He thong lazer mau

Trong trường hợp các phân tử màu được kích thích với nguồn bơm có cường độ mạnh laser hoặc đèn chớp, các phân tử màu được kích thích rất mạnh để chuyển lên các mức cao hơn của trạng thái

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Ngọc Thanh

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG LASER

MÀU ĐIỀU CHỈNH LIÊN TỤC TẦN SỐ

TỰ ĐỘNG HOÁ, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ LASER

VÀ HỆ ĐO QUANG PHỔ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI - 2005

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong luận văn này, cho phép tôi gửi lời cám ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt bốn năm học đại học vừa qua

Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới GS.TS Nguyễn Đại Hưng, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những ý tưởng khoa học mới mẻ và sâu sắc cùng những kinh nghiệm hết sức cần thiết và quí báu trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Vũ Thị Bích, TS Trần Hồng Nhung, TS Đỗ Quang Hoà, các anh chị và các bạn tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý và Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ, có những lời khuyên và những ý kiến đóng góp hết sức quí báu đối với tôi trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, bè bạn đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tác giả

TÓM TẮT

Sự ra đời của laser màu vào những năm cuối thập niên 60 đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong nghiên cứu quang học - quang phổ hiện đại Có thể nói laser màu là một công cụ nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực quang phổ Với khả năng phát các bức xạ có tính kết hợp cao về mặt không gian và thời gian; mật độ công suất phổ lớn và nhất là khả năng điều chỉnh tinh tế bước sóng trong một khoảng phổ rộng (từ gần tử ngoại đến hồng ngoại gần), laser màu đã trở thành một nguồn sáng lý tưởng thay thế các nguồn sáng quang phổ thông thường khác Đến nay, laser màu vẫn

là sự lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng quang phổ hiện đại thuộc vùng phổ khả kiến

và tử ngoại gần

Các hệ đo sử dụng các laser màu xung điều chỉnh liên tục bước sóng được sử dụng rất rộng rãi Sự phát triển của khoa học kĩ thuật hiện nay, đặc biệt là sự phát triển của máy tính cùng các thiết bị đo đạc kĩ thuật số đã mở ra khả năng điều khiển và tự động hoá các hệ đo

Nội dung bản luận văn:

• Nghiên cứu về lý thuyết của laser màu và lý thuyết về buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng sử dụng hệ lăng kính giãn chùm và cách tử Littrow

• Sử dụng kĩ thuật số điều khiển thiết bị laser

• Sử dụng hệ laser làm nguồn kích thích trong một hệ đo quang phổ Tự động hoá và xử lý số liệu cho hệ đo hệ đo quang phổ bằng kĩ thuật số

2 Buồng cộng hưởng laser màu đơn sắc cao sử dụng lăng kính giãn chùm -

3.1 Một số khả năng kích thích quang học bằng laser 17

3.2.1 Các tính chất của nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích 21

3.2.2 Ion hóa các trạng thái kích thích rất cao bằng điện trường 22

3.3.1 Quang hoá học 22 3.3.2 Phân ly đồng vị 23

CHƯƠNG 2

ĐIỀU KHIỂN HỆ LASER MÀU, ĐƠN SẮC CAO, ĐIỀU CHỈNH

2.1.5 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước 36

CHƯƠNG 3

TỰ ĐỘNG HOÁ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐO QUANG PHỔ VỚI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của Laser là một trong những thành tựu khoa học quan trọng của thế

kỷ 20 Hơn bốn mươi năm qua, vật lý và công nghệ laser đã phát triển rất nhanh chóng, không ngừng có ảnh hưởng to lớn và trực tiếp đến các lĩnh vực khác nhau của khoa học, công nghệ cũng như đời sống hàng ngày

Lịch sử phát triển laser màu (có môi trường hoạt chất là các chất màu hữu cơ)

đã trải qua nhiều sự kiện quan trọng Năm 1966, lần đầu tiên quá trình bức xạ cưỡng bức trên các tâm màu hữu cơ ở dạng dung dịch được chứng minh bằng thực nghiệm bởi hai nhà vật lý Sorokin và Lankard Năm 1970, sự phát triển của vật lý và công nghệ laser đã cho phép thu được những bức xạ laser màu đơn sắc cao, có thể điều chỉnh liên tục bước sóng trên miền phổ từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Giữa những năm 80, bằng kĩ thuật mode - locking người ta thu được các xung laser màu cực ngắn, kỷ lục xung ngắn hiện nay là 4 femto-giây

Ngày nay, các loại laser nói chung và laser màu nói riêng là những thiết bị không thể thiếu được để phát triển các phương pháp nghiên cứu quang phổ laser hiện đại trong nhiều lĩnh vực: vật lý, hoá học, khoa học vật liệu và y sinh học Có thể nói, laser màu là một công cụ nghiên cứu rất hiệu quả trong lĩnh vực quang học - quang phổ Với các khả năng: phát các bức xạ có tính kết hợp cao về không gian và thời gian; mật độ công suất phổ lớn và khả năng điều chỉnh tinh tế bước sóng trong một khoảng phổ rộng từ gần tử ngoại tới hồng ngoại gần, laser màu trở thành một nguồn sáng lý tưởng, thay thế hiệu quả các nguồn sáng quang phổ thông thường khác (các loại đèn halogen, đèn Xenon )

Cho đến nay, laser màu vẫn là sự lựa chọn ưu tiên hàng đầu cho các ứng dụng quang phổ hiện đại thuộc vùng phổ khả kiến và tử ngoại gần Các hệ đo sử dụng các laser màu xung điều chỉnh liên tục bước sóng được sử dụng rất rộng rãi Sự phát triển của khoa học kĩ thuật hiện nay, đặc biệt là sự phát triển của máy tính cùng các thiết bị

đo đạc kĩ thuật số đã mở ra khả năng điều khiển và tự động hoá các hệ đo Các hệ đo được tự động hoá sẽ tăng cường độ chính xác của kết quả đo đạc, giảm khối lượng công việc cho các nhà nghiên cứu

Vì những lý do trên đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống laser màu điều chỉnh liên tục tần số Tự động hoá, điều khiển thiết bị laser và hệ đo quang phổ”

được thực hiện nhằm các mục đích sau:

• Nghiên cứu phát triển và làm chủ một hệ laser màu xung, đơn sắc cao, điều chỉnh liên tục tần số

• Sử dụng kĩ thuật số điều khiển thiết bị laser

• Tự động hoá và xử lý số liệu cho hệ đo hệ đo quang phổ sử dụng hệ laser màu đơn sắc cao làm nguồn kích thích bằng kĩ thuật số

Bản luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: nghiên cứu về lý thuyết của laser màu và lý thuyết về buồng cộng

hưởng lọc lựa bước sóng sử dụng hệ lăng kính giãn chùm - cách tử Littrow Đồng thời trình bày một số ứng dụng của laser trong kích thích quang học

Chương 2: mô tả hệ laser được sử dụng, tiến hành điều khiển cho hệ laser

bằng kĩ thuật số

Chương 3: sử dụng hệ laser được phát triển ở trên làm nguồn kích thích trong

cấu hình 1 hệ đo quang phổ, tiến hành điều khiển và tự động hoá cho hệ đo bằng kĩ thuật số

Bản luận văn được thực hiện tại Trung tâm Điện Tử học lượng tử - Viện Vật

lý và Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG 1 LASER MÀU XUNG, ĐƠN SẮC, ĐIỀU CHỈNH LIÊN TỤC TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KÍCH THÍCH QUANG HỌC

1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT MÀU VÀ LASER MÀU

Giống các loại laser khác, laser màu gồm 3 thành phần chính: môi trường khuyếch đại (hoạt chất), buồng cộng hưởng quang học và nguồn bơm quang học

Hoạt chất dùng trong laser màu là các chất màu laser hoà tan trong các dung môi thích hợp với nồng độ từ 10-3 tới 10-4 mol/l

Buồng cộng hưởng quang học gồm: gương trước, gương sau và các phần tử quang học khác

Laser màu thường được bơm từ các nguồn sáng liên tục hoặc xung như: các đèn flash hay các laser khác

1.1 CHẤT MÀU LASER:

1.1.1 Cấu trúc hoá học của chất màu:

Hoạt chất của laser màu là các phân tử màu hữu cơ đa nguyên tử (điển hình có

khoảng 50 nguyên tử) chứa các mối liên kết đôi liên hợp, hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy và tử ngoại gần Các phân tử được phân thành các nhóm khác nhau Các nhóm chính bao gồm:

• Nhóm liên hợp Hydrocacbon

• Nhóm Oxazole: diphenyoxazole (POP) và các dẫn suất nói chung cho vùng phổ quanh 400 nm

• Nhóm Coumarine: thường dùng nhất cho vùng xanh – xanh lam

• Nhóm Xanthene: đáng chú ý nhất là Rohdamin cho vùng phổ quanh 600 nm

• Nhóm Cyanine: gồm các chất màu phát xạ ở vùng đỏ và hồng ngoại gần

Cấu trúc hoá học của chất màu hữu cơ được đặc trưng bởi tổ hợp các nhân Benzen(C6H6), Pyrid(C5H5N), Azin (C4H4N2), Piron (C4H5N) và các thành phần khác cùng nằm trên mặt phẳng liên kết Những vòng này có thể nối với nhau một cách trực tiếp hoặc qua một nguyên tử trung gian C, N, O hoặc một nhánh thẳng bao gồm một số nguyên tử thuộc nhóm CH=CH Hình 1 là cấu trúc hoá học của một chất hoá học điển hình – Rhodamine 6G thuộc nhóm xanthene, có cấu trúc trên cơ sở các vòng Benzen

Chất màu được chia thành các hợp chất ion và trung hoà, chúng có tính chất vật lý và hoá học khác nhau Chất màu dạng trung hoà điển hình như butadiene

CH2=CH-CH=CH2 và các hợp chất thơm như pyrene, perylene Chúng có nhiệt độ nóng chảy thấp, hoà tan mạnh trong các dung môi không phân cực như benzen, octan, cyclohexane, cloroforn Ngược lại các chất màu ion có điểm nóng chảy cao, hoà tan mạnh trong các dung môi có cực như cồn Trong dung dịch, đa số các chất màu bị phân ly thành ion và tuỳ theo độ pH mà các ion của chất màu là anion hay cation

Theo nguyên tắc Pauli, mỗi trạng thái chỉ có 2 điện tử Giả sử phân tử có N điện tử (N chẵn) thì ở trạng thái cơ bản của phân tử sẽ có nhiều nhất N/2 trạng thái được lấp đầy Hai điện tử cùng một mức sẽ có spin đối song song, nên spin tổng cộng S = 0, tương ứng là trạng thái đơn Khi một trong hai điện tử này nhảy lên mức trống cao hơn, sự sắp xếp spin song song sẽ dẫn đến spin tổng cộng S = 1, tương ứng là trạng thái bội ba Thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái bội ba thường thấp hơn thế năng trung bình của các điện tử ở trạng thái đơn

Phân tử chất màu có rất nhiều nguyên tử (loại điển hình có 50) cho bởi nhiểu dao động chuẩn (khoảng 150) Mặt khác, mỗi mức dao động còn có các mức quay Do

đó, các phổ hấp thụ ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các mức dao động của trạng thái đơn kích thích S1, S2 sẽ là băng rộng (sự hấp thụ ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái bội ba là bị cấm theo spin)

Các phân tử chất màu hấp thụ bức xạ quang học nằm giữa vùng phổ từ tử ngoại gần đến hồng ngoại gần Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu là các băng rộng, (cỡ 30 – 100 nm), ít cấu trúc Sự dịch chuyển của phổ huỳnh quang tuân theo định luật Stock – Lomen, nghĩa là toàn bộ phổ huỳnh quang và cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó Trong dung dịch, phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của chất màu thay đổi theo dung môi

Hình 2 trình bày phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang của chất màu Rhodamine 6G (Rh 6G) trong dung môi ethanol Đường cong của phổ hấp thụ giảm nhanh ở phía sóng dài, giảm chậm ở phía sóng ngắn Ngược lại, đường cong của phổ huỳnh quang giảm nhanh ở phía sóng ngắn, giảm chậm ở phía sóng dài Huỳnh quang của chất màu còn được đặc trưng bởi thời gian tắt dần huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang lượng tử

Hiệu suất huỳnh quang lượng tử η được định nghĩa là tỷ số giữa số photon phát ra với số photon hấp thụ Các dung dịch màu laser có hiệu suất huỳnh quang khá cao η ~ 1 Nói chung, thời gian tắt dần huỳnh quang (vài ns) và hiệu suất huỳnh quang lượng tử của chất màu phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ, tạp chất

Tuỳ thuộc cấu trúc phân tử mà các chuyển dời quang học trong chất màu nằm trong khoảng 200 – 1200 nm (ứng với dải năng lượng 6,2 eV – 1 eV) Giới hạn ở phía sóng ngắn là

do độ bền quang hoá của phân tử màu (năng lượng liên kết phân tử) và giới hạn ở phía sóng dài phụ thuộc vào độ bền nhiệt của phân tử

1.1.3 Cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học:

Hình 3 trình bày cấu trúc mức năng lượng chung của phân tử chất màu Trong đó: S0 là trạng thái cơ bản, S1 và S2 là các trạng thái kích thích, T1 và T2 là các trạng thái bội ba (triplet)

Ở nhiệt độ phòng, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản S00 tuân theo phân bố Boltzman

S2

S1

T2

Sau khi hấp thụ ánh sáng, các phân tử chất màu chuyển từ trạng thái cơ bản S0

lên các trạng thái đơn kích thích S1, S2 Do xác suất dịch chuyển S0→ S1 lớn nên sau khi kích thích quang học, các phân tử chủ yếu dịch chuyển lên trạng thái S1 Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ hấp thụ băng rộng của phân tử màu Ở các trạng thái này, sự khử kích hoạt của các phân tử chất màu diễn ra theo nhiều cách:

Sự hồi phục dao động không bức xạ của các phân tử S1v về trạng thái đơn S10

trong thời gian rất nhanh cỡ 10-12 s Trạng thái S10 có thời gian sống tương đối dài (thời gian sống từ 10-9 s đến 10-8 s), và đây chính là trạng thái chủ yếu xuất phát cho bức xạ của phân tử theo kênh S10 → S0v Quá trình này tương ứng với sự tạo thành phổ huỳnh quang băng rộng của phân tử màu

Trong trường hợp các phân tử màu được kích thích với nguồn bơm có cường

độ mạnh (laser hoặc đèn chớp), các phân tử màu được kích thích rất mạnh để chuyển lên các mức cao hơn của trạng thái đơn kích thích Sự hồi phục dao động về trạng thái

S10 cũng diễn ra như đã nói ở trên và hình thành sự nghịch đảo độ tích luỹ giữa trạng thái S10 và S0v Trên thực tế, ở nhiệt độ phòng các mức S0v là trống do các phân tử tuân theo phân bố Boltzmann Do vậy, chỉ cần mật độ tích luỹ không quá lớn trên mức S10, cũng đủ để phát laser nhờ các dịch chuyển S10 → S0v

Bên cạnh các dịch chuyển bức xạ còn có dịch chuyển không bức xạ Các quá trình dịch chuyển không bức xạ bao gồm sự tích thoát giữa các trạng thái cùng bội: singlet – singlet, triplet – triplet, gọi là sự dịch chuyển nội và dịch chuyển không bức

xạ giữa các trạng thái khác bội; singlet – triplet, gọi là dịch chuyển do tương tác chéo nhau trong hệ Sự dịch chuyển nội từ S2 (hoặc từ trạng thái đơn kích thích cao hơn) về

S1 xảy ra rất nhanh cỡ 10-11 s Trạng thái bội ba T1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống cỡ 10-7 s đến 10-6 s), nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích, sự tương tác của nó với S1 sẽ ảnh hưởng bất lợi cho các hoạt động laser màu do sự chuyển dời

từ trạng thái kích thích đơn S1 đến trạng thái triplet T1 sẽ làm giảm độ tích luỹ của

trạng thái kích thích, hơn nữa các phân tử trên mức T10 hấp thụ bức xạ bơm hoặc bức

xạ laser dẫn đến làm tăng mất mát năng lượng do hấp thụ triplet – triplet Tuy nhiên,

dịch chuyển singlet – triplet có thể bỏ qua khi kích thích bởi các nguồn bơm xung

ngắn

Như vậy ta có thể xem laser màu hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng:

mức 1 là mức cơ bản S00; mức 2 là mức laser dưới, gồm các mức dao động S0v; mức 3

là mức laser trên S10 và mức 4 là mức kích thích gồm các mức dao động S1v

1.2 LASER MÀU:

1.2.1 Điều kiện để phát laser màu:

Như đã trình bày ở trên, hoạt động của laser màu có thể được mô tả theo sơ

đồ 4 mức năng lượng, trong đó mức 0 và mức 1 nằm ở trạng thái điện tử S0, mức 2 và

3 nằm ở trạng thái điện tử kích thích đơn S1 Do vậy ta có thể nói rằng laser màu hoạt

động trên 2 mức rộng: mức điện tử đơn S0 và mức điện tử kích thích đơn S1 (hình 4)

(3)

νp

Hồi phục dao động

Hình 4 Sơ đồ nguyên tắc khuyếch đại của chất màu

trên các mức điện tử đơn cơ bản S0 và S1

Hình 4 trình bày sơ đồ năng lượng với hai mức rộng, có độ bán rộng ∆ν, năng

lượng giữa hai mức hν0, photon bơm và bức xạ có tần số νp và νe

Gọi N0 và N1 là độ tích luỹ ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích Trên

mỗi mức, các điện tử được phân bố theo năng lượng Ei tương ứng với hàm phân bố

Khi đó điều kiện để có sự phát laser cho hệ laser màu 2 mức rộng là:

Từ biểu thức trên, ta thấy rằng nếu ν ≥ ν0 thì có sự đảo lộn mật độ giữa các

mức, khi đó có sự khuyếch đại trong hệ

1.2.2 Bơm quang học cho laser màu:

Để bơm cho laser màu, người ta dùng nhiều hệ bơm quang học khác nhau Các

nguồn bơm thường dùng là đèn chớp hoặc các laser Mỗi phương pháp và cấu hình

bơm đều có những đặc điểm và yêu cầu riêng nhưng đều dựa trên một nguyên tắc

chung là bước sóng của bức xạ bơm phải nằm trong vùng phổ hấp thụ của chất màu và

tốt nhất là ở bước sóng có hệ số hấp thụ là cực đại Hiện nay người ta thường dùng bức

xạ hoạ ba bậc 2 của các loại laser rắn biến điệu độ phẩm chất như laser ruby, laser

Nd:YAG hoặc các laser khí N2, Kr, Xe để bơm cho laser màu Các phương pháp

bơm bằng laser chủ yếu là bơm dọc và bơm ngang như trình bày trên hình 5 dưới đây:

Cấu hình bơm ngang: trong cấu hình bơm ngang, bức xạ bơm vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng laser màu Phương pháp này tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ trong dung dịch màu không đồng đều dọc theo chùm laser bơm, do sự suy giảm của chùm tia bơm khi đi vào dung dịch Đặc biệt là khi chất màu có nồng độ lớn, nó sẽ gây nên sự gia tăng mất mát do nhiễu xạ và đồng thời làm mở rộng sự phân kì của chùm tia laser Trong sơ đồ bơm ngang, người ta thường dùng thấu kính trụ tiêu cự ngắn nhằm tạo mật độ quang học cao

và phân bố đều chùm bơm lên cuvet màu

Cấu hình bơm dọc: chùm laser bơm đi vào buồng cộng hưởng qua một trong các gương, gương này cho bước sóng bơm qua hoàn toàn và phản xạ cao ở bước sóng laser Để có hiệu suất tốt, gương này thường là các gương điện môi đa lớp, các lớp này có hệ số phản xạ rất thấp đối với bước sóng laser kích thích và phản xạ cao nhất đối với bước sóng laser Cấu hình bơm này phù hợp cho các chùm bơm từ laser Nd:YAG mà không phù hợp cho các chùm bơm từ laser eximer và laser nitơ

1.2.3 Buồng cộng hưởng laser màu băng hẹp:

Nhờ có dải huỳnh quang rộng, mỗi chất màu trong laser màu băng rộng có thể bức xạ trên một khoảng rộng từ 20-50 nm Để tạo ra bức xạ laser màu có độ rộng phổ nhỏ (băng hẹp), người ta sử dụng các yếu tố tán sắc như cách tử, phin lọc giao thoa, lăng kính trong buồng cộng hưởng laser Độ rộng phổ ∆ν của ạch laser được cho bởi biểu thức: λ θ v1 θ

(∆θ⁄∆λ)-1 là độ tán sắc tổng cộng các yếu tố tán sắc được bố trí trong buồng cộng hưởng

Từ biểu thức trên ta thấy để tạo được bức xạ laser có độ đơn sắc cao thì một là ta phải giảm độ phân kì của chùm laser trong buồng cộng hưởng hoặc là ta phải tăng độ tán sắc tổng cộng của buồng cộng hưởng bằng cách sử dụng các yếu tố có độ tán sắc cao trong buồng cộng hưởng

Để giảm độ phân kì của chùm laser, người ta thường đưa vào trong buồng cộng hưởng các yếu tố giãn chùm như lăng kính, thấu kính, gương hoặc thực hiện sự giãn chùm trực tiếp trên cách tử làm việc ở chế độ góc tới lớn (gần 900) hay còn gọi là cách tử góc là

Nguyên tắc làm hẹp băng laser là: yếu tố lọc phổ sử dụng trong buồng cộng hưởng chỉ cho phép tồn tại một tần số (hay một dải hẹp tần số) nhất định theo hướng quang trục của buồng cộng hưởng laser, tất cả các tần số khác bị loại khỏi hoạt động laser Tất cả năng lượng laser tập trung trên 1 tần số (hoặc một dải hẹp tần số), do vậy tạo nên bức xạ laser băng hẹp có mật độ năng lượng phổ cao

2 BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER MÀU ĐƠN SẮC CAO SỬ

DỤNG LĂNG KÍNH GIÃN CHÙM – CÁCH TỬ LITTROW:

2.1 BỘ GIÃN CHÙM LĂNG KÍNH:

Có hai phương pháp để làm cho bức xạ laser có độ đơn sắc cao: một là tăng độ tán sắc tổng cộng trong buồng cộng hưởng, hai là giảm độ phân kì của bức xạ laser trong buồng cộng hưởng bằng việc sử dụng các yếu tố giãn chùm như lăng kính, thấu kính hoặc giãn chùm trực tiếp Một số cấu hình buồng cộng hưởng sử dụng yếu tố giãn chùm được trình bày dưới đây:

Hình 7 Các cấu hình laser màu sử dụng yếu tố giãn chùm

Tuy nhiên, với hệ laser màu đơn sắc cao sử dụng yếu tố tán sắc là cách tử, người ta thường lựa chọn hệ giãn chùm lăng kính vì các lý do sau:

- Độ giãn chùm lớn, giãn chùm theo một chiều

- Ánh sáng bức xạ laser được phân cực

- Giảm thiểu các mất mát do phản xạ

- Giảm thiểu quang sai

- Buồng cộng hưởng được bố trí đơn giản

- Kích thước buồng cộng hưởng nhỏ gọn với kích thước chiều dài nhỏ

Theo các tính toán của F.J Duarte [5,6] thì:

∏

=

= r

m m

k M

1 ,

Trong đó dφ2,r /dλlà độ tán sắc, n là chiết suất của các lăng kính, λ là bước sóng, k1,m là độ mở rộng chùm của từng lăng kính, r là số lăng kính, dấu ± tuỳ cho trường hợp các lăng kính được sắp xếp theo cấu hình bù hay cộng thêm

Dựa vào biểu thức về độ tán sắc của hệ r lăng kính ở trên người ta đã chứng minh được khả năng thiết kế tiêu sắc cho hệ lăng kính Hệ lăng kính được thiết kế tiêu sắc sẽ làm giảm quang sai do các lăng kính cũng như các yếu tố khác trong buồng cộng hưởng (trừ cách tử hologram) đều có độ tán sắc phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng

(a) kiểu bù trừ (+,-,+,-), (b) kiểu cộng thêm (+,+,+)

Cấu hình tối ưu cho hệ giãn chùm r lăng kính giống nhau phải thoả mãn :

- Cho hệ số giãn chùm lớn

- Độ truyền qua phải cực đại (với hệ số giãn chùm cho trước)

- Độ tán sắc của hệ lăng kính giãn chùm bằng 0

Theo các tính toán lý thuyết (Trebino [8]), hệ lăng kính giãn chùm tối ưu là hệ 4 lăng kính đồng dạng, cùng vật liệu, sắp xếp theo dạng bù trừ tán sắc với ba lăng kính đầu được đặt cùng chiều, lăng kính cuối cùng đặt ngược chiều để khử tán sắc (hệ lăng kính (+,+,+,-) Hệ lăng kính này cho phép tiêu sắc, độ giãn chùm lớn, hệ số mất mát nhỏ

2.2 CÁCH TỬ HOLOGRAM:

Chùm ra

Bộ giãn chùm (+++-) Chùm vào Bộ giãn chùm (+++-) Chùm ra

Chùm vào

Cách tử là yếu tố quang học được sử dụng rất nhiều trong quang phổ Chức năng chính của cách tử là lọc lựa ánh sáng theo bước sóng dựa trên cơ chế nhiễu xạ nhiều khe

Hình 9 Bộ giãn chùm 4 lăng kính (+++-)

Trong kỹ thuật laser, cách tử đóng vai trò như một yếu tố chọn lọc bước sóng theo không gian Các cách tử được sử dụng ở laser là cách tử Hologram, được chế tạo theo kỹ thuật hologram, theo đó, bề mặt cách tử được phủ các lớp có độ phản xạ cao (bằng các màng mỏng kim loại hoặc các màng mỏng điện môi) Ưu điểm của việc sử dụng cách tử Hologram làm yếu chọn lọc bước sóng trong buồng cộng hưởng là:

- Cho phép tạo các bức xạ laser có độ đơn sắc rất cao vì độ tán sắc và độ phân giải phổ của cách tử hologram là rất lớn

- Khả năng điều chỉnh bước sóng là đơn giản và tin cậy do độ tán sắc của cách

tử không phụ thuộc vào bước sóng bức xạ

- Do tính bảo toàn về pha nên mặt sóng của chùm nhiễu xạ và chùm tới cách tử

là đồng dạng Nói cách khác, bức xạ nhiễu xạ sẽ giữ nguyên các đặc tính về pha của bức xạ tới Đây là một yếu tố hết sức quan trọng đối với buồng cộng hưởng laser vì vẫn đảm bảo được điều kiện hình thành sóng đứng trong buồng cộng hưởng

Như vậy, có thể nói, cách tử Hologram trong buồng cộng hưởng được xem là một gương phẳng chọn lọc bước sóng

Cách tử Littrow:

Khi chiếu ánh sáng lên bề mặt nhiễu xạ cách tử với một góc tới θ, ánh sáng sẽ

- γ là góc nhiễu xạ của bức xạ có bước sóng λ

Trong biểu thức (6), dấu cộng tương ứng với nhiễu xạ truyền qua; dấu trừ

tương ứng với nhiễu xạ phản xạ

Pháp tuyến của cách tử

θ

d

Hình 10 Minh hoạ cho phương trình cách tử

Trong các ứng dụng quang phổ laser, trường hợp thường xảy ra đối với cách tử

là góc tới trùng với góc nhiễu xạ (γ = θ), lúc này người ta nói cách tử đang hoạt động ở

chế độ nhiễu xạ Littrow, công thức nhiễu xạ cách tử trong trường hợp này là

Để có thể phân chia hai bước sóng kề nhau, cách tử phải có khả năng tách được

các bức xạ thành phần tương ứng với các bước sóng đó Sự tách này được gọi là độ tán

sắc được định nghĩa như sau

Ở công thức (9) ta có thể dễ dàng 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 Ngoài ra, để thu được độ tán sắc lớn,

chúng ta phải dùng một cách tử có khoảng cách các vạch nhỏ và làm việc ở bậc cao (m

lớn) Chú ý rằng độ tán sắc không phụ thuộc vào số vạch của cách tử

Để có thể phân biệt được những bức xạ có bước sóng kề liền nhau, bức xạ phân

tích phải càng đơn sắc càng tốt Nói cách khác, cách tử phải có năng suất phân giải R

lớn, được định nghĩa như sau:

Ở đây, λ là bước sóng trung bình của hai vạch phổ vừa đúng được xem là phân

giải, còn ∆λ là hiệu bước sóng giữa chúng ∆λ càng nhỏ thì các bức xạ có bước sóng

gần nhau vẫn có thể phân biệt được Năng suất phân giải được tính theo công thức:

Trong đó: N là tổng số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ, m là bậc nhiễu xạ

Ở đây, chúng ta nên phân biệt giữa độ tán sắc và năng suất phân giải, với các

cách tử có độ tán sắc lớn, khả năng tách các bức xạ thành phần có bước sóng khác

nhau theo không gian (khoảng cách giữa các góc nhiễu xạ) lớn Trong khi đó, với các

cách tử có độ phân giải cAo, bức xạ thành phần được nhiễu xạ có độ đơn sắc rất cao

(độ đơn sắc của bức xạ)

2.3 HỆ GIÃN CHÙM LĂNG KÍNH – CÁCH TỬ LITTROW:

Xét trong trường hợp dao động laser thực hiện nhiều chu trình truyền, độ tán

sắc của buồng cộng hưởng với hệ lăng kính giãn chùm và cách tử nhiễu xạ được biểu

diễn:

Trong đó, M là độ giãn chùm toàn phần khi lan truyền qua hệ lăng kính giãn

chùm, R là số chu trình lan truyền trong buồng cộng hưởng, ∇ Θλ Glà độ tán sắc của

cách tử nhiễu xạ và ∇ Φλ P là độ tán sắc của hệ lăng kính giãn chùm

Như vậy, độ đơn sắc của bức xạ laser sẽ được mô tả:

λλ

Trong biểu thức (13) ∆θ là độ phân kỳ của chùm bức xạ trong buồng cộng hưởng sau R chu trình truyền Xét trong trường hợp hệ lăng kính giãn chùm tiêu sắc và cách tử Littrow Độ tán sắc cách tử hoạt động ở vị trí Littrow:

2 cos

G

G

m d

λ

∇ Θ =

Độ tán sắc hệ lăng kính giãn chùm tiêu sắc ∇ Φ =λ P 0

Công thức (13) cho thấy, độ tán sắc tổng cộng sau R chu trình có phụ thuộc vào

số lần lan truyền bức xạ trong buồng cộng hưởng và độ giãn chùm bức xạ khi đi qua

hệ lăng kính giãn chùm

3 ỨNG DỤNG CỦA LASER ĐỂ KÍCH THÍCH QUANG HỌC:

Các nhà vật lý thường hay kích thích quang học một nguyên tử hay phân tử từ trạng thái a) lên trạng thái b) có năng lượng lớn hơn Số nguyên tử mà người ta đưa lên trạng thái b) sẽ tỷ lệ một phần vào độ tích luỹ của trạng thái a), phần khác vào lưu lượng của photon Trước khi có laser, các nguồn sáng mà nhà vật lý sử dụng chủ yếu

là các đèn phóng điện bức xạ theo mọi phương của không gian, diện tích của mặt bức

xạ vào khoảng cm2 Hoạt động của các nguồn này khi dùng để kích thích các trạng thái phải chú ý đến một thực tế là muốn có độ sáng lớn, đèn cần phóng điện mạnh khiến cho phổ bị mở rộng và như vậy một phần lớn photon bức xạ không thể tham gia vào việc kích thích Do những trở ngại này giá trị lớn nhất đạt được của một đèn cổ điển đối với thông lượng photon hữu ích là vào khoảng 1016 photon trong một giây và trên

1 cm2 (tương ứng với một công suất hữu ích P/S vào khoảng 10mW/cm2) Điều này chỉ cho phép dùng phương pháp quang học để kích thích trong một số trường hợp đặc biệt nào đó., chủ yếu là kích thích các mức cộng hưởng quang học

3.1 MỘT SỐ KHẢ NĂNG KÍCH THÍCH QUANG HỌC BẰNG LASER:

Bây giờ hãy lấy một laser làm nguồn bơm quang học Ngoài trường hợp đặc biệt thì công suất do laser bức xạ vào sẽ vào khoảng công suất do một đèn phóng điện bức xạ, tuy nhiên những đặc trưng hình học của chùm (tính chất định hướng và tính chất hội tụ) và chất lượng phổ cho phép thu được đối với thông lượng của photon hữu ích tối thiểu cũng là con số 1000 (khi không phải là quá nhiều, 106 chẳng hạn) Ngoài

ra các laser còn có thể điều chỉnh được bước sóng trên một vùng phổ khá rộng phủ kín

vùng tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại Như vậy việc sử dụng laser mở rộng đáng kể những khả năng của kích thích quang học

3.1.1 Kích thích các trạng thái phân tử:

Một trạng thái phân tử được xác định đồng thời bởi năng lượng tĩnh điện liên kết các điện

tử (như trong nguyên tử), và cũng bởi năng lượng dao động và quay của các hạt nhân tạo thành phân tử Dịch chuyển giữa hai trạng thái điện tử như vậy được phân ra thành một số rất lớn các dịch chuyển kế nhau giữa các mức dao động – quay khác nhau; và tổng xác suất của tất cả các dịch chuyển liền kề có cùng độ lớn với xác suất của một dịch chuyển nguyên tử duy nhất thông thường Mỗi dịch chuyển đến một mức quay – dao động xác định nào đó như vậy có một xác suất rất nhỏ khi bức xạ cũng như khi hấp thụ

Hệ quả là đèn phóng điện trong chất khí phân tử cung cấp năng lượng phân tán cho một số lớn các dịch chuyển; nên một lượng rất nhỏ năng lượng được cung cấp cho một dịch chuyển nhất định có xác suất rất nhỏ để được hấp thụ, điều đó làm cho việc sử dụng loại nguồn sáng này hoàn toàn không có hiệu quả Nguồn laser điều chỉnh được là một phương tiện lý tưởng

3.1.2 Bão hoà các dịch chuyển cộng hưởng:

Hiện tượng bão hoà xuất hiện trong tương tác giữa một nguyên tử và một sóng điện từ cộng hưởng khi cường độ của nó trở nên rất lớn Gọi E0 và E1 là hai mức năng lượng đang xét tương tác với một sóng có mạch số Bohr ω1 = (E1 – E0) / ; sự tiến

triển của các độ tích luỹ n

h

n dt

dn dt

dn

− +

hiệu dụng σ của tương tác giữa nguyên tử và photon hω1, cũng như mật độ năng

thời gian rất ngắn khi độ tích luỹ n0 và n1 có những giá trị không đổi Khi viết hai đạo

hàm dn1/dt và dn0/dt bằng không, người ta dễ dàng thu được các độ tích luỹ dừng:

Trong phần lớn các thí nghiệm, người ta không nghiên cứu hiện tượng quá độ xảy ra tại thời điểm khi bắt đầu rọi sáng mà chỉ xét đến chế độ dừng, có được sau một

thời gian rất ngắn khi độ tích luỹ n0 và n1 có những giá trị không đổi Khi viết hai đạo

hàm dn1/dt và dn0/dt bằng không, người ta dễ dàng thu được các độ tích luỹ dừng:

u h

u h N

n

)/(2/1

)/(

u h

/(1

τ

λσ

h

P/S ≅ 1 W/cm2 = 10 mW/mm2

N n

)/(2/1

)/

σλτ

Sự biến thiên này không tuyến tính Trong thực tế, hiện tượng bão hoà đã

được nhận thấy khi số hạng biến thiên (phụ thuộc vào u) ở mẫu số của n0 và n1 có giá trị suýt soát bằng hoặc lớn hơn 1/ τ; nghĩa là khi xác suất dịch chuyển trong đơn vị thời gian:

Sự biến thiên này không tuyến tính Trong thực tế, hiện tượng bão hoà đã

được nhận thấy khi số hạng biến thiên (phụ thuộc vào u) ở mẫu số của n0 và n1 có giá trị suýt soát bằng hoặc lớn hơn 1/ τ; nghĩa là khi xác suất dịch chuyển trong đơn vị thời gian:

Với số lớn dịch chuyển, ngưỡng này có thể đạt được với một cường độ sáng Với số lớn dịch chuyển, ngưỡng này có thể đạt được với một cường độ sáng

(tương ứng với một thông lượng photon khoảng 1018 photon / cm2/s) rất dễ có được với các laser nhỏ thông thường

(tương ứng với một thông lượng photon khoảng 1018 photon / cm2/s) rất dễ có được với các laser nhỏ thông thường

dừng

N

n 0

N/2

Khi u tăng đến vô cùng, (n0 – n1) dần đến không nên tích của chúng u(n0 –n 1 )

vẫn giới hạn; và vì n1 → N/2, Φ → N/2τ Mặc dù số photon tới tăng đến vô cùng, số photon bị hấp thụ vẫn giữ không đổi, nghĩa là tỷ lệ phần trăm photon bị hấp thụ giảm

và dần đến 0 Hơi nguyên tử càng ngày càng trong suốt khi cường độ tăng; người ta gọi là trong suốt cảm ứng bởi laser hay là hấp thụ bão hoà

3.1.3 Kích thích bậc thang:

Kích thích bậc thang nhằm tạo hai kích thích liên tiếp (a) → (b) → (c) với hai sóng có tần số khác nhau: Eb – Ea = hν1 và Ec – Eb = hν2 thế nào để đưa nguyên tử lên trạng thái (c) có năng lượng lớn hơn (hình 12) Trong một số trường hợp, giai đoạn thứ nhất (a) → (b) của quá trình có thể là phóng điện

là ở trạng thái trung gian (b) là trạng thái kích thích có thời gian sống ngắn τb Để cho quá trình có được một hiệu suất có thể chấp nhận được, thì nguyên tử ở trạng thái (b)

phải có một xác suất khá lớn để hấp thụ photon hν2 trước khi trở về trạng thái cơ bản (a) một cách tự phát, nghĩa là:

3.1.4 Dịch chuyển đa photon:

Các dịch chuyển đa photon là những dịch chuyển nguyên tử qua đó nguyên tử hấp thụ năng lượng của nhiều photon để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích có năng lượng Ec sao cho Ec – E0 = nhω1 Khi nghiên cứu tương tác của nguyên

tử với sóng điện từ, người ta thường tính các nhiễu loạn ở bậc nhất nên chỉ có những quá trình nào mà n = 1 mới cho phép Tuy nhiên nếu mở rộng phép tính các nhiễu loạn cho các bậc cao hơn, người ta tìm thấy trong phép tính nhiễu loạn bậc n khả năng dịch chuyển n photon mà xác suất tỷ lệ với luỹ thừa bậc n của cường độ sáng (P/S)n Các dịch chuyển dễ thực hiện nhất là dịch chuyển hai photon: Ec – E0 = 2 ϖh 1

Khả năng để có được dịch chuyển hai photon là một trong những khám phá rất

cũ của cơ học lượng tử, vì rằng các dịch chuyển này đã được Maria Goppert – Mayer tính năm 1931 Đó là một trong những áp dụng đầu tiên của lý thuyết nhiễu loạn tính cho bậc hai Phép tính này đòi hỏi lấy tổng tất cả các mức năng lượng khác của nguyên tử; tuy nhiên trong một số trường hợp, và chúng ta sẽ giả thiết ở đây, trong tổng ấy có một số hạng đặc biệt giữ vai trò ưu thế ứng với một trạng thái nguyên tử có năng lượng Er, có khi gọi là năng lượng chuyển tiếp

Với giả thiết này chúng ta có thể giải thích phép tính nhiễu loạn như sau: Sau khi hấp thụ photon thứ nhất, nguyên tử ở trạng thái chuyển tiếp, tuy nhiên với năng lượng E0 + ωh khác Er Chú ý đến sự sai khác năng lượng này h∆ωr =E0+hωL−E r và nguyên lý bất định, nguyên tử chỉ có thể nằm ở trạng thái r trong một thời gian rất ngắn ∆t r ≈ 1 / ∆ωr; nên nguyên tử có một xác suất rất nhỏ để hấp thụ photon thứ hai trong khoảng thời gian rất ngắn ∆t rtrừ khi sóng điện từ có một cường độ rất mạnh Do

đó phải chờ đến khi có các laser đầu tiên xuất hiện trong những năm 60 người ta mới

có thể quan sát thực sự các dịch chuyển hai photon đã được tiên đoán 30 năm trước đó

GW) cho phép tạo ra nhiều dịch chuyển đa photon không những với hai photon mà còn với ba, bốn cho đến 10 photon

3.2 CÁC NGHIÊN CỨU CHÍNH SỬ DỤNG LASER ĐỂ KÍCH THÍCH:

3.2.1.Các tính chất của nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích:

Đây chủ yếu là những tính chất quang phổ, những tính chất gắn liền với những tương tác với bức xạ, các dữ kiện liên quan đến động lực học hoặc các va chạm, đến

khả năng phản ứng hoá học của các trạng thái ấy Các thí nghiệm đầu tiên bắt đầu tổng quát hoá các thí nghiệm về cộng hưởng từ, về bơm quang học, về các mức giao nhau cho nhiều trạng thái nguyên tử và phân tử, sau đó chuyển nhanh sang các thí nghiệm

bổ sung vào quá trình kích thích các nhận thức mới nảy sinh ngày nay

Các trạng thái Rydberg là những trạng thái kích thích có số lượng tử chính rất lớn và do đó có năng lượng rất gần với ngưỡng ion – hoá Chúng ta thấy rằng một quỹ đạo kiểu Hy-drô cổ điển có bán kính tăng theo n2 Khi n rất lớn, đám mây điện tử của trạng thái Rydberg như vậy sẽ bị giãn ra rất nhiều nên các tính chất va chạm có những nét rất đặc trưng

Các nguyên tử “ngoại lai” xây dựng xung quanh hạt nhân mà thời gian sống phóng xạ rất ngắn và số lượng thu được bằng những kĩ thuật vật lý hạt nhân rất nhỏ,

loại bỏ tất cả khả năng kích thích bằng các nguồn truyền thống

3.2.2 Ion-hoá các trạng thái kích thích rất cao bằng điện trường:

Tương ứng với trường hợp đơn giản: khi kích thích bậc thang nguyên tử có thể đạt đến mức rất gần với ngưỡng ion – hoá Phép tính lý thuyết lúc đó cho thấy một điện trường rất yếu cũng đủ để ion – hoá nguyên tử Các ion tạo thành sẽ được phát hiện bằng kĩ thuật đếm tỷ lệ: phương pháp này có độ nhạy khá cao nên có khả năng phát hiện một ion cô lập Điều đó có nghĩa là người ta nắm được một phương pháp có

độ nhạy rất cao

3.2.3 Quang ion – hoá:

Trước tiên người ta có thể sử dụng sơ đồ kích thích bậc thang để đưa nguyên tử lên trạng thái cuối cùng của phần liên tục của năng lượng nằm trên ngưỡng ion hoá: lúc bấy giờ

sẽ trực tiếp tạo ra ion

Bây giờ hãy dùng một nguồn laser có công suất rất lớn: ở đây có khả năng xảy

ra quá trình đa photon ở đó sẽ hấp thụ nhiều photon nên năng lượng được cộng lại Trong trường hợp cấu trúc phân tử gồm nhiều nguyên tử, mật độ các mức trở nên rất lớn nên giản đồ năng lượng của phân tử gồm những phần rộng có năng lượng liên tục Bấy giờ sự ion – hoá có thể thu được bằng hấp thụ hàng loạt photon xuất phát từ cùng một nguồn: ở đây có sự tiếp nối các quá trình cộng hưởng bậc thang và quá trình đa photon không cộng hưởng

3.2.4 Quang phân ly:

Dưới hình thức sơ đẳng nhất, một quá trình quang phân ly là quá trình dùng ánh sáng kích thích để đưa một cấu trúc phân tử từ mức cơ bản lên một cấu trúc điện

tử kích thích phân rã thành những mảnh vỡ của phân tử đầu tiên Điều này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu rất rộng về quang hoá đặc biệt là khả năng thu được những mảnh

vỡ lọc lựa của một vài liên kết, vấn đề này đem lại nhiều ích lợi đối với một vài phân

3.3.2 Phân ly đồng vị:

Trong dây chuyền kích thích dẫn đến việc ion hoá một hợp chất, các bước sóng được

sử dụng can thiệp đến cấu trúc chi tiết của các mức và đặc biệt là cấu trúc siêu tinh tế và các hiệu ứng đồng vị Như vậy dễ dàng hiểu rằng trong một hỗn hợp đồng vị chỉ có một là có thể được ion hoá và được tách ra bằng các phương tiện điện Những kết quả rất nổi bật đã thu được đối với các nguyên tố khác nhau (H, B, C, S, Cl, Ca, Ba, U) Trong trường hợp của Uranium, một sự quang phân ly hơi Uranium sau khi hấp thụ 2 bức xạ có thể được sử dụng: điều này đặt ra những vấn đề công nghệ rất khó khăn tuy nhiên hiện nay các phương pháp này

có thể cạnh tranh với những phương pháp đã được sử dụng trong các nhà máy lớn để phân tách đồng vị bằng khuyếch tán

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ LASER MÀU ĐƠN SẮC CAO, ĐIỀU CHỈNH LIÊN TỤC TẦN SỐ

Chương một đã tập trung trình bày lý thuyết của chất màu, laser màu cũng như lý thuyết buồng cộng hưởng chọn lọc bước sóng sử dụng hệ giãn chùm lăng kính – cách tử Littrow Cấu hình này như đã trình bày có nhiều ưu điểm: độ tán sắc cao; thiết bị gọn thuận tiện cho nghiên cứu; điều chỉnh bước sóng tuyến tính, đơn giản Trong chương này chúng tôi

sẽ tập trung vào việc sử dụng kĩ thuật số để điều khiển hệ laser màu, tạo cho hệ laser khả năng

tự động và khả năng để ghép nối vào các hệ đo

1 HỆ LASER MÀU ĐIỀU CHỈNH LIÊN TỤC TẤN SỐ:

Beam expander Cách tử

Buồng cộng hưởng của laser màu được thiết kế với yếu tố chọn lọc phổ cách tử hoạt động ở chế độ Littrow, sử dụng thêm hệ lăng kính giãn chùm để mở rộng chùm bức xạ lan truyền bên trong buồng cộng hưởng

Hệ lăng kính giãn chùm được bố trí theo cấu hình tiêu sắc (+ + + - ): ba lăng kính đầu tiên sắp xếp theo cấu hình cộng thêm và lăng kính thứ tư bù lại tán sắc của 3 lăng kính đầu nhằm tạo hệ giãn chùm tiêu sắc Việc điều chỉnh vị trí lăng kính được thực hiện bằng cách gắn các lăng kính lên các đế xoay vi chỉnh Các đế xoay này cho phép lựa chọn được góc tới làm việc của lăng kính đồng thời điều chỉnh được ví trí tương đối giữa các lăng kính với nhau trong hệ sao cho hệ đạt được độ giãn chùm phù hợp, tiêu sắc và điều chỉnh sắc sai do sự thay đổi nhiệt độ hoặc do thay đổi môi trường hoạt tính laser Toàn bộ hệ lăng kính và giá đỡ được đặt trên một tấm kim loại có độ phẳng rất cao và được đặt trong hộp kín có khe vào (kích thước nhỏ) và khe ra (kích thước lớn hơn) (hình 14 ) Việc bố trí trên nhằm đảm bảo cho mặt phẳng tới của hệ các lăng kính là trùng nhau và song song với trục quang học của buồng cộng hưởng

Các lăng kính như đã trình bày ở trên, được làm từ vật liệu BK7 (chiết suất 1,5167 đối với bước sóng 580nm), có dạng tam giác vuông với góc ở đỉnh 49,960 Để thu gọn hệ giãn chùm, các lăng kính là đồng dạng nhưng có kích thước không đồng đều nhau Lăng kính đầu tiên có cạnh huyền là 17 mm, trong khi đó, lăng kính cuối có cạnh huyền là 27 mm Bề dày của các lăng kính là 10 mm Các mặt chứa cạnh huyền (đón tia tới) và các mặt lối ra đều được phủ các lớp λ/4

Yếu tố chọn lọc bước sóng là cách tử hologram 1200 vạch/mm 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 tăng hiệu suất nhiễu xạ ở bề mặt cách tử, phương phân cực TM của bức xạ lan truyền trong buồng cộng hưởng phải hoàn toàn vuông góc với mặt phẳng tới của cách tử Hay nói cách khác, cách tử phải được điều chỉnh sao cho mặt phẳng tới của cách tử trùng với mặt phẳng tới của hệ lăng kính Để

thực hiện được yêu cầu trên, cách tử được bố trí lên một giá đỡ cơ khí vi chỉnh có khả năng thay đổi theo hai chiều (hình 14 )

Hệ lăng kính giãn chùm Cách tử

Hình 14 Hệ lăng kính giãn chùm và cách tử Littrow

Để thay đổi bước sóng bức xạ laser, cách tử phải được cho quay quanh trục quay của nó Việc xác định chính xác trục quay cách tử là một trong những yêu cầu rất quan trọng đối với laser màu có bước sóng thay đổi liên tục Nếu trục quay được lựa chọn không phù hợp, cách tử khi quay sẽ làm thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng không theo quy luật, điều này dẫn đến việc hình thành các dịch chuyển mode Nếu trục quay được chọn lọc chính xác (Littman), khi quay cách tử, chiều dài của buồng cộng hưởng sẽ thay đổi phù hợp với bước sóng bức xạ laser lan truyền Trong

hệ laser màu thực nghiệm, trục quay cách tử được lựa chọn đúng trên trục quang học của buồng cộng hưởng

Việc điều khiển quay cách tử được thực hiện bởi một motơ bước thông qua hệ thống cơ khí truyền động (kiểu truyền động hộp số) (hình 15) Để tránh độ rung cơ khí khi motơ hoạt động, khớp nối giữa motơ và bộ truyền được sử dụng là khớp nối cao

su Đồng thời motơ bước cũng không được gắn trực tiếp vào đế cơ khí của hệ laser mà được gắn trên một đế làm bằng nhựa dẻo Theo tính toán, mỗi bước chuyển của motơ bước cho phép thay đổi bước sóng một khoảng 0,001nm

Môtơ bước

Hệ thống truyền động

Môi trường hoạt tính laser màu được sử dụng là dung dịch Rhodamine 6G pha trong ethanol 90% với nồng độ 1.5x10-3 M/l Dung dịch này được đựng trong cu – vet màu làm bằng thạch anh của hãng NSG Precision, có dạng hình bình hành để tránh phản xạ bề mặt, Cu – vet có kích thước 10x10 mm2 Việc luân chuyển chất màu được thực hiện bằng phương pháp khuấy từ Trong cu – vet màu có một cánh rẽ quạt được gắn lên đế từ, đế này sẽ quay cảm ứng theo một mô tơ được có gắn đầu từ được đặt ngay bên dưới cu – vet

Cu – vet màu được đặt lên một giá có khả năng tịnh tiến và quay quanh trục (hình 16), sao cho vị trí khe phải luôn nằm trên trục quang học của buồng cộng hưởng

Cu vét màu

Hình 16 Cơ cấu giữ cuvet và gương trước

rướcGương t

Nguồn bơm sử dụng trong laser màu là bức xạ nhân tần bậc hai của laser Nd:YAG được chế tạo bởi hãng Quantel (Pháp) theo mẫu Brilliant B 10Hz năng lượng

bức xạ ở bước sóng 532nm là 150mJ ở TEM00, độ rộng xung là 5 ns Năng lượng bơm cho hệ laser màu là 12mJ

Chùm bơm được hội tụ lên bề mặt cu – vet nhờ hệ gồm thấu kính trụ tiêu cự f

= 150mm được đặt trên giá vi chỉnh một chiều (hình 17) Với kiểu bố trí trên, chúng ta

có thể tinh chỉnh kích thước của môi trường khuếch đại laser sao cho đạt được điều kiện phát mode ngang cơ bản TEM00 Ngoài ra, để giảm thể tích mode trong buồng cộng hưởng, dọc theo trục quang học của buồng cộng hưởng có các tấm diaphram kích thước bé

Hình 17 Cơ cấu hội tụ và vi chỉnh

Gương ra được sử dụng là gương thạch anh, với đường kính 10mm, có dạng hình nêm quang học Gương này được gắn lên giá điều chỉnh hai chiều (hình 16)

Diaphram lối ra

Khuyếch đại

Gương trước

Giãn chùm lăng kính – cách tử

Hình 18 Sơ đồ hệ laser