CHẤT MÀU VÀ LASER MÀU
2.2.2. Cỏc loại buồng cộng hưởng đơn giản
Dưới đõy chỳng tụi dưới thiệu một số cấu trỳc buồng cộng hưởng sử dụng cho laser màu.
Cấu trỳc buồng cộng hưởng ở hỡnh 2.5 là cấu trỳc buồng cộng hưởng đơn giản nhất, nú phự hợp cho cả cấu hỡnh bơm dọc và bơm ngang, cần cú một hệ thấu kớnh (telescope) hoặc một thấu kớnh trụ đặt trước cuvet chất màu nhằm hội tụ chựm laser bơm khi chiếu lờn cuvet. Buồng cộng hưởng sử dụng hai gương, trong đú một gương phản xạ 100% và một gương bỏn mạ.
Đối với laser màu, để tối ưu húa người ta tỡm cỏch thiết kế buồng cộng hưởng đỏp ứng được yờu cầu điều hưởng bước súng. Ở cỏc laser màu với buồng cộng hưởng băng rộng bức xạ trờn một khoảng từ 200Ǻ - 300Ǻ, nờn khi đặt cỏc yếu tố lọc lựa trong buồng cộng hưởng ta cú thể thay đổi bước súng trong
Gương 100% Cu vet Gương ra Chựm laser ra
Hỡnh 2.5 Cấu trỳc buồng cộng hưởng đơn giản
Laser bơm
khoảng vài chục nano một. Hiện nay người ta đó tỡm ra hàng trăm chất màu khỏc nhau nờn cú thể thực hiện laser màu phỏt ở bất kỳ bước súng nào trong khoảng 300 – 1200nm. Buồng cộng hưởng lọc lựa là buồng cộng hưởng cú đưa thờm vào cỏc yếu tố chọn lọc như cỏch tử, giao thoa kế Fabry – Perrot, lăng kớnh, … Nhờ cỏc yếu tố này mà dọc theo trục buồng cộng hưởng chỉ cú một bước súng lan truyền, cũn cỏc bước súng khỏc bị phản xạ hay tỏn xạ lệch khỏi trục. Việc làm hẹp độ rộng vạch bức xạ laser đó nõng cao rất nhiều mật độ năng lượng vỡ hầu như toàn bộ năng lượng của laser băng rộng được phỏt trờn một kờnh hẹp. Độ rộng phổ của bức xạ laser màu phỏt ra từ một buồng cộng hưởng lọc lựa là:
1( ) ( ) d d d d λ α λ α α α λ − ∆ = ∆ = ∆ (2.7) Trong đú d d α
λ là độ tỏn sắc toàn phần tạo ra bởi cỏc thành phần quang học
trong buồng cộng hưởng, cũn ∆α là độ phõn kỳ của chựm tia laser trong buồng cộng hưởng.
Sau đõy chỳng ta sẽ nghiờn cứu một số buồng cộng hưởng điều hưởng bước súng đơn giản dựng cỏch tử. Phương trỡnh cỏch tử cú dạng tổng quỏt là:
(sin sin )
mλ=a α + β
(2.8)
Trong biểu thức thỡ m là bậc cỏch tử, α và β là gúc tới và gúc nhiễu xạ, λ là bước súng, cũn a là hằng số cỏch tử.
- Buồng cộng hưởng lọc lựa Litrrow
Nguyờn tắc của buồng cộng hưởng Litrrow là dựa trờn sự phản xạ của photon trờn cỏch tử. Vỡ vậy, người ta thay gương 100% bằng một cỏch tử, cỏch tử được đặt sao cho gúc tới nhỏ và cú thể điều chỉnh quay được để thay đổi gúc tới. Khi thay đổi gúc tới bước súng laser phỏt ra cũng thay đổi theo phương trỡnh sau:
mλ = 2d sinθ
Trong đú m là bậc cỏch tử, λ là bước súng phỏt, θ là gúc tới, d là khoảng cỏch giữa hai vạch của cỏch tử (bậc cỏch tử).
Buồng cộng hưởng loại này thụng thường được sử dụng cho laser cú cụng suất yếu. Nếu tăng gúc tới thỡ hệ số phản xạ ngược của cỏch tử giảm nhanh dẫn đến quỏ trỡnh khuếch đại trong hoạt chất khú xảy ra và laser sẽ khụng hoạt động. Để khắc phục nhược điểm người ta đưa thờm một số dụng cụ quang phụ trợ vào buồng cộng hưởng, nhưng dẫn đến buồng cộng hưởng sẽ phức tạp và giảm cụng suất phỏt laser. Sau đõy chỳng ta tỡm hiểu một cấu trỳc buồng cộng hưởng lọc lựa được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của buồng cộng hưởng Litrrow.
- Buồng cộng hưởng lọc lựa Littman.
Littman đề xuất thay thế cỏch tử bằng hệ cỏch tử - gương quay 100% với cỏch đặt gương quay đối diện với mặt cỏch tử, cỏch tử được đặt sao cho tia tới tạo với cỏch tử một gúc là (gúc ≈ 900). Để điều chỉnh bước súng phỏt laser chỳng ta điều chỉnh gúc quay của gương phản xạ 100%.
Với cỏc gúc quay của gương phản xạ 100% khỏc nhau chỳng ta sẽ thu được bức xạ laser với những bước súng khỏc nhau phụ thuộc theo biểu thức:
Cỏch tử Cu vet Laser
bơm
Gương ra
Laser ra
Hỡnh 2.6 Sơ đồ cấu trỳc buồng cộng hưởng Litrrow
Cỏch tử Cu vet Laser
bơm
Gương ra
Laser ra
Hỡnh 2.7 Sơ đồ cấu trỳc buồng cộng hưởng Littman
Gương 100%
mλ = d(1+sinψ)
(2.10) Trong đú ψ là gúc tạo bởi gương phản xạ 100% với mặt cỏch tử.
Buồng cộng hưởng Littman rừ ràng cú ưu điểm hơn buồng cộng hưởng Litrrow nhưng vẫn cũn mất mỏt do tỏn xạ, .... Rất nhiều nhà khoa học nghiờn cứu về laser màu đó đề xuất nhiều loại buồng cộng hưởng cải tiến từ cấu trỳc buồng cộng hưởng Litrrow hay Littman để tăng cụng suất phỏt của laser nhưng cũng chưa thực sự ưu việt vỡ cấu tạo phức tạp gõy mất mỏt quang học và khú điều chỉnh bước súng bức xạ laser[4].