Giới thiệu
Chuẩn trực chùm tia laser là một khía cạnh cơ bản trong nhiều phương pháp phân tích, trong đó laser sóng liên tục (CW) thường được sử dụng làm nguồn kích thích. Các kỹ thuật như huỳnh quang, tán xạ Raman, hấp thụ và tán xạ Rayleigh sử dụng laser để truyền năng lượng cho các phân tử, tạo ra sự kích thích hoặc trích xuất năng lượng. Việc lựa chọn loại laser rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng hội tụ và tính đồng đều của cường độ chùm tia. Đối với các yêu cầu về độ phân giải cao và chiếu sáng đồng đều, các loại laser CW cụ thể là rất cần thiết.
Các loại Laser CW cho Ứng dụng Phân tích
Laser CW có nhiều loại và cấu trúc khác nhau, được thiết kế riêng cho các ứng dụng khác nhau trên phổ khả kiến và cận hồng ngoại (NIR). Hai loại chính chiếm ưu thế: laser diode và laser thể rắn bơm diode (DPSS). Laser diode nhỏ gọn và tiết kiệm hơn, trong khi laser DPSS thường cung cấp chất lượng chùm tia cao hơn. Mỗi loại có thể được cấu hình trong nhiều mô-đun khác nhau như không gian tự do, sợi quang đơn chế độ (SMF), sợi quang đa chế độ (MMF) và sợi quang duy trì phân cực (PMF). Bảng dưới đây so sánh các tính năng của các kỹ thuật chuẩn trực cho laser diode và DPSS.
Chế độ không gian Laser CW
Laser CW hoạt động ở Chế độ không gian đơn (SM) hoặc Chế độ không gian đa (MM), còn được gọi là "chế độ ngang" hoặc "chế độ chùm tia". Các chế độ này tác động đến cấu hình chùm tia và đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng hội tụ và chất lượng chùm tia. Laser thường được lựa chọn dựa trên ứng dụng dự định, vì laser SM thường cung cấp chất lượng chùm tia và khả năng hội tụ tốt hơn, trong khi laser MM cung cấp công suất đầu ra cao hơn.
Phương pháp định vị chùm tia laser
Chuẩn trực chùm tia liên quan đến việc điều chỉnh đầu ra của tia laser để giảm thiểu độ phân kỳ. Điều này đặc biệt quan trọng trong kính hiển vi và quang phổ, trong đó độ phân kỳ phải dưới 2 mrad. Ví dụ, laser diode khoang ngắn tạo ra các chùm tia phân kỳ cao đòi hỏi phải chuẩn trực. Cách tiếp cận đơn giản nhất sử dụng một thấu kính phi cầu duy nhất để giảm độ phân kỳ; tuy nhiên, các cấu hình phức tạp hơn như hệ thống hai thấu kính, còn được gọi là kính thiên văn, thường được sử dụng để đạt được độ chính xác cao hơn và kiểm soát được kích thước chùm tia.
Phương pháp đơn giản nhất để chỉnh chuẩn chùm tia laser là sử dụng một thấu kính phi cầu đơn. Độ dài tiêu cự của thấu kính ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính chùm tia sau khi chỉnh chuẩn, với độ dài tiêu cự dài hơn tạo ra đường kính chùm tia lớn hơn. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản của nó, mặc dù nó có thể gây ra quang sai nếu không căn chỉnh đúng cách.
Hệ thống hai ống kính
Hệ thống hai thấu kính, hay kính thiên văn, sử dụng một thấu kính âm và một thấu kính dương để hội tụ và mở rộng hoặc thu hẹp chùm tia. Thiết lập này được ưa chuộng trong các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ bán kính chùm tia và đặc biệt hữu ích để cải thiện chất lượng chùm tia và giảm loạn thị trong chùm tia laser diode.
Chất lượng và Đo lường Chùm tia
Chất lượng của chùm tia laser thường được đánh giá bằng hệ số chất lượng chùm tia, M², đo mức độ chùm tia xấp xỉ với cấu hình Gaussian. Giá trị M² bằng 1 biểu thị chùm tia Gaussian lý tưởng, trong khi các giá trị cao hơn biểu thị độ lệch. Laser DPSS công suất thấp thường thể hiện chất lượng chùm tia cao với hệ số M² thấp, trong khi laser DPSS công suất cao và laser diode có xu hướng có chất lượng chùm tia kém hơn do hiệu ứng nhiệt.
Sự tuần hoàn của chùm tia laser hình elip
Laser diode thường phát ra chùm tia có tiết diện hình elip, đòi hỏi các bước bổ sung để làm tròn chùm tia cho một số ứng dụng nhất định. Một phương pháp sử dụng hai thấu kính hình trụ vuông góc để giải quyết sự phân kỳ dọc theo các trục khác nhau, tạo ra cấu hình chùm tia tròn hơn. Một kỹ thuật khác liên quan đến lăng kính anamorphic, điều chỉnh hình dạng chùm tia bằng cách mở rộng hoặc nén một trục. Mỗi phương pháp đều có điểm mạnh và hạn chế riêng, như thể hiện trong bảng.
Độ ổn định của điểm và tính đồng nhất của cấu hình chùm tia
Độ ổn định hướng chùm tia là điều cần thiết cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Các yếu tố như rung động cơ học và giãn nở nhiệt của các thành phần có thể gây ra dao động chùm tia. Việc căn chỉnh cẩn thận các thành phần quang học và kiểm soát nhiệt độ của các thành phần được gia nhiệt là rất quan trọng để giảm thiểu độ bất ổn định hướng tia.
Mặc dù đôi khi thể hiện chùm tia kém ở trường gần, laser diode có thể đạt được khả năng hội tụ tốt ở khoảng cách xa hơn. Thông qua thử nghiệm nghiêm ngặt, người ta đã chứng minh rằng chùm tia laser cải thiện tính đồng nhất và trở nên tròn hơn gần điểm hội tụ, hỗ trợ việc sử dụng chúng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng hội tụ cao.
Suy nghĩ cuối cùng
Kỹ thuật chuẩn trực laser thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại laser và yêu cầu của ứng dụng. Laser diode cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí cho nhiều mục đích sử dụng nhưng có thể cần thêm các thành phần để có chất lượng chùm tia tối ưu. Laser DPSS, mặc dù đắt hơn, nhưng cung cấp chất lượng chùm tia và khả năng hội tụ vượt trội. Integrated Optics cung cấp nhiều tùy chọn chuẩn trực, với các giải pháp kết nối sợi quang cho các ứng dụng có nhu cầu cao. Cuối cùng, lựa chọn giữa laser diode và DPSS nên cân nhắc các yếu tố như chất lượng chùm tia, khả năng hội tụ và hạn chế về ngân sách.
