Khảo sát Đặc tính của laser he ne Ứng dụng cho việc thiết kế các thí nghiệm vật lí

"Bài L; Kho sit mode ngàng và tỉnh phân eye eva chim tia laser HeNeW...29 [Bai 2: Khao sit bi kinh chim tia laser He-.Ne theo khoảng cách khắc nhau vi Xác định loại gương sử dụng cho bu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG DAI HOC SU PHAM TP.HCM BAO CAO TONG KET

DE TAI KHOA HQC VA CO?

If CÁP CƠ SỞ,

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA LASER He-Ne UNG DUNG CHO VIEC THIET KE CÁC THÍ NGHIỆM VẬT LÍ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẢO TẠO

“TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BAO CAO TONG KET

DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP COSC

KHAO SAT DAC TINH CUA LASER He: UNG DUNG CHO VIEC THIET KE CAC THi NGHIEM VAT Li MASO: €8.2014.19.61

‘Xe nhin cua cor quan ch tơ đ tài (Cha nhiệm, TRUONG KHOA VATLY

TS, Cao Anh Tul TS Nguyễn Lâm Duy Thánh phố Hỗ Chí Minh = 12/2015

'VÀ ĐƠN VỊ PHÓI HỢP CHÍNH

1 TS, Nguyễn Lâm Duy, chủ nhiệm để di

3 ThS, Trân Đặng Bào Ân

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MYC CAC BANG

DANH MUCHINH VE VA DO THY

CHUONG 1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động vã các

3 Các ính chất của chùm tia laser He-N

1.3 1 Baðng cộng hưởng quang học và tần số của chủm laser tát ra

1 3 1 Bản kính sỗ chim (beam waist) va ge phi ki

1 3.2 Mode ngang vit mode doc eda hg cng hung Fabry-Perot CHUONG 3 Khảo sát thục nghiệm đậc tỉnh chim tia laser He-Ne ma số PDZ2449691 do hang Leybold Didaetic GmbH sn wit

3 4, Tỉnh phân kì cửa chẳm tia lser và tính chất đồng ti cự (confoes) của

CHƯƠN

¿ 3 Sơ dụng hệ cộng hưởng Fabry-Perot của laser Me-Ne như là một

CHONG 4 Xiy dn ce bh nghigm Kho at tính chất của châm H3 laser He-Ne vit eta ống phát tia laser

"Bài L; Kho sit mode ngàng và tỉnh phân eye eva chim tia laser HeNeW 29 [Bai 2: Khao sit bi kinh chim tia laser He-.Ne theo khoảng cách khắc nhau vi

Xác định loại gương sử dụng cho buồng công hướng quang học của ông phát

37

CHƯƠNG 5

DANH MUC CAC BANG Bảng 24 Giá bản kính chèm in it at Wig Khe im Gauss vi cc ting sức phân kìv khoảng cách ổn vt in koh chm a

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ

Hinh 1.1 Sơ để mổ tả quá trình chuyến mức năng lượng trong một hệ laser He-Ne

nh L2 Câu trúc của mộ ông phone phát sec [0] 2

Minh 1.3 Một số cấu trúc của hệ cộng hướng quang bọc sử dụng cho laser: ajhé

“công hưởng bằng gương phẳng b)hệ công hưởng bing gương cầu cjhể cộng

hưởng dạng vùng và hộ cộng hưởng sử dụng sgi quang 3 Hình 14 Một số cu ri của bộ lọc quan hye trang thi Sn din ume m4 int 1.5 Ph6 ts ca chim tia laser sự hing chp ci di thông phẩt xà

nguyên tử của môi trường hoạt chất và dai truyền qua của bộ lọc quang học

Minh 1.6 Hai cách đưa phần từ chọn lọc vec tơ phản cực vào hệ công hưởng quang

ci laser 3}

Hình 1.7 Tôm tắt các thông số đặc trưng về chim Gauss Khi lan trayễn a

Hình 1-8 Minh họa một số mode ngang bậc thấp thường gập của laser He-Ne [7] 10

int 3 1 Ông phát asr es laser He-Ne PD72489691 b

Minh 2.2 a) So dd hg thing ding dé quan sit mode ngang cua cham laser He-Ne, by

‘inh an thực thể của mode ngang thu duge rên màn quan sắt 8 Hình 2.3 a) So 48 he thi mghigm khảo sắt sự phẫn cực của chùm lasr, b)Hình ảnh

Hình 3.4 Cưởng độ xăng chủm lser sau khi đĩ quá kính phân cực 4) sau 20 phút

Hình 2S Cường d® chim laser thu nhận rực tiếp boi photodetector sau kh Khoi

châm tỉa ser cẳn khảo sắt a)sơ đ lý thuyết, bực tẺ tịnh 334) hệ vẫn giao thoi do có sự phân xạ qua li trên 2 gương: b) moác TEM,

Hình 34 Thông kế khoảng cách áp suất cho 3 cực dại liên kề theo a) số lượng, a theo th số xuất hiện

DE TAL KHOA HOC VA CONG NGHE CAP CO SO Tân để tà KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA LASER He-Ne ỨNG DỰNG CHO VIỆC THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM VẠT LÍ Masé: CS.201419.6

Email: nhd nldoy/8yahooff

‘Co quan chủ tì để di - Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TE.ICM,

Cơ quan vã cả nhân phối hợp thực hiện Không có Thời gian dhe hiệ: 9/2014 ~89201%

1 Mục tiểu:

“Khảo sắt những tỉnh chất quang học đặc trưng của laser He-Ne dang có tụi

‘Khoa Vậtlí để ứng dụng cho việc thiết kể những thí nghiệm vật lí phục vụ cho việc

"nghiên cứu và học lập cho sinh viên ngành sự phạm và vật lí học

3 Nội dụng chỉ

«= Nae dinh điều kiện cộng hưởng của buỖng cộng hướng tnh chất đồng iêu

sự sonoal) của ông phả ta hs HệcNe

thảo sắt các mođc dọc và ngang (nếu có) hình gauss của chim tia laser

~ Xây đựng hoặctỗi ưu hỏa hể cộng hương Fahry-PêroL

~ Khảo sắ độ kết hợp thời gian và không gian

dc dink pgm vi sr dung cia laser He-Ne

tải iệu dành riêng cho phần Khao sit laser He-Ne, dng lim wi liệu nghiện cứu, họ tập cho sinh viên khoa Vật ý bệ Sự phạm và bệ Vật lý học

3 KẾ quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng đâo to, kỉnh xã hộ)

~ Đã xắc định được điễu kiện cộng hướng v tính chất dồng tiêu cự của ông phat is laser He-Ne

Ti a da dc ar dug sing mg quang hoe Fabry-Péeot ding Kho Sittin chit chim ia laser

~ Khảo sätđược tính chất kết hợp cua chàm tỉ laser, công suất và đưa ra được ham visi dung ci laser eNe hiện có Gí phông thí nghiệm Vật lý Đại sương Didactic GmbH san wit

~ Ngoài ra nhôm tác gia dã biên sogn 2 bi thi mghigm VE laser He-Ne te eh Liệu thí nghiệm cho sinh viên khoa Vật lý ảnh cho hệ sư phạm và hệ vậ lý học

Cowdinalor: PhD, Nguyễn Lâm Duy

Implementing Institution: Faculty of Physies, Ho Chi Minh City University

of Pedagogy

Cooperating Instituion(s): none

‘Duration: from Sep-2014 to Sep-2015

= Studying on the resonance conditions of the laser tube for laser light

«Studying on the longitudinal and transverse modes of the laser beam Constructing or optimisating a Fabry-Perot optical cavity + Studying on the spatial and temperal coherences of the laser light, Determining the possible applications ofthe laser for labs activities

demonstrated with the available equipments of the Faculty of Physi,

= 2 lab’s problems are compiled

CHƯƠNG I Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các tính chất của chùm tỉa laser He-Ne

1,1, Cấu trúc chung và nguyên lý hoạt động cia laser He-Ne Cấu trúc cơ bản của một LASER bắt ight Amplification by Stimulated Emission of Radiatioa) gồm mỗi trường hoạt chất (có khả năng phát quang), nguồn

bơm năng lượng cho môi trường hoạt chất này và một hệ cộng hưởng quang học

nhằm làm tăng sự khuếch đại ảnh sảng theo phương truyền bằng cách phản xạ qua

trạng thi đảo lồn một độ th sự phát xạ cường bức (cồn gọi là sự phất xạ kích thính)

chiếm ưu thể so với hiện tượng hẮp thụ và phát xạ tự phát Hệ cộng hưởng quang

học được dũng để lâm tăng hộ số khuếch dại của mỗi trường cho đến khi năng

lượng cung cấp cho hệ, năng lượng mắt mát và năng lượng chùm laser phát ra cản

"bằng nhau thì chism laser sẽ có công suất ôn định

Người tạ có thể phân chia laser theo loại của mỗi trường hoạt tỉnh (rắn lòng

"khí hay bản dẫn) hoặc theo số lượng snức năng lượng của nguyễn tử tham giá vào

"quả trình phát ra photon laser (3 mức hoặc 4 mức năng lượng) [ |

Để tải nghiên cứu này chí liên quan đến laser He-Ne nên những đặc tính tổng

‘quit nhất về loại laser này sẽ được trình bảy cụ thể còn các loại laser khác được trình bảy chỉ tiết trong các tải liệu [1] [3] |9]

Laser He-Ne à hệ hs phát chùm ia itn we du ign được tim ra bi Javan

và các cộng sự nâm 1960, hoạt động theo kiểu laser 4 mức nâng lượng [6] Các

uyên từ He được chuyển tử trạng thái cơ bản lên trạng thi kính thích đỏ sự

tỉa laser máu văng hay xanh lš như trên Hình 1.1 bên dưới

Cie electron của Ne ở mức 2p được làm trống bằng cách phát xạ ngẫu nhiên

4 chuyén xuống mức lạ: và từ mức này sẽ dược chuyển xuỗng mức cơ bản chủ laser He-Ne trong thực Ẻ, người ta ẽ ch tạo thêm một ông trụ dường kính nhỏ đặt đồng trọ với try ca him a Taser ph a, Cu ti chung cia m@t laser He-Ne được thểhiện như Mi 12

1.3.1 BuỖng cộng hướng quang học và tn số của châm laser phát rà Mặc dù ảnh sáng có thể t khuŠch dại thông qua sự phát xạ cường bốc nhưng

độ khuếch đại ki photon đi chuyển Í vòng ưong mỗi tường hoạt chất thực tế rằt cần phải cổ một cơ chế bồi tiếp dương để hẳu hết các nguyễn tử ở trạng thải kích hợp Buồng công hướng quang học thay còn gói là bở Íoc gương løc) là một bể

g được xây dụng với mục dịch nêu rên, và được cấu tạo bằng một hệ các sương phân xạ sao cho cổ thể phân xạ chùm sảng mong muốn trở về mỗi trường dược sử dạng được gii thiệu tong Hình 1.3, gồm các cu trúc như bệ cộng hướng

hệ công hưởng sử đụng sợi quang

Ro eS)

BO

Mab 1-3 Một số cấu trúc của hệ cộng hưởng quang học sử dụng cho laser 4)hệ công hưởng bằng gương phẳng, bJhệ cộng hưởng bing gương cầu clhệ cộng thường dạng vồng và d)hệ cộng hưởng sử dụng sợi quang, Trong ông pha loet HN, người ta ử dạng hệ cộng hưởng Paboy-Pen gầm một gương phẳng có hệ số nhân xạ gần bằng 100% vã một gương cầ lòm có

bắn kính của gương cầu Dây là một dạng tương đương của ấu trúc đồng tiếu dự (Confocal Falvy-Paro ợi tất CẾP] mội rong các câu trúc khác nhau của bung chấn dịnh của một hệ cộng hưởng Fabr)-Peot được xá định thông qua điễu kiệt

với ứ là khoảng cách pida 2 guomg Rj, Rs bi in kinh cong eva 2 guony,

Ở đây, ta quy trúc R>0 đối với gương cầu lôm và R<0 đối với gương cầu lỗi

.Jlà khoảng cách giữa 2 gương cầu

XMỗi dịnh của phố có một bÈ rộng nhất định, phụ thuộc chậc chế ván bệ số

si hg CFP big thông 3đ của mỗi inh (FIZENN

với # là độ phản xạ của gương,

Một thông số quan trọng khắc mô tả phẩm chất củ (ines) ge xe din ằng biêu thắc

Đổi với bộ lọc quang FP gồm 2 gương phẳng để có được hệ số phẩm chất /

sỡ I09 thì độ đồng đều trên bề mặt phản xạ của gương phải tốt hơn À/100 rên

hộ bŠ mặt gương, Dây là diễu rất khô đạt được ong khỉ chế tạo Vi vậy, hệ FP nhỏ của bề mặt gương nên để đàng dạt được độ đồng đều bÈ mặt như tr, làm cho

hệ số F cổ giả ti lớn

Khi kết hợp môi trường hoại chất và bộ lọc quang với nhau do đãi thông độ lợi của mỗi trường hoại chất lớn hơn nhiễu so với chu kỉ PSR nên trong chữm tia chỉra bởi Hình 1.5, Diễu này gây ra hiện tượng nhây mode và sự thăng giáng cường hải đạt được nếu muỗn sử dụng laser này thực hiện các phép đo đạc chính xác Khoảng cách 2 gương nhớ hoặc kết họp với một bộ lọc quang FP khác có hệ số phẩm chỗt kém hơn nhưng có chu kì FSR lớn, Ngoài ra, dé tn sb laser bn din, cs) hE ding vt gue he sb gin nở nhiệt bằng không hoặc dùng các cơ chế điều khiến có hồ tiếp khác 9]

Tình 1.5 Phố tằn 96 eda chim tia laser li sw ehdng chip eua dal ding phi

‘xa nguyén tir cua moi rime hoat chit va dal truyén qua cia b> lye quang hoe 1.3.3 Tinh chất phân cực của châm laser

Khí Ống phát laser có cấu tạo như trên thị chứm sảng laser cỏ veel phẫn cực không ên dịnh, ngẫu nhiên Để có thể tạo ra chim laser phn cue thing, ta phi trong buồng cộng hưởng quang học Hình 1.6 mỗ tà cách đưa bản lưỡng chiết hoặc cửa số ống phát đặt ở góc Brewsler so với quảng trục của bộ lọc quang, là 2 cách phố biển được sử đụng trong thực [3|

Tình L.6 Hai cách đưa phần tử chọn lọ vee tơ phẫn cục vàn hệ cộng hưởng quang của lase [3]

1.3.3 Chiều đài kết hợp

tong các thí nghiệm về giao thoa ảnh sảng, hệ thống các vẫn giao thoa chỉ được hình thành nếu như các chủm sing xuất phát từ một đoàn sông duy nh, đi giữa các con đường lan truyền khắc nhau ngây cảng tăng, hệ thắng các vẫn giao hơn nhiều so với chiêu dài kết hợp /, của nguồn phát laser Đại lượng 7, phụ thuộc

hủ yêu vào độ đơn sắc của chim laser theo mỗi liền hệ:

Trang đó, là tốc độ ảnh sing rung chân không, và Âu lš đồ rộng đái tin sb

nh sảng trong chùm laser

1.3 Tính chất lan truyền của chủm tỉa laser

1.3.1, Bim kính cổ châm (beam wal4) và góc phân ki Trong trường họp bộ lục quang được co tạo cí sương cu, bằng cánh giả phương tình Holnholz với diều kiện biên của hình dạng bộ lọc quang ta cô hệ

hing (ce tia sing song song với quang trục) và mật phẳng XOy vuông gốc với rúc (02 cường độ sảng tại các iễm nằm trong mặt phẳng XOy Vie được tính bởi

A(z) fii kin ca mt sng tv

54G) là bán kính chim Gauss tai vị trí 2 được định aghia à khoảng cách tứ

trục đến vị trí trong mật phẳng xOy vuông góc tại vị trí này mà cường độ sáng giảm:

i Ve? Kin so với cường độ sắng gi trye Or

‘oy là bán kính chữm auss tai vị trí cổ mặt sông là phẳng, gọi Ia bin kinh cd

hm a

Ta thấy, bán kính mặt sóng Ẩ\5) cỏ giá tị bằng ø› tạ vị trí cỗ chủm, giảm

xung giá tị cực iều tại một vị trí nào đồ và tang sẵn như tuyến tính dẫn Khi z in tục tầng Khi #Œ) tăng tuyển tính với z thì bản kính chẳm ti

vả hông số đồng tiêu cự được dịnh nghĩ: b = 2ø,

VE mt nghĩa vật lý ở khoảng cách z đỗi với 2 pha tr cả chúm i

Xinh châm asẽ bằng VÕ/u, như rong Hình I.7 mổ t Trong hệ CFB, các ị tí này trăng với vị tí của 3 gương và vi vậy đường kính châm tỉ lasr tại bỄ một gương bán kính chim dre cho

Tiên hệ với bản kính cổ chủm thông qua hộ thức

CChỉ sễ g đặc trưng cho bậc của mode đọc,

TEM cho ta số cực tiễu (n0le) của mod ngang tính theo chiễu trục x va y một

chỉ số m va p trong kỉ hiệu

‘eich song ứng của phần bổ cường độ sắng chôm laser

Trong các mode ngang ở trên, đo mode TEMỤ, có phân bổ cường độ săng liên

tục trên mật đầu sống, có độ phân kỉ nhỏ và đo đỗ cổ thể hội tụ vân Í vũng có kí:

cũng cỏ khả năng tổn tại trong buồng công hương laser do chủng cỗ kích thước

hàm,

trường hoạt tính phát laser Như vậy để hạn chế các mode ngang bậc cao, ta phải

đưa vào hệ quang bọc của hoer một bệ thẳng có thể lâm tăng hệ số mắt mát chơ các giản được sử dạng rong thực là ta đưa vào một mảng chân cỏ lỗ nhỏ mã kích

thước có thể được điểu chinh Trong hệ phat laser He-Ne, người ta sẽ tạo ra thêm

trong ống pht laser một Ống nhỏ đặt đồng trục vời quang hệ ao cho đường kính

ho Khí độ, hệ sẽ hỉ có mode TEM,, được tôn tại

ôn hơn mode TEM nên cỏ nhiều khả năng lấy nhiều năng lượng tứ môi

laser He-Ne mã số PDZ2449691 do hãng Leybold Didac

Ong pt laser He-Ne nity do

vuông góc chùm tia vã cách đầu phát leser một khoảng từ Šm trở lên theo sơ đỗ

có dụ hình trồn với cường độ sáng lại tâm là lớn nhất, sau đó giảm dẫn Khí ra xa

mode mg ng TEM., và không cổ mod ngang náo khác

a) » Hình 3.2 a) Sơ đỗ bệ thẳng dùng để quan sit mode ngang cia chi laser He-Ne, b) Hinh anh thực thể của mode ngang thụ được rên màn quan sắt Mode doe tn tại trong buỗng cộng hưởng quang học của ống phát laser chỉ có thể được phân th thông qua chồm ta laser ghất ra bằng cách sử dụng mấy quang phố FP ạ

chúng tôi sử dụng bộ lọc quang FP của một Ống phát laser đã hỏng kết hợp với việc

cu phố bằng cách tha

hoặc máy bơm chân không Với hệ thống tỉnh chính cơ khí và với kích thước hệ FP

phổ tự ding (scanning Fabry-Perot etalon) Trong điều kiện hiện nay,

đổi áp suất khí trong ông chứa hệ FP thông qua một xylanh

làm mấy quang phổ hiện nay không cho phép phân tích phd cdc mode doe cia laser He-Ne PD72449691 cas hing Leybold,

3-3 Veet phân cực của chùm tia laser

Trạng thái phân cực của châm laser được thực hiện bằng hệ đo đơn giản được

cực với phương phân cực cổ dịnh Một phododetdtor (D1750 GY303-AM2) được

đật phía sau bản phân cực này, Ta edn chú ý điều chính cường độ sắng chiễu vào

photodeteclor đu yêu để nó cách xà vùng cường độ bảo hỏa của đẫu thú quang, Khi laser mới được khơi động 30 phút, ta nhận được sự tầng giảm cường độ sng co tinh chu Ki sau Kh df qua ban phân cục như Hình 2.đa cho

Dida my thé do lóc bạn đẫu,ông phá lasr cô nhiệt độ chưa ôn din ich thước của hệ dang họ tay độ in tục ki nhiệt độ tăng, Sau 130 phủt hoạt động, ự biển thiến

sô nh shu kỉ này bị mắt di mà cường độ sảng tu được thay đổi một cách ngÌu

nhiền và sự thay đổi cường độ tương đối khoảng 50% trong Hình 34h, Như vậy

xec ty phần sục sửa chim laser không thật sự ôm định mã nó thay đối dã rất shậm

Điều này chứng tô mặc dù laser He-Ne này chí có ! mode nhưng không phải lá

nhân cực thẳng Nêu so ánh với thông số

thuật do nhà sản xuất cung cấp thỉ ta cô thể khẳng định được tính đúng đẫn của kết luận trên

phút khỏi động, bộ sau 120 phút khi động

2.3 Công suất phát xạ của laser PDZ2449691

Vi hg thống đầu thụ công suất quang được sử dụng hiện nay chưa được chí Hhủa nền tạ chưa thể có được giá tị chính xác của cường độ quang đo được Tuy được kiểm chững và đảm bảo

Để kháo sit sy ồn định vể cường độ châm laser ta tiết kế hệ thí nghiệm như trong sơ đồ Hình 33 mà ho đi bạn phân cực, Thị nghiệm được thực hiện su 150 Mình 3.5, Ta nhận thấy cường độ chùm laser không thật sự ên định Sự thay đội về giá tị tương đối trong phạm vì 30%, nhỏ hơn giả trị tong thí nghiệm Hình 2.4a Điễu này chứng tò rằng cả công suất pht laser vã vectơ phản cục của chẳm lase

«du thay đổi theo thôi gian Do vay laser He-Ne này khỏ

thể được dùng trong các thí nghiệm dùng cường độ ng chim laser nay lim chuẩn hoặc các thí nghiệm

mà trong đồ, hệ quang học cỏ các phẫn tứ nhạy với vectơ phẫn cực sáng,

khởi động 150 phút

2.4 Tinh phân kì của chữm ta laser và tí

ng phat tia laser chất đằng tiêu ev (confocal) cia

“Trong để tải này, hệ thí nghiệm với sơ đồ Hình 3.6 được dũng để xắc định góc

lo Ø cửi chùm ta laser Khắc với phương phấp dùng một lười dao ch sing tr đến 100% bề rộng của chim sing laser hệ thí nghiệm sử dụng một khe hẹp có kích thước 50gm dặt trên một b vỉ chính với bước tiến 50m, Tạ thú nhận giả tị cường

độ sảng thú được bởi cảm biển quang được nỗi với mạch diện tứ và kết nổi với máy (Oy, vị trí của khe sẽ được thay đối theo trục Ox Khi đỏ, cường độ sing thu nhận boi photodetector sẽ có dạng