Trờng đại học vinh Khoa sau đại học - Trần thị hải hà K THUẬT XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG PHỔ LASER BĂNG HẸP BẰNG GIAO THOA KẾ FABRY-PEROT LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mã số: 66.44.11.01 VINH - 2010 Lời cảm ơn Đầu tiên xin chân thành ban chủ nhiệm khoa Sau đại học khoa Vật lí, thầy cô giáo khoa giúp đỡ em năm học khoa tạo điều kiện cho làm luận văn Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Đoàn Hoài Sơn - người hết lịng giúp đỡ, bảo tận tình để có ý tưởng hoàn thành luận văn Qua chân thành cảm ơn thầy cô người góp cho tơi nhiều ý kiến bổ ích để khóa luận hồn thiện Mặc dù cố gắng nhiều tong luận văn khơng tránh khỏi sai sót Bởi tơi mong nhận góp ý kiến thầy cô giáo bạn Vinh, tháng 10.2010 Học viên làm khóa luận MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lịch sử phát triển Laser băng hẹp Chương I: TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP 1 Nguyên tắc tạo laser băng hẹp buồng cộng hưởng 1 Sự chọn lọc mode buồng cộng hưởng 1 Yếu tố lọc phổ buồng cộng hưởng 1 Giảm thiểu độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng Một số buồng cộng hưởng phát laser băng hẹp 10 Buồng cộng hưởng hệ lăng kính giãn chùm 10 1 Lý thuyết tán sắc hệ lăng kính giãn chùm 10 2 Sự phân cực chùm xạ lan truyền qua giãn chùm lăng kính 13 2 Cách tử Hologram 14 2 Cách tử Littrow 15 Buồng cộng hưởng hoạt động theo chế phản hồi phân bố 17 Kết luận chương I 20 Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI BƯỚC SÓNG LASER 21 Nguyên tắc thay đổi bước sóng Laser 21 1 Thay đổi tốc độ điện tử 21 2 Thay đổi nhiệt độ 22 2 Thay đổi nhiệt độ hoạt chất laser 22 2 Thay đổi nhiệt độ môi trường phi tuyến 23 Tương tác phi tuyến 24 2 Các phương pháp thay đổi bước sóng Laser 25 2 Thay đổi bước sóng nhiệt độ 25 2 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi cư trú mức laser 25 2 2 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi nhiệt độ vùng cấm 26 2 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiết suất 27 2 Thay đổi bước sóng hiệu ứng quang phi tuyến 28 Kết luận chương II 32 Chương III: KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG PHỔ LASER BĂNG HẸP BẰNG GIAO THOA KẾ FABRY-PEROT 33 Kiến thức giao thoa kế 33 Giao thoa kế Fary-Perot 34 Giao thoa nhiều chùm tia 35 2 Giao thoa kế phẳng Fary-Perot 39 3 Xác định độ rộng phổ laser băng hẹp giao thoa kế Fabry-Perot 43 3 Cấu tạo cấu hình đo độ rộng phổ 3 Kỹ thuật xác định độ rộng phổ 44 45 3 Kết thực nghiệm 45 Kết luận chương III Kết luận chung Tài liệu tham khảo 46 47 48 MỞ ĐẦU Lịch sử phát triển Laser băng hẹp Laser băng hẹp sử dụng rộng rãi nhiều nghiên cứu khoa học ứng dụng khác Việc sử dụng yếu tố chọn lọc phổ thiết bị laser để nhận xạ đơn sắc đưa vào năm 1967 chứng minh Soffer Mc Farland Sau với việc sử dụng buồng cộng hưởng cách tử gương, Bradly cộng rạo laser có độ đơn sắc cao, cỡ 0.05 nm Sau với việc sử dụng hệ giãn buồng cộng hưởng tạo laser có độ đơn sắc cỡ 0.03 nm bước sóng 600 nm Vào cuối năm 70 người ta phát triển cấu hình laser màu cách tử góc (cách tử chiếu góc tới cỡ 90 0) kết hợp với gương điều chỉnh thu laser có độ đơn sắc cao Độ rộng vạch bước sóng 600nm 0.003 nm đạt Littman Metcalf vào năm 1978 Cùng với phát triển công nghệ laser, việc sử dụng tổ hợp giãn chùm nhiều lăng kính, gương thấu kính cho phép nhận độ rộng vạch phổ hẹp Khi sử dụng cách tử bậc năm cho ta độ rộng vạch phổ cỡ 0.0014 nm bước sóng 510 nm với mức xạ tự động khuếch đại cấu hình buồng cộng hưởng kín thấp cấu hình buồng cộng hưởng mở cỡ hai bậc Với tổ hợp cách tử, gương, thấu kính, lăng kính, giao thao kế cấu hình laser khác nhà khoa học nghiên cứu để cao hiệu suất laser đạt độ đơn sắc cao phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng Hiện laser băng hẹp điều chỉnh bước sóng ý phát triển thiết bị quan trọng để nghiên cứu ứng dụng khoa học cơng nghệ Có nhiều kĩ thuật tạo laser xung ngắn có độ đơn sắc cao Để thu thỏa mãn đồng thời laser xung ngắn, băng hẹp điều chỉnh bước sóng người ta dùng phương pháp phản hồi phân bố (DFB) Nét đặc trưng mặt cấu tạo laser DFB không dùng buồng cộng hưởng gồm hai gương phẳng song song với mà thay vào ánh sáng đươc khuếch đại môi trường hoạt chất áp dụng hiệu ứng phản hồi phân bố tạo tán xạ Bragg không gian số thông số trường hoạt chất: Chiết suất, hệ số khuếch đại quang có tính chu kỳ khơng gian Bởi DFB phát laser đơn sắc cao bước sóng khác Hầu hết laser màu phát xung tạo nhằm mục đích thực phép phân tích kích thích cộng hưởng xác kích hoạt ưu tiên trạng thái lượng tử ban đầu xác định trước lên trạng thái lượng tử kích thích xác định Do độ rộng phổ thông số cần biết ứng dụng laser nghiên cứu khoa học Với yêu cầu thực tiễn trên, luận văn nghiên cứu đề xuất cấu hình để đo độ rộng phổ laser băng hẹp với đề tài: ” Kỹ thuật xác định độ rộng phổ laser băng hẹp’’ Nội dung luận văn Bản luận văn gồm có ba chương: Chương I: Tổng quan laser băng hẹp Chương II: Các phương pháp thay đổi bước sóng laser Chương III: Kỹ thuật xác định độ rộng phổ laser băng hẹp giao thoa kế Fabry-Perto Chương I TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP Laser với ưu điểm ứng dụng nghiên cứu có bước phát triển mạnh mẽ Rất nhiều mơ hình đưa chứng minh ưu laser băng hẹp Laser băng hẹp thường có hiệu suất cao, cỡ vài phần trăm Và việc tạo laser băng hẹp có hiệu suất cao dễ dàng đạt Đối với laser băng hẹp điều quan tâm nhiều không thời gian xung mà độ rộng phổ quan tâm nhiều Có hai yếu tố ảnh hưởng đến độ rộng phổ xạ laser độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng độ tán sắc buồng cộng hưởng Để tạo xạ laser có độ rộng phổ nhỏ người ta sử dụng yếu tố buồng cộng hưởng laser Bây xét số đặc điểm buồng cộng hưởng laser băng hẹp 1 Nguyên tắc tạo laser băng hẹp buồng cộng hưởng Độ rộng phổ laser xác định: ∆λ = δλ0 ∆θ δθ (1.1) − với: + δ  λ  δ   θ : Độ tán sắc yếu tố chọn lọc phổ sử dụng buồng cộng hưởng + ∆θ : Độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng Từ (1.1) cho thấy rõ ảnh hưởng buồng cộng hưởng lên tính chất phổ laser Dựa vào (1.1) để tạo xạ laser có độ đơn sắc cao nói cách khác để đạt laser có tính kết hợp cao buồng cộng hưởng phải thiết kế cho giảm thiểu độ phân kỳ chùm tia laser buồng cộng hưởng, tăng độ tán sắc yếu tố chọn lọc phổ đạt cực đại 1 Sự chọn lọc mode buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng đóng vai trị quan trọng trình hình thành xạ laser Có thể nói buồng cộng hưởng trái tim hệ laser với chức tạo xạ (phân bố bên buồng cộng hưởng) dao động laser hình thành Do cấu trúc buồng cộng hưởng ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc trường xạ laser Nói cách khác, trạng thái hoạt động xạ định cấu trúc buồng cộng hưởng Cấu trúc trường xạ laser đặc trưng thông số mode ngang (TEM liên quan đến cấu trúc tiết diện ngang trường xạ) thông số mode dọc Mỗi mode ngang bao hàm nhiều mode dọc hoạt động Trong trình hoạt động laser nhìn chung xạ phân bố cho nhiều mode dao động nhiễu loạn tồn buồng cộng hưởng Do cạnh tranh chồng chập mode dao động làm độ ổn định laser giảm rõ rệt Do để ổn định xạ phát người ta trọng xây dựng buồng cộng hưởng theo cấu trúc đặc biệt cho tồn một vài mode hoạt động buồng cộng hưởng Các buồng cộng hưởng xây dựng dựa nguyên tắc chọn lọc mode hoạt động Nguyên tắc chọn lọc mode hoạt động: Mode chọn có hệ số mát thấp so với mode khác buồng cộng hưởng + Sự chọn lọc mode ngang dựa khác cấu trúc tiết diện trường mode với mode bậc khác + Sự chọn lọc mode dọc dựa khác biệt phân bố trường theo tần số Sự khác cấu trúc trường mode ngang dẫn đến độ mát nhiễu xạ mode khác Trong buồng cộng hưởng ổn định, hệ số mát nhiễu xạ mode ngang thường không chênh lệch, để giảm số mode hoạt động người ta phải hạn chế thể tích mode buồng cộng hưởng chắn diaphram nhằm cho phép số mode lan truyền dọc theo buồng cộng hưởng Laser băng hẹp hoạt động với mode dọc, để lựa chọn mode dọc người ta sử dụng buồng cộng hưởng có chứa yếu tố lọc lựa phổ Các yếu tố có vùng chọn lọc phổ thuộc vùng hoạt động laser Tùy vào độ đơn sắc vùng điều biến mà yếu tố chọn lọc phổ phin lọc, cá yếu tố tán sắc (lăng kính, cách tử) yếu tố lựa lọc giao thoa (phin lọc giao thoa, mẫu Fapry Perot) Ngoài ra, để tăng khả chọn lọc mode dọc, buồng cộng hưởng laser phải thiết kế cho kích thước chiều dài rút ngắn, nghĩa làm mở rộng khoảng cách hai mode liên tiếp 1 Yếu tố lọc phổ buồng cộng hưởng Độ dài bước sóng laser độ rộng phổ phát xạ khống chế nhờ sử dụng yếu tố chọn lọc buồng cộng hưởng Để đặc trưng cho tác dụng lọc phổ, người ta định nghĩa độ làm hẹp phổ tỉ số độ rộng băng (khi chưa có yếu tố lọc) độ rộng vạch phổ (khi có yếu tố lọc lựa) Độ làm hẹp phổ đạt từ vài chục đến chí hàng trăm laser màu xung với độ dài xung vài chục micrô giây Trong nghiên cứu, ứng dụng quang phổ phân giải cao laser đơn sắc sử dụng rộng rãi đặc biệt laser có cấu trúc buồng cộng hưởng băng hẹp sử dụng cách tử yếu tố tán sắc chọn lọc phổ Cấu hình buồng cộng hưởng cho phép đạt xạ có độ đơn sắc cao với vùng phổ hoạt động rộng Đồng thời chế điều chỉnh bước sóng đơn giản đáng tin cậy cho phép điều chỉnh tinh tế liên tục bước sóng xạ Hơn cấu hình buồng cộng hưởng đơn giản, nhỏ gọn tiện dụng cho việc nghiên cứu Theo Hansch, nhà vât lý người Đức, việc sử dụng yếu tố giãn chùm buồng cộng hưởng laser có tác dụng làm tăng độ tán sắc cách tử buồng cộng hưởng, giảm độ phân kỳ xạ, làm tăng độ đơn sắc laser ∆λ = ∆θ ( M∇λ ΘG ) Trong đó: (1.2) + M hệ số giãn chùm laser buồng cộng hưởng + (∇λ ΘG ) : Độ tám sắc cách tử Đồng thời hệ giãn chùm, xạ chiếu đầy đủ lên bề mặt cách tử, cho phép nhiều vạch cách tử tham gia vào trình nhiễu xạ Và làm tăng hiệu suất phân ly cách tử Do tăng độ đơn sắc xạ laser R= ∆λ = N m λ (N số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ, m bậc nhiễu xạ cảu cách tử) 1 Giảm thiểu độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng Như phân tích buồng cộng hưởng laser đơn mode, mặt nguyên tắc chiều dài buồng cộng hưởng phải thiết kế nhỏ Tuy nhiên trường hợp phân kỳ xạ lớn Điều ảnh hưởng đến độ đơn sấc xạ laser đồng thời làm giảm cơng suất xạ laser Do đó, để giảm độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng, người ta phải thêm vào buồng cộng hưởng yếu tố giãn chùm Trong hệ laser, đạt hệ số giãn chùm laser M độ phân kỳ chùm laser buồng cộng hưởng giảm M lần Hệ số giãn chùm xác định hệ số kích thước chùm laser sau trước giãn chùm 10 ... 28 Kết luận chương II 32 Chương III: KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG PHỔ LASER BĂNG HẸP BẰNG GIAO THOA KẾ FABRY- PEROT 33 Kiến thức giao thoa kế 33 Giao thoa kế Fary -Perot. .. Giao thoa nhiều chùm tia 35 2 Giao thoa kế phẳng Fary -Perot 39 3 Xác định độ rộng phổ laser băng hẹp giao thoa kế Fabry- Perot 43 3 Cấu tạo cấu hình đo độ rộng phổ 3 Kỹ thuật. .. pháp thay đổi bước sóng laser Chương III: Kỹ thuật xác định độ rộng phổ laser băng hẹp giao thoa kế Fabry- Perto Chương I TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP Laser với ưu điểm ứng dụng nghiên cứu có bước