Sử dụng phin lọc lưỡng chiết trong công nghệ Laser - Nguyễn Văn Hảo

Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 135(05): 173 - 177 173 SỬ DỤNG PHIN LỌC LƯỠNG CHIẾT TRONG CÔNG NGHỆ LASER Nguyễn Văn Hảo1, 2*, Phạm Hồng Minh2 1Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên 2 Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam TÓM TẮT Chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu về việc sử dụng phin lọc lưỡng chiết như yếu tố chọn lọc phổ trong buồng cộng hưởng laser, đặc biệt trong các laser phát xung ngắn. Các nghiên cứu này được thực hiện trên những laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF (280 - 320 nm) và laser rắn hồng ngoại Cr:LiSAF (780 - 900 nm). Các kết quả nghiên cứu thu được không chỉ cho chúng ta hiểu biết được động học của quá trình làm hẹp phổ trong phát xạ laser băng hẹp mà còn chỉ rõ các đặc điểm khi việc sử dụng phin lọc lưỡng chiết như yếu tố chọn lọc phổ trong công nghệ laser. Từ khóa: laser cực ngắn, phin lọc lưỡng chiết, laser đơn sắc, laser rắn MỞ ĐẦU* Phin lọc lưỡng chiết BF (birefringent plate) là một yếu tố điều chỉnh bước sóng được sử dụng rộng rãi trong các laser [1-5]. Tấm BF thường được đặt trong một buồng cộng hưởng (BCH) laser ở góc Brewster và bước sóng được thay đổi nhờ sự quay của tấm BF quanh pháp tuyến. Ưu điểm của phin lọc này là độ tán sắc cao, mất mát thấp và khả năng chống hư hại ở cường độ cao. Trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ laser như: thông tin quang, chụp X-quang kết hợp, hiện ảnh quang học y-sinh, kiểm tra thiết bị quang học, giao thoa nguyên tử, quang phổ học và thậm chí là kiểm tra ký sinh trùng trong nước [6-9]thì các laser đơn tần (có độ đơn sắc cao) có một vị trí vô cùng quan trọng. Phin lọc lưỡng chiết là một yếu tố chọn lọc phổ được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ laser, đặc biệt là laser xung ngắn để phát những bức xạ laser có độ đơn sắc cao trong vùng sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại. Trong những laser xung ngắn, laser tử ngoại Ce:LiCAF và hồng ngoại Cr:LiSAF [10, 11] là các laser có phổ phát xạ rộng, do đó nó có thể phát được các xung ngắn và phổ hẹp khi sử dụng tấm BF trong buồng cộng hưởng. Trong bài báo này, bằng việc đưa thêm một hoặc nhiều tấm phin lọc lưỡng chiết vào trong buồng cộng hưởng laser, chúng tôi đã nghiên * Tel: 0989 348258, E-mail: haonv@tnus.edu.vn cứu được tường minh khả năng phát các bức xạ đơn sắc của chúng dựa trên các tính toán lý thuyết nhờ sử dụng hệ các phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng [11-13]. PHIN LỌC LƯỠNG CHIẾT Một tấm BF đơn trục được sử dụng như một yếu tố điều chỉnh bước sóng thường được đặt trong BCH laser ở góc Brewster. Ánh sáng phân cực được truyền qua một phin lọc bị tách thành hai tia thường và dị thường bởi hiệu ứng lưỡng chiết của tinh thể thạch anh. Hàm điều chỉnh bước sóng (truyền qua) của một tấm BF được dựa trên đặc trưng giao thoa sự phân cực của nó và được biểu diễn theo công thức sau [14] :   2 sintancot1tancot41 22222   T (1) trong đó,  là góc tới (góc Brewster),  là góc giữa tia khúc xạ và trục quang học và  là độ lệch pha giữa tia thường và dị thường trong tấm BF.  như là một hàm của độ dày d của tấm BF, hiệu chiết suất giữa tia thường và dị thường của tấm, góc  và bước sóng laser. Góc điều chỉnh bước sóng A được định nghĩa là góc giữa mặt phẳng tới và mặt phẳng được xác định bởi trục quang học và pháp tuyến của BF [14].   coscos sinsincos cos  A (2) ở đây,  là góc giữa trục quang học và bề mặt của tấm BF. Nitro PDF Software 100 Portable Document Lane Wonderland Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 135(05): 173 - 177 174 Với một tấm BF cụ thể, chúng ta có thể vẽ được các đường cong truyền qua nhờ sử dụng biểu thức (1) trên máy tính. Khi sử dụng nhiều tấm lọc lưỡng chiết thì độ truyền qua của hệ sẽ là tích số của độ truyền qua của từng tấm. Tuy nhiên, tỉ số độ dày r của các tấm này phải là các số nguyên và bề mặt cũng như trục quang học của chúng phải được đặt song song với nhau. nTTTTT .....321  (3) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đường cong truyền qua của tấm BF Hình 1 chỉ ra đường cong truyền qua của một tấm BF với độ dày d = 0,4 mm và ở góc điều chỉnh bước sóng A = 41o;  = 0 trong dải sóng rộng kéo dài từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại gần. Kết quả cho thấy, bằng việc quay tấm BF quanh trục quang học của nó, chúng ta có thể chọn được đỉnh sóng truyền qua phù hợp với dải sóng cần điều chỉnh của laser. Hình 1. Đường cong truyền qua của phin lọc lưỡng chiết đơn tấm với độ dày d = 0,4 mm và góc quay A= 41 o ;  = 0 trong dải sóng từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại gần. Hình 2 biểu diễn đường cong truyền qua của một và nhiều tấm BF với tỉ số độ dày khác nhau trong dải sóng từ 750 – 950 nm. Kết quả cho thấy, với độ dày như nhau của mỗi tấm (d = 0,5 mm) ở cùng một góc điều chỉnh bước sóng A = 41,7 0 nhưng khi số lượng phin lọc nhiều hơn thì phổ bước sóng có độ truyền qua cực đại sẽ hẹp hơn, đồng thời các cực tiểu truyền qua xuất hiện gần nhau hơn và cũng có cường độ nhỏ hơn. Đối với các laser điều chỉnh bước sóng, sẽ có một dải bước sóng có thể truyền qua tấm phin lọc (độ truyền qua cực đại), khi đó để thu được bức xạ laser có bước sóng mong muốn, chúng ta có thể sử dụng nhiều tấm phin lọc đặt sát nhau trong buồng cộng hưởng. Hình 2. Đường cong truyền qua của nhiều tấm phin lọc lưỡng chiết với độ dày khác nhau ở góc điều chỉnh bước sóng A = 410;  = 0; d = 0,5 mm và với tỉ lệ độ dày các tấm là r =1; 1:2; 1:2:4; 1:2:4:9 trong dải sóng từ 750 - 950 nm. Laser rắn băng hẹp sử dụng phin lọc lưỡng chiết Hình 3 là cấu hình buồng cộng hưởng cho laser rắn được bơm bằng các xung laser diode. Buồng cộng hưởng laser gồm hai gương, trong đó M1 là gương bơm – gương cầu có độ phản xạ rất cao và M2 là gương ra có độ phản xạ thấp hơn. Tinh thể laser là một tinh thể rắn (Cr:LiSAF và Ce:LiCAF) được đặt trong buồng cộng hưởng sao cho có được sự chồng chộng tốt giữa mode bơm và mode laser. Trong hoạt động laser băng hẹp và điều chỉnh liên tục bước sóng, chúng tôi đã đưa thêm vào trong BCH một hoặc một vài tấm BF được đặt dưới góc Brewster. Hình 3. Cấu hình laser rắn băng hẹp sử dụng phin lọc lưỡng chiết BF đặt trong buồng cộng hưởng. L1 và L2 là hệ bơm; M1 là gương laser cuối và M2 là gương laser ra. Môi trường laser có thể là tinh thể Cr:LiSAF hoặc Ce:LiCAF Hình 4 biểu diễn phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp trên dải sóng từ 835 – 865 nm khi sử dụng một tấm phin lọc lưỡng chiết dày d = 1 Nitro PDF Software 100 Portable Document Lane Wonderland Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 135(05): 173 - 177 175 mm,  = 0, góc điều chỉnh bước sóng A thay đổi từ 39,90 – 43,50 đặt trong buồng cộng hưởng laser (như Hình 3) với hệ số phản xạ của các gương R1 = 1, R2 = 98 %; chiều dài tinh thể laser 7 mm, nồng độ pha tạp ion Cr3+ là 1,5 % ở công suất bơm P = 1,5 W, độ rộng xung bơm 100 µs; bán kính vết bơm rp = 22 µm. Kết quả cho thấy, với một tấm phin lọc có độ dày không đổi, nhưng được quay với các góc A có giá trị tăng dần thì bức xạ laser Cr:LiSAF có đỉnh bước sóng dịch chuyển về phía sóng dài. Hình 4. Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp trên dải sóng từ 840 – 860 nm khi sử dụng một tấm phin lọc lưỡng chiết dày d = 1 mm đặt trong buồng cộng hưởng laser,  = 0 ở góc điều chỉnh bước sóng A thay đổi từ 39,90 – 43,50. Hình 5. Quá trình làm hẹp phổ trong laser Cr 3+:LiSAF băng hẹp khi sử dụng phin lọc lưỡng chiết có độ dày d thay đổi từ 0,1  1 mm đặt trong buồng cộng hưởng laser,  = 0 và A = 41,70. Hình 5 là tiến trình làm hẹp phổ của laser Cr:LiSAF băng hẹp khi sử dụng phin lọc lưỡng chiết có độ dày d thay đổi từ 0,1  1 mm đặt trong buồng cộng hưởng laser có hệ số phản xạ các gương R1 = 1, R2 = 99 %; chiều dài tinh thể laser 7 mm, nồng độ pha tạp ion Cr 3+ là 1,5 %, tấm BF ở góc  = 0, góc điều chỉnh bước sóng A = 41,70 với công suất bơm P = 1 W, độ rộng xung bơm 100 µs; bán kính vết bơm rp = 22 µm . Khi độ dày của tấm phin lọc lưỡng chiết d = 1 mm thì phổ laser được làm hẹp tới 0,25 nm. Hình 6. Sự phụ thuộc độ rộng phổ phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF vào độ dày tấm BF: (a) d = 2 mm, (b) d = 5 mm (c) d = 10 mm, (d) d = 12 mm. BCH với L=10 cm, R1 = 100%, R2 = 30%; cm, mật độ ion Ce3+ N = 51018 cm-3; Ep = 17 mJ, rp = 0,15 cm và A = 55,4 0 . Hình 7. Động học phổ 3-D trong phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp với góc điều chỉnh thay đổi: (a) A = 550, (b) A = 55,20, (c) A = 55,40, (d) A = 55,6 0 , (e) A = 55,8 0 và (f) A = 56 0 . BCH với chiều dài L = 10 cm, R1 = 100%, R2 = 30%; mật độ ion Ce3+ N = 51018 cm-3; năng lượng xung bơm Ep = 17 mJ, rp = 0,15 cm và độ dày tấm BF là d = 10 mm. Hình 6 cho thấy sự phụ thuộc độ rộng phổ phát xạ laser rắn Ce:LiCAF vào độ dày tấm Nitro PDF Software 100 Portable Document Lane Wonderland Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 135(05): 173 - 177 176 phin lọc lưỡng chiết ở các độ dày khác nhau d = 2 mm; 5 mm; 10 mm, 12 mm. Hình 7 là động học phổ 3-D trong phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp với góc quay A thay đổi từ A = 550 đến A = 560. Kết quả cho thấy, laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF có độ làm hẹp phổ thấp hơn so với laser rắn Cr:LiSAF. Điều này cũng dễ dàng giải thích khi ta chú ý tới thời gian sống đi lại của photon trong buồng cộng của hai laser là rất khác nhau, do thời gian sống huỳnh quang của Cr:LiSAF lớn hơn Ce:LiCAF hàng 1000 lần [10, 11]. KẾT LUẬN Bằng việc sử dụng các phin lọc lưỡng chiết như một yếu tố chọn lọc phổ trong buồng cộng hưởng laser, đặc biệt trong các laser phát xung ngắn chúng tôi đã nghiên cứu được động học làm hẹp phổ của các laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF và laser rắn hồng ngoại Cr:LiSAF. Các kết quả cho thấy tiến trình làm hẹp phổ trong các laser rắn phụ thuộc vào các đặc trưng cụ thể của các tấm phin lọc lưỡng chiết cũng như các tính chất quang của môi trường laser. Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cám ơn sự tài trợ kinh phí từ Đề tài KHCN cấp Đại học của Đại học Thái Nguyên (mã số ĐH2012-TN07-13). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. G. Holtom and 0. Teschke, "Design of a birefringent filter for high-power dye lasers," IEEE J. Quantum Electron. QE-10, 1974, pp.577-579. 2. A. L. Bloom, "Modes of a resonator containing tilted plates," J. Opt. Soc. Am. 64, 1974, pp.447-452. 3. B.V.Bondarev, S.M.Kobtsev. Calculation and Optimization of a Birefringent Filter for a CW Dye Laser. Opt. Spectrosc., 1986, v.60, N4, pp.501-504. 4. S.M.Kobtsev. Properties of Birefringent Filters. Opt. Spectrosc., 1987, v.63, N5, pp.672-675. 5. S.M.Kobtsev, N.A.Sventsitskay. Application of Birefringent Filters in Continuous-Wave Tunable Lasers: a Reviev. Opt. Spectrosc., 1992, v.73(1), pp.114-123 6. S. Chang, Y. Mao, and C. Flueraru, “Dual- Source Swept-Source Optical Coherence Tomography Reconstructed on Integrated Spectrum,” International Journal of Optics 2012, p.565823. 7. V. Ménoret, R. Geiger, G. Stern, N. Zahzam, B. Battelier, A. Bresson, A. Landragin, and P. Bouyer, “Dual-wavelength laser source for onboard atom interferometry,” Opt. Lett. 36, 2011, pp. 4128–4130. 8. Chaudhari, A. J., F. Darvas, J. R. Bading, R. A. Moats, P. S. Conti, D. J. Smith, S. R. Cherry, and R. M. Leahy, “Hyperspectral and multispectral bioluminescence optical tomography for small animal imaging," Phys. Med. Biol., Vol. 50, 2005, pp. 5421-5441. 9. Gat, N., “Imaging spectroscopy using tunable filters: A review," Proc. SPIE, Vol. 4056, 2000, pp. 50 -64. 10. U Demirbas, S Eggert, A Leitenstorfer, Compact and efficient Cr: LiSAF lasers pumped by one single-spatial-mode diode: a minimal cost approach, JOSA B 29 (8), 2012, pp. 1894-1903. 11. Pham Hong Minh, Nguyen Phan Nhat, Do Quoc Khanh, Nguyen Dai Hung, Luong Viet Mui, Nobuhiko Sarukura, Liudmila Astafyeva, Investigation of the spectral and temporal processes of all solid state ultraviolet Ce 3+ :LiCaAlF6 laser emissions, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VI I, ISSN 1859 - 4271, 2013, p. 419-424. 12. P. Juramy et al., Spectral properties of pulse dye lasser, IEEE J, Quantum electronics, Vol QE- 13, No. 10, 1977, pp. 855 - 865. 13. Hung, N. D.; Plaza, P.; Martin, M.; Meyer, Y. H., Generation of tunable subpicosecond pulse using low-Q dye cavities, Appl. Opt. 31, 1992, pp. 7046-7058. 14. Xinglong Wang and Jianquan Yao, Transmitted and tuning characteristics of birefringent filters, Appl. Opt., Vol. 31, No. 22, pp. 4505 - 4508, 1992. Nitro PDF Software 100 Portable Document Lane Wonderland Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 135(05): 173 - 177 177 SUMMARY BIREFRINGENT FILTER USED IN LASER TECHNOLOGY Nguyen Van Hao 1, 2* , Pham Hong Minh 2 1 College of Science - TNU 2 Institute of Physics, Vietnam Academy of Science and Technology We present the results of research on the use of birefringent filter as a spectral selector in the laser cavity, especially in the short-pulse lasers. The study was carried out on the tunable ultraviolet solid-state Ce:LiCAF (280-320 nm) and infrared Cr:LiSAF (780-900 nm) lasers. As a result, the obtained results showed clearly the dynamics of spectral narrowing in narrow-band laser emissions, and therefore, provided better understanding of the solid-state lasers in broadband and tunable laser operations. Additionally, it is also indicates the characteristics when using birefringent filter as a spectral selector in laser technology. Keywords: ultra-short laser, birefringent filter, monochrome laser, solid-state laser Ngày nhận bài:31/7/2014; Ngày phản biện:28/8/2014; Ngày duyệt đăng: 31/5/2015 Phản biện khoa học: ThS. Lê Thị Tuyết Ngân – Trường Đại học Khoa học - ĐHTN * Tel: 0989 348258, E-mail: haonv@tnus.edu.vn Nitro PDF Software 100 Portable Document Lane Wonderland