a) Đo công suất laser
Để đo công suất laser chúng ta có thể sử dụng các đầu đo công suất. Hầu hết các đầu đo công suất và năng lượng laser đều có độ nhạy khác nhau với bước sóng. Một số đầu đo có độ đáp ứng phổ tương đối bằng phẳng trong khi những cái khác có thể thay đổi đáng kể từ bước sóng này đến bước sóng kia. Ví dụ, giả sử chúng ta có hai chùm tia laser 5 W giống hệt nhau, ngoại trừ một là một laser 532 nm và một là 1064 nm. Bây giờ, ta muốn đo cả hai bằng một cảm biến. Giả sử nó được hiệu chuẩn ở 1064 nm, chùm đó sẽ đọc đúng 5 W. Tuy nhiên, laser kia sẽ chỉ phát hiện 3,78 W vì cảm biến đặc biệt này có
độ nhạy khoảng 76 % ở 532 nm so với 1064 nm. Do đó, khi đo công suất của một mỗi laser chúng ta cần hiệu chỉnh lại bước sóng cho phù hợp. Ngoài ra, trước khi đo công suất laser, chúng ta cũng cần reset chỉ số đo về số “0”.
Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng đầu đo công suất loại PM125D sử dụng bộ cảm biến nhiệt S425C của Thorlabs, Mỹ (Hình 2.8). Đây là một cảm biến nhiệt có đáp ứng phổ trong một dải rộng và đầu đo có thể đo được công suất tối đa lên tới 10 W. Bộ đầu đo công suất quang học bao gồm một bảng điều khiển, một bộ cảm biến nhiệt C-series và các dây cab nối.
Hình 2.8: Đầu đo công suất laser loại PM125D (Thorlabs, USA)
Các đặc điểm của đầu đo:
- Bao gồm Bảng điều khiển kỹ thuật số, cảm biến và thành phần gắn kết.
- Tương thích với các cảm biến C-Series. - Màn hình kỹ thuật số lớn và dễ đọc.
- Cổng USB 2.0 để điều khiển qua PC với Phần mềm. - Phần mềm điều khiển màn hình.
- Pin có thể sạc lại.
- Đầu ra 3,5 mm Jack hoặc SMA (0 đến 2 V) trên bảng điều khiển cho tín hiệu giám sát.
- Hiệu chuẩn lại các cài đặt có sẵn.
Bảng 2.2: Các thông số cơ bản của đầu đo công suất
Kiểu mẫu PM125D
Dải sóng 190 nm – 20 m
Dải công suất đo được 2 mW - 10 W
Độ phân giải 10 W
Loại đầu dò Nhiệt
Khẩu độ Sensor thu Ø 2,54 cm
Cảm biến nhiệt S425C
Hình 2.9: Độ hấp thụ của cảm biến nhiệt S415C và S425C (Thorlabs, USA)
Các cảm biến nhiệt này nhìn chung được thiết kế cho các phép đo công suất băng thông rộng (Hình 2.9) của các nguồn ánh sáng năng lượng thấp và trung bình. Những cảm biến này hoạt động với thời gian đáp ứng tự nhiên nhanh (< 0,6 s) và tản nhiệt có thể tháo rời mang lại độ linh hoạt cao cho
những người muốn tích hợp chúng vào các thiết lập tùy chỉnh hoặc thay thế tản nhiệt đi kèm với nước hoặc quạt làm mát.
b) Đo phổ của laser sử dụng máy quang phổ
Máy quang phổ là một trong những công cụ quan trọng nhất trong lĩnh vực khoa học hiện đại, chẳng hạn như trong khoa học vật liệu, hóa chất, khảo cổ học, thử nghiệm ma túy và các lĩnh vực khác. Hiện nay, phổ kế phổ biến nhất trên thị trường là sử dụng quang phổ cách tử. Mặc dù quang phổ kế này có thể nhận được rất nhiều kết quả đo quang phổ chính xác. Tuy nhiên, các cải tiến khác nhau đối với máy quang phổ chưa bao giờ dừng lại, đặc biệt là theo hướng thu nhỏ, chi phí thấp và dễ sử dụng [45]. Máy quang phổ dựa trên bộ lọc hấp thụ là một giải pháp tuyệt vời cho việc thu nhỏ, đặc biệt là phổ kế lượng tử xuất hiện trong những năm gần đây [46-52]. Quang phổ kế lượng tử sử dụng các chấm lượng tử như các bộ lọc hấp thụ, đó là kỹ thuật rất hấp dẫn và được dự kiến sẽ giảm quang phổ kế xuống kích thước như đồng xu [53]. Tuy nhiên, các máy quang phổ dựa trên bộ lọc hấp thụ (thậm chí là phổ kế lượng tử) có sự hấp thụ tự nhiên gây ra nguồn ánh sáng. Và việc chế tạo bộ lọc hấp thụ cũng phức tạp và tốn kém.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng máy quang phổ Maya2000 Pro (Ocean Optics, Inc. USA). Đây là một thiết bị nhỏ gọn (148,6 mm 109,3 mm 50,4 mm), có độ nhạy cao và dải sóng hoạt động rộng từ 165 - 1100 nm (Hình 2.10). Trái tim của mỗi máy quang phổ Maya2000 Pro là một đầu thu 2D FFT-CCD mỏng trong một hệ quang học có cấu hình mạnh mẽ (Robust) với các thiết bị điện tử nhiễu thấp.
Hình 2.10: Hình ảnh máy quang phổ Maya2000 Pro (Ocean Optics, Inc. USA).
Hình 2.11: Cấu tạo bên trong của máy quang phổ Maya2000 Pro
Các thành phần của máy quang phổ Maya2000 Pro:
1. Đầu nối: Đảm bảo sợi đầu vào cho máy đo phổ. Ánh sáng từ sợi đầu vào đi vào hệ quang thông qua đầu nối này.
2. Khe: Một miếng vật liệu màu đen có chứa khẩu độ hình chữ nhật, được gắn trực tiếp phía sau đầu nối. Kích thước của khẩu độ điều chỉnh lượng ánh sáng đi vào hệ quang và điều khiển độ phân giải quang phổ. Trong một cấu hình khác của máy quang phổ dòng
Maya2000Pro người ta không dùng cấu hình khe này mà thay vào đó là sử dụng các sợi quang có đường kính khác nhau để xác định kích thước của khẩu độ lối vào.
3. Bộ lọc: Hạn chế bức xạ quang đến các vùng sóng được xác định trước. Ánh sáng truyền qua Bộ lọc trước khi vào hệ quang.
4. Gương chuẩn trực: Tập trung ánh sáng vào hệ quang học về phía cách tử của máy quang phổ. Ánh sáng đi vào quang phổ kế, đi qua đầu vào, khe và bộ lọc, và sau đó phản xạ ra khỏi gương chuẩn trực lên trên cách tử.
5. Cách tử: Nhiễu xạ ánh sáng từ gương chuẩn trực và hướng ánh sáng nhiễu xạ lên gương hội tụ. Các cách tử có mật độ số khe khác nhau cho phép xác định độ phân giải khác nhau trong quang phổ kế.
6. Gương hội tụ: Nhận ánh sáng phản xạ từ cách tử và hội tụ ánh sáng vào đầu thu CCD.
7. Đầu thu: Loại bỏ các hiệu ứng bậc hai và được sử dụng với cách tử trong dải bước sóng 200 - 950 nm trong các máy quang phổ kế Maya2000Pro.
8. Đầu dò dạng mảng: Cung cấp hiệu suất lượng tử 75 % và đặt các pixel vào một cột dọc để thu được ánh sáng tạo thành toàn bộ chiều cao của khe ảnh của quang phổ kế. Điều này cải thiện khả năng thu ánh sáng và tín hiệu nhiễu một cách đáng kể.
c) Thu ảnh mode chùm laser
Bức xạ laser được sử dụng theo nghĩa rộng nhất bao gồm toàn bộ phổ điện từ. Laser ngày nay được phát triển để có thể phát ra các bước sóng nằm trong dải rộng từ khoảng 200 nm đến khoảng 40 000 nm. Do đó, các kỹ thuật phát hiện cũng được phát triển để nhận biết và phân tích chùm laser. Nhìn
chung, phân tích chùm tia laser dựa trên phép đo năng lượng, sự phân bố cường độ của chùm laser, phân kỳ chùm, tham số vòng eo, mode laser [54].... Thông thường các thông số trên được đo riêng lẻ bằng cách sử dụng các thiết bị riêng. Sau này, khi bộ vi xử lý máy tính được phát triển cao, hầu hết các thông số trên có thể được đo bằng cách sử dụng hệ thống máy tính. Sự tiến bộ của máy dò ảnh dẫn đến việc sản xuất camera CCD (Charge Coupled Device), giúp cho phép đo trên có thể thực hiện được một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Khái niệm các mode ngang của bức xạ laser được hiểu là phân bố năng lượng của trường điện từ trong chùm laser trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền của chùm laser. Việc quan sát trực tiếp được các mode ngang của chùm laser sau capillary sẽ giúp cho việc điều chỉnh chất lượng chùm laser sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn.
Hình 2.12: Camera CMOS DCC3240M của Thorlabs
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một camera CCD loại DCC3240M của Thorlabs, Mỹ (Hình 2.12) để quan sát các mode ngang của xung laser sau capillary. Đây là loại camera CMOS có độ nhạy cao và độ phân giải 12801024 Pixel với đầu kết nối USB 3.0 với máy tính. Camera CDD được đặt để hứng chùm laser theo phương thẳng góc với hướng lan truyền của chùm laser ở sau một tấm làm yếu chùm và một thấu kính hội tụ. Mode ngang của xung được quan sát ngay trên máy tính và kết quả thu được ở dạng hình ảnh hoặc bảng số liệu dạng txt.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN