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

47 483 2

Naruto Gửi tin nhắn Báo tài liệu vi phạm

Tải lên: 6,024 tài liệu

  • Loading ...
1/47 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/12/2013, 15:01

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====oOo==== NGUYỄN VĂN HIỆP KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG XUNG LASER NGẮN LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng 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 hoàn thành khóa học và luận văn. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn, người đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hướng dẫn, đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn thành khoá luận này. Tôi 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 quá 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 tôi 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 2 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 thông 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 2.1.2. Cơ sở thứ hai : Biến đổi thời gian – Không 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 3 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN • FWHM Độ rộng xung tại nửa cực đại • ∆τ Độ rộng vết tự tương quan • ∆Τ Độ rộng nửa cực đại xung cần đo. • BCH Buồng cộng hưởng 4 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 quá trình lý, hoá, sinh học, kiểm soát 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 còn 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 phòng 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 công nghệ hoàn toàn mới, việc dùng các thiết bị điện tử để đo chúng là không thể. 5 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. 6 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 2( ( 1)) c L l n ω = + − (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). 7 Hình 1.1. Các mode dọc trong buồng cộng hưởng 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 hoàn có chu kỳ 2( ( 1))L l n T c + − = và độ rộng xung là 1 ~ τ ν ∆ ∆ trong đó ν ∆ 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 môi 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 Màu Độ rộng công tua huỳnh quang (Hz) 10 11 1 0 12 10 13 - 10 14 Số mode dọc 10 3 1 0 4 10 5 -10 6 Độ rộng xung (s) 10 -11 1 0 -12 10 -13 - 10 -14 Các điều kiện cần để thực hiện mode-locking thành công cho một laser là: - Môi 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). - Theo lý thuyết phương pháp mode-locking có thể thực hiện được khi số mode dọc N phải ≥ 3; (N = ν δν ∆ = 2δν c d ), tuy nhiên trên thực tế để thực 8 hiện mode-locking có hiệu suất hiệu quả thì số mode dọc phải khá lớn (≥10 4 mode dọc). ∆T = Ω+ )12( 2 m π = Ω N π 2 = δν 1 - 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 đòi 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 thông 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 ω (ω 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 ngoài (thông 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 môi trường laser việc phát xung đơn hay xung có tần số lặp lại thấp. Ngoài ra, các phòng 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. 9 1.1.2. Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback) Phương pháp này sử dụng một nguồn bơm nano giây để bơm cho laser màu. Cơ chế làm xung ngắndo 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 sin p n M λ λ α = , trong đó λ là bước sóng của laser, λ p là bước sóng của laser bơm, n là 10 Cách tử Chất màu Gương 1 G ư ơ n g 2 + 1 - 1 Hình 1.2. Sơ đồ bơm laser màu phản hồi phân bố với hai gương phản xạ và một cách tử . 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. . 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
- Xem thêm -

Xem thêm: Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn , Kỹ thuật tự tương quan xác định độ rộng xung laser ngắn

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn