn trình bày về một số phương pháp phát laser xung
ngắn: Phương pháp điều biến độ phẩm chất của buồng cộng hưởng (Q-
switching), phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng dumping
(Dumping cavity), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity),
phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient), phương pháp
chọn lọc thời gian-phổ (Spectro temporal selection), phương pháp kích thích
sóng chạy (Travelling wave excitation), phương pháp phản hồi phân bố
(Distributed feedback), phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng
(Mode-locking).
Hiện nay, laser và đặc biệt là những laser cực ngắn đang có rất nhiều những
ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: vật lý học, hóa học, công nghệ sinh học, y
học, điện tử và viễn thông nên trong chương I, tôi có đề cập tới một số ứng
dụng của laser nói chung và laser cực ngắn nói riêng.
3
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Trong chương II, tôi tìm hiểu và trình bày một số phương pháp đo xung
quang học cực ngắn. Các phương pháp đó có thể được chia thành 2 loại: Phương
pháp điện tử và phương pháp quang học. Với phương pháp điện tử, luận văn

trình bày về việc đo xung quang học cực ngắn sử dụng photodiode và streak
camera. Cơ sở của phương pháp quang học của việc đo xung quang học cực
ngắn là dựa trên kỹ thuật huỳnh quang hai photon và sự phát họa ba bậc hai trên
cơ sở hàm tự tương quan.
Trong chương III, luận sẽ trình bày về sơ đồ hệ đo độ rộng xung quang học
cực ngắn theo phương pháp tự tương quan. Dựa trên những thông số của thực
nghiệm, luận văn tiến hành tính toán lý thuyết cũng như mô phỏng quá trình đo.
Để có được kết quả đo độ rộng xung là chính xác nhất, tôi thực hiện fit giữa dữ
liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng với mô phỏng với việc giả sử dạng xung
tại lối vào khác nhau.
Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của GS.TS
Nguyễn Đại Hưng, cùng các anh chị tại phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử học
lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy nhiên, do
còn những hạn chế về sự hiểu biết cũng như những sơ suất trong quá trình thực
hiện, nên bản luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Kính mong các thầy
cô, cùng các anh chị đóng góp, chỉ bảo để bản luận văn được hoàn thiện hơn.
4
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
CHƯƠNG I.
LASER PHÁT XUNG NGẮN
1.1. Laser phát xung ngắn
Hiện nay, nhiều phương pháp phát xung laser ngắn đã được xây
dựng thành công, mang lại những ứng dụng to lớn trong kỹ thuật và công
nghệ. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế
riêng cần được lựa chọn, áp dụng trong điều kiện phù hợp.
Trong phần này, tôi đã tìm hiểu về các phương pháp sau:
+ Phương pháp biến điệu độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng
(Q-switching)
+ Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng dumping
(Dumphing cavity)

+ Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity)
+ Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator temporal
selection - STS)
+ Phương pháp kích thích sóng chạy (Trevaling wave excitation)
+ Phương pháp pahnr hồi phân bố (Distributed Feedback - DF)
+ Phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng (Mode-
locking)
1.1.1. Phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-
switching)
Phẩm chất của buồng cộng hưởng là tỷ số giữa năng lượng được
tích lũy trong buồng cộng hưởng và năng lượng bị mất đi trong một chu
trình ánh sáng đi lại trong buồng cộng hưởng. Theo phương pháp điều
biến phẩm chất, năng lượng bơm quang học được chuyển đổi và tích lũy
5
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
trong môi trường hoạt chất khi độ phẩm chất của buồng cộng hưởng ở
mức thấp để ngăn cản sự phát xạ laser. Khi đó, mặc dù năng lượng được
tích lũy và độ khuếch đại hoạt chất là cao nhưng mất mát của buồng cộng
hưởng lại lớn nên laser vẫn không được tạo ra. Ngay khi phẩm chất của
buồng cộng hưởng trở lại giá trị cao, năng lượng đã được tích lũy sẽ đột
ngột giải phóng dưới dạng xung laser ngắn.
Hình 1.1 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất
buồng cộng hưởng.
Hình 1.1. Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q-switch
[1], [2]
(a)
(b)
(c)
(d)
6

Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Ban đầu, sự phát xạ laser không thể do độ phẩm chất của buồng
cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộng hưởng
cao nhất) (hình 1.1b). Thời gian cuối của xung bơm (hình 1.1c), khi
nghịch đảo độ tích lũy đã đạt tới giá trị cực đại, độ phẩm chất Q được
chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mất mát buồng cộng hưởng
thấp nhất). Tại thời điểm này, thông lượng photon bắt đầu tăng lên trong
buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình 1.1d). Như ta thấy
trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến phẩm chất xảy ra sau
một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở “khóa” phẩm chất
[1], [2].
Tùy theo nguyên tắc làm việc của bộ điều biến, người ta chia
phương pháp điều biến độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thành hai
loại:
+ Phương pháp chủ động.
+ Phương pháp bị động.
Phương pháp chủ động sử dụng bộ biến điệu được điều khiển bởi
một nguồn tín hiệu ngoài, còn đối với phương pháp bị động, sự biến điệu
diễn ra trong buồng cộng hưởng mà hoàn toàn không có sự can thiệp từ
bên ngoài.
Phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng được sử dụng
rộng rãi để phát xung laser ngắn có độ rộng cỡ nano-giây, công suất cao.
1.1.2. Phương pháp chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng Dumping
(Dumping cavity)
Buồng cộng hưởng của một laser dumping gồm các gương có hệ số
phản xạ cao. Do vậy, buồng cộng hưởng có độ mất mát thấp và có độ
phẩm chất cao. Năng lượng của bức xạ laser liên tục trong buồng cộng
hưởng có thể trở nên rất lớn, vì sự thất thoát năng lượng ra khỏi buồng
cộng hưởng không đáng kể. Tại thời điểm năng lượng laser trong buồng
7

Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
cộng hưởng là đủ lớn, một bộ điều biến quang học đã được đặt ở trong
buồng cộng hưởng sẽ hoạt động để đưa một phần năng lượng laser được
tích lũy ra khỏi buồng cộng hưởng.
Hình 1.2: Buồng cộng hưởng Dumping với bộ biến điệu âm-quang [3]
Thông thường một bộ biến điệu âm – quang được sử dụng cho laser
khí và laser màu liên tục (hình 1.2). Một xung siêu âm được gửi qua một
bản thạch anh được đặt trong buồng cộng hưởng. Sóng âm tạo nên một sự
điều biến không gian của chiết suất n(t,x) theo thời gian và có chu kỳ.
Chiết suất biến đổi có chu kỳ này sẽ hoạt động như một cách tử Bragg.
Khi một sóng quang học truyền qua bản Bragg, một phần của cường độ
tới bị nhiễu xạ và được chiết tách ra trong một xung ngắn. Tần số lặp lại
của các xung laser được tách ra có thể thay đổi trong một giới hạn khá
rộng bằng cách lựa chọn tần số lặp lại thích hợp của xung siêu âm.
Kỹ thuật buồng cộng hưởng laser dumping được áp dụng chủ yếu
cho các laser khí và laser màu liên tục. Với kỹ thuật này, người ta đã thu
được các xung laser có độ rộng 10 -100ns, tần số lặp lại xung cỡ 4Mhz
[3].
8
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
1.1.3. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity)
Kỹ thuật buồng cộng hưởng dập tắt tạo ra xung laser ngắn từ laser
bơm với độ rộng xung cỡ nano-giây, và được sử dụng đầu tiên cho laser
màu. Trong cấu hình của một laser màu có buồng cộng hưởng dập tắt
bơm ngang ở hình 1.3.
Hình 1.3: Cấu hình của laser màu buồng cộng hưởng dập tắt [6].
Môi trường hoạt chất là những dung dịch màu được chứa trong
quy-vét. Người ta tạo ra hai buồng cộng hưởng laser khác nhau nhưng
cùng sử dụng chung một môi trường hoạt chất. Buồng cộng hưởng thứ
nhất có độ phẩm chất thấp được tạo nên bằng việc sử dụng trực tiếp hai

thành quy-vét làm hai gương phản xạ. Buồng cộng hưởng thứ hau có độ
phẩm chất cao được tạo nên bằng việc sử dụng gương có hệ số phẩm chất
cao làm gương sau và một thành quy-vét. Buồng cộng hưởng độ phẩm
chất cao có chiều dài lớn hơn buồng cộng hưởng thứ nhất và quang trục
của nó lệch chút ít so với buồng cộng hưởng thứ nhất.
BCH Q-thấp
BCH Q-cao
R
3
R
1
R
2
Laser ra từ
BCH Q-cao
Laser ra từ
BCH Q-thấp
Laser bơm
9
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Nếu hai buồng cộng hưởng này hoạt động độc lập thì bức xạ laser
phát ra của buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp hoặc độ phẩm chất cao
đều là các xung laser cỡ nano-giây. Tuy nhiên khi hai buồng cộng hưởng
này cùng hoạt động đồng thời thì giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng
tích lũy trong môi trường hoạt chất. Hoạt động của laser có buồng cộng
hưởng độ phẩm chất cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gain) trong
môi trường hoạt chất. Do đó sự phát laser (buồng cộng hưởng độ phẩm
chất thấp) chỉ cho phép phát một xung ở lối ra (hình 1.4).
Phương pháp phát xung laser ngắn từ buồng cộng hưởng dập tắt là
đơn giản. Chúng ta có thể kiểm soát được đặc tính thời gian của xung

laser lối ra từ buồng cộng hưởng độ phẩm chất thấp bằng việc khống chế
các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt chất dùng chung
giữa hai buồng cộng hưởng, thông số buồng cộng hưởng độ phẩm chất
cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất màu. Đây là ưu điểm của
phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt. Tuy nhiên phương pháp này chỉ
cho phép phát các xung ngắn với hệ số nén xung thấp chỉ cỡ 10 lần [4].
Hình 1.4: Động học của quá trình dập tắt xung trong buồng cộng hưởng
độ phẩm chất thấp [5].
10
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
1.1.4. Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (Resonator transient)
Đặc điểm dao động hồi phục của phát xạ laser từ các buồng cộng
hưởng có độ dài ngắn, được bơm gần ngưỡng chính là cơ sở cho việc phát
triển phương pháp quá độ của buồng cộng hưởng để tạo các xung laser
ngắn.
Điều hiện cần để quan sát các dao động hồi phục là thời gian sống của
photon trong buồng cộng hưởng nhỏ hơn thời gian huỳnh quang kéo dài
của các tâm hoạt chất. Hiện tượng dao động hồi phục ở các laser xung đã
được quan sát và nghiên cứu trong các laser rắn và laser màu. Nguyên
nhân của nó là do tương tác giữa độ tích lũy của môi trường hoạt chất và
năng lượng trường photon trong buồng cộng hưởng. Khi bơm gần ngưỡng
bằng laser màu nano-giây, các dao động hồi phục quan sát được trong các
laser màu trong vùng khả kiến có độ rộng xung nhỏ hơn 1ns và bằng một
laser ngắn có thể thu được [3]
Phương pháp quá độ buồng cộng hưởng có thể được sử dụng cả với
các laser micro-cavity để phát xung ngắn, khi chúng được bơm bằng các
laser pico-giây khác. Khi sử dụng xung 80 ps bơm các laser màu micro-
cavity 250 µm và 100 µm, các xung laser màu thu được là 12 ps và 8 ps
tương ứng.
Hạn chế của phương pháp quá độ buồng cộng hưởng là độ nén

xung thấp (nhỏ hơn 10 lần) và không ổn định về năng lượng, độ dài thời
gian [3]
1.1.5. Phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (Spectro – temporal – selection)
Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm nano-giây là
phương pháp chọn lọc thời gian – phổ (STS). Phương pháp chọn lọc thời
gian – phổ dựa trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu
băng rộng phát ra từ một buồng cộng hưởng laser ngắn, có độ phẩm chất
thấp [6]
11
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Cấu hình của một laser màu pico-giây chọn lọc thời gian – phổ trên
hình 1.5. Laser màu được bơm bằng một laser nano-giây. Một cu-vét màu
được sử dụng như một buồng cộng hưởng ngắn có độ phẩm chất thấp.
Một các tử G và một khe hẹp S được sử dụng để lọc lấy một dải phổ hẹp
từ vùng sóng ngắn của phổ laser băng rộng. Bức xạ sau khi chọn lọc là
một xung laser ngắn. Ta có thể phát các xung laser ngắn có độ dài bước
sóng tùy ý bằng cách quay cách tử hoặc thay đổi nồng độ dung dịch chất
màu.
Hình 1.5: Sơ đồ một laser màu xung pico-giây chọn lọc thời gian-phổ [6].
Với kỹ thuật nén xung này ta thu được xung laser ngắn cỡ pico-
giây với hệ số nén xung cỡ 10
2
lần, độ rộng phổ và bước sóng có thể kiểm
soát được [6].
1.1.6. Phương pháp kích thích sóng chạy (Travelling wave excitation)
Kích thích sóng chạy là một phương pháp đơn giản song khá hữu
hiệu để phát xung ngắn tới cỡ pico-giây. Trong phương pháp này, một
chùm laser bơm song song được xử lý sao cho để hình thành một sự trễ
xung đồng đều theo chiều ngang của xung bơm (hình 1.6).
L

0
G
M
1
M
1
’
M
3
M
2
L
2
M
0
Laser ra
Chùm
laser bơm
12
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật kích thích sóng chạy [3]
Việc bơm ngang quy-vét màu như vậy có thể tạo nên một sự
khuếch đại chuyển động về phía trước trong quy-vét màu có cùng vận tốc
nhóm với các bức xạ cưỡng bức. Khi chùm bơm “chạm” vào môi trường
laser, một bức xạ cưỡng bức đầu tiên sẽ phát ra tại một đầu quy-vét và
liên tiếp được khuếch đại (tức là trong quy-vét màu, bức xạ laser đi tới vị
trí nào thì xung kích thích cũng vừa kịp gây ra khả năng khuếch đại tới vị
trí đó).
Hình 1.7: Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích
sóng chạy [3]

Trong sơ đồ laser màu kích thích sóng chạy (hình 1.7), cách tử là
thiết bị quan trọng nhất, để tạo nên một sự trễ không gian liên tục và đồng
13
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
đều nhau dọc theo chiều ngang của chùm bơm đã bị nhiễu xạ. Do vậy,
xung bơm và các xung bức xạ sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên thể
tích màu, tức là các bức xạ được khuếch đại.
Phương pháp khuếch đại kích thích sóng chạy cho phép phát các
xung ngắn có độ dài phụ thuộc vào mật độ năng lượng bơm, với hệ số nén
xung thấp, cao nhất chỉ cỡ 2 lần (thông thường nguồn bơm là các xung
laser cỡ pico-giây) [3].
1.1.7. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback - DF)
Phương pháp phản hồi phân bố (DF) thường được sử dụng với laser
màu. Nét đặc trưng về mặt cấu tạo của laser phản hồi phân bố là không
dùng buồng cộng hưởng gồm các gương, thay vào đó ánh sáng được phản
xạ Bragg và khuếch đại trong môi trường hoạt chất do hiệu ứng phản hồi
phân bố, nó được tạo ra bởi sự thay đổi có tính chu kỳ theo không gian
của một trong các thông số môi trường hoạt chất như: chiết suất, hệ số
khuếch đại và thông số hình học.
Giả sử trên môi trường hoạt chất của laser phản hồi phân bố, một
cấu trúc có chu kỳ theo không gian của chiết suất và hệ số khuếch đại
(hình 1.8). đã được tạo ra từ hệ vân giao thoa khi cho hai chùm laser bơm
kết hợp với nhau (giao thoa) ngay trên bề mặt môi trường hoạt chất. Cấu
trúc này tương đương như một cách tử Bragg. Khi môi trường bị kích
thích các photon bức xạ (tại các vân sáng giao thoa) lan truyền trong môi
trường này và chỉ có photon có độ dài bước sóng λ thỏa mãn điều kiện
Bragg thì sẽ bị phản xạ lại truyền qua vân sáng. Mặt khác các photon này
sẽ được khuếch đại trong khi lan truyền. Như vậy, chỉ có bước sóng λ
B
thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg sẽ trở thành bước sóng laser phản hồi

phân bố, còn các photon có bước sóng khác không được khuếch đại sẽ bị
suy hao hết [7].
14
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của laser DF [7]
Ưu điểm nổi bật của laser phản hồi phân bố là khả năng phát laser
đơn sắc cao tại các bước sóng khác nhau. Phương pháp phản hồi phân bố
có thể ứng dụng cho các loại môi trường khác nhau, và có thể phát xung
ngắn pico-giây.
1.1.8. Phương pháp khóa pha (mode-locking)
Một buồng cộng hưởng laser điển hình gồm có hai gương phản xạ
và môi trường hoạt chất khuếch đại ánh sáng. Khi không có các yếu tố lọc
lựa tần số bên trong buồng cộng hưởng, laser dao động đồng thời với rất
nhiều mode cộng hưởng bên trong profile phổ khuếch đại của môi trường
hoạt chất. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong đó chứa
các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong buồng cộng
hưởng quang học.
Hai mode dọc liên tiếp nhau cách nhau một khoảng
2
c
f
L

, trong đó c là
vận tốc ánh sáng trong chân không, L là chiều dài buồng cộng hưởng.
Hình 1.9 mô tả phổ của một xung laser trong buồng cộng hưởng. Quan hệ
về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên nếu có thể thực hiện
Gương 1
Gương 2
Cách tử

Laser ra
Laser ra
Hệ vân giao thoa
Chùm
bơm
Hoạt chất
15
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
khóa pha giữa các mode dao động đồng thời này thì sẽ đạt được sự chồng
chập phù hợp của các biên độ mode.
Khi hai điều kiện sau đây được thỏa mãn:
+ Laser cần phải có một số mode dọc khá lớn.
+ Các mode này phải đảm bảo cách đều nhau về tần số và
đồng bộ với nhau về pha.
Các mode sẽ giao thoa với nhau và laser có thể phát ra một chuỗi
xung ngắn tuần hoàn. Khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp bằng thời
gian mà ánh sáng laser thực hiện một chu trình trong buồng cộng hưởng.
Độ dài của mỗi xung tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng
của môi trường laser, hay nói cách khác, nó tỷ lệ nghịch với số lượng
mode của laser.
Đây là nội dung của việc phát xung ngắn bằng kỹ thuật mode-
locking. Kỹ thuật này phụ thuộc vào phổ khuếch đại của môi trường hoạt
chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên. Việc khóa mode này
được thực hiện bằng bộ biến điệu quang học bên trong buồng cộng
hưởng.
Tùy theo nguyên tắc làm việc của bộ biến điệu, người ta chia
phương pháp mode-locking thành hai loại:
+ Phương pháp mode-locking chủ động
f
c

f
f
R
Tần số
Đ
ộ
khu
ế
ch đ
ạ
i
Hình 1.9. Mô tả các mode dọc trong buồng cộng hưởng
16
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
+ Phương pháp mode-locking bị động
Phương pháp mode-locking chủ động sử dụng bộ biến điệu được
điều khiển bằng một nguồn tín hiệu bên ngoài, còn đối với phương pháp
mode-locking bị động, sự biến điệu diễn ra do tương tác của xung ánh
sáng với chất hấp thụ bão hòa được đặt trong buồng cộng hưởng.
Bằng phương pháp mode-lcoking, người ta có thể thu được những
xung laser cực ngắn cỡ 10
-14
s, tốc độ lặp lại xung lớn và có độ ổn định
cao. Mode-locking là phương pháp phổ biến để phát xung quang cực
ngắn, song có nhược điểm là không thực hiện được với một số loại môi
trường laser phát xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp [7].
Dưới đây, tôi tổng hợp một số khả năng phát sung laser ngắn ở
trong một số môi trường laser.
Bảng 1.1. Khả năng phát xung laser ngắn của một số môi trường laser
STT

Môi trường laser
Độ rộng phổ
khuếch đại (Hz)
Bước sóng
laser (nm)
Độ rộng
xung có thể
1
Laser He-Ne
1,4x10
-9
632,8
70 ps
2
Lasre Ruby
10
-11
694,3
15 ps
3
Laser Nd
3+
10
-12
1064
2 ps
4
Laser màu hữu cơ
10
-13

– 10
-14
400 – 890
30 fs
5
Laser Ti:Saphire
5x10
-14
680 – 1000
5 fs
6
Laser Cr
4+
10
-13
– 10
-14
860
35 fs
1.2. Các ứng dụng của xung laser cực 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,
17
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
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… 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. Laser xung ngắn đã được lựa chọn do nó có các đặc
tính phù hợp với rất nhiều ứng dụng như [10]:
 Độ rộng xung cực ngắn
 Tốc độ lặp lại xung cao
 Công suất đỉnh cao
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.
1.2.1. Ứng dụng xung laser cực 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 [10]. 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 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
18
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
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 A.H.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 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.
19
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
1.2.2. 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 [8]. 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 10
4
310
11
Hz thì với các laser quang học
hoạt động trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 310
12
 1510
15
Hz
nên dải sóng truyền tăng lên đến 510
4
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10
5
kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 10
5
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 các máy gia tốc điện tử và kỹ thuật lấy mẫu quang điện tốc độ
cao sẽ dựa trên các chuỗi xung cỡ GHz [10,12].
20
Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn
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)
[12]. 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.
1.2.2.1. 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.