LASER BANG HEP

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 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

1


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 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.
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 điều chỉnh bước sóng của laser
Chương III: Đề xuất cấu hình đo độ rộng phổ của laser băng hẹp

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER BĂNG HẸP
1.1.Một số tính chất của 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.
1.2. Buồng cộng hưởng phát laser băng hẹp.
1.2.1. Sự chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng.
Buồng cộng hưởng đóng vai trị rất quan trọng trong q 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 thơng
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
3


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.

1.2.2. Nguyên tắc tạo ra laser băng hẹp trong buồng cộng hưởng.
Độ rộng phổ của laser được xác định:
 

0



(1.1)
1

  
với: +  0  : Độ tán sắc của yếu tố chọn lọc phổ được sử dụng trong
  

buồng cộng hưởng.
+  : 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
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.
1.2.2.1. 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
4

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 dạng 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.
  ( M  G )

(1.2)
Trong đó:

+ M là hệ số gianx chùm của laser trong buồng cộng hưởng
+ (  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


 N .m (N là số vạch cách tử tham gia nhiễu xạ, m là bậc nhiễu xạ cảu


cách tử)
1.2.2.2. 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

5


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
+ Ánh sáng bức xạ laser được phân cực.
+ Giảm thiêu 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
1.3. Một số buồng cộng hưởng phát laser băng hẹp.
1.3.1. Buồng cộng hưởng laser băng hẹp với 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 hợn của lăng kính dẫn đến các dịch chuyển tần số
phát do nhiệt.
6


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.
1.3.1.1 Lý thuyết tán sắc của hệ lăng kính giãn chùm dùng laser màu xung.
Chúng ta sẽ khảo sát hệ lăng kính sắp xếp theo kiểu cộng thêm hoặc loại
trừ tán sắc. Sử dụng các lý thuyết quang học ta có:
 2,m  H 2,m  n m (k1,m k 2,m )  1 ( H 2,m  n m  2,m 1 )

(1.3)
tan 

tan 

cos

cos

1, m
2,m
1, m
2,m
; H 1,m 
; k1,m 
; k 2,m 
Ở đây: H 1,m  n
nm
cos  1,m
cos  2,m
m

(1.4)
với 1,m , 2,m tương ứng với góc tới và góc truyền qua ở lăng kính thứ m. Khi đó
 1,m , 2,m là các góc khúc xạ ở lăng kính thứ m. Các hệ số k 1m, k2m tương úng 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. Biểu thức
(1.3) chỉ rõ độ tán sắc tại lăng kính thứ m ( 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 ( 2,m  1 )
k1,m 

cos 1,m
cos 2,m

(1.5)

7


1, m

 1, m
k1,m M

M
Hình 1.1 Độ giãn chùm ở lăng kính giãn chùm thứ m
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 (2,m ) luôn bằng hoặc gần
bằng 0 đối với dải phổ rộng. Các lăng kính dùng trong hệ giãn chùm được làm
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:
 1,1  1, 2  1,3 ...  1
 2,1 (2,1 ) ...  2,r (2,r ) 0

Ta được:

r
 1
 2,r tan 1,1  (1)
m 1
 k1,m


 nm



(1.6)
Biểu thức (1.6) cho thấy độ tán sắc tổng cộng trong một lần truyền của hệ lăng
kính giống nhau, ở đây (1) được kí hiệu để chỉ cấu hình cộng thêm (+1) và cấu
hình bù
(-1) . Độ tán sắc tổng cộng trong chu trình truyền của hệ lăng kính giãn chùm, ta
có biểu thức:
r

  2 (1)(nm ) m 1  nm
m 1

(1.7)
Kết hợp với độ tán sắc đạt được khi có cách tử ta có:
8


  M 1 M 2 G   P

(1.8)
Trong đó:

 G : độ tán sắc cách tử
r

M 1 k1,m
m 1
r

M 2 k 2,m

m 1

1.3.1.2. 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 môi trường điện
môi 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 giãm
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   n 2  sin 2 

E cos   n 2  sin 2 
E '  n 2 cos  n 2  sin 2 

E
n 2 cos  n 2  sin 2 

(1.9)
Độ phản xạ được tính:

E'
R
E

2

(1.10)
Các cơng thức trong (1.9) và (1.10) có thể suy ra rằng tại góc  B ar tan(n) thành
phần phản xạ của TM bằng khơng. Góc  B được gọi là có Brewster.

9


Như vậy, giả sử các bức xạ trong quá trình hình thành dao động laser có
dạng phân cực trịn. Khi đi qua bề mặt phân cách với góc  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 dp 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).
1.3.2. 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 A. 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  B mà mT (T là
chu kỳ cách tử) bằng một số nguyên lần  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  B
(1.11)
Bước sóng  B được gọi là bước sóng Bragg và nằm trong vùng phổ khuếch đại

của môi 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.

10


n0

Loại n
Miền tích cực

n1

Lớp cách tử

n0

Loại n
Laser DBR
Loại p
Lớp tích cực
Lớp cách tử
Loại n
Laser DFB

H1.2 Sơ đồ nguyên lý của laser DFB và laser DBR
Như trên hình vẽ H1.2, cách tử Bragg có thể được bố trí ở bên ngồi môi
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 không xẩy ra tại các
mặt chẻ tách của chíp laser mà được phân bố trong chiều dài BCH (dối 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
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 (3)), tức là giảm khả
năng chọng 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.
11


Ngoài khả năng chọn lọc một mode lọc, 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 quá 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)
(3).
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 khootrong 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 khơng dễ lặp lại được. Đó là do bước sóng Bragg  B và
bước sóng  m của một mode dọc không 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 môi khác nhau và tương tác với nhau không
những dẫn tới sụ 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 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 (3).
Với kỹ thuật laser DFB và trên bán dẫn InGaAsP/InP, người ta đã phát
được bức xạ đơn mode dọc vowisvowis độ rộng phổ đạt tới 2 MHz (BCH dài
800 m ) và 2,5 MHz (BCH dài 400 m ). Hình 1.2 trình bày phổ mode dọc của
loại laser này khi dịng ni là 150 mA (3). Với nguồn laser như vậy, tỷ số SSR
trên 35 dB đã trở nên dễ dàng đạt được.

12


CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI
BƯỚC SÓNG LASER
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 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: vt = v – vE với vE là vận tốc do 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:
 

W


(2.3)
Từ công thức (2.3) nhận thấy: tần số phô tơn hay tần số bức xạ có thể thay
đổi khi thay đổi cường độ điện trường. Tuy nhiên các phô tơn 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

13

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 Bonzoman thì mật độ hạt trên các mức như sau:
Ni N0e



Ei
KT

(2.4)
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 khơng 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



(2.5)
Như vậy khi thay đổi nhiệt độ, mật độ giữa các mức E i 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 2.2). Điều này dẫn đến bước sóng laser cũng thay đổi.

14


Ni

Nlaser trên
T1T2

O

T1
Ei

O

Hình 1.3a

T
Hình1.3b

Hình 1.3a: Thay đổi nghịch đảo mật độ giữa các mức khi T thay đổi
Hình 1.3b: 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 còn gọi là hợp sóng. Điều kiện này được thể
hiện qua phương trình:
= +

(2.6)

Hay trong trường hợp cộng tuyến:

 3 n3  1 n1   2 n 2

(2.7)
Như ta đã biết, chiết suất của môi trường thay đổi theo nhiệt độ theo công thức:
n T  n(0) 

dn
T
dT

(2.8)
Từ (2.7) và (2.8) ta thấy rằng nếu nhiệt độ của môi 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

15


phi tuyến, bước sóng của bức xạ phát ra thơng qua tương tác phi tuyến ba sóng
sẽ thay đổi. (Hình vẽ 1.4).

3

1
2

c

Điều khiển nhiệt độ

Hình 1.4: Sơ đồ thay đổi bước sóng trong máy phát thơng số
Qua hình 1.4 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 Thay đổi chuyển dịch giữa các mức dao động
Thay đổi bước sóng nhờ chuyển dịch giữa các mức dao động được ứng
dụng trong các laser lỏng, laser màu... Hoạt chất của chúng là các chất hữu cơ
được pha trộn trong các dung dịch. Do sự liên kết giữa các phân tử chất màu và
dung môi mà các vạch dao động xuất hiện xung quanh các mức điện tử.

16


Mức laser trên

Phổ khuếch đại

Mức laser dưới



Hình 1.5: Sơ đồ các mức năng lượng và phổ khuếch đại của hoạt chất laser

Sau khi bị kích thích lên mức trên, các phân tử này có xu hướng bức xạ để
nhảy xuống mức dưới. Phổ phát xạ của chúng là một vạch rộng trong khoảng vài
trăm nm. Nếu ta cho hoạt chất này trong buồng cộng hưởng tán sắc, có độ phẩm
chất thay đổi phụ thuộc vào tần số cộng hưởng thì lúc xả ra ngoài buồng cộng
hưởng chỉ xảy ra khi thỏa mãn hệ thức:
 ( )   ( )  0

(2.9)
Trong đó  ( ) là hệ số mất mát của buồng cộng hưởng.
Từ (2.9) thấy rằng, đối với các hoạt chất nhất định thì hệ số khuếch đại khơng
đổi, do đó khi thay đổi  ( ) theo bước sóng thì chỉ có bước sóng nào thỏa mãn
điều kiện trên mới được phát.
Nếu ta tinh chỉnh một cách chính xác  ( ) đã thay đổi theo từng bước
sóng thì bức xạ phát ra là một sóng đơn sắc, có bước sóng thay đổi theo tần số
cộng hưởng xác định. Đối với laser khí He - Ne phổ phát xạ của hoạt chất có thể
có ba vạch khác nhau ở bước sóng 630nm, 600nm, 115nm. Tùy thuộc vào buồng
cộng hưởng, có hệ số phản xạ của gương ra phù hợp với bước sóng nào trong ba
bước sóng đó sẽ được phát ra. Trong thực tế người ta sử dụng buồng cộng hưởng

17


với ba gương khác nhau. Khi muốn phát bước sóng thì điều khiển gương đó vào
buồng cộng hưởng (Hình 1.6)

R(0,63)=95%
Hoạt chất He-Ne Gương ra
Tia tán xạ

H.C

R(0,63; 0,95 ; 1,5) = 100%

R(0,6) = 95%
G 100%
Tia laser

R(1,5) = 95%
Hình 1.7: Buồng cộng hưởng lăng kính
Lăng kính

Hình 1.6: Buồng cộng hưởng ba gương ra của He - Ne
Đối với laser màu phải sử dụng đến buồng cộng hưởng cách tử hoặc lăng
kính. Nhờ hiệu ứng tán xạ trên lăng kính hoặc cách tử mà một số bức xạ có bước
sóng khác nhau tán xạ theo các góc khác nhau. Chỉ một vài bức xạ tán xạ theo
góc trùng với trục buồng cộng hưởng và bức xạ đó được khuếch đại mạnh nhất
sau khi đi lại nhiều lần qua hoạt chất. Như vậy chỉ có bức xạ bước sóng đó phát
ra ngồi buồng cộng hưởng (Hình1. 7)
2.1.4 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  lớn
đáng kể. Một chùm tia laser có cường độ (E = Acos(t) lớn ) lớn đi qua tinh thể,
khi đó phân cực bậc hai:
P E.E  A 2 cos( 2t )

(2.10)
sẽ xuất hiện trong tinh thể. Các véctơ phân cực này cũng truyền trong tinh thể và
tái
xạ
số
Nếu

1
2

1
21

22
1 - 2

1 + 2
2 18

31
41
42
2(1 - 2)
....

Hình 2.8: Thay đổi bước sóng nhờ tương tác phi tuyến

bức
tần
2.
các


sóng này truyền đồng pha nhau trong tinh thể thì một chùm tia tần số 2 có
cường độ lớn được phát ra ngồi. Trong trường hợp có hai sóng 1 và 2 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 1.8)
2. 2. Các phương pháp thay đổi bước sóng của Laser băng hẹp
Có nhiều cách thay đổi bước sóng của laser đó là: Thay đổi bước sóng
bằng buồng cộng hưởng lọc lựa và thay đổi bước sóng bằng hiệu ứng quang phi
tuyến.
2.2.1. Thay đổi bước sóng bằng buồng cộng hưởng lọc lựa

Trước tiên chúng ta khẳng định phương pháp thay đổi bước sóng bằng
buồng cộng hưởng lọc lựa (hay buồng cộng hưởng tán sắc) chỉ sử dụng cho các
hoạt chất có phổ phát xạ băng rộng đặc biệt là laser màu, laser bán dẫn....
Khoảng thay đổi bước sóng chỉ có thể nằm trong vùng phát xạ của hoạt chất. Có
ba loại buồn cộng hưởng lọc lựa chủ yếu, phụ thuộc vào linh kiện quang: Buồng
cộng hưởng sử dụng lăng kính, buồng cộng hưởng kèm bản mặt song song và
buồng cộng hưởng sử dụng cách tử.
2.2.1.1. Cấu tạo của buồng cộng hưởng lọc lựa có lăng kính
1

3
2

5

4

Hình 2.9: Buồng cộng hưởng lọc lựa lăng kính
1 – Gương quay ; 2 – Hoạt chất
3 – Lăng kính ; 4 – Gương quay 100%
5 – Tia laser

19


Buồng cộng hưởng này bao gồm một gương ra, một gương phản xạ 100%
và một lăng kính đặt xen kẽ hai gương. Như hình 2.9, ta thấy tia sáng nào ứng
với một bước sóng nằm trong phổ phát xạ của hoạt chất sau khi đi qua lăng kính
bị khúc xạ và vng góc với gương quay 100% sẽ bị phản xạ trở lại theo quang
lỗ cũ. Chính tia này sẽ đi lại nhiều lần qua hoạt chất và được khuếch đại và nhờ

vậy chính bước sóng đó được phát ra thành bức xạ laser có bước sóng đã chọn.
Cịn một số tia khác (tia đứt đoạn) ứng với bước sóng khác sau khi đi qua lăng
kính sẽ bị khúc xạ và đi tới gương quay với góc tới khác 90 0. Các tia này sau khi
phản xạ sẽ trở lại sẽ hoặc khơng đi vào lăng kính, hoặc nếu có đi vào lăng kính
hoặc qua hoạt chất thì sau một vài lần qua lại sẽ lệch ra khỏi buồng cộng hưởng.
Do đó tia này khơng bị khuếch đại.
Khi quay gương 100% sẽ thay đổi góc tạo bởi tia khúc xạ với mặt phẳng
gương và các tia khác nhau với các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại và
thốt ra khỏi buồng cộng hưởng. Để hiểu rõ hiệu ứng này ta sẽ xét hiệu ứng
quang học xảy ra trong lăng kính.





Hình 2.10: Khúc xạ sánh áng qua lăng lính
Giả sử có một lăng kính với góc ở đỉnh  và chiết suất n một tia sáng ứng
với bước sóng  đi vào lăng kính dưới một góc  sẽ bị lệch một góc  sau khi
đi qua lăng kính. Độ tán sắc góc của lăng kính được xác định như sau:
 
2 sin  
d
dn
 2

d
   d
1  n 2 sin 2  
 2

(2.11)
20


Từ (2.11) ta thấy các tia sáng với các bước sóng khác nhau cùng đi vào lăng
kính dưới một góc thì sau khi đi qua lăng kính sẽ lệch đi so với tia ban đầu dưới
các góc khác nhau. Độ lớn của các góc đó khơng những phụ thuộc vào sự tán
sắc của thủy tinh do chiết suất của thủy tinh thay đổi theo bước sóng mà cịn phụ
thuộc vào sóc của lăng kính  . Độ tán sắc góc (thay đổi góc ra theo bước sóng)
tăng khi góc lăng kính tăng. Rõ ràng để nâng cao độ phân giải (nhất là đối với
các hoạt chất có phổ phát xạ hẹp) tăng góc lệch giữa các bước sóng, ta cần sử
dụng lăng kính có góc lớn.
2.2.1.2. Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử.

1
4

3
2

Hình 2.11: Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử Littrov
1 - Gương ra
2 - Hoạt chất
3 - - Cách tử
4 - Tia laser

Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử được trình bày như hình 2.11. Buồng
cộng hưởng này được cấu taọ bởi một gương ra và một cách tử. Các tia sáng
ứng với bước sóng  nằm trong phổ phát xạ của hoạt chất sẽ đi tới cách tử. Trên
cách tử các tia sáng với các bước sóng khác nhau sẽ bị nhiễu xạ theo các góc

khác nhau so với pháp tuyến của cách tử. Một trong những tia sáng đó có bước
sóng nằm trong phổ phát xạ cuat hoạt chất sẽ bị nhiễu xạ theo góc trùng với góc
tạo bởi trục quang của buồng cộng hưởng với pháp tuyến của cách tử. Tia đó sẽ
quay trở lại hoạt chất sau khi tán xạ trên cách tử. Tia đó quay lại nhiều lần trong
buồng cộng hưởng và được khuếch đại. Số còn lại sẽ bị đi lệch ra ngoài hoạt
21


chất hoặc bị dập tắt ngay sau một vài lần lại hoạt chất. Nếu ta quay cách tử các
góc khác nhau thì quá trình khuếch đại xảy ra với tia khác (khác tia ban đầu, có
bước sóng khác). Như vậy các tia laser có bước sóng khác nhau trong cùng phổ
phát xạ của hoạt chất sẽ được lần lượt phát ra khỏi buồng cộng hưởng khi ta
quay cách tử quanh trục của nó. Sau đây ta sẽ xem xét nguyên tắc này.





d
Hình 2.12: Mơ phỏng cách tử và quang lộ tia sáng

Trên hình 2.12 là cấu tạo chi tiết mạch cách tử và quang lỗ của các tia tới
và tia phản xạ hay nhiễu xạ. Cách tử là một bản mặt kim loại, thủy tinh hoặc một
số vật liệu đặc biệt khác, trên đó người ta sử dụng phương pháp khắc quang
hoặc khắc cơ tạo ra các rãnh song song với nhau có khoảng cách d (cỡ hàng
trăm đến hàng nghìn vạch trên 1mm). Một tia sáng có bước sóng  chiếu vào
cách tử dưới một góc  so với pháp tuyến của mặt cách tử thì nó bị tán xạ trên
mặt cách tử và đi ra đổi hướng theo góc  . Góc  được xác định theo phương
trình cách tử sau:
d(sin   sịn  ) = m 

(2.12)
với m là bậc nhiễu xạ. Đối với buồng cộng hưởng Littrov ta sử dụng trường hợp
khi  =  , tức là khi tia tán xạ ngược chiều tia tới (hai tia liên tục trong hình vẽ).
Như vậy trong trường hợp này (2.12) trở thành:

22


2d sin  = m 
(2.13)
Như vậy với một cách tử có tham số đặc trưng d xác định thì chỉ có bức
xạ nào có bước sóng thỏa mãn (2.13) mới được khuếch đại trong buồng cộng
hưởng. Khi ta quay cách tử đi một góc khác (  thay đổi) thì buồng cộng hưởng
khuếch đại cho bước sóng khác. Trên hình vẽ là ví dụ về các vùng bước sóng
phát của buồng cộng hưởng 1/650 (650 vạch trên 1mm). Xem xét các vùng khác
trên hình vẽ thấy rằng, với một cách tử xác định ta chỉ có thể sử dụng cho buồng
cộng hưởng laser phát ở các vùng phổ khác nhau của hoạt chất.Với cách tử
1/650 khi sử dụng bậc 4 có thể phát vùng phổ từ 615nm – 769nm nếu góc quay
của cách tử bảo đảm sao cho 0,76 < sin  < 1. Tương tự như vậy đối với các
vạch khác nhau của cách tử. Như vậy, với một cách tử đã cho ta có thể sử dụng
thiết kế một buồng cộng hưởng của laser xác định. Việc chọn bậc phát, góc phát
khơng những phụ thuộc vào hoạt chất (phổ phát xạ) mà còn phụ thuộc vào việc
thay đổi tính chất của chùm tia mà ta đang quan tâm.
2.2.1.3. Buồng cộng hưởng lọc lựa dùng bản mặt song song.
1
3
2
5

4

6

Hình 2.13: Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử Littrov
1 - Gương ra
; 2 - Hoạt chất
3 - Bản mặt song song ; 4 - Tia laser
5 - Tia laser
; 6 - Vít tinh chỉnh

23


Buồng cộng hưởng lọc lựa dùng bản mặt song song hoặc giao thoa kế
Fabry-Perot phụ được thiết kế dựa trên tính chất giao thoa của ánh sáng.Trên
hình 2.13 là sơ đồ thiết kế buồng cổng hưởng lọc lựa dùng bản mặt song song.
Buồng cổng hưởng này được cấu tạo bởi một gương ra, một gương 100% và
một bản mặt song song nằm giữa hai gương. Một bản mặt song song có khoảng
cách d được đặt trong buồng cộng hưởng tạo bởi hai gương. Khoảng cách d có
thể thay đổi được bằng bàn trượt với vít tinh chỉnh (6). Khi thay đổi khoảng
cách d, bước sóng giao thao giữa hai bản mặt song song được xác định theo
phương trình sau:
m (

nd
) cos 
m

(2.14)
Trong đó n là chiết suất của mơi trường giữa hai bản mặt, m=1, 2... là bậc giao

thoa,  là góc khúc xạ giữa hai bản mặt. Như vậy, theo (2.14) tia lazer có bước
sóng giao thoa cộng hưởng giữa hai bản mặt (lúc này bản mặt song song đóng
vai trị như một buồng cộng hưởng phụ đặt trong buồng cộng hưởng chính) sẽ
được truyền qua bản mặt với cường độ rất lớn và đi vào hoạt chất. Chính chùm
tia này được khuếch đại nhiều lần và trở thành bức xạ buồng cộng hưởng laser.
Khi muốn phát bức xạ laser với bước sóng khác nhau ta có hai cách, hoặc thay
đổi khoảng cách d (mở rộng hoặc thu hẹp khoảng cách hai mặt) hoặc thay đổi
góc tới (tức thay đổi góc khúc xạ  ).
2.2.2. Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ
Ta biết rằng, khi nhiệt dộ 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 nhịch đảo mật độ cư trú tương ứng giữa các mức khác
nhau, đặc biệt giữa hai mức laser. Kết quả là dịch chuyển laser của môi trường
24


vật chất cũng thay đổi dẫn đến sự thay đổi bước sóng phát. Trong mơi trường
điện mơi hiện tượng thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điều kiện hợp pha cho
tương tác phi tuyến nhiếu sóng. Kết quả cho ta sóng phát khác nhau. Sau ta xét
một vài ảnh hưởng của nhiệt độ bên bước sóng phát.
2.2.2.1. Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi cư trú mức laser dưới.
Qua nhiều nghiên cứu về một số hoạt chất laser ta thấy cấu trúc phổ của
chúng là một băng rộng gồm nhiều mức dao động. Băng rộng này thường nằm ở
mức laser dưới. Đối với các hoạt chất rắn và lỏng thì phân bố mật độ cư trú của
các mức năng lượng tuân theo định luật Maxwell-Boltzmann:
N i =N o exp(-

Ei  E0

)
kT

(2.15)

trong đó Ni, Ei là mật độ cư trú và mức năng lượng mức i, N 0 và E0 là mật độ cư
trú và mức năng lượng cơ bản, T là nhiệt độ tuyệt đối của môi trường. Khi nhiệt
độ tăng thì mật độ cư trú các mức dao động tăng. Mật độ cư trú của các mức
thấp tăng nhanh hơn mật độ cư trú của các mức cao. Do đó khả năng xẩy ra
nghịch đảo mật độ cư trú dối với mức năng lượng cao sẽ lớn hơn các mức năng
lượng thấp. Càng tăng nhiệt độ thì quá trình nghịch đảo sẽ xẩy ra với các mức
dao động có năng lượng cao càng lớn. Như vậy ta thấy bước sóng phát ra của
laser sẽ chuyển dịch về phía sóng dài khi nhiệt độ mơi trường hoạt. Q trình
này được thể hiện trên hình 2.14.
Mức laser trên

N 2  N1 , T2  T1 , 2  1
Mức laser dưới
Mức cơ bản
Hình 2.14: Quá trình thay đổi bước sóng theo nhiệt độ mơi trường
25