Rộng vạch phổ

Ưu điểm của laser buồng cộng hưởng mở rộng là có bề rộng vạch phổ hẹp. Bằng cách tăng chiều dài buồng cộng hưởng quang, sự thăng giáng pha

tái kết hợp tự phát trong bề rộng vạch phổ laser có thể giảm đi rất nhiều. Phổ công suất của điện trường có dạng Lorentz, với bề rộng tại nửa cực đại (FWHM) cho bởi công thức Schawlow-Townes:

2 2 0 ( ) (1 ) q sp g q t h gn P ν ν ν ∆ α β ∆ = + (3.26) Trong đó P0 là công suất mode, nsp là số photon phát xạ tự phát trong mode, g là độ khuếch đại, h là hằng số Planck, νq là tần số laser. Hệ số mất mát toàn phần là α αt = −ln R R1 2 đối với diode độc lập; và 4

1 2

ln

t T R R

α α= − đối với laser diode buồng cộng hưởng ngoài; R1 và R2 tương ứng là các hệ số phản xạ mặt. Hệ số tăng bề rộng vạch phổ β được cho bởi (dn/dG)(dG/DN), ∆νg là bề rộng dải (FWHM) của buồng Fabry-Perot, nó liên hệ với thời gian sống photon τp và độ mất mát buồng cộng hưởng qua mỗi lần. Đối với mỗi laser diode độc lập, biểu thức gần đúng cho độ rộng dải tần số là:

gSD 2 1 2 p c nd ν πτ π ∆ = = (3.27)

Trong đó n là chiết suất của môi trường. Phương trình (3.27) thay đổi khi diode hoạt động trong một buồng ngoài, trong đó thời gian sống photon lâu hơn đáng kể do sự truyền không mất mát trên khoảng cách L ? nd:

gEC 2 ( ) c nd L ν π ∆ = + (3.28) Hình 3.8. Phổ điều chỉnh công suất kích thích của laser buồng cộng hưởng ngoài

Tính theo bề rộng vạch phổ không có hồi tiếp ∆νgSD, và với một công suất mode P0 cho trước, ta có:

(1 ) gSD gE ν ν ∆ γ ∆ = + (3.29)

Trong đó γ = L/nd ? 1, giới hạn thăng giáng pha tự phát với bề rộng vạch phổ laser giảm đi năm bậc so với buồng cộng hưởng ngoài.

Tuy nhiên, tỉ lệ giảm bề rộng vạch phổ chỉ có giá trị với mức hồi tiếp thấp (<1%). Cùng với sự suy giảm thăng giáng pha tự phát thì buồng cộng hưởng mở rộng sẽ tách tần số laser cộng hưởng từ sự phụ thuộc mạnh vào chiết suất chất bán dẫn. Vì độ dài quang học của buồng cộng hưởng là (nd + L), nên các tần số mode là: , 1, 2, 3,... 2( ) q qc q nd L ν = = + (3.30) trong đó νq-1 (∂νq/∂n) = n-1 [(1+ γ)]-1 . Khi γ ? 1 thì các biến thiên tương đối của tần số mode do các biến thiên chiết suất giảm đi γ lần, do đó buồng cộng hưởng ngoài tách tần số laser cộng hưởng từ sự phụ thuộc mạnh vào chiết suất bán dẫn, đồng thời sự thăng giáng chiết suất cũng góp phần đáng kể vào bề rộng vạch phổ của laser diode độc lập, còn đối với laser buồng cộng hưởng mở rộng là không đáng kể.

3.2.4 Sự phụ thuộc của bước sóng vào nhiệt độ

Sự biến thiên ngưỡng phát laser theo nhiệt độ có biểu thức : 0 0 T T th I =I e (3.31)

Trong đó T0 là nhiệt độ đặc trưng chung, với các giá trị nhỏ của T0 thì cho biết sự phụ thuộc vào nhiệt độ là đáng kể. Các dụng cụ dùng trong thí nghiệm là một khối hoạt tính InGaAsP cấu trúc dị thể kép. Cách bố trí thí nghiệm cho buồng cộng hưởng ngoài được thể hiện trên hình 3.9, ánh sáng phát ra từ một

mặt phủ chống phản xạ cao được liên kết với buồng cộng hưởng mở rộng bởi một thấu kính có độ mất mát thấp.

Hình 3.9Sơ đồ diode laser buồng cộng hưởng ngoài. LD: diode laser, L: thấu kính, AR: lớp chống phản xạ.

Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng qua một ngưỡng nhiệt độ lớn (293K < T < 355K) và ngưỡng điều chỉnh rộng 1,23 µm ≤ λ ≤ 1,35 µm thì dòng điện ngưỡng có thể được đặc trưng tốt bởi một biểu thức đơn giản:

0 0 ( , ) ( ) T T th I λT =I λ e (3.32)

Trong đó λ = λ − ξT . Phương trình (3.32) là một kết quả đặc biệt. Vì cách tử nhiễu xạ bị chiếu sáng tại λ =1,25 µm và các dụng cụ quang phối hợp với buồng cộng hưởng có lớp phủ chống phản xạ băng rộng nên độ lớn của hiệu suất phối hợp buồng cộng hưởng về căn bản không biến thiên trên ngưỡng mất điều hướng đã nghiên cứu. Do đó, dòng điện ngưỡng tăng lên cần thiết với sự mất điều hướng khỏi cực đại khuếch đại không phải là một hệ quả của sự thay đổi mức mất mát, mà là hệ quả của sự thay đổi phân bố năng lượng của các hạt mang điện trong laser diode phân cực thuận.

3.3 Tối ưu công suất phát cho laser diode buồng cộng hưởng mở rộng

Hình 3.10 là thiết kế buồng cộng hưởng mở rộng một mặt trong cấu hình Littrow, là cấu hình được sử dụng phổ biến nhất.

Tuy nhiên, ngay cả với mặt phủ tốt thì các hiệu ứng phụ của sự cộng hưởng buồng diode vẫn có thể quan sát thấy. Cũng còn có nhược điểm là chùm tia bị dịch chuyển khi bước sóng laser được điều chỉnh. Để khắc phục vấn đề này thì chúng ta sử dụng một gương phẳng được gắn sao cho mặt của nó vuông góc với mặt cách tử để tạo thành một gương phản xạ vào bên trong. Chuyển động quay của cách tử và gương để định hướng chùm tia phát ra không đổi, mặc dù sẽ có một số dịch chuyển chùm tia nếu trục quay không được định rõ bởi giao tuyến của cách tử và gương.

Hình 3.10. Sơ đồ thiết kế hộp cộng hưởng ngoài một mặt trong cấu hình Littrow

Một laser 780 nm xây dựng theo thiết kế này có công suất phát 80 mW,

bề rộng vạch phổ 350 kHz. Như trên hình 3.11, các hệ ECDL xây dựng trên thiết kế cấu hình Littrow

.

Gương

Hình 3.11 Thiết kế diode laser buồng cộng hưởng ngoài. Một diode laser AlGaAs, thấu kính chuẩn trực, và cách tử nhiễu xạ trong cấu hình Littrow, gắn trên một giá gương động. Một bộ cảm biến nhiệt độ nhiệt trở dùng cho hồi tiếp để bình ổn nhiệt độ laser cùng với một máy lạnh nhiệt điện (không thể hiện trên hình). Một bộ cảm biến bán dẫn LM35 cung cấp một số chỉ nhiệt độ độc lập. Chiếc gương duy trì hướng ổn định của chùm tia phát khi điều chỉnh góc cách tử. Một chồng áp điện dùng để điều chỉnh góc cách tử và vì thế điều chỉnh bước sóng (20GHz/100V) và một đĩa áp điện dùng để điều chỉnh chiều dài hộp cộng hưởng cho sự hồi tiếp khóa tần. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Mỗi thiết kế gồm một laser diode Sanyo DL-7140-201 và một thấu kính chuẩn trực gắn trong ống chuẩn trực cố định với một giá gương cảm biến. Một bộ cảm biến nhiệt trở 10 kΩ và một máy Peltier được sử dụng để ổn định nhiệt độ laser diode. Một cách tử nhiễu xạ tráng vàng có 1800 vạch/mm trên một chất nền 15 × 15 × 3 mm3 mang lại sự hồi tiếp lọc lựa bước sóng với hiệu suất nhiễu xạ khoảng 15% đến 80% công suất trong buồng, chúng phản xạ trực tiếp để tạo nên chùm tia phát ra. Cách tử được gắn với mặt trước của giá gương, mang lại sự điều chỉnh cách tử thẳng đứng và nằm ngang. Các laser còn có một máy biến điện áp để điều khiển trục cách tử-gương,dẫn đến làm thay đổi góc cách tử và chiều dài buồng cộng hưởng, cho phép điều chỉnh bước sóng điện tử khoảng 20 GHz trên phạm vi 100 V

Điều này cho phép phạm vi quét rộng hơn và điện áp an toàn hơn nhiều so với thiết kế ban đầu. Mỗi laser được gắn với một đế kim loại nặng để cung cấp quán tính và sự tản nhiệt.

Hình 3.12(a) là một cấu hình khóa quang cộng hưởng sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot đồng tiêu. Trong hệ này, người ta sử dụng sự kết hợp quang yếu của đầu ra laser với bộ cộng hưởng quang Q cao, laser chỉ xuất

hiện sự hồi tiếp quang từ buồng cộng hưởng Fabry-Perot khi tần số của laser trùng với tần số cộng hưởng của buồng. Theo phương pháp này, bề rộng vạch phổ của laser có thể giảm đến vài KHz và tần số tại tâm của laser được dữ ổn với tần số cộng hưởng của buồng. Laser được điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều dài của buồng Invar Fabry-Perot với một PZT.

Hình 3.12. Các kiểu hồi tiếp quang khác nhau: (a) cấu hình khóa quang cộng hưởng sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot đồng tiêu, (b) kiểu buồng cộng hưởng vòng.

Hình 3.12(b) mô tả một laser buồng cộng hưởng vòng, đó là loại buồng cộng hưởng mở rộng khó điều chỉnh nhất. Giống như buồng cộng hưởng mở rộng hai mặt, buồng cộng hưởng vòng có ưu điểm là tăng sự triệt tiêu cộng hưởng độc lập do có sự triệt tiêu phản xạ ở cả hai mặt. Nó có thể làm thành một hướng duy nhất bằng cách chèn một bộ cách quang vào trong buồng cộng hưởng.

Khác với cấu hình Littman, trong cấu hình Littrow gương điều chỉnh có thể thay bằng một cách tử thứ hai tại góc Littrow. Như được mô tả trên hình 3.13, băng thông của sự kết hợp cách tử tới bề mặt của cách tử Littrow là:

1 2 1 1 1 2 2 1 2 os w (2 ) os os os dg c q q c d c d c c ν β π λ β β α ∆ = + (3.34) trong đó c là vận tốc ánh sáng, w là bán kính chùm tia, d1 và d2 lần lượt là khoảng cách khe của cách tử tới sớt qua và cách tử Littow, q1 và q2 là các bậc nhiễu xạ tương ứng. α1 là góc tới, β1 là góc nhiễu xạ của cách tử thứ nhất, β2 là góc Littrow của cách tử thứ hai và λ là bước sóng laser. Phương trình (3.34) suy ra cho bộ kết hợp cách tử-gương (q2 =0) là:

1 1 1 os w sg cd c q δν =π λ α (3.35)

So sánh phương trình (3.34) và (3.35), người ta thấy cấu hình cách tử kép cho phép băng thông nhỏ hơn (1+d1 cos β1/2d2 cos β2) lần so với buồng cộng hưởng cách tử-gương (q1 = q2 =1). Với khoảng cách khe cố định của cách tử góc tới là là, độ giảm này phụ thuộc nhiều vào khoảng cách khe của cách tử Littrow. Sử dụng một cách tử Littrow với chu kì cách tử 1200vạch/mm và góc tới tiêu biểu 80o ở bước sóng 770 nm, người ta thu được sự giảm băng thông 1,3 lần.

Hình 3.13.Sơ đồ cấu tạo cách tử kép. LD: laser diode, AR: lớp tráng chống phản xạ, L: ống chuẩn trực

Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các tham số như nhau nhưng dùng một cách tử có chu kì cách tử lớn gấp đôi con số vừa nói ở trên, thì người ta có thể thu được độ giảm 2,6 lần. Do đó, góc tới α1 có thể được giảm xuống đối với sự hoạt động của một băng thông cho trước. Điều này làm giảm sự mất mát của buồng, và do đó làm tăng ngưỡng điều chỉnh.

Ngoài ra, cách sắp xếp cách tử kép còn cho phép người ta đồng bộ hóa việc quét mode buồng và việc quét bước sóng hồi tiếp bằng một cấu trúc cơ đơn giản, và đó là sự điều chỉnh bước sóng với mode không nhảy

Đường cong điều hưởng của một hệ laser 80 nm đã tối ưu hóa được mô tả trên hình 3.14(a), laser được điều chỉnh liên tục trong một mode đơn dọc mà không có bước sóng nào của bước sóng từ 805 nm lên 840 nm ở dòng điện 90 mA và nhiệt độ 20oC. Tại chính giữa của đường cong điều chỉnh ở 820 nm thu được công suất phát cực đại 6 mW.

Hình 3.14. Đồ thị công suất phát theo bước sóng đối với: (a) hệ laser 820 nm và (b) laser buồng cộng hưởng ngoài 775 nm. Sự điều chỉnh bước sóng được thực hiện mà không có bất kì mode nhảy nào trên toàn bộ phổ.

Sự phụ thuộc của công suất phát vào bước sóng đối với laser buồng cộng hưởng ngoài 775 nm được minh họa trên hình 3.14(b). Laser này có thể điều chỉnh liên tục từ 758 nm đến 785 nm với công suất phát 4,5 mW tại cực đại của đường cong điều chỉnh ở 775 nm.

Hình 3.15 mô tả cấu tạo của laser diode buồng cộng hưởng ngoài cấu hình Littrow. ECDL gồm một đế thép có tác dụng làm giàn khung cho bộ cộng hưởng laser và để tản nhiệt.

Hình 3.15. Sơ đồ cấu tạo của một hệ laser diode buồng cộng hưởng ngoài gương tùy chỉnh đơn giản, gồm ba thành phần cơ bản: giá laser, gương và cách tử. Diode laser, máy lạnh Peltier, và ống chuẩn trực kết hợp chung với nhau trong một giàn khung laser ổn định. LD: diode laser, PZT: ống áp điện

Một laser diode Sharp có phủ lớp chống phản xạ gắn lên trên một miếng đồng nhỏ nối với máy lạnh Peltier và gắn với giá đỡ laser. Giá đỡ được lắp cố định lên trên đế thép. Thấu kính chuẩn trực nối với giá laser bằng một miếng lò xo thép cứng kẹp chặt, thấu kính gắn lên trên vòng lệch tâm kẹp chặt tại chỗ sau sự tuỳ chỉnh lúc đầu. Việc điều chỉnh tiêu điểm được thực hiện với đai ốc xoắn. Một gương điện môi chất lượng cao gắn lên trên giá gương với đai ốc xoắn tốt. Một bộ đổi điện (PZT) kẹp giữa gương và giá. Một phần

chùm tia tới cách tử bị phản xạ khỏi bộ cộng hưởng và tạo thành đầu ra của laser. Tỉ số công suất hồi tiếp tiêu biểu từ 5 đến 50% được kết hợp vào bậc nhiễu xạ thứ nhất, cách tử gắn lên trên một miếng nhôm và gắn trên đế thép. Hình 3.16 mô tả những đóng góp khác nhau của công tua khuếch đại lase. Môi trường laser, phụ thuộc vào các tính chất của chất liệu laser diode, đặc biệt là độ rộng vùng cấm.

: -

Hình 3.16. Đồ thị mô tả các thành phần quang khác nhau của hệ số khuếch đại laser diode buồng cộng hưởng ngoài.

Độ khuếch đại từ sự đóng góp này thể hiện một phổ rộng, có cực đại chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ chip laser

Sự điều chính quang học của laser buồng cộng hưởng ngoài đòi hỏi độ chính xác cao. Có một số phương pháp xét sự hồi tiếp quang với tần số đơn mode như mong muốn ν0, độ khuếch đại của mỗi thành phần sẽ đạt cực đại tại ν0 như mô tả trên hình 3.16. Dưới đây là hai phương pháp được sử dụng phổ biến để thu được sự hồi tiếp quang.

Chúng ta bắt đầu với việc đưa dòng điện bơm vào sao cho laser diode hoạt động dưới ngưỡng một ít. Bằng cách điều chỉnh các đai ốc một cách tinh vi, hai chùm tia huỳnh quang đi ra từ cách tử (một chùm yếu hơn chùm chính nhiều vì nó đã thực hiện một chu trình trong buồng cộng hưởng laser) và chồng lên nhau. Điều này sẽ có một sự tăng đột ngột của độ sáng phát xạ từ laser. Dòng điện bơm sau đó giảm đi cho đến khi hoạt động laser biến mất và sự căn chỉnh được lặp lại. Sự căn chỉnh đủ tốt được thực hiện bằng cách giảm dòng điện ngưỡng khoảng 10: 15% so với dòng điện ngưỡng của diode điều hưởng tự do. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

3.3.2 Tối ưu công suất phát

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.