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.
TỔNG QUAN PHẦN MỀM ZEMAX
Giao diện phần mềm Zemax
- Zemax có giao diện bắt đầu như sau:
- Giao diện người dùng (hình 1.1) bao gồm ba yếu tố chính:
1 Khung chương trình bao gồm dải menu, thanh công cụ trên cùng và thanh trạng thái tại đáy
2 Bảng Lens Data Editor (trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính) Hầu như tất cả dữ liệu được nhập thông qua bảng này, cho phép các tham số xác định hệ thống quang học và liên kết với nhau hoặc được tối ưu hóa theo yêu cầu người dùng Trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính hiển thị một chuỗi các cột nhập dữ liệu như bán kính
Bài viết đề cập đến 14 thông số quan trọng bao gồm cong, độ dày, loại kính, nửa đường kính thiết bị và hình nón Ngoài ra, còn có một loạt các tham số được đánh số từ 0 đến 12 Cuối cùng, bài viết nhấn mạnh cột Hệ số phát nhiệt (TCE) và lớp phủ, trong đó chỉ sử dụng loại EE.
3 Cửa sổ phân tích là kết quả của một số phép tính mà chương trình đã thực hiện (2D Layout, RMS, Spot Diagram, …).
Lens Data Editor (Trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính)
Trong quá trình theo dõi tuần tự (Sequential), ánh sáng bắt nguồn từ bề mặt "Object" (bề mặt 1) và tiếp tục di chuyển qua các bề mặt 2, 3, cho đến khi đến bề mặt "Image" (ảnh) cuối cùng.
Các bề mặt được chèn vào hoặc xóa trong trình chỉnh sửa bằng cách sử dụng phím
Bạn có thể sử dụng menu "Chèn" hoặc "Xóa" trong mục "Chỉnh sửa" để thực hiện các thao tác cần thiết Để thay đổi chiều rộng cột, hãy đặt con trỏ ở hàng trên cùng tại dấu tách cột; khi con trỏ chuyển thành ký hiệu ↔, nhấn và giữ nút chuột trái để điều chỉnh kích thước cột Ngoài ra, bạn có thể ẩn hoặc bỏ ẩn cột và hàng hoàn toàn thông qua menu "Xem".
Trong ZEMAX, ký hiệu 'V' bên cạnh các tham số chỉ ra rằng tham số đó là 'biến', cho phép người dùng thay đổi giá trị trong các ô nhằm tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 1.2 Bảng nhập dữ liệu Lens Data Editor
Các bề mặt có những thuộc tính không hiển thị trực tiếp trong trình soạn thảo, thường là những thuộc tính đã được thiết lập và không thay đổi Để xem các thuộc tính này, bạn cần chọn mục “Type” của bề mặt đã chọn và nhấp đúp Ngoài ra, bạn có thể nhấp vào bất kỳ vị trí nào trên hàng đã chọn và chọn “Edit” → Surface Type để mở hộp thoại nhiều tab.
15 sách thả xuống của “Surface Type drop-down”, có thể chọn loại bề mặt: hình cầu, nhiễu xạ, hình xuyến, v.v
Hình 1.3 Hộp thoại Properties của bề mặt.
Cửa sổ phân tích (Analysis Window)
Cửa sổ phân tích hiển thị dữ liệu từ đồ họa hoặc số liệu của ống kính được nhập trong Lens Data Editor Nó không thay đổi dữ liệu ống kính mà chỉ cung cấp thông tin chẩn đoán về hiệu suất của hệ thống ống kính.
Cửa sổ phân tích có tất cả hoạt động trên cùng một giao diện:
Để tạo cửa sổ phân tích tính toán lại, bạn chỉ cần nhấn vào mục menu “Update” hoặc nhấp đúp vào bất kỳ vị trí nào trong cửa sổ phân tích “Analysis Window” bằng nút chuột trái.
- Nhấn mục menu “Text” sẽ hiển thị dữ liệu cơ bản đang được trình bày đồ họa
- Mục menu Window cho phép bạn truy cập vào các tùy chọn Copy, Export as Bitmap, Export as Text File, etc options
Hình 1.4 Một cửa sổ phân tích điển hình Tất cả các cửa sổ phân tích có cùng một thanh trình đơn
Nhấp vào mục menu “Settings” hoặc nhấp chuột phải vào bất kỳ vị trí nào trong cửa sổ phân tích sẽ hiển thị hộp thoại Settings (Cài đặt):
Hệ thống System
Ngoài các bề mặt của hệ thống quang học, ta cũng cần xác định ánh sáng tới trên hệ thống quang học - được thực hiện với menu System:
Hình 1.6 Các mục trong System
Và với bộ 3 nút: Gen (độ rộng chùm), Fie (xác định chiều cao vật) và Wav (xác định bước sóng):
Hình 1.7 Bộ ba nút Gen, Fie và Wav.
Hộp thoại General
Hộp thoại General chứa các thiết lập áp dụng cho toàn bộ thiết kế ống kính
- Tab quan trọng nhất là tab Aperture - xác định độ rộng chùm ánh sáng tới
- Tab Units: đơn vị thấu kính (mét, cen-ti-mét, inch).
Hộp thoại Field Data
Để mở hộp thoại này, chọn System→ Field hoặc chọn nút “Fie”
Thuật ngữ "Field" là viết tắt của “field-of-view” và được định nghĩa theo ba cách, một trong số đó hỗ trợ hai tùy chọn:
• Chiều cao của vật (object) tạo ảnh
• Chiều cao của ảnh tạo thành, có thể được chọn là hình ảnh thực hoặc ảnh ảo
• Góc được phụ thuộc bởi chiều cao vật (objects) tại thấu kính
1.8 Hộp thoại Wavelength Data (dữ liệu bước sóng) Để mở hộp thoại này, chọn System → Wavelength hoặc chọn nút “Wav”
Bước sóng được đo bằng micrometer và có vai trò quan trọng trong việc xác định cường độ phổ tương đối cũng như bước sóng quan trọng trong thiết kế Bước sóng 'chính' được coi là bước sóng mặc định; ví dụ, khi tính toán độ dài tiêu cự hiệu dụng, Zemax sẽ sử dụng bước sóng chính nếu không có bước sóng nào được chỉ định.
Hình 1.10 Hộp thoại Wavelength Data
Phần mềm Zemax cung cấp các hộp thoại cơ bản giúp mô phỏng hiệu quả hệ quang không quá phức tạp Ngoài ra, Zemax còn sở hữu nhiều chức năng khác, và trong phần mô phỏng, chúng ta sẽ khám phá những tính năng phức tạp hơn.
HỆ GREEN LASER POINTER
Giới thiệu chung về Laser rắn
Laser, viết tắt của cụm từ "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức" Laser rắn sử dụng vật liệu tinh thể rắn làm môi trường hoạt chất và dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng, khác biệt so với laser bán dẫn và laser diode.
Lý thuyết sản xuất laser được công bố vào năm 1958 tại Bell Labs, dẫn đến sự ra đời của tia laser đầu tiên, laser Ruby, vào năm 1960 Laser Ruby sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất và đã mở đường cho việc nghiên cứu và phát triển nhiều loại laser khác với các chất khác nhau Mặc dù laser trạng thái rắn hiện đại không khác nhiều so với nguyên mẫu ban đầu, phần lớn chúng hiện nay sử dụng vật liệu pha tạp neodymium (Nd), như Nd: YAG (Yttri Aluminium Garnet).
Y Al O), Nd: YVO4, và Nd: Glass có ngưỡng phát quang thấp hơn nhiều so với ruby, đồng thời sở hữu các tính chất vật lý và quang học mong muốn khác.
Quy trình sản xuất các bộ phận cơ bản của laser rắn
Các diode laser được sản xuất trong môi trường nhà máy sạch sẽ, nơi các vật liệu bán dẫn được chế tạo và kiểm soát cẩn thận Chất nền, là vật liệu cơ bản cho quá trình lắng đọng, được sản xuất, làm sạch và chuẩn bị kỹ lưỡng Sau đó, chất nền trải qua nhiều giai đoạn, trong đó các lớp vật liệu được lắng đọng lên bề mặt, với một số lớp chỉ dày vài nguyên tử và có khả năng dẫn điện.
Các lớp kim loại như nhôm và vàng, cùng với chất bán dẫn, có thể thay đổi khi tiếp xúc với hóa chất khác Sau khi lắng đọng tất cả các vật liệu lên đế, chúng sẽ được cắt thành các phần hình chữ nhật để tạo thành các diode riêng lẻ Các diode này sẽ được kiểm tra, và những diode không hoạt động sẽ bị loại bỏ Cuối cùng, các diode laser đạt chuẩn sẽ được đóng gói trong hộp nhựa kèm theo dây dẫn kim loại để kết nối điện.
Bảng mạch laser bao gồm các thành phần thiết yếu như công tắc, diode laser và mạch điều khiển, trong đó có photodiode, điốt, điện trở và tụ điện Những bộ phận này thường được lắp đặt trên bảng mạch và được hàn cố định để đảm bảo chức năng hoạt động của laser.
Thấu kính chuẩn trực trong laser pointer là thấu kính tập trung ánh sáng thành chùm hẹp, giúp ánh sáng từ đi-ốt laser đi xa hơn Thấu kính được làm từ nhựa qua quá trình đúc, trong đó nhựa nóng chảy được ép vào khuôn, sau đó nguội và đông cứng lại Sau khi khuôn được tháo ra, ống kính được mài và đánh bóng để đảm bảo bề mặt nhẵn, giúp ánh sáng không bị phản xạ từ các điểm không hoàn hảo.
Lắp ráp diode laser bao gồm việc kết hợp các diode laser và bộ quang học chuẩn trực trên một giá đỡ bằng nhựa để tạo thành cụm laser Thông thường, cụm laser diode được trang bị một lò xo kim loại ở phía sau, lò xo này tiếp xúc với pin trong diode laser và đóng vai trò quan trọng trong mạch lấy điện từ pin.
Vỏ là một ống chứa diode laser và pin, trong đó diode laser được lắp ráp bằng cách đẩy hoặc vặn vào một đầu Bên trong vỏ, chất liệu đồng được sử dụng, với một dải đồng dọc theo không gian chứa pin Cuối không gian chứa pin có khu vực bằng đồng hoặc đồng thau, khi được lắp vào vỏ sẽ tiếp xúc với pin, hoàn thành mạch điện cho phép dòng điện chạy từ pin đến diode laser.
Trên vỏ máy laser có nút chuyển đổi cần được đẩy và giữ để kích hoạt chức năng laser, đóng công tắc trên bảng mạch và cho phép dòng điện từ pin chạy đến hệ thống, tạo ra chùm ánh sáng Sau khi hoàn tất lắp ráp và kiểm tra, nhãn an toàn sẽ được gắn lên máy, cung cấp thông tin về sản lượng điện của laser, nhấn mạnh các quy định sử dụng và cảnh báo người dùng tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng laser để đảm bảo an toàn.
Hình 2.1 Các bộ phận của Green Laser Pointer
2.3 Cấu tạo hoạt động Green Laser Pointer
Green Laser Pointer (Laser xanh lục) tạo ra ánh sáng xanh từ ánh sáng hồng ngoại
Do đó, thiết bị laser được thiết kế và sản xuất để giam giữ ánh sáng hồng ngoại trong vỏ bọc của laser
Thiết kế laser phụ thuộc vào yêu cầu điện năng của diode laser, tuổi thọ của nguồn điện và các thành phần khác Các laser nhỏ nhất có chiều dài dưới hai inch, trong khi một số được thiết kế dưới dạng bút Laser pointer dài hơn thường sử dụng pin AAA hoặc AA, cung cấp nguồn điện lâu hơn so với pin đồng hồ trong các laser nhỏ hơn Hầu hết các laser sử dụng từ hai đến ba pin.
Green Laser Pointer tạo ra ánh sáng màu xanh lục thông qua một quá trình gián tiếp Thiết bị này bao gồm một diode laser phát ra ánh sáng ở bước sóng 808nm, thuộc vùng hồng ngoại gần vùng khả kiến Ánh sáng từ diode chiếu vào tinh thể Nd: YAG hoặc Nd: YVO, biến đổi bước sóng thành 1064nm Sau đó, tia sáng 1064nm được hướng vào tinh thể KTP, nơi tần số được tăng gấp đôi và bước sóng giảm xuống còn 532nm.
Do hiệu ứng phát sóng hài bậc hai, năng lượng hồng ngoại từ tinh thể YAG vào KTP có thể đạt tới 30-40 mW, tạo ra năng lượng 5 mW ở bước sóng 532 nm Vì vậy, laser cần được trang bị bộ lọc ở đầu ra để hạn chế nguy hiểm từ năng lượng phát ra.
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của một Green Laser Pointer
2.4 Tinh thể Nd: YAG trong Green Laser Pointer
Laser Nd:YAG là một trong những loại laser rắn phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi kể từ khi hợp chất Nd:YAG được đưa vào sử dụng thành công vào năm 1964 Chất nền của laser này là Ytrium Aluminum Garnet, có công thức hóa học là Y3Al5O12.
Ion Nd3+ (Neodym) là tâm kích hoạt chính trong laser Nd:YAG, với bức xạ laser xảy ra qua các chuyển đổi năng lượng của các ion này Các ion Nd3+ được cấy vào tinh thể YAG với tỷ lệ 1-2% theo trọng lượng, tạo ra mật độ cao giúp tăng hệ số khuếch đại laser so với laser khí Hợp chất Nd:YAG nổi bật với các đặc tính quang học, nhiệt và cơ khí ưu việt, là nguyên liệu lý tưởng cho laser rắn Đặc trưng của Nd:YAG bao gồm khả năng truyền dẫn mạnh ở nhiệt độ phòng với bước sóng 1064 nm và độ rộng tia 4,5 A.
230 ns, điểm nóng chảy là 1970 0 C Nd:YAG vô cùng cứng và có dẫn suất nhiệt tốt
Hình 2.3 Vị trí tinh thể Nd: YAG trong laser xanh lục
2.4.2 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG
Tinh thể Nd:YAG là loại tinh thể đồng nhất, được sản xuất qua phương pháp Czochralski, với cấu trúc tinh thể gần đối xứng tứ giác Mật độ nút trong mạng tinh thể đạt 1,36 x 10²²/cm³, và tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng là 3 x 10⁻¹⁹ cm² ở nhiệt độ phòng Thanh hoạt chất thường có chiều dài từ 75 mm đến 150 mm, với đường kính tối đa là 8 mm, tùy thuộc vào công nghệ nuôi trồng Hai đầu của thanh hoạt chất được cắt phẳng hoặc theo góc Brewster, sau đó được đánh bóng và phủ lớp khử phản xạ nhằm ngăn chặn sự hình thành buồng cộng hưởng phụ.
Thanh hoạt chất có thể có hình dạng khác nhau như hình tròn, hình chữ nhật hoặc hình vuông Tuy nhiên, hình tròn thường được ưa chuộng hơn do công nghệ kéo hình tròn dễ dàng hơn và đảm bảo độ đồng nhất cao hơn.
Bảng 2.1 Tính chất của tinh thể YAG
Số nút trong mạng tinh thể 1,36.10 22 cm − 3
Nhiệt độ nóng chảy 1215 0 C Độ dẫn nhiệt đo ở nhiệt độ 25 0 C 0,11W cm C/ 0 Độ khuếch tán nhiệt 7, 7.10 − 6 / 0 C
Hệ số hấp thụ ánh sáng ( = 0, 63 m ) 1,83cm − 1
Phổ hấp thụ vùng cực tím 0, 24 m
Phổ hấp thụ vùng hồng ngoại xa 5, 6 m Độ dài ô mạng 0
Cấu trúc tinh thể Đều
2.5 Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer
2.5.1 Đặc điểm của tinh thể
Potassium Titanyl Phosphate (KTP hoặc KTiOPO4) là một vật liệu quang phi tuyến lý tưởng cho nhiều hệ thống quang học Vật liệu này thường được sử dụng trong các bộ nhân đôi tần số, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng quang học.
1064 m ở lối ra của laser Nd: YAG Hiệu suất chuyển đổi thành 0.532 m lên đến 60% tại 250MW/ cm 2
Tinh thể Nd: YAG trong Green Laser Pointer
Laser Nd:YAG, một trong những loại laser rắn phổ biến nhất, đã được ứng dụng thành công từ năm 1964 khi hợp chất Nd:YAG được sử dụng làm hoạt chất laser Chất nền của laser này là Ytrium Aluminum Garnet (YAG) với công thức hóa học Y3Al5O12.
Ion Nd3+ (Neodym) là tâm kích hoạt trong laser Nd:YAG, nơi bức xạ laser xảy ra nhờ sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng của ion này Các ion Nd3+ được cấy vào tinh thể YAG với tỷ lệ 1-2% theo trọng lượng, tạo ra mật độ cao giúp tăng hệ số khuếch đại laser so với laser khí Hợp chất Nd:YAG nổi bật với các đặc tính quang học, nhiệt và cơ khí tốt nhất, là nguyên liệu lý tưởng cho laser rắn Đặc trưng chính của Nd:YAG là khả năng truyền dẫn mạnh ở nhiệt độ phòng với bước sóng 1064 nm và độ rộng tia 4,5 A.
230 ns, điểm nóng chảy là 1970 0 C Nd:YAG vô cùng cứng và có dẫn suất nhiệt tốt
Hình 2.3 Vị trí tinh thể Nd: YAG trong laser xanh lục
2.4.2 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG
Tinh thể Nd:YAG là loại tinh thể đồng nhất, được sản xuất bằng phương pháp Czochralski, với cấu trúc tinh thể gần đối xứng tứ giác và mật độ nút mạng là 1,36 x 10²²/cm³ Tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng đạt 3 x 10⁻¹⁹ cm² ở nhiệt độ phòng Thanh hoạt chất thường có chiều dài từ 75 mm đến 150 mm và đường kính tối đa là 8 mm, tùy thuộc vào công nghệ nuôi trồng Hai đầu thanh hoạt chất được cắt phẳng hoặc cắt theo góc Brewster, sau đó được đánh bóng và phủ lớp khử phản xạ nhằm ngăn chặn sự hình thành buồng cộng hưởng phụ.
Hình dạng của thanh hoạt chất có thể là hình tròn, hình chữ nhật hoặc hình vuông, nhưng thường thì hình tròn được ưa chuộng hơn Lý do là công nghệ kéo hình tròn dễ thực hiện và đảm bảo độ đồng nhất cao hơn.
Bảng 2.1 Tính chất của tinh thể YAG
Số nút trong mạng tinh thể 1,36.10 22 cm − 3
Nhiệt độ nóng chảy 1215 0 C Độ dẫn nhiệt đo ở nhiệt độ 25 0 C 0,11W cm C/ 0 Độ khuếch tán nhiệt 7, 7.10 − 6 / 0 C
Hệ số hấp thụ ánh sáng ( = 0, 63 m ) 1,83cm − 1
Phổ hấp thụ vùng cực tím 0, 24 m
Phổ hấp thụ vùng hồng ngoại xa 5, 6 m Độ dài ô mạng 0
Cấu trúc tinh thể Đều
Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer
2.5.1 Đặc điểm của tinh thể
Potassium Titanyl Phosphate (KTP hoặc KTiOPO4) là một vật liệu quang phi tuyến lý tưởng cho nhiều hệ thống quang học Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của KTP là trong bộ nhân đôi tần số, giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị quang.
1064 m ở lối ra của laser Nd: YAG Hiệu suất chuyển đổi thành 0.532 m lên đến 60% tại 250MW/ cm 2
KTP, lần đầu tiên được tổng hợp bởi L Ouvard vào năm 1890, đã không được xác định tính chất quang phi tuyến cho đến năm 1970 nhờ công trình của Zumsteg, Biertein và Gier tại E.I DuPont.
KTP là vật liệu quang phi tuyến phổ biến cho việc nhân đôi tần số của laser rắn như Nd:YAG và laser pha tạp neodymium Với hệ số quang phi tuyến lớn và độ ổn định nhiệt cao, KTP thường được ưa chuộng trong các ứng dụng quang học Tuy nhiên, vật liệu này có xu hướng gây đổi màu ở bước sóng 1064nm với công suất cao, dẫn đến hiện tượng phát sóng hài bậc hai và giới hạn hiệu suất khi sử dụng trong các hệ thống có công suất trung bình và thấp.
KTP có cấu trúc tinh thể trực giao, có độ truyền qua cao đối với các bước sóng giữa
350 nm – 2700 nm với sự truyền giảm gần 4500 nm khi đó tinh thể thực sự là chắn sóng
Hệ số phát sinh phát sóng hài bậc hai lớn gấp 3 lần so với tinh thể KDP (Potassium dihydrogen phosphate - KH PO 2 4 )
Tinh thể KTP là vật liệu quang phi tuyến duy nhất được sử dụng phổ biến trong quá trình tạo phát sóng hài bậc hai của laser Nd phát xạ quanh 1μm KTP cũng rất hấp dẫn cho các ứng dụng thay đổi thông số quang và điều chỉnh tần số trong dải từ 0.35μm đến 4.0μm Mặc dù có một số vật liệu khác có đặc tính tốt hơn, KTP lại sở hữu sự kết hợp độc đáo các tính chất, làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng quang phi tuyến và phát sóng hài bậc hai của laser Nd Tuy nhiên, nhược điểm của KTP bao gồm yêu cầu khó khăn trong quá trình tạo mầm, chi phí cao và kích thước tinh thể nhỏ.
KTP phân hủy ở nhiệt độ khoảng 1150 °C, do đó các phương pháp nóng chảy thông thường không áp dụng được cho việc sản xuất vật liệu này Hiện nay, đơn tinh thể KTP có thể được tạo ra thông qua kỹ thuật thủy nhiệt và thủy dòng, với chiều dài tối đa lên tới 20 mm trên thị trường.
2.5.2 Các tính chất của tinh thể KTP
Bảng 2.2 Các tính chất vật lý và hóa học của tinh thể KTP
Công thức hóa học KTiOPO 4
Cấu trúc tinh thể Trực giao
0,1737cal gm C/ 0 Độ truyền nhiệt
Mất mát do hấp thụ bước sóng 1064 m
Bảng 2.3 Các tính chất phi tuyến của tinh thể KTP
Các hệ số quang phi tuyến (
Chỉ số khúc xạ tại 1,064 m nx=1.740, ny=1.747, nz=1.830
Chỉ số khúc xạ tại 0,532 m nx=1.779, ny=1.790, nz=1.887
Góc ghép pha với 1,064 m Tạo với trục x 24 0 trong mặt phẳng xy Độ rộng phổ
KTP là vật liệu độc đáo với hệ số phi tuyến cao và khả năng không hút ẩm, lý tưởng cho các hệ laser yêu cầu hiệu suất lớn và ổn định Nó được ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực thương mại và quân sự, bao gồm y tế, các hệ laser trong phòng thí nghiệm và trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Tinh thể KTP được sử dụng trong:
- Bộ ghép đôi tần số cho các laser pha tạp Nd cho ánh sáng xanh lá cây hoặc ánh sáng đỏ
- Bộ trộn tần số của laser Nd hay laser diode cho ánh sáng màu xanh lam
- Bộ dao động thông số quang trong vùng hồng ngoại gần đến 4 m
- Bộ điều biến quang điện, chuyển mạch quang, các bộ ghép định hướng
- Bộ dẫn sóng quang cho các thiết bị quang phi tuyến lớn, các bộ quang điện tích hợp
- Bộ phát hiệu tần số trong vùng hồng ngoại gần
Hình 2.4 Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer.
Hệ phát sóng hài bậc hai
Hệ phát sóng hài bậc hai đánh dấu một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực quang phi tuyến Từ năm 1962 đến 1965, nhiều hiện tượng phi tuyến mới đã được phát hiện, bao gồm chỉnh lưu quang học, phát tần số tổng và hiệu, phát sóng hài bậc III, cùng với khuếch đại tham số quang học Sự phát hiện hiện tượng phát sóng hài bậc hai vào năm 1961 đã khởi đầu cho giai đoạn hưng thịnh này trong nghiên cứu quang học.
Cường độ điện trường cao của laser Ruby là một đặc tính nổi bật, được quang phi tuyến tìm kiếm Mối quan hệ giữa cường độ laser I (năng lượng trên một đơn vị diện tích) và cường độ điện trường E ω được xác định rõ ràng.
Mặc dù công suất quang học của laser Trion rất nhỏ, nhưng với chùm hội tụ mạnh, cường độ điện trường E đủ để nhóm nghiên cứu do Peter Franken dẫn đầu tại Đại học Michigan quan sát hiện tượng phát sóng hài bậc 2 (SHG) lần đầu tiên vào mùa hè năm 1961 Trong thí nghiệm, họ sử dụng laser ruby với bước sóng 694,3 nm chiếu vào tinh thể thạch anh mỏng, sau đó hướng chùm tia đầu ra tới một lăng kính để tách chùm đầu vào và chùm sóng hài Kết quả là chùm sóng hài bậc II với bước sóng 347,15 nm xuất hiện, mặc dù hiệu suất chuyển đổi chỉ khoảng 1/108, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn quan sát được thành phần sóng hài cường độ yếu trên kính ảnh.
Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm phát sóng hài bậc hai đầu tiên tại Đai học Michigan, năm 1961.
Sự hợp pha
Trong giai đoạn đầu, hiện tượng phát sóng hài bậc II đã được phát hiện, nhưng hiệu suất chuyển đổi sóng hài vẫn còn thấp Nguyên nhân chính là do hiện tượng tán sắc, khiến các sóng cơ bản và sóng hài di chuyển với vận tốc pha khác nhau trong tinh thể phi tuyến, dẫn đến việc chúng nhanh chóng mất đi sự hòa hợp.
31 trường của laser Ruby, chúng ta gộp vào cả thành phần phụ thuộc không gian và viết: 𝑬 𝑬 𝜔 cos(𝜔𝑡 − 𝒌 𝟏 𝑧) (2.7.1) trong đó k1 = n1 c
, n1 là chiết suất tại tần số Từ phương trình, chúng ta suy ra được độ phân cực bậc II có dạng:
Nhưng sự phụ thuộc không - thời gian của điê ̣n trường sóng hài bậc II là cos(2𝜔𝑡 −2𝑘 1 𝑧), trong đó 𝑘 2 = 𝑛 2 2𝜔
Hai sóng ngược pha nhau khi (k2 – 2k1) z = π, từ đó chúng ta định nghĩa độ dài kết hợp Số hạng này không khớp hoàn toàn với số hạng cuối trong phương trình (2.7.3), nhưng điều này dễ dàng nhận thấy trong thực tế.
Trong vật liệu quang học điển hình, chiều dài tương tác Lcoh khoảng 10-20 μm, phù hợp với thí nghiệm phát sóng hài bậc II tại Đại học Michigan Thí nghiệm cho thấy chỉ một phần nhỏ tinh thể thạch anh tham gia vào quá trình chuyển đổi sóng cơ bản thành sóng hài bậc II, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi thấp.
Vấn đề độ dài kết hợp đã được giải quyết nhanh chóng khi nhóm của Joe Giord-maine tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone và nhóm Robert Terhune tại Ford Motor Company đồng công bố kết quả nghiên cứu trong tờ Physical Review Letters vào ngày 1 tháng 1 năm 1962 Các tác giả nhấn mạnh việc khai thác tính lưỡng chiết của tinh thể dị hướng, trong đó chùm tia cơ bản hoạt động như sóng thường, còn chùm sóng hài là sóng bất thường Do chiết suất của sóng bất thường phụ thuộc vào hướng truyền trong tinh thể, chúng ta có thể hiệu chỉnh góc để đạt được điều kiện tối ưu.
2 ext ord n =n , trong đó n2ext là chiết suất của tia bất thường, n1ord là chiết suất của tia thường
Cường độ sóng hài bậc hai thay đổi theo khoảng cách trong các điều kiện hợp pha và không hợp pha, với đường liền nét thể hiện sự khác biệt này Đường cong nét đứt minh họa quá trình giả hợp pha.
Sự cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi sóng hài bậc II nhờ vào kỹ thuật hợp pha được minh họa trong Hình 2.6 Đường liền nét bên dưới thể hiện trường hợp chưa đạt điều kiện hợp pha, trong khi đường liền nét bên trên (PM) cho thấy cường độ sóng hài tăng theo bình phương khoảng cách trong điều kiện hợp pha Khi độ dài kết hợp tăng từ khoảng 10 μm đến 1 mm, cường độ tăng lên khoảng 10^4 lần, biến hiện tượng phát sóng hài phi tuyến từ giả thuyết thành thực tế.
Ngày 10 tháng 04 năm 1962, Armstrong, Bloembergen, Ducuing và Pershan (ABDP) ở Đại học Harvard gửi một bài báo đến tạp chí Physical Review và công trình này đã có tác động sâu rộng đến lĩnh vực quang phi tuyến vào thời điểm đó Một trong những nội dung quan trọng trong bài báo chuyên đề này là đề xuất một phương pháp hợp pha
Sau 25 năm phát triển, ý tưởng về kỹ thuật “giả hợp pha” đã trở thành hiện thực và được coi là giải pháp hoàn hảo cho vấn đề hợp pha Kỹ thuật này hoạt động dựa trên nguyên lý rằng tại cuối độ dài liên kết đầu tiên trong quá trình phát sóng hài, điện trường sóng hài đạt giá trị tối đa, nhưng pha của nó và pha của độ phân cực sóng hài lệch nhau 180°, dẫn đến sự tương tác giảm dần Để duy trì hiệu suất tương tác, người ta đảo ngược dấu của độ phân cực phi tuyến bằng cách thay đổi các mảnh tinh thể Điều này cho phép sóng hài tiếp tục tăng cường dọc theo một độ dài liên kết khác, và quá trình này tiếp tục lặp lại.
Khó khăn chính trong việc chế tạo các tấm tinh thể là chiều dài liên kết chỉ khoảng 10-20 𝜇𝑚, yêu cầu bề dày tinh thể đạt một phần trăm milimet, dẫn đến việc triển khai kỹ thuật giả hợp pha mất nhiều thời gian Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp nuôi tinh thể, trong đó kỹ thuật tạo cực tuần hoàn, sử dụng điện trường để thúc đẩy sự hình thành các tấm tinh thể ngược nhau, đã chứng minh hiệu quả Nhờ vào kỹ thuật này, ý tưởng ABDP mới đã trở thành hiện thực.
Các đường đứt nét (QPM) trong hình 2.6 cho thấy sự so sánh giữa giả hợp pha và hợp pha lưỡng chiết, với cường độ SHG tăng theo kiểu từng bậc Độ cao của các bậc này tăng theo khoảng cách, do cường độ quang học tỷ lệ với bình phương cường độ điện trường Nếu biểu diễn theo cường độ điện trường, độ cao của các bước sẽ đồng nhất.
MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER BẰNG PHẦN MỀM
Tiến trình mô phỏng
Hình 3.2 Biểu tượng phần mềm Zemax
Khi mở phần mềm Zemax 2008 sẽ thấy giao diện như sau:
Bảng 3.1 Bảng nhập liệu gồm các hàng và cột
Surf: Type Dạng bề mặt thấu kính (tiêu chuẩn, phi cầu, cách tử nhiễu xạ…)
Radius Bán kính cong đo theo đơn vị thấu kính
Thickness Bề dày thấu kính đo từ đỉnh
Glass Vật liệu (thủy tinh quang học, không khí,…)
Semi-diameter Nửa bán kính
Mỗi hàng trong bảng mô tả mối quan hệ giữa vật (object-OBJ) và ảnh (image-IMA), với vòng chắn sáng (aperture stop-STO) nằm giữa hai yếu tố này.
3.2.2 Thiết kế hệ Green Laser Pointer
Chúng ta cần nhập dữ liệu cho từng bộ phận của hệ thống Green Laser Pointer Sau đó, Zemax sẽ sử dụng dữ liệu này để tạo ra hình ảnh cấu tạo của hệ thống và các biểu đồ thể hiện các đặc tính của chùm ánh sáng đầu ra.
Dữ liệu từng bộ phận bao gồm nguồn diode laser 808 nm, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kỳ, thấu kính chuẩn trực và bộ lọc.
Dữ liệu diode laser 808nm được nhập vào phần mềm thể hiện trong hình 3.4 và bảng 3.2
Bảng 3.2 Bảng dữ liệu nguồn diode laser 808nm
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Hình 3.4 Bảng nhập dữ liệu nguồn diode laser
Sau khi nhập dữ liệu nguồn diode laser vào bảng Ta thiết lập bước sóng 808 nm của diode laser ở mục Wavelength (tab Wav)
Hình 3.5 Hộp thoại Wavelength Data thiết lập bước sóng 808 nm
Xem hình ảnh mô phỏng nguồn diode laser 808nm ở tab Layout 3D
Hình 3.6 Nguồn diode laser 808nm được mô phỏng
3.2.2.2 Thấu kính hội tụ (Pump focusing lens)
Thấu kính hội tụ có tác dụng tập trung nguồn sáng từ diode laser để hội tụ đi qua tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP
Ta tiếp tục nhập dữ liệu thấu kính hội tụ Dữ liệu này được thể hiện trong bảng 3.3
Bảng 3.3: Dữ liệu thấu kính hội tụ
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
4 Standard Pump focusing lens 13.001200 25.003240 SK16 13.000000 0.000000
Hình 3.7 Bảng dữ liệu nguồn diode laser và thấu kính hội tụ
3.2.2.3 Tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP
Chùm sáng hội tụ đi qua tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP để biến đổi bước sóng
808 nm thành bước sóng 532 nm (màu xanh lục)
Bảng 3.4: Dữ liệu tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
6 Standard Nd: YAG Infinity 1.534780 SK16 4.679560 0.000000
Do bề mặt tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP là bề mặt phẳng nên bán kính cong (radius) bằng vô cùng (infinity)
Tinh thể Nd:YAG và tinh thể KTP nằm sát nhau, do đó không cần nhập dữ liệu khoảng cách Nếu khoảng cách giữa mặt 6 và 7 bị bỏ trống, ánh sáng sẽ không thể đi qua được.
Hình 3.8 Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP
Thấu kính phân kỳ mở rộng chùm sáng đi ra từ tinh thể KTP
Bảng 3.5: Dữ liệu thấu kính phân kỳ
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Hình 3.9 Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP và thấu kính phân kì
3.2.2.5 Thấu kính chuẩn trực (collimating lens)
Thấu kính chuẩn trực giúp định hướng chùm sáng đầu ra song song
Bảng 3.6: Dữ liệu thấu kính chuẩn trực
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
11 Standard Collimating lens Infinity 15.700000 N-BK7 32.500000 0.000000
Hình 3.10 Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kì và thấu kính chuẩn trực
3.2.2.6 Bộ lọc IR (IR filter)
Bộ lọc IR có tác dụng khắc phục các nhược điểm về nhiễu, bị quầng sáng Đây cũng là bộ phận cuối cùng trong hệ Green Laser Pointer
Bảng 3.7: Dữ liệu bộ lọc IR
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
13 Standard IR Filter Infinity 2.258956 SK16 37.500000 0.000000
Bộ lọc IR có tính chất như một thấu kính phẳng nên dữ liệu bán kính cong (radius) bằng vô cùng (infinity)
Hình 3.11 Bảng dữ liệu hoàn chỉnh của hệ Green Laser Pointer
KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HÓA
Hình ảnh mô phỏng hệ Green Laser Pointer
Bảng 4.1: Dữ liệu mô phỏng hoàn chỉnh hệ Green Laser Pointer
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
6 Standard Nd: YAG Infinity 1.534780 SK16 4.679560 0.0000
13 Standard IR Filter Infinity 2.258956 SK16 37.500000 0.000000
Dòng dữ liệu IMA (image-ảnh) do Zemax tự tính toán
Zemax tự động mô phỏng hình ảnh của hệ Green Laser Pointer từ bảng dữ liệu đã nhập Để xem hình ảnh mô phỏng, người dùng cần chọn mục Layout 3D Vì nguồn diode laser là một thành phần phức tạp, Zemax chỉ cho phép xem hình ảnh mô phỏng ở dạng 3D, không hỗ trợ dạng 2D.
Hình 4.1 Hình ảnh mô phỏng 3D của hệ Green Lasser Pointer Để xem hệ dưới nhiều góc độ khác nhau, ta vào Settings và điền vị trí tọa độ X, Y,
Bạn có thể điều chỉnh số lượng tia sáng trong phần Cài đặt → Số lượng tia sáng Dưới đây là hình ảnh của hệ quang tại nhiều tọa độ và với các số lượng tia sáng khác nhau.
Hình 4.2 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x, y0, z và số tia sáng là
Hình 4.3 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x0, y0, z0 và số tia sáng là
Tối ưu hóa hệ quang
Mặt phẳng ảnh IMA được Zemax tự động tính toán dựa trên dữ liệu đầu vào, nhưng đôi khi hệ quang chưa đạt tối ưu Để điều chỉnh mặt phẳng ảnh tại vị trí gần tiêu cự nhất, người dùng có thể sử dụng hai phương pháp: chức năng Quick Focus hoặc Default Merit Function.
Trong quá trình mô phỏng, phương pháp Defauld Merit Function mang lại kết quả hệ quang không như mong muốn nên sẽ không đề cập
Dù ng chức năng "Quick Focus" trong menu Tools → Miscelleneous → Quick Focus (Shift+Ctrl+Q):
Hình 4.4 Hộp thoại Quick Focus
Sau khi thiết lâ ̣p như hình 4.4, chọn "OK"
Quan sát sự thay đổi các thông số trong hai hình sau:
Hình 4.5 Bảng dữ liệu sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick Focus
Hình 4.6 Hình ảnh hệ Green Laser Pointer sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick
Tối ưu hóa hệ quang hỗ trợ tính toán khoảng cách giữa hệ và mặt phẳng ảnh
Khoảng cách mặt phẳng ảnh (IMA) giảm xuống 27.73 Và các thông số Spot Diagram có sự thay đổi nhẹ
Bảng 4.2: So sánh khi chưa tối ưu hóa và đã tối ưu hóa
Chưa tối ưu hóa Đã tối ưu hóa
Phân tích một số biểu đồ trong Zemax
Biểu đồ Spot Diagram minh họa hình ảnh của một điểm sáng, với mỗi hình tương ứng với một trường (góc cài đặt trong Field) Trong hệ Green Laser Pointer, chỉ có một nguồn sáng từ diode, vì vậy Spot Diagram chỉ có một biểu đồ duy nhất phản ánh trường ánh sáng đầu ra.
Hình 4.7 Biểu đồ Spot Diagram
Hình 4.8 Ánh sáng của Green Laser Pointer trong thực tế
Ánh sáng từ Green Laser Pointer tạo ra một chùm hội tụ mạnh ở tâm với quầng sáng mờ xung quanh Biểu đồ Spot Diagram cho thấy sự tương đồng này, với nhiều dấu cộng màu xanh dương tập trung ở trung tâm và một số ít dấu cộng còn lại xung quanh.
Ray Fan xác định tia quang học như một hàm số của ánh xạ Trong một hệ quang học hoàn chỉnh, quang sai (tia) cần phải bằng 0 từ bên này sang bên kia.
Biểu đồ Ray Fan cho biết hiệu ứng của tia theo phương ngang
Hình 4.9 Biểu đồ Ray Fan
4.3.3 Biểu đồ OPD (Optical Path Difference)
The OPD chart can be accessed by navigating to Analysis → Image Quality → Aberrations → Optical Path, or by selecting the OPD tab This chart illustrates wavefront aberrations as light passes through the optical system, resulting in the wavefront no longer being spherical.
Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer
Phần mềm Zemax có hỗ trợ hình ảnh đồ họa cho hệ quang mà ta thiết kế Để thực hiện chức năng này, thao tác Analysis→ Layout→ Shaped Model
Dưới đây là hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer:
Hình 4.11 (a) Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer
Hình 4.11 (b) Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer
Hình ảnh đồ họa mà Zemax cung cấp giúp ta có thể dễ dàng xem xét hệ quang ở mọi góc nhìn
