CHƯƠNG 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VẬT LÝ TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG MINI CHO LASER Nd:YAG
3.1. Vấn đề đồng chỉnh cho buồng cộng hưởng mini laser Nd:YAG
Tính năng của một laser sẽ bị xuống cấp nghiêm trọng khi một trong những thành phần của nó bị mất đồng chỉnh. Ngoài sự thay đổi về vị trí hoặc hướng của chùm tia, các biểu hiện điển hình của mất đồng chỉnh là là công suất ra giảm, chất lượng chùm tia giảm và nhiễu laser tăng. Nguyên nhân của mất đồng chỉnh có thể là do va chạm với linh kiện quang học, cũng có thể do ứng lực cơ khí tác động vào vỏ laser hoặc bởi các hiệu ứng nhiệt… Bằng việc phân tích thiết kế, lựa chọn vùng ổn định của một buồng cộng hưởng sóng đứng cho laser mini rắn Nd:YAG và giải pháp là sử dụng cấu hình hốc cộng hưởng song phẳng sẽ cho ta laser có độ ổn định cao. [30] Độ nhạy mất đồng chỉnh được giảm đáng kể khi sử dụng lăng kính thay cho gương phẳng, bởi vì đối với một lăng kính Porro một tia tới được phản xạ trở lại song song với hướng truyền nó, độc lập với góc tới.
Hình 3.1: Phản xạ của một tia sáng qua lăng kính Porro.
Một sóng phẳng sẽ vẫn là sóng phẳng sau khi bị phản xạ bởi lăng kính. Trừ tính phản chiếu tại đường đỉnh của lăng kính và tính thay đổi phân cực, một Porro có cùng các tính chất như một gương phẳng. Do vậy các gương
phẳng của buồng cộng hưởng có thể được thay bằng lăng kính. Buồng cộng hưởng khi đó có thể là: một lăng kính làm “gương” và một gương ra phẳng, hoặc cả hai gương laser được thay thế bằng cá lăng kính Porro, và phối ghép với một tấm giữ chậm kết hợp với một tấm phân cực.
Hình 3.2: Các buồng cộng hưởng lăng kính Porro với một (a) và hai (b) lăng kính. Nếu sử dụng hai lăng kính thì bức xạ được phối ghép với một tấm phân
cực và một tấm giữ chậm có thể quay được.
Tuy nhiên, yêu cầu về giảm độ nhạy mất đồng chỉnh chỉ đạt được đối với một trạng thái nghiêng xoay quanh đường đỉnh, còn các trạng thái nghiêng của lăng kính do xoay quanh các trục vuông góc với các trục vuông góc với đường đỉnh khác thì lại vẫn có cùng độ nhạy như của một gương phẳng. Để đạt được độ nhạy mất đồng chỉnh thấp ở các trục nghiêng bất kì, ta có thể sử dụng một lăng kính tam diện. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào chất lượng của quang học của lăng kính, các mất mát do nhiễu xạ có thể tăng lên do phối ghép ra và do đường đỉnh của lăng kính gây ra các méo pha. Nếu ta dùng các lăng kính chất lượng cao, thì mất mát bổ sung trên một hành trình vòng kín nhỏ hơn 0.5%. Trong trường hợp này, nếu độ tăng ích tín hiệu nhỏ đủ lớn thì hiệu suất chiết năng lượng ra cũng cao bằng trường hợp dùng một buồng cộng hưởng thông dụng.
Mất đồng chỉnh của lăng kính Porro xoay quanh một trục song song với
(a)
3.3). Đối với một buồng cộng hưởng hoạt động ở chế độ đa mode, thể tích nhỏ hơn của mode là nguyên nhân duy nhất làm giảm công suất ra, vì các mất mát nhiễu xạ bổ sung chỉ được sinh ra trong trường hợp mode cơ bản bị thanh hoạt chất cắt cụt.
Hình 3.3: Truyền nan của chùm tia trong một buồng cộng hưởng lăng kính bị mất đồng chỉnh. Diện tích đậm là thể tích mode.
Góc β10% mà tại đó giảm thể tích mode và do vậy công suất bị giảm 10% được
tính bằng [31]: 10% 0.025 (1 1/ ) b d h n π β = + −
Với b: Bán kính của thanh hoạt chất.
d: Khoảng cách của trục xoay nghiêng với đường đỉnh của lăng kính h: Chiều cao của lăng kính
n: Chiết suất của vật liệu lăng kính
Với trường hợp cụ thể của luận văn, một thanh laser có bán kính 2 mm và một lăng kính thủy tinh (n=1,5) với độ cao h=12,7 mm, góc 10% là 37mrad nếu lăng kính bị xoay quanh đường đỉnh của lăng kính (d=0).
Nếu gương phẳng được thay bằng một lăng kính tam diện, chất lượng chùm tia và độ nhạy mất đồng chỉnh cũng giống như một buồng cộng hưởng dùng một lăng kính Porro. Tuy nhiên điểm khác biệt giữa hai cấu hình này là lăng kính tam diện có độ nhạy mất đồng chỉnh không phụ thuộc vào vị trí của trục quay nghiêng miễn là nó vuông góc với quang trục. Mất mát nhiễu xạ trong một hành trình vòng kín cao hơn Porro. Sự gia tăng mất mát này là do
hình thể của tam diện chứ không phải do tán xạ hoặc mất mát do phối ghép ra tại các gờ. Các mất mát này sẽ được bỏ qua nếu sử dụng một tam diện chất lượng cao (tức là một tam diện có độ rộng đường sinh ở bậc µm)