2.2.1. Thiết kế các giá đỡ
Các thiết bị quang học rất nhạy với độ rung nên việc thiết kế các giá đỡ chắc chắn và điều chỉnh được độ dịch chuyển là rất cần thiết và quyết định việc hoạt động của hệ laser.
• Giá làm mát tinh thể
Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế cơ khí của giá làm mát tinh thể
•Giá đỡ gương
Yêu cầu: Giá đỡ phải có khả năng điều chỉnh chính xác hai chiều x-y. Do vậy, chúng tôi đã sử dụng các gương là loại Ultra-stable Kinematic của hãng Melles Griot (USA) có các thông số sau (hình 2.4):
- Góc điều chỉnh: ± 4.75 độ. M6 M2 35 50 15 15 15 50 M6 50 35 15 15 15 15 M2 50 15 10 15 M6 7 17 50 8.5 8 3 3 Vị trí đặt tinh thể Đầu ống dẫn nước ra
- Độ phân giải góc: 27 phút.
Hình 2.4. Giá đỡ gương (Ultrastable Kinematic. USA).
Ngoài các thiết kế trên còn có nhiều bộ phận cơ khí khác cần được thiết kế và chế tạo như càng giữ, diaphragm, giá thấu kính, đệm giữ, cổ tròn ...Sau đây là các sơ đồ thiết kế cơ khí của chúng:
• Càng giữ
Càng giữ chữ nhật (Vật liệu bằng hợp kim nhôm)
Hình 2.5. Sơ đồ thiết kế cơ khí của càng giữ chữ nhật.
26 60 20 R3 20 20 26 17 60 6 M4 25 50 25 50 R 25.4 52 52 R 23.9 21 10 40 8 ∅ 1/4 - 80
Càng giữ chữ U (Vật liệu bằng hợp kim nhôm)
Hình 2.6. Sơ đồ thiết kế cơ khí của càng giữ chữ U.
• Diaphragm (Vật liệu bằng hợp kim nhôm)
Diaphragm có tác dụng đánh dấu đường chuẩn (đường chuẩn là đường tia laser He-Ne chiếu thẳng đến đầu phát của laser diode sao cho hai chùm tia trùng nhau và cùng song song với mặt bàn quang học).
35 12 26 R 3 69 5 35 ∅ 6 5 1.5 26 53 ∅ 1.5 38 R12.5 R3 63 13 26 63 20 6
•Giá đỡ thấu kính
Hình 2.8. Giá đỡ thấu kính.
Yêu cầu: giá đỡ thấu kính phải có khả năng vi chỉnh chính xác theo cả ba chiều. Do vậy giá đỡ thấu kính được chế tạo từ 3 bộ vi điều chỉnh.
• Cổ tròn (Vật liệu bằng đồng)
Hình 2.9. Sơ đồ thiết kế cơ khí của cổ tròn quang học.
l = 150 ∅ 25 ∅ 36 6 3 6 M4 l 0.5 0.5 3 l = 250 l = 150
• Giá đỡ sợi quang
Hình 2.10. Sơ đồ thiết kế cơ khí của giá đỡ sợi quang.
2.2.2. Các thành phần của hệ laser Nd:YVO4
● Laser diode (ATC, Nga):
Công suất phát cực đại (liên tục): 8000 mW.
Phổ phát xạ: 805 ÷ 811 nm, trung tâm phổ là 808 nm (ở 300 K). Dòng ngưỡng: Ith ≈ 700 mA. Độ rộng phổ phát xạ 1,7 nm. 65 9 40 ∅ 6 6 ∅ 8.5 20 54 ∅ 8.5 M 3 M 4 M 4 40 12 20 R 3
Độ phân kì chùm phát xạ (WxH): 12 x 45 độ. Laser diode này được lấy ra bằng sợi quang có: + Khẩu độ số 0,22.
+ Đường kính lõi sợi quang 200 µm.
● Thấu kính bơm hội tụ:
Chúng tôi đã sử dụng 1 thấu kính hội tụ có đường kính D = 2,5 cm, tiêu cự f = 2 cm để hội tụ chùm bơm cho tinh thể laser.
● Gương laser vào (TL, Đức):
Bán kính cong: r1 = ∞; r2 = -10 cm. Hệ số phản xạ: R ≈ 100 % (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm). ● Gương laser ra (TL, Đức): Bán kính cong: r1 = r2 = ∞ (gương phẳng). Hệ số phản xạ: R = 94 % (λ = 1064 nm). ● Tinh thể Nd3+:YVO4:
Tinh thể laser có dạng hình lập phương 3 × 3 × 3 mm, đã được cắt phù hợp cho việc bơm quang học bằng laser, theo cấu hình bơm dọc.
Hai mặt cuối đã được gia công màng chống phản xạ cho bước sóng laser 1064 nm và bước sóng laser bơm 808 nm.
2.3. Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 bơm bằng laser diode
Tiến hành thiết kế hệ laser Nd3+:YVO4 được bơm bằng laser diode công suất cao ATC, sử dụng cấu hình bơm dọc, với buồng cộng hưởng thẳng.
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ laser
Hình 2.11. Sơ đồ khối kỹ thuật lắp ráp hệ laser rắn Nd: YVO4 phát liên tục được bơm bằng laser diode công suất cao.
Trong đó:
+ L1 và L2 là hai thấu kính cùng tiêu cự.
+ M2 là gương laser vào hay còn gọi là gương cuối, đây là một gương cầu.
+ M1 là gương laser ra hay còn gọi là gương đầu, đây là một gương phẳng.
+ D1 và D2 là các Diaphragm.
2.3.2. Kỹ thuật lắp ráp hệ laser phát liên tục
Các yếu tố cơ-quang của hệ phải đáp ứng được một số chức năng và đặc tính kỹ thuật sau:
● Nguồn bơm laser để đạt được hiệu suất bơm quang học tốt nhất phải có:
Phổ phát xạ của laser bơm phải trùng với phổ hấp thụ của ion Nd3+.
Công suất laser bơm phải đủ lớn, đảm bảo cho hoạt động ổn định của laser Nd:YVO4 (nhiều lần trên ngưỡng).
Ổn định cao về cường độ và phổ trong quá trình làm việc hay nói cách khác laser diode phải được ổn định dòng bơm và nhiệt độ trong quá trình làm việc.
● Thấu kính bơm: để đảm bảo đạt được mật độ bơm quang học lớn thì khả năng hội tụ của thấu kính này phải cao, điều này đòi hỏi thấu kính sử dụng phải có tiêu cự ngắn.
● Gương cuối (gương vào) của buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 phải là gương có độ truyền qua cao (từ 95 % đến 100 %) ở bước sóng bơm (808 nm) nhưng có độ phản xạ rất cao ở bước sóng laser (1064 nm).
● Các yếu tố quang học phải có khả năng vi chỉnh chính xác, đáp ứng cho việc bố trí và điều chỉnh buồng cộng hưởng quang học của laser.
Sơ đồ khối của hệ laser lắp ráp được sử dụng cho việc xây dựng cấu hình laser được trình bày trên hình 2.11.
Với quá trình căn chỉnh, đề nghị nên có:
• Định hướng bằng laser He-Ne hoặc laser diode đỏ.
• Kính nhìn hồng ngoại (hoặc card hồng ngoại).
• Đồng hồ đo công suất laser.
• Kính bảo vệ mắt.
• Thước giấy cứng. Thước bọt nước.
Qui trình căn chỉnh được nêu ra dưới đây:
- Cố định laser diode xuống mặt bàn quang học. - Cố định đầu sợi quang lên giá đỡ.
- Nối đầu diode laser với bộ điều khiển laser và bật công tắc. Điều chỉnh để bức xạ từ laser diode phát ra song song với mặt bàn quang học.
- Lắp laser He-Ne cho tia laser chiếu thẳng đến đầu phát của laser diode sao cho hai chùm tia trùng nhau và cùng song song với mặt bàn quang học.
- Dùng hai diaphram D1 và D2 (đường kính lỗ 1 mm) để đánh dấu đường chuẩn.
- Dùng thấu kính bơm L để hội tụ chùm bơm của laser diode sao cho tâm thấu kính trùng với đường chuẩn. Đồng thời điểm hội tụ trùng với đường chuẩn.
- Lắp gương đầu M1 vào giá đỡ gương và cố định khối xuống bàn sao cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2 (rộng cỡ 1 mm).
- Lắp tinh thể laser vào giá đỡ tinh thể và cố định xuống bàn quang học sao cho điểm hội tụ của vết bơm đi vào tâm của tinh thể.
- Lắp gương cuối M2 vào giá đỡ gương và cố định khối xuống bàn sao cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2.
Thực hiện các tinh chỉnh của việc xoay tinh thể bằng cách nghiêng giá đỡ tương ứng và nghiêng giá đỡ gương M2 bằng cách xoay các vít vi chỉnh 2 chiều để có được sự phù hợp cần thiết.
Để công suất bơm ở một giá trị khá cao, sau đó tinh chỉnh sự đồng trục của quang hệ nhằm mục đích phát laser.
Kiểm tra đầu ra của laser bằng card hồng ngoại. Nếu có ánh sáng laser, ta sẽ thấy chấm sáng ở trên card.
Khi có chấm sáng (chói) trên card hồng ngoại thì chứng tỏ laser đã hoạt động. Khi hệ laser đã hoạt động, chúng ta cần tối ưu các đặc trưng hoạt động của hệ như về công suất, hình dạng chùm laser ... bằng cách tinh chỉnh vị trí của các gương và tinh thể laser.
CHƯƠNG III
CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Các kết quả khảo sát nguồn bơm laser diode 8W
Như chúng ta đã biết, các đặc trưng hoạt động của laser diode phụ thuộc nhiều vào dòng bơm. Với mục đích sử dụng laser diode như là nguồn bơm quang học cho laser Nd:YVO4, chúng ta phải khảo sát đặc trưng hoạt động của laser này. Hình 3.1 là cấu hình thí nghiệm khảo sát các đặc trưng hoạt động của laser diode.
Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát các đặc trưng hoạt động của laser diode.
1. Laser diode 2. Sợi quang
3. Hệ thấu kính hội tụ 4. Chia chùm (R = 50 %).
5. Đầu đo năng lượng (Melles Griot 13PME001), độ phân giải 10 µW. 6. Photodiode 7. Máy tính 8. Máy quang phổ cách tử DFS-8 (Nga): • Độ phân giải 3 Å/mm. • Dải phổ làm việc: 2000 ÷ 11000 Å 9. Photodiode Array BP-2048 (Mỹ). • Số photodiode: 2048; khoảng cách giữa hai photodiode liên tiếp là 14
µm.
Đầu tiên, bức xạ của laser diode (1) đi qua sợi quang (2), sau khi đi qua hệ thấu kính (3) tạo ra chùm tia laser chuẩn trực, qua kính chia chùm (R = 50 %) (4), phần phản xạ được dẫn tới đầu đo năng lượng (5) để khảo sát đặc trưng công suất của laser diode. Phần truyền qua được dẫn tới hệ thống khảo sát phổ bao gồm: máy quang phổ DFS-8 (8), tín hiệu ra của máy quang phổ được thu qua photodiode array (9) và dẫn tới dao động kí Picoscope (10) được đồng bộ bởi tín hiệu thu từ photodiode (6). Kết quả thu được có thể thu giữ, hiển thị trực tiếp trên dao động kí hoặc thông qua kết nối với máy tính (7).
3.1.1. Đặc trưng công suất – dòng bơm của laser diode 8 W
Với cấu hình thí nghiệm như trên hình 3.1, chúng tôi tiến hành khảo sát đặc trưng công suất – dòng bơm của laser diode 8 W và thu được kết quả khảo sát mô tả trong hình 3.2:
0 1000 2000 3000 4000 5000 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 C o n g s u at la se r d io d e 8 W ( m W )
Dong bom (mA)
Cong suat LD 8 W
Hình 3.2. Đặc trưng công suất của laser diode 8 W theo dòng bơm.
Dòng bơm (mA) C ôn g su ất la se r d io d e (m W )
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
• Dòng ngưỡng của laser diode nằm ở khoảng 790 mA. So sánh với thông số của nhà sản xuất đưa ra thì dòng ngưỡng này khá phù hợp.
• Công suất laser diode tăng tuyến tính với dòng bơm. Dải làm việc tuyến tính ứng với dòng bơm từ 890 ÷ 4590 mA.
3.1.2. Đặc trưng phổ của laser diode.
Đặc trưng phổ của laser diode được thực hiện trên hệ đo như hình 3.1. Tại nhiệt độ hoạt động T = 25 0C, với dòng bơm 1500 mA, phổ laser được biểu diễn trên hình 3.3:
Hình 3.3. Phổ của laser diode ở nhiệt độ 25 oC với dòng bơm 1500 mA
Quan sát phổ của laser diode ta thấy laser diode có phổ phát xạ đa mode dọc, cực đại trung tâm phổ ứng với bước sóng 808 nm. Từ kết quả đo phổ trên hình 3.3, chúng tôi đã tính độ rộng phổ của laser diode khoảng 1,75 nm.
2 ms/div
3.2. Kết quả khảo sát các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd: YVO4
liên tục bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W
3.2.1. Đặc trưng công suất của hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W
Hình 3.4. Ảnh chụp hệ laser Nd:YVO4 liên tục được bơm bằng laser diode công suất cao.
Hình 3.4 là sơ đồ thực nghiệm xác định đặc trưng công suất phát laser Nd:YVO4 phụ thuộc vào công suất bơm bởi laser diode.
Với cấu hình BCH laser như trên, chúng tôi đã thu được hoạt động laser ở chế độ liên tục, phát xạ ở bước sóng 1064nm. Đặc trưng công suất của laser theo các hệ số phản xạ của gương ra khác nhau, được biểu diễn trên hình 3.5:
Hình 3.5. Đặc trưng công suất laser Nd:YVO4 theo hệ số phản xạ của gương ra.
C ôn g su ất la se r N d: Y V O 4 li ên t ụ c (m W ) 0 400 800 1200 1600 o ng s ua t l a se r N d: Y V O 4 li e n tu c (m W ) R2 = 94 % R2 = 70 % R2 = 15 %
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
- Khi tăng hệ số phản xạ gương laser ra R2 thì ngưỡng phát laser giảm. + Pngưỡng ≈ 3400 mW (R2 = 15%).
+ Pngưỡng ≈ 1200 mW (R2 = 70%). + Pngưỡng ≈ 520 mW (R2 = 94%).
- Khi công suất bơm nhỏ hơn công suất bơm ngưỡng thì công suất laser ra bằng không (laser chưa phát).
- Khi công suất bơm lớn hơn công suất bơm ngưỡng thì công suất laser ra tăng tuyến tính theo công suất bơm (trong vùng khảo sát). - Khi công suất bơm ở rất cao (> 5,5 W), công suất laser có xu hướng
bị suy giảm (hình 3.5).
Các kết quả thu được có thể giải thích như sau:
• Theo lý thuyết laser, mất mát trong buồng cộng hưởng laser:
α = α0 + αi (3.1) trong đó: α0 là mất mát do hệ số phản xạ gương.
αi là các mất mát khác.
+ Mất mát trong một chu trình laser do hệ số phản xạ gương R được xác định theo biểu thức:
α0 = - ln(R1R2) (3.2) trong đó: R1 ≈ 1 là hệ số phản xạ của gương laser trước.
R2 là hệ số phản xạ của gương laser ra.
+ Khi hệ số phản xạ của gương ra R2 tăng lên thì mất mát α0 giảm, dẫn đến mất mát tổng cộng α giảm, vì vậy ngưỡng phát laser cũng giảm khi hệ số phản xạ của gương ra R2 tăng lên.
• Laser rắn Nd:YVO4 là laser hoạt động ở chế độ bốn mức năng lượng thì công suất phát xạ Pra của nó được biểu diễn theo biểu thức:
Pra ~ η (Pbơm - Pngưỡng) (3.3) trong đó, Pra : công suất phát xạ của laser Nd:YVO4.
η : hiệu suất bơm. Pbơm : công suất bơm.
Pngưỡng : công suất bơm ở ngưỡng (công suất ngưỡng). Dựa vào công thức (3.3), ta thấy:
+ Nếu công suất bơm Pbơm lớn hơn công suất bơm ngưỡng Pngưỡng thì công suất phát xạ của laser Pra tăng tuyến tính theo công suất bơm Pbơm.
+ Còn khi công suất bơm Pbơm < Pngưỡng thì công suất laser ra Pra = 0. Điều này là hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm mà ta đã đo được.
3.2.2. Hiệu suất phát của laser Nd:YVO4
Hệ số phản xạ của gương ra R2 thay đổi không chỉ làm ảnh hưởng đến ngưỡng phát của laser như đã được nêu ở phần trên, mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất phát của laser.
Hiệu suất có 2 loại: hiệu suất dốc (nghĩa là tính theo độ dốc của đồ thị bằng tan của góc hợp bởi trục hoành và đường đặc trưng công suất) và hiệu suất quang là hiệu suất được tính bằng công thức:
% 100 . (max) (max) P P in out H =
Thông thường người ta chỉ quan tâm đến hiệu suất cao nhất nên sử dụng công thức trên để tính hiệu suất laser trong ba trường hợp ứng với ba hệ số phản xạ R2 của gương ra ở trên như sau:
R2 (%) phát laser Pngưỡng (mW) H (%) cực đại Plaser (mW) 94 520 24,4 1750 70 1200 20,07 1440 15 3400 10,65 760
Hiệu suất laser Nd:YVO4 với hệ số phản xạ lần lượt là 94 %, 70 % và 15 % ở công suất bơm là 8000 mW đều chưa tốt cao. Đúng ra hiệu suất laser có thể lên tới 50%, nhưng ở đây hiệu suất đã bị giảm đi. Điều này có thể giải thích là do bức xạ laser diode khi truyền qua sợi quang có độ dài 2 m thì ánh sáng laser diode không còn phân cực nữa làm cho hiệu suất bơm bị giảm do mất mát vì phân cực. Ngoài ra, công suất laser sau khi đi qua các hệ bơm (các thấu kính L1 và L2) do không được phủ lớp chống phản xạ ở bước sóng bơm (808 nm) nên làm mất mát ở mỗi mặt khoảng 10%. Thực tế công suất laser diode khi tới tinh thể đã bị mất đi khoảng 50%. Vì vậy, hiệu suất laser bị giảm một nửa. Tuy nhiên, so với khi bơm bằng đèn flash thì hiệu suất bơm bằng laser diode cao hơn nhiều lần.
3.2.3. Đặc trưng phổ của laser Nd:YVO4
Bức xạ laser Nd:YVO4 được dẫn vào hệ đo phổ (tương tự sơ đồ của hệ đo hình 3.1) sử dụng máy quang phổ DFS-8 (Nga) có độ phân giải cao (3 Å/mm), dải làm việc rộng (2000 ÷ 11000 Å). Đầu thu quang điện là một dãy photodiode BP-2048 (Mỹ) nhạy, gồm 2048 photodiode, có