KLTN Ứng dụng phần mềm Zemax mô phỏng hệ Green Laser Pointer

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG o0o KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ZEMAX MÔ PHỎNG HỆ.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG -o0o - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ZEMAX MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER SVTH: Võ Nguyễn Thùy Trang CBHD: TS Nguyễn Thanh Lâm CBPB: TS Phan Trung Vĩnh Tp Hồ Chí Minh, năm 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN PHẦN MỀM ZEMAX 12 1.1 Giới thiệu phần mềm Zemax 12 1.2 Giao diện phần mềm Zemax 13 1.3 Lens Data Editor (Trình chỉnh sửa liệu ống kính) 14 1.4 Cửa sổ phân tích (Analysis Window) 15 1.5 Hệ thống System 16 1.6 Hộp thoại General 17 1.7 Hộp thoại Field Data 18 1.8 Hộp thoại Wavelength Data (hộp thoại liệu bước sóng) 18 CHƯƠNG HỆ GREEN LASER POINTER 20 2.1 Giới thiệu chung Laser rắn……………………………………………… 20 2.2 Quy trình sản xuất phận laser rắn……………………… 20 2.3 Cấu tạo hoạt động hệ Green Laser Pointer… ………………………………22 2.4 Tinh thể Nd: YAG Green Laser Pointer …………………………….23 2.4.1 Tinh thể Nd: YAG 23 2.4.2 Một số tính chất vật lý tinh thể Nd: YAG 24 2.5 Tinh thể KTP Green Laser Pointer 25 2.5.1 Đặc điểm tinh thể 25 2.5.2 Các tính chất tinh thể KTP 27 2.5.3 Ứng dụng tinh thể KTP 28 2.6 Hệ phát sóng hài bậc hai…………………………………………………… 29 2.7 Sự hợp pha……………………………………………………………………30 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER BẰNG PHẦN MỀM ZEMAX 34 3.1 Dụng cụ mơ phỏng……………………………………………………… .34 3.2 Tiến trình mơ phỏng…………………………………………………………35 3.2.1 Bảng nhập liệu………………………………………………………35 3.2.2 Thiết kế hệ Green Laser Pointer………………………….…………36 3.2.2.1 Nguồn diode laser 808nm…………………….………… 36 3.2.2.2 Thấu kính hội tụ (Pump focusing lens)…………… …….38 3.2.2.3 Tinh thể Nd: YAG tinh thể KTP………………… … 39 3.2.2.4 Thấu kính phân kì…………………………………………40 3.2.2.5 Thấu kính chuẩn trực (Collimating lens)……………… 40 3.2.2.6 Bộ lọc IR (IR filter)……………………………………….41 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HÓA 43 4.1 Hình ảnh mơ hệ Green Laser Pointer…………………………………43 4.2 Tối ưu hóa hệ quang…………………………………………………………46 4.3 Phân tích số biểu đồ Zemax………………………………………48 4.3.1 Biểu đồ Spot Diagram………………………………………………48 4.3.2 Biểu đồ Ray Fan…………………………………………………….49 4.3.3 Biểu đồ OPD (Optical Path Difference)…………………………….50 4.4 Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer……………………………… 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT GEO Radius Geosynchronous Equatorial Orbit Radius Bán kính quỹ đạo địa tĩnh HHG High harmonic generation Hiện tượng phát sóng hài bậc cao Nd Neodym KTP Potassium Titanyl Phosphate KTiOPO4 KDP Potassium dihydrogen phosphate KH PO4 RMS Radius Root Mean Quare Radius Căn số bậc trung bình bình phương bán kính YAG Ytrium Aluminum Garnet Y3 Al5O12 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tính chất tinh thể YAG 25 Bảng 2.2: Các tính chất vật lý hóa học tinh thể KTP 27 Bảng 2.3: Các tính chất phi tuyến tinh thể KTP 28 Bảng 3.1: Bảng nhập liệu gồm hàng cột 36 Bảng 3.2: Dữ liệu nguồn diode laser 808nm 37 Bảng 3.3: Dữ liệu thấu kính hội tụ 38 Bảng 3.4: Dữ liệu tinh thể Nd: YAG tinh thể KTP 39 Bảng 3.5: Dữ liệu thấu kính phân kỳ 40 Bảng 3.6: Dữ liệu thấu kính chuẩn trực 41 Bảng 3.7: Dữ liệu lọc IR 42 Bảng 4.1: Dữ liệu mơ hồn chỉnh hệ Green Laser Pointer 43 Bảng 4.2: So sánh chưa tối ưu hóa tối ưu hóa 48 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Giao diện Zemax 13 Hình 1.2 Bảng nhập liệu Lens Data Editor 14 Hình 1.3 Hộp thoại Properties bề mặt 15 Hình 1.4 Một cửa sổ phân tích điển hình Tất cửa sổ phân tích có trình đơn 16 Hình 1.5 Hộp thoại Settings 16 Hình 1.6 Các mục System 17 Hình 1.7 Bộ ba nút Gen, Fie Wav 17 Hình 1.8 Hộp thoại General 17 Hình 1.9 Hộp thoại Field 18 Hình 1.10 Hộp thoại Wavelength Data 19 Hình 2.1 Các phận Laser xanh lục 22 Hình 2.2 Cấu trúc Green Laser Pointer 23 Hình 2.3 Vị trí tinh thể Nd: YAG Green Laser Pointer 24 Hình 2.4 Tinh thể KTP Green Laser Pointer 29 Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm phát sóng hài bậc II Đại học Michigan, năm 1961 30 Hình 2.6 Cường độ sóng hài bậc hai hàm theo khoảng cách điều kiện hợp pha không hợp pha (đường liền nét) Đường cong đứt nét biểu diễn trình giả hợp pha 32 Hình 3.1 Green Laser Pointer 34 Hình 3.2 Biểu tượng phần mềm Zemax 35 Hình 3.3 Bảng nhập liệu 35 Hình 3.4 Bảng nhập liệu nguồn diode laser 37 Hình 3.5 Hộp thoại Wavelength Data thiết lập bước sóng 808nm 37 Hình 3.6 Nguồn diode laser 808nm mô 38 Hình 3.7 Bảng liệu nguồn diode laser thấu kính hội tụ 38 Hình 3.8 Bảng liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG tinh thể KTP 39 Hình 3.9 Bảng liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP thấu kính phân kì 40 Hình 3.10 Bảng liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kì thấu kính chuẩn trực 41 Hình 3.11 Bảng liệu hồn chỉnh hệ Green Laser Pointer 42 Hình 4.1 Hình ảnh mơ 3D hệ Green Laser Pointer 44 Hình 4.2 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer tọa độ x=10, y=30, z=90 số tia sáng 10 45 Hình 4.3 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer tọa độ x=30, y=30, z=30 số tia sáng .45 Hình 4.4 Hộp thoại Quick Focus 46 Hình 4.5 Bảng liệu sau tối ưu hóa chức Quick Focus 47 Hình 4.6 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer sau tối ưu hóa chức Quick Focus 47 Hình 4.7 Biểu đồ Spot Diagram 48 Hình 4.8 Ánh sáng Green Laser Pointer thực tế 49 Hình 4.9 Biểu đồ Ray Fan 49 Hình 4.10 Biểu đồ OPD 50 Hình 4.11(a) Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer 51 Hình 4.11(b) Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer 51 LỜI CẢM ƠN Sau bốn năm học tập rèn luyện trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, khoa Vật lý – Vật lý kĩ thuật Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, đặc biệt quý thầy cô Bộ mơn Vật lý Ứng dụng truyền đạt cho em kiến thức kinh nghiệm quý báu để em có tảng vững thực khóa luận Những kiến thức kinh nghiệm hành trang theo em suốt trình làm việc sống sau Em xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn em – thầy Nguyễn Thanh Lâm Thầy hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Bạn Hồng Như Ý, bạn Nguyễn Thị Ánh Tuyên thảo luận, chia sẻ tài liệu trao đổi đề tài khóa luận Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, người thân, bạn bè – người động viên, đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ em học tập lẫn sống Mặc dù em cố gắng thực đề tài cách hồn chỉnh Nhưng em bước đầu làm công tác nghiên cứu đề tài thân thiếu kiến thức kinh nghiệm thực tế nên khó tránh khỏi sai sót mà em nhận thấy Em mong nhận góp ý từ thầy bạn để khóa luận em hồn chỉnh phát triển Một lần em xin cảm ơn người Em xin kính chúc người dồi sức khỏe đạt thành tựu mà mong muốn cơng việc lẫn sống TP Hồ Chí Minh, ngày 7, tháng 7, năm 2019 Sinh viên Võ Nguyễn Thùy Trang 3.2.2.4 Thấu kính phân kì Thấu kính phân kỳ mở rộng chùm sáng từ tinh thể KTP Bảng 3.5: Dữ liệu thấu kính phân kỳ Surf: Type Comment Radius Thickness Glass SemiDiameter Conic Standard Expanding lens -22.213227 2.994750 SK16 9.000000 0.000000 10 Standard 22.213227 70.002700 9.000000 0.000000 Par (unused) Hình 3.9 Bảng liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP thấu kính phân kì 3.2.2.5 Thấu kính chuẩn trực (collimating lens) Thấu kính chuẩn trực giúp định hướng chùm sáng đầu song song 40 Bảng 3.6: Dữ liệu thấu kính chuẩn trực Surf: Type 11 Standard 12 Standard Comment Radius Thickness Glass SemiDiameter Conic Collimating lens Infinity 15.700000 N-BK7 32.500000 0.000000 -51.010000 3.579140 32.500000 0.000000 Par (unused) Hình 3.10 Bảng liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kì thấu kính chuẩn trực 3.2.2.6 Bộ lọc IR (IR filter) Bộ lọc IR có tác dụng khắc phục nhược điểm nhiễu, bị quầng sáng Đây phận cuối hệ Green Laser Pointer 41 Bảng 3.7: Dữ liệu lọc IR Surf: Type 13 Standard 14 Standard Comment Radius Thickness Glass SemiDiameter Conic IR Filter Infinity 2.258956 SK16 37.500000 0.000000 Infinity 10.007300 37.500000 0.000000 Par (unused) Bộ lọc IR có tính chất thấu kính phẳng nên liệu bán kính cong (radius) vơ (infinity) Hình 3.11 Bảng liệu hồn chỉnh hệ Green Laser Pointer 42 Chương KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HĨA 4.1 Hình ảnh mơ hệ Green Laser Pointer Bảng 4.1: Dữ liệu mơ hồn chỉnh hệ Green Laser Pointer Surf: Type Comment Radius Thickness Infinity Glass SemiDiameter Conic 0.536200 0.000000 0.0000 0.163800 0.094744 OBJ Standard STO Paraxial XY Standard Infinity 0.300000 1.580059E005 0.0000 Standard Infinity 0.300000 0.173569 0.0000 Standard 13.001200 25.003240 13.000000 0.0000 Standard 13.001200 47.412355 13.000000 0.0000 Standard Nd: YAG Infinity 1.534780 SK16 4.679560 0.0000 Standard KTP Infinity 12.865800 SK16 4.679560 0.0000 Standard Infinity 7.674300 2.679560 0.0000 Standard 22.213227 2.994750 9.000000 0.0000 10 Standard 22.213227 70.002700 9.000000 0.0000 11 Standard Infinity 15.700000 32.500000 0.0000 12 Standard 51.010000 3.579140 32.500000 0.0000 13 Standard Infinity 2.258956 37.500000 0.000000 14 Standard Infinity 10.007300 37.500000 0.000000 IMA Standard Infinity Pump focusing lens Expanding lens Collimating lens IR Filter SK16 SK16 NBK7 SK16 28.938818 43 Par (unused) Part (unused) 7.971000 Dịng liệu IMA (image-ảnh) Zemax tự tính toán Từ bảng liệu nhập vào, Zemax tự động mơ hình ảnh hệ Green Laser Pointer Chọn mục Layout 3D để xem hình ảnh mơ Do hệ có chứa nguồn diode laser thành phần tương đối phức tạp nên Zemax cho phép xem hình ảnh mơ dạng 3D, khơng thể xem dạng 2D Hình 4.1 Hình ảnh mơ 3D hệ Green Lasser Pointer Để xem hệ nhiều góc độ khác nhau, ta vào Settings điền vị trí tọa độ X, Y, Z (Rotation X, Rotation Y, Rotation Z) Cịn điều chỉnh số lượng tia sáng mục Settings → Number of Rays Dưới hình ảnh hệ quang nhiều tọa độ số lượng tia sáng khác 44 Hình 4.2 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer tọa độ x=10, y=30, z=90 số tia sáng 10 Hình 4.3 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer tọa độ x=30, y=30, z=30 số tia sáng 45 4.2 Tối ưu hóa hệ quang Mặt phẳng ảnh IMA (image) Zemax tự động tính tốn dựa theo liệu ta nhập vào nên ̣ quang của chúng ta chưa tố i ưu Để chính mă ̣t phẳ ng ảnh ta ̣i vi ̣trí gầ n tiêu cự nhấ t có hai cách: sử dụng chức Quick Focus Defauld Merit Function Trong q trình mơ phỏng, phương pháp Defauld Merit Function mang lại kết hệ quang không mong muốn nên không đề cập Dùng chức "Quick Focus" menu Tools → Miscelleneous → Quick Focus (Shift+Ctrl+Q): Hình 4.4 Hộp thoại Quick Focus Sau thiế t lâ ̣p hình 4.4, chọn "OK" Quan sát sự thay đổ i các thông số hai hình sau: 46 Hình 4.5 Bảng liệu sau tối ưu hóa chức Quick Focus Hình 4.6 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer sau tối ưu hóa chức Quick Focus 47 Tối ưu hóa hệ quang hỗ trợ tính tốn khoảng cách hệ mặt phẳng ảnh Khoảng cách mặt phẳng ảnh (IMA) giảm xuống 27.73 Và thông số Spot Diagram có thay đổi nhẹ Bảng 4.2: So sánh chưa tối ưu hóa tối ưu hóa Chưa tối ưu hóa Đã tối ưu hóa Field 1 RMS Radius 9519,92 9545,34 GEO Radius 2,9E+4004 2,8E+004 Scale Bar 1E+005 1E+005 4.3 Phân tích số biểu đồ Zemax 4.3.1 Biểu đồ Spot Diagram Biểu đồ Spot Diagram cung cấp hình vẽ ảnh điểm sáng, hình tương ứng với trường (trường góc cài đặt Field) Do hệ Green Laser Pointer ta có nguồn sáng xuất phát từ diode nên mục Spot Diagram có biểu đồ tương ứng với trường ánh sáng đầu Hình 4.7 Biểu đồ Spot Diagram 48 Hình 4.8 Ánh sáng Green Laser Pointer thực tế Ta thấy ánh sáng từ Green Laser Pointer chùm ánh sáng hội tụ mạnh tâm có quầng sáng mờ xung quanh Ở biểu đồ Spot Diagram ta thấy tương đồng Dấu cộng màu xanh dương tập trung nhiều tâm thành vùng có số dấu cộng cịn lại bao quanh 4.3.2 Biểu đồ Ray Fan Ray Fan đánh dấu tia quang học hàm số ánh xạ Trong hệ quang học hoàn chỉnh, (tia) quang sai nên từ bên sang bên Biểu đồ Ray Fan cho biết hiệu ứng tia theo phương ngang Hình 4.9 Biểu đồ Ray Fan 49 4.3.3 Biểu đồ OPD (Optical Path Difference) Biểu đồ OPD mở cách vào Analysis → Image Quality → Aberrations → Optical Path chọn tab OPD Đây quang sai mặt sóng qua hệ quang, mặt sóng khơng cịn mặt cầu Hình 4.10 Biểu đồ OPD 4.4 Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer Phần mềm Zemax có hỗ trợ hình ảnh đồ họa cho hệ quang mà ta thiết kế Để thực chức này, thao tác Analysis → Layout → Shaped Model Dưới hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer: 50 Hình 4.11 (a) Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer Hình 4.11 (b) Hình ảnh đồ họa hệ Green Laser Pointer Hình ảnh đồ họa mà Zemax cung cấp giúp ta dễ dàng xem xét hệ quang góc nhìn 51 KẾT LUẬN Về lý thuyết, trình bày cụ thể phần mềm Zemax, số công cụ cần thiết thiết kế hệ quang học phần mềm; giới thiệu hệ mô minh họa – hệ Green Laser Pointer, giới thiệu cấu tạo hệ, số thành phần tính chất đặc biệt hệ tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, hệ phát sóng hài bậc hai,… Về thực nghiệm, sử dụng phần mềm Zemax để mô hệ quang học Green Laser Pointer– hệ quang có cấu tạo khơng q phức tạp phổ biến thực tế Ưu điểm mô phần mềm Zemax khả dễ dàng điều chỉnh liệu đầu vào, hình ảnh mơ rõ ràng, hỗ trợ khả tối ưu hóa tốt, cung cấp biểu đồ liệu ánh sáng đầu Việc mơ hệ Green Laser Pointer ngồi giúp có nhìn rõ ràng cấu tạo quang học Green Laser Pointer, đường tia sáng hệ giúp tiếp cận phần mềm Zemax cách trực quan dễ hiểu Qua mong muốn giới thiệu phần mềm Zemax phổ biến hỗ trợ phần người có nhu cầu sử dụng phần mềm Có thể áp du ̣ng phần mềm Zemax với các hệ quang khác – từ đơn giản thấu kính đơn đến phức tạp hỗ trợ thiết kế ống kính máy ảnh hay dụng cụ quang học đặc biệt Với Zemax, tìm thơng số tối ưu để chế tạo hệ quang học thực tế 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Vũ Tuấn Hùng, Lê Thị Quỳnh Anh, Phan Trung Vĩnh, Hoàng Lương Cường, Huỳnh Chí Cường, Đào Anh Tuấn, Nguyễn Thanh Lâm, Nguyễn Hữu Kế, Thực tập chuyên đề: Bộ môn vật lý ứng dụng, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [2] Bùi Thị Cẩm Tú (2014), Nghiên cứu tính chất quang phi tuyến bậc III Oil red O – Safranin O ứng dụng phát dấu vân tay ẩn, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh Tiếng Anh [3] Zemax Software (2008), ODZ-Getting Started with Zemax [4] Robert W Boyd (2007), Nonlinear Optics, third edition, Academic Press [5] Breck Hitz, J J Ewing, Jeff Hecht, Introduction to laser technology, third edition [6] Prof Shaoul Ezekiel, Demonstration in lasers and optics, MIT [7] J.A Armstrong, N Bloembergen, J Ducuing, and P.S Pershan (1962), “Interactions between light waves in a nonlinear dielectric”, Phys Rev 127, p 1918 [8] M Bass, P.A Franken, J.F Ward, and G Weinreich (1962), “Optical rectification”, Phys Rev Lett 9, p 446 [9] M Bass, P.A Franken, A.E Hill, C.W Peters, and G Weinreich (1962), “Optical mixing”, Phys Rev Lett 8, p 18 [10] P.D Maker, R.W Terhune, and C.M Savage (1962), “Optical harmonic generation in calcite”, Phys Rev Lett 8, p 404 53 [11] J.A Giordmaine and R.C Miller (1965), “Tunable coherent parametric oscillation in LiNbO 3, Phys Rev Lett 14, p 973 [12] P.A Franken, A.E Hill, C.W Peters, and G Wein- reich (1961), Generation of optical harmonics, Phys Rev Lett 7, p 118 54 ... Chương MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER BẰNG PHẦN MỀM ZEMAX Ở phần chương này, hệ Green Laser Pointer lựa chọn để mô nhằm giúp hiểu rõ cấu tạo quang học hệ Green Laser Pointer, cách sử dụng phần mềm. .. tính hệ Green Laser Pointer khả mở rộng phương pháp để mô hệ quang học thực tế 10 Bố cục khóa luận gồm: Chương 1: Tổng quan phần mềm Zemax Chương 2: Hệ Green Laser Pointer Chương 3: Mô hệ Green Laser. .. thoại phần mềm Zemax giúp ta mô tương đối đầy đủ hệ quang không phức tạp lên phần mềm Zemax cịn có nhiều chức khác nữa, phần mô vào chức phức tạp 19 Chương HỆ GREEN LASER POINTER Green Laser Pointer