Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Phần III. KẾT LUẬN ...................................................................................29

Phần III. KẾT LUẬN ...................................................................................29

Tải bản đầy đủ - 0trang

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 mơi

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 q 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 ln 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 thơng nay

được tiến hành làm thí nghiệm nên rất thuận lợi trong q trình thao tác.

Các thầy giáo, cô giáo tại Viện Vật Lý ln tận tâm giảng dạy và hướng

dẫn nhiệt tình cho tơi trong q trình học tập và hồn 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:

Khơng 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 ngồi 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 ngồi bằng khơng. 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 ngồi. 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 vng) 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 q 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. Q trình này làm tăng dòng điện bên ngồi 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



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Phần III. KẾT LUẬN ...................................................................................29

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×