Measuring ultra-short laser pulses by
autocorrelation method: research and
development equipment

Phuong Thị Thuy Hang

Hanoi University of science, VNU; Faculty of Physics
Major: Radio Physics and Electronics; Code: 604403
Supervisors: Prof. Dr. Nguyen Dai Hung, Institute of Physics
- Institute of Science and Technology Vietnam
Date of Presenting Thesis: 2011
Abstract. 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.

Keywords. Vật lý vô tuyến; Điện tử; Laze; Thiết bị đo; Thông tin quang

Content
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

thời gian trong vật lý, hóa học hay sinh học.
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. 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). Do năng
lượng lớn nên tia laser có thể đi xa hơn sóng vô tuyến.
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).
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].
1.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian quang học (Optical time division
multiplexing OTDM)
Phương pháp phân chia kênh theo thời gian quang học (OTDM) là 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
[22, 8]. 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

hẹp.
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.
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
Kỹ thuật này đang được sử dụng để đo lường các xung tương đối dài (> 100
ps). 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

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 thứ hai (sự biến đỗi thời gian – không gian) của
phương pháp đo lường xung laser cực ngắn.
2.2.2.1. Kỹ thuật đo dựa vào sự huỳnh quang hai photon
Sơ đồ bố trí thực nghiệm của kỹ thuật đo độ rộng xung ngắn bằng sự huỳnh
quang hai photon được thể hiện trên hình 2.5.

Hình 2.5: Sơ đồ đo lường huỳnh quang hai photon [15] Tấm tách chùm
Dung dịch
chất màu
Camera độ nhạy cao
hoặc CCD camera
2.2.2.2. Kỹ thuật đo dựa vào sự phát họa ba bậc hai (SHG)
Sơ đồ nguyên lý của hệ đo tự tương quan bậc 2 được thể hiện như trong hình
2.6.

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên tắc của hệ đo vết tự tương quan bậc 2 [9]
2.2.2.3. Kỹ thuật bố trí thực nghiệm hệ đo tự tƣơng quan
Có nhiều cấu hình thực nghiệm đang được sử dụng, chúng khác nhau chủ yếu
ở hệ thống thu và ghi tín hiệu, ở cách thực hiện việc làm trễ xung. Tuy nhiên, cách bố CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ ĐO XUNG LASER CỰC NGẮN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỰ TƢƠNG QUAN

Hiện nay, tại trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý đã phát triển thành
công hệ laser Nd:YVO
4
mode-locking. Độ rộng xung laser phát ra từ laser Nd:YVO
4
mode-locking thường rất ngắn (vùng pi-cô-giây). Vì vậy, trong chương này, luận văn
sẽ nghiên cứu và phát triển hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phương pháp tự
tương quan để đo độ rộng xung của hệ laser Nd:YVO
4
mode-locking.
3.1. Hệ laser Nd:YVO4 mode-locking
Hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking cần đo độ rộng xung được chế tạo tại
phòng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử phát xung có tần số lặp
lại 8,8 MHz, công suất trung bình cực đại 450 mW, ở bước sóng 1064 nm.
Sơ đồ nguyên lý của hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking như hình 3.1
Nd:YVO
4


+ Trong hệ đo, chúng ta có thể sử dụng thẻ thu nhận dữ liệu (the data-
acquisition card) để tiếp nhận tín hiệu từ photodiode và chuyển đổi tín hiệu từ dạng
tương tự sang dạng số trong hệ đo. Tuy nhiên giá thành của thẻ thu nhận dữ liệu (the
data-acquisition card) cao hơn rất nhiều so với sound card.
+ Để đảm bảo độ chính xác của phép đo độ rộng xung theo phương pháp tự
tương quan thì khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu của bộ chuyển đổi tương tự số
phải lớn hơn khoảng thời gian giữa hai lần phát xung liên tiếp của hệ laser cần đo.
Với hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking, tần số lặp lại xung rất cao 8,8 MHz nên
chúng tôi thấy rằng bộ chuyển đổi tương tự số trong sound card máy tính của phòng
thí nghiệm Quang tử, Trung tâm điện tử học lượng tử, viện Vật lý có tần số lấy mẫu
44,1 kHz đáp ứng được yêu cầu trên. Chính vì vậy, sound card sẽ được sử dụng làm
phương tiện thu nhận, số hóa dữ liệu từ photodiode trong hệ đo của chúng tôi.
3.3. Xây dựng hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn bằng phƣơng pháp tự tƣơng
quan
3.3.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ đo
Hệ đo được thiết kế theo cách bố trí thực nghiệm phổ biến nhất hiện nay
- cấu hình giao thoa kế Michelson.
3.3.2. Xây dựng cấu hình hệ đo
Sơ đồ cấu hình của hệ đo mà chúng tôi xây dựng như hình (3.4).
(1): Gương chia chùm, phản xạ 50% với bức xạ bước sóng 1064 .
(2): Gương phản xạ 100% với bức xạ có 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 0,1
mm/phút tới 10 mm/phút thông qua điều khiển hộp số, với khoảng cách 1 mm/vòng,
khoảng cách dịch chuyển tối đa là 10cm.
(3): Gương phản xạ 100% (45 độ) với bức xạ có bước sóng 1064 nm.
(4): Gương phản xạ 100% bức xạ có bước sóng 1064 nm.
(5): Thấu kính hội tụ để hội tụ cả hai chùm tia vào tinh thể phi tuyến.

(4)
3.3.3. Lập trình cho hoạt động của hệ đo
Bằng ngôn ngữ lập trình matlab, chúng tôi đã viết chương trình điều khiển
hoạt động của bộ dịch chuyển tịnh tiến và chương trình xử lý dữ liệu thu được từ
soud card. Chương trình lập trình của chúng tôi được trình bày trong phụ lục ở cuối
luận văn.
3.4. Kết quả thực nghiệm của hệ đo
Sử dụng hệ đo độ rộng xung tự tương quan vừa được xây dựng để đo độ rộng
xung của hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm
Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử. Cho bộ dịch chuyển tịnh tiến dịch chuyển
một khoảng 1,5 cm thì hiệu quang trình thay đổi 3 cm tương ứng với khoảng thời
gian trễ của hai xung laser là 100 ps. Chúng tôi đã thu được những dữ liệu thực
nghiệm và hình ảnh của vết tự tương quan như sau:
* Đo lần 1
Độ rộng xung tự tưong quan thu được là 13,8 ps. Từ đó, giả thiết dạng xung
cần đo là dạng sech
2
chúng ta tính được độ rộng xung laser cần đo là 13,8/1.54=9
(ps)
* Đo lần 2
-60 -40 -20 0 20 40 60
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Data: Data1_B


y0 0.0004 ±3.0055E-6
xc 5.25543 ±0.01605
w 13.70431 ±0.03503
A 0.07131 ±0.00018
Intensity (V)
time (ps)
Experiment data 3
-60 -40 -20 0 20 40 60
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Data: Data1_B
Model: Gauss

Chi^2 = 9.7592E-9
R^2 = 0.99511

y0 0.00025 ±3.533E-6
xc 2.50367 ±0.01769
w 14.382 ±0.03911
A 0.08473 ±0.00022
Intensity (V)
time (ps)
Experiment data 2
Độ rộng xung tự tưong quan thu được là 13,7 ps. Từ đó, giả thiết dạng xung
cần đo là dạng sech

* Hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn mà chúng tôi xây dựng có một số ưu
điểm sau :
- Hệ đo được xây dựng theo cấu hình giao thoa kế truyền thống cho phép thu
được kết quả đo đạc khá chính xác.
- Photodiode được dùng trong hệ đo của chúng tôi là photodiode chậm nhưng
hệ đo vẫn có thể đo các xung ngắn tới vài chục femto – giây.
- Cách thức sử dụng hệ đo rất đơn giản. Kết quả đo được hiển thị rõ ràng trên
màn hình máy tính (dạng xung tự tương quan và độ rộng xung tự tương quan).
- Hệ đo sử dụng sound card được tích hợp sẵn trên máy tính nên chi phí để
xây dựng hệ đo giảm đi rất nhiều so với khi sử dụng card thu thập dữ liệu (the data-
acquisition card) để làm bộ chuyển đổi tương tự số cho hệ đo.
Tuy nhiên, hệ đo cũng có một số những điểm hạn chế như sau:
- Hệ đo khó ứng dụng để đo độ rộng xung của các hệ laser có tần số lặp lại
thấp hoặc đơn xung.
- Do những hạn chế vật lý của môtơ nên việc thu vết tự tương quan cần mất
một khoảng thời gian. Điều này có thể gây trở ngại cho việc khảo sát tức thời xung
laser cực ngắn.
- Kết quả đo chỉ cho chúng ta thông tin về độ rộng của xung mà không cho ta
dạng của xung. Muốn thu được nhiều thông tin hơn nữa về xung laser, chúng ta cần
thiết kế và nghiên cứu các hệ đo có bậc tương quan cao hơn. Đây cũng chính là
hướng nghiên cứu mở rộng tiếp theo của đề tài này.
Kết luận chƣơng 3
Với mục đích xây dựng một hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn để đo độ rộng
xung phát ra từ hệ laser Nd:YVO
4
mode – locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm
Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử. Trong chương này, luận văn thực hiện
những nội dung sau:
- Tìm hiểu các thông số của hệ laser laser Nd:YVO
4

+ Nghiên cứu một số ứng dụng của xung laser cực ngắn trong điện tử viễn
thông, trong vật lý học, hóa học, sinh học
+ Tìm hiểu một số phương pháp đo xung quang học và nghiên cứu phương
pháp đo xung quang học cực ngắn bằng phương pháp quang học.
+ Nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động và các thông số cơ bản của sound card từ
đó nghiên cứu, sử dụng thành công sound card trong hệ đo độ rộng xung laser cực
ngắn bằng phương pháp tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến. Hệ đo có
cấu trúc đơn giản và không cần sử dụng các thiết bị đo có thời gian đáp ứng rất
nhanh như streak camera mà chỉ cần sử dụng photodiode chậm nhưng hệ đo có thể đo
được các xung laser cực ngắn (cỡ vài chục femto – giây).
+ Đo được độ rộng xung laser phát ra từ hệ laser laser Nd:YVO
4
mode –
locking được chế tạo tại phòng thí nghiệm Quang tử, trung tâm Điện tử học lượng tử
bằng hệ đo xung laser cực ngắn vừa xây dựng.
Với kết quả này, chúng tôi hi vọng có thể cung cấp một thiết bị để đo độ rộng
xung quang học cực ngắn (ở tần số lặp lại xung cao). Thiết bị này hoàn toàn có khả
năng để xây dựng trong điều kiện các phòng thí nghiệm Quang tử ở Việt Nam.

References
Tiếng Việt
1. Chử Thị Thu Hà (2005), Các kết quả nghiên cứu ban đầu laser vi cầu trên nền
thủy tinh Silica Aluminium pha tạp đất hiếm Erbium, Luận văn thạc sỹ .
2. Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý laser và ứng dụng, Nhà
xuất bảo Đại học Quốc Gia Hà Nội.
3. Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích (2005),Thiết bị và linh kiện quang học,
quang phổ laser, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
4. Do Quoc Khanh, Nguyen T. Nghia, Le TT. Nga, Pham Long and Nguyen Dai
Hung (2007), Semiconductor Saturable Absorber Miror (SESAM) used for
generation of passively mode-locking ultrashort Nd:YVO

pulses, IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-16, No. 9, 1980 (990-996)
17. Saled B.E.A.& Teich M.C. (1991), Fundamentals of Photonics, Part 2, J.W.
Goodman Press
18. Schafer F.P. (1990), Dye Lasers, Springer, New York.
19. Shapino S.L., (1977), Ultrashort Light Pulse, Springter, Berlin.
20. Ursula Keller (2003), Recent developments in compact ultrafast laser, Nature
Vol 424, 831 – 838.
21. Vol der Linde D., Experimental study of single picosecond light pulses, IEEE
J. Quantum Electron., Vol. QE-8, No. 3, 1972 (328-338).
22. Williamson Craig A. (2003), Mode locking of novel semiconductor lasers.
23. Wirnitzer B., Measurement of ultrashort laser pulses, Opt. Comm. Vol. 48,
No, 3, 1983 (225-228).