Tài liệu Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan

i .. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ KIỀU OANH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER BẰNG KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC THÁI NGUYÊN - 10/2018 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC NGUYỄN THỊ KIỀU OANH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER BẰNG KỸ THUẬT TỰ TƯƠNG QUAN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ QUANG HÒA THÁI NGUYÊN - 10/2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Kiều Oanh ii LỜI CẢM ƠN Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng gắn liền với sự hỗ trợ giúp đỡ của những người xung quanh. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm luận văn đến nay, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè. Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô của trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Thái Nguyên đã tâm huyết truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu trong suốt hai năm học Thạc Sỹ tại trường. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Quang Hòa đã tận tâm chỉ bảo hướng dẫn em qua từng buổi học, trong những giờ thực hành, tạo mẫu, trên phòng thí nghiệm, các buổi thảo luận về đề tài nghiên cứu. Nhờ có những lời hướng dẫn dạy bảo đó, bài luận văn này của em đã hoàn thành xuất sắc nhất. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy. Do vốn kiến thức của em còn hạn chế và thời gian nghiên cứu có hạn nên trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn cùng lớp để bài luận văn của em được hoàn thiện hơn. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Kiều Oanh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................ii MỤC LỤC ......................................................................................................iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................v DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ ..................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN ................................................. 3 1.1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây............................ 3 1.2. Cấu tạo laser........................................................................................... 3 1.3. Các laser phát xung ................................................................................ 7 1.4. Laser màu ............................................................................................... 8 1.5. Laser màu xung ngắn ........................................................................... 12 1.5.1. Phương pháp Mode - locking........................................................ 12 1.5.2. Phương pháp chọn lọc thời gian phổ (STS).................................. 14 1.5.3. Phương pháp kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation) 15 1.5.4. Phương pháp buồng cộng hưởng dập tắt (Cavity - Quenching) .. 16 1.5.5. Phương pháp phản hồi phân bố (Distributed Feedback) ............. 19 1.6. Kết luận chương ................................................................................... 20 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỘ RỘNG XUNG .......................... 21 2.1. Đo độ rộng xung trực tiếp .................................................................... 21 2.1.1. Kỹ thuật đo bằng Photodiode........................................................ 21 2.1.2. Đầu đo nhân quang điện ............................................................... 24 2.1.3. Streak - Camera ............................................................................ 26 2.2. Kỹ thuật đo đặc trưng thời gian gián tiếp ............................................ 28 2.2.1. Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian [14]................... 28 2.2.2. Kỹ thuật đo phân giải cổng tần số (FROG) [15].......................... 32 iv 2.2.3. Đo độ rộng xung bằng kỹ thuật tự tương quan [13]..................... 34 2.3. Kết luận chương ................................................................................... 40 CHƯƠNG 3: ĐO ĐỘ RỘNG XUNG LASER PICÔ - GIÂY................... 42 3.1. Sơ lược máy phát laser phản hồi phân bố phát xung Picô - giây [16] ....... 42 3.2. Thiết lập hệ đo xung............................................................................. 46 3.2.1. Bố trí thí nghiệm............................................................................ 46 3.2.2. Hiệu chỉnh hệ đo ........................................................................... 48 3.2.3. Thực nghiệm đo độ rộng xung ...................................................... 49 3.3. Kết luận chương ................................................................................... 54 KẾT LUẬN .................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56 v DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT DFB Phương pháp phản hồi phân bố STS Phương pháp chọn lọc phổ thời gian BCH Buồng cộng hưởng DFDL Laser màu phản hồi phân bố TCSPC Kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian FROG Kỹ thuật đo phân giải cổng tần số PMT Nhân quang điện IFR Hàm đáp ứng của thiết bị BBO Tinh thể phi tuyến quang học vi DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ Số Tên hình, sơ đồ hiệu bảng 1.1 1.2 Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử Khoảng lựa chọn bước sóng của các chất màu laser Trang 4 9 1.3 Sơ đồ bơm cho laser màu 11 1.4 Các mode dọc trong buồng cộng hưởng 12 1.5 1.6 1.7 Tiến trình phổ trong phát xạ laser màu của PM567/polymer BCH Sơ đồ một laser màu rắn Picô - giây STS Sơ đồ một laser màu xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy 15 15 16 1.8 Cấu hình của laser màu BCH quenching 17 1.9 Kết quả tính toán cho thấy laser ra 18 1.10 2.1 Đặc trưng thời gian của bức xạ laser màu BCH Q – thấp theo cấu hình BCH kép Sơ đồ nguyên lý đo bằng photodiode phân cực ngược 19 21 2.2 Đi - ốt thác lũ 23 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ đo Streak - Camera 26 2.4 2.5 2.6 Sơ đồ nguyên lý đo đếm đơn photon tương quan thời gian Sơ đồ khối nguyên lý kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian Độ phân giải thời gian của các kỹ thuật đo 28 29 31 vii Số Tên hình, sơ đồ hiệu bảng Trang 2.7 Sơ đồ cấu hình hệ đo FROG 32 2.8 Các thông tin từ tín hiệu FROG 34 2.9 Sơ đồ nguyên lý đo tự tương quan 36 2.10 2.11 3.1 3.2 Cấu hình môt hệ đo độ rộng xung theo nguyên lý tự tương quan giao thoa Phương pháp đo loại bỏ nền trong kỹ thuật đo tự tương quan Cấu hình laser màu phản hồi phân bố sử dụng gương chia chùm Cách tử Bragg có N (chu kì) gương bán phản xạ song song 38 40 42 44 3.3 Mô tả ánh sáng phản xạ theo điều kiện Bragg 45 3.4 Sơ đồ xây dựng hệ đo tự tương quan cường độ 46 3.5 Hệ đo tự tương quan cường độ 47 3.6 Giao diện hệ đo tự tương quan cường độ 49 Đường cong biểu diễn hàm tự tương quan theo 3.7 thời gian trễ của bức xạ laser từ buồng cộng hưởng DFDL hoạt động ở chế độ nhiễu xạ Bragg 51 bậc 2 3.8 3.9 Phân tách biểu diễn của một xung đa thành phần Độ rộng xung và vết tự tương quan đối với một bức xạ đa xung 53 54 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Một số thông số của các đầu thu khác nhau 30 3.1 Tương quan thời gian - phổ của các dạng xung 52 1 MỞ ĐẦU Một trong những phát minh to lớn trong lĩnh vực vật lý của thế kỷ 20 là sự chế tạo ra các laser. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại cường độ ánh sáng nhờ vào hiện tượng phát xạ cưỡng bức (cảm ứng). Hiện tượng này đã được Albert Einstein đưa ra giả thuyết và đăng trên tạp chí vào năm 1917. Tuy nhiên để quan sát được bằng thực nghiệm thì phải chờ tới sự phát minh, vào những năm 1954 - 1955, của nhà vật lý người Nga và người Mĩ. Như ta đã biết vào những năm 1960 ông Maiman, nhà vật lý người Mĩ đã tạo ra máy laser đầu tiên, sử dụng môi trường hoạt tính là chất rắn hồng ngọc (Ruby), phát sóng ánh sáng trong vùng quang phổ khả kiến 0,64 µm. Từ năm 1960 trở đi, hàng loạt laser khác nhau ra đời. Để đơn giản trong cách gọi tên chúng thường được phân chia theo nhóm dựa vào tính chất vật lý của môi trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, sợi quang học... Hoặc dựa vào đặc tính bức xạ laser (dòng ánh sáng phát ra): liên tục hay xung. Hoặc dựa vào phương pháp kích thích: quang học, hóa học, điện... Sự xuất hiện của laser sau những năm 1960 đã đưa ngành quang học sang giai đoạn phát triển mới, quang phi tuyến và đã tạo ra một sự đột biến về công nghệ. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn [1,2]… Ngoài ra vật lý laser đã hỗ trợ sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác như truyền tải thông tin, truyền tải năng lượng [3,4], giải trí, công nghiệp, y sinh, công nghệ sinh học…[5,6,7]. Có thể nói những ứng dụng của laser vào nghiên cứu khoa học và công nghệ là rất phong phú. Đặc biệt tiến bộ trong việc tạo ra nguồn xung laser cực ngắn là cơ sở, công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học và công nghệ [8,9]. Nó có vai trò hết sức to lớn trong cuộc sống hiện đại cũng như trong nghiên cứu. Để có thể xác định được đặc 2 trưng thời gian của các xung quang học đã nêu ở trên thì việc xây dựng hệ đo độ rộng xung laser là một yêu cầu tất yếu. Tuy nhiên, đo trực tiếp xung laser là rất khó vì các thiết bị điện tử thông thường không có tính đáp ứng thời gian phù hợp nhưng có thể đo gián tiếp. Do đó, một trong các kỹ thuật đo độ rộng xung gián tiếp là phương pháp tự tương quang được chọn. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp, hệ đo xung quang học có độ phân giải thời gian cao hơn nữa bằng phương pháp tự tương quan có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán xây dựng hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan” để thực hiện trong luận văn này. Mục tiêu của luận văn: + Nghiên cứu về các đặc trưng của bức xạ laser cực ngắn. + Tính toán xây dựng một hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan trong khoảng thời gian Picô - giây. + Đo độ rộng xung laser màu phản hồi phân bố. Nội dung luận văn: Luận văn được tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu thực nghiệm và dựa trên cơ sở lý thuyết tự tương quan để có thể tính toán xây dựng một hệ đo độ rộng xung laser bằng kỹ thuật tự tương quan trong khoảng thời gian Picô - giây. Bố cục của luận văn: + Mở đầu + Chương 1: Giới thiệu laser và các loại laser xung. + Chương 2: Các kỹ thuật đo độ rộng xung. + Chương 3: Đo độ rộng xung laser Picô - giây. 3 CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN 1.1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây Bức xạ laser là các bức xạ điện từ trong một vùng phổ từ vùng tử ngoại gần (180 nm) đến vùng hồng ngoại (1mm). Chùm sáng từ bức xạ laser liên tục thường có công suất trong một khoảng vài mili - Oat (mW) đến vài chục (thậm chí vài trăm) Oat (W). Nếu cũng công suất này chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn thì các xung laser có công suất đỉnh trở nên rất lớn được tính theo công thức ∆P = ∆E/∆τ trong đó ∆E là năng lượng của laser và ∆τ là độ bán rộng về thời gian của xung laser. Do đó, với các xung laser càng ngắn sẽ cho ra các xung có công suất rất lớn. Mặt khác, độ bán rộng thời gian của các xung laser thỏa mãn điều kiện Heisenberg ∆ν. ∆τ ≤ a trong đó a là một hằng số được quyết định bởi dạng xung. Về nguyên lý, các bức xạ laser là đơn sắc tức là chỉ tồn tại duy nhất một mode dọc nhưng thực tế các bức xạ có thể bao gồm một vài mode có bước sóng lân cận nhau bởi chúng phù hợp với số nguyên lần chiều dài buồng cộng hưởng. Đặc điểm này sẽ ảnh hưởng tới quá trình xác định độ dài xung (độ bán rộng xung) do sự chồng chập của các mode trong phép đo thời gian và sai lệch khi xác định số gia ∆ν trong hệ thức bất định. Do đó, để có thể xác định được chính xác độ rộng xung laser, cần phải xem xét đến bản chất của các xung laser như: nguồn phát, công suất laser, vùng phổ… 1.2. Cấu tạo laser Về nguyên lý máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chính như trên hình 1.1 là: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng cộng hưởng quang học [10]. 4 Gương 90% Gương 100% Môi trường trong suốt chứa các nguyên tử hoặc phân tử có khả năng khuếch đại ánh sáng Bức xạ laser ra Đèn công suất cao Hình 1.1. Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử a) Môi trường hoạt tính Bộ phận quan trọng nhất của laser là môi trường hoạt tính. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cường độ sáng khi ánh sáng truyền qua. Môi trường hoạt tính cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: có hiệu suất huỳnh quang cao, có thời gian sống huỳnh quang đủ lớn, có độ truyền qua tốt trong dải bước sóng phát laser thường được phân chia thành các nhóm sau: - Môi trường hoạt tính rắn: bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các nguyên tố hiếm như Nd3+, Cr3+... Laser rắn điển hình là Ruby, ngoài ra có Nd:YAG, Ti:Sphire, sợi quang học pha đất hiếm... - Môi trường hoạt tính lỏng: bao gồm các dung dịch màu (Rodamin, Coumarin..) - Môi trường hoạt tính khí: He - Ne, N2, CO2... - Môi trường hoạt tính bán dẫn: như Ga As, PbS, PbTe... Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang. Sự khác nhau của môi trường hoạt tính còn được dùng để gọi tên laser theo phân nhóm về mặt kỹ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu, laser bán dẫn… 5 b) Nguồn bơm Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính phải ở trạng thái kích thích. Điều đấy được thực hiện bằng cách cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính thông qua một nguồn bơm. Người ta thường sử dụng các loại nguồn bơm sau cho các loại laser thông dụng: - Nguồn bơm quang học bao gồm các loại đèn, các loại laser, diode phát quang… Thường thì ánh sáng của nguồn bơm được chọn sao cho phổ của nó nằm trong vùng cực đại hấp thụ của môi trường hoạt tính để hiệu suất bơm được tối ưu. Phương pháp này thường được áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất rắn hay chất lỏng. - Nguồn bơm điện sự phóng điện trong môi trường hoạt tính dưới điện áp cao thế thường áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất khí. Hoặc nguồn dòng điện áp thấp tạo nên sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử qua vùng cấm của các chất bán dẫn được sử dụng làm nguồn bơm trong các laser bán dẫn. - Bơm quang học và bơm điện là hai cách thông dụng nhất. Ngoài ra còn có nguồn bơm hóa học và nguồn bơm khí động học, nhưng hai cách này ít được sử dụng. Mục đích của việc bơm là tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy (tức là số lượng phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích nhiều hơn ở trạng thái cơ bản) trong môi trường hoạt tính. Khi sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập thì phần lớn các phân tử hay nguyên tử trong môi trường hoạt tính đều ở tình trạng sẵn sàng phát ra ánh sáng hoặc đang phát ra ánh sáng theo quy luật phát xạ tự nhiên. Cường độ phát sáng của cả hệ tỉ lệ với số phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích. b) Buồng cộng hưởng Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên ở trên thành nguồn sáng laser thì ta cần có các điều kiện đặc biệt để chuyển biến sự phát xạ tự nhiên (tự phát) thành sự phát xạ cảm ứng. Để thực hiện được điều đó cần đặt môi 6 trường hoạt tính vào trong một buồng cộng hưởng quang học, ví dụ như hai gương song song. Để phân loại buồng cộng hưởng người ta thường dựa vào tính chất và hình dạng của các gương. Loại buồng cộng hưởng đơn giản nhất là buồng cộng hưởng Fabry - Perot, một hệ gồm hai gương phản xạ đặt đồng trục và song song với nhau. Một trong hai gương có hệ số phản xạ R=100%, còn gương thứ hai có độ phản xạ R<100% và độ truyền qua là T=100% - R. Sự mất mát cường độ sáng do hấp thụ hay tán xạ của hai gương phải là không đáng kể. Vì sự khắt khe về kỹ thuật trên nên việc chế tạo gương dùng cho buồng cộng hưởng phải do những nhà sản xuất chuyên về linh kiện quang học đảm nhiệm. Khó khăn khác nữa là việc lắp đặt hai gương song song một cách tuyệt đối. Để làm được điều này thi hai gương phải được đặt trên giá đỡ có các trục điều chỉnh X, Y, với độ chính xác dưới 1µm. Ngoài việc sử dụng gương phẳng thì người ta còn dùng gương cầu, gương cầu lõm để xây dựng buồng cộng hưởng. Theo nguyên lý của quang hình học, nếu tia sáng truyền đồng trục với buồng cộng hưởng thì sự lan truyền đó không phụ thuộc vào bán kính cong của hướng. Như vậy, sự phản xạ liên tiếp theo phương đồng trục không phụ thuộc vào chiều dài buồng cộng hưởng. Với buồng cộng hưởng sử dụng gương cầu lõm thì việc điều chỉnh phát ra tia laser là dễ dàng hơn so với buồng cộng hưởng sử dụng gương phảng. Tuy nhiên, việc thu được chùm tia laser song song là khó khăn hơn. Với laser phát xung ngắn ví dụ femto giây, thì bên trong buồng cộng hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laser hoạt động theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ của laser rất rộng, độ rộng phổ này lên tới 300 nm đối với laser femto). Nhờ vào yếu tố xung cực ngắn là công suất cực đại và khả năng phân giải theo thời gian của laser femto là rất cao. 7 1.3. Các laser phát xung a) Laser rắn Các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh. Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn trong ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều loại laser rắn khác nhau nhưng phổ biến nhất là loại laser pha tạp Nd3+ (như YAG:Nd, YVO4:Nd3+...) hoặc Ti3+ (như Ti: Saphire). b) Laser bán dẫn [11] Laser bán dẫn có môi trường hoạt chất là các lớp bán dẫn p - n pha tạp. Sự chuyển mức năng lượng do quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong một buồng cộng hưởng tạo ra hiệu ứng laser. Quá trình bơm năng lượng được thực hiện trực tiếp bằng tiêm dòng điện qua các điện cực được đặt trên hai lớp bán dẫn khác loại. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất của các laser bán dẫn. Các loại nguồn bơm khác có thể được sử dụng như kích thích quang, phun chùm điện tử. So với các laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhở. Ví dụ, kích thước một laser bán dẫn lớn chỉ cỡ 1 mm. Cần chú ý rằng, tính chất vật lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số bên ngoài tác đông như áp suất, nhiệt độ…và điểm này là sự khác biệt nổi bật nữa so với các laser tinh thể hay thủy tinh. Chính do có các khác biệt nêu ở trên mà sự phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode…ở laser bán dẫn khác hẳn với laser rắn hay khí làm việc theo các mức năng lượng. Qúa trình trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công trình lí thuyết về laser bán dẫn đã ra đời trước khi xuất hiện laser bán đẫn trong phòng thí nghiệm. 8 c) Laser khí Laser khí là loại laser có thể hoạt động ỏ chế độ phát xung hoặc chế độ liên tục nên có nhiều ứng dụng kĩ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phần tử đã được nghêm cứu kỹ, vùng bước sóng phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, có thể đạt được công suất phát lớn mà không cần dùng phương pháp biến điệu độ phẩm chất (Q switching)… d) Laser lỏng Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được dùng làm hoạt chất phát laser. So với hai loại laser trên laser lỏng có một số ưu điểm sau: - Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể. - Dễ dàng tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tạo được công suất lớn theo ý muốn. - Dễ dàng làm lạnh hoạt chất do sử dụng dòng hoạt chất luân chuyển. - Dễ tiến hành nghiên cứu vì dễ thay đổi thành phần các hoạt chất trong bình chứa. Laser lỏng có nhược điểm là sự suy giảm của tâm hoạt chất (hiện tượng tẩy quang) dẫn tới sự không ổn định về tần số và công suất phát. Ngoài ra, chất thải của môi trường hoạt tính cần phải được bảo quản, xử lý phức tạp tránh ô nhiễm và gây độc hại cho môi trường. 1.4. Laser màu Laser màu có dải bước sóng hoạt động rất rộng, từ vùng tử ngoại gần khoảng 310 nm đến vùng hồng ngoại khoảng 1300 nm (hình 1.2). Với dải hoạt động rộng như vậy, laser màu có ưu thế lớn trong việc phát xung laser cực ngắn, phát laser băng hẹp. 9 Năng lượng tương đối Đường cong thay đổi chất màu Hình 1.2. Khoảng lựa chọn bước sóng của các chất màu laser Đặc điểm nổi bật của laser màu đó là khả năng điều chỉnh bước sóng trong miền phổ rộng (phổ huỳnh quang băng rộng từ 30 - 100 nm). Có nhiều phương pháp để chọn lọc bước sóng cho laser màu như: sử dụng các yếu tố tán sắc hay sử dụng các yếu tố chọn lọc giao thoa đưa vào buồng cộng hưởng, buồng cộng hưởng phản hồi phân bố… Một đặc điểm khác của laser màu là có thể hoạt động ở chế độ xung ngắn, xung cực ngắn với công suất cao. Có nhiều phương pháp tạo xung cực ngắn điển hình như: mode - locking, chọn lọc phổ thời gian, kích thích sóng chạy, phản hồi phân bố… Laser màu có hệ số khuếch đại lớn cũng như dễ chế tạo và thay đổi môi trường hoạt chất của nó nên rất thuận tiện cho việc nghiên cứu. Mặt khác giá thành chất màu không cao và laser màu có khả năng làm việc tốt ngay ở nhiệt độ phòng nên laser màu là nguồn laser thay đổi bước sóng phù hợp cho các phòng thí nghiệm quang phổ ở nước ta. Laser màu thường được kích thích bằng bơm quang học. Hiện nay để bơm cho laser màu người ta thường dùng họa ba bậc hai, bậc ba của laser Nd3+ trong nền YAG hoặc laser Nitơ, ngoài ra còn sử dụng các loại đèn xung 10 như đèn Xenon dạng ống hay dạng xoắn… Sử dụng nguồn bơm laser phát dạng xung để kích thích cho hệ laser màu sẽ hạn chế được ảnh hưởng của trạng thái tích lũy bội ba (Triplet). Thời gian sống của trạng thái đơn kích thích cỡ ns, nên xung bơm cần phải có độ rộng thời gian tương ứng để có thể tạo được nghịch đảo độ tích lũy lớn. Khi sử dụng nguồn bơm liên tục ta thường phải đưa vào chất đệm, nó sẽ đóng vai trò làm giảm độ tích lũy ở mức dưới. Nguồn bơm phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ hấp thụ của chất màu laser và nói chung phải có cường độ đủ lớn. Như vậy điều kiện của một nguồn bơm cho laser màu là: - Thời gian xung bơm phải đủ nhanh (thường dưới 20 ns) - Cường độ bơm phải đủ mạnh để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy. - Phổ bức xạ của nguồn bơm phải phù hợp với phổ hấp thụ của chất màu laser. Người ta thường sử dụng các sơ đồ bơm ngang hoặc bơm dọc để thực hiện bơm quang học cho laser màu như minh họa trên hình 1.3, ngoài ra còn dùng sơ đồ bơm nghiêng. Chất màu được chứa trong cuvette và được luân chuyển sẽ giúp làm mát, tăng độ bền nhiệt và bền quang của chất màu, đồng thời tạo được sự phân bố đồng đều nồng độ dung dịch màu. Trong sơ đồ bơm ngang sự nghịch đảo độ tích lũy trong dung dịch màu là không đều dọc theo tia laser bơm vì tia bơm bị suy giảm trong dung dịch. Do vậy nếu nồng độ chất màu ở mức khá cao thì điều kiện ngưỡng phát chỉ đạt trong một lớp mỏng ngay sau cửa sổ lối vào của tia kích thích. Hậu quả sẽ làm tăng hao phí do nhiễu xạ và tăng góc phân kỳ của chùm tia. Với sơ đồ bơm ngang, người ta thường dùng một thấu kính trụ được bố trí trước cuvette để hội tụ chùm tia, tạo mật độ quang học cao và đồng đều dọc theo bề mặt cuvette. Trong sơ đồ bơm dọc, tia laser bơm đi qua gương M1 của buồng cộng hưởng laser màu. Gương này thỏa mãn cho qua tia laser bơm và phản xạ bước sóng của laser màu, điều này là khó thực hiện khi bức xạ của laser bơm và của