CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU
2.1. Cấu tạo của hệ thống laser màu
2.1.1. Môi trƣờng hoạt chất
Hệ laser màu hoạt động trên môi trường hoạt chất DCM trong dung dịch Ethanol với nồng độ dung dịch là 1.5x10-4
mol/l. Chất màu được chứa trong cuvet thạch anh (kích thước 1cm x 1cm x 5cm) và được luân chuyển liên tục bằng một bơm dung dịch. Việc bơm chất màu sẽ đảm bảo độ đồng nhất quang học của môi trường và thay thế các tâm màu bị thoái hóa trong quá trình bơm.
Chất màu DCM có một dải phổ phát quang khá rộng (~ 100 nm) trong vùng phổ nhìn thấy và có đỉnh phổ hấp thụ tại 472 nm (Hình 2.1). Tính chất quang phổ của DCM được đặc trưng bởi hiệu suất cao, dải phổ trải rộng, thời gian sống ở trạng thái kích thích dài [7] và sự dịch đỉnh stocks phụ thuộc vào dung môi [8]. Mặt khác, các laser có các yếu tố lọc lựa bước sóng có thể dễ dàng lựa chọn một cách liên tục các bước sóng theo yêu cầu trong vùng phổ phát xạ của DCM.
Hình 2.1: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu DCM/Ethanol [6].
2.1.2. Nguồn bơm
Nguồn bơm sử dụng cho laser màu là bức xạ nhân tần bậc hai của laser Nd:YAG (Hình 2.2) hoạt động ở chế độ biến điệu độ phẩm chất (Q-switch), được chế tạo bởi hãng Quantel (Pháp) với các thông số như sau:
- Phần (1) kí hiệu trong Hình 2.2 là bộ phận phát Laser 1064 nm.
- Phần (2) kí hiệu trong Hình 2.2 là bộ biến đổi hòa ba bậc hai để phát bước sóng 532 nm.
- Độ rộng xung là 5 ns. - Tần số lặp lại là 10 Hz.
- Tiết diện chùm tia hình tròn đường kính 6 mm.
Laser Nd:YAG có chất lượng chùm laser cao, công suất lớn và hoạt động ổn định.
Hình 2.3: Đầu thu photodiode AEP-X65 và phổ đáp ứng.
Hình 2.4: Dao động ký MDO-2202EG.
Độ rộng xung và tần số xung của Laser Nd:YAG được khảo sát bằng photodiode AEP-X65 của hãng Centronic với thời gian đáp ứng là 0.6 ns cùng dao động ký MDO-2202EG băng thông 200 MHz. Hình 2.5 cho ta thấy thời gian giữa các xung của laser Nd:YAG là 100 ms, tương đương với tần số là 10 Hz. Điều này phù hợp với thông số sử dụng được cài đặt trên thiết bị phát laser.
Hình 2.6: Độ rộng xung của laser Nd:YAG.
Hình 2.6 cho kết quả độ rộng xung (FWHM) của laser Nd:YAG là 10ns. So với độ rộng xung theo thông số kỹ thuật của laser là 5ns, kết quả này có sự không tương đồng. Điều này có thể giải thích bởi giới hạn đo của dao động ký sử dụng. Dao động ký có băng thông tối đa là 200 MHz nên có thời gian đáp ứng khoảng 8ns, vì vậy sẽ gặp hạn chế khi sử dụng để đo xung ngắn.
2.1.3. Cuvet màu
Hình 2.7: Cuvet chứa chất màu DCM.
Hình 2.8: Bơm luân chuyển chất màu.
Cuvet chứa dung dịch màu được chọn của hãng Hellma, có kích thước 1 cm x 1 cm x 5 cm với vùng phổ làm việc từ hồng ngoại đến tử ngoại. Hai đầu cuvet có ống để nối với bơm nhằm luân chuyển chất màu liên tục trong quá trình hoạt động, tránh các hiệu ứng gradient nhiệt và nhằm thay thế chất màu bị thoái hóa trong quá trình phát laser. Bơm sử dụng của hãng GREYLOR CO. Với điện áp 12V. Cuvet được gắn trên cùng một đế với thấu kính trụ (nhằm giữ nguyên
khoảng cách giữa thấu kính và cuvet), tất cả có thể dịch chuyển vuông góc với trục quang học. Với cách cấu tạo này, chúng ta có thể điều chỉnh độc lập được sự hội tụ của chùm bơm và việc chiếu sáng gương/cách tử (thay đổi kích thước vết laser chiếu trên mặt gương/cách tử). Cuvet đựng chất màu thường được đặt nghiêng một góc nhỏ (khoảng 50) so với quang trục để tránh sự phản xạ kí sinh trên thành cuvet.
2.1.4. Gƣơng ra
Gương ra có dạng nêm với góc < 40
, đường kính 4 cm và hệ số phản xạ 10%. Gương đặt vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng. Khoảng cách từ gương đến cuvet là 2,5 cm. Giá cơ khí của gương cho phép điều chỉnh gương theo hai chiều.
Hình 2.9: Gương ra.
2.1.5. Gƣơng cuối
Ở trong cấu hình buồng cộng hưởng, gương phản xạ có vai trò như một gương cuối. Gương phản xạ M1 sử dụng trong hệ laser có kích thước 5cm x 3cm x 1cm với hệ số phản xạ cao. Gương được gắn cố định trên giá có thể điều chỉnh theo 2 chiều. Bên cạnh gương M1, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát hệ laser với các gương có hệ số phản xạ khác sẽ được đề cập ở phần sau.
Hình 2.10: Gương phản xạ cao M1.
2.1.6. Cách tử
Yếu tố chọn lọc bước sóng được sử dụng trong hệ laser là cách tử. Cách tử được sử dụng trong buồng cộng hưởng của hãng Jobin-Yvon có kích thước 1cm x 1cm x 5cm với số vạch là 1200 vạch/mm và độ nhiễu xạ bậc 1 khoảng 25% tại bước sóng laser màu. Vị trí của cách tử được bố trí sao cho các vạch cách tử vuông góc với mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của cách tử (mặt phẳng tới của cách tử). Để thực hiện được yêu cầu trên, cách tử được gắn trên một giá vi chỉnh 3 chiều để có thể điều chỉnh chính xác vị trí của mặt cách tử cũng như của các vạch cách tử. Giá đỡ cách tử cũng được đặt trên một bàn quay vi chỉnh để có thể cho phép điều chỉnh chính xác một giá trị "góc tới " mong muốn của chùm laser đến bề mặt cách tử.
Hình 2.11: Cách tử.
2.2. Khảo sát các đặc trƣng của hệ laser màu phát băng rộng
Với cấu hình buồng cộng hưởng sử dụng gương phản xạ, các gương phản xạ sẽ đóng vai trò là gương cuối trong buồng cộng hưởng. Buồng cộng hưởng cấu
tạo gồm Cuvet chứa môi trường hoạt chất, 1 gương ra và 1 gương phản xạ. Chiều dài buồng cộng hưởng là 10 cm.
Sơ đồ trên có thể mô tả như sau: laser 532 nm phát ra sẽ được điều hướng bằng gương phản xạ ở bước sóng 532 nm, sau đó đi qua 1 gương có tác dụng làm suy giảm cường độ laser. Chùm laser sau đó sẽ đi tiếp qua 1 gương chia chùm vừa để điều hướng về vị trí buồng cộng hưởng, vừa có tác dụng giảm cường độ. Laser bơm sau khi chia chùm sẽ đi qua 1 thấu kính hình trụ để hội tụ lại trên bề mặt Cuvet chứa chất màu. Hoạt chất nhận năng lượng kích thích sẽ bức xạ dải rộng. Sau đó, chùm laser băng rộng sinh ra từ cuvet màu đi lại dọc theo trục buồng cộng hưởng, được khuếch đại và phát ra bức xạ laser.
Ở cấu hình này, thành phần gương cuối và năng lượng bơm vào laser sẽ được thay đổi để đánh giá các đặc tính của hệ laser màu DCM.
Hình 2.13: Ảnh thực tế hệ laser với buồng cộng hưởng sử dụng gương.
Thành phần gương cuối sẽ được thay lần lượt bằng 3 gương M1, M2 và M3 với hệ số phản xạ khác nhau. Các gương sẽ được đánh giá hệ số phản xạ bằng phương pháp đo công suất mà gương phản xạ với bước sóng của laser màu.
Gương M1 có kích thước là 5 cm x 3 cm x 1 cm với lớp phủ nhôm. Gương M2 là gương tròn với đường kính 4 cm và độ dày 1 cm, cũng được phủ nhôm. Gương M3 là 1 gương thủy tinh trong kích thươc tương tự gương M2. Các thông số về công suất laser vào cũng như công suất laser phản xạ lại của từng gương sẽ được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1: Hệ số phản xạ của 3 loại gương. Gương Công suất laser vào
(mW)
Công suất laser phản xạ (mW) Hệ số phản xạ (%) M1 M2 M3 Hình 2.14: 3 gương M1, M2, M3.
2.2.1. Ảnh hƣởng của gƣơng cuối lên đặc trƣng của laser màu
Để nguồn laser Nd:YAG hoạt động ổn định, công suất phát laser được cài đặt ở mức phát lớn nhất. Laser bơm do đó được phát ở công suất tối đa là 820 mW. Laser sau đó sẽ 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 đã đề cập ở trên. Công suất laser bơm sẽ được khảo sát tại 2 vị trí bằng máy đo công suất quang MELLES GRIOT – 13PEM001: vị trí 1 sau khi qua gương giảm cường độ và vị trí 2 là trước khi đi vào cuvet. Kết quả đo được thể hiện ở Bảng 2.
Hình 2.15: Máy đo công suất quang. Bảng 2: Công suất laser Nd:YAG. Công suất vị trí 1 (mW) Công suất vị trí 2 (mW) 42,0 4,0 24,0 2,0 20,5 1,6 16,4 1,2
Ngưỡng phát laser với gương phản xạ 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 cách tử. Công suất laser bơm và kết quả đo được của laser màu phát ra khi thay đổi các gương cuối khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.
Bảng 3: Công suất laser bơm sử dụng gương cuối khác nhau. Công suất laser bơm
(mW) Gương cuối Công suất laser màu (mW) Hiệu suất (%) 4,0 Gương M1 0,8 20,0 Gương M2 0,2 5,0
2,0
Gương M1 0,2 10,0
Gương M2 0,06 3,0
Gương M3 Không đo được
Từ kết quả trên, ta kết luận được với việc sử dụng gương có hệ số phản xạ cao hơn sẽ cho hiệu suất phát laser màu tốt hơn. Công suất laser bơm khi sử dụng gương M3 không đo được do công suất quá thấp, đạt tới giới hạn của máy đo công suất quang.
2.2.2. Ảnh hƣởng công suất laser bơm lên đặc trƣng của laser màu
Hiệu suất phát laser màu có xu hướng tăng dần kể từ ngưỡng công suất laser bơm. Hiệu suất laser đạt lên tới 20.0% tại công suất bơm 4.0 mW. Hiệu suất của gương M1 tại công suất bơm 1.6 và 1.2 mW không có sự thay đổi đáng kể có thể giải thích do vẫn đang bơm ở vùng gần ngưỡng phát. Công suất laser màu khi sử dụng gương M3 không đo được như đã giải thích ở Mục 2.2.1.
Bảng 4: Hiệu suất laser màu băng rộng. Công suất laser bơm
(mW)
Công suất laser màu (mW) Hiệu suất Gương M1 (Ngưỡng phát 0,27 mW) 4,0 0,80 20,0 % 2,0 0,20 10,0 % 1,6 0,10 6,3 % 1,2 0,08 6,6 % Gương M2 (Ngưỡng phát 0,50 mW) 4,0 0,20 5,0 % 2,0 0,06 3,0 % Gương M3 (Ngưỡng phát 0,70 mW)
4,0 Không đo được
2,0 Không đo được
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