CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ LASER MÀU
1.5. Phương pháp điều chỉnh bước sóng
1.5.3. Sử dụng yếu tố cách tử nhiễu xạ
Buồng cộng hưởng chứa cách tử nhiễu xạ là một trong những loại buồng cộng hưởng chọn lọc bước sóng phổ biến nhất. Đặc điểm của buồng cộng hưởng này là có cấu tạo đơn giản, dễ xây dựng, hiệu quả trong sử dụng, bức xạ laser đạt được có độ đơn sắc cao và khoảng phổ làm việc của laser khá rộng. Đây là một trong những cấu hình laser màu đơn sắc được nghiên cứu sâu nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất.
Cơ chế lọc lựa bước sóng dựa trên hiện tượng tán sắc hay nhiễu xạ của ánh sáng khi qua các yếu tố tán sắc. Khi đó, gương điện môi băng rộng của buồng cộng hưởng được thay thế bằng cách tử. Cơ chế hình thành dao động laser về nguyên tắc có thể được mô tả như sau: Bức xạ băng rộng trong buồng cộng hưởng laser màu khi đi qua các yếu tố tán sắc này sẽ được phân chia thành các bức xạ thành phần theo các góc tán sắc, nhiễu xạ khác nhau (phân chia bước sóng theo không gian). Bức xạ được chọn lọc bằng cách điều chỉnh cách tử hoặc gương quay để phản xạ lọc lựa bức xạ thành phần (sau khi tán sắc hoặc nhiễu xạ) trở lại môi trường hoạt chất dọc theo quang trục, từ đó hình thành dao động laser với bước sóng (tần số) xác định trong buồng cộng hưởng. Khi đạt được các điều kiện ngưỡng phát, người ta có thể thu được bức xạ laser ra có độ rộng phổ nhỏ và đơn sắc.
Bước sóng laser có thể được điều chỉnh thay đổi liên tục bằng cách thay đổi góc quay của yếu tố tán sắc hoặc gương phản xạ. Độ đơn sắc của bức xạ laser phụ thuộc đồng thời vào năng suất phân ly của yếu tố tán sắc và độ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng. Do vậy, để bức xạ laser đạt độ đơn sắc cao, người ta chủ yếu sử dụng cách tử hologram có năng suất phân giải cao để chọn lọc bước sóng, đồng thời sử dụng các bộ giãn chùm để giảm thiểu độ phân kì và
tăng năng suất phân ly cho cách tử. Hai cấu hình laser chọn lọc phổ chứa yếu tố phân chia bước sóng theo không gian tiêu biểu là cấu hình cách tử đặt ở vị trí Littrow và cấu hình Littman-Metcafl (Laser cách tử góc là). Trong đó, cấu hình buồng cộng hưởng Littrow sẽ được sử dụng trong luận văn này.
Hình 1.10: Buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Cấu hình Littrow.
Buồng cộng hưởng này được cấu tạo bởi một gương ra và một cách tử. Vị trí Littrow là vị trí của cách tử cho chùm nhiễu xạ trùng với chùm tới. Trên cách tử các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau sẽ bị nhiễu xạ theo các góc khác nhau so với pháp tuyến của cách tử. Một trong những tia sáng bị nhiễu xạ theo góc trùng với góc tạo bởi trục quang của buồng cộng hưởng với pháp tuyến của cách tử (tia phản xạ ngược) sẽ quay trở lại hoạt chất dọc theo buồng cộng hưởng và được khuếch đại thành bức xạ laser. Như vậy, cách tử trực tiếp đóng vai trò của một gương phản xạ đối với bức xạ trong bậc nhiễu xạ Littrow. Việc thay đổi bước sóng laser được thực hiện bằng cách quay cách tử nhằm chọn lọc bức xạ thành phần quay trở lại hoạt chất.
Theo công thức cách tử thì [4]:
(9)
Đối với buồng cộng hưởng Littrow, ta sử dụng trường hợp = tức là tia tán xạ ngược chiều tia tới. Nên trong trường hợp này bước sóng laser được xác định [4]:
(10)
Trong đó:
- là bước sóng ánh sáng nhiễu xạ. - là góc tới bề mặt nhiễu xạ
- là góc nhiễu xạ của bức xạ có bước sóng - d là hằng số cách tử
Hình 1.11. Minh họa cách tử [3].
Như vậy, với một cách tử xác định thì chỉ có bức xạ nào có bước sóng thỏa mãn phương trình (10) mới được khuếch đại trong buồng cộng hưởng. Khi ta quay cách tử đi một góc khác ( thay đổi) thì buồng cộng hưởng khuếch đại cho bước sóng khác ( thay đổi).
Độ tán sắc D của cách tử ở vị trí Littrow được xác định [4]:
(11)
Ở công thức (11) ta có thể nhận thấy độ tán sắc D của cách tử Littrow không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng nhiễu xạ, như vậy, cơ chế chọn lọc bước sóng không phụ thuộc vào bước sóng nhiễu xạ. Với chùm laser có độ phân kì , độ rộng phổ của bức xạ laser thu được sẽ là [4]:
(12)
Để tăng năng suất phân ly của cách tử, cần tăng số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ. Tuy nhiên, nếu tăng góc tới thì độ nhiễu xạ của cách tử sẽ giảm nhanh ảnh hưởng đến quá trình khuếch đại trong môi trường hoạt chất và do vậy hiệu suất laser sẽ không hiệu quả. Để khắc phục nhược điểm người ta đưa thêm một
hưởng sẽ phức tạp và giảm hiệu suất phát laser. Năm 1977, Littman đề xuất thay thế cách tử bằng hệ cách tử - gương quay (hệ số phản xạ với cách đặt gương quay đối diện với mặt cách tử, cách tử được đặt sao cho tia tới tạo với cách tử một góc là (góc ≈ 900) Khi đó cách tử được chiếu đầy bởi chùm laser (tương tự như sự giãn chùm). Bước sóng phát laser được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc quay của gương điều chỉnh. Độ dài bước sóng laser được xác định bởi công thức cách tử là [4]:
(13)
Hay:
(14)
(Khi m = 1, )
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ DAO ĐỘNG LASER BĂNG HẸP, ĐIỀU CHỈNH BƢỚC SÓNG BẰNG CÁCH TỬ
Trong chương này, chúng tôi thiết kế, phát triển và khảo sát 2 cấu hình buồng cộng hưởng laser màu: laser màu băng rộng và laser màu băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử cấu hình Littrow. Trong đó, buồng cộng hưởng với gương phản xạ sử dụng để phát laser màu băng rộng, qua đó khảo sát các tính chất của laser màu DCM. Cả 2 cấu hình đều có nguyên tắc bơm quang học chung 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 và 1 gương chia chùm cũng có tác dụng làm giảm cường độ. Laser sau khi chia chùm sẽ đi qua 1 thấu kính hình trụ để hội tụ lại trên bề mặt Cuvet chứa chất màu.