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

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


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


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
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



1
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

2
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.



3
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



4
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



5
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 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



6
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.




7
Bảng 1.2. Tần số lặp lại xung tương ứng với cửa sổ truyền

Việc điều chế trực tiếp giới hạn hầu hết các nguồn quang hiện nay sử dụng
thông tin quang là 10 GHz, do đó giới hạn dung lượng truyền với tốc độ truyền dữ
liệu là 10 Gb/s trên một bước sóng. Nguồn 40 GHz và việc truyền hiện nay là cơ sở
của rất nhiều nghiên cứu cũng như yêu cầu các nguồn laser có thể điều chế tại tần số
cao hơn với độ rộng xung ngắn hơn, và còn có những yêu cầu đối với các đầu thu
mới có khả năng cảm nhận các tín hiệu nhanh này. Việc tạo các đầu thu mới này đòi
hỏi sự tiến bộ mạnh mẽ của điện tử học.







Một phương pháp thiết kế mà không cần phải có các đầu thu độ nhạy cao
được gọi là phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM). Nguyên lý này là để
kết hợp vài tín hiệu với tần số lặp lại thấp để tạo ra một tín hiệu kết hợp có tần số
Tần số lặp lại xung (GHz)
Cửa số truyền (ps)
2,5

400
10
100
40
25
160
6,25
Nguồn
10GHz
Dữ liệu
40GHz
Bộ điều chế
10GHz
Hình 1.1. Phân chia kênh theo thời gian quang học
OTDM



8
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].
Ví dụ, lối ra từ một nguồn laser tạo ra các xung tại tần số 10 GHz có thể
được chia làm 4 luồng như trong hình (1.1). Bốn bộ điều chế bên ngoài có thể được
sử dụng để điều chế dữ liệu trên mỗi luồng 10 GHz. Các lối ra của mỗi bộ biến điệu
này có thể được đặt hơi so le bằng việc sử dụng chiều dài sợi quang khác nhau, và
được kết hợp để cùng đưa ra một tín hiệu ghép 40 GHz tại một bước sóng. Sự quan
trọng của độ rộng xung đã rõ ràng, nó yêu cầu các xung đủ ngắn để không bị chồng
lấn lên nhau khi chúng được kết hợp thành tín hiệu ghép 40 GHz với cửa sổ truyền
của nó là 25 ps.

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 xung ánh sáng trong mạng quang học [17] được cách nhau đều đặn vào
thời điểm khi chúng rời khỏi bộ điều chế nguồn. Tuy nhiên sau một hành trình của
nó qua hàng trăm thậm chí hàng nghìn kilomet, các hiệu ứng tán sắc của sợi quang
có thể làm mất khoảng thời gian hoàn hảo này như mô tả trong hình 1.2. Điều này
trở thành một vấn đề tại bộ nhận cuối, nơi có yêu cầu để phân tích dữ liệu đến nhờ
việc biết quyết định tại điểm đó tín hiệu nhận được là “1” hoặc “0”. Sự khôi phục
tín hiệu đồng hồ tại thiết bị nhận cuối đóng vai trò quan trọng trong việc rút thông
tin định thời từ dữ liệu vào để tách dữ liệu ra. Các hệ thống khôi phục tín hiệu đồng
hồ hiện nay dựa vào điện tử. Điều này càng ngày càng khó thực hiện khi tốc độ bít



9
quang học tăng với tốc độ nhanh hơn sự phát
triển của điện tử. Bất kỳ sự nâng cấp tốc độ bít
của hệ thống cũng yêu cầu các mạch điện tử
mới để đặt vào nơi cung cấp tín hiệu khôi phục
đồng hồ với tốc độ mới.
Khả năng khôi phục lại thông tin định
thời từ tín hiệu quang học mà không cần bất kỳ
sự chuyển đổi nào trong lĩnh vực điện tử là
mục đích của việc khôi phục tín hiệu đồng hồ
bằng quang học. Điều này loại bỏ nhiều sự

phức tạp của điện tử học và có thể cung cấp
tính linh hoạt về tốc độ bít mà một hệ thống cần nâng cấp.
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)
Vị trí lỗi trong các sợi quang, có thể nằm dưới một con đường đông đúc hoặc
thậm chí có thể nằm ở dưới đáy đại dương [17]. 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

Hình 1.2. Tín hiệu xung clock
a) từ nguồn phát xung cách đều nhau
b) khoảng cách xung không đều sau
khi truyền




10
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.
Trong hệ thống OTDR hiện đại, các laser bán dẫn biến điệu độ khuếch đại
thường được sử dụng như các nguồn xung quang học. Chúng đơn giản về mặt thiết
kế và độ rộng xung truyền khoảng 50 - 100 ps thỏa mãn đối với những khoảng cách
cỡ mm.
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.
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng:
Giả sử hệ thống thiết bị phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước
sóng khác nhau (
1
, 
n
). Các tín hiệu này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang.
Tín hiệu quang sau khi được ghép sẽ truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu.
Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với
các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng. Khi sử
dụng kỹ thuật này cần phải chú ý tới hiện tượng xuyên kênh và độ rộng kênh. Độ
rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định đối với mỗi nguồn phát

11
quang. Nếu sử dụng laser thì độ rộng kênh yêu cầu để không bị nhiễu giữa các kênh
và hạn chế hiện tượng xuyên kênh là khoảng vài chục nanomet, còn nếu sử dụng
diode bán dẫn (LED) thì phải cần độ rộng kênh lớn gấp 10 đến 20 lần. Vậy sử dụng
các laser xung cực ngắn để làm nguồn phát tín hiệu quang là cần thiết để tránh hiện
tượng xuyên kênh và có thể giảm được độ rộng kênh.




Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu về dung lượng truyền tin, kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (Dense wavelength division
multiplexing DWDM) đã bắt đầu được ứng dụng. Gần đây, laser vi cầu, laser có
buồng cộng hưởng dạng cầu kích thước micromét, đã được sử dụng làm nguồn phát
trong mạng thông tin quang [1]. Do laser vi cầu phát xạ các mode laser cực hẹp nên
hiệu ứng dãn xung quang do tán sắc giảm mạnh, vì vậy, có thể tăng dung lượng các
kênh truyền dẫn trong một sợi quang lên hàng trăm lần khi sử dụng công nghệ ghép
kênh thông tin theo bước sóng mật độ cao (DWDM).







MUX
DEMUX
I
1

(
1
)
I
n
(
n
)
0
n
(
n
)
O
1
(
1
)
I(
1

n
)
O(
1

n
)
Hình 1.3. Quá trình ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

12
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.

















13
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
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).



14
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) [15].
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 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].
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
[10,15]. Chùm sáng cần đo (giả sử gồm một chuỗi các xung quang học có cường độ
khác 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 nhờ
một hệ thống quang học.
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

15
gia tốc khoảng 2 – 5 kV. Profile thời gian của các electron phản ánh tiến trình thời
gian của cường độ ánh sáng trên khe.

Hình 2.1. Nguyên tắc hoạt động của ống streak (Hamamatsu) (a);
cơ chế quét (b) [3]
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 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 hệ
(a)
(b)



16
thống quét ở 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 gian ở mức thấp nhất.
Trên màn 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 để biến đổi sự phân bố cường
độ ánh sáng theo thời gian và không gian thành sự phân bố độ chói của ảnh 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. Hệ này 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 tần số lặp lại của tín hiệu trigger quá cao. Trong
trường hợp tín hiệu 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.
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 xử lý và phân tích.



17
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 [10].

Hình 2.2: cấu hình cơ bản của hệ Streak camera [3]
2.2. Phƣơng pháp quang học để đo xung laser cực ngắn.
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 đội dài cỡ một vài pico-
giây. Điều này quy định bởi hằng số thời gian (đáp ứng tần số) của các đầu thu và
mạch đo điện tử.
Sự phát triển nhanh chóng trong kỹ thuật phát xung laser cực ngắn đã cho
phép phát được các xung laser ngắn cỡ vài femto-giây. Điều này yêu cầu sự phát
triển của các phương pháp và hệ thống đo xung quang học có độ phân giải thời gian
cao hơn nữa. Hiện nay, một số phương pháp quang học phi tuyến được sử dụng
rộng rãi trong các phòng thí nghiệm laser xung ngắn để đo độ dài các xung laser cực
ngắn như: phương pháp phát họa ba bậc hai, huỳnh quang hấp thụ hai photon và
van Kerr quang học.
Ánh sáng
cần đo
Tín hiệu trigger
Phần trigger
Bộ chia tần
Bộ trễ
Streak camera
Camera nhạy
Bộ thu ảnh
Máy tính



18

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 (hình 2.3).

Hình 2.3. Cấu hình cơ bản để đo hàm tự tương quan [3]



19
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).
Hàm tự tương quan và tương quan được chia thành nhiều nhóm khác nhau.
Trong phạm vi ứng dụng cho các đo lường xung laser cực ngắn ở đây, chúng ta chỉ
đề cập đến các hàm tự tương quan được sử dụng phổ biến trong việc đo độ dài các
xung quang học. Hàm tự tương quan không có nền (background-free) bậc n được
xác định theo biểu thức [12, 18]:

Từ biểu thức trên ta thấy triệt tiêu khi , với

là độ rộng của xung thứ j.
Khi xét tổng quát, để xác định đầy đủ các đặc trưng của xung laser (dạng
xung, độ rộng xung, cường độ, pha), chúng ta cần phải xác định các hàm tự tương
quan có bậc khác nhau.
Về mặt thực nghiệm, các hàm tự tương quan có thể đo được nhờ các quá
trình đa photon. Chẳng hạn, hàm tự tương quan bậc 2 có thể xác định nhờ sự hấp
thụ 2 photon hoặc sự phát họa ba bậc hai; hàm tự tương quan bậc 3 có thể xác định
bằng sự hấp thụ 3 photon hoặc sự phát họa ba bậc ba Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy
đủ hàm tự tương quan bậc 2 và 3 là đủ để mô tả các hàm bậc cao hơn, nói cách khác
là đủ để xác định các đặc trưng của xung laser. Trong thực tế đo, người ta chủ yếu
sử dụng hàm tự tương quan bậc 2 [12, 13].


Và đôi khi là hàm tự tương quan bậc 3 [14, 23]



20

Để sử dụng các hàm tự tương quan trong đo đạc ta phải thiết lập mối liên hệ
đặc trưng của hàm tự tương quan với đặc trưng của xung I(t), chẳng hạn giữa độ
rộng của hàm tự tương quan với độ rộng xung
Những phân tích lý thuyết cũng như đo đạc thực nghiệm đã khẳng định rằng,
với hàm bậc 2, trong trường hợp tín hiệu là nhiễu ngẫu nhiên liên tục (bức xạ laser
từ một nguồn laser hoạt động ở chế độ tự do chứa một số lớn các mode có pha ngẫu
nhiên) hàm tự tương quan (background-free) thu được tỷ số tương phản là
. Tỷ số tương phản (contrast ratio) được định nghĩa là tỷ số
giữa giá trị cực đại và giá trị nền (background) của hàm tự tương quan. Nó cho phép
ta đoán nhận sự sai khác giữa tín hiệu nhận được so với tín hiệu ngẫu nhiên. Độ
rộng của vết tự tương quan là thước đo thời gian kết hợp của tín hiệu, và do vậy tỷ

lệ với nghịch đảo độ rộng phổ của tín hiệu. Do đó ta có thể suy ra rằng trong trường
hợp tín hiệu là ngẫu nhiên liên tục, hàm tự tương quan có dạng một khe hẹp.
Dạng của hàm tự tương quan với 3 trường hợp tín hiệu khác nhau: 1) Nhiễu
ngẫu nhiên liên tục; 2) Nhiễu cục bộ; 3) Xung laser đơn được biểu diễn trên hình
2.4.
Rõ ràng profile của hàm tự tương quan phụ thuộc vào profile I(t) của tín
hiệu. Hơn nữa, mối liên hệ giữa độ rộng của hàm tự tương quan với độ rộng
của xung laser cũng phụ thuộc vào dạng xung, trong khi đó hàm tự tương quan bậc
2 – là hàm đối xứng – không phản ánh thông tin về dạng xung và sự bất đối xứng
của nó. Tức là không cho ta biết chính xác dạng xung quang học được đo, để xác
định dạng xung và đáp ứng phổ động học (chẳng hạn sự chirp, sự điều biến pha )
ta cần phải sử dụng các kỹ thuật khác. Bảng 2.1 trình bày quan hệ giữa và
đối với một số dạng xung.




21

Hình 2.4: Dạng của hàm tự tương quan với ba tín hiệu khác nhau [1]-[3].
Bảng 2.1: Quan hệ giữa độ rộng tương quan và độ rộng xung vào với một số
dạng xung [11]-[15].