SKKN nghiên cứu và đo độ dài của các xung laser cực ngắn trên các hệ đo tự tương quan được chế tạo và hệ đo thương mại femto chrome

MỤC LỤC
Phần I . PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................1
1.2. Điểm mới của đề tài .................................................................................. 2
Phần II. NỘI DUNG ......................................................................................3
2.1. Thực trạng của vấn đề mà đề tài................................................................ 3
2.2. Nội dung đề tài ......................................................................................... 4
Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ DÀI XUNG LASER

CỰC

NGẮN...............................................................................................................4
1.1. Phương pháp điện tử để đo xung laser cực ngắn .......................................4
1.1.1. Photodiode.....................................................................................4
1.1.2. Streak Camera...............................................................................6
1.2. Phương pháp gián tiếp quang học để đo xung laser cực ngắn....................9
1.2.1. Phương pháp đo dựa vào sự huỳnh quang hấp thụ hai photon......10
1.2.2. Phương pháp đo hàm tự tương quan...........................................12
Chương II: KHẢO SÁT ĐỘ RỘNG XUNG LASER CỰC NGẮN VỚI CÁC
HỆ ĐO TỰ CHẾ TẠO VÀ HỆ ĐO THƯƠNG MẠIFEMTO-CHROME.......15
2.1. Khảo sát độ rộng xung laser khóa mode với hệ đo độ rộng xung laser cực
ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến............................................................15
2.1.1. Sơ đồ thiết kế hệ đo ...................................................................15
2.1.2. Kết quả đo độ rộng xung laser cực ngắn....................................17
2.2. Khảo sát độ rộng xung laser khóa mode với hệ đo tức thời độ rộng xung
laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay .........................................................19
2.2.1. Thiết kế và nguyên lý hệ đo........................................................19


2.2.2. Kết quả đo độ rộng xung laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay ....21
2.3. Khảo sát đo độ dài xung với hệ đo Femto-Chrome .................................22

2.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ .......................................................22
2.3.2. Cấu tạo hệ đo Femto-Chrome.....................................................24
2.3.3. Khảo sát độ dài xung laser cực ngắn với hệ đo Femto-Chrome......25
2.3.4. Chuẩn hóa hệ đo Femto-Chrome ...............................................26
2.4. Đánh giá kết quả đo độ dài xung laser cực ngắn bằng các hệ đo tự chế tạo
và hệ đo thương mại Femto-Chrome...............................................................28
Phần III. KẾT LUẬN ...................................................................................29
3.1. Ý nghĩa của đề tài.............................................................................
........29
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................32



DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình vẽ
Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của photodiode.
Hình 1.2: Cấu tạo của PIN photodiode
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ADP

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của ống streak (Hamamatsu) và cơ chế quét.
Hình 1.5: Cấu hình cơ bản của hệ Streak camera.
Hình 1.6: Sơ đồ đo lường huỳnh quang hấp thụ hai photon.
Hình 1.7: Cấu hình cơ bản để đo hàm tự tương quan.
Hình 2.1: Sơ đồ cấu hình hệ tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến.
Hình 2.2: Hệ đo xung laser cực ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến.
Hình 2.3: Kết quả đo độ dài xung laser cực ngắn với hệ đo sử dụng bộ dịch
chuyển tịnh tiến.
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ đo nhanh độ rộng xung laser cực ngắn.
Hình 2.5: Vết tự tương quan giao thoa thu được trên dao động ký.
Hình 2.6: Vết tự tương quan cường độ thu được trên dao động ký.

Hình 2.7: Nguyên lý hệ đo Femto – Chrome.
Hình 2.8: Cấu hình cặp gương quay sử dụng trong hệ Femto-Chrome.
Hình 2.9: Bố trí quang học của hệ đo Femto-Chrome.
Hình 2.10: Ảnh chụp hệ đo Femto- Chrome.
Hình 2.11: Vết tự tương quan đo được với tần số quay 5 Hz.


Hình 2.12: Vết tự tương quan đo được với tần số quay 2,5 Hz.
Hình 2.13: Hướng dẫn chuẩn hóa tham số chuyển đổi thời gian của hệ đo.
Bảng biểu
Bảng 1.1: Quan hệ giữa  và t đối với một số dạng xung.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH
Ký hiệu

Nguyên bản tiếng Anh và nghĩa tiếng Việt

MCP

Micro-channel-plate

BCH

Buồng cộng hưởng

KTP

Potassium titalnyl phosphate

PMT

Nhân quang điện

APD

Photodiode thác lũ

P

Bán dẫn loại P

N

Bán dẫn loại N

I

Bán dẫn thuần

EC

Mức năng lượng thấp nhất vùng dẫn

EV

Mức năng lượng cao nhất vùng hóa trị

Eg

Độ rộng vùng cấm

E

Năng lượng photon

h

Hằng số Plank



Tần số



Hiệu suất lượng tử



Thời gian trễ



Độ rộng hàm tương quan

t

Độ rộng xung laser

Phần I. PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài.
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… 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 động của các electron trong nguyên tử, có thể đo được khoảng thời
gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể 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.
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. Để đo lường độ rộng xung laser cực ngắn chúng ta có
thể sử dụng các phương pháp đo trực tiếp bằng các thiết bị điện tử như
photodiode, Streak Camera hoặc phương pháp đo gián tiếp sử dụng các kỹ
thuật quang học.
Phương pháp đo trực tiếp: Dùng các thiết bị điện tử có đáp ứng thời gian
đủ nhanh để đo trực tiếp như: photodiode nhanh có thể đo được các xung
laser cỡ từ micro-giây đến vài chục pico-giây hoặc dùng Streak Camera có thể
đo được các xung laser ngắn tới vài trăm femtô giây.
Phương pháp đo gián tiếp: Sử dụng các kỹ thuật đo gián tiếp quang học
như: kỹ thuật phát hòa ba bậc hai; kỹ thuật đo dựa trên huỳnh quang hấp thụ
hai photon và kỹ thuật đo tương quan.
0

Xuất phát từ yêu cầu đánh giá độ dài xung laser cực ngắn đã được chế
tạo và các nguồn laser cực ngắn thương mại được trang bị tại Viện Vật lý,
chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và đo độ dài của các xung laser cực
ngắn trên các hệ đo tự tương quan được chế tạo và hệ đo thương mại
Femto-Chrome”
Mục đích của đề tài: Nghiên cứu phương pháp đo độ rộng xung laser
cực ngắn bằng kỹ thuật đo tương quan. Khảo sát độ dài xung laser cực ngắn
được chế tạo tại Viện Vật lý với các hệ đo tự chế tạo và hệ đo thương mại
Femto-Chrome.
1.2. Điểm mới của đề tài.
Qua nội dung trình bày của đề tài chúng ta biết được các phương pháp
đo độ dài xung laser cực ngắn và tập trung tìm hiểu nguyên lý phép đo độ dài
xung laser cực ngắn bằng kỹ thuật đo tương quan.
Và đặc biệt thông qua việc Khảo sát độ rộng xung laser cực ngắn với
các hệ đo tự chế tạo và hệ đo thương mại Femto-Chrome. Từ các kết quả đo
độ rộng xung laser cực ngắn với hệ đo tự chế tạo tại Viện Vật lý và với hệ đo
thương mại Femto-Chrome trên cơ sở đó đánh giá độ chính xác của các hệ đo
tự chế tạo.

1


Phần II. NỘI DUNG
2.1. Thực trạng của vấn đề mà đề tài, sáng kiến cần giải quyết.
Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân gặp những thuận lợi và khó
khăn sau:
* Thuận lợi
Bản thân được sự quan tâm giúp đỡ của ban giám hiệu nhà trường,
được nhà trường đầu tư tạo điều kiện cho tôi được đi học, bồi dưỡng chuyên

môn, học tập để nâng cao trình độ nhận thức tại viện hàn lâm hoa học công
nghệ Việt Nam – Viện Vật Lý.
Các thành viên trong tổ, nhóm Vật lý luôn quan tâm giúp đỡ, hỗ trợ
tháo gỡ những vướng mắc liên quan đến đề tài. Những kiến thức Vật lý liên
quan đến đề tài như chất bán dẫn, ứng dụng của chất bán dẫn như Photodiode
hoặc Streak Camera đã được học trong chương trình Vật lý phổ thông nay
được tiến hành làm thí nghiệm nên rất thuận lợi trong quá trình thao tác.
Các thầy giáo, cô giáo tại Viện Vật Lý luôn tận tâm giảng dạy và hướng
dẫn nhiệt tình cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành thành sáng kiến
này.
* Khó khăn
Khi tiến hành thí nghiệm lắp đặt các thiết bị quang học cần phải độ
chính xác cực cao và các thiết bị rất nhạy nên việc tiến hành thí nghiệm cực
kỳ khó khăn.
Để đo lường độ rộng xung laser cực ngắn chúng ta có thể sử dụng các
phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Phương pháp đo trực tiếp (phương
pháp điện tử) chủ yếu sử dụng các thiết bị điện tử nhanh như Photodiode hoặc
Streak Camera. Ưu điểm của phương pháp điện tử đó là cho phép hiển thị tức
thời thông tin về thời gian của xung laser cực ngắn, tuy nhiên giới hạn đo bị
hạn chế bởi băng thông của các thiết bị điện tử. Phương pháp đo gián tiếp
được thực hiện thông qua việc sử dụng các kỹ thuật quang học gián tiếp xác
định thời gian xung laser cực ngắn thông qua một đại lượng thứ ba có liên
quan. Phương pháp đo gián tiếp có thể đo được các xung laser cực ngắn với
độ chính xác cao, tuy nhiên kỹ thuật thực hiện khá phức tạp.

2


2.2. Nội dung đề tài.
Chương I

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ DÀI XUNG LASER CỰC NGẮN
1.1. Phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn
1.1.1. Photodiode
Các photodiode hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện nội và trên cơ
sở tiếp giáp p–n khi cho hai chất bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau.
Nguyên lý hoạt động và phân cực cho photodiode được biểu diễn trên hình
+
1.1:
Không có ánh sáng

O

Ec
Eg = Ec - Ev
Ev

N
Vùng hiếm
P

I 0
-

Eph h

+
O
+

- O

O
+

Ánh sáng

O
+
O

O
+O

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của photodiode [1].

I photon

-

Để phân cực cho photodiode ta đưa điện áp ngoài phân cực ngược (cực
dương nối với N, cực âm nối với P) (hình 1.1). Khi đó điện trường ngoài cùng
chiều với điện trường nội của lớp tiếp giáp p – n. Do vậy, khi chưa có ánh
sáng chiếu vào thì dòng điện trong mạch ngoài bằng không. Khi có ánh sáng
chiếu vào miền nghèo, dưới tác dụng của ánh sáng, tại đây xuất hiện các cặp
điện tử - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường các điện tử được hút về phía
điện cực dương (bán dẫn N), các lỗ trống bị hút về phía điện cực âm (bán dẫn
P), kết quả xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài. Thời gian khuếch tán của điện
tử và lỗ trống về phía các điện cực quyết định khả năng đáp ứng về thời gian
của photodiode. Để giảm thời gian khuếch tán này chúng ta có thể giảm bề
dày vùng nghèo hoặc tăng điệp áp phân cực cho photodiode. Tuy nhiên, hiện
3

nay với photodiode có diện tích miền hoạt tính (vùng nghèo) cực nhỏ (vài
micro mét vuông) và điện áp ngược cao thì giới hạn thời gian đáp ứng của
photodiode nhanh nhất cỡ hàng trăm pico-giây.
Các photodiode được sử dụng phổ biến hiện nay đó là PIN photodiode
và các loại photodiode thác lũ (APD). Cấu tạo của PIN photodiode và APD
được mô tả tương ứng trên hình 1.2 và hình 1.3.
.
Lớp chống phản xạ

Vòng tiếp xúc (kim loại)

Cách điện (SiO2)
P
I
Tiếp xúc (kim loại)

N

Hình 1.2: Cấu tạo của PIN photodiode [1].
Trong đó: I (Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha với
nồng độ rất thấp.
Nguyên lý hoạt động của PIN photodiode giống như photodiode
thường p-n. Mục đích thêm lớp bán dẫn I là để tăng bề dày vùng nghèo nhằm
tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng (tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện) của
photodiode. Lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao nhưng thời gian
trôi của các điện tử càng chậm và làm giảm khả năng hoạt động với tốc độ
cao của PIN.
Một loại photodiode khác được sử dụng khá phổ biến đó là photodiode

thác lũ (APD). Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của photodiode thác lũ được
biểu được trên hình 1.3. Quá trình hoạt động của APD như sau: Ánh sáng đi
vào APD qua lớp p+ rất mỏng. Hầu như toàn bộ hấp thụ photon đều xảy ra
trong miền nghèo (miền I), miền này là bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp
nhẹ. Cũng như trong diode tách quang p-n, điện trường trong miền nghèo của
4


APD điều khiển các lỗ trống và điện tử chuyển động ngược hướng với nhau.
Dưới tác động của điện trường phân cực ngược, các lỗ trống trong lớp này
hướng tới lớp p+, còn các điện tử hướng tới lớp n+. Tại miền nhân, do điện trở
suất của lớp này cao nên hình thành một vùng điện trường lớn tại tiếp giáp pn+. Khi đi vào miền này, gặp điện trường lớn, các điện tử - lỗ trống sẽ được
tăng tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện
tử - lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm. Các hạt tải điện
thứ cấp qua miền điện trường lớn lại được tăng tốc và chúng có đủ động năng
để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới... Đó chính là hiệu ứng thác lũ, hay
còn gọi là hiệu ứng nhân. Quá trình này làm tăng dòng điện bên ngoài và
cũng chính là tăng độ nhạy của APD.
Photodiode thác lũ có hiệu suất lượng tử lớn hơn 1, độ khuếch đại cao
thích hợp cho việc thu các tín hiệu rất yếu. Nhược điểm của APD đó là thời
gian đáp ứng chậm.

Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ADP.
1.1.2. Streak Camera

5


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 [5].
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 1.4.
Chùm sáng cần đo (giả sử gồm một chuỗi các xung quang học có cường độ
khác nhau và lệch nhau 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 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.
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ống streak được biểu diễn trên hình 1.4.

6


(a)

(b)

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của ống streak (Hamamatsu) (a);
cơ chế quét (b) [2]
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 1.4b). 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 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-channelplate - MCP).
Khi đi qua tấm vi kênh, số photoelectron được nhân lên vài nghìn lần.
Sau đó chúng đập lên màn phosphor. Việc sử dụng tấm vi kênh là do yêu cầu
7


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 này
được trình bày trong hình 1.5.

Streak camera

Ánh sáng
cần đo

Camera

nhạy

Bộ thu ảnh

Bộ trễ

Tín hiệu trigger
Phần trigger

Bộ chia tần

Hình 1.5: Cấu hình cơ bản của hệ Streak Camera [2]
8

Máy tính


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. 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 100 fs.
1.2. Phương pháp gián tiếp quang học để đo xung laser cực ngắn
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 hòa ba bậc hai, huỳnh quang hấp thụ hai
photon và phương pháp đo tương quan. Các phương pháp này được xây dựng
trên hai cơ sở:
+ Hàm tương quan (correlation functions)
+ Sự biến đổi thời gian – không gian của xung laser.
1.2.1. Phương pháp đo dựa vào sự huỳnh quang hấp thụ hai photon
Ta biết rằng ánh sáng truyền đi trong chân không với vận tốc 3.10 8 m/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 của
phương pháp hấp thụ hai photon (sự biến đổi thời gian – không gian).
Sơ đồ bố trí thực nghiệm của kỹ thuật đo độ rộng xung ngắn bằng quá
trình phát huỳnh quang dựa trên hiện tượng hấp thụ hai photon được thể hiện
trên hình 1.6. Một xung laser được tách thành hai xung có cường độ bằng
nhau bằng một tấm tách chùm 50/50, sau đó được lan truyền theo hai hướng

9


khác nhau và đi vào một dung dịch chất màu hữu cơ theo hai hướng ngược
nhau.
Dung dịch chất màu được chọn chỉ có thể phát huỳnh quang nhờ sự hấp
thụ hai photon ở bước sóng của laser. Huỳnh quang hai photon phát ra được

ghi nhận nhờ chụp ảnh vết huỳnh quang bằng máy ảnh có độ phân giải cao.
Phân bố cường độ huỳnh quang đo được là một hàm của độ trễ về thời
gian giữa hai xung, có thể viết ở dạng như biểu thức [2]:
(1.1)

Trong đó,

là hàm tự tương quan bậc 2, τ là thời gian trễ. Ưu

điểm của phương pháp huỳnh quang hấp thụ hai photon là sự đơn giản trong
cách bố trí hệ đo. Phương pháp này cho phép đo các xung đơn hoặc xung có
độ lặp lại thấp. Tuy nhiên, phương pháp huỳnh quang hấp thụ hai photon có
nhược điểm là độ phân giải không cao và rất khó đạt được độ chính xác cao.
Tỷ số tương phản thực nghiệm của phương pháp huỳnh quang hai photon phụ
thuộc nhiều vào sự hiệu chỉnh quang học và sự phân chia cường độ chùm tia.
Sự hiệu chỉnh không tốt máy ảnh, độ phân giải của phim cũng có thể gây ra
những biến dạng của vết huỳnh quang thu được.
Kết quả thu được bằng phương pháp huỳnh quang hai photon không
chứa đựng thông tin về pha của xung laser được đo và nền không đổi xuất
hiện trong kết quả đo làm cho phép đo không nhạy với các tín hiệu có cường
độ nhỏ [2].
Tấm chia chùm

Camera độ nhạy cao
hoặc CCD camera
Dung dịch

chất màu

Hình 1.6: Sơ đồ đo lường huỳnh quang hấp thụ hai photon [5]

10


Do những nhược điểm trên, hiện nay phương pháp huỳnh quang hai
photon ít được sử dụng trong đo lường xung laser cực ngắn.
1.2.2. Phương pháp đo hàm tự tương quan
Nguyên tắc của phương pháp đo hàm tự tương quan
Giả sử có hai tín hiệu 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), thông qua
việc xác định hàm tương quan (correlation function) G():


G ( )  F (t ) F (t   )dt

(1.2)



chúng ta sẽ xác định được hàm còn lại F(t).
Với các xung laser cực ngắn, người ta dùng xung laser để đo lường
chính nó, vì vậy phương pháp này gọi là phương pháp xác định hàm tự tương
quan.
Để thực hiện phép đo, bằng cách nào đó ta tách xung laser cực ngắn
thành hai xung giống nhau, chúng truyền đi theo hai đường khác nhau rồi tái
hợp lại trong một cấu hình giao thoa kế (hình 1.7).

Hình 1.7. Cấu hình cơ bản để đo hàm tự tương quan [2].
a) Hệ đo tự tương quan cường độ (Intensity autocorrelation).
b) Hệ đo tự tương quan giao thoa (Interferometric autocorrelation).

11


Hàm tương quan và tự tương quan được chia thành nhiều nhóm khác
nhau. Tuy nhiên, trong phạm vi ứng dụng cho các đo lường xung laser ngắn ở
đây chỉ đề cập tới các hàm tự tương quan có liên quan. Hàm tự tương quan
không có nền bậc n được xác định theo biểu thức [2]:


 E  t  E  t   1 ...E  t   n 1 

G ( n )  1 ,  2 ,...,  n 1    

2

dt

(1.3)



2n
E  t  dt



Một cách tổng quát, để xác định đầy đủ các đặc trưng của xung laser
(dạng xung, độ rộng xung, cường độ, pha) cần phải xác định các hàm 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 hòa ba bậc hai; hàm bậc 3 có
thể xác định bằng sự hấp thụ 3 photon hoặc sự phát hòa ba bậc ba...
Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ hàm tự tương quan bậc 2 và 3 là đủ để mô
tả các đặc trưng của xung laser.
Trong thực tế, để đo độ rộng xung laser người ta chủ yếu chỉ sử dụng
hàm tự tương quan bậc 2 [2]:


2
2
E (t ) E (t   )dt

G ( 2) ( )   



E



I (t ) I (t   )dt
 

4

(t )dt



I




2

dt

I (t ) I (t   )
I 2 (t )

(1.4)



Một đặc điểm rất quan trọng đó là dạng của hàm tự tương quan phụ
thuộc vào dạng I(t) của xung laser. Hơn nữa, mối liên hệ giữa độ rộng 
(FWHM) của hàm tự tương quan với độ rộng t (FWHM) của xung laser
cũng phụ thuộc vào dạng của xung, trong khi đó hàm tự tương quan bậc 2 là
hàm đối xứng không phản ánh thông tin gì về dạng xung và sự bất đối xứng
của nó. Tức là nó không cho ta biết chính xác dạng xung được đo. Để xác
định dạng xung và đáp ứng phổ (động học), (chẳng hạn sự chirp, sự điều biến
12


pha...) ta cần phải sử dụng các kỹ thuật khác nhau. Bảng 1.1 trình bày quan hệ
giữa  và t đối với một số dạng xung.
Để dùng hàm tự tương quan trong đo lường độ rộng xung laser cực ngắn,
chúng ta cần phải chọn một dạng xung phù hợp để từ hàm tự tương quan đo
được có thể rút ra những đặc trưng của xung laser. Trên thực tế, người ta

thường chọn xung laser ban đầu dạng sech2(t) bởi kết quả đo độ rộng xung
với dạng xung sech2(t) cho kết quả gần đúng nhất giá trị thực tế. Vì vậy, dạng
xung sech2(t) được chọn làm tiêu chuẩn trong đo lường xung laser cực ngắn,
bất kể dạng xung thực sự.
Bảng 1.1: Quan hệ giữa  và t đối với một số dạng xung [5]
I(t)

I()

t

G(2)()

/t

exp( t 2 )

exp(  2 )

2.772

1.414

sech 2  t 

 
sech 2   
2 

1.978

exp(   2 2)
3
 coth( )  1
sinh 2 ( )

1
et

( t  A)

 e t

( t  A)

1 1 2
 15 
cosh 
  1
 16 

2

1.925

1
8 
cosh 3   
 15 

1.543

1.544

A 1 / 4

A 1 / 2

 3 
sech  
 4 

A 3 / 4

1 1 2
 7 
cosh     1
 16 

1.749

2

13

1.391

8 
3 sinh     8
3 

4 
4 sinh 3   
3 
 16 
2 cosh    3
7 
8 
5 cosh 3   
7 

1.549

1.570


Chương II
KHẢO SÁT ĐỘ RỘNG XUNG LASER CỰC NGẮN VỚI CÁC HỆ ĐO
TỰ CHẾ TẠO VÀ HỆ ĐO THƯƠNG MẠI FEMTO-CHROME
Trên cơ sở phát triển thành công các hệ laser khóa mode Nd:YVO4 phát
xung cực ngắn tại bước sóng 1064 nm và được bơm bằng laser bán dẫn [4],
chúng tôi đã sử dụng 2 hệ đo độ rộng xung laser đã được nghiên cứu và chế
tạo tại Viện Vật lý [3] để đo độ rộng của xung laser khóa mode đồng thời sử
dụng hệ đo thương mại Femto – Chrome được trang bị cho Phòng Thí nghiệm
trọng điểm về Quang tử để đo độ rộng xung laser như là một thiết bị tham
chiếu qua đó đánh giá độ chính xác của hệ đo tự chế tạo.
2.1. Khảo sát độ rộng xung laser khóa mode với hệ đo độ rộng xung laser
cực ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến
2.1.1. Sơ đồ thiết kế hệ đo
Hệ đo độ dài xung laser cực ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến được
chế tạo theo cấu hình đo tự tương quan giao thoa, cấu hình hệ đo được mô tả

như hình 2.1.
(9)

(8)

(10)

(7)

(11)

(6)
(5)

(1)

(2)

(3)
(4)

Hình 2.1. Sơ đồ cấu hình hệ tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến.
Các thành phần của hệ đo gồm các bộ phận chính như sau:
14


(1): Gương chia chùm, phản xạ 50% tại bước sóng 1064 nm.
(2): Gương phản xạ 100% tại 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 0,1mm/phút tới 10mm/phút thông qua điều khiển hộp số,
với khoảng cách 1mm/vòng, khoảng cách dịch chuyển tối đa là 10cm.
(3): Gương phản xạ 100% (45 độ) tại bước sóng 1064 nm để điều chỉnh
hướng truyền của chùm tia.
(4): Gương phản xạ 100% tại 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 KDP để phát hòa ba bậc hai.
(7): Phim lọc hồng ngoại dùng để loại bỏ chùm tia 1064 nm.
(8): Gương phản xạ 100% (45 độ) tại 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 sử dụng card PLC để điều khiển và hiển thị vết tự tương
quan.
Nguyên tắc hoạt động của hệ được mô tả như sau:
Chùm laser được dẫn tới gương chia chùm 50/50 (1), 50% năng lượng
chùm laser phản xạ tới gương (3) và dẫn tới gương (4) (đây gọi là nhánh cố
định), sau đó phản xạ ngược lại gương (3) tới thấu kính (5) và hội tụ vào tinh
thể phi tuyến KTP (6). 50% năng lượng của chùm vào truyền qua gương (1)
và dẫn tới gương (2). Gương (2) được đặt trên bộ vi dịch chuyển có thể dịch
chuyển thủ công bằng tay hoặc gắn với motor bước được điều khiển bởi máy
tính. Chùm tia laser tới gương (2) và phản xạ ngược lại gương (1) và dẫn tới
thấu kính (5) sau đó hội tụ vào tinh thể phi tuyến KTP. Tín hiệu hòa ba bậc
hai phát ra từ tinh thể KTP đi qua tấm fin lọc (để loại bỏ thành phần bước
sóng 1064 nm còn dư) và được dẫn tới đầu thu là photodiode được kết nối với
15


máy tính qua card âm thanh từ đó xử lý thu nhận dữ liệu và vẽ lại dạng vết tự
tương quan trên máy tính. Tùy theo việc chọn bước dịch chuyển của motor

mà thời gian thực hiện 01 phép đo có thể từ 10 phút đến 20 phút.
Hình ảnh hệ đo xung laser cực ngắn dựa trên bộ dịch chuyển tịnh tiến
được chế tạo tại Viện Vật lý.

Hình 2.2: Hệ đo xung laser cực ngắn sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến.
2.1.2. Kết quả đo độ rộng xung laser cực ngắn
Với hệ đo này, chúng tôi đã khảo sát độ rộng xung laser cực ngắn
Nd:YVO4 khóa mode bơm bằng laser bán dẫn phát xung cực ngắn có tần số
lặp lại 40 MHz ở bước sóng 1064 nm đã được phát triển thành công tại Viện
Vật lý theo hai cách:
1. Thay đổi độ trễ quang học bằng dịch chuyển bộ vi dịch chuyển bằng tay,
ghi nhận kết quả đo cường độ tín hiệu hòa ba bậc hai phát ra bằng photodiode
được hiển thị trên dao động ký tại mỗi vị trí dịch chuyển.

16


2. Thay đổi độ trễ bằng điều khiển motor bước gắn với bộ vi dịch chuyển, tín
hiệu thu nhận bằng photodiode kết nối với máy tính thông qua card âm thanh.
Kết quả đo thể hiện trên hình 2.3.
Kết quả đo độ dài xung laser khóa mode khi dịch chuyển bộ vi dịch
chuyển bằng tay được biểu diễn trên hình 2.3a. Độ bán rộng (FWHM) vết tự
tương quan đo được cỡ 20 ps, với giả thiết xung laser đầu vào có dạng

Intentsity Cường độ (a.u)

sech2(t) thì độ dài xung laser được xác định là 13 ps.
3.0

Experiment data

Fit data

2.5

  20 ps
2.0

1.5

1.0

-80

-60

-40

-20

0

Thời

20

40

60

80

Delay
(ps)
gian
(ps)

a) Thay đổi độ trễ quang học bằng tay.

  20 ps

b) Thay đổi độ trễ quang học bằng motor bước.
Hình 2.3: Kết quả đo độ dài xung laser cực ngắn với hệ đo sử dụng bộ dịch
chuyển tịnh tiến.
17


Kết quả vết tự tương quan đo được của xung laser khóa mode trên hình
2.3b khi thay đổi bộ dịch chuyển bằng motor bước điều khiển bằng máy tính.
Kết quả đo được độ bán rộng của vết tự tương quan cỡ 20 ps. Với giả thiết
xung laser đầu vào có dạng sech2(t) thì độ dài xung laser đo được là 13 ps.
Các phép đo được thực hiện lặp lại nhiều lần với bước dịch chuyển
khác nhau của bộ vi dịch chuyển, kết quả đánh giá về độ dài xung laser khóa
mode là: 13 ± 0,5 (ps).
2.2. Khảo sát độ rộng xung laser khóa mode với hệ đo tức thời độ rộng
xung laser cực ngắn sử dụng cặp gương quay
2.2.1. Thiết kế và nguyên lý hệ đo
Với hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn theo cấu hình giao thoa kế
truyền thống (hình 2.1), do hạn chế của bộ dịch chuyển tịnh tiến và đặc điểm
của phép đo lấy trung bình tín hiệu theo thời gian vì vậy thời gian thực hiện
một phép đo khá dài (cỡ 10 - 20 phút). Điều đó gậy khó khăn cho việc quan

sát, đánh giá nhanh độ rộng xung laser trong quá trình điều chỉnh quang học
trong BCH để tối ưu hóa độ rộng xung trong quá trình hoạt động của laser.
Đối với các chuỗi xung laser có tần số lặp lại cao ( MHz), chúng ta có
số xung laser trong một đơn vị thời gian được tăng lên rất nhiều (hàng triệu
lần). Do vậy, về nguyên tắc chúng ta có thể giảm thời gian đo xuống rất nhiều
(hàng triệu lần), tức là gần như tức thời. Để giảm thời gian đo, bằng cách nào
đó chúng ta biến đổi rất nhanh độ trễ l của nhánh trễ và như thế chúng ta sẽ
thu được kết quả đo tức thời. Giải pháp đó là thay bộ dịch chuyển tuyến tính
bằng hệ gương quay. Cấu hình hệ đo nhanh độ rộng xung laser theo nguyên lý
hiển thị trực tiếp được mô tả trên hình 2.4.
Về cơ bản, hệ đo nhanh độ rộng xung laser cực ngắn được thiết kế dựa
trên cấu hình giao thoa kế Michelson với hai nhánh: nhánh thứ nhất cố định,
với chiều dài không đổi l; nhánh thứ hai có chiều dài thay đổi bằng cách sử
dụng cặp gương phẳng được đặt song song và cách nhau một khoảng 2R trên
18