M Ở ĐẦU
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 cáchđiều 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 địnhtrong 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 tửCấu 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 nhiễuxạ 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 nàybước 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 số dụng cụ quang phụ trợ vào buồng cộng hưởng, nhưng dẫn đến buồng cộng
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 dụngcách 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.
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
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 vậysẽ 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 nhằmluân 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
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 cácgương có hệ sốphản 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/mmvà 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 quảđo 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 suất0.27 mW từ nguồn laser bơm. Ngưỡng phát này cũng tươngđồng 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 lênđặc trƣngcủa laser màu
Hiệu suất phát laser màu có xu hướng tăng dần kể từ ngưỡng công suất laser