KLTN Ứng dụng phần mềm Zemax mô phỏng hệ Green Laser Pointer

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MƠN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
---------------o0o---------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ZEMAX MÔ PHỎNG
HỆ GREEN LASER POINTER

SVTH: Võ Nguyễn Thùy Trang.
CBHD: TS. Nguyễn Thanh Lâm.
CBPB: TS. Phan Trung Vĩnh.

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2019


MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................. 6
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 9
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN PHẦN MỀM ZEMAX ...................................................... 12
1.1. Giới thiệu phần mềm Zemax ........................................................................... 12
1.2. Giao diện phần mềm Zemax............................................................................ 13

1.3. Lens Data Editor (Trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính) ..................................... 14
1.4. Cửa sổ phân tích (Analysis Window) .............................................................. 15
1.5. Hệ thống System.............................................................................................. 16
1.6. Hộp thoại General ............................................................................................ 17
1.7. Hộp thoại Field Data ....................................................................................... 18
1.8. Hộp thoại Wavelength Data (hộp thoại dữ liệu bước sóng) ............................ 18
CHƯƠNG 2. HỆ GREEN LASER POINTER.................................................................. 20
2.1. Giới thiệu chung về Laser rắn………………………………………………..20
2.2. Quy trình sản xuất các bộ phận cơ bản của laser rắn………………………...20
2.3. Cấu tạo hoạt động hệ Green Laser Pointer…..………………………………22
2.4. Tinh thể Nd: YAG trong Green Laser Pointer ..…………………………….23
2.4.1 Tinh thể Nd: YAG .............................................................................. 23
1


2.4.2 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd: YAG ................................... 24
2.5. Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer ........................................................ 25
2.5.1 Đặc điểm của tinh thể ......................................................................... 25
2.5.2 Các tính chất của tinh thể KTP........................................................... 27
2.5.3 Ứng dụng của tinh thể KTP................................................................ 28
2.6. Hệ phát sóng hài bậc hai……………………………………………………...29
2.7. Sự hợp pha……………………………………………………………………30
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER BẰNG PHẦN MỀM
ZEMAX ............................................................................................................................. 34
3.1. Dụng cụ mô phỏng……………………………………………………….......34
3.2. Tiến trình mơ phỏng…………………………………………………………35
3.2.1 Bảng nhập liệu………………………………………………………35
3.2.2 Thiết kế hệ Green Laser Pointer………………………….…………36
3.2.2.1. Nguồn diode laser 808nm…………………….…………...36
3.2.2.2. Thấu kính hội tụ (Pump focusing lens)……………..…….38

3.2.2.3. Tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP…………………...…..39
3.2.2.4. Thấu kính phân kì…………………………………………40
3.2.2.5. Thấu kính chuẩn trực (Collimating lens)……………….. 40
3.2.2.6. Bộ lọc IR (IR filter)……………………………………….41
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HÓA .................................................................... 43

2


4.1. Hình ảnh mơ phỏng hệ Green Laser Pointer…………………………………43
4.2. Tối ưu hóa hệ quang…………………………………………………………46
4.3. Phân tích một số biểu đồ trong Zemax………………………………………48
4.3.1 Biểu đồ Spot Diagram………………………………………………48
4.3.2 Biểu đồ Ray Fan…………………………………………………….49
4.3.3 Biểu đồ OPD (Optical Path Difference)…………………………….50
4.4. Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer………………………………..50
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 53

3


DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
GEO Radius

Geosynchronous Equatorial Orbit Radius

Bán kính quỹ đạo địa tĩnh

HHG

High harmonic generation

Hiện tượng phát sóng hài
bậc cao.

Nd

Neodym

KTP

Potassium Titanyl Phosphate

KTiOPO4

KDP

Potassium dihydrogen phosphate

KH 2 PO4

RMS Radius

Root Mean Quare Radius

Căn số bậc 2 của trung
bình bình phương bán kính.

YAG

Ytrium Aluminum Garnet

Y3 Al5O12

.

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Tính chất của tinh thể YAG. ............................................................................. 25
Bảng 2.2: Các tính chất vật lý và hóa học của tinh thể KTP. ............................................ 27
Bảng 2.3: Các tính chất phi tuyến của tinh thể KTP. ........................................................ 28
Bảng 3.1: Bảng nhập liệu gồm các hàng và cột. ............................................................... 36
Bảng 3.2: Dữ liệu nguồn diode laser 808nm. .................................................................... 37
Bảng 3.3: Dữ liệu thấu kính hội tụ. ................................................................................... 38
Bảng 3.4: Dữ liệu tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP. ..................................................... 39
Bảng 3.5: Dữ liệu thấu kính phân kỳ. ................................................................................ 40
Bảng 3.6: Dữ liệu thấu kính chuẩn trực............................................................................. 41
Bảng 3.7: Dữ liệu bộ lọc IR. .............................................................................................. 42
Bảng 4.1: Dữ liệu mô phỏng hoàn chỉnh hệ Green Laser Pointer. .................................... 43
Bảng 4.2: So sánh khi chưa tối ưu hóa và đã tối ưu hóa. .................................................. 48

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Giao diện Zemax. .............................................................................................. 13
Hình 1.2. Bảng nhập dữ liệu Lens Data Editor. ................................................................ 14

Hình 1.3. Hộp thoại Properties của bề mặt. ....................................................................... 15
Hình 1.4. Một cửa sổ phân tích điển hình. Tất cả các cửa sổ phân tích có cùng một thanh
trình đơn............................................................................................................................. 16
Hình 1.5. Hộp thoại Settings. ............................................................................................ 16
Hình 1.6. Các mục trong System. ...................................................................................... 17
Hình 1.7. Bộ ba nút Gen, Fie và Wav. .............................................................................. 17
Hình 1.8. Hộp thoại General. ............................................................................................. 17
Hình 1.9. Hộp thoại Field. ................................................................................................. 18
Hình 1.10. Hộp thoại Wavelength Data. ........................................................................... 19
Hình 2.1. Các bộ phận của Laser xanh lục. ....................................................................... 22
Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của một Green Laser Pointer. .................................................. 23
Hình 2.3. Vị trí tinh thể Nd: YAG trong Green Laser Pointer. ......................................... 24
Hình 2.4. Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer. ......................................................... 29
Hình 2.5. Bố trí thí nghiệm phát sóng hài bậc II đầu tiên tại Đại học Michigan, năm 1961.
........................................................................................................................................... 30
Hình 2.6. Cường độ sóng hài bậc hai là một hàm theo khoảng cách trong điều kiện hợp pha
và không hợp pha (đường liền nét). Đường cong đứt nét biểu diễn quá trình giả hợp pha....
........................................................................................................................................... 32
Hình 3.1. Green Laser Pointer. .......................................................................................... 34

6


Hình 3.2. Biểu tượng phần mềm Zemax. .......................................................................... 35
Hình 3.3. Bảng nhập liệu. .................................................................................................. 35
Hình 3.4. Bảng nhập dữ liệu nguồn diode laser. ............................................................... 37
Hình 3.5. Hộp thoại Wavelength Data thiết lập bước sóng 808nm. ................................. 37
Hình 3.6. Nguồn diode laser 808nm được mơ phỏng. ...................................................... 38
Hình 3.7. Bảng dữ liệu nguồn diode laser và thấu kính hội tụ. ......................................... 38
Hình 3.8. Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP.

........................................................................................................................................... 39
Hình 3.9. Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP và
thấu kính phân kì. .............................................................................................................. 40
Hình 3.10. Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP,
thấu kính phân kì và thấu kính chuẩn trực. ....................................................................... 41
Hình 3.11. Bảng dữ liệu hoàn chỉnh của hệ Green Laser Pointer. .................................... 42
Hình 4.1 Hình ảnh mơ phỏng 3D của hệ Green Laser Pointer. ......................................... 44
Hình 4.2. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x=10, y=30, z=90 và số tia sáng là
10. ...................................................................................................................................... 45
Hình 4.3. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x=30, y=30, z=30 và số tia sáng là 5..
.......................................................................................................................................... .45
Hình 4.4. Hộp thoại Quick Focus. .................................................................................... 46
Hình 4.5 Bảng dữ liệu sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick Focus. ......................... 47
Hình 4.6. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick
Focus. ................................................................................................................................. 47
Hình 4.7. Biểu đồ Spot Diagram. ...................................................................................... 48
7


Hình 4.8. Ánh sáng của Green Laser Pointer trong thực tế. .............................................. 49
Hình 4.9. Biểu đồ Ray Fan. ............................................................................................... 49
Hình 4.10 Biểu đồ OPD. .................................................................................................... 50
Hình 4.11(a). Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer. ............................................ 51
Hình 4.11(b). Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer. ............................................ 51

8


LỜI CẢM ƠN
Sau bốn năm được học tập và rèn luyện tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên –

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, khoa Vật lý – Vật lý kĩ thuật. Lời đầu tiên, em
xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, đặc biệt là q thầy cơ Bộ mơn Vật lý Ứng dụng vì đã
truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có nền tảng vững chắc
thực hiện khóa luận. Những kiến thức và kinh nghiệm đó sẽ là hành trang theo em suốt quá
trình làm việc và cuộc sống sau này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn của em – thầy Nguyễn Thanh
Lâm. Thầy đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hồn thành tốt khóa luận
tốt nghiệp này.
Bạn Hoàng Như Ý, bạn Nguyễn Thị Ánh Tuyên đã cùng thảo luận, chia sẻ tài liệu
và trao đổi đề tài khóa luận. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, người thân, bạn
bè – những người đã luôn động viên, đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ cùng em cả trong học tập
lẫn cuộc sống.
Mặc dù em đã cố gắng thực hiện đề tài của mình một cách hồn chỉnh nhất có thể.
Nhưng do em mới bước đầu làm công tác nghiên cứu một đề tài cũng như bản thân còn
thiếu kiến thức và kinh nghiệm thực tế nên khó tránh khỏi sai sót mà em không thể nhận
thấy. Em rất mong được nhận được sự góp ý từ thầy cơ và các bạn để khóa luận của em
được hoàn chỉnh và phát triển hơn nữa.
Một lần nữa em xin cảm ơn mọi người. Em xin kính chúc mọi người dồi dào sức
khỏe và đạt được những thành tựu mà mình mong muốn trong cơng việc lẫn cuộc sống.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 7, tháng 7, năm 2019

Sinh viên Võ Nguyễn Thùy Trang.

9


LỜI MỞ ĐẦU
Bên cạnh sự tiến bộ ngày càng nổi trội của lĩnh vực quang phi tuyến, kéo theo đó
các phần mềm mô phỏng quang học cũng ngày càng được phát triển để phục vụ nghiên

cứu dễ dàng hơn. Ngày nay, các phần mềm mô phỏng quang học đã trở nên đa dạng và gần
gũi, không thể kể đến một số phần mềm như Zemax, OpticeStudio, Catia, AutoCad,…
Zemax là một phần mềm chuyên biệt, được thiết kế tối ưu hóa cho việc mô phỏng các yếu
tố trong quang học. Cụ thể Zemax là một chương trình thiết kế quang học được sử dụng để
thiết kế và phân tích các hệ thống hình ảnh như hệ thấu kính camera, các hệ thống chiếu
sáng khác như đèn xe hơi, hệ laser… Nhờ các tính năng ưu việt nên Zemax đã trở thành
một phần mềm có tính ứng dụng cao trong quang phi tuyến.
Mặc dù được sử dụng phổ biến trên thế giới bởi các nghiên cứu và kỹ sư quang học
nhưng hiện nay ở Việt Nam phần mềm chưa được sử dụng rộng rãi trong ngành quang học
nói chung cũng như trong ngành laser và quang phi tuyến nói riêng. Nên trong khóa luận
này em sẽ giới thiệu qua phần mềm Zemax và ứng dụng phần mềm Zemax để mô phỏng
một hệ quang phi tuyến là Green Laser Pointer (laser xanh lục) – một ứng dụng phổ biến
và dễ dàng mua được trên thị trường. Green Laser Pointer là một thiết bị hoạt động dựa
trên hiệu ứng quang phi tuyến được phát minh đầu tiên – hiệu ứng phát sóng hài bậc hai.
Hiện tượng phát sóng hài bậc hai được P.A. Frankin, A.E. Hill, C. W. Peters và G.
Weinreich (đại học Michigan, Ann Arbor) phát hiện vào năm 1961 cùng với sự ra đời của
tia laser.
Vì vậy, trong khóa luận tốt nghiệp này, em đã cố gắng mô phỏng hệ thống quang
học hoàn chỉnh của một hệ Green Laser Pointer bằng phần mềm Zemax. Qua đó, ta có thể
thấy được những tính năng của phần mềm, hiểu rõ hơn cách sử dụng phần mềm Zemax và
đồng thời thấy được các đặc tính của hệ Green Laser Pointer cũng như khả năng mở rộng
phương pháp này để mô phỏng các hệ quang học trong thực tế.

10


Bố cục khóa luận gồm:
Chương 1: Tổng quan phần mềm Zemax.
Chương 2: Hệ Green Laser Pointer.
Chương 3: Mô phỏng hệ Green Laser Pointer bằng phần mềm Zemax.

Chương 4: Kết quả và tối ưu hóa.

11


Chương 1
TỔNG QUAN PHẦN MỀM ZEMAX

1.1 Giới thiệu về phần mềm Zemax
Zemax là một chương trình thiết kế quang học thường được sử dụng cho Microsoft
Windows của công ty Mỹ Zemax LLC. Zemax được sử dụng cho việc thiết kế và phân tích
của cả hai hệ thống chụp ảnh và chiếu sáng.
Zemax ban đầu được viết bởi Ken Moore và là chương trình thiết kế quang học
đầu tiên được viết riêng cho Windows. Zemax được thương mại hóa vào năm 1990. Phiên
bản đầu tiên được gọi là Max. Sau đó được đổi thành Zemax do xung đột nhãn hiệu.
Chương trình ban đầu được phân phối bởi Focus Software mà sau này trở thành
Zemax Development Corp. Sau đó sáp nhập với Radiant Imaging vào năm 2011 để tạo
thành Radiant Zemax. Năm 2014, Radiant bán Zemax cho các đối tác của Arlington
Capital, đặt tên công ty là Zemax, LLC. Phiên bản mới nhất của zemax hiện nay có tên
Optic Studio.
Zemax là một chương trình thiết kế quang học được sử dụng để thiết kế và phân
tích các hệ thống quang học như thấu kính camera, cũng như các hệ thống chiếu sáng.
Nó hoạt động bằng cách dị tia - mơ hình hóa sự truyền tia qua hệ thống quang học. Phần
mềm có thể mô phỏng hiệu ứng của các yếu tố quang học như thấu kính đơn giản, thấu
kính aspheric, thấu kính gradient, gương, các yếu tố quang học nhiễu xạ, … và có thể tạo
ra các sơ đồ phân tích tiêu chuẩn.
Zemax cũng có thể mơ phỏng hiệu ứng của lớp phủ quang học trên bề mặt của các
dụng cụ. Phần mềm bao gồm một thư viện đa dạng các ống kính thương mại. Zemax có
thể mơ phỏng các hệ quang học tuần tự và khơng tuần tự sau đó thực phân tích các tính
chất quang học hay sự truyền tia quang vật lý. Đồng thời Zemax cũng có khả năng dung

nạp, cho phép phân tích ảnh hưởng của lỗi sản xuất và lỗi lắp ráp.

12


Nhờ tính năng mơ phỏng các hệ quang học nên Zemax cũng có thể được sử dụng
cho các vấn đề phân tích nhiễu xạ quan trọng, bao gồm việc truyền tia trong các chùm laser
hay sự kết hợp ánh sáng thành sợi quang đơn. Các cơng cụ tối ưu hóa của Zemax có thể
được sử dụng để cải thiện thiết kế ống kính ban đầu bằng cách tự động điều chỉnh các thơng
số để tối đa hóa hiệu suất và giảm quang sai.

1.2. Giao diện phần mềm Zemax
-

Zemax có giao diện bắt đầu như sau:

Hình 1.1. Giao diện Zemax.
-

Giao diện người dùng (hình 1.1) bao gồm ba yếu tố chính:
1. Khung chương trình bao gồm dải menu, thanh cơng cụ trên cùng và thanh
trạng thái tại đáy.
2. Bảng Lens Data Editor (trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính). Hầu như tất cả dữ liệu
được nhập thông qua bảng này, cho phép các tham số xác định hệ thống quang
học và liên kết với nhau hoặc được tối ưu hóa theo u cầu người dùng. Trình
chỉnh sửa dữ liệu ống kính hiển thị một chuỗi các cột nhập dữ liệu như bán kính
13


cong, độ dày, loại kính, nửa đường kính thiết bị và hình nón. Tiếp đến là một loạt

các tham số, có nhãn từ 0 đến 12. Cuối cùng là cột Hệ số phát nhiệt (TCE) và lớp
phủ (chỉ sử dụng EE).
3. Cửa sổ phân tích là kết quả của một số phép tính mà chương trình đã thực
hiện. (2D Layout, RMS, Spot Diagram, …).

1.3 Lens Data Editor (Trình chỉnh sửa dữ liệu ống kính)
Trong tia theo dõi tuần tự (Sequential), ánh sáng được bắt nguồn từ nguồn của nó,
được gọi là bề mặt “Object” - bề mặt 1. Sau đó đến bề mặt 2, 3, … cho đến khi nó rơi trên
bề mặt 'Image' (ảnh) cuối cùng.
Các bề mặt được chèn vào hoặc xóa trong trình chỉnh sửa bằng cách sử dụng phím
“Insert” hoặc “Delete” hoặc bằng menu “Edit”. Chiều rộng cột có thể được thay đổi bằng
cách đặt con trỏ ở hàng trên cùng - trên dấu tách cột. Khi con trỏ chuyển thành ký hiệu ↔,
hãy nhấp và giữ nút chuột trái để thay đổi kích thước cột. Cột và hàng có thể được ẩn hồn
tồn (và bỏ ẩn) bằng cách sử dụng menu “View”.
'V' bên cạnh một số tham số có nghĩa là tham số này là 'biến'. Trong ZEMAX được
phép thay đổi các giá trị trong các ơ để cải thiện hiệu suất.

Hình 1.2. Bảng nhập dữ liệu Lens Data Editor.
Các bề mặt cũng có các thuộc tính khơng hiển thị trực tiếp trong trình soạn thảo.
Thường là những thuộc tính được thiết lập và sau đó khơng thay đổi. Để xem các thuộc tính
này, chọn mục “Type” của bề mặt đã chọn và nhấp đúp. Ngoài ra, nhấp vào bất kỳ nơi nào
trên hàng đã chọn và chọn “Edit” → Surface Type: hộp thoại nhiều tab xuất hiện. Từ danh

14


sách thả xuống của “Surface Type drop-down”, có thể chọn loại bề mặt: hình cầu, nhiễu xạ,
hình xuyến, v.v...

Hình 1.3. Hộp thoại Properties của bề mặt.

1.4 Cửa sổ phân tích (Analysis Window)
Cửa sổ phân tích cung cấp dữ liệu dựa trên đồ họa hoặc số liệu của ống kính
được nhập trong Lens Data Editor. Cửa sổ phân tích khơng bao giờ thay đổi dữ liệu
ống kính: chúng cung cấp thơng tin chẩn đốn về các khía cạnh khác nhau của hiệu
suất hệ thống ống kính.
Cửa sổ phân tích có tất cả hoạt động trên cùng một giao diện:
-

Nhấn vào mục menu “Update” hoặc nhấp đúp vào bất kỳ vị trí nào trong cửa sổ
phân tích “Analysis Window” bằng nút chuột trái sẽ tạo cửa sổ phân tích tính tốn
lại.

-

Nhấn mục menu “Text” sẽ hiển thị dữ liệu cơ bản đang được trình bày đồ họa.

-

Mục menu Window cho phép bạn truy cập vào các tùy chọn Copy, Export as
Bitmap, Export as Text File, etc. options.

15


Hình 1.4. Một cửa sổ phân tích điển hình. Tất cả các cửa sổ phân tích có cùng một thanh
trình đơn.
Nhấp vào mục menu “Settings” hoặc nhấp chuột phải vào bất kỳ vị trí nào trong cửa
sổ phân tích sẽ hiển thị hộp thoại Settings (Cài đặt):

Hình 1.5. Hộp thoại Settings.

1.5 Hệ thống System
Ngoài các bề mặt của hệ thống quang học, ta cũng cần xác định ánh sáng tới trên
hệ thống quang học - được thực hiện với menu System:
16


Hình 1.6. Các mục trong System.
Và với bộ 3 nút: Gen (độ rộng chùm), Fie (xác định chiều cao vật) và Wav (xác
định bước sóng):

Hình 1.7. Bộ ba nút Gen, Fie và Wav.

1.6 Hộp thoại General
Hộp thoại General chứa các thiết lập áp dụng cho toàn bộ thiết kế ống kính.

Hình 1.8. Hộp thoại General.
17


-

Tab quan trọng nhất là tab Aperture - xác định độ rộng chùm ánh sáng tới.

-

Tab Units: đơn vị thấu kính (mét, cen-ti-mét, inch).

1.7 Hộp thoại Field Data

Để mở hộp thoại này, chọn System → Field hoặc chọn nút “Fie”.
Thuật ngữ "Field" là viết tắt của “field-of-view” và được định nghĩa theo ba cách,
một trong số đó hỗ trợ hai tùy chọn:
•

Chiều cao của vật (object) tạo ảnh.

•

Chiều cao của ảnh tạo thành, có thể được chọn là hình ảnh thực hoặc ảnh ảo.

•

Góc được phụ thuộc bởi chiều cao vật (objects) tại thấu kính.

Hình 1.9. Hộp thoại Field.

1.8 Hộp thoại Wavelength Data (dữ liệu bước sóng)
Để mở hộp thoại này, chọn System → Wavelength hoặc chọn nút “Wav”.
Bước sóng nhập vào luôn ở đơn vị micrometer. Độ lớn bước sóng có thể được
sử dụng để xác định cường độ phổ tương đối hoặc đơn giản để xác định bước sóng
nào là quan trọng nhất trong thiết kế. Bước sóng 'chính' được sử dụng như một bước
sóng mặc định. Ví dụ, nếu được u cầu tính tốn độ dài tiêu cự hiệu dụng, Zemax
sẽ tính tốn nó ở bước sóng chính nếu khơng có bước sóng nào được xác định. [1]

18


Hình 1.10. Hộp thoại Wavelength Data.

Trên đây là những hộp thoại cơ bản trong phần mềm Zemax giúp ta mô phỏng tương
đối đầy đủ một hệ quang không quá phức tạp lên phần mềm. Zemax cịn có nhiều chức
năng khác nữa, ở phần mô phỏng sẽ đi vào những chức năng phức tạp hơn.

19


Chương 2
HỆ GREEN LASER POINTER.
Green Laser Pointer (Laser xanh lục) đồng thời là laser rắn. Các laser rắn khác
nhau sử dụng các cụm diode laser khác nhau, nhưng được sản xuất theo kiểu tương tự
nhau. Vì vậy, ở phần này sẽ trình bày giới thiệu về laser rắn và quy trình sản xuất các bộ
phận trong laser rắn - cũng là các bộ phận tương tự trong laser xanh lục.

2.1 Giới thiệu chung về Laser rắn
Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation trong tiếng Anh và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức".
Laser rắn sử dụng vật liệu tinh thể rắn làm môi trường hoạt chất và áp dụng hiện tượng
phát xạ cảm ứng. Laser rắn có sự khác biệt với laser bán dẫn và laser diode.
Lý thuyết được sử dụng để sản xuất laser được công bố vào năm 1958 bởi các nhà
nghiên cứu tại Bell Labs [2]. Tia laser đầu tiên, được chế tạo vào năm 1960 là laser Ruby,
laser này sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất. Ngay sau đó các nhà khoa học nghiên
cứu và chế tạo ra nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất. Laser
trạng thái rắn hiện đại không khác nhiều so với nguyên mẫu ban đầu. Tuy nhiên, trong khi
các tinh thể ruby đã và đang tiếp tục vị trí của chúng, phần lớn các laser trạng thái rắn hiện
đại sử dụng vật liệu pha tạp neodymium (Nd) như Nd: YAG (Yttri Aluminium Garnet là
Y3 Al5O12 ), Nd: YVO4 , Nd: Glass khác. Chúng có ngưỡng phát quang thấp hơn nhiều so với

ruby cũng như các tính chất vật lý và quang học mong muốn khác. [3]

2.2 Quy trình sản xuất các bộ phận cơ bản của laser rắn
-

Các diode laser được sản xuất trong nhà máy- nơi các vật liệu bán dẫn được sản xuất
với điều kiện rất sạch sẽ và được kiểm soát cẩn thận. Chất nền là vật liệu cơ bản mà
trên đó các vật liệu khác sẽ được lắng đọng. Đế của chất nền được sản xuất, làm
sạch và chuẩn bị. Sau đó, nó trải qua nhiều giai đoạn và các lớp vật liệu được lắng
đọng trên đế. Một số lớp này chỉ dày vài nguyên tử. Các lớp này có thể dẫn điện
20


(kim loại như nhôm và vàng) hoặc chất bán dẫn. Những lớp này cũng có thể được
thay đổi khi tiếp xúc với các hóa chất khác. Sau khi tất cả các vật liệu được lắng
đọng trên đế, nó được cắt hạt lựu (cắt rời, thường thành các phần hình chữ nhật)
thành các diode riêng lẻ. Các diode sẽ được kiểm tra và diode nào không hoạt động
sẽ được loại bỏ. Diode laser đạt chuẩn sau đó được đóng gói trong một hộp nhựa có
dây dẫn kim loại để kết nối điện.
-

Bảng mạch chứa mạch tạo ra chức năng của laser. Gồm: công tắt, diode laser và các
thành phần của mạch điều khiển (điển hình là photodiode, điốt, điện trở và tụ
điện). Các bộ phận này được đặt trên bảng mạch (đơi khi được kết dính) và sau đó
được hàn tại chỗ.

-

Thấu kính chuẩn trực trong một laser pointer là một thấu kính tập trung ánh sáng
hình nón đi ra khỏi đi-ốt laser thành một chùm hẹp (tập trung ánh sáng thành một
điểm hẹp hơn và ở khoảng cách xa hơn). Thấu kính làm bằng nhựa được đúc - q
trình trong đó nhựa nóng chảy bị ép vào khn. Nhựa nguội và đơng cứng lại, sau

đó khn được kéo ra và ống kính được tháo ra. Sau đó nó được mài và đánh bóng
cho đến khi bề mặt nhẵn sao cho ánh sáng từ diode laser sẽ không bị bật ra khỏi
những điểm khơng hồn hảo trên bề mặt kính.

-

Lắp ráp diode laser: các diode laser và bộ quang học chuẩn trực được đặt cùng với
một giá đỡ bằng nhựa để tạo thành cụm diode laser. Hầu hết các cụm laser diode có
một lị xo kim loại gắn ở phía sau. Lò xo này tiếp xúc với pin trong diode laser và
là một phần của mạch lấy điện từ pin.

-

Vỏ là một ống có khơng gian để lắp ráp diode laser và pin. Việc lắp ráp diode laser
được đẩy hoặc vặn vào một đầu của vỏ. Mặt trong của vỏ được làm bằng đồng hoặc
có một dải đồng (được dán hoặc tán) dọc không gian chứa pin. Phần cuối của không
gian chứa pin cũng có một khu vực bằng đồng lộ ra hoặc được làm bằng đồng
thau. Khi phần cuối này được đẩy hoặc vặn vào vỏ, nó sẽ tiếp xúc với phía bên kia
của pin để hồn thành mạch điện cho phép dòng điện chạy từ pin đến cụm diode
laser.

21


-

Trên vỏ máy có nút chuyển đổi (một miếng nhựa dính qua lỗ cắt trên vỏ) phải được
đẩy và giữ để laser hoạt động. Khi nhấn nút này, công tắc trên bảng mạch sẽ đóng
lại, dịng điện chạy từ pin đến hệ thống của laser và tạo ra một chùm ánh sáng. Sau
khi laser được lắp ráp và kiểm tra, nhãn an tồn sẽ được thêm vào. Nhãn này mơ tả

đánh giá của laser về sản lượng điện, lưu ý các quy định chi phối việc sử dụng và
cảnh

báo

người

dùng

để

tránh

tiếp

xúc

trực

tiếp

với

mắt.

Hình 2.1. Các bộ phận của Green Laser Pointer.

2.3 Cấu tạo hoạt động Green Laser Pointer
Green Laser Pointer (Laser xanh lục) tạo ra ánh sáng xanh từ ánh sáng hồng ngoại.
Do đó, thiết bị laser được thiết kế và sản xuất để giam giữ ánh sáng hồng ngoại trong vỏ

bọc của laser.
Thiết kế của laser phụ thuộc vào yêu cầu điện năng của diode laser, tuổi thọ mong
muốn của nguồn điện và các thành phần khác. Các laser nhỏ nhất có chiều dài dưới hai
inch và một số laser được thiết kế dưới dạng bút. Các laser pointer dài hơn có thể chứa pin
AAA hoặc AA - cung cấp nguồn điện lâu hơn so với pin đồng hồ được sử dụng trong các
laser nhỏ hơn. Hầu hết các laser sử dụng hai hoặc ba pin.

22


Green Laser Pointer tạo ra ánh sáng màu xanh lục một cách gián tiếp. Có cấu tạo
bao gồm một diode laser phát ánh sáng ở bước sóng 808nm, nằm trong vùng hồng ngoại
(gần vùng khả kiến). Ánh sáng từ diode này chiếu đến một tinh thể Nd: YAG (neodymium
pha tạp yttri nhôm garnet) hoặc tinh thể Nd: YVO (neodymium pha tạp nhơm yadri) thay
đổi bước sóng thành 1064nm. Tia sáng 1064 nm sau đó được hướng vào một tinh thể KTP
(kali titanyl phosphate) làm tăng gấp đôi tần số và giảm một nửa bước sóng thành 532 nm
- màu xanh lục.
Do hiệu ứng phát sóng hài bậc hai, năng lượng hồng ngoại từ tinh thể YAG vào
KTP có thể cao tới 30-40 mW và tạo ra năng lượng 5 mW ở bước sóng 532 nm. Nên laser
cần có bộ lọc ở đầu ra để hạn chế nguy hiểm của năng lượng phát ra.

Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của một Green Laser Pointer.

2.4

Tinh thể Nd: YAG trong Green Laser Pointer
2.4.1 Tinh thể Nd: YAG
Laser Nd:YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất kể từ khi

hợp chất Nd:YAG được sử dụng làm hoạt chất laser thành cơng vào năm 1964. Cơng thức

hố học của chất nền là Y3 Al5O12 (Ytrium Aluminum Garnet-viết tắt là YAG) và của các
23


tâm kích hoạt là ion Nd3+ (Neodym-viết tắt là Nd). Bức xạ laser xảy ra trong các dịch
chuyển giữa các mức năng lượng của các ion Nd3+. Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy
vào trong tinh thể YAG với tỷ lệ 1 đến 2% (theo trọng lượng). Do mật độ Nd3+ khá lớn
nên hệ số khuếch đại của laser Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. Hợp chất Nd:YAG
là hợp chất sở hữu những thuộc tính tốt nhất về quang học, nhiệt, cơ khí và nó là ngun
liệu sử dụng tốt nhất cho laser rắn. Đặc trưng cơ bản của hợp chất này là: truyền dẫn mạnh
0

ở nhiệt độ phịng với bước sóng 1064 nm, độ rộng tia là 4,5 A , thời gian huỳnh quang là
230 ns, điểm nóng chảy là 1970 0C . Nd:YAG vơ cùng cứng và có dẫn suất nhiệt tốt.

Nd: YAG crystal

Crystal

Hình 2.3. Vị trí tinh thể Nd: YAG trong laser xanh lục.

2.4.2 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG
Tinh thể Nd:YAG là tinh thể đều, được nuôi bằng phương pháp Czochral (kéo tinh
thể nóng chảy). Trường tinh thể gần đối xứng tứ giác. Số nút trong mạng tinh thể là
1,36.1022/ cm3 . Tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng là 3.10−19 cm2 trong điều kiện nhiệt
độ phòng. Thanh hoạt chất thơng thường có độ dài từ 75 mm đến 150 mm, đường kính lớn
nhất là 8 mm (tuỳ thuộc vào công nghệ nuôi). Hai đầu thanh hoạt chất được cắt phẳng hoặc
cắt theo góc Bruster và được đánh bóng, phủ lớp khử phản xạ. Mục đích khử phản xạ để
tránh tạo ra buồng cộng hưởng phụ. Tuỳ theo công nghệ nuôi cấy khác nhau, tiết diện
24