Kỹ thuật xác định độ rộng phổ laser băng hẹp bằng giao thoa kế fabry perot

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
1


Lời cảm ơn
Đầu tiên tôi xin chân thành ban chủ nhiệm khoa Sau đại học và
khoa Vật lí, các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ em trong những
năm học tại khoa và đã tạo điều kiện cho tôi được làm luận văn này.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn
TS. Đồn Hồi Sơn - người đã hết lịng giúp đỡ, chỉ bảo tận tình để
có ý tưởng và hồn thành được luận văn này. Qua đây tôi cũng chân
thành cảm ơn các thầy cơ và mọi người đã góp cho tơi nhiều ý kiến
bổ ích để khóa luận được hồn thiện hơn.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng tong bản luận văn khơng tránh
khỏi các sai sót. Bởi vậy tơi rất mong nhận được sự góp ý kiến của
các thầy cô giáo và các bạn .
Vinh, tháng 10.2010

Học viên làm khóa luận

2


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................

3

1. Lịch sử phát triển của Laser băng hẹp..................................................

3

Chương I: TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP.................................

6

1. 1 Nguyên tắc tạo ra laser băng hẹp trong buồng cộng hưởng...............

6

1. 1. 1 Sự chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng...................................

7

1. 1. 2 Yếu tố lọc phổ trong buồng cộng hưởng.........................................

8

1. 1. 3 Giảm thiểu độ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng....

9

1. 2 Một số buồng cộng hưởng phát laser băng hẹp....................................

10

1. 2. 1 Buồng cộng hưởng hệ lăng kính giãn chùm.....................................

10

1. 2. 1. 1 Lý thuyết tán sắc của hệ lăng kính giãn chùm..............................

10

1. 2. 1. 2 Sự phân cực của chùm bức xạ khi lan truyền qua
bộ giãn chùm lăng kính.....................................................................

13

1. 2. 2 Cách tử Hologram............................................................................

14

1. 2. 2. 1 Cách tử Littrow.............................................................................

15

1. 2. 3 Buồng cộng hưởng hoạt động theo cơ chế phản hồi phân bố...........

17

Kết luận chương I........................................................................................

20

Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI BƯỚC SĨNG LASER....

21

2. 1. Ngun tắc thay đổi bước sóng của Laser ..........................................

21

2. 1. 1. Thay đổi tốc độ điện tử.....................................................................

21

2. 1. 2 Thay đổi nhiệt độ..............................................................................

22

2. 1. 2. 1 Thay đổi nhiệt độ trong hoạt chất laser ........................................

22
3


2. 1. 2. 2 Thay đổi nhiệt độ trong môi trường phi tuyến...............................

23

2. 1 .3 Tương tác phi tuyến............................................................................

24

2. 2. Các phương pháp thay đổi bước sóng của Laser ..................................

25

2. 2. 1. Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ .................................................

25

2. 2. 2. 1 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi cư trú mức laser dưới................

25

2. 2. 2. 2 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi nhiệt độ vùng cấm.....................

26

2. 2. 2. 3 Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiết suất....................................

27

2. 2. 2 Thay đổi bước sóng bằng 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
3. 1 Kiến thức cơ bản về giao thoa kế.........................................................
33
3. 2 Giao thoa kế Fary-Perot.......................................................................

34

3. 2. 1 Giao thoa nhiều chùm tia..................................................................

35

3. 2. 2 Giao thoa kế phẳng Fary-Perot.........................................................

39

3. 3 Xác định độ rộng phổ laser băng hẹp bằng giao thoa kế Fabry-Perot...

43

3. 3. 1 Cấu tạo của cấu hình đo độ rộng phổ.................................................
3. 3. 2 Kỹ thuật xác định độ rộng phổ..........................................................

44

45

3. 3. 3 Kết quả thực nghiệm.........................................................................

45

Kết luận chương III......................................................................................
Kết luận chung............................................................................................
Tài liệu tham khảo.........................................................................................

46
47
48

4


MỞ ĐẦU
1. Lịch sử phát triển của Laser băng hẹp
Laser băng hẹp đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu khoa học
và các ứng dụng khác. Việc sử dụng các yếu tố chọn lọc phổ trong thiết bị laser
để nhận được các bức xạ đơn sắc được đưa ra vào năm 1967 được chứng minh
bởi Soffer và Mc Farland. Sau đó với việc sử dụng buồng cộng hưởng cách tử gương, Bradly và cộng sự đã rạo ra laser có độ đơn sắc cao, cỡ 0.05 nm. Sau này
với việc sử dụng hệ giãn buồng cộng hưởng có thể tạo laser có độ đơn sắc cỡ
0.03 nm ở bước sóng 600 nm. Vào cuối năm 70 người ta đã phát triển cấu hình
laser màu cách tử góc là (cách tử được chiếu ở một góc tới cỡ 90 0) kết hợp với
gương điều chỉnh đã thu được laser có độ đơn sắc cao. Độ rộng vạch ở bước
sóng 600nm là 0.003 nm đã đạt được bởi Littman và Metcalf vào năm 1978.
Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, việc sử dụng các tổ hợp giãn chùm
nhiều lăng kính, gương và thấu kính cho phép chúng ta nhận được độ rộng vạch

phổ hẹp hơn nữa. Khi sử dụng cách tử bậc năm đã cho ta độ rộng vạch phổ cỡ
0.0014 nm ở bước sóng 510 nm cùng với mức bức xạ tự động được khuếch đại
trong cấu hình buồng cộng hưởng kín thấp hơn trong cấu hình buồng cộng
hưởng mở cỡ hai bậc. Với tổ hợp cách tử, gương, thấu kính, lăng kính, giao thao
kế các cấu hình laser khác nhau đã được các nhà khoa học nghiên cứu để năng
cao hiệu suất laser và đạt được độ đơn sắc cao nhất phục vụ cho nghiên cứu và
ứng dụng.

5


Hiện nay laser băng hẹp và điều chỉnh bước sóng đang được chú ý phát
triển vì đây là thiết bị quan trọng để nghiên cứu và ứng dụng trong khoa học và
cơng nghệ. Có nhiều kĩ thuật tạo các laser xung ngắn và có độ đơn sắc cao. Để
thu được thỏa mãn đồng thời laser xung ngắn, băng hẹp và điều chỉnh được bước
sóng thì người ta dùng phương pháp phản hồi phân bố (DFB). Nét đặc trưng về
mặt cấu tạo của laser DFB là không dùng buồng cộng hưởng gồm hai gương
phẳng song song với nhau mà thay vào đó là ánh sáng đươc khuếch đại trong
mơi trường hoạt chất khi áp dụng hiệu ứng phản hồi phân bố được tạo ra bởi tán
xạ Bragg trong không gian do một số thông số của trường hoạt chất: Chiết suất,
hệ số khuếch đại quang có tính chu kỳ khơng gian. Bởi vậy DFB có thể phát
laser đơn sắc cao ở những bước sóng khác nhau
Hầu hết các laser màu phát xung được tạo ra nhằm mục đích thực hiện
phép phân tích kích thích cộng hưởng chính xác như kích hoạt ưu tiên đối với
một trạng thái lượng tử ban đầu được xác định trước lên một trạng thái lượng tử
kích thích xác định. Do đó độ rộng phổ là một trong các thông số cần biết khi
ứng dụng laser trong nghiên cứu khoa học.
Với yêu cầu thực tiễn như trên, trong bản luận văn này chúng tôi nghiên
cứu và đề xuất một cấu hình để đo độ rộng phổ của laser băng hẹp với đề tài: ”
Kỹ thuật xác định độ rộng phổ của laser băng hẹp’’

2. Nội dung luận văn.
Bản luận văn này gồm có ba chương:
Chương I: Tổng quan về 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 bằng giao thoa kế
Fabry-Perto

6


Chương I
TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP
Laser với các ưu điểm và ứng dụng của nó đã được nghiên cứu và có
những bước phát triển mạnh mẽ. Rất nhiều mơ hình đã được đưa ra và chứng
minh những ưu thế của laser băng hẹp. Laser băng hẹp thường có hiệu suất cao,
cỡ vài phần trăm. Và việc tạo ra một laser băng hẹp có hiệu suất cao dễ dàng đạt
được hơn.
Đối với laser băng hẹp điều được quan tâm nhiều không chỉ là thời gian
xung mà độ rộng phổ được quan tâm rất nhiều. Có hai yếu tố ảnh hưởng đến độ
rộng phổ của bức xạ laser đó là độ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng
hưởng và độ tán sắc của buồng cộng hưởng. Để tạo ra các bức xạ laser có độ
rộng phổ nhỏ người ta sử dụng các yếu tố trong buồng cộng hưởng laser. Bây giờ
chúng ta cùng đi xét một số đặc điểm của buồng cộng hưởng laser băng hẹp.
1. 1 Nguyên tắc tạo ra laser băng hẹp trong buồng cộng hưởng
Độ rộng phổ của laser được xác định:
∆λ =

δλ0
∆θ
δθ

(1.1)

−
1

với: +

δ 0 
λ

δ 
 θ

: Độ tán sắc của yếu tố chọn lọc phổ được sử dụng trong
buồng cộng hưởng.

+ ∆θ : Độ phân kỳ trong chùm laser của buồng cộng hưởng

7


Từ (1.1) cho thấy rõ ảnh hưởng của buồng cộng hưởng lên tính chất phổ của
laser. Dựa vào (1.1) thì để tạo ra bức xạ laser có độ đơn sắc cao nói cách khác để
đạt được laser có tính kết hợp cao các buồng cộng hưởng phải thiết kế sao cho
giảm thiểu độ phân kỳ của chùm tia laser trong buồng cộng hưởng, tăng độ tán
sắc của yếu tố chọn lọc phổ đạt cực đại.
1. 1. 1 Sự chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng đóng vai trị rất quan trọng trong quá trình hình thành
bức xạ laser. Có thể nói buồng cộng hưởng như trái tim của hệ laser với các chức

năng là tạo ra bức xạ (phân bố bên trong buồng cộng hưởng) khi dao động laser
được hình thành. Do đó cấu trúc của buồng cộng hưởng ảnh hưởng trực tiếp đến
cấu trúc của trường bức xạ laser. Nói cách khác, trạng thái hoạt động của bức xạ
được quyết định bởi cấu trúc của buồng cộng hưởng. Cấu trúc của trường bức xạ
laser được đặc trưng bởi các thông số mode ngang (TEM liên quan đến cấu trúc
tiết diện ngang của trường bức xạ) và thông số mode dọc. Mỗi mode ngang có
thể bao hàm nhiều mode dọc hoạt động. Trong quá trình hoạt động của laser nhìn
chung bức xạ được phân bố cho nhiều mode dao động nhiễu loạn cùng tồn tại
trong buồng cộng hưởng. Do sự cạnh tranh và chồng chập giữa các mode dao
động làm độ ổn định của laser giảm đi rõ rệt. Do đó để ổn định bức xạ phát
người ta chỉ chú trọng xây dựng các buồng cộng hưởng theo cấu trúc đặc biệt sao
cho chỉ tồn tại một hoặc một vài mode hoạt động trong buồng cộng hưởng. Các
buồng cộng hưởng này được xây dựng dựa trên nguyên tắc chọn lọc mode hoạt
động. Nguyên tắc chọn lọc mode hoạt động: Mode được chọn có hệ số mất mát
thấp so với các mode khác trong buồng cộng hưởng.
+ Sự chọn lọc mode ngang dựa trên sự khác nhau về cấu trúc tiết diện trên của
trường mode với các mode bậc khác nhau
+ Sự chọn lọc mode dọc dựa trên sự khác biệt về phân bố trường theo tần số

8


Sự khác nhau về cấu trúc trường của các mode ngang dẫn đến độ mất mát
do nhiễu xạ của các mode này cũng khác nhau. Trong các buồng cộng hưởng ổn
định, các hệ số mất mát do nhiễu xạ giữa các mode ngang thường khơng q
chênh lệch, do đó để giảm số mode hoạt động người ta phải hạn chế thể tích
mode trong buồng cộng hưởng bằng các tấm chắn diaphram nhằm chỉ cho phép
một số mode lan truyền dọc theo buồng cộng hưởng.
Laser băng hẹp hoạt động với mode dọc, để lựa chọn mode dọc thì người
ta sử dụng các buồng cộng hưởng có chứa các yếu tố lọc lựa phổ. Các yếu tố này

có vùng chọn lọc phổ thuộc vùng hoạt động của laser. Tùy vào độ đơn sắc và
vùng điều biến mà yếu tố chọn lọc phổ là các phin lọc, cá yếu tố tán sắc (lăng
kính, cách tử) và các yếu tố lựa lọc giao thoa (phin lọc giao thoa, mẫu Fapry Perot)
Ngoài ra, để tăng khả năng chọn lọc mode dọc, buồng cộng hưởng laser
phải được thiết kế sao cho kích thước chiều dài được rút ngắn, nghĩa là làm mở
rộng khoảng cách giữa hai mode liên tiếp
1. 1. 2 Yếu tố lọc phổ trong buồng cộng hưởng
Độ dài bước sóng laser và độ rộng phổ phát xạ của nó có thể được khống
chế nhờ sử dụng các yếu tố chọn lọc trong buồng cộng hưởng. Để đặc trưng cho
tác dụng lọc phổ, người ta định nghĩa độ làm hẹp phổ là tỉ số giữa độ rộng băng
(khi chưa có yếu tố lọc) và độ rộng vạch phổ (khi có yếu tố lọc lựa). Độ làm hẹp
phổ có thể đạt được từ vài chục đến thậm chí hàng trăm đối với laser màu xung
với độ dài xung vài chục micrô giây.
Trong các nghiên cứu, ứng dụng quang phổ phân giải cao laser đơn sắc
được sử dụng rộng rãi nhất và đặc biệt là laser có cấu trúc buồng cộng hưởng
băng hẹp sử dụng cách tử như yếu tố tán sắc chọn lọc phổ. Cấu hình buồng cộng
hưởng này cho phép đạt được bức xạ có độ đơn sắc cao với vùng phổ hoạt động
khá rộng. Đồng thời cơ chế điều chỉnh bước sóng khá đơn giản và đáng tin cậy
9


cho phép điều chỉnh tinh tế và liên tục bước sóng bức xạ. Hơn nữa cấu hình
buồng cộng hưởng này khá đơn giản, nhỏ gọn tiện dụng cho việc nghiên cứu.
Theo Hansch, nhà vât lý người Đức, việc sử dụng yếu tố giãn chùm trong
buồng cộng hưởng laser có tác dụng làm tăng độ tán sắc của cách tử trong buồng
cộng hưởng, giảm độ phân kỳ của bức xạ, và như vậy có thể làm tăng độ đơn sắc
của laser.
∆λ = ∆θ ( M∇λ ΘG )

Trong đó:

(1.2)

+ M là hệ số giãn chùm của laser trong buồng cộng hưởng
+

(∇λ ΘG ) :

Độ tám sắc của cách tử

Đồng thời các hệ giãn chùm, các bức xạ được chiếu đầy đủ lên bề mặt cách tử,
cho phép nhiều vạch cách tử tham gia vào quá trình nhiễu xạ. Và như vậy làm
tăng hiệu suất phân ly của cách tử. Do đó tăng độ đơn sắc của bức xạ laser
R=

∆λ
= N .m
λ

(N là số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ, m là bậc nhiễu xạ cảu

cách tử)
1. 1. 3 Giảm thiểu độ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng
Như đã phân tích trên trong các buồng cộng hưởng laser đơn mode, về mặt
nguyên tắc chiều dài buồng cộng hưởng phải được thiết kế nhỏ nhất có thể. Tuy
nhiên trong trường hợp này sự phân kỳ của bức xạ rất lớn. Điều này ảnh hưởng
đến độ đơn sấc của bức xạ laser ra đồng thời làm giảm công suất của bức xạ
laser. Do đó, để giảm độ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng, người
ta phải thêm vào buồng cộng hưởng các yếu tố giãn chùm.
Trong các hệ laser, nếu đạt được một hệ số giãn chùm laser là M thì độ

phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng giảm đi M lần. Hệ số giãn
chùm như là được xác định như là hệ số giữa kích thước của chùm laser ở sau và
trước khi giãn chùm.

10


Những hệ thống giãn chùm trong buồng cộng hưởng có thể được cấu tạo
bởi các hệ thấu kính (T) hệ các thấu kính và các gương. 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 lí 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.
1. 2 Một số buồng cộng hưởng phát laser băng hẹp
1. 2. 1 Buồng cộng hưởng hệ lăng kính giãn chùm
Việc sử dụng lăng kính đóng vai trị như một yếu tố giãn chùm trong
buồng cộng hưởng của laser màu phát xung cho phép đạt được bức xạ laser có
độ đơn sắc cao. Buồng cộng hưởng laser có cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn. Về mặt
lý thuyết hiệu ứng giãn chùm có thể được thực hiện với một hoặc hai lăng kính.
Tuy nhiên, các trường hợp này đều có những khuyết điểm khơng thể khắc phục
như:
+ Độ mất mát do hiện tượn phản xạ bề mặt lớn.
+ Hệ số giãn chùm thấp.
+ Hiệu ứng ASE lớn là nguyên nhân làm chất lượng laser thấp.
+ Tán sắc khơng kết hợp của lăng kính dẫn đến các dịch chuyển tần số
phát do nhiệt.

Để tránh các hiệu ứng trên, người ta sử dụng hệ lăng kính với các bố trí
đặc biệt trong buồng cộng hưởng. Với cấu hình giãn chùm hệ nhiều lăng kính
các mất mát giảm thiểu rõ rệt đồng thời độ đơn sắc của bức xạ tăng lên rất nhiều.

11


Chúng ta sẽ lần lượt phân tích các hiệu ứng khi bức xạ lan truyền qua hệ lăng
kính.
1. 2. 1. 1 Lý thuyết tán sắc của hệ lăng kính giãn chùm
Chúng ta sẽ khảo sát hệ r lăng kính sắp xếp theo kiểu cộng thêm hoặc loại
trừ tán sắc. Sử dụng các lý thuyết quang học ta có:
∇λφ2, m = H 2 , m ∇λ n m +(k1, m k 2 , m ) −1 ×( H 2 , m ∇λ n m ±∇λφ2 , m −1 )

(1.3)
ở đây:

H 1,m =

tan φ1,m
nm

; H 1,m =

tan φ2, m
nm

; k1,m =

cosψ 1,m

cos ϕ1,m

; k 2,m =

cosψ 2,m

(1.4)

cos ϕ2,m

1
2
với φ,m , φ ,m tương ứng với góc tới và góc truyền qua ở lăng kính thứ m. Khi đó

ψ1, m ,ψ2 , m

là các góc khúc xạ ở lăng kính thứ m. Các hệ số k 1,m, k2m tương ứng là

các hệ số mở rộng dùng tại lăng kính thứ m ở chùm vào và chùm truyền qua, các
dấu (+) chỉ trường hợp cộng thêm, dấu (-) chỉ trường hợp trừ tán sắc.

ψ 1, m

φ1, m

k1,m M

M
Hình 1.1.Độ giãn chùm ở lăng kính giãn chùm thứ m
Biểu thức (1.3) chỉ rõ độ tán sắc tại lăng kính thứ m

(∇ φ , m )
λ 2

phụ thuộc vào

cấu trúc hình học của lăng kính thứ m, góc tới của chùm bức xạ lên lăng kính,
chất liệu của lăng kính và độ tán sắc của các lăng kính đặt trước

(∇ φ , m − )
λ 2
1

12