BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH ====oOo==== BÙI HỒNG ANH TÌM HIỂU KHẢ NĂNG THAY ĐỔI BƢỚC SÓNG VÀ NÂNG CAO ĐỘ ĐƠN SẮC CỦA LASER MÀU XUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mà SỐ: 60 44 01 09 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS Đoàn Hoài Sơn VINH - 2012 LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học TS Đoàn Hoài Sơn Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giáo tham gia giảng dạy suốt hai năm qua trường Đại học Vinh trường Đại học Sài Gòn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Đồn Hồi Sơn tận tình hướng dẫn, bảo đầy trách nhiệm trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn Ban giám hiệu trường nơi công tác tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Cuối xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè, quan tâm, động viên giúp đỡ suốt trình học tập Sài gòn, tháng năm 2012 Tác giả Bùi Hồng Anh DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU c: VËn tèc ¸nh sáng : B-ớc sóng Ti: Trạng thái bội ba (triplet) Si: Trạng thái điện tử đơn N0: Độ tích luỹ trạng thái N I: Độ tích luỹ trạng thái kích thích E0 : Năng l-ợng trạng thái E I: Năng l-ợng trạng th¸i kÝch thÝch i : Thêi gian sèng ë møc i nguyên tử ph: Thời gian xạ lân quang từ trạng thái triplet xuống trạng thái F: Thời gian tắt dần xạ huỳnh quang L: Chiều dài buồng cộng h-ởng R: Hệ số phản xạ g-ơng l: Chiều dài môi tr-ờng hoạt chất w0 : Đ-ờng kính tiết diện chùm sáng w: Đ-ờng kính chùm nhiễu xạ a: Hằng số cách tử : Gãc tíi o: Gãc tíi tia trung tâm : Gãc nhiƠu x¹ m: BËc nhiƠu x¹ N: Tỉng sè vạch cách tử DANH MC CC HèNH V Hình 1.1 Cấu trúc hoá học Rhodamine 6G Hình 1.2 Cấu trúc mức l-ợng chuyển dời quang học phân tử màu Hình 1.3 Sơ đồ laser màu với hai mức lượng rộng…………………… H×nh 1.4.: Phỉ hÊp thụ huỳnh quang chất mầu Rh6G / ethanol H×nh 1.5 : Các sơ đồ bơm cho laser màu Hình 1.6 Phổ phát quang số chất màu laser 10 H×nh 1.7 Cấu hình buồng cộng hưởng lăng kinh 12 Hình 1.8 Khúc xạ ánh sáng qua lăng kính 12 Hình 1.9 Cấu hình buồng cộng hưởng cách tử Littrow 13 Hình 1.10 Mơ mặt cách tử quang lộ tia sáng 13 Hình 1.11 Cấu hình buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng 16 Hình 1.12 Buồng cộng hưởng chứa lọc lựa bước sóng 17 Hình 2.1 Độ giÃn chùm cách tử gãc lµ 22 Hình 2.2 Buồng cộng h-ởng laser màu sử dụng cách tư gãc lµ 25 Hính 2.3 Cấu trúc tổng thể hệ laser 28 Hình 2.4 Buồng cộng hưởng cách tử 29 Hình 2.5 Cách tử Hologram hệ thống khí điều chỉnh 30 Hình 2.6 Gương điều chỉnh…………………………………………… …… 31 Hình 2.7 Cu-vet màu………………………………………………… …… 32 Hình 2.8 Gương giá điều chỉnh gương 32 Hình 2.9 Sơ đồ hệ laser màu cách tử góc với tiền khuyếch đại 34 Hỡnh 2.10 S thit bị đo độ rộng vạch phổ 35 Hình 2.11 H vân giao thoa thu đ-ợc thực nghiệm với Fabry-Perot b-ớc sóng laser 576 nm………………………………………….……… 35 MỤC LỤC Mở đầu…………………………………………………………………… Chƣơng Tổng quan laser màu……………………………………… 1.1 Hoạt chất laser màu……………………………………………… 1.2 Các phương pháp điều chỉnh bước sóng xạ laser màu 1.3 Kết luận chương 18 Chƣơng Hệ laser màu xung đơn sắc cao, điều chỉnh liên tục bƣớc sóng 19 2.1 Sự chọn lọc mode buồng cộng hưởng 19 2.2 Nguyên tắc tạo xạ đơn sắc buồng cộng hưởng 20 2.3 Cách tử nhiễu xạ 21 2.4 Cách tử góc 22 2.5 Buồng cộng hưởng laser sử dụng cách tử góc 25 2.6 Cấu hình thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc là………………………………………………………… 28 2.7 Hoạt động hệ laser màu băng hẹp cách tử góc là……………… 33 2.8 Khảo sát độ rộng phổ xạ laser cách tử góc là………………… 34 2.9 Kết luận chương 2………………………………………………… 36 Kết luận chung………………………………………………………… 37 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 38 MỞ ĐẦU Laser phát minh lớn kỉ XX Hơn 50 năm qua kể từ laser Ruby đời Maiman chế tạo (1960) công nghệ laser phát triển vũ bảo nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mà ứng dụng thực tiển Nó có ảnh hưởng to lớn trực tiếp đến nhiều lĩnh vực khác khoa học công nghệ sống Laser sử dụng vật liệu màu hữu gọi laser màu loại “máy khuếch đại lượng tử ánh sáng” mà môi trường hoạt chất vật liệu màu hữu pha dung môi hay rắn thích hợp Laser màu hoạt động bước sóng nào, từ vùng tử ngoại gấn 311nm đến vùng hồng ngoại gần 1300nm, chế độ băng rộng chế độ băng hẹp phát xạ đơn sắc (10 -4A0) Sự đời laser màu đánh dấu bước ngoặc vô quan trọng nghiên cứu phân tích quang - quang phổ đại Có thể nói, laser màu công cụ nghiên cứu mơ ước lĩnh vực quang phổ Với khả phát xạ có tính kết hợp cao khơng gian thời gian; mật độ công suất lớn khả điều biến khoảng phổ rộng với khả điều chỉnh tinh tế bước sóng, laser màu trở thành nguồn sáng lí tưởng thay nguồn sáng quang phổ thông thường khác (như đèn Halogen, đèn Xenon…) Laser màu hoạt động hai chế độ liên tục dạng phát xung (xung ngắn, xung cực ngắn) với công suất cao Mặc dù, với kiểu hoạt động liên tục xạ laser ổn định đạt độ đơn sắc cao ( Dn < 10MHz) Tuy nhiên, nghiên cứu yêu cầu nguồn laser có cơng suất đỉnh cơng suất lớn để thực phân tích quang phổ phi tuyến hay để thực dịch chuyển cảm ứng trạng thái kết hợp tương tác trường mạnh, nguồn kích thích phải nguồn laser màu phát xung Laser xung ngắn điều chỉnh liên tục bước sóng ý nghiên cứu phát triển thiết bị quan trọng nghiên cứu Khoa học Công nghệ Ngày nay, phương pháp nghiên cứu phân tích hóa học mới, dựa nguồn laser (phương pháp điều khiển kết hơp - control coherent) rằng, laser xung đặc chủng điều khiển chế độ động học hệ ngun tử Các phép phân tích hóa học thực theo chế giao thoa lượng tử (quantum interference), hệ lượng tử phải áp đặt trường xạ có tính kết hợp cao Do đó, yêu cầu độ đơn sắc cao, laser ứng dung phải phải hoạt động chế độ đơn mode Cùng với phát triển công nghệ laser, việc sử dụng tổ hợp cách tử, gương, lăng kính, thấu kính, giao thoa kế nhiều cấu hính laser khác nhà khoa học nghiên cứu để nâng cao hiệu suất laser đạt độ đơn sắc cao phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng khác Trong phạm vi đề tài này, tập trung nghiên cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao hoạt động chế độ đơn mode, có khả điều chỉnh liên tục bước sóng với yếu tố tán sắc cách tử hoạt động chế độ góc (cách tử chiếu góc tới ~ 90 ) kết hợp với gương điều chỉnh, không sử dụng yếu tố giãn chùm buồng cộng hưởng Nội dung luận văn “Tìm hiểu khả thay đổi bước sóng nâng cao độ đơn sắc laser màu xung ” gồm chương: Chương 1: Tổng quan laser màu Phần trình bày số nét cấu trúc hóa học, quang phổ, cấu trúc mức lượng dịch chuyển quang học chất màu Bơm quang học cho laser màu số phương pháp điều chỉnh bước sóng xạ laser màu Chương 2: Nghiên cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc điều chỉnh liên tục bước sóng Trình bày số nghiên cứu lý thuyết tính tốn cách tử, phần tử định độ đơn sắc xạ laser, buồng cộng hưởng laser sử dụng cánh tử làm việc chế độ góc Một số kết nghiên cứu thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc Chƣơng TỔNG QUANG VỀ LASER MU Cũng nh- loại laser khác, laser màu gồm ba phận chính: môi tr-ờng khuếch đại (hoạt chất), buồng cộng h-ởng quang học nguồn bơm + Hoạt chất dùng laser màu chất màu laser hoà tan dung môi thích hợp víi nång ®é th-êng tõ 10 -3 ®Õn 10-5 M/L + Buång céng h-ëng quang häc gåm hai g-¬ng quang học có hệ số phản xạ định đặt đối din vi phần tử quang học cho lọc lựa b-ớc sóng + Laser màu thng đ-ợc bơm quang học nguồn sáng liên tục hay xung từ đèn flash hay laser thích hợp nh- laser Ar, laser Nitơ, laser excimer, hoà ba cña Nd -YAG, ruby, laser diode 1.1 Hoạt chất laser màu 1.1.1 Chất màu ChÊt màu bao gåm c¸c phân tử hữu đa nguyên tử (khoảng 50 nguyên tử) chứa mối liên kết liên hợp (liên kết đơn kép) hấp thụ mạnh xạ từ vùng tử ngoại đến vùng khả kiến Mỗi màu (mét lo¹i bét) cã phỉ hnh quang n»m vïng màu đó, nên laser với hoạt chất gọi laser màu (Dye Laser) Cấu trúc hoá học chất màu đ-ợc đặc tr-ng tổ hợp cuả vßng Benzen (C 6H6), Pridin (C5H5N), Azin (C4H4 N2) hay vòng Piron (C4H5N) Các vòng nối tiếp với qua nhánh thẳng gồm mét sè nguyªn tư thc nhãm Polien (CH=CH)n qua số nguyên tử trung hòa C, N Các chất màu hữu có hiệu suất phát quang cao nghiên cứu dùng làm mơi trường hoạt tính laser Người ta phân phân tử màu thành nhiều nhóm hóa chất khác như: Comarin, Xanthen, Oxazin, Polymethin số chất hữu phát quang mạnh Polyphenyl, Furace, v.v (NHC2H5)Cl - O C2H5HN CH3 CH3 COOC2H5 Hình 1.1 Cấu trúc hoá học Rhodamine 6G Để trở thành hoạt chất laser màu, chất màu đ-ợc hoà tan số dung môi (Etanol, Glicerin, Metanol, N-ớc, v.v ) liên kết phân tử chất màu với dung môi đà tạo nên mở rộng mức dao động mức quay Đây -u điểm hoạt chất màu để tạo laser b-ớc sóng thay ®æi 1.1.2 Cấu trúc lƣợng dịch chuyển quang học Singlet Triplet S2 S2 T2 nr ps IR ns S1 Hấp thụ Bức xạ Huúnh quang T1 F ns Lân quang ph s S0 Hình 1.2 Cấu trúc mức l-ợng chuyển dời quang học phân tử màu S0,1,2 - trng thái đơn; T0,1,2 - trạng thái Triplet; nr , F , ph – thời gian tích trạng thái Cấu trúc mức lượng phân tử chất màu phức tạp, bao gồm nhiều nguyên tử đặc trưng nhiều trạng thái lượng tử như: trạng thái điện tử, trạng thái dao động trạng thái quay Do đó, việc mơ tả trạng thái phân tử màu mang tính gần theo mơ hình đơn giản hình 1.2 Trong mũi tên liền nét biểu thị chuyển dời quang học, mũi tên không liền nét biểu thị chuyển dời không xạ Mỗi trạng thái điện tử phân tử bao gồm nhiều mức dao động nhiều mức quay chồng chất nhau, tạo cỏc vựng nng lng Bình th-ờng khoảng cách mức dao động 1400 1700 cm-1, mức quay cỡ hai bậc nhỏ Ta ch quan tâm đến phổ mức dao động chất lỏng chế gây làm hẹp vạch mạnh chất khí nên mức quay chất lỏng không đề cập tới Ta gọi S0 trạng thái bản, Si Ti (i =1, 2) trạng thái điện tử kích thích hệ đơn (Singlet) bội ba (Triplet) nhit phũng phân tử màu trạng thái dao động S00 theo phân bố Boltzmann Khi nhận lượng bơm (kích thích) phân tử màu chuyển từ trạng thái điện tử S0 lên trạng thái điện tử kích thích S1, S2 Do xác suất dịch chuyển S0 - S1 lớn nên sau kích thích quang học, phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S 1, cụ thể dịch chuyển lên mức dao động S1i kích thích Quá trình tương ứng với tạo thành phổ hấp thụ băng rộng phân tử màu Sau khoảng thời gian ngắn ngun tử tích khơng xạ với thời gian khoảng 10 -12s xuống mức dao động thấp trạng thái S 10 trạng thái kích thích đơn có thời gian sống 110ns Tõ mức phân tử chuyển dời xuống mức dao động S0i trạng thái điện tử S0 kèm theo xạ ánh sáng (huỳnh quang) Đây trình phát laser mà ta quan t©m Qua ta thấy, vùng phổ laser màu nằm vùng phổ huỳnh quang phân tử màu Ngoài chuyển dời trên, phân tử màu hữu tồn chuyển dời khác như: chuyển dời S1 - S2 điện tử mức kích thích S1 tiếp tục nhận lượng kích thích thích hợp chuyển lên mức lượng kích thích S 2; chuyển dời không xạ từ S1 - T1 va chm gia hai phõn t đ-ợc gọi trình dịch chuyển tổ hợp S -T với xác xuất KST T-ơng tự, va chạm có s dịch chuyển từ mức T1 mức S0 Dịch chuyển gọi dịch chuyển lân quang õy l cỏc chuyn di gây mát lượng chúng cạnh tranh lượng kênh chuyển dời laser S - S0 10 ổd b Nh- tỏn sc ỗỗ ữ ữ không phụ thuộc vào số vạch ca cỏch t mà phụ ốd l ứữ thuộc vào góc , góc tới góc nhiễu xạ cđa c¸ch tư Ta nhËn thÊy cos lín, hay M lớn, độ tán sắc buồng cộng h-ởng lớn 2.4.3 Năng suất phân ly cách tử góc - độ rộng phổ laser Đối với cách tử đánh giá c-ờng độ chùm trình nhiễu xạ giao thoa ta có mối liên hệ[8] Db = l l cos b (2.11) kho¶ng cách góc hai vạch đ-ợc nhiễu xạ cách tư Ta có: db l Dl = Db = dl l cos b (2.12) Suy ra: l db l.(sin a + sin b ) = l cos b = Dl da l (2.13) Hay suất phân ly: R= l l.(sin a + sin b ) = = mN Dl l (2.14) Theo (2.14) R phô thuéc tuyÕn tÝnh vào số vạch cách tử tham gia tán sắc, hay chiều dài cách tử đ-ợc chiếu sáng Kết hợp với công thức (2.6), ta nhận thấy rõ độ giÃn chùm cách tử không ảnh h-ởng đến độ phân kỳ chùm sáng mà ảnh h-ởng đến suất phân ly cách tử Từ công thức (2.13) ta có độ rộng phổ chùm tia sáng l Dl = l(sin a + sin b ) = l Nm (2.15) Nh- vËy, ta cã: v c c c l (sin sin ) mN Với, c vận tốc ánh sáng chân không 29 (2.16) Tõ công thức ta thấy muốn đạt đ-ợc laser có độ đơn sắc cao, diện tích chiếu sáng hay độ giÃn chùm cách tử phải lớn 2.5 Buồng cộng h-ởng laser sử dụng cách tử góc Các kết phân tích ta nhận thấy rằng: Năng suất phân ly cách tử phụ thuộc vào số vạch cách tử đ-ợc chiếu sáng, bậc nhiễu xạ nh- khoảng cách hai vạch cách tử (hằng số cách tử) Độ rộng phổ ca xạ laser thu đ-ợc ph thuc vo việc bố trí cách tử Buồng cộng h-ởng cách tử gúc l đ-ợc bố trí nh- hình v: Nó bao gồm g-ơng M1 cã hƯ sè trun qua lín kho¶ng 70% - 90% với giải phổ rộng, Cu-vet mu chứa môi tr-ờng hoạt chất, cách tử g-ơng điều chỉnh M phản xạ 100% Gương điều chỉnh M2 Nguån b¬m Gương M1 TK trụ Cách tử Laser Cu-vet màu d2 d1 Hình 2.2 Buồng cộng h-ởng laser màu sử dụng cách tử góc T nhng nghiờn cu v phân tích phần trước, chóng tơi nhận thấy viƯc xây dựng buồng cộng h-ởng laser màu băng hẹp sử dụng cách tử phải đ-ợc thiết kế cho số vạch cách tử đ-ợc chiếu sáng cực đại Để đạt đ-ợc điều đó, ng-ời ta th-ờng sử dụng giÃn chùm nh- hệ lăng kính giÃn chùm telescope để tăng kích th-ớc chùm laser đến cỏch t Tuy nhiên, với cấu hình buồng cộng h-ởng phần laser bị phản xạ tán xạ bề mặt Khả điều chỉnh khó khăn bố trí thành phần quang học hệ Ngoài ra, với laser có yếu tố giÃn chùm tốt giá thành lại cao để khắc phục khó khăn việc xây dựng hệ laser màu cách tử góc không dïng bÊt cø yÕu tè gi·n chïm nµo buång cộng h-ởng đà đ-ợc lựa chọn với việc xếp nh- cho phép chiều dài buồng cộng h-ởng ngắn khoảng 10 cm Điều có lợi cho việc sử dụng xung laser ngắn để 30 bơm Một ích lợi khác quan trọng khoảng cách mode dọc buồng cộng h-ởng lớn, điều kiện cần cho phép ta thu đ-ợc hoạt động laser đơn mode (single mode) Một hệ laser màu kiểu đ-ợc nghiên cứu xây dựng lần Littman Metcalf Cách tử đ-ợc đặt cho tia tíi c¸ch tư víi gãc lín xÊp xØ 900 Theo bố trí này, độ giÃn chùm cách tử số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ lớn dẫn đến laser có độ đơn sắc cao Ta mô tả đ-ờng chùm tia laser buång céng h-ëng nµy nh- sau: Chïm laser tõ Cu-vet chiếu đầy lên bề mặt cách tử, chùm tia đ-ợc nhiễu xạ lần thứ Tuỳ theo độ dµi b-íc sãng laser ta mong mn, mét chïm nhiƠu xạ (với góc định) đ-ợc phản xạ ng-ợc trở lại g-ơng phẳng M cách tử, chùm tia đ-ợc cách tử nhiễu xạ lần hai Do vậy, chùm nhiễu xạ lại quay môi tr-ờng khuếch đại, đ-ợc khuếch đại tíi g-¬ng M Tại đây, phần chùm tia laser bi phản xạ quay trở lại môi trường khuếch đại bắt đấu chu trình – lại buồng cộng hưởng Nh- vËy, chu trình - lại buồng cộng h-ởng, chùm laser thực hai lần nhiễu xạ cách tử hoạt động góc Vic thay đổi, lc la b-ớc sóng laser màu cách tử góc đ-ợc thực cách thay đổi góc quay g-ơng phản xạ M2 Với góc quay khác g-ơng M2, ta thu đ-ợc xạ laser có b-ớc sóng khác t-ơng ứng theo công thøc c¸ch tư: a(sin + sin) = m 2.5.1 - Độ phân kỳ buồng cộng h-ởng cách tử góc Gọi góc phân kỳ chùm laser tới cách tử, góc mở để ý đến kích th-ớc thiết diện môi tr-ờng hoạt chÊt Độ phân kì chùm tia laser buồng cộng hưởng xác định biểu thức: 1 2 2 (2.17) Nếu xem chùm laser màu có dạng chùm Gauss, nghĩa c-ờng độ 2r I exp , đồng thời đ-ờng kính vết bơm Khi ®ã ta có: 31 Da1 = l cos q0 2 vµ d2 d2 (2.18) Trong đó, d2 khoảng cách từ tâm Cu-vet đến cách tử, l góc tới chùm laser đến cách tử, l l độ rộng cách tử đ-ợc chiếu sáng, l bán kính vệt bơm thành Cu-vet T (2.17) vào (2.18), ta có độ phân kỳ chïm laser buồng cộng hưởng; éæl cos q ử2 ổ2w ử2 ự ữ 0ữ ữ + ỗỗ ữ ữỳ D q = ờờỗỗ ỳ ỗố d ữ ç ÷ ø è d2 ø÷ ú êë û §é ph©n kú cđa chïm laser nhá nhÊt d L R Ta cã: Dq = (2.19) 2.l pl cos q (2.20) Với M độ giÃn chùm cách tử Trong biểu thức trên, ta nhận thấy độ phân kỳ chùm laser buồng cộng h-ởng cách tử góc phụ thuộc tỷ lệ nghịch với độ giÃn chùm cách tử 2.5.2 Độ tán sắc cách tử góc buồng công h-ởng laser Với công thức (2.4), ta có đ-ợc độ tán sắc buồng cộng h-ởng cách tử góc nh- sau[7]: cos 2.(sin sin ) (2.21) Trong đó, b-ớc sóng laser buồng cộng h-ởng; góc tới cách tử tia trung tâm; góc nhiễu xạ t-ơng ứng với b-ớc sóng laser buồng cộng h-ởng Độ tán sắc buồng cộng h-ởng cách tử góc đ-ợc xác định tỷ lệ thuận với cos0 hay độ giÃn chïm cđa chïm laser qua c¸ch tư, b-íc sãng cđa chùm laser buồng cộng h-ởng Với xạ laser có b-ớc sóng dài, độ giÃn chùm lớn, độ tán sắc buồng cộng h-ởng lớn 32 2.5.3 §é réng phỉ bøc x¹ laser cđa bng céng h-ëng cách tử góc Theo công thức điều kiện thu đ-ợc laser, ta có ®é réng phỉ ®-ỵc tÝnh theo biĨu thøc 2 2 22 l (sin sin ) l (1 sin ) (2.22) Trong đó, l l rộng cách tử đ-ợc chiếu sáng; l góc tới; góc nhiễu xạ t-ơng ứng với b-ớc sóng laser buồng cộng h-ëng Víi biĨu thøc (2.22) ®é réng phỉ cđa bøc x¹ laser bng céng h-ëng chđ u phơ thc vào chiều dài cách tử đ-ợc chiếu sáng Nghĩa là, số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ lớn, độ đơn sắc phổ thu đ-ợc cao Ngoài ra, độ dài sóng xạ laser ảnh h-ởng đến độ rộng phổ thân xạ laser, nhiên ảnh h-ởng không đáng kể Các kết phân tích lý thuyết mô hình laser đà đ-ợc chứng minh việc lựa chọn cấu hình buồng cộng h-ởng với cách tử làm việc chế độ góc làm yếu tố giÃn chùm vừa đảm bảo đơn giản kết cấu laser khả điều chỉnh liên tục b-ớc sóng, vừa đảm bảo đ-ợc độ đơn sắc cao cần đạt đ-ợc 2.6 Nghiên cứu thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc Cấu trúc tổng thể hệ thống laser màu xung mô tả hình vẽ Nó bao gồm hệ laser bơm, hệ laser màu, hệ điều khiển độ dài bước sóng ghép ni vi mỏy tớnh Nd-YAG Laser màu Mô tơ b-ớc Bé ®iỊu khiĨn Hính 2.3 Cấu trúc tổng thể hệ laser màu xung 33 2.6.1 Nguồn bơm Nguồn bơm sử dụng cho laser màu xạ nhân tần bậc hai laser Nd-YAG biến điệu độ phẩm chất với thơng số sau: + Bước sóng hòa ba bậc hai 532nm + Năng lượng xung (bức xạ) khoảng 160mj TEM 00 Năng lượng bơm cho hệ laser màu 2mj + Độ dài xung 64ns + Độ phân cực theo phương thẳng đứng + Tần số lặp lại 20Hz + Tiết diện chùm tia hình trịn đường kính 6mm 2.6.2 Mơi trƣờng hoạt chất Môi trường hoạt chất dung dịch chất màu Rhoda mine 6G/Ethanol với nồng độ dung dịch khoảng 3-5.10-4mol/l Dung dịch màu chứa Cu-vet thạch anh (Hellma CH.LB Đức; kích thước 1cm x 1cm x 5cm) luân chuyển bơm dung dịch (12DVC USA) Việc bơm chất màu cho phép bảo đảm độ đồng quang học môi trường thay tâm màu bị thối hóa q trình bơm 2.6.3 Buồng cộng hƣởng cách tử góc Buồng cộng hưởng laser bao gồm phân sau: Cách tử hologram, gương điều chỉnh, cu-vet màu, gương Hình 2.4 Buồng cộng hưởng cách tử góc 34 2.6.3.1 Cách tử góc C¸ch tư sư dơng bng cộng h-ởng cách tử Hologram (Lumonics Inc), kích th-íc 1cm x 1cm x cm; 1800 v¹ch/mm Nã đ-ợc gắn giá vi chỉnh chiều để điều chỉnh xác vị trí mặt cách tử nh- vạch cách tử (các vạch cách tử phải đ-ợc điều chỉnh vuông góc với mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến cách t) Giá đỡ cách tử đ-ợc đặt bàn quay vi chØnh ®Ĩ cã thĨ cho phÐp ®iỊu chØnh xác giá trị "góc tới " mong muốn chùm laser đến bề mặt cách tử Tất cấu kiện đ-ợc đặt đế có khả dịch chuyển ngang Kết hợp hai khả quay - dịch chuyển ngang mà cách tử đ-ợc chiếu "đầy" chùm xạ từ Cu-vet mµu Hình 2.5 Cách tử Hologram hệ thống khí điều chỉnh 2.6.3.2 Gƣơng điều chỉnh bƣớc sóng G-¬ng điều chỉnh có độ phản xạ cao (R 99%), kÝch th-íc: 2,5 x cm, cđa h·ng Micro-Control (France) đ-ợc gắn trục quay tinh chỉnh, dùng để phản xạ trở lại cách tử chùm nhiễu xạ có b-ớc sóng laser mong muốn Mặt phẳng g-ơng điều chỉnh đ-ợc đặt qua trục quay g-ơng Việc quay g-ơng M2 đ-ợc thực nhờ cánh tay đòn (260 mm) nối với mô-tơ b-ớc driver điều khiển máy tính nhờ ch-ơng trình phần mềm (Labview) hay 35 tay Hệ thống cho phép thay đổi tuyến tính liên tục b-ớc sóng laser Bản thân g-ơng điều chỉnh đ-ợc gắn giá có khả điều h-íng chiỊu Qua ®ã, chóng ta cã thĨ tinh chỉnh chùm phản xạ từ g-ơng trở lại môi tr-ờng hoạt chất nhờ nhiễu xạ lần thứ hai ca c¸ch tư Hình 2.6 Gương điều chỉnh 2.6.3.3 Cu-vet màu Cu-vét chứa dung dịch màu đ-ợc chọn hÃng Hellma (CHLB Đức, có vùng phổ làm việc từ hồng ngoại đến tử ngoại) Cu-vet đ-ợc gắn đế với thấu kính trụ (nhằm giữ nguyên khoảng cách thấu kính cu-vet), tất dịch chuyển vuông góc với trục quang học Với cách cấu tạo này, điều chỉnh độc lập đ-ợc hội tụ chùm bơm việc chiếu sáng cách tử (thay đổi kích th-ớc vết laser chiếu mặt cách tử ) Khoảng cách từ Cu-vet đến cách tử xấp xỉ di Rayleigh, nhằm đạt đ-ợc độ phân kỳ thấp chùm laser Với giả thiết vết bơm đ-ợc hội tụ thấu kình hình trơ cã ®-êng kÝnh 0,15 mm, b-íc sãng laser = 570 nm Ta tính đ-ợc độ dài Rayleigh LR= 12 cm Cuvét đựng chất màu th-ờng đ-ợc đặt nghiªng mét gãc nhá (~5 0) so víi quang trơc để tránh phản xạ kí sinh thành cuvet 36 Hình 2.7 Cu-vet màu 2.6.3.4 Gƣơng G-¬ng có dạng nêm với góc < 0, đ-ờng kính cm độ phản xạ 4%, chất l-ợng bề mặt quang học /20 - g-ơng sản phẩm hÃng Spectroscopy Inc G-ơng đặt vuông góc với quang trục buồng công h-ởng Khoảng cách từ g-ơng đến cuvét 2,5 cm Giá khí g-ơng cho phép ®iỊu chØnh g-¬ng theo hai chiỊu Hình 2.8 Gương v giỏ iu chnh gng 37 2.7 Hoạt động hệ laser màu băng hẹp cách tử góc Hoạt động buồng cộng h-ởng cách tử góc dựa chọn lọc nhóm mode dọc (chọn b-ớc sóng laser), hệ g-ơng điều chỉnh - cách tử làm nhiệm vụ điều biến hệ số phẩm chất Q cđa bng céng h-ëng theo b-íc sãng laser ph¸t Nghĩa là, xạ laser có b-ớc sóng cần đ-ợc lựa chọn, hệ số mát vô ích đ-ợc tr× ë møc tèi thiĨu bng céng h-ëng, cách tử - g-ơng điều chỉnh trì photon buồng cộng h-ởng Còn xạ không đ-ợc lựa chọn, hệ cách tử- g-ơng làm phân tán photon khỏi buồng cộng h-ởng hay làm tăng hệ số mát vô ích xạ Với cấu hình laser màu cách tử góc trên, ta mô tả hoạt ®éng cđa hƯ laser nµy nh- sau: Chïm laser Nd-YAG (b-ớc sóng 532nm, độ rộng xung 6,4ns) đ-ợc chia làm chïm bëi mét kÝnh chia (beam split) Chïm thø đựơc dùng bơm cho cuvét màu buồng cộng h-ởng OC (oscillator) qua thấu kính trụ thạch anh (tiêu cự f = 5cm) Chùm thứ hai dùng để bơm cho tiền khuếch đại màu AC (pre-amplifier cell) qua mét thÊu kÝnh h×nh trơ cã f = 5cm Trong buồng cộng h-ởng, chùm bơm đ-ợc hội tụ thấu kính trụ tạo môi tr-ờng hoạt chất có kích th-ớc cỡ (0,2x0.2x1cm) Ban đầu, chùm laser băng rộng từ cuvét màu (đ-ợc hình thành g-ơng M 1), đến cách tử đ-ợc cách tử nhiễu xạ góc khác ứng với b-ớc sóng khác Các chùm nhiễu xạ đến g-ơng điều chỉnh (M 2) đ-ợc g-ơng phản xạ theo ph-ơng khác theo nguyên lý phản xạ toàn phần Để có đ-ợc b-ớc sóng laser mong mn, chïm laser øng víi b-íc sãng nµy phải đ-ợc phản xạ quay trở lại cách tử, để đ-ợc nhiễu xạ lần thứ hai trở Cu-vet màu đến g-ơng Tại đây, phần chùm laser (đơn sắc) bị phản xạ quay trở lại môi tr-ờng khuếch đại bắt đầu chu trình đi-lại buồng cộng h-ởng Nh- vậy, b-ớc sóng laser đ-ợc phát b-ớc sóng chùm phản xạ quay từ g-ơng điều chỉnh (M 2) Sự hoạt động laser cách tử góc cho ta nhËn thÊy cã ®iỊu quan träng sau: + Trong chu trình - lại buồng cộng h-ởng, chùm laser đ-ợc nhiễu xạ cách tử góc hai lần Do vậy, buồng cộng h-ởng laser cú phân giải cao, xạ laser có độ đơn sắc cao + Khi điều khiển vị trí g-ơng điều chỉnh, ta chọn đ-ợc b-ớc sóng laser mong muốn Do vậy, thay đổi cách liên tục góc g-ơng điều chỉnh, ta thu đ-ợc laser với b-ớc sóng thay đổi liên tục (quét) 38 Để tăng l-ợng cho xung laser, ta thiết kế xây dựng hệ thống tiền khuếch đại laser (hình 17b) Chùm laser sau phát đ-ợc khuếch đại sau qua tiền khuyếch đại AC (pre-amplifier) Laser bơm M2 CL CL G OC M1 a) AC b) H×nh 2.9 Sơ đồ hệ laser màu cách tử góc với tiền khuyếch đại Phần a: Bộ dao động laser màu cỏch tử góc M1: g-ơng ra, M2: G-ơng điều chỉnh, CL: Thấu kính trụ G: Cách tử, OC: Cuvét màu Phần b: AC: cuvét tiền khuếch đại Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đ-ợc tiến hành với thông s k thut sau: Buồng cộng h-ởng có chiều dài 13 cm, nồng độ chất màu Rh6G đ-ợc tối -u 3,5 x10 -4 M/l Năng l-ợng bơm 0,7mj từ laser Nd-YAG (532 nm) có tần số 20 Hz Trong tr-ờng hợp này, dao động laser màu đà đ-ợc bơm > lần ng-ỡng laser 2.8 Khảo sát độ rộng phổ xạ laser cách tử góc Độ rộng phổ xạ laser đại l-ợng quan trọng cho nghiên cứu ứng dụng quang phổ phan giả cao Độ rộng phổ xạ quang học đ-ợc quy định độ rộng phổ xạ nửa cực đại c-ờng độ (FWHM) Độ rộng phổ xạ laser đ-ợc phát từ hệ laser cách tử góc th-ờng có giá trị nhá (cì ~ GHz hc cì 0.005 nm ë vùng phổ nhìn thấy) Giá trị nằm khả phân giải máy quang phổ hiƯn cã, vËy, chóng ta kh«ng thĨ sư dơng máy quang phổ thông th-ờng để xác định đ-ợc độ rộng phổ xạ laser đây, sử dụng mẫu giao thoa kế Fabry - Perot để xác định độ rộng phổ xạ laser Thí nghiệm đ-ợc bố trí nh- hình 18 39 T A F-P TK phân kỳ TK Tạo ảnh Phôtôđiốt hàng Hỡnh 2.10 S thiết bị đo độ rộng vạch phổ MÉu giao thoa kế có thông số nh- sau: FSR (khoảng phổ tự do) 17,1 GHz t-ơng ứng với độ dày thạch anh giao thoa kế mm Hệ số phản xạ hai bề mặt giao thoa kế 90% - 99 % vùng phổ từ 530nm - 640 nm, điều t-ơng ứng độ Finess có giá trị ~ 60 Do vậy, ta thấy khả phân giải Fabry-Perot 0.3 GHz vùng phổ A T Hình 2.11 H vân giao thoa thu đ-ợc thực nghiệm với Fabry-Perot b-ớc sóng laser 576 nm Hình 2.11 trình bày ảnh cđa hƯ v©n giao thoa qua mÉu giao thoa Fabry-Perot xạ laser Ta xác định hai đại l-ợng sau: độ dày vân thứ n gọi T (ở độ dày vân thứ hai), khoảng cách vân thứ (n-1) vân thứ (n+1) gọi A Do độ rộng vạch đ-ợc xác định theo công thức: 40 = 2T x FSR/ A = (2T/A) x FSR = (1/4) x17.1 ; 4,3 GHz hay = (/c) 2 = 0.045 A0 NÕu nh- theo lý thut, gãc tíi lµ 89 0, kÝch th-íc vƯt laser cm, nhiƠu x¹ bËc 1, ë = 576 nm, ta cã ®é réng phổ (một lần truyền) là: Dl = 2l ằ 0.056A pld víi d =1/a : h»ng sè c¸ch tử Giá trị độ rộng phổ t-ơng ứng với = (c/2) = 5.1 GHz Nh- ë d-íi đây, có trình bày giá trị đo độ dài trung bình xung laser màu 5,5 ns (FWHM) Nếu độ dài buồng cộng h-ởng laser 13 cm chùm laser màu đà thực đ-ợc chu trình đi-lại buồng cộng h-ởng (BCH) Nếu để ý đến hiệu ứng lại nhiỊu lÇn cđa mét chïm laser b-ång céng h-ëng (BCH) có yếu tố lọc lựa độ rộng phổ xạ laser phát sau nhiều lần lại BCH nhỏ (cỡ 70%) độ rộng phỉ “mét lÇn trun” theo biĨu thøc (2.22) Do vËy kết phù hợp với kết thực nghiệm Cần ý rằng: độ ổn định b-ớc sóng laser không phụ thuộc vào độ ổn định khí, chỉnh quang học mà ph thuộc vào tốc độ bơm dung dịch chất màu thấy tốc độ bơm dung dịch màu