Kỹ thuật xác định độ rộng phổ của laser băng hẹp

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

1


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

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. 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

3


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.
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
4


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
môi 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 thơng 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

5


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

 δλ 
với: +  0  : Độ tán sắc của yếu tố chọn lọc phổ được sử dụng trong
 δθ 

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

6


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
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
7


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
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
8


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 Θ G )

Trong đó:

(1.2)

+ M là hệ số giãn chùm của laser trong buồng cộng hưởng
+ (∇ λ Θ G ) : 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 (N là số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ, m là bậc nhiễu xạ cảu
λ

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 cơng 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.
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
9


+ 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 không 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 không 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.
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:
∇ λ φ 2,m = H 2,m ∇ λ n m + (k1,m k 2,m ) −1 × ( H 2,m ∇ λ n m ± ∇λ φ 2,m−1 )

(1.3)
10


ở đây: H 1,m =

tan φ1,m
nm

; H 1,m =

tan φ 2,m
nm

; k1,m =

cosψ 1,m
cos ϕ1,m

; k 2,m =

cosψ 2,m

(1.4)

cos ϕ 2,m

với φ1,m , φ 2,m tương ứng với góc tới và góc truyền qua ở lăng kính thứ m. Khi đó
ψ 1,m ,ψ 2,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.

φ1, m

ψ 1, 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 (∇ λ φ 2,m ) 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 (∇ λ φ 2,m −1 )
k1,m =

cosψ 1,m
cosψ 2,m

(1.5)

Trong thực tế để làm giảm mất mát do phản xạ, lăng kính được dùng làm
yếu tố giãn chùm có cấu tạo sao cho góc truyền qua (φ 2,m ) ln bằng hoặc gần
bằng 0 đối với dải phổ rộng. các lăng kính dùng trong hệ giãn chùm được làm

11

với cùng một vật liệu và có góc chiết quang như nhau. Như vậy, trong cơng thức
(1.3) có thể viết lại bằng cách thay:
ψ 1,1 = ψ 1, 2 = ψ 1,3 = ... = ψ 1
ψ 2,1 = (φ 2,1 ) = ... = ψ 2,r (= φ 2,r ) = 0

Ta được:

r
 1
∇ λ φ 2,r = tanψ 1,1 ∑ (±1)
m =1
 k1,m


∇ λ nm



(1.6)

Biểu thức (1.6) cho thấy độ tán sắc tổng cộng trong một lần truyền của hệ
r lăng kính giống nhau, ở đây (± 1) được kí hiệu để chỉ cấu hình cộng thêm (+1)
và cấu hình bù (-1).

Hình a

Hình b
Hình 1.2 Hệ lăng kính giãn chùm kiểu bù trừ (+,-,+,-)(a),

Hệ lăng kính giãn chùm kiểu cộng thêm (+,+,+) (b)
12


Độ tán sắc tổng cộng trong chu trình truyền của hệ lăng kính giãn chùm, ta có
r

biểu thức:

∇ λ φ = 2∑ (±1)(nm ) m −1 ∇ λ nm

(1.7)

m =1

Kết hợp với độ tán sắc đạt được khi có cách tử ta có:
∇ λ φ = M 1 M 2 ∇ λ φG + ∇ λ φ P

(1.8)
r

Trong đó: ∇ λ φG : độ tán sắc cách tử

M 1 = ∏ k1,m
m =1
r

M 2 = ∏ k 2,m
m =1

1. 2. 1. 2 Sự phân cực của chùm bức xạ khi lan truyền qua bộ giãn chùm
lăng kính
Một trong những ưu điểm rất quan trọng của bộ lăng kính giãn chùm là
khả năng tạo bức xạ laser có độ phân cực cao. Sự phân cực của laser đạt được
dựa trên cơ chế phân cực do phản xạ khi bức xạ laser đi qua mơi trường điện mơi
quang học làm lăng kính. Hiệu ứng trên có thể được làm rõ như sau.
Quá trình dao động laser trong buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính giãn
chùm, bức xạ lan truyền đến bề mặt phân cách giữa khơng khí và mơi trường làm
lăng kính. Tại bề mặt phân cách, sự phản xạ của các thành phần ánh sáng phân
cực điện ngang (TE polarization – vng góc với mặt phẳng tới) và thành phần
ánh sáng phân cực điện dọc (TM – song song với mặt phẳng tới) tuân theo công
thức Fresnel, cụ thể như sau:
E ' cos θ − n 2 − sin 2 θ
=
E cos θ + n 2 − sin 2 θ
E ' − n 2 cos θ + n 2 − sin 2 θ
=
E
n 2 cos θ + n 2 − sin 2 θ

Độ phản xạ được tính :

R=

E'
E

(1.9)

2

(1.10)

13


Các cơng thức trong (1.9) và (1.10) có thể suy ra rằng tại góc θ B = ar tan(n) thành
phần phản xạ của TM bằng khơng. Góc θ B được gọi là có Brewster.
Như vậy, giả sử các bức xạ trong q trình hình thành dao động laser có
dạng phân cực tròn. Khi đi qua bề mặt phân cách với góc θ B các thành phần TM
truyền qua tồn phần, trong khi đó các TE hầu như bị phản xạ, hay nói cách
khác, độ mất mát do phản xạ của thành phần TE lớn hơn lượng khuếch đại đều
tập trung cho thành phần TM bức xạ ra được xem như phân cực toàn (phân cực
TM).
1. 2. 2 Cách tử Hologram.
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 ở nhiều khe. Trong kỹ thuật laser cách tử đóng vai trị như một yếu tố
chọn lọc bước sóng theo khơng gian. Các cách tử sử dụng ở lsaer là cách tử
Hologram, được chế tạo theo kỹ thuật Hologram, do đó bề mặt cách tử được phủ
một lớp có độ phản xạ cao. Ưu điểm của việc sử dụng cách tử Hologram làm yếu
tố chọn lọc bước sóng trong buồng cộng hưởng là:
+ Cho phép xác định các bức xạ laser có độ đơn sắc 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 khơng phụ thuộc vào bước sóng bức xạ.
+ Do tính bảo tồn 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.

14


1. 2. 2. 1 Cách tử Littrow
Khi chiếu ánh sáng lên bề mặt nhiễu xạ cách tử với một góc tới α, ánh
sáng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc β:
d ( sinθ ± sinγ ) = mλ

(1.11)

Trong đó :
- d là hằng số cách tử
- λ là bước sóng ánh sáng nhiễu xạ
- m là bậc nhiễu xạ của cách tử
- θ là góc tới bề mặt nhiễu xạ
- γ là góc nhiễu xạ của bức xạ có bước sóng λ
Trong biểu thức (1.11), dấu cộng tương ứng với nhiễu xạ truyền qua, dấu
trừ tương ứng với nhiễu xạ phản xạ.

Thông thường, độ phản xạ R(γ,β) của một cách tử phụ thuộc vào góc
nhiễu xạ γ và góc gấp tạo vạch cách tử β (góc tạo bởi pháp tuyến của cách tử và
pháp tuyến vạch cách tử, thể hiện trên hình). Nếu góc nhiễu xạ γ trùng với góc r

15


là góc phản xạ của vạch cách tử, R(γ,β) đạt đến giá trị tối ưu R0, (R0 phụ thuộc

vào độ phản xạ của vạch cách tử). Ta có thể dễ dàng suy ra rằng i = θ - β và r = β
+ θ, từ đó ta có thể tính được góc β tối ưu cho độ phản xạ là:
β=

γ −θ
2

(1.12)

Như vậy, các thành phần nhiễu xạ sẽ có được độ phản xạ cực đại ứng với
góc nhiễu xạ θ = γ - 2β. Góc θ phụ thuộc vào các góc α và β, hay nói cách khác,
θ phụ thuộc vào vùng phổ làm việc cũng như kết cấu của hệ quang học. Do đó,
trong các buồng cộng hưởng laser màu băng hẹp, người ta phải chú trọng việc
chọn lựa cách tử hologram đặc trưng tùy thuộc vào vùng phổ laser cũng như kết
cấu của buồng cộng hưởng laser.
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 :

2dsinθ = mλ

(1.13)

Độ phản xạ cực đại của cách tử Littrow đạt được trong trường hợp :
i = r = 0 → θ = α (hình).

Hình 1.4 (a) cách tử hoạt động ở vị trí Littrow;
(b) góc gấp vạch của các cách tử làm việc ở chế độ Littrow
16

Cách tử Littrow có thể hoạt động như là yếu tố chọn lọc bước sóng ở laser băng
hẹp vì chỉ có những ánh sáng thỏa mãn cơng thức cách tử mới cho nhiễu xạ
ngược trở lại môi trường khuếch đại và được khuếch đại lên thành tín hiệu laser
1. 2. 3 Buồng cộng hưởng hoạt động theo cơ chế phản hồi phân bố
Cơ chế phản hồi phân bố tạo được laser diode một tần số với độ triệt mode
bên khá cao. Bước sóng làm việc của laser theo cơ chế này hầu như không bị ảnh
hưởng bởi các yếu tố bên ngồi bởi nó được xác định khoảng cách giữa các vạch
cách tử đặt trong laser. Laser hoạt động theo cơ chế này là các laser DFB và laser
DBR. Hai loại laser này hoạt động trên cơ sở sự lan truyền bức xạ qua mơi
trường quang học có cấu trúc tuần hoàn (gương Bragg). Gương Bragg là một vật
liệu quang học có chiết suất được thay đổi một cách tuần hoàn với chu kỳ T. Bức
xạ truyền qua lại trong buồng cộng hưởng qua gương này bị phản xạ phân bố
trên các mặt gián đoạn chiết suất, sự giao thoa giữa sóng tới và các sóng phản xạ
sẽ tạo nên sự phản xạ chọn lọc... Với bước sóng λ B mà mT (T là chu kỳ cách tử)
bằng một số nguyên lần π thì sự phản xạ đạt cực đại, đối với bước sóng khác thì
độ phản xạ thấp hơn. Tức là khuếch đại lẫn nhau của các sóng phản xạ chỉ có
được khi thỏa mãn điều kiện sau:
2Tn = m λ B

(1.11)

Bước sóng λ B được gọi là bước sóng Bragg và nằm trong vùng phổ khuếch đại
của mơi trường hoạt chất. Như vậy với chu kỳ cách tử T được chế tạo một cách
phù hợp, gương Bragg cung cấp khả năng phản hồi phân bố chỉ ở những bước
sóng được chọn. Và trong trường hợp này, bức xạ laser được phát không cần các
phản xạ của buồng cộng hưởng.

17

n0

Loại n
Miền tích cực

n

Lớp cách tử

1
n
0

Loại n
Laser DBR

Loại p
Lớp tích cực
Lớp cách tử
Loại n
Laser DFB
Hình 1. 5. Sơ đồ nguyên lý của laser DFB và laser DBR

Như trên hình vẽ 1.5, cách tử Bragg có thể được bố trí ở bên ngồi mơi
trường khuếch đại (ở hai đầu BCH laser) và hoạt động như những bộ phản xạ
chộn lọc bước sóng (laser BDR); hoặc cách tử có thể được tạo ra ngay trong thể
tích mơi trường khuếch đại, dọc theo BCH laser để tạo nên một cấu trúc phản hồi
phân bố (laser DFB). Do vậy, sự phản hồi quang học khơng xẩy ra tại các mặt

chẻ tách của chíp laser mà được phân bố trong chiều dài BCH (đối với laser
DBF) hoặc một phần của BCH (với laser BDR). Việc phân tích hoạt động của
laser màu này đã được thực hiện khá đầy đủ trong cơng trình của Kogelink và
Shank.

18


Tuy nhiên, các bộ phản xạ Bragg phân bố lại làm tăng chiều dài hiệu dụng
của BCH laser. Điều này dẫn tới khoảng cách giữa các mode dọc giảm đi. Sự
giảm khoảng cách mode dọc lại gây ra sự giảm tỷ số dập tắt mode bên (độ lớn
của tý số SSR tỷ lệ với bình phương khoảng cách mode), tức là giảm khả năng
chọn lọc bước sóng của DBR. Do vậy các laser này cần được thiết kế phù hợp để
có thể tăng đáng kể tỷ số SSR.
Ngồi khả năng chọn lọc một mode dọc, cách tử Bragg cũng rất hiệu quả
trong việc xác định giá trị tuyệt đối của bước sóng. Để phát được một vạch phổ
nào đó với độ chính xác nhất định thì cần phải khống chế giá trị của chiết suất
hiệu dụng với cùng độ chính xác. Do chiết suất hiệu dụng phụ thuộc mạnh vào
thành phần và độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc laser nên q trình
chế tạo địi hỏi phải đạt tới độ chính xác cao với những thiết bị tinh xảo và đắt
tiền. Điều này có thể thực hiện được bằng các kỹ thuật epitaxy cải tiến, chẳng
hạn kỹ thuật epitaxy ở pha khí kim loại – hữu cơ (metat – ogannic vapor – phase
epitaxy – MO VPE) hoặc epitaxy chùm hóa học (chemical beam epitaxy – CBE)
Việc chế tạo cách tử Bragg thường được thực hiện bởi kỹ thuật Holographi
hoặc Lithographi chùm điện tử và kỹ thuật khắc ướt hoặc khô trong một lớp InP
hay InGaAsP. Trong laser DBR, cách tử Bragg có thể thay thế một hoặc hai
gương của BCH. So sánh hai laser DBR và DFB cho thấy: Trong các laser DBR,
hoạt động đơn mode không dễ lặp lại được. Đó là do bước sóng Bragg λ B và
bước sóng λm của một mode dọc khơng đồng bộ với nhau, do vậy vị trí tương đối
của các mode dọc so với bước sóng Bragg thay đổi một cách ngẫu nhiên ở các

laser khác nhau... Một vấn đề khác trong lasser BDR là vùng khuếch đại và vùng
DBR tạo nên hai dẫn sóng điện mơi khác nhau và tương tác với nhau không
những dẫn tới sự tổn hao năng lượng và sự phản xạ ký sinh mà cịn làm cho cơng
nghệ chế tạo thường trở nên phức tạp hơn so vơi laser DFB và rất đắt tiền. Ngoài

19


ra, hiệu suất của laser DFB cũng cao hơn. Do vậy, laser DBR khó trở thành một
thiết bị thương mại mặc dù chúng ta đã được phát triển song song với laser DFB.
Với kỹ thuật laser DFB và trên bán dẫn InGaAsP/InP, người ta đã phát
được bức xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ đạt tới 2MHz (BCH dài 800 µm ) và
2,5MHz (BCH dài 400 µm ).
Kết luận chương I
Như vậy ta đã biết được nguyên tắc tạo ra laser băng hẹp đó là giảm thiểu
độ phân kỳ của buồng cộng hưởng và độ tán sắc của yếu tố chọn lọc phổ được sử
dụng trong buồng cộng hưởng. Một số buồng cộng hưởng tạo ra laser băng hẹp
đó là buồng cộng hưởng hệ lăng kính giãn chùm, cách tử Hologram, buồng cộng
hưởng hoạt động theo cơ chế phản hồi phân bố.

20


Chương II
CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI BƯỚC SÓNG LASER
Một nhiệm vụ quan trọng của ngành quang học lượng tử là mở
rộng vùng tần số của chùm tia laser (hay tạo ra các laser có bước sóng
thay đổi) để đáp ứng các nhu cầu sử dụng rộng rãi. Các ứng dụng có
thể là: khảo sát cấu trúc của nguyên tử, phân tử, kích thích các phản
ứng hóa học, tách đồng vị, các ứng dụng trong quân sự, y tế. Do vậy

khi nghiên cứu độ rộng phổ của laser thì cần biết laser đó có thể thay
đổi bước sóng trong vùng nào để ứng dụng. Vì vậy trong chương này
chúng tơi nghiên cứu tổng quan về nguyên tắc thay đổi bước sóng và
một số phương pháp thay đổi bước sóng của laser băng hẹp
2. 1. Nguyên tắc thay đổi bước sóng của Laser
2. 1. 1. Thay đổi tốc độ điện tử
Giả sử có một dịng điện tử được gia tốc với vận tốc v chuyển động đều
trong ống dẫn nhờ một điện trường đặt vào hai đầu ống dẫn. Khi đó năng lượng
điện tử sẽ là:

mv 2
W =
2

(2.1)


Bây giờ sử dụng một điện trường ngoài E áp vào hai đầu ống dẫn một cách đột
ngột . Dưới tác dụng của điện trường ngoài này chuyển động của điện tử bị hãm


lại, vận tốc của điện tử lúc này là: v t = v – vE với vE là vận tốc do E hãm chuyển
động các điện tử. Năng lượng các điện tử giảm đi một lượng:
∆W =

mv E
2

2

(2.2)

Phần năng lượng này được bức xạ ra ngồi dưới dạng các phơtơn có tần số:
ϖ =

∆W


(2.3)
21


Từ công thức (2.3) nhận thấy: tần số phôtôn hay tần số bức xạ có thể thay đổi khi
thay đổi cường độ điện trường. Tuy nhiên các phôtôn phát ra về mọi phía và
khơng hợp pha. Muốn bức xạ phát ra hợp pha và định hướng thì dịng điện tử đặt
trong buồng cộng hưởng có độ phẩm chất cao đối với bước sóng quang tâm.
2. 1. 2 Thay đổi nhiệt độ
2. 1. 2. 1 Thay đổi nhiệt độ trong hoạt chất laser
Giả sử có hoạt chất laser, trong đó laser trên là một mức điện tử độc lập,
mức laser dưới là mức suy biến, gồm một băng của nhiều mức dao động E i. Theo
định luật phân bố Bơn-zơ-man thì mật độ hạt trên các mức như sau:
Ni = N0e

−

Ei
KT

(2.3)

Trong đó N0 là mật độ mức cơ bản, Ei là năng lượng mức i và T là nhiệt độ tuyệt
đối của hạt. Nghịch đảo mật độ trong hoạt chất sẽ hình thanh giữa mức laser trên
và một trong các mức laser dưới. Trong khi mật độ mức trên không đổi thì
nghịch đảo mật độ sẽ xảy ra giữa mức trên và mức dưới mức dưới nào có mật độ
nhỏ nhất, tức:
N i = N laser trên − min{ N

}

(2.4)

Như vậy khi thay đổi nhiệt độ, mật độ giữa các mức Ei sẽ thay đổi theo. Và do đó
sự hình thành nghịch đảo mật độ cũng thay đổi theo từ mức này sang mức khác
(Hình vẽ 2.1). Điều này dẫn đến bước sóng laser cũng thay đổi.

22


λ
Ni

Nlaser trên
T1T2
T1

O

O

Ei

T

Hình 2.1a

Hình 2.1b

Hình 2.1a: Thay đổi nghịch đảo mật độ giữa các mức khi T thay đổi
Hình 2.1b: Phụ thuộc của bước sóng vào nhiệt độ họat chất

2. 1. 2. 2 Thay đổi nhiệt độ trong môi trường phi tuyến
Trong quang phi tuyến ta đã biết, tương tác phi tuyến ba sóng xảy ra khi
thỏa mãn điều kiện hợp pha hay cịn gọi là hợp sóng. Điều kiện này được thể
hiện qua phương trình:

  
k 3 = k1 + k 2

Hay trong trường hợp cộng tuyến:

(2.5)

ϖ 3 n3 = ϖ 1 n1 + ϖ 2 n2

(2.6)

Như ta đã biết, chiết suất của môi trường thay đổi theo nhiewetj độ của nó theo
cơng thức:

n( ∆T ) = n(0) +

dn
∆T
dT

(2.7)

Từ (2.6) và (2.7) ta thấy rằng nếu nhiệt độ của mơi trường thay đổi và hai trong
ba sóng có tần số khơng đổi thì điều kiện hợp pha chỉ có thể thỏa mãn khi tần số
của sóng thứ ba thay đổi. Như vậy bằng cách thay đổi nhiệt độ của môi trường
23


phi tuyến, bước sóng của bức xạ phát ra thơng qua tương tác phi tuyến ba sóng
sẽ thay đổi. (Hình vẽ 2.2).

ω3

ω1
ω2

θc

Điều khiển nhiệt độ

Hình 2.2: Sơ đồ thay đổi bước sóng trong máy phát thơng số
Qua hình 2.2 thấy khi nhiệt độ thay đổi, dẫn đến thay đổi góc hợp pha. Điều này
tương đương với việc thay vì thay đổi nhiệt độ ta có thể quay đổi góc hợp pha
bằng cách quay tinh thể một góc tương đối so với trục buồng cộng hưởng. Đây là

một trong hai phương pháp thay đổi tần số của máy phát thông.
2. 1 .3 Tương tác phi tuyến

24


ω1
ω1

2ω1
2ω2

ω2

ω1 - ω2
ω1 +
ω2
2

3ω1
4ω1
4ω2
2(ω1 - ω2)
....

Hình 2.6: Thay đổi bước sóng nhờ tương tác phi tuyến
Tương tác phi tuyến là một trong những kỹ thuật thay đổi bước sóng của
bức xạ lasre. Giả sử có một tinh thể phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc hai θ lớn
đáng kể. Một chùm tia laser có cường độ (E = Acos(ωt) lớn ) lớn đi qua tinh thể,
khi đó phân cực bậc hai: P ≡ θE.E ≡ A 2 cos(2ϖt )

(2.9)

sẽ xuất hiện trong tinh thể. Các véc-tơ phân cực này cũng truyền trong tinh thể
và tái bức xạ tần số 2ω. Nếu các sóng này truyền đồng pha nhau trong tinh thể
thì một chùm tia tần số 2ω có cường độ lớn được phát ra ngồi. Trong trường
hợp có hai sóng ω1 và ω2 cùng đi qua tinh thể đó thì sẽ có nhiều bức xạ có tần số
khác nhau với điều kiện hợp pha thỏa mãn. Như vậy từ hai sóng có tần số xác
định ta có thể có được nhiều bước sóng khác nhau thơng qua tương tác phi tuyến
(hình 2.6)
2. 2. Các phương pháp thay đổi bước sóng của Laser
2. 2. 1. Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ
Ta biết rằng, khi nhiệt độ của môi trường thay đổi thì mội số tính chất
quang phổ của chúng thay đổi. Đặc biệt khi thay đổi nhiệt độ thì mật độ cư trú
của các mức năng lượng của hệ các nguyên tử, phân tử và chiết suất của môi
trường điện môi và mức Fermi trong bản dẫn cũng thay đổi theo. Hiện tượng trên
dẫn đến sự thay đổi nghịch đảo mật độ cư trú tương ứng giữa các mức khác
25