Chúng ta bắt đầu với việc theo dõi công suất phát là một hàm của dòng điện bơm quét qua, thiết lập một dốc tam giác lên dòng điện bơm. Theo dõi công suất phát của ECDL với một diode phát quang diện tích rộng và một dao động kí để thu đường cong L-I với sự hồi tiếp quang như mô tả trên hình 3.17(a).
Khi có sự hồi tiếp từ buồng cộng hưởng mở rộng thì sẽ có những biến thiên không liên tục ở trạng thái ngưỡng. Sự điều chỉnh tiêu điểm lặp đi lặp lại và sự căn chỉnh buồng mở rộng sẽ cho đồ thị như trên hình 3.17(c)
Hình 3.17. Đồ thị công suất phát của ECDL theo dòng điện bơm quét qua gần ngưỡng với một sóng tam giác. Ba đường cong L-I mô tả cho những sự canh
chỉnh khác nhau. Đường cong (a) sự canh hàng hộp không tốt và hoạt động đa mode, (b) bước nhảy gián đoạn cho thấy hoạt động đơn mode, (c) sự căn chỉnh tối ưu
Phương pháp thứ hai đơn giản và thường được sử dụng nhất để canh chỉnh ECDL. Đồng thời, người ta có thể sử dụng camera để theo dõi sự biến thiên cường độ nhằm đạt tới sự hồi tiếp tối ưu.
Sự triệt tiêu mode nhảy ở một laser tùy chỉnh bằng cách sử dụng cách tử Littrow có thể thu được theo sự quét đồng thời góc cách tử Littrow và chiều dài buồng ngoài. Cách đơn giản nhất để thu được chuyển động kết hợp như vậy là quay cách tử Littrow xung quanh một trục đặc biệt. Người ta đã chứng minh rằng có thể tìm được điểm quay tối ưu để thu được ngưỡng điều chỉnh cực đại.
Người ta có thể điều chỉnh một laser đơn mode bằng cách di chuyển cách tử. Để tìm hiểu tần số biến thiên như thế nào khi di chuyển cách tử, chúng ta nghiên cứu một vài trường hợp. Trên hình 3.18(a), cách tử di chuyển dọc theo hướng chùm tia laser, sự dao động sóng dừng bên trong hộp sẽ căng ra, mang lại sự điều chỉnh liên tục của tần số. Nhưng khi tần số biến thiên, sự kéo căng này cũng làm thay đổi góc nhiễu xạ từ cách tử, sau một thời gian thì một mode có chu kì hơn nửa bước sóng bên trong hộp sẽ hướng thẳng về phía gương; tức là mode đó sẽ có mất mát thấp, dẫn tới một mode nhảy gián đoạn của tần số như thể hiện ở phía bên phải của hình 3.18(a). Tuy nhiên, nếu cách tử di chuyển vuông góc với chùm tia như minh họa trên hình 3.18(b), khi khoảng cách giữa bất kì khe đặc biệt nào trên cách tử và gương sẽ không thay đổi, có nghĩa là ngay cả hộp cộng hưởng cũng trở nên dài hơn, không có sự thay đổi nào ở tần số hết. Người ta còn có thể làm thay đổi tần số của laser bằng cách quay góc cách tử, nhờ đó chọn lọc sự hồi tiếp tần số đến gương.
Nếu cách tử xoay xung quanh điểm chính giữa của chùm tia, như trên hình 3.18(c), thì tần số của hộp cộng hưởng ở chính giữa chùm tia sẽ không thay đổi. Điều này có nghĩa là không có sự biến thiên tần số nào cho đến khi mode khả dĩ tiếp theo có độ mất mát thấp hơn, và khi đó mode laser nhảy sang tần số mới.
Có thể quay cách tử tối ưu hóa vị trí chính xác của trục quay để thu được sự điều chỉnh bước sóng liên tục. Sơ đồ cấu tạo của ECDL được trình bày trên hình 3.18. Giao điểm của trục laser và mặt phẳng cách tử được kí hiệu là G, gốc của trục tại điểm O được xác định bởi OG = L, L là độ dài quang học của buồng cộng hưởng laser
Hình 3.18.Các cách khác nhau để di chuyển cách tử và sự thay đổi bước sóng tương ứng của nó.
Bậc nhiễu xạ thứ nhất của cách tử bị nhiễu xạ trở vào trong buồng với góc cách tử θ. Với chu kì cách tử d, λr được cho bởi:
λr =2d sinθ (3.38) Bước sóng mode buồng cộng hưởng λq được cho bởi biểu thức đã biết
λq = 2L/q, khi xét đến sự dịch chuyển cách tử trong mặt phẳng của nó. Ta tìm được λq: , 0 2 ( ) q L q t d λ = θ + (3.39)
trong đó t0(θ) là khoảng cách từ G đến một điểm khe cách tử lấy làm tham chiếu. Giả sử cách tử quay xung quanh một trục R(z0,y0) song song với các vạch cách tử và trước khi có bất kì chuyển động quay cách tử nào góc ban đầu của nó là θ0, chiều dài hộp quang là L(θ0) = L0, và tần số mode thứ q đúng bằng tần số tổn thất cực tiểu λr:
λq(L0) =λ θr( 0) (3.40) Khi cách tử quay đi thì góc θ biến thiên và do đó λr dịch chuyển. Người ta quan tâm độ chênh lệch:
F( )θ =λ θq( )−λ θ( ) (3.41) Độ chênh lệch này bằng zero với θ = θ0, và duy trì đối với sự quay cách tử lớn. Nếu F(θ) giữ nhỏ hơn nửa khoảng cách mode buồng cộng hưởng, thì mode thứ q sẽ vẫn trội hơn và không có mode nào sẽ xuất hiện trong khi bước sóng được điều chỉnh. Do đó, điều kiện cho sự kiềm chế mode nhảy là:
( )
2
F θ p ∆λ (3.42)
Điều kiện này thu được với θ = θ0 và có thể duy trì với các giá trị (θ−θ0) lớn nếu các đạo hàm của F(θ) triệt tiêu tại θ = θ0.
Bước sóng sử dụng phương trình (3.38) và (3.39), (3.41) có thể viết lại như sau:
0 2 ( ) ( ) 2 sin ( ) / L F d q t d θ θ θ θ = − + (3.43)
Để cho đơn giản, giả sử với θ = θ0, mặt cách tử tham chiếu nằm ngay trên trục laser [t0(θ0) = 0] và có một mode cộng hưởng tại bước sóng độ mất mát cực tiểu F(θ0) = λq(θ0) − λr(θ0). Khi đó F(θ) có thể viết như sau:
0 0 ( ) sin ( ) 2 [ sin ] ( ) sin L F d L t θ θ θ θ θ θ ∂ = − + (3.44)
Để xác định các điểm quay tối ưu, người ta lấy đạo hàm bậc nhất của F(θ)
, , 2 , 0 0 0 0 0 0 0 ( ) sin ( ) sin ( ) 2 [L t os ] F d c L θ θ θ θ θ = − − θ (3.45)
Hình 3.19Sơ đồ cấu tạo của laser
Để đạo hàm bậc một gần θ = θ0ta có 0 0 0 0 0 ( ) ( ) [ ]( ) cos R L z t θ θ θ θ θ − = − (3.46) Suy ra , 0 0 0 ( ) [ ] os R L z t c θ = −θ (3.47)
L’(θ0) có thể tính từ biểu thức cho L(θ), thu được từ cơ sở hình học của hình 3.18, nó được cho bởi:
0 0 0 0 sin cos os ( ) [ tan ] [ 1] os os os R R c L y z L c c c θ θ θ θ θ θ θ θ =− − − − + (3.48)
Khi đó ta dễ dàng tìm thấy F’(θ0) = 0 với 0 0 tan R L y = θ (3.49)
Do đó, điểm quay tối ưu dẫn đến sự điều chỉnh liên tục tại bậc một là điểm thuộc đường R1R2 như chỉ rõ trên hình 3.20. Nếu giờ ta khai triến biểu thức của F(θ) với bậc hai cho điểm thuộc đường R1R2 và sử dụng giá trị của yR cho bởi phương trình (3.49) thì ta có:
0 0 2 0 ( ) sin( )(zR 1)( ) F d L θ = θ + θ θ− (3.50)
Phương trình này triệt tiêu với zR = −L0. Như vậy, điểm quay tối ưu dẫn đến sự điều chỉnh liên tục với bậc hai của F(θ) là R4, như trình bày trên hình 3.20.
Hình 3.20Các trục quay đặc biệt: R4 là điểm quay tối ưu. LD: diode laser, G: cách tử.
Kết luận chương III
Trong chương này, chúng tôi đã khảo sát hệ thống diode laser hộp cộng hưởng ngoài cụ thể:
- Sự hồi tiếp quang bên ngoài nói chung tác dụng lên diode laser được xem xét với một mô hình buồng cộng hưởng laser ba gương ở trạng thái dừng và trạng thái động với những cường độ hồi tiếp khác nhau
- Các đặc trưng phổ của ECDL được biểu diễn theo công suất phát, khả năng điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ và sự phụ thuộc bước sóng của nhiệt độ.
- Các hệ thống của laser diode buồng cộng hưởng ngoài tùy chỉnh được giới thiệu với kiểu thiết kế hộp cộng hưởng ngoài cấu hình Littrow.
Cuối cùng, chúng tôi tìm hiểu các thao tác điều chỉnh cho sự hoạt động đơn mode và cơ cấu cho sự nén mode ở hệ diode laser hộp cộng hưởng ngoài cấu hình Littrow.
Hướng mở rộng đề tài
Những vẫn đề nghiên cứu trên mới chí xét cho trường hợp chung của các loại laser diode buồng cộng hưởng mở rộng. Hiện nay, trường Đại học Vinh đã được trang bị một hệ laser diode bándẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow của hãng Moglabs như trên các hình 3.21. Tuy nhiên, vì điều kiện thời gian nên luận văn chưa sử dụng thiết bị này làm các nghiên cứu kiếm chứng các vẫn đề lí thuyết đã nêu trên. Đây là những định hướng cho tác giả sẽ tiếp tục đi sâu nghiên cứu vấn đề này trong tương lai.
Hình ánh cụ thể của một laser diode được mô tả như hình 3.21
Hình 3.21. Cấu tạo bên ngoài và trong của laser diode
KẾT LUẬN CHUNG
Trong nội dung của luận văn “ Laser bán dẫn buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow”, chúng tôi đã tập trung tìm hiểu cấu trúc buồng cộng hưởng mở rộng. Những kết quả thu được có thể tóm tắt như sau:
+ Sự hoạt động của các diode laser bán dẫnChúng tôi mô tả các mức năng lượng và dải năng lượng trong những cấu trúc laser bán dẫn khác nhau
và so sánh những ưu, nhược điểm của chúng. Các đặc trưng cơ bản của các laser diode bán dẫn được tìm hiểu bằng mô tả lí thuyết .
+ Tìm hiểu được lớp phủ quang học trên bề mặt của laser diode về vai trò chức năng của lớp phủ.
+ Tìm hiều cấu trúc của thiết bị dùng để điều chính chùm tia laser phát ra từ buồng cộng hưởng Fabry- Perot lên cách tử nhiễu xạ ( bộ phận chuẩn trực)
+ Tìm hiểu được nguyên lí hoạt động của bộ mở rộng chùm tia , bộ cách li quang trong buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow
+ Tìm hiểu được bộ phận điện trong buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow như thanh tản nhiệt Peltier, sensor nhiệt, điều khiển nhiệt độ và dòng điện, phần tử điện giảo
+ Tìm hiểu được cách lựa chọn mode bằng cách tử, chúng tôi đi vào tìm hiểu sự lựa chọn mode của cách tử nhiễu xạ.
+ Sự hồi tiếp quang bên ngoài tác dụng lên laser diode ở mô hình buồng cộng hưởng laser ba gương ở trạng thái dừng và trạng thái động với những cường độ hồi tiếp khác nhau
+ Các đặc trưng phổ của ECDL được biểu diễn theo công suất phát, khả năng điều chỉnh mode đơn, bề rộng vạch phổ và sự phụ thuộc bước sóng của nhiệt độ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2001), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục.
[2] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý Laser và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội
[4] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội.
[5]. Akifumi Takamizawa, Littrow-type external-cavity diode laser with a triangular prism for suppression of the lateral shift of output beam, 2006 American Institute of Physics.
[6] G. P. Barwood, P. Gill, andW. R. C. Rowley, Frequency Measurements on Optically Narrowed Rb-Stabilised Laser Diodes at 780 nm and 795 nm,
Applied Physics B 53, 142 (1991).
[7] Kawaguchi H. (1984), Optical bistability and chaos in a semiconductor laser with a saturable absorber, Appl. Phys. Lett., Vol. 45, No. 12, pp. 1264- 1266
[8] M. Ohstu, Frequency Control of Semiconductor Lasers, Wiley, NewYork 1996.
[9] Yu S. F., Ngo N. Q. (2002), Simple model for a distributed feedback laser integrated with a Mach-Zehnder modulator, IEEE J. Quantum Electron., Vol. 38, No. 8, pp. 1062-1074.
[10] C.E. Webb, J. D. C. Jones (Eds): Handbook of Laser Technology and Applications, Vol 2: Laser Design and Laser Systems, IOP 2004
[11] W. Demtroder: Laser spectroscopy, 3rd ed, Springer 2003 [12]. Tarasov L.V., Laser physics, Mir Publisher, Moscow, 1983.