Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HẢI ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƯỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Vật lý kỹ thuật Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HẢI ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƯỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật Mã số: 8.52.04.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.Phùng Việt Tiệp Hà Nội - 2021 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cách tử” luận văn cơng trình nghiên cứu tơi dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 Tác giả Nguyễn Hải Anh Lời cảm ơn Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới thầy Phùng Việt Tiệp, người tận tình hướng dẫn, định hướng, dìu dắt, giúp đỡ đường nghiên cứu khoa học tác phong làm việc nghiêm túc Thầy thời gian hướng dẫn làm nghiên cứu hoàn thành luận án thạc sĩ Luận án khơng thể hồn thành thiếu giúp đỡ phong cách làm việc chuyên nghiệp GS.TS Nguyễn Đại Hưng việc trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm, buổi sinh hoạt nhóm, thảo luận chun mơn Có thể nói tơi học nhiều điều từ đây, với nhận tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Môi trường điều kiện học tập, nghiên cứu tốt sở đào tạo góp phần khơng nhỏ việc hình thành kỹ làm việc kết nghiên cứu luận án Qua xin gửi lời cảm ơn đến nơi hướng dẫn, nghiên cứu Viện Vật lý Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn Học viện Khoa học Công nghệ, Lãnh đạo Học viện Bộ phận Đào tạo sau đại học tạo điều kiện thuận lợi cho hồn thành luận án Và hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới bố mẹ, gia đình nhỏ, anh chị bạn bè người ủng hộ, động viên mặt để vững tin hoàn thành luận án Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 Tác giả Nguyễn Hải Anh MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU 1.1 Cấu tạo laser laser màu 1.2 Môi trường laser màu 1.2.1 Chất màu hữu 1.2.2 Cấu trúc lượng chuyển rời quang học 10 1.2.3 Đặc trưng phổ chất màu 13 1.3 Bơm quang học cho laser màu 15 1.4 Buồng cộng hưởng laser màu 16 1.4.1 Buồng cộng hưởng laser màu băng rộng 16 1.4.2 Buồng cộng hưởng laser màu băng hẹp 16 1.5 Phương pháp điều chỉnh bước sóng 17 1.5.1 Sử dụng yếu tố lọc lựa giao thoa 17 1.5.2 Sử dụng yếu tố tán sắc quay 19 1.5.3 Sử dụng yếu tố cách tử nhiễu xạ 20 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƢỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ 24 2.1 Cấu tạo hệ thống laser màu 24 2.1.1 Môi trường hoạt chất 24 2.1.2 Nguồn bơm 25 2.1.3 Cuvet màu 27 2.1.4 Gương 28 2.1.5 Gương cuối 28 2.1.6 Cách tử 29 2.2 Khảo sát đặc trưng hệ laser màu phát băng rộng 29 2.2.1 Ảnh hưởng gương cuối lên đặc trưng laser màu 31 2.2.2 Ảnh hưởng công suất laser bơm lên đặc trưng laser màu 32 2.2.3 Độ rộng xung laser màu băng rộng 33 2.2.4 Độ rộng phổ laser màu băng rộng 34 Khảo sát đặc trưng hệ laser màu xung băng hẹp 37 2.3.1 Ảnh hưởng công suất laser bơm lên đặc trưng laser màu 38 2.3.2 Độ rộng xung laser màu băng hẹp 39 2.3.3 Sự thay đổi bước sóng liên tục laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow 39 2.3.4 Độ rộng phổ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow 40 2.4 Thiết kế hệ laser màu băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow 42 2.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC VIẾT TẮT DCM: 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran FWHM: Full width at half maximum (Độ rộng nửa cực đại) ns: Nano giây m: Bậc nhiễu xạ cách tử : Bước sóng ánh sáng nhiễu xạ : Góc tới bề mặt nhiễu xạ : Góc nhiễu xạ xạ có bước sóng d: Hằng số cách tử : Độ rộng phổ vạch laser phát : Độ phân kì chùm xạ laser buồng cộng hưởng ( ): Độ tán sắc yếu tố lọc phổ buồng cộng hưởng : Độ rộng phổ laser sử dụng yếu tố lọc phổ buồng cộng hưởng p: Độ dày mẫu Fabry-Perot n: Chiết suất mẫu Fabry-Perot KDP: Potassium dihydrogen phosphate DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Hệ số phản xạ loại gương Bảng 2: Công suất laser Nd:YAG Bảng 3: Công suất laser bơm sử dụng gương cuối khác Bảng 4: Hiệu suất laser màu băng rộng Bảng 5: Hiệu suất laser màu băng hẹp DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc hóa học phân tử DCM Hình 1.2: Cấu trúc mức lượng chuyển dời quang học phân tử màu Hình 1.3 Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại chất màu mức điện tử đơn S0 S1 Hình 1.4: Vùng phổ hoạt động chất màu Hình 1.5: Phổ hấp thụ huỳnh quang chất màu DCM/Ethanol Hình 1.6: Cấu hình bơm ngang cho laser màu Hình 1.7: Cấu hình bơm dọc cho laser màu Hình 1.8: Buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng sử dụng mẫu Fabry-Perot Hình 1.9: Buồng cộng hưởng chứa yếu tố tán sắc quay Hình 1.10: Buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Cấu hình Littrow Hình 1.11 Minh họa cách tử Hình 2.1: Phổ hấp thụ huỳnh quang chất màu DCM/Ethanol Hình 2.2: Laser Nd:YAG (Quantel) Hình 2.3: Đầu thu photodiode AEP-X65 phổ đáp ứng Hình 2.4: Dao động ký MDO-2202EG Hình 2.5: Xung laser Nd:YAG Hình 2.6: Độ rộng xung laser Nd:YAG Hình 2.7: Cuvet chứa chất màu DCM Hình 2.8: Bơm luân chuyển chất màu Hình 2.9: Gương Hình 2.10: Gương phản xạ M1 Hình 2.11: Cách tử Hình 2.12: Sơ đồ hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng gương phản xạ Hình 2.13: Ảnh thực tế hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng gương phản xạ Hình 2.14: gương phản xạ M1, M2, M3 Hình 2.15: Máy đo cơng suất quang Hình 2.16: Độ rộng xung laser màu sử dụng gương M1, M2, M3 Hình 2.17: Máy đo quang phổ đầu thu tín hiệu quang Hình 2.18: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo lượng bơm (Gương M1) Hình 2.19: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo lượng bơm (Gương M2) Hình 2.20: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo lượng bơm (Gương M3) Hình 2.21: Hệ laser màu với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow Hình 2.22: Ảnh chụp hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow Hình 2.23: Độ rộng xung laser màu băng hẹp Hình 2.24: Sự thay đổi bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow Hình 2.25: Hệ laser màu điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow Viện Vật lý Hình 2.26: Tấm đỡ Hình 2.27: Đế hình chữ L Hình 2.28: Tấm giữ trụ đỡ Hình 2.29: Bàn đế Hình 2.30: Tấm đỡ (dưới) cụm giữ cách tử Hình 2.31: Giá mang cách tử Hình 2.32: Giá chữ U Hình 2.33: Hệ thống ray trượt 40 Hình 2.22: Ảnh chụp hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow Chùm laser băng rộng từ cuvet màu (được hình thành gương ra) đến bề mặt cách tử cách tử nhiễu xạ góc khác ứng với bước sóng khác nhau, phụ thuộc vào bậc nhiễu xạ Bằng việc điều chỉnh góc xoay cách tử, ta thu bước sóng laser mong muốn với độ đơn sắc cao Chùm laser (đơn sắc) bị phản xạ quay trở lại môi trường khuếch đại bắt đầu chu trình đi-lại buồng cộng hưởng, sau cộng hưởng hình thành laser màu Cách tử sử dụng buồng cộng hưởng có kích thước 1cm x 1cm x cm với số vạch 1200 vạch/mm 2.3.1 Ảnh hƣởng công suất laser bơm lên đặc trƣng laser màu Laser bơm phát công suất tối đa 820 mW, sau làm suy giảm cường độ tới mức thích hợp trước vào chất màu nhờ gương lọc gương chia chùm sơ đồ laser (Hình 2.21) Sự thay đổi công suất laser màu theo công suất laser bơm hiệu suất phát laser buồng cộng hưởng sử dụng cách tử cấu hình Littrow trình bày Bảng Ngưỡng phát laser với gương M1 khảo sát với kết công suất 0.27 mW từ nguồn laser bơm Ngưỡng phát tương đồng với sử dụng gương cuối cách tử Với gương cuối gương M2, M3, ngưỡng phát 0.5 0.7 mW Từ Bảng 5, ta thấy hiệu suất phát laser màu băng hẹp có xu hướng tăng dần kể từ ngưỡng cơng suất laser bơm Bên cạnh đó, hiệu suất phát laser tối 41 đa đạt laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow khoảng 8.0%, kể từ mức bơm 2.0 mW mức bơm 35.5 mW Bảng 5: Hiệu suất laser màu băng hẹp Công suất laser bơm (mW) Công suất laser màu (mW) Hiệu suất (%) 35.5 2.9 8.2 3.3 0.26 7.9 2.5 0.20 8.0 2.0 0.16 8.0 1.7 0.12 7.0 1.4 0.09 6.5 1.0 0.06 6.0 2.3.2 Độ rộng xung laser màu băng hẹp Hình 2.23: Độ rộng xung laser màu băng hẹp Xung laser màu băng hẹp thực đo với hệ đo tương tự phép đo xung trước Đồ thị độ rộng xung laser thu 10 ns với tần số 10 Hz, kết tương tự với xung laser băng rộng nguồn xung phát từ laser bơm Nd:YAG 2.3.3 Sự thay đổi bƣớc sóng liên tục laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow Ở khảo sát này, thực việc thay đổi bước sóng cách thay đổi góc cách tử Thiết bị đo sử dụng máy đo quang phổ CCS200 với thơng số kĩ thuật trình bày mục 2.4.5 Từ đồ thị quan sát đỉnh phổ bước sóng 615, 618, 641, 661, 662 nm Như vậy, 42 hệ laser màu sử dụng cách tử với môi trường hoạt chất chất màu DCM có khả thay đổi liên tục bước sóng khoảng từ 615 nm tới 662 nm, phù hợp với kết trình bày luận văn [10] Rana et al Hình 2.24: Sự thay đổi bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow 2.3.4 Độ rộng phổ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow Trong thí nghiệm này, tính chất băng hẹp laser màu khảo sát Từ kết đo trên, giá trị trung bình độ rộng phổ thu được xấp xỉ nm Như vậy, ta thấy so với kết độ rộng phổ hệ laser màu băng rộng sử dụng gương cuối gương phản xạ trên, hệ laser màu sử dụng cách tử có độ rộng phổ hẹp Tuy nhiên, giá trị chưa thể hết độ đơn sắc sử dụng cách tử cấu hình Littrow, nguyên nhân độ phân giải thiết bị đo quang phổ CCS200 nm Theo lý thuyết, độ rộng phổ sử dụng cách tử cấu hình Littrow xác định theo công thức (10) (12) đề cập chương Theo cơng thức cách tử cấu hình Littrow: Xét trường hợp bước sóng đỉnh với bậc nhiễu xạ , cách tử sử dụng 1200 vạch/mm Ta xác định góc Littrow sau: 43 Độ rộng phổ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow xác định qua biểu thức: Độ phân kì chùm laser buồng cộng hưởng kết tính tốn thu theo cơng thức Rayleigh Criterion Từ đó, độ phân kì chùm laser từ cuvet là: với D = 2,5 mm, ta xác định Với độ phân kì chùm laser buồng cộng hưởng Giá trị phù hợp với kết đo độ rộng phổ sử dụng cấu hình tương tự trước Viện Vật lý 0.5 nm 44 2.4 Thiết kế hệ laser màu băng hẹp, điều chỉnh liên tục bƣớc sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow Hình 2.25: Hệ laser màu điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow Viện Vật lý Hình 2.26: Tấm đỡ 45 Hình 2.27: Đế hình chữ L 46 Hình 2.28: Tấm giữ trụ đỡ 47 Hình 2.29: Bàn đế 48 Hình 2.30: Tấm đỡ (dưới) cụm giữ cách tử 49 Hình 2.31: Giá mang cách tử 50 Hình 2.32: Giá chữ U 51 Hình 2.33: Hệ thống ray trượt Để tối ưu hóa hệ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow hệ thống hóa kết thực khảo sát, ta cần xây dựng hệ laser màu ứng dụng riêng cho việc sử dụng cách tử cấu hình Littrow Các thành phần khí hệ laser mơ tả Hình 2.25 Tấm đỡ (Hình 2.26) bề mặt để đặt tồn hệ thống khí hệ laser Hình 2.27, 2.28 2.29 mô tả thành phần khác hệ laser, bao gồm giữ trụ đỡ có tác dụng cố định vị trí Cuvet chất màu, đế hình chữ L để đặt thấu kính trụ hội tụ laser bơm, bàn đế để cố định vị trí gương Tất linh kiện thiết kế cho quang trục chùm laser bơm laser màu song song với mặt phẳng đỡ (coi mặt phẳng đỡ chiều sở hệ laser) Một đặc trưng quan trọng hệ laser thiết kế khả thay đổi góc cách tử cách liên tục Chính vậy, giá đỡ cách tử đặt trụ tròn quay Cách tử phải đặt cho vị trí nhiễu xạ bề mặt cách tử phải nằm tâm trục quay Yêu cầu đảm bảo thiết kế đỡ cụm giữ cách tử (Hình 2.30) Trụ trịn kết nối với tay quay thơng qua chế địn bẩy Khi xoay vị trí tay quay làm thay quay trụ trịn, từ ta tính tốn 52 tỉ lệ thay đổi góc dịch chuyển tay quay (tương ứng độ mm), đồng thời thơng qua xác định thay đổi bước sóng theo góc quay cách tử Ở đây, tay quay điều chỉnh độ dài từ – 25 mm Với khả điều chỉnh tay quay chiều dài đòn bẩy cấu quay 30 cm, ta xác định tỉ số thay đổi góc dịch chuyển tay quay hay Qua tỉ số trên, xác định khả thay đổi góc tối đa cách tử vào khoảng , tương đương với dịch chuyển bước sóng khoảng 145 nm Giá mang cách tử (Hình 2.31) giá chữ U (Hình 2.32) thiết kế để điều chỉnh cách tử theo bậc tự chiều lên xuống chiều nghiêng Hệ thống ray trượt (Hình 2.33) kết hợp với tay quay để di chuyển vị trí cuvet gương đặt bàn đế, từ giúp hệ có khả thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng Chiều dài buồng cộng hưởng thay đổi từ 10 đến 35cm 53 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu phát triển dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cách tử”, luận văn thạc sĩ tìm hiểu nghiên cứu cách có hệ thống lý thuyết vật lý công nghệ Laser Những nghiên cứu nhằm xây dựng hiểu biết kỹ thuật laser sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất cách tử làm yếu tố lọc lựa bước sóng, từ phát triển dao động laser băng hẹp, có khả điều chỉnh liên tục bước sóng Dựa kiến thức trình bày, luận văn đạt kết sau: Nghiên cứu lý thuyết việc phát triển dao động laser băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng cách tử phương pháp đo đạc thơng số laser Hồn thiện việc nghiên cứu phát triển dao động laser, làm chủ việc vận hành hệ laser Hệ laser băng hẹp xây dựng có khả phát laser băng hẹp, đồng thời điều chỉnh bước sóng cách thay đổi góc quay cách tử Bên cạnh đó, luận văn khảo sát đặc trưng vật lý hệ phát laser màu băng hẹp độ rộng xung, độ rộng phổ, khả thay đổi liên tục bước sóng Ảnh hưởng cơng suất laser bơm lên đặc trưng laser màu đánh giá, từ xác định hiệu suất phát laser màu Hệ laser màu băng rộng đánh giá đặc trưng bao gồm công suất phát laser, độ rộng xung, độ rộng phổ, ảnh hưởng thay đổi yếu tố buồng cộng hưởng lên laser màu băng rộng Kết luận văn nhận đăng báo cáo Hội nghị Vật lý Kỹ thuật & Ứng dụng Toàn quốc (CAEP-7) lần thứ VII vào ngày 14/11/2021 KIẾN NGHỊ Đề tài luận văn “Nghiên cứu phát triển dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cách tử” đạt kết định Hướng nghiên cứu đề tài tiếp tục đánh giá chi tiết thông số laser màu băng hẹp sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot để xác định độ rộng phổ Những kết luận văn tiếp tục phát triển, hoàn thiện để tiến tới đưa hệ laser màu vào ứng dụng thực tiễn làm nguồn bơm cho hệ quang phổ Cavity Ring-down ứng dụng cho hệ thống LiDAR 54 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser 2005, Nhà Xuất Bản Giáo dục Nguyễn Thị Mỹ An, 2019, “Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung ngắn”, Luận văn Tiến sĩ Vật lý, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích, 2005, Thiết bị linh kiện quang học, quang phổ laser, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Đại Hưng, 2004, Vật lý kỹ thuật laser, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội Vũ Dương, 2007, Nghiên cứu thực nghiệm Laser màu phản hồi phân bố, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện vật lý, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ulrich Brackmann, 2000, Lambdachrome Laser Dyes P Hamond., 1979, Laser dye DCM, its spectral properties, synthesis and comparison with other dyes in the red, Opt Comm 29, Pages 331-333 W Rettig and W Majenz., 1989, Competing adiabatic photoreaction in stilbene derivatives, Chemical Physics Letters, 65:3610–3616 Duarte, F J., 2003, Organic Dye Lasers: Brief History and Recent Developments Optics and Photonics News, 14(10), 20 Rana, P., Sridhar, G., & Manohar, K G, 2016, Characteristics of a cascaded grating multi wavelength dye laser Optics & Laser Technology, 86, 39–45 ... ) góc gương điều chỉnh pháp tuyến bề mặt cách tử 25 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƢỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ Trong chương này, thiết kế, phát triển khảo sát...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HẢI ANH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƯỚC SÓNG BẰNG CÁCH... khả điều chỉnh, lọc lựa bước sóng Việc nghiên cứu phát triển dao động laser màu băng hẹp điều chỉnh bước sóng sở cần thiết để thực nghiên cứu ứng dụng laser có độ đơn sắc cao sau Mục tiêu nghiên