CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU
2.2. Khảo sát các đặc trưng của hệ laser màu phát băng rộng
2.2.3. rộng xung của laser màu băng rộng
Hình 2.16: Độ rộng xung của laser màu sử dụng gương M1, M2, M3
Khảo sát được thực hiện trên 3 gương M1, M2 và M3. Xung laser màu được thực hiện đo với hệ đo tương tự như khi đo xung laser Nd:YAG. Hình 2.16 miêu tả độ rộng xung của laser màu sử dụng gương cuối lần lượt là Gương M1, M2 và M3. Đồ thị chỉ ra độ rộng xung của laser thu được là 10 ns với tần số là 10 Hz. Kết quả này cũng tương đồng khi sử dụng gương M2 và gương M3. Như vậy trong điều kiện đo tương tự ta không phát hiện được sự thay đổi của xung laser màu băng rộng. Xung của laser màu băng rộng gần như lặp lại xung bơm.
2.2.4. Độ rộng phổ của laser màu băng rộng
Độ rộng phổ của một bức xạ laser là đại lượng quan trọng cho các nghiên cứu và ứng dụng quang phổ phân giải cao. Độ rộng phổ của một bức xạ quang học được quy định là độ rộng phổ ở tại một nửa của cực đại cường độ (FWHM). Thiết bị sử dụng để khảo sát độ rộng phổ là máy đo quang phổ cỡ nhỏ: CCS200 của hãng ThorLabs, có khoảng bước sóng đo được từ 200 – 1000 nm với độ
phân giải phổ nhỏ hơn 2 nm. Máy sử dụng sợi quang để thu tín hiệu từ laser phát, sau đó kết quả đo được thể hiện bằng phần mềm trên máy tính.
Hình 2.17: Máy đo quang phổ và đầu thu tín hiệu quang.
Dưới đây là kết quả khảo sát với gương M1:
Độ rộng phổ được khảo sát theo các mức năng lượng bơm khác nhau như đã trình bày ở phần 2.2.1. Trong đó:
- Đường màu đen: năng lượng bơm là 4,0 mW, thu được độ rộng phổ là 3,9 nm với bước sóng đỉnh tại 620,6 nm.
- Đường màu đỏ: năng lượng bơm là 2,0 mW, thu được độ rộng phổ là 3,4 nm với bước sóng đỉnh tại 621,1 nm.
- Đường màu xanh nước biển: năng lượng bơm là 1,6 mW, thu được độ rộng phổ là 4,6 nm với bước sóng đỉnh tại 620,2 nm.
- Đường màu xanh lá cây: năng lượng bơm là 1,2 mW, thu được độ rộng phổ là 4,3 nm với bước sóng đỉnh tại 619,m3 nm.
Hình 2.18: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M1). Kết quả khảo sát với gương M2
Hình 2.19: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M2).
Độ rộng phổ được khảo sát theo các mức năng lượng bơm khác nhau như đã trình bày ở phần 2.3.1. Trong đó:
- Đường màu đen: năng lượng bơm là 4,0 mW, thu được độ rộng phổ là 1,6 nm với bước sóng đỉnh tại 616,1 nm.
- Đường màu đỏ: năng lượng bơm là 2,0 mW, thu được độ rộng phổ là 1,3 nm với bước sóng đỉnh tại 616,5 nm.
- Đường màu xanh nước biển: năng lượng bơm là 1,6 mW, thu được độ rộng phổ là 2,0 nm với bước sóng đỉnh tại 616,1 nm.
- Đường màu xanh lá cây: năng lượng bơm là 1,2 mW, thu được độ rộng phổ là 2,2 nm với bước sóng đỉnh tại 616,5 nm.
Kết quả khảo sát với gương M3:
Hình 2.20: Độ rộng phổ laser màu băng rộng theo năng lượng bơm (Gương M3)
Độ rộng phổ được khảo sát theo các mức năng lượng bơm khác nhau như đã trình bày ở phần 2.3.1. Trong đó:
- Đường màu đen: năng lượng bơm là 4,0 mW, thu được độ rộng phổ là 3,0 nm với bước sóng đỉnh tại 617,9 nm.
- Đường màu đỏ: năng lượng bơm là 2,0 mW, thu được độ rộng phổ là 2,5 nm với bước sóng đỉnh tại 618,1 nm.
- Đường màu xanh nước biển: năng lượng bơm là 1,6 mW, thu được độ rộng phổ là 2,1 nm với bước sóng đỉnh tại 619,7 nm.
- Đường màu xanh lá cây: năng lượng bơm là 1,2 mW, thu được độ rộng phổ là 2,5 nm với bước sóng đỉnh tại 618,3 nm.
Với các kết quả đo trên, ta nhận thấy các giá trị về bước sóng, độ rộng phổ cũng như năng lượng của laser băng rộng không ổn định khi thay đổi các yếu tố tạo laser như công suất bơm, thành phần gương cuối... Dưới đây, chúng tôi thực hiện nghiên cứu và phát triển hệ laser màu băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng bằng cách tử để khắc phục những nhược điểm trên của laser màu băng rộng.
2.3. Khảo sát các đặc trƣng của hệ laser màu xung băng hẹp.
Trong luận văn này, buồng cộng hưởng sử dụng cách tử cấu hình Littrow được sử dụng để tạo laser màu băng hẹp cũng như thay đổi, lọc lựa bước sóng laser màu. Ở buồng cộng hưởng này, gương phản xạ sẽ được thay bằng cách tử hoạt động theo cấu hình Littrow.
Hình 2.21: Hệ laser màu với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow.
Với laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow, ta có thể mô tả hoạt động của hệ laser này như sau:
Chùm laser Nd-YAG (bước sóng 532 nm, độ rộng xung 5 ns) được chia làm 2 chùm bởi một kính chia. Chùm thứ nhất đựơc dùng bơm cho cuvet màu của buồng cộng hưởng qua thấu kính trụ thạch anh (tiêu cự f = 5 cm). Trong buồng cộng hưởng, chùm bơm được hội tụ bởi thấu kính trụ sẽ tạo ra vết laser bơm trên cuvet có kích thước (0,2 cm x 0.2 cm x 1 cm).
Hình 2.22: Ảnh chụp hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Littrow.
Chùm laser băng rộng từ cuvet màu (được hình thành bởi gương ra) đến bề mặt cách tử và được cách tử nhiễu xạ ở các góc khác nhau ứng với các bước sóng khác nhau, phụ thuộc vào bậc nhiễu xạ. Bằng việc điều chỉnh góc xoay của cách tử, ta có thể thu được bước sóng laser mong muốn với độ đơn sắc cao. Chùm laser (đơn sắc) bị phản xạ quay trở lại môi trường khuếch đại và bắt đầu một chu trình đi-lại nữa trong buồng cộng hưởng, sau đó cộng hưởng và hình thành laser màu.
Cách tử được sử dụng trong buồng cộng hưởng có kích thước 1cm x 1cm x 5 cm với số vạch là 1200 vạch/mm.
2.3.1. Ảnh hƣởng công suất laser bơm lên đặc trƣng của laser màu
Laser bơm được phát ở công suất tối đa là 820 mW, sau đó được làm suy giảm cường độ tới mức thích hợp trước khi đi vào chất màu nhờ 1 gương lọc và 1 gương chia chùm như trong sơ đồ laser (Hình 2.21). Sự thay đổi của công suất laser màu theo công suất laser bơm cũng như hiệu suất phát laser của buồng cộng hưởng sử dụng cách tử cấu hình Littrow được trình bày trong Bảng 5.
Ngưỡng phát laser với gương M1 được khảo sát với kết quả là công suất 0.27 mW từ nguồn laser bơm. Ngưỡng phát này cũng tương đồng với khi sử dụng gương cuối là cách tử. Với gương cuối là gương M2, M3, ngưỡng phát lần lượt là 0.5 và 0.7 mW.
Từ Bảng 5, ta có thể thấy hiệu suất phát laser màu băng hẹp có xu hướng tăng dần kể từ ngưỡng công suất laser bơm. Bên cạnh đó, hiệu suất phát laser tối
đa đạt được của laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow là khoảng 8.0%, kể từ mức bơm 2.0 mW cho tới mức bơm 35.5 mW.
Bảng 5: Hiệu suất laser màu băng hẹp. Công suất laser
bơm (mW)
Công suất laser màu (mW) Hiệu suất (%) 35.5 2.9 8.2 3.3 0.26 7.9 2.5 0.20 8.0 2.0 0.16 8.0 1.7 0.12 7.0 1.4 0.09 6.5 1.0 0.06 6.0
2.3.2. Độ rộng xung của laser màu băng hẹp
Hình 2.23: Độ rộng xung của laser màu băng hẹp.
Xung laser màu băng hẹp được thực hiện đo với hệ đo tương tự như 2 phép đo xung trước. Đồ thị chỉ ra độ rộng xung của laser thu được là 10 ns với tần số là 10 Hz, kết quả này tương tự với xung laser băng rộng cũng như nguồn xung phát từ laser bơm Nd:YAG.
2.3.3. Sự thay đổi bƣớc sóng liên tục của laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow
Ở khảo sát này, chúng tôi thực hiện việc thay đổi bước sóng bằng cách thay đổi góc của cách tử. Thiết bị đo sử dụng là máy đo quang phổ CCS200 với thông số kĩ thuật như đã trình bày ở mục 2.4.5. Từ đồ thị chúng ta có thể quan
hệ laser màu sử dụng cách tử với môi trường hoạt chất là chất màu DCM có khả năng thay đổi liên tục bước sóng trong khoảng từ 615 nm tới 662 nm, phù hợp với kết quả được trình bày trong luận văn [10] của Rana et al.
Hình 2.24: Sự thay đổi bước sóng khi sử dụng cách tử cấu hình Littrow.
2.3.4. Độ rộng phổ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow
Trong thí nghiệm này, tính chất băng hẹp của laser màu cũng được khảo sát. Từ các kết quả đo trên, giá trị trung bình của độ rộng phổ thu được được xấp xỉ 1 nm. Như vậy, ta có thể thấy so với kết quả độ rộng phổ của hệ laser màu băng rộng sử dụng gương cuối là gương phản xạ ở trên, hệ laser màu sử dụng cách tử có độ rộng phổ hẹp hơn. Tuy nhiên, giá trị này chưa thể hiện được hết độ đơn sắc khi sử dụng cách tử cấu hình Littrow, nguyên nhân do độ phân giải của thiết bị đo quang phổ CCS200 là 2 nm. Theo lý thuyết, độ rộng phổ sử dụng cách tử cấu hình Littrow có thể xác định theo công thức (10) và (12) đã đề cập ở chương 1. Theo công thức cách tử cấu hình Littrow:
Xét trường hợp bước sóng đỉnh , cách tử sử dụng 1200 vạch/mm với
Độ rộng phổ của laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow được xác định qua biểu thức:
Độ phân kì của chùm laser trong buồng cộng hưởng là kết quả tính toán thu được theo công thức Rayleigh Criterion. Từ đó, độ phân kì của chùm laser từ cuvet là:
với và D = 2,5 mm, ta xác định được
Với độ phân kì của chùm laser trong buồng cộng hưởng là
.
Giá trị này phù hợp với các kết quả đo độ rộng phổ sử dụng cấu hình tương tự trước đây tại Viện Vật lý là 0.5 nm.
2.4. Thiết kế hệ laser màu băng hẹp, điều chỉnh liên tục bƣớc sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow.
Hình 2.25: Hệ laser màu điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow tại Viện Vật lý.
Hình 2.33: Hệ thống ray trượt.
Để tối ưu hóa được hệ laser màu sử dụng cách tử cấu hình Littrow cũng như hệ thống hóa kết quả khi thực hiện các khảo sát, ta cần xây dựng một hệ laser màu ứng dụng riêng cho việc sử dụng cách tử cấu hình Littrow. Các thành phần chính về cơ khí của hệ laser được mô tả ở Hình 2.25. Tấm đỡ trên (Hình 2.26) là bề mặt để đặt toàn bộ hệ thống cơ khí của hệ laser. Hình 2.27, 2.28 và 2.29 mô tả các thành phần khác của hệ laser, bao gồm tấm giữ trụ đỡ có tác dụng cố định vị trí của Cuvet chất màu, đế hình chữ L để đặt thấu kính trụ hội tụ laser bơm, và bàn đế để cố định vị trí của gương ra. Tất cả các linh kiện được thiết kế sao cho quang trục của chùm laser bơm cũng như laser màu đều song song với mặt phẳng tấm đỡ (coi mặt phẳng tấm đỡ là chiều cơ sở của hệ laser). Một đặc trưng quan trọng của hệ laser được thiết kế là khả năng thay đổi được góc của cách tử một cách liên tục. Chính vì vậy, giá đỡ cách tử được đặt trên 1 trụ tròn quay. Cách tử phải được đặt sao cho vị trí nhiễu xạ trên bề mặt cách tử phải nằm trên tâm của trục quay. Yêu cầu trên được đảm bảo bằng thiết kế của tấm đỡ của cụm giữ cách tử (Hình 2.30). Trụ tròn được kết nối với tay quay thông qua một cơ chế đòn bẩy. Khi xoay vị trí tay quay sẽ làm thay quay trụ tròn, từ đó ta tính toán
được tỉ lệ thay đổi góc trên sự dịch chuyển của tay quay (tương ứng bao nhiêu độ trên mm), đồng thời thông qua đó xác định được sự thay đổi bước sóng theo góc quay của cách tử. Ở đây, tay quay có thể điều chỉnh được độ dài từ 0 – 25 mm. Với khả năng điều chỉnh của tay quay và chiều dài đòn bẩy của cơ cấu quay là 30 cm, ta xác định được tỉ số giữa sự thay đổi của góc và sự dịch chuyển của tay quay là
hay
. Qua tỉ số trên, có thể xác định được khả
năng thay đổi góc tối đa của cách tử vào khoảng , tương đương với sự dịch chuyển bước sóng khoảng 145 nm. Giá mang cách tử (Hình 2.31) và giá chữ U (Hình 2.32) được thiết kế để có thể điều chỉnh cách tử theo 2 bậc tự do là chiều lên xuống và chiều nghiêng. Hệ thống ray trượt (Hình 2.33) được kết hợp với một tay quay để di chuyển vị trí của cuvet và gương ra đặt trên bàn đế, từ đó giúp hệ có khả năng thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng. Chiều dài của buồng cộng hưởng có thể thay đổi từ 10 đến 35cm.
KẾT LUẬN
Trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử”, luận văn thạc sĩ đã tìm hiểu và nghiên cứu một cách có hệ thống về lý thuyết vật lý và công nghệ Laser. Những nghiên cứu này nhằm xây dựng hiểu biết căn bản về kỹ thuật laser sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất và cách tử làm yếu tố lọc lựa bước sóng, từ đó phát triển bộ dao động laser băng hẹp, có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng. Dựa trên những kiến thức trình bày, luận văn đã đạt được những kết quả chính như sau:
1. Nghiên cứu về lý thuyết trong việc phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh liên tục bước sóng bằng cách tử cũng như các phương pháp đo đạc thông số của laser.
2. Hoàn thiện việc nghiên cứu và phát triển được các bộ dao động laser, làm chủ được việc vận hành hệ laser. Hệ laser băng hẹp được xây dựng có khả năng phát laser băng hẹp, đồng thời điều chỉnh được bước sóng bằng cách thay đổi góc quay của cách tử. Bên cạnh đó, luận văn cũng khảo sát được các đặc trưng vật lý của hệ phát laser màu băng hẹp như độ rộng xung, độ rộng phổ, khả năng thay đổi liên tục bước sóng. Ảnh hưởng của công suất laser bơm lên đặc trưng của laser màu cũng được đánh giá, từ đó xác định hiệu suất phát laser màu.
3. Hệ laser màu băng rộng được đánh giá các đặc trưng bao gồm công suất phát laser, độ rộng xung, độ rộng phổ, cũng như ảnh hưởng của sự thay đổi các yếu tố trong buồng cộng hưởng lên laser màu băng rộng.
Kết quả của luận văn đã được nhận đăng và báo cáo tại Hội nghị Vật lý Kỹ thuật & Ứng dụng Toàn quốc (CAEP-7) lần thứ VII vào ngày 14/11/2021.
KIẾN NGHỊ
Đề tài luận văn “Nghiên cứu và phát triển bộ dao động laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng bằng cách tử” đã đạt được những kết quả nhất định. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài là tiếp tục đánh giá chi tiết hơn các thông số của laser màu băng hẹp như sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot để xác định độ rộng phổ.
Những kết quả của luận văn sẽ tiếp tục được phát triển, hoàn thiện để tiến tới đưa hệ laser màu vào các ứng dụng thực tiễn như làm nguồn bơm cho hệ quang phổ Cavity Ring-down hoặc ứng dụng cho hệ thống LiDAR.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser 2005, Nhà Xuất Bản Giáo dục.
2. Nguyễn Thị Mỹ An, 2019, “Nghiên cứu môi trường hoạt chất laser màu hữu cơ pha tạp hạt nano vàng dùng cho laser phản hồi phân bố phát xung
ngắn”, Luận văn Tiến sĩ Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện
Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
3. Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích, 2005, Thiết bị và linh kiện quang học, quang phổ laser, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội.