Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn

1 VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIÁO DỤC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

====oOo====

NGUYỄN VĂN HIỆP

Hình 1.1. Các mode dọc trong buồng cộng hưởng

KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN XÁC ĐỊNH
ĐỘ RỘNG XUNG LASER NGẮN


2

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý, Khoa
Sau Đại học - Trường Đại học Vinh đã dành nhiều tâm huyết truyền đạt những
kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi hồn thành khóa học và luận văn.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Đồn Hồi
Sơn, người đã tận tình giúp đỡ tơi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
hướng dẫn, đóng góp ý kiến q báu để tơi hồn thành khố luận này.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn các thầy giáo trong chuyên ngành Quang
học, các kỹ thuật viện phòng kỹ thuật điện tử Viện Vật lý đã hưỡng dẫn, giúp đỡ
trong q trình thí nghiệm, thực hành.
Xin cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, tổ Vật Lý trường THPT Cát Ngạn cùng
các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tơi trong
quá trình theo học chương trình cao học tại trường Đại học Vinh cũng như để
hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Vinh, tháng 12 năm 2010

Tác giả luận văn

MỤC LỤC


3
Mở đầu …………………………………………………….……………….……. 4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER XUNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Các phương pháp phát xung laser ngắn ………….….….…………………6
1.1.1. Phương pháp Mode-locking ………………………….…....…….………6
1.1.2. Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback)….…………...……9
1.1.3. Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS)………….………….…….….....10
1.1.4. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)…..........11
1.1.5. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (cavity - quenching)…………...12
1.2. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn…………………………………….14
1.2.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học……..…15
1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thơng tin quang …………..………...…16

Chương 2. KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN XÁC ĐỊNH
ĐỘ RỘNG XUNG LASER NGẮN
2.1. Nguyên lý của phương pháp … ………………………….…………………22
2.1.1. Cơ sở thứ nhất : Hàm tự tương quan………………………..…………….22
Cơ sở thứ hai : Biến đổi thời gian – Khơng gian………………….....
…..28
2.2. Thiết bị, bố trí thực nghiệm và sự hoạt động hệ đo autocorrelator .... . …28
2.2.1. Các thiết bị cần thiết xây dựng hệ đo…………………..……….……… …28
2.2.2. Bố trí thực nghiệm và sự hoạt động hệ đo autocorrelator… … ……… ….29
2.2.3. Hướng dẫn sử dụng hệ đo……………………….……………….……… 34
2.3. Kết quả đo…………..………………………….…………………… …...…..37

2.4. Đo độ rộng xung trực tiếp từ dao động ký, hệ gương quay. … ……… …39
2.4.1. Thiết kế………………………………………………………….….…..…39
2.4.2. Bố trí thiết bị.……………………………………………………..…….…40
2.4.3. Kết quả thực nghiệm ……………...……………………………....………41
KẾT LUẬN…………………………………………….……....……44
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………….…………45


4

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

 FWHM

Độ rộng xung tại nửa cực đại

 

Độ rộng vết tự tương quan

 
 BCH

Độ rộng nửa cực đại xung cần đo.
Buồng cộng hưởng


5

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng trong
thế kỷ XX. Trong những năm gần đây, công nghệ laser đã phát triển mạnh mẽ và có
những ảnh hưởng to lớn trực tiếp lên các lĩnh vực khác nhau của khoa học và đời
sống xã hội.
Trong những năm gần đây laser xung ngắn đã và đang được quan tâm nghiên
cứu, ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Đặc biệt là lĩnh vực
nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian các q trình lý, hố, sinh học, kiểm sốt
các phản ứng hoá học nhờ sử dụng các xung cực nhanh thích hợp ,khảo sát tương
tác giữa vật chất và ánh sáng, kích thích các nguyên tử phân tử và trong các hiệu
ứng quang phi tuyến nó cịn là nguồn sáng lý tưởng cho các nghiên cứu động học,
các quá trình các hiện tượng xảy ra cực nhanh.
Ở Việt Nam việc nghiên cứu Vật lý laser xung ngắn được tiến hành ở các
phịng thí nghiệm Quang học Quang phổ ở các viện nghiên cứu và một số trường
đại học. Người ta quan tâm đến một số phương pháp phát xung ngắn pico-giây(ps),
có tính khả thi như: Phương pháp Mode-locking, phương pháp phản hồi phân bố
(ĐFL), phương pháp lựa chọn thời gian- phổ (STS), phương pháp kích thích sóng
chạy (TWE), phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt.
Mỗi một phương pháp này, người ta có thể thu được các xung laser ngắn với
những ưu điểm, nhược điểm khác nhau. Mặt khác nhờ những thành tựu về công
nghệ các vật liệu rắn, chất màu mới đã giúp cấu hình của hệ laser của hệ laser ngày
càng có tính khả thi cao trong điều kiện ở nước ta .
Công việc đo đạc và tự động hoá hệ đo lường là hết sức cần thiết trong mọi lĩnh
vực khoa học công nghệ. Việc thực hiện những phép đo với độ kéo dài của tín hiệu
là cực ngắn cỡ (10-12 - 10-15 giây) như độ rộng của các xung Laser là một cơng nghệ
hồn tồn mới, việc dùng các thiết bị điện tử để đo chúng là không thể.


6
Nhận thức được những vấn đề trên về tính cấp thiết và khả thi của nghiên
cứu kỹ thuật xác định độ rộng xung laser ngắn có thể đóng góp cho nghiên cứu

khoa học và ứng dụng thực tiễn. Chúng tôi đặt vấn đề tìm hiểu và nghiên cứu đề tài
“Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn ”
Nội dung nghiên cứu của đề tài là:
-

Tìm hiểu và nghiên cứu các đặc điểm của laser xung ngắn.

-

Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp phát laser xung ngắn và các ứng
dụng của laser xung ngắn.

-

Nghiên cứu kỹ thuật tự tương quan đo độ rộng thời gian xung ngắn.
Các kết quả nghiên cứu về đề tài “Kỹ thuật tự tương quan xác định

độ rộng xung laser ngắn ” nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân và đóng góp một
phần nhỏ trong sự phát triển của một lĩnh vực khoa học laser xung ngắn đang được
quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Cấu trúc của bản luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung được trình bày
trong 2 chương.
Chương 1. Giới thiệu các phương pháp phát xung laser ngắn và các ứng dụng
chúng đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông và thông tin quang.
Chương 2. Kỹ thuật tự tương quan đo độ rộng xung laser ngắn .
Trình bày về nguyên tắc của phương pháp đo, cách bố trí thiết bị và sơ đồ đo,
hệ đo và sự hoạt động của hệ, các kết quả thu được.
Khóa luận được thực hiện tại khoa Vật Lý trường Đại Học Vinh dưới sự hướng
dẫn của TS. Đoàn Hoài Sơn.
Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù 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.


7

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER XUNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Các phương pháp phát xung laser ngắn
Nói chung, độ rộng thời gian của xung laser không nhất nhiết chỉ do giới hạn
thời gian của xung bơm quy định mà có thể ngắn hơn rất nhiều nhờ một số kỹ thuật
nén xung khác nhau trong phần này chúng tôi đưa ra một số phương pháp phổ biến
để thu được xung laser ngắn là. Kỹ thuật Mode-locking, laser màu phản hồi phân
bố, laser màu chọn lọc thời gian phổ. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling
Wave Excitation), mỗi phương pháp có một số ưu điểm có nhược điểm riêng.
1.1.1. Phương pháp Mode-locking
Một BCH laser điển hình gồm có hai gương phản xạ và môi trường hoạt chất
khuếch đại ánh sáng. Bức xạ laser phát ra có độ rộng phổ nhất định, trong đó chứa
đựng các mode dọc do sự phân bố trường được hình thành trong BCH quang học.
Hai mode dọc liên tiếp cách nhau một khoảng

(trong đó c và L là

vận tốc ánh sáng và chiều dài BCH, n là chiết suất của môi trường, l là chiều dài của
môi trường hoạt chất).


8

Quan hệ về pha giữa các mode này là ngẫu nhiên, tuy nhiên có thể cưỡng bức
các mode để làm cho chúng có một quan hệ về pha xác định. Khi hai điều kiện sau

đây được thoả mãn: laser có số mode dọc khá lớn và các mode này cách đều nhau
về tần số và đồng bộ về pha, các mode sẽ dao thoa với nhau để laser phát ra một
chuỗi xung ngắn tuần hồn có chu kỳ T 
 ~

2( L  l (n  1))
và độ rộng xung là
c

1
trong đó  là độ rộng phổ khuếch đại. Đây là nội dung của việc phát


xung ngắn bằng kỹ thuật mode-locking hoàn toàn phụ thuộc vào độ rộng phổ
khuếch đại của môi trường hoạt chất hoặc là số lượng các mode dọc được tạo nên.
Tuy nhiên tuỳ theo từng loại mơi trường laser khác nhau thì khả năng để tạo ra
những xung laser mode-lock sẽ có độ rộng xung khác nhau.
Bảng 1.1. Khả năng tạo xung laser ngắn bằng mode-lock của vài loại vật liệu laser khác nhau

Laser

Ruby

Nd

10

Số mode dọc

103

Độ rộng xung (s)

012

1014
1

105-106

4

0

1011

1013-

1

11

Độ rộng công tua huỳnh quang (Hz)

Màu

10-13-

1
0-12

10-14

Các điều kiện cần để thực hiện mode-locking thành công cho một laser là:
-

Mơi trường khuếch đại phải có độ rộng phổ lớn.

-

Buồng cộng hưởng có số lượng mode dọc đủ nhiều (Độ rộng của xung
mode-lock tỷ lệ nghịch với số mode trong BCH).


9

-

Theo lý thuyết phương pháp mode-locking có thể thực hiện được khi số
mode dọc N phải  3; (N =


d
= 2 ), tuy nhiên trên thực tế để thực

c

hiện mode-locking có hiệu suất hiệu quả thì số mode dọc phải khá lớn
(104 mode dọc).
2

2

1

T = (2m  1) =
=
N

-

Các mode dọc này phải cách đều nhau về mặt tần số và có quan hệ về pha
xác định (hay các pha của chúng phải đồng bộ với nhau).

Cùng với việc thoả mãn các điều kiện nói trên, phương pháp mode-locking
cũng địi hỏi các yếu tố về thiết bị như laser, các bộ điều khiển cơ quang, các linh
kiện biến điệu (quang âm, điện quang,...) có những thơng số kỹ thuật phù hợp,
chính xác cao. Để thực hiện mode-locking người ta có thể sử dụng yếu tố điều biến
sự mất mát hoặc sự khuếch đại trong BCH với tần số bằng hoặc gấp một số nguyên
lần  ( là khoảng cách giữa hai mode dọc liên tiếp). Tuỳ theo nguyên tắc làm việc
của bộ điều biến, người ta chia thành mode locking chủ động hoặc mode bị động.
Sự điều biến được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu bên ngồi (thơng thường
sử dụng bộ điều biến là bộ quang âm) được gọi là mode-locking chủ động. Trong
mode locking thụ động sự điều biến diễn ra do tương tác của xung ánh sáng với chất
làm bộ hấp thụ bão hoà ở trong BCH.
Bằng phương pháp mode-locking, người ta có thể thu được những xung laser
cực ngắn cỡ 10-14 s. 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 mơi trường laser
việc phát xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp. Ngồi ra, các phịng thí nghiệm
hạn chế về thiết bị và kinh phí thì việc áp dụng kỹ thuật mode-locking (giá thành

cao và yêu cầu khắt khe về thiết bị) là khó thực hiện được.


10

1.1.2. Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback)

Gương 1

Cách tử

+
1

1

Gương 2

Chất màu

Hình 1.2. Sơ đồ bơm laser màu phản hồi phân bố với hai gương
phản xạ và một cách tử
Phương pháp này sử dụng một nguồn bơm nano giây để bơm cho laser màu.
Cơ chế làm xung ngắn là do sự tự biến điệu độ phẩm chất của cuvet màu . Sự hình
thành xung ngắn được trình bày trên hình 1.2.

Khi chùm laser đến cách tử có bậc nhiễu xạ +1 và -1, hai chùm tia nhiễu xạ từ
cách tử giao thoa với nhau ngay trong cuvet chất màu sau phản xạ gương, Do tính
kết hợp, các chùm này giao thoa nhau tạo ra sự biến đổi có chu kỳ về không gian
của chất màu (cách tử Bragg). Khoảng cách giữa các vân giao thoa thoả mãn công

thức  

n p
M sin 

, trong đó  là bước sóng của laser, p là bước sóng của laser bơm,

n là chiết suất của môi trường chất màu, M là bậc nhiễu xạ Bragg,  là góc laser tới.


11

Kết quả đã tạo nên sự biến điệu không gian của môi trường khuếch đại để tạo ra
xung ngắn, cơ chế tạo xung ngắn trong DF còn được gọi là tự biến điệu độ phẩm
chất (Self Q-Switching).
Do phải hoạt động ở chế độ gần ngưỡng do vậy phương pháp DF có nhược
điểm là các xung có độ phân kỳ lớn, bất ổn định và năng lượng khá thấp.
1.1.3. Laser màu chọn lọc thời gian phổ (STS)
Một kỹ thuật nhằm tạo ra xung ngắn từ các laser bơm cỡ nano giây là phương
pháp chọn lọc thời gian phổ (Specto–Temporal–Selection). Phương pháp STS dựa

(a.u.)

Cường

độ

trên tiến trình quét phổ rất nhanh của bức xạ laser màu băng rộng.

5

565

10
Thời gian ( ns)

560

15

555

Bước sóng (nm)

Hình 1.3. Tiến trình phổ trong phát xạ laser màu của PM 567/polymer
BCH L = 5cm; l = 1cm; R = R2 = 0.1; N = 5x1017cm-3; r = 10;
Việc nghiên cứu tiến trình phổ được phát
ra từ một BCH ngắn Q - thấp cho
thấy, tại thời điểm ban đầu phổ laser rất rộng, ngay sau đó, một sự làm hẹp phổ rất
nhanh xảy ra và cực đại phổ phát xạ chuyển về phía sóng dài. Điều này có nghĩa là
có sự dập tắt dao động rất nhanh ở về phía sóng ngắn của phổ laser. Nếu lọc lựa một
băng phổ hẹp ở phía sóng ngắn của phát xạ laser băng rộng sẽ thu được một xung
laser ngắn. Với kỹ thuật nén xung này ta thu được xung laser ngắn với hệ số nén
xung cỡ 102 lần.


12

Tuy nhiên phương pháp phát xung ngắn bằng kỹ thuật STS vẫn còn tồn tại
nhược điểm là chúng ta chỉ thu được xung ngắn ở trong một vùng phổ hẹp.
nanosecond

Nd :YAG laser
(2  ) 532 nm
20 Hz

M2
Tunable
90 ps

DS
S
Lo

M1

M3
L2

M0
L2

M 1’

G

L

Hình 1.4. Sơ đồ một laser màu picơ-giây STS
1.1.4. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation)
Kích thích sóng chạy là một phương pháp đơn giản song khá hữu hiệu để phát
xung cực ngắn tới cỡ ~ ps hoặc ngắn hơn. Trong laser sử dụng chất màu làm mơi

trường truyền sóng bức xạ được kích thích kiểu sóng chạy, pha khơng gian của một
xung bơm được xử lý bằng cách tạo ra một nhóm xung trễ đều theo chiều ngang
đường kính của chùm bơm hội tụ tuyến tính hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy
Việc bơm ngang quy-vét khuếch đại 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


13

đầu tiên sẽ phát ra tại một đầu quy - vét và bắt đầu chuyển động về phía đầu kia của
quy - vét và liên tiếp được khuếch đại (tức là trong quy - vét màu, bức xạ laser đi tới
vị trị nào thì xung kích thích cũng vừa kịp tới vị trí đó). Cách tử là thiết bị quan
trọng nhất trong cấu hình laser màu kích thích sóng chạy, để tạo nên một sự trễ
không gian liên tục dọc theo chùm bơm đã bị nhiễu xạ (sao cho xung bơm và các
xung bức xạ tự phát sẽ đồng bộ với nhau tại mọi điểm trên thể tích màu được kích
hoạt).
Phương pháp khuếch đại kích thích sóng chạy cho phép phát các xung ngắn
với hệ số nén xung thấp, cao nhất chỉ cỡ ~ 2 lần (thông thường nguồn bơm là các
xung laser cỡ ps hay fs). Kỹ thuật kích thích sóng chạy thường được sử dụng với
các chất màu có hiệu suất lượng tử thấp, tuổi thọ ngắn, chúng chỉ tạo ra các xung
ngắn chất lượng thấp. Tuy nhiên, laser TWE có cấu trúc phổ đám gồm vơ số các
vạch phổ hẹp, cỡ 0.5  1 Å . Như vậy, việc lọc lựa các vạch phổ hẹp trong băng
phổ của laser màu kích thích sóng chạy có thể cho phép phát được các xung laser
picô giây băng hẹp điều chỉnh được bước sóng.
1.1.5. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (cavity - quenching)
Kỹ thuật BCH quenching tạo ra xung laser ngắn ps từ laser bơm với độ rộng
xung cỡ ns, và được sử dụng đầu tiên cho laser màu. Trong cấu hình của một laser

màu có BCH quenching bơm ngang ở hình 1.6. Mơi trường hoạt chất là những dung
dịch chất màu được chứa trong cuvette thạch anh có kích thước 1 cm  1 cm  3
cm. Người ta tạo ra hai BCH laser khác nhau nhưng cùng sử dụng chung một môi
trường hoạt chất. BCH thứ nhất có độ phẩm chất thấp được tạo nên bằng việc sử
dụng trực tiếp hai thành cuvette làm hai gương phản xạ. BCH thứ hai có độ phẩm
chất cao được tạo nên bằng việc sử dụng gương có hệ số phản xạ cao làm gương sau
và một thành cuvette, BCH Q- cao có chiều dài lớn hơn BCH thứ nhất và quang
trục của nó lệch đi chút ít so với BCH thứ nhất.


14

LASER BƠM (Nd:YAG)

R Laser ra từ BCH

R
R

2

1

Q - cao
Laser ps từ BCH Q
- thấp

3

BCH Q thấp

BCH Q cao

Hình 1.6. Cấu hình của BCH quenching

Nếu hai BCH này hoạt động độc lập thì bức xạ laser phát ra của từng BCH Q thấp hoặc Q - cao đều là các xung laser dài cỡ ns (hình 1.7a). Tuy nhiên khi hai
BCH này cùng hoạt động đồng thời và sử dụng chung một mơi trường hoạt chất thì
giữa chúng có sự cạnh tranh năng lượng tích trữ trong mơi trường hoạt chất, do vậy
hoạt động của laser có BCH Q - cao chiếm hầu hết khả năng khuếch đại (gain) trong
môi trường hoạt chất. Do đó sự phát laser (BCH Q - thấp) chỉ cho phép phát một
xung ngắn ở lối ra hình 1.7b.
Phương pháp phát xung laser ngắn từ BCH quenching là đơn giản. Chúng ta
có thể kiểm sốt được độ rộng của xung laser lối ra từ BCH Q - thấp bằng việc
khống chế các thông số hoạt động của laser như phần thể tích hoạt chất dùng chung
giữa hai BCH, thông số BCH Q - cao, thông số bơm cũng như nồng độ của chất
màu. Đây là ưu điểm của phương pháp BCH quenching.


(đ.v.t.đ)

Cường

độ

15

1

1

100

ps0

0
.5

.5

0
5

6

7

8
9
gian 000
000

000 Thời
000
Hình 1.7a. Xung
(ps) laser ở BCH Q thấp
000

1

0
5

000

1
6

000

2

70

8

9

Thời 000
gian 000
00

Hình 1.7b. Xung
(ps) laser ngắn (1) ra ở BCH Q

chưa được quenching

thấp và ở BCH Q cao (2) khi có quenching

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 đốn, mơi 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… Càng ngày càng có
thêm địi 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 :


16

 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. 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 mơ 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 q 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 q 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


17

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.
Ngồi 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 cơng vật liệu hay phẫu thuật mắt. Ngồi 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.
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 thơng
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 vơ 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 vơ tuyến). Ví dụ với sóng vơ
tuyến, tần số sử dụng là 104 31011 Hz thì với các laser quang học hoạt động
trong vùng phổ nhìn thấy có tần số trong khoảng 31012  151015 Hz nên dải sóng


18

truyền tăng lên đến 5104 lần. Do đó, với bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4  0,8
mm và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80105
kênh truyền cùng một lúc và lớn gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng ngắn.
Do năng lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vơ 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 mơi 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 thơng 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 .
Khi tốc độ truyền dữ liệu tăng, các laser mode-locking với bước sóng biến đổi
xung quanh vùng 1,55 mm 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 cơng 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)
[10]. 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 đốn 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.


19

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 thơng 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. Tần số lặp lại xung tương ứng với cửa sổ truyền

Tần số lặp lại xung (GHz)
2,5
10
40

160

Cửa số truyền (ps)
400
100
25
6,25

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. Việc điều chế trực tiếp giới hạn hầu hết các nguồn quang hiện nay
sử dụng thơng 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 cịn có những u 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.
Bộ điều chế
10GHz

Nguồn
10GHz

Dữ liệu
40GHz
Hình 1.8. Phân chia kênh theo thời gian quang học OTDM


20

Một phương pháp thiết kế mà khơng 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 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 .
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 1.4. Bốn bộ điều chế bên ngồi 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 địi hỏi phải có sự tách tín hiệu xung
clock ra khỏi dữ liệu
1.2.2.2. Việc tách xung đồng hồ quang học
Các xung ánh sáng trong mạng quang học [9] được cách nhau đều đặn vào
thời điểm khi chúng rời khỏi bộ điều chế nguồn. Tuy nhiên sau một hành trình của