4. Phương pháp nghiên cứu
2.2. Xây dựng hệ thí nghiệm phổ phân giải cao đa năng
2.2.2. Bộ phận quang học
Bộ phận quang học bao gồm, các thiết bị quang được bố trí trên một mặt bàn quang học có kích thước nhỏ gọn (45 cm x 60 cm), vị trí sắp xếp các thiết bị được bố sao cho có thể chuyển đổi linh hoạt giữa các phép đo. Hình 2.15 mơ
tả vị trí của các thiết bị quang. Hệ sử dụng 6 bản tách chùm BS1 – BS6 (2 bản tách chùm BS1 30/70 và BS2 10/90, còn lại là các bản tách chùm 50/50), 7 gương điện mơi M1 – M7, 3 bộ khóa chùm BB1 – BB3, 3 Photodetector PD1 – PD3, 3 kính phân cực P1 – P3. Hai laser diode buồng cộng hưởng ngồi cấu hình Litrow DL1 và DL2, 1 bộ định hướng một chiều Fabry-Pérot Isolator, 1 dao động ký điện tử, 1 giao thoa kế Fabry-Pérot, 1 buồng mẫu chứa khí Rubi. Các vị trí BS5, BS6 và M5 có thể linh động thay đổi để phù hợp với từng phép đo phổ khác nhau (Hình 2.14).
Hình 2.15 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên bề mặt quang học của hệ thí nghiệm.
2.2.2.1. Laser dị DL1
Laser dị DL1 là laser diode DLS1A buồng cộng hưởng ngoài, sử dụng cách tử có mật độ số vạch 1800 vạch/mm. Laser diode được xây dựng dựa trên các thiết bị của của hãng TeachSpin với các thông số như sau:
- Công suất phát của Laser diode: 0 – 70 mW. - Độ rộng vạch phổ chùm laser: 0.5 MHz. - Dải bước sóng phát: 770 nm – 790 nm. - Dải tần số điều biến RF: 0 MHz – 10 GHz. - Bước điều chỉnh dải tần: ±5 nm
- Phân cực chùm tia: phân cực thẳng 100:1 - Bộ ổn định nhiệt độ:
+ TEC: mặc định ± 15.4 V; 2.3 A; 21.4 W.
+ Cảm biến nhiệt: mặc định NTC 10 k; tùy chọn AD 590, 592 - Dải tần số quét: 20 GHz.
- Điện áp điều khiển piezo: 0 – 150 V; 3.0 m ±1.5 m; cộng hưởng khi >1 kHz với cách tử chuẩn
- Chiều dài buồng cộng hưởng từ 1-3 cm (dải tần số 5 – 15 GHz).
Đầu phát laser diode gồm: bộ chuẩn trực chùm tia, cách tử nhiễu xạ, bộ điều chỉnh ba chiều, piezo và các thiết bị điện tử khác. Đầu phát được đặt trên một bể nhiệt có chức năng ổn định nhiệt độ. Đầu laser được lắp đặt như Hình 2.16.
2.2.2.2. Laser bơm DL2
Laser bơm DL2 là laser diode ECD-003 buồng cộng hưởng ngồi cấu hình Littrow của hãng MoGlabs, laser có cấu tạo như Hình 2.17 với các thơng số:
- Cơng suất phát của laser diode: 50 – 120 mW. - Độ rộng vạch phổ: 0.5 MHz.
- Dải bước sóng: 770 nm – 790 nm.
- Dải tần số điều biến: 16 MHz – 2.5 GHz. - Cách tử nhiễu xạ: mật độ 1800 vạch/mm. - Bước điều chỉnh dải bước sóng: ±5 nm.
- Dạng phân cực của chùm laser: phân cực thẳng 100:1 - Bộ điều khiển nhiệt độ:
+ TEC: Giá trị mặc định ± 14.5 V; 3.3 A; 23 W.
+ Cảm biến nhiệt: mặc định NTC 10 k; cảm biến tùy chọn AD 590, 592. - Độ rộng dải tần số quét: 25 GHz.
- Điện áp điều khiển piezo: 0 – 150 V; 4.8 m; cộng hưởng khi >1 kHz với cách tử chuẩn.
Hình 2.17 Laser dioder ECD – 003 của hãng Moglabs.
- Chiều dài buồng cộng hưởng từ 1-3 cm (dải tần số 5 – 15 GHz).
2.2.2.3. Buồng mẫu nguyên tử
Trong thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng buồng mẫu nguyên tử Rubi chứa hai đồng vị là 85Rb và 87Rb của hãng Thorlabs. Buồng mẫu được đặt trên giá ổn định nhiệt độ được điều khiển bởi module điều khiển nhiệt độ. Hình 2.18 mơ tả cấu tạo của buồng mẫu nguyên tử GC19075-RB, kích thước của buồng mẫu: chiều dài 7.5 cm, đường kính 1.9 cm, góc mở của cửa sổ 11o ± 1o.
Hình 2.18 Buồng mẫu nguyên tử Rubi đặt trên giá ổn định nhiệt độ.
2.2.2.4. Gương phản xạ
Hình 2.19 Gương phản xạ.
Hệ thí nghiệm sử dụng 7 gương phản xạ ME1 – G01, của hãng Thorlabs (Hình 2.19) có thơng số kỹ thuật như sau:
+ Độ dày: 3.2 ± 0.20 mm
+ Độ phẳng bề mặt trước: 5λ @ 632.8 nm + Độ rộng khẩu độ: > 90% đường kính
2.2.2.5. Bản tách chùm
Hệ nghiên cứu sử dụng 2 bản tách chùm EBP1, 1 bản tách chùm EBS1 và hai bản tách chùm EBS2 với thông số kỹ thuật như sau (Hình 2.20).
+ Chất nền: Soda Lime Glass
+ Đường kính: 25.4 mm (EBP1, EBS1); 50.8 mm (EBS2) + Độ dày: 1 mm
+ Tỉ lệ tách: 30:70 (EBP1); 50:50 (EBS1, EBS2) + Độ rộng khẩu độ > 90% đường kính
Hình 2.20 Bản tách chùm.
2.2.2.6. Kính phân cực
Kính phân cực LPVIS100 của hãng Thorlabs, được sử dụng trong hệ nghiên cứu, có các thơng số kỹ thuật như sau (Hình 2.21):
+ Giải bước sóng hoạt động: 550 nm - 1500 nm + Vật liệu: Nano Sodium-Silicate Glass
+ Đường kính: 25.4 mm + Độ dày: 2 mm
+ Ngưỡng công suất hoạt động của laser truyền qua: 25 W/cm2 + Nhiệt độ hoạt động: -20 oC đến 120 oC
Hình 2.21 Kính phân cực.
2.2.2.7. Bộ lọc trung hịa
Bộ lọc trung hịa NDK01 (Hình 2.22) dùng để giảm cường độ chùm laser có các thơng số sau:
+ Giải bước sóng hoạt động: 350 - 1100 nm + Đường kính: 25 mm
+ Độ dày: 1.0 ± 0.10 mm + Góc mở: >90% đường kính
+ Chất lượng bề mặt: có từ 20 đến 40 vết xước + Độ phẳng bề mặt: < 2
Hình 2.22 Bộ lọc trung hịa NDK01 – Thorlabs.
2.2.2.8. Bộ khóa chùm
Để đóng, mở chùm laser chúng ta sử dụng 4 bộ khóa chùm như Hình 2.23 với thơng số kỹ thuật như sau:
+ Vât Liệu: Hợp kim + Kích thước: 35 mm + Độ dày: 1 mm
+ Đường kính mở tối đa 10 mm
Hình 2.23 Bộ khóa chùm.
2.2.2.9. Bộ định hướng quang
Bộ định hướng quang học là một thiết bị quang-từ thụ động chỉ cho phép ánh sáng truyền theo một hướng. Bộ định hướng này được sử dụng để bảo vệ
laser chống lại các chùm tia phản xạ ngược, vì các chùm tia phản xạ ngược có thể làm hỏng nguồn laser hoặc làm sai lệch tần số, công suất phát của nguồn laser. Trong các nguồn laser cơng suất cao, chùm tia phản xạ ngược có thể gây ra sự bất ổn định và gây ra hư hỏng nguồn phát laser.
Nguyên lý hoạt động của bộ định hướng quang dựa trên hiệu ứng Faraday. Năm 1842, Michael Faraday khám phá ra rằng mặt phẳng phân cực của ánh sáng quay khi truyền qua thủy tinh (hoặc các vật liệu khác) có sự xuất hiện của từ trường ngoài. Chiều quay phụ thuộc vào hướng của từ trường chứ không phụ thuộc vào hướng truyền ánh sáng; do đó, sự quay là khơng có tính thuận nghịch. Góc quay β được xác định bằng V B d, trong đó V là hằng số Vandet, B là độ lớn của từ trường và d là chiều dài của mơi trường ánh sáng truyền qua.
Hình 2.24 Bộ định hướng quang học.
Hệ thí nghiệm nghiên cứu tính chất quang của mơi trường, sử dụng bộ định hướng quang học IO-5-780-HP, của hãng Thorlab (Hình 2.24) có các thơng số kỹ thuật như sau.
+ Dải bước sóng điều chỉnh: 760 nm – 800 nm + Dải hoạt động: 740 nm – 820 nm
+ Cường độ truyền qua: 92 % + Hệ số cách ly: 38 – 44 dB
+ Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số cách ly và hệ số truyền qua như Hình 2.25.
+ Đường kính cực đại chùm tia 4.7 mm + Công suất cực đại: 40 W
+ Cường độ chùm tia cực đại: 50 W/cm2.
Hình 2.25 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua và hệ số cách ly
2.2.2.10. Giao thoa kế Fabry-Pérot
Hình 2.26 Giao thoa kế Fabry-Pérot. (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) Ảnh chụp hệ giao thoa
kế Fabry-Pérot.
Hệ thí nghiệm sử dụng một giao thoa kế Fabry-Pérot của hãng TeachSpin để định cỡ tín hiệu phổ. Sơ đồ cấu tạo của giao thoa kế Fabry- Pérot được biểu diễn trên Hình 2.26, sơ đồ nguyên lý hoạt động của giao thoa kế được mơ tả như trong Hình 2.26a. Giao thoa kế được cấu tạo từ hai tấm thủy tinh (hoặc thạch anh) phẳng song song, bề mặt của mỗi tấm được phủ một lớp phản xạ. Hai bề mặt phản xạ được đặt song song và hướng vào nhau. Mặt bên ngoài được phủ lớp chống phản xạ để tránh sự phản xạ ánh sáng từ các bề mặt vào bên trong gây ra tín hiệu nhiễu.
Do sự giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ, trong khoảng giữa hai gương xuất hiện tín hiệu cực đại khi tần số laser bằng: v
k k 2d
, (k = 1,2,…),
trong đó c là tốc độ ánh sáng và d là khoảng cách giữa hai bề mặt phản xạ. Tín hiệu giao thoa cực đại xuất hiện khi khoảng cách giữa hai gương bằng nguyên lần nửa bước sóng d k k
. Do đó, bước sóng cho tín hiệu cộng hưởng cực 2
đại là k c / vk 2d / k. Tín hiệu giao thoa cực điều khi khoảng cách giữa hai gương thỏa mãn d k k
k
. Do đó, khoảng cách giữa hai tần số cho tín hiệu
2 4
cực đại là vF c / 4d c0 / 4d n , ta gọi vF là khoảng phổ tự do (FSR). Hình 2.27 mơ tả biên độ mode cộng hưởng trong giao thoa kế Fabry-Pérot với số mode k d / ( / 2).
Hệ thí nghiệm sử dụng giao thoa kế Fabry-Pérot của hãng Techspin, với miền điều hưởng hoạt động trong vùng bước sóng 740 nm - 820 nm. Hai bề mặt gương phản xạ trong giao thoa kế có hệ số phản xạ R > 0.995. Với khoảng cách giữa hai bề mặt phản xạ là 20 cm do đó có thể tính được phổ tự do của giao thoa kế là FSR = 380 MHz.
Hình 2.27 (a) Biên độ của mode cộng hưởng trong giao thoa kế Fabry-Pérot (b)
Phân bố cường độ tín hiệu.
2.2.2.11. Đầu thu tín hiệu quang (Photodetector)
Đầu thu tín hiệu quang chúng tơi sử dụng trong hệ thí nghiệm là đầu thu FDS010 của hãng Teachspin (Mỹ) như Hình 2.28. Đây là đầu thu cho phép thu
ánh sáng laser trong miền bước sóng từ 400 nm đến 1100 nm. Các thông số kỹ thuật của đầu thu được liệt kê trên Bảng 2.2.
Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của đầu thu quang học.
Thông số Mặc định Các lựa chọn
Dải phổ (10% giá trị cực đại) 750 – 1000 nm 400 – 1100 nm Độ nhạy đỉnh (peak sensitivity) 900 nm 850 nm
Diện tích vùng nhạy 1 1 mm2
Công suất tới cực đại 500 W
Độ nhạy biểu kiến 30 mV/ W
Hình 2.28 Đầu thu tín hiệu quang.