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

12 698 2

Naruto Gửi tin nhắn Báo tài liệu vi phạm

Tải lên: 6,024 tài liệu

  • Loading ...
1/12 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/12/2013, 15:01

Trờng đại học vinh Khoa sau đại học ------------- Trần thị hải hà K THUT XC NH RNG PH LASER BNG HP BNG GIAO THOA K FABRY-PEROT LUN VN THC S CHUYấN NGNH: QUANG HC Mó s: 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. Đoàn Hoài Sơn - người đã hết lòng giúp đỡ, chỉ bảo tận tình để có ý tưởng và hoàn thành được luận văn này. Qua đây tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy cô và mọi người đã góp cho tôi nhiều ý kiến bổ ích để khóa luận được hoàn thiện hơn. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng tong bản luận văn không tránh khỏi các sai sót. Bởi vậy tôi 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 SÓNG LASER 21 2. 1. Nguyên 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 . 44 3. 3. 2 Kỹ thuật xác định độ rộng phổ 45 3. 3. 3 Kết quả thực nghiệm . 45 Kết luận chương III 46 Kết luận chung 47 Tài liệu tham khảo . 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 laserđộ đơn sắc cao, cỡ 0.05 nm. Sau này với việc sử dụng hệ giãn buồng cộng hưởng có thể tạo laserđộ 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 laserđộ 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 công 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 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 không 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 mô 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 đóđộ phân kỳ của chùm laser trong buồng cộng hưởng và độ tán sắc của buồng cộng hưởng. Để tạo ra các bức xạ laserđộ 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: θ δθ δλ λ ∆=∆ 0 (1.1) với: + 1 0 −        δθ δλ : 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 laserđộ 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 trò 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 không quá 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 laserđộ 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. )( G M Θ∇∆=∆ λ θλ (1.2) Trong đó: + M là hệ số giãn chùm của laser trong buồng cộng hưởng + )( G Θ∇ λ : 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 mNR . = ∆ = λ 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
- Xem thêm -

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

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn