Bộ phát họa ba H500 được thiết kế để chuyển bức xạ cơ bản (1064 nm) của laser PL2251A thành họa ba bậc hai (532 nm), họa ba bậc ba (355nm) và họa ba bậc bốn (266 nm). Tuy nhiên, trong thí nghiệm thu phổ tần số tổng, chúng tôi chỉ sử dụng họa họa ba bậc hai (532nm) nên còn gọi là bộ nhân tần. Đặc điểm của bộ này là có khả năng điều khiển linh hoạt và độc lập năng lượng của bức xạ họa ba bậc hai cũng như bức xạ cơ bản.
Các thông số kĩ thuật bức xạ lối vào
Bước sóng 1064nm
Độ rộng xung ~30ps
Năng lượng xung cực đại ( Ф8mm) 50mJ
Đường kính chùm tia cực đại ~ 7 mm
Sự phân kì chùm tia Gần giới hạn nhiễu xạ
Sự phân cực Tuyến tính, dọc
Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật bức xạ lối vào bộ phát họa ba H500[10].
Các thông số kĩ thuật lối ra
Bước sóng lối ra 1064 nm 1064nm 532nm 532nm
Năng lượng xung 10mJ ~ 1mJ 8mJ ~1mJ
Phân cực Dọc Ngang Ngang Ngang
38
2.2.2.1 Cấu tạo
Các linh kiện của bộ phát họa ba H500 được chỉ ra trong hình 2.4. Trong đó bộ phận chính là tinh thể phát họa ba bậc hai SHG, các bản bước sóng, và các gương.
Hình 2.4 Sơ đồ quang học của bộ phát họa ba H500 [10].
2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động
Bức xạ cơ bản từ laser Nd:YAG có thể được nhân đôi, nhân ba hoặc nhân bốn lần bằng cách cho chùm tia đó đi qua các tinh thể phi tuyến phát ra họa ba tương ứng. Các bước sóng đó là: 1064 nm (bức xạ hồng ngoại – bức xạ cơ bản), 532 nm (màu xanh – họa ba bậc hai), 355 nm (cực tím – họa ba bậc ba), 266 nm (cực tím – họa ba bậc bốn).
Bức xạ họa ba truyền cộng tuyến với chùm tia cơ bản 1064 nm. Để tối đa hiệu ứng chuyển đổi thành bức xạ họa ba, đường đi của chùm tia đầu vào đi qua tinh thể phải bố trí dọc theo trục đơn có định hướng cố định liên quan đến trục tinh thể sao cho thỏa mã điều kiện phù hợp pha. Góc phù hợp pha cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của tinh thể. Để giữ nhiệt độ không đổi, tất cả các tinh thể phát họa ba được gắn trong các lò điều nhiệt và giữ ở một nhiệt độ cao. Bộ cấp nhiệt cho lò điều nhiệt được bật liên tục để bảo vệ tinh thể khỏi độ ẩm không khí. Các lò sẽ dược gắn các led hiển thị. Khi những led này bắt đầu mờ dần và chiếu sáng một cách định kì, chứng tỏ rằng nhiệt độ trong các lò đã đạt tới giá trị thiết lập.
39
Sự phát họa ba được thực hiện trong tinh thể phi tuyến K*DP và ba bước sóng có thể thu được tại một thời điểm, nghĩa là bức xạ cơ bản và họa ba bậc hai.
Chùm tia lối vào được chia làm hai phần. Một phần của chùm tia được tách ra bởi bộ tách chùm tia M1 (xem hình 2.4) và được hướng đến khe hở lối ra bởi gương M6. Một phần khác của chùm tia lối vào đi qua tinh thể phát họa ba bậc hai SHG. Họa ba bậc hai bị tách khỏi bước sóng cơ bản bởi các gương lưỡng chiết M2, M3 và M7.
Bản làm trễ HWP1 sẽ hướng một phần năng lượng lối vào đến tinh thể phát họa ba và lối ra hồng ngoại (1064nm).
Bản làm trễ nửa bước sóng HWP2 tối ưu phân cực của bức xạ bơm cho bộ phát họa ba. HWP3 cho phép điều chỉnh một cách thuận lợi năng lượng chùm cơ bản để bơm cho bộ PG. Bản làm trễ nửa bước sóng HWP4 tối ưu cho bộ lọc chùm tia.
2.2.3 Bộ phát tham số quang học PG501/DFG
PG501/DFG là một thiết bị kết hợp giữa bộ phát tham số quang học trên tinh thể BBO và bộ phát tần số hiệu trên tinh thể AgGaS2 hoặc tinh thể GaSe. Xung laser bơm cho PG 501/DFG có các thông số sau:
Bước sóng 532 nm 1064nm
Độ rộng xung ~ 25 ps ~30ps
Năng lượng xung 8 mJ 15 mJ
Đường kính chùm tia 8 mm
Độ phân kì chùm tia Gần giới hạn nhiễu xạ
Cấu hình chùm tia Gần với cấu hình Gauss
Sự phân cực Ngang Dọc
40 Thông số kĩ thuật của lối ra PG501/DFG:
Thông số Giá trị Phạm vi điều chỉnh: OPG DFG 0,68 – 2,3 μm 2,3 – 10 μm Độ rộng vạch phổ < 6 cm-1 Phân cực: dọc ngang @ 680 – 1064 nm @ 1,064 – 10 μm
Bảng 2.6 Thông số kĩ thuật của lối ra PG501/DFG [10].
2.2.3.1 Cấu tạo:
PG 501/DFG gồm ba phần chính:
- Bộ phát tham số PG (OPA, OPG) - Bộ phát tần số hiệu DFG
- Các linh kiện quang học và các bộ phận khác
Sơ đồ quang học của PG 501/ DFG được biểu diễn trên hình 2.5.
2.2.3.2 Nguyên tắc hoạt động Bộ phát tham số PG (OPA, OPG)
Hai xung bước sóng 1064 µm và 532 nm được dùng để bơm cho thiết bị. Chùm bơm bước sóng 532 nm đi qua cửa S1, qua bộ tách chùm tia BS1 và đến hệ thu hẹp chùm tia được tạo bởi các thấu kính L2 và L3. Hệ thu hẹp chùm tia làm cho đường kính chùm tia nhỏ đi 5 lần so với đường kính ban đầu.
41 Hì nh 2 .5 Sơ đồ q u an g h ọc c ủa PG 5 0 1 /D F G
42
Sau khi qua hệ thu hẹp chùm tia này, gương M1 và M5 hướng chùm tia vào tinh thể BBO1 (tinh thể BBO là tinh thể BaB2O4 hay Ba(BO2)2). Bản chất của tinh thể BBO1 là một bộ dao động tham số. Sơ đồ dao động của tinh thể BBO1 được chỉ ra trong hình 2.6.
Hình 2.6 Sơ đồ dao động tham số của tinh thể BBO1 [2]
Bức xạ 532 nm đi vào tinh thể BBO1 và sau đó biến mất, sinh ra hai bức xạ ωs (signal) và ωi (idler). Tuy nhiên buồng cộng hưởng của bộ dao động tham số tạo bởi gương M9 và M13, cùng với cách tử nhiễu xạ DG lọc lựa chỉ cho phát bức xạ ωs
(hoặc ωi).
Xung 532 nm chứa 85% năng lượng bơm được dẫn bởi bộ tách chùm tia BS1, truyền qua hệ thu hẹp chùm tia (tạo bởi hai thấu kính L3 & L4) và đường làm trễ tạo bởi M2, M3, M4, M6. Sau đó chùm tia được hướng tới gương M7 và phản xạ từ gương M13 đến bộ khuếch đại tham số quang (OPA).
Bộ phát tham số quang học gồm bộ dao động quang hai lần truyền qua (chứa tinh thể BBO1) và bộ khuếch đại quang hai lần truyền qua có tác dụng tăng hiệu suất khuếch đại (chứa tinh thể BBO2). Sơ đồ khuếch đại tham số của tinh thể BBO2 được chỉ ra trong hình 2.7.
Hình 2.7 Sơ đồ khuếch đại tham số của tinh thể BBO2 [2]
Hai bức xạ 532 nm và ωs được đưa vào tinh thể BBO2, và bức xạ ωs được khuếch đại.
43
Một phần nhỏ của chùm bơm được phản xạ bởi gương M1 và M5, đi vào tinh thể BBO1, bắt đầu phát ra tín hiệu huỳnh quang siêu tham số dải rộng phân kì. Gương M9 dẫn cả xung tham số và xung bơm quay trở lại tinh thể BBO1. Chỉ một phần của xung tham số trùng với xung bơm, sau đó chùm tham số được khuếch đại truyền qua lần 2 có độ rộng phổ và độ phân kì nhỏ đi đáng kể. Gương M5 có tác dụng tách xung tham số và xung bơm. Xung bơm được dẫn ra ngoài bộ dao động tham số quang OPO. Gương M11 hướng tín hiệu tham số vào hệ thu hẹp chùm tia tạo bởi các thấu kính L5 và L6 và sau đó đến cách tử nhiễu xạ DG để làm hẹp độ rộng phổ. Kính lọc F1 chỉ cho phép ánh sáng trong phạm vi 0,8 – 2,3 µm đi qua. Mầm tín hiệu tham số nhiễu xạ được đưa qua một hệ mở rộng chùm tia được tạo bởi thấu kính L7 & L8. Lỗ tròn PH loại trừ đi các thành phần phổ ngoại lai và độ rộng vạch lúc này được thu hẹp hơn nữa. Gương M12 phản xạ chùm tia mầm được mở rộng tới tinh thể BBO2 khuếch đại tham số quang nơi mà chùm này trùng với phần còn lại của xung bơm. Sau hai lần truyền qua trong OPA, gương M13 tách bức xạ bơm còn lại ra. Sau khi đi qua kính lọc F2, xung tín hiệu (signal) và xung đệm (idler) bị tách bởi kính phân cực Glan (GP). Bức xạ tham số có dải bước sóng 680 – 1064 nm đi ra khỏi PG501/DFG qua khe S3, trong khi đó dải bước sóng 1,064 – 2,3 µm được dẫn dẫn tới bộ phát tần số hiệu hoặc đến lối ra đi ra khe S5.
Bộ phát tần số hiệu
Xung có bước sóng 1064 nm được trộn với sóng đệm từ PG trong tinh thể AgGaS2 tạo ra bức xạ lối ra có phạm vi 2,3 – 10 μm.
Xung bơm 1064 nm đi vào qua cửa S2, đi qua ống chân không tạo bởi thấu kính L9 & L10. Ống chân không được sử dụng để đảm bảo không gian truyền đều đặn ở tinh thể phi tuyến. Gương M15, M16, M17 và lăng kính P tạo ra một hệ làm trễ đường đi để sóng bơm 1064 nm và sóng đệm của máy phát tham số PG đến cùng một thời điểm. Gương M18 kết hợp xung bước sóng 1,19 –1,98 µm của bộ phát tham số quang với xung bơm 1064 nm.
44
Bộ phát tần số hiệu DFG sử dụng một tinh thể phi tuyến một lần truyền qua. Trong đó, cả chùm sóng bơm, chùm sóng đệm và chùm IR đều chịu dịch chuyển dọc khi bước sóng bị điều chỉnh bởi quay góc của tinh thể. Gương trên tấm ZnSe phản xạ để loại bước sóng 1064 nm còn bản Ge hấp thụ hết các bức xạ dải bước sóng 1,064 – 2 µm. Kính lọc F6 loại bỏ các bước sóng 1,8 – 2,3 µm và bản ZnSe loại bỏ đi các bức xạ 1,13 – 1,8 µm, bức xạ IR được đưa ra ngoài qua cửa S4.
Hệ thống quang và các bộ phận khác
Các bản T1 và T2 là các cửa quang nhằm điều chỉnh chùm tia bơm chính xác đi vào tinh thể AgGaS2.
Bộ giám sát năng lượng EM1 và EM2 dùng để kiểm soát năng lượng của xung bơm 532 nm và 1064 nm đi vào b phát tham số PG và bộ phát tần số hiệu DFG. Một điểm đáng lưu ý đó là năng lượng của xung bơm không được phép vượt quá giá trị cho phép, nếu vượt quá giới hạn đó thì sẽ có còi báo động để điều chỉnh. Bởi vì tinh thể AgGaS2 dễ bị hỏng, nên cần chú ý với chùm bơm 1064 nm.
Laser diode LD và gương M21 được sử dụng để dễ dàng dẫn chùm tia DFG không nhìn thấy.
Để tránh ảnh hưởng nghiêm trọng của độ ẩm môi trường xung quanh lên các tinh thể BBO và tinh thể, phải liên tục giữ chúng ở nhiệt độ cao và các bộ cấp nhiệt cho tinh thể được trang bị với các nguồn cung cấp riêng được bật liên tục.
Ngoài ra bộ PG 501/ DFG còn được kết nối với một bảng điều khiển từ xa
45
Kí hiệu trạng thái hoạt động Bước sóng cài đặt
Hoặc AgGaS2 hoặc GaSe
Kí hiệu xung
Năng lượng xung bơm 1064 nm
Năng lượng xung bơm 532 nm
a) b)
Hình 2.8 Bảng điều khiển từ xa của PG501/DFG [10]
Bảng điều khiển này có 11 nút bấm và một màn hiển thị chữ - số tương tự như bảng điều khiển của laser PL2251A. Tuy nhiên, màn hình hiển thị gồm có hai phần: phần trên để điều khiển PG và phần dưới dành cho laser bơm. Trong hệ laser này laser bơm được điều khiển bởi bảng điều khiển từ xa riêng biệt (hình 2.3), nên phần dưới của màn hiển thị bảng điều khiển PG 501/DFG và các nút bấm F1, F2, STOP, RUN không được sử dụng.
Ý nghĩa của các kí hiệu trạng thái hoạt động:
* - Mô tơ bước của các tinh thể phi tuyến ở các vị trí chính xác.
- Các tinh thể phi tuyến đang được điều chỉnh bởi mô tơ bước.
- Cài đặt bước sóng.
Bước sóng có thể thay đổi bằng các nút bấm và . Ta có thể thay đổi các kí tự riêng rẽ của số: sau khi nhấn nút hoặc , một dấu nhắc xuất hiện để ta có thể tăng giảm giá trị của số bằng cách sử dụng các nút và . Sau khi tăng hoặc giảm đến giá trị yêu cầu, nhấn nút OK và thiết bị đã được cài đặt bước sóng này. Các dải bước sóng sẽ tương ứng với các tinh thể sau đây:
46
Tinh thể Bước sóng, nm
PG 680 - 2299
AgGaS2 2300 - 10000
GaSe 10000 - 20000
Bảng 2.7 Các dải bước sóng tương ứng với các tinh thể trong PG501/DFG [10]. Màn hình hiển thị chỉ ra giá trị trung bình của mỗi 10 xung bơm khả kiến (VIS) và hồng ngoại (IR). Công tơ năng lượng nhận tín hiệu từ các bộ giám sát năng lượng EM1 và EM2 trong hình 2.5. Nếu các xung bơm không xuất hiện, kí hiệu xung ở góc trái phía dưới của màn hiển thị biến mất và giá trị năng lượng trung bình của 10 xung vừa thu được được hiển thị. Nếu công tơ năng lượng thu nhận một xung vượt quá giá trị cho phép cực đại, một tin nhắn “ENERGY LIMIT” được hiển thị cùng với một tiếng kêu cảnh báo. Sau khi năng lượng được giảm tới mức cho phép, nhấn một nút bất kì để tiếp tục tiến hành công việc.