Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Luận văn ThS. Vật lý vô tuyến và điện tử -- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2011
Nghiên cứu những ứng dụng xung laser ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học cũng như ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang (Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division multiplexing OTDM), việc tách xung đồng hồ quang học, phản xạ kế trong miền thời gian quang học (Optical time domain reflectometry - OTDR), ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing -WDM)). Trình bày các phương pháp đo xung laser ngắn qua phương pháp điện tử để đo xung laser ngắn; phương pháp quang học để đo xung laser cực ngắn. Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: hệ laser Nd:YVO4 mode-locking; sound Card (Bo mạch âm thanh). Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự tương quan: xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo; xây dựng cấu hình hệ đo và lập trình cho hoạt động của hệ đo. Đưa ra kết quả thực nghiệm của hệ do
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
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, tui 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 tui 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.
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
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
2W2eeA0R6a9VzAQ
