Tìm hiểu khả năng thay đổi bước sóng và nâng cao độ đơn sắc của laser màu xung

Có thể nói, laser màu là một công cụ nghiên cứu mơ ước trong lĩnh vực quang phổ.Với các khả năng phát bức xạ có tính kết hợp cao về không gian và thời gian; mật độcông suất lớn và nhất l

TÌM HIỂU KHẢ NĂNG THAY ĐỔI BƯỚC SÓNG

VÀ NÂNG CAO ĐỘ ĐƠN SẮC CỦA LASER MÀU XUNG

Tác giả cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu trường nơi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Cuối cùng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân và bạn bè, đã quan tâm, động viên giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.

Sài gòn, tháng 9 năm 2012

Tác giả

Bùi Hồng Anh

2

i : Thêi gian sèng ë møc i cña nguyªn tö

ph: Thêi gian bøc x¹ l©n quang tõ tr¹ng th¸i triplet xuèng tr¹ng th¸i

c¬ b¶n

F: Thêi gian t¾t dÇn bøc x¹ huúnh quang

L: ChiÒu dµi buång céng hëng

R: HÖ sè ph¶n x¹ g¬ng

l: ChiÒu dµi m«i trêng ho¹t chÊt

w0 : §êng kÝnh cña tiÕt diÖn chïm s¸ng

H×nh 1.2 CÊu tróc c¸c møc n¨ng lîng vµ c¸c chuyÓn dêi quang häc cña

3

Hỡnh 1.3 Sơ đồ laser màu với hai mức năng lượng rộng……… 6

Hình 1.4.: Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất mầu Rh6G / ethanol……… 7

Hình 1.5 : Cỏc sơ đồ bơm cho laser màu 8

Hỡnh 1.6 Phổ phỏt quang của một số chất màu laser 10

Hình 1.7 Cấu hỡnh buồng cộng hưởng lăng kinh 12

Hỡnh 1.8 Khỳc xạ ỏnh sỏng qua lăng kớnh 12

Hỡnh 1.9 Cấu hỡnh buồng cộng hưởng cỏch tử Littrow 13

Hỡnh 1.10 Mụ phỏng mặt cỏch tử và quang lộ tia sỏng 13

Hỡnh 1.11 Cấu hỡnh buồng cộng hưởng lọc lựa bước súng 16

Hỡnh 1.12 Buồng cộng hưởng chứa lọc lựa bước súng 17

Hình 2.1 Độ giãn chùm của cách tử góc là 22

Hình 2.2 Buồng cộng hởng laser màu sử dụng cách tử góc là 25

Hớnh 2.3 Cấu trỳc tổng thể của hệ laser 28

Hỡnh 2.4 Buồng cộng hưởng cỏch tử 29

Hỡnh 2.5 Cỏch tử Hologram và hệ thống cơ khớ điều chỉnh 30

Hỡnh 2.6 Gương điều chỉnh……… …… 31

Hỡnh 2.7 Cu-vet màu……… …… 32

Hỡnh 2.8 Gương ra và giỏ điều chỉnh gương 32

Hình 2.9 Sơ đồ hệ laser màu cách tử góc là và với bộ tiền khuyếch đại 34

Hỡnh 2.10 Sơ đồ thiết bị đo độ rộng vạch phổ 35

Hình 2.11 Hệ vân giao thoa thu đợc trong thực nghiệm với Fabry-Perot tại bớc sóng laser 576 nm……….……… 35

MỤC LỤC Mở đầu………. 1

Chương 1 Tổng quan về laser màu……… 3

1.1 Hoạt chất laser màu……… 3

1.2 Cỏc phương phỏp điều chỉnh bước súng bức xạ laser màu 9

4

1.3 Kết luận chương 1 18

Chương 2 Hệ laser màu xung đơn sắc cao, điều chỉnh liên tục bước sóng 19

2.1 Sự chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng 19

2.2 Nguyên tắc tạo bức xạ đơn sắc trong buồng cộng hưởng 20

2.3 Cách tử nhiễu xạ 21

2.4 Cách tử góc là 22

2.5 Buồng cộng hưởng laser sử dụng cách tử góc là 25

2.6 Cấu hình thực nghiệm hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cách tử góc là……… 28

2.7 Hoạt động của hệ laser màu băng hẹp cách tử góc là……… 33

2.8 Khảo sát độ rộng phổ bức xạ laser cách tử góc là……… 34

2.9 Kết luận chương 2……… 36

Kết luận chung……… 37

Tài liệu tham khảo……… 38

MỞ ĐẦU

Laser là một trong những phát minh lớn của thế kỉ XX Hơn 50 năm qua kể từ khi laser Ruby đầu tiên ra đời do Maiman chế tạo (1960) công nghệ laser đã phát triển như vũ bảo không những trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mà cả trong ứng dụng thực

5

tiển Nó có ảnh hưởng to lớn và trực tiếp đến nhiều lĩnh vực khác nhau trong khoa họccông nghệ và cuộc sống.

Laser sử dụng vật liệu màu hữu cơ gọi là laser màu là một loại “máy khuếch đạilượng tử ánh sáng” mà môi trường hoạt chất là các vật liệu màu hữu cơ pha trong dungmôi hay nền rắn thích hợp Laser màu có thể hoạt động tại bất kì bước sóng nào, từ vùng

tử ngoại gấn 311nm đến vùng hồng ngoại gần 1300nm, ở chế độ băng rộng hoặc chế độ

bước ngoặc vô cùng quan trọng trong nghiên cứu và phân tích quang - quang phổ hiệnđại Có thể nói, laser màu là một công cụ nghiên cứu mơ ước trong lĩnh vực quang phổ.Với các khả năng phát bức xạ có tính kết hợp cao về không gian và thời gian; mật độcông suất lớn và nhất là khả năng điều biến trong một khoảng phổ rộng cùng với khảnăng điều chỉnh tinh tế bước sóng, laser màu trở thành một nguồn sáng lí tưởng thay thếcác nguồn sáng quang phổ thông thường khác (như đèn Halogen, đèn Xenon…)

Laser màu có thể hoạt động ở hai chế độ liên tục và dạng phát xung (xung ngắn,xung cực ngắn) với công suất cao Mặc dù, với kiểu hoạt động liên tục bức xạ laser ổn

cầu nguồn laser có công suất đỉnh và công suất lớn để thực hiện các phân tích quang phổphi tuyến hay để thực hiện các dịch chuyển cảm ứng giữa các trạng thái kết hợp tương táctrường mạnh, nguồn kích thích phải là các nguồn laser màu phát xung

Laser xung ngắn và điều chỉnh liên tục bước sóng đang được chú ý nghiên cứu vàphát triển vì đó là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu Khoa học và Công nghệ.Ngày nay, các phương pháp nghiên cứu và phân tích hóa học mới, dựa trên các nguồnlaser (phương pháp điều khiển kết hơp - control coherent) chỉ ra rằng, các laser xung đặcchủng có thể điều khiển các chế độ động học của hệ nguyên tử Các phép phân tích hóahọc này thực hiện theo cơ chế giao thoa lượng tử (quantum interference), hệ lượng tử

phải được áp đặt bởi một trường bức xạ có tính kết hợp cao Do đó, ngoài yêu cầu về độđơn sắc cao, laser trong các ứng dung này phải phải hoạt động ở chế độ đơn mode

Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, việc sử dụng các tổ hợp cách tử,gương, lăng kính, thấu kính, giao thoa kế nhiều cấu hính laser khác nhau đã được các nhà

6

khoa học nghiờn cứu để nõng cao hiệu suất laser và đạt được độ đơn sắc cao nhất phục vụcho những nghiờn cứu và ứng dụng khỏc nhau Trong phạm vi của đề tài này, chỳng tụitập trung nghiờn cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao hoạt động ở chế độ đơn mode, cúkhả năng điều chỉnh liờn tục bước súng với yếu tố tỏn sắc là cỏch tử hoạt động ở chế độ

dụng yếu tố gión chựm nào trong buồng cộng hưởng

Nội dung của luận văn “Tỡm hiểu khả năng thay đổi bước súng và nõng cao độ

đơn sắc của laser màu xung ” gồm 2 chương:

Chương 1: Tổng quan về laser màu Phần này trỡnh bày một số nột về cấu trỳc húahọc, quang phổ, cấu trỳc mức năng lượng và cỏc dịch chuyển quang học của chất màu.Bơm quang học cho laser màu và một số phương phỏp điều chỉnh bước súng bức xạ lasermàu

Chương 2: Nghiờn cứu hệ laser màu xung đơn sắc cao sử dụng cỏch tử gúc là điềuchỉnh liờn tục bước súng Trỡnh bày một số nghiờn cứu lý thuyết và tớnh toỏn về cỏch tử,phần tử chớnh quyết định độ đơn sắc của bức xạ laser, buồng cộng hưởng laser sử dụngcỏnh tử làm việc ở chế độ gúc là Một số kết quả nghiờn cứu thực nghiệm hệ laser màuxung đơn sắc cao sử dụng cỏch tử gúc là

Chương 1 TỔNG QUANG VỀ LASER MÀU

Cũng nh các loại laser khác, laser màu cũng gồm ba bộ phận chính: môi trờngkhuếch đại (hoạt chất), buồng cộng hởng quang học và nguồn bơm

+ Hoạt chất dùng trong laser màu là các chất màu laser hoà tan trong các dung môi

+ Buồng cộng hởng quang học gồm hai gơng quang học cú hệ số phản xạ nhấtđịnh đặt đối diện với nhau và các phần tử quang học cho lọc lựa bớc sóng

7

+ Laser màu thường đợc bơm quang học bằng các nguồn sáng liên tục hay xung từcác đèn flash hay các laser thích hợp nh laser Ar, laser Nitơ, laser excimer, các hoà ba của

Nd -YAG, ruby, laser diode

1.1 Hoạt chất laser màu

1.1.1 Chất màu

Chất màu bao gồm các phân tử hữu cơ đa nguyên tử (khoảng 50 nguyên tử) chứacác mối liên kết liên hợp (liên kết đơn và kép) hấp thụ mạnh các bức xạ từ vùng tử ngoại

đến vùng khả kiến Mỗi một màu (một loại bột) có phổ huỳnh quang nằm trong vùng màu

đó, nên laser với hoạt chất này gọi là laser màu (Dye Laser) Cấu trúc hoá học của các

nguyờn tử trung hũa C, N

Cỏc chất màu hữu cơ cú hiệu suất phỏt quang rất cao và được nghiờn cứu dựng làm mụi trường hoạt tớnh laser Người ta phõn cỏc phõn tử màu thành nhiều nhúm húa chất khỏc nhau như: Comarin, Xanthen, Oxazin, Polymethin và một số chất hữu cơ phỏt quang mạnh như Polyphenyl, Furace, v.v

Để trở thành hoạt chất của laser màu, các chất màu này đợc hoà tan trong một sốdung môi (Etanol, Glicerin, Metanol, Nớc, v.v ) và sự liên kết giữa các phân tử chất màuvới dung môi đã tạo nên sự mở rộng các mức dao động và mức quay Đây chính là u điểmcác hoạt chất màu để có thể tạo ra laser bớc sóng thay đổi

1.1.2 Cấu trỳc năng lượng và cỏc dịch chuyển quang học

Cấu trỳc mức năng lượng của phõn tử chất màu rất phức tạp, bao gồm nhiềunguyờn tử được đặc trưng bởi nhiều trạng thỏi lượng tử như: trạng thỏi điện tử, trạng thỏidao động và trạng thỏi quay Do đú, việc mụ tả trạng thỏi của phõn tử màu chỉ mang tớnhgần đỳng theo một mụ hỡnh đơn giản như hỡnh 1.2 Trong cỏc đú mũi tờn liền nột biểu thịcỏc chuyển dời quang học, cỏc mũi tờn khụng liền nột biểu thị cỏc chuyển dời khụng bứcxạ

Mỗi trạng thỏi điện tử của phõn tử bao gồm nhiều mức dao động và rất nhiều mứcquay chồng chất nhau, do vậy tạo ra cỏc vựng năng lượng Bình thờng khoảng cách giữa

tâm đến phổ giữa các mức dao động bởi vì trong chất lỏng cơ chế gây ra sự làm hẹp vạch

(Singlet) và bội ba (Triplet) Ở nhiệt độ phũng cỏc phõn tử màu luụn ở trạng thỏi dao

T2

T1Huỳnh quang

các phân tử màu chuyển từ trạng thái điện tử cơ bản S0 lên các trạng thái điện tử kích

phân tử màu Sau đó một khoảng thời gian ngắn nguyên tử tích thoát không bức xạ với

thích đơn có thời gian sống 110ns Tõ møc nµy ph©n tö cã thÓ chuyÓn dêi xuèng c¸c

quang) §©y lµ qu¸ tr×nh ph¸t laser mµ ta quan t©m Qua đó ta thấy, vùng phổ của lasermàu chỉ có thể nằm trong vùng phổ huỳnh quang của phân tử màu

Ngoài các chuyển dời trên, trong phân tử màu còn hữu cơ còn tồn tại các chuyển

Khi laser màu được bơm bằng laser xung ngắn (thời gian xung nhỏ hơn 20ns) thìdịch chuyển S - T có thể bỏ qua Ta có thể xem, laser màu hoạt động như hệ lượng tử 4

trình bày sơ đồ năng lượng với hai mức rộng, có độ bán rộng , năng lượng giữa hai

1.1.3 Phổ của chất màu laser

Cỏc phõn tử màu hấp thụ và bức xạ quang học trong vựng phổ từ tử ngoại đếnhồng ngoại gần Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của cỏc phõn tử màu là cỏc băng rộng

từ 30 đến 100nm, ớt cấu trỳc và khụng trựng chập lờn nhau Phổ hấp thụ băng rộng ứng

luật Stock, nghĩa là toàn bộ phổ huỳnh quang và cực đại của nú dịch chuyển về phớa súngdài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nú Trong dung dịch của một chất màu, tuỳtheo dung môi phổ hấp thụ và huỳnh quang của nó có thể dịch chuyển khác xa nhau cỡvài nm

Hình 1.4 trình bày phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất mầu Rhodamine 6G (Rh6G)trong dung môi ethanol Đờng cong của phổ hấp thụ giảm nhanh ở phía sóng dài và giảmchậm ở phía sóng ngắn Ngợc lại, đờng cong của phổ huỳnh quang giảm nhanh ở phíasóng ngắn, giảm chậm ở phía sóng dài Huỳnh quang của chất màu còn đợc đặc trưng bởithời gian tắt dần huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang lợng tử

Hiệu suất huỳnh quang lợng tử  đợc định nghĩa là tỷ số giữa số photon phát ra và

số photon bị hấp thụ Với các chất màu dùng cho laser màu thì hiệu suất huỳnh quang khácao  1 Nói chung thời gian tắt dần huỳnh quang cỡ vài ns và hiệu suất huỳnh quang l-ợng tử cũng phụ thuộc vào dung môi, nồng độ chất màu trong dung môi, nhiệt độ, tạpchất

1.1.4 Bơm quang học cho laser màu

Để năng lượng laser lớn, người ta phải chỳ trọng đến việc loại bỏ cỏc chuyển dờichuyển dời khụng bức xạ (gõy mất mỏt năng lượng) bằng cỏch thờm vào dung dịch màucỏc chất đệm và sử dụng cỏc nguồn bơm quang học kết hợp cú vựng bơm và cụng suấtbơm thớch hợp Ngoài ra, để trỏnh cỏc hiệu ứng gradient nhiệt và nhằm thay thế chất màu

bị thoỏi húa trong quỏ trỡnh bơm, người ta sử dụng phương phỏp luõn chuyển chất màubằng một bơm luõn chuyển liờn tục

ứng phỏt quang tức thời Chớnh điều này cản trở sự hỡnh thành trạng thỏi nghịch đảo mật

độ tớch lũy trong quỏ trỡnh tạo dao động laser (quỏ trỡnh bơm) Do đú, để đạt được

cú thể tạo được độ nghịch đảo mật độ tớch lũy ở mức laser trờn trong một thời gian ngắn

bơm được sử dụng trong laser màu là phương phỏp bơm quang Nguồn bơm trong lasermàu hiện nay thường dựng là cỏc nguồn bơm laser cho bức xạ cộng hưởng với vựng hấpthụ của chất màu Với mụi trường hoạt tớnh là dung dịch Rhodamine 6G với dung mụi làộthanol, bức xạ bơm thường dựng là nhõn tần bậc hai, bậc ba của bức xạ laser Nd - YAG,trựng với đỉnh phổ hấp thụ dung dịch màu với hiệu suất bơm cú thể đạt được đến 75%

Để bơm hiệu quả cho laser màu, người ta thường sử dụng cỏc cấu hỡnh bơm dọc,bơm ngang hoặc bơm nghiờng theo cỏc sơ đồ sau:

12

Laser bơm

Laser màu

DCM

a Sơ đồ bơm ngang

1.2 Một số phương pháp điều chỉnh bước sóng laser màu

Dưới tác động của các va chạm nhiệt của phân tử chất màu với phân tử dung môi,các mức năng lượng dao động - quay trong cùng một trạng thái điện tử xen phủ nhau mộtcách dày đặc và liên tục và tạo thành các băng năng lượng mở rộng Điều này dẫn đếnmột hệ quả rất quan trọng là laser màu có khả năng phát bức xạ kết hợp có độ đơn sắc rấtcao đồng thời có khả năng điều chỉnh liên tục và tinh tế bước sóng bức xạ trong vùng phổhoạt động laser khi sử dụng các yếu tố lọc lựa phổ trong buồng cộng hưởng

13

Laser b¬m

Laser mµuM

H×nh 1 5 : Các sơ đồ bơm cho laser màu M

Hơn nữa, khoảng phổ hoạt động của laser màu cũng có thể được thay đổi bằngcách chọn lọc loại chất màu, dung môi và hệ số phẩm chất Q của buồng cộng hưởng Chođến này, đã có trên 200 chất màu khác nhau được phát hiện và điều chế để dùng làm môitrường hoạt tính laser Cho nên các hệ laser màu có thể phát được các bức xạ thay đổi liêntục từ vùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần.

Như vậy, laser màu có thể được xem như một nguồn sáng quang phổ lý tưởng với các đặctrưng sau:

+ Bức xạ với độ đơn sắc cao

+ Điều chỉnh được liên tục bước sóng laser

+ Điều chỉnh tinh tế bước sóng laser

+ Khoảng phổ hoạt động rộng

Để lọc lựa tinh tế bước sóng laser đồng thời tạo được laser đơn sắc cao, buồngcộng hưởng laser phải được bố trí đặc biệt bao gồm các yếu tố chọn lọc bước sóng.Chúng ta sẽ đi nghiên cứu một số buồng cộng hưởng chọn lọc bước sóng sau:

+ Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố phân chia bước sóng theo không gian

+ Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố lọc lựa giao thoa

+ Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố tán sắc quay

1.2.1 Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố phân chia bước sóng theo không gian

Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố phân chia bước sóng theo không gian là mộttrong những loại buồng cộng hưởng chọn lọc bước sóng phổ biến nhất Đặc điểm củabuồng 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 làmột trong những cấu hình laser màu đơn sắc được nghiên cứu sâu nhất và được ứng dụngrộng rãi nhất

Với buồng cộng hưởng kiểu này, yếu tố lọc lựa bước sóng được sử dụng là lăngkính hoặc cách tử Cơ chế lọc lựa bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng tán sắchay nhiễu xạ của ánh sáng khi qua các yếu tố tán sắc Về mặt cấu tạo, gương điện môibăng rộng của buồng cộng hưởng được thay thế bởi lăng kính hoặc cách tử, hoặc tổ hợpcách tử - gương; lăng kính - gương Cơ chế hình thành dao động laser về nguyên tắc cóthể được mô tả như sau:

Bức xạ băng rộng trong buồng cộng hưởng laser màu khi đi qua các yếu tố tán sắcnày sẽ được phân chia thành các bức xạ thành phần theo các góc tán sắc, nhiễu xạ khácnhau (phân chia bước sóng theo không gian) Để chọn lọc bức xạ laser, người ta điềuchỉnh cách tử hoặc gương quay để phản xạ lọc lựa bức xạ thành phần (sau khi tán sắchoặc nhiễu xạ) trở lại môi trường hoạt chất dọc theo quang trục Như vậy, trong buồngcộng hưởng, dao động laser với bước sóng (tần số) xác định được hình thành Khi đạtđược các điều kiện ngưỡng phát, người ta có thể thu được bức xạ laser ra có độ rộng phổ

15

nhỏ và đơn sắc Bước sóng laser có thể được điều chỉnh thay đổi liên tục bằng cách thayđổi góc quay của yếu tố tán sắc hoặc gương phản xạ Độ đơn sắc của bức xạ laser phụthuộc đồng thời vào năng suất phân ly của yếu tố tán sắc và độ phân kỳ của chùm lasertrong buồng cộng hưởng Do vậy, để bức xạ laser đạt độ đơn sắc cao, người ta chủ yếu sửdụng cách tử hologram có năng suất phân giải cao để chọn lọc bước sóng Đồng thời sử

Chúng ta đi tìm hiểu một số cấu hình buồng cộng hưởng chọn lọc phổ sau

a Cấu hình buồng cộng hưởng lăng kính

Buồng cộng hưởng này gồm một gương ra, một gương phản xạ 100% và một lăngkính đặt giữa hai gương (hình 1.7) Ta thấy tia sáng (ứng với một bước sóng nằm trongphổ phát xạ của hoạt chất) sau khi đi qua lăng kính bị khúc xạ và vuông góc với gươngquay 100% sẽ bị phản xạ trở lại theo quang lộ cũ Chính tia này đi lại nhiều lần qua hoạtchất và được khuếch đại hình thành bức xạ laser Còn các tia khác ứng với bước sóngkhác sau khi đi qua lăng kính không vuông góc với gương quay sẽ không được khuếchđại

Khi quay gương 100% sẽ thay đổi góc tạo bởi tia khúc xạ với mặt phẳng gương

và các tia khác nhau ứng với các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại hính thành bức

xạ laser phát ra khỏi buồng cộng hưởng

Độ tán sắc của lăng kính này được xác định như sau:



Hình 1.8 Khúc xạ ánh sáng qua lăng kính

b Cấu hình buồng cộng hưởng cách tử Littrow

Buồng cộng hưởng này được cấu tạo bởi một gương ra và một cách tử (hình 1.9)

cách tử Trên cách tử các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau sẽ bị nhiễu xạ theocác góc khác nhau so với pháp tuyến của cách tử Một trong những tia sáng bị nhiễu xạtheo 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

1

2

34

Hình 1.9 Cấu hình buồng cộng hưởng cách tử Littrow 1- G ¬ng ra, 2- Ho¹t chÊt, 3- C¸ch tö, 4-Ttia laser

a

khuếch đại thành bức xạ laser Việc thay đổi bước sóng laser được thực hiện bằng cáchquay cách tử nhằm chọn lọc bức xạ thành phần quay trở lại hoạt chất.

Đối với buồng cộng hưởng Littrow, ta sử dụng trường hợp  =  tức là tia tán xạngược chiều tia tới Nên trong trường hợp này bước sóng laser được xác định:

Một nhược điểm của buồng cộng hưởng này là nếu góc tới nhỏ thì diện tích tiếpxúc giữa trường laser với cách tử nhỏ cho nên độ đơn sắc sẽ rất thấp Do đó đề khắc phụcnhược điểm này ta đưa vào giữa hoạt chất và cách tử một bộ giãn chùm có thể là một hệquang (Telescop), lăng kính hoặc một bản mặt song song để mở rộng chùm tia tiếp xúcvới mặt cách tử Như vậy ta sử dụng cả hai yếu tố tán sắc trong buồng cộng hưởng Điềunày dẫn đến cấu trúc buồng cộng hưởng sẽ phức tạp, kéo theo mất mác rất nhiều trên cáclinh kiện quang học Để khắc phục nhược điểm trên Littman đã đề xuất một kiểu buồng

18

2 .cos a m



loại buồng cộng hưởng laser này ở chương sau.

Độ tán sắc của cách tử ở vị trí Littrow được xác định:



  (1.5)

1.2.2 Buồng cộng hưởng chứa các yếu tố lọc lựa giao thoa

Với buồng cộng hưởng băng hẹp sử dụng các yếu tố phân chia bước sóng theokhông gian, bức xạ laser có thể đạt được độ đơn sắc cao (tương ứng Δν ~ GHz) Cấu hìnhlaser này thường được sử dụng trong các phép nghiên cứu quang phổ hiện đại Tuy nhiên,trong một số ứng dụng quang phổ đặc biệt, yêu cầu phải sử dụng các nguồn sáng có độđơn sắc cực cao, tương ứng với các chuyển dời vạch nguyên tử, người ta phải sử dụngmột kiểu buồng cộng hưởng chọn lọc bước sóng với yếu tố lọc lựa giao thoa Buồng cộnghưởng này cho phép đạt được bức xạ laser có độ đơn sắc cực cao (tương ứng với Δν ~MHz)

Yếu tố lọc lựa được sử dụng trong buồng cộng hưởng có thể là các phin lọc giaothoa hoặc các mẫu Fabry – Perot Giả sử mẫu Fabry – Perot có độ dày d, chiết suất μ Xétbức xạ với bước sóng λ có độ truyền qua cực đại tại bậc tương ứng với góc α hợp bởiphương truyền và pháp tuyến của mẫu giao thoa Ta có công thức:

(1.6)

Trong đó, α’ được xác định theo công thức Snell μsinα’ = sinα.

Độ tán sắc khi đi qua mẫu Fabry – Perot được xác định theo công thức:

19

Để thay đổi bước sóng cộng hưởng, mẫu Fabry – Perot cần phải được điều chỉnh

R





 được gọi là hằng số tinh tế.

Từ các tham số trên chúng ta có thể thấy rằng, giới hạn đơn sắc của bức xạ laserđược xác định bởi góc lệch cực tiểu sao cho tương ứng với góc này, bức xạ phản hồi từmặt trước của mẫu giao thoa không đi vào môi trường hoạt tính laser

Nếu tỉ số khoảng cách giữa kích thước môi trường hoạt tính và mặt trước của mẫu

là q thì độ đơn sắc được xác định:

min

1 .2

tg q



Ở kiểu buồng cộng hưởng này, cấu hình cộng hưởng quang học chứa yếu tố lọc lựa

là mẫu giao thoa Fabry - Perot được gắn trên bàn vi chỉnh thường xuyên được sử dụng

Mô hình buồng cộng hưởng đơn giản có thể được mô tả một cách khái quát nhưhình1.11

20

Hình 1.11 Cấu hình buồng cộng hưởng lọc lựa bước sóng

sử dụng mẫu Fabry – Perot 1-Cu-vet màu, 2-Telescop, 3-Fabry-Perot,