giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động

giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động

MỞ ĐẦU

Từ khi ra đời đến nay, kĩ thuật laser đã không ngừng phát triển với tốc

độ rất nhanh Các loại laser đã ngày càng chứng tỏ được những ưu thế vượttrội trong nhiều lĩnh vực như: khoa học công nghệ, vũ trụ học, y học, thẩm

mỹ, địa chất… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser đã được phát triển đadạng về chủng loại đồng thời kĩ thuật chế tạo laser cũng ngày càng hoàn thiệnhơn

Trong thực tế hiện nay, các laser rắn – mà điển hình trong số đó là laserNd:YAG được kích thích bằng phương pháp bơm quang học – vẫn đã và đangđược sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ.Tuy nhiên, nhu cầu ứng dụng không chỉ dừng lại ở đó, người ta mong muốnchế tạo những loại laser có kích thước nhỏ gọn, có thể cầm tay mang theongười để dễ dàng sử dụng mà công suất vẫn đủ lớn để có thể ứng dụng đượctrong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, đặc biệt là trong quân sự, y học vàthẩm mỹ

Vì lí do này, trong những năm gần đây thuật ngữ laser mini đã xuấthiện để chỉ những loại laser rắn xách tay Các nhà khoa học và nhà công nghệtrên thế giới ở Mỹ và Trung Quốc đã chế tạo thành công loại laser này Song

vì đây là vấn đề công nghệ nhạy cảm nên hầu như không có công bố Ngay cảviệc mua các dòng laser này cũng gặp nhiều khó khăn Trong nỗ lực tạo racác sản phẩm quang điện tử xách tay, Viện Ứng Dụng Công Nghệ đặt vấn đềnghiên cứu nội dung này để thăm dò khả năng tiếp cận trình độ khoa họccông nghệ quốc tế và tạo cơ sở để khẳng định hướng chế tạo các loại lasermini nói chung

Trong việc chế tạo laser mini Nd:YAG, vấn đề về buồng cộng hưởngquang học mini là yếu tố quan trọng bậc nhất Nhiệm vụ trọng tâm của luận

văn này là tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưuhoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAGđược Q-switch thụ động.

Luận văn này gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về buồng cộng hưởng

Chương 2: Cơ sở động học của laser rắn được Q-switch thụ động

Chương 3: Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser

Nd: YAG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG

1.1 Phân loại về buồng cộng hưởng

Buồng cộng hưởng quang học là một bộ phận cấu thành quan trọng củalaser Đó là một cấu trúc cơ – quang trong đó các thành phần quang học được

bố trí sao cho một chùm ánh sáng có thể lưu chuyển theo một hành trình khépkín Người ta có thể phân loại buồng cộng hưởng laser theo những tiêu chuẩnkhác nhau Ở đây chúng tôi phân loại theo chủng loại laser và theo nguyên lýlưu chuyển ánh sáng

1.1.1 Phân loại buồng cộng hưởng theo chủng loại laser.

Có ba loại buồng cộng hưởng điển hình là dạng khối, dẫn sóng và hỗn hợp

+ Các buồng cộng hưởng quang học khối thường được sử dụng cho các

laser rắn dạng khối Trong buồng cộng hưởng này, các tính chất của modengang phụ thuộc vào cấu trúc tổng thể của nó (kể cả độ dài của các khoảngkhông khí) Kích thước của các mode có thể thay dổi đáng kể theo chiều dọcbuồng cộng hưởng và trong một số trường hợp, các tính chất mode còn bị ảnhhưởng bởi các hiệu ứng thấu kính nhiệt

+ Buồng cộng hưởng dẫn sóng thường được chế tạo hoặc dưới dạng các

sợi quang hoặc dưới dạng quang tích hợp Các tính chất của mode ngangđược xác định bởi các tính chất dẫn sóng

+ Các buồng cộng hưởng hỗn hợp được dùng trong các laser sợi quang.

1.1.2 Phân loại buồng cộng hưởng theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng

Nguyên lý lưu chuyển ánh sáng có thể là tuyến tính hoặc vòng

Hình 1.1: Các loại buồng cộng hưởng phổ biến.

(a): Buồng cộng hưởng ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữa hai gương đầu – cuối

(b): Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu – cuối

+ Buồng cộng hưởng tuyến tính sóng đứng: ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữahai gương (hình 1.1a)

Cấu hình buồng cộng hưởng tuyến tính thường được sử dụng trong côngnghệ laser biểu thị trong hình 1.2

Trong mỗi hình vẽ, phần diện tích tô đậm biểu diễn "thể tích mode",nghĩa là thể tích thực tế bên trong buồng cộng hưởng bị chùm tia laser chiếmchỗ Phát xạ kích thích chỉ sinh ra bên trong thể tích này Phần hoạt chất nằmngoài thể tích mode không đóng góp vào phát laser vì không có chùm tia đểkích thích phát xạ photons Việc lựa chọn một cấu hình buồng cộng hưởngcho một laser cụ thể nào đó phụ thuộc vào ba yếu tố: Mất mát do nhiễu xạ, thểtích mode và độ dễ đồng chỉnh

1 Buồng cộng hưởng song phẳng (hình 1.2a) là thành phần quan trọng

trong các lasers rắn xung và một số lasers xung khác do thể tích mode lớn của

nó cho phép sử dụng hiệu quả hoạt chất laser Cấu hình buồng cộng hưởngnày có mất mát nhiễu xạ cao nhất, song trong các laser xung các mất mát này

được khắc phục vì thể tích mode lớn sẽ làm tăng độ tăng ích Một ưu điểm

khác là không hội tụ chùm tia laser bên trong môi trường hoạt chất bởi vì cácgương phẳng không "hội tụ" nên sẽ không gây hư hại cho thanh laser Nhượcđiểm lớn nhất của cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng là rất khó đồngchỉnh Một độ nghiêng nhỏ của các gương song phẳng sẽ làm cho chùm tia

"đi ra khỏi" buồng cộng hưởng, tức là không còn hiệu ứng laser

Buồng cộng hưởng hình cầu (Hình 1.2 b) có tính năng "ngược hẳn" với buồngcộng hưởng song phẳng Nó là loại cấu hình dễ căn chỉnh nhất, có mất mátnhiễu xạ thấp nhất, nhưng lại có thể tích mode nhỏ nhất buồng cộng hưởnghình cầu thường không được dùng cho bất kỳ loại laser nào khác ngoại trừlaser màu liên tục do ở đây cần một chùm tia được hội tụ để tạo ra hiệu suấtphát xạ kích thích cao của các lasers này

Hình 1.2: Các cấu hình buồng cộng hưởng

L (a)

2 Buồng cộng hưởng bán kính dài (Hình 1.2 c) cải thiện thể tích modemột chút, song lại trả giá cho việc khó căn chỉnh hơn nhiều và mất mát nhiễu

xạ lớn hơn một chút so với trường hợp buồng cộng hưởng đồng tiêu Loạibuồng cộng hưởng này phù hợp với bất kỳ ứng dụng laser liên tục nào, songcũng chỉ có số ít thiết bị thương mại dùng loại buồng cộng hưởng này

3 Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) là cấu hình thỏa hiệp giữacấu hình buồng cộng hưởng song phẳng và buồng cộng hưởng hình cầu.Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính năng dễ căn chỉnh và mất mátnhiễu xạ thấp của buồng cộng hưởng hình cầu với thể tích mode tăng củabuồng cộng hưởng song phẳng Cấu hình buồng cộng hưởng đồng tiêu có thểđược sử dụng cho hầu hết laser liên tục, song cũng không phải thông dụng

4 Buồng cộng hưởng bán cầu (Hình 1.2 e) trên thực tế là một nửa buồngcộng hưởng hình cầu, và đặc trưng của hai loại này giống nhau Ưu điểm củaloại buồng cộng hưởng này là giá thành của các gương thấp hơn buồng cộnghưởng hình cầu Buồng cộng hưởng bán cầu thường được sử dụng cho cácHe-Ne lasers công suất thấp vì mất mát nhiễu xạ thấp, dễ căn chỉnh và giáthành thấp

5 Buồng cộng hưởng bán cầu-bán kính dài (Hình 1.2 f) kết hợp ưu điểm

về giá thành của buồng cộng hưởng bán cầu với thể tích mode được cải thiệncủa buồng cộng hưởng bán kính dài Đa số laser liên tục (trừ He-Ne laserscông suất thấp) sử dụng loại buồng cộng hưởng này Trong đa số trường hợp,

r1 > 2L

6 Buồng cộng hưởng lồi-lõm (Hình 1.2 g) thường chỉ được sử dụng cho

CW CO2 lasers công suất cao Trong thực tế, đường kính của gương lồi nhỏhơn đường kính của chùm tia Chùm tia ra được tạo bởi phần của chùm tia điqua xung quanh gương và do vậy, chùm tia có dạng "bánh rán" Chùm tia

phải đi qua vành ngoài của gương bởi vì không thể chế tạo được các gươngdùng để truyền các chùm cường độ mạnh của các lasers công suất cao

+ Buồng cộng hưởng vòng: ánh sáng có thể lưu chuyển theo hai hướngkhác nhau Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu - cuối (hình 1.1b)

1 2 Các bộ phận chính trong buồng cộng hưởng

Trong các laser rắn xung và một số laser xung khác buồng cộng hưởngsong phẳng là thành phần quan trọng do tính chất thể tích mode và ưu điểmkhông hội tụ chùm sáng của nó Tuy nhiên buồng cộng hưởng loại này cónhược điểm lớn nhất đó là rất khó đồng chỉnh Một độ nghiêng nhỏ củagương cũng làm cho chùm tia đi ra khỏi buồng cộng hưởng, tức là không cònhiệu ứng laser

Chính vì vậy việc nghiên cứu thay thế gương phẳng bằng một tam diệnhay một lăng kính porro với các tính chất làm giảm độ nhạy mất đồng chỉnh

đáng kể là một hướng đi thích hợp mà luận văn này sẽ đề cập đến trong phầnsau

Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta có thể dùng các biện phápsau:

- Chọn hoạt chất có mức kích thích là một nhóm các mức hoặc là mộtbăng rộng và đảm bảo sự trùng khớp giữa các tần số dịch chuyển trong kênhkích thích với cực đại trong phổ bức xạ bơm

- Sử dụng phương pháp nhạy hoá : Bên cạnh những ion cơ bản, các loạiion khác (ion nhạy hoá) được đưa vào chất nền Những ion nhạy hoá sẽ hấpthụ hầu như hoàn toàn bức xạ bơm rồi sau đó chuyển năng lượng đã hấp thụsang các ion hoạt chất

- Thay cho sử dụng chất nền với các thành phần đơn giản trong tinh thểngười ta dùng các hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ được mởrộng đáng kể

Phương pháp bơm quang học cho laser rắn được chia làm 2 loại chính:bơm bằng đèn (bơm không kết hợp) và bơm bằng laser (bơm kết hợp) Trongphạm vi luận văn chúng tôi chỉ xét phương pháp bơm bằng đèn

Với phương pháp bơm bằng đèn, đòi hỏi cơ bản đối với các đèn bơmquang học là phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất và có

năng lượng bơm đủ lớn Đó là các đèn phóng điện qua các chất khí khác nhauđòi hỏi điện áp cao, dòng điện cường độ lớn.

Các đèn này thường có dạng ống thẳng hoặc xoắn và được bố trí như sau:

Hình 1.3: Cấu hình bơm laser rắn sử dụng 1 hoặc nhiều đèn bơm.

Đèn kích cho laser rắn thường là đèn Xenon hoặc Krypton Các đèn phảichọn sao cho phổ bức xạ của nó phải phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất.Trong trường hợp mặt phản xạ có dạng trụ-elip thì thanh hoạt chất và đènđược đặt ở các tiêu điểm của elip

Mặc dù ngày nay việc sử dụng các laser diode làm nguồn bơm laser rắn

đã trở nên rất phổ biến nhờ những ưu điểm rất lớn của chúng, nhưng các loạilaser rắn bơm bằng đèn vẫn sẽ tiếp tục được sử dụng trong thời gian dài donhững ưu điểm sau:

- Có thể bơm với công suất rất cao (đặc biệt là công suất đỉnh)

- Giá thành cho mỗi watt công suất tạo ra từ đèn bơm là rẻ hơn nhiều

so với laser diode

- Các loại đèn bơm khá bền, có thể chịu được các đỉnh thế và dònglớn

Tuy nhiên chúng cũng có nhiều nhược điểm như:

- Thời gian sống của đèn bơm chế độ xung thường rất hạn chế, trongkhoảng vài nghìn đến triệu xung phát

- Hiệu suất biến đổi điện-quang của laser bơm bằng đèn là rất thấp(chỉ khoảng một vài phần trăm) Hậu quả là không chỉ tiêu thụ điệnnăng cao mà còn làm phát sinh một nhiệt lượng lớn Do đó sẽ cầnmột hệ thống làm mát ổn định, và khi đó khó đạt được chùm tialaser chất lượng cao.

- Các đèn bơm laser thường sử dụng nguồn điện cao thế nên phải đảmbảo an toàn cao

- Độ chói bơm thấp (khi so sánh với laser diode) và phổ bức xạ rộngcủa đèn bơm sẽ loại trừ rất nhiều môi trường khuếch đại

Tuy nhiên, thời gian sống, hiệu suất bơm, hệ thống làm lạnh,… khôngphải là vấn đề quan trọng khi một đèn flash chỉ hoạt động với tần số lặp lạithấp (một vài chục Hz) và công suất trung bình Lúc này một đèn flash với giáthành hạ sẽ là lựa chọn hàng đầu

* Hiệu suất bơm và tốc độ bơm:

Xét trường hợp laser rắn được bơm bằng đèn liên tục; ta định nghĩa hiệusuất bơm p là tỷ số giữa công suất nhỏ nhất Pm của đèn để tạo ra tốc độ tíchlũy Rp cho môi trường hoạt chất và công suất điện Pp cung cấp cho đèn:

p m

p

P P

(1): Quá trình bức xạ của đèn bơm.

(2): Quá trình truyền bức xạ đến môi trường hoạt chất

(3): Quá trình hấp thụ bức xạ của môi trường hoạt chất

(4): Quá trình chuyển năng lượng được hấp thụ để tích lũy cho mứclaser trên

Khi đó hiệu suất bơm có thể được biểu diễn thành tích của 4 thừa số:

p     r t a pq (1.5)Trong đó:

r : hiệu suất bức xạ (radiative efficiency) đó là hiệu suất chuyển đổi

giữa năng lượng điện cung cấp cho đèn thành năng lượng ánh sángtrong vùng bước sóng phù hợp với vùng bơm của môi trường laser

t : hiệu suất truyền năng lượng (transfer efficiency) : tỷ lệ giữa phần

năng lượng thực sự đi vào hoạt chất và năng lượng của đèn bơmtrong vùng phổ phù hợp

a : hiệu suất hấp thụ (absorption efficiency) : phần ánh sáng đi vào

hoạt chất bị hấp thụ thực sự

pq : hiệu suất lượng tử năng lượng (energy quantum efficiency) : phần

năng lượng được hấp thụ để tích lũy cho mức laser trên:

p mp pq

a

R Vh P



  ; Pa là công suát được hấp thụ

Các hiệu suất bơm trên có thể được tính toán khi ta biết được: phổ bức

xạ của đèn bơm, dạng hình học của đèn, hiệu suất hấp thụ và kích thước củamôi trường hoạt chất

1.2.3 Q-switching

1.2.3.1 Phương pháp Q-switching

Phương pháp Q-switching lần đầu tiên được Hellwarth thực hiện vớilaser Ruby Đây là phương pháp điều khiển một hệ laser nhằm tạo laser cóxung ngắn với năng lượng cao Cái tên Q-switching được đặt tên cho nhân tốđóng ngắt độ phẩm chất Q trong buồng cộng hưởng Ý tưởng của phươngpháp này là: Đặt một khe đóng mở trước một gương phản xạ Khi đóng mànnày bơm có thể tạo được hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngưỡng rất nhiềunhưng laser không phát Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng cógiá trị nhỏ, tức là mất mát lớn Chỉ khi đột ngột mở màn chắn thì độ phẩmchất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột biến, các nguyên tử ở trạng tháikích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới, hiệu độ tích luỹ giảm rấtnhanh và cho phát một năng lượng lớn dưới dạng một xung có thời gian ngắn,

đó là một xung cực lớn so với xung phát thông thường

Hình 1.4: Độ phân giải thời gian của tăng ích, độ mất mát và xung ra trong

mật độ đảo của laser có thể vượt ngưỡng với mức mất mát thấp Tại điểm này

có công suất đỉnh, mật độ phôtôn chuyển hoàn toàn từ mật độ đảo đến giá trị

Hình 1.4 biểu thị mối quan hệ giữa độ tăng ích laser và độ mất mát xemxét dựa trên xung ra của laser được Q-switches Với mất mát ban đầu trongbuồng cộng hưởng cao, tăng ích tăng đến mức cao, mức có thể được xem nhưkhông mất mát nhiệt Khi độ phẩm chất được ngắt ở tăng ích cao, sự đảongược tăng ích rất nhanh dẫn đến sự dao động laser tạo ra một sự tăng theocấp số nhân mật độ phôtôn trong buồng cộng hưởng, do đó phát xung laser.Mật độ phôtôn tăng lên cho đến khi mật độ đảo giảm tới điểm ở đó laser cóthể vượt ngưỡng với mức mất mát thấp hơn (nt) Sau điểm có mật độ phôtôn ởđỉnh, xung ra giảm tới điểm ở đó độ tăng ích được xả hết ra bởi xung laser Mật độ đảo ban đầu (ni) là mật độ nghịch đảo độ tích lũy của trườnglaser tại điểm Q-switching bắt đầu hoạt động Giá trị cụ thể được xác định bởimức mất mát nhiệt được sinh ra từ quá trình Q-switching Nó cũng là đốitượng để xác định giới hạn trên bằng năng lượng mất mát do phát xạ tự phát

Mất mát cộng hưởng

Mật độ đảo laser

Khoảng thời gian bơm Khoảng thời gian xung ra

Xung laser

của mức năng lượng trên của môi trường laser Đây cũng là nguyên nhân làmthêm mất mát khi quá trình phát xạ tự phát được khuếch đại bởi mật độ đảo.Những ảnh hưởng này tạo ra một lượng năng lượng giới hạn có thể được dựtrữ trong mật độ đảo của laser.

Mật độ đảo ở mật độ phôtôn cực đại (nt) được xác định bởi mức mất mátthấp của quá trình Q-switching Mật độ phôtôn tăng từ khi bắt đầu quá trìnhQ-switch và đạt các đỉnh ở điểm với tăng ích vượt ngưỡng với mức mất mátthấp

Mật độ đảo suy yếu ở mức cuối (nf) là một hàm theo thời gian của mật độđảo lúc bắt đầu Q-switch (ni) và ở công suất đỉnh (nt) Tỉ số của hai giá trị (ni/

nt) xác định lượng mật độ đảo suy yếu Nếu ni gần với mật độ ở ngưỡng phátlaser tức là gần nt thì nf sẽ được suy hao một lượng xấp xỉ bằng nt giảm xuống

ni Tuy nhiên, nếu ni lớn hơn rất nhiều so với nt, thì xung Q-switch sẽ suygiảm gần như hoàn toàn mật độ đảo, khi đó nf xấp xỉ bằng không [14-16]1.2.3.2 Các cơ chế hoạt động của Q-switching

Có bốn loại cơ chế hoạt động cho Q-switching: Cơ, quang điện, quang

âm và sự hấp thụ thụ động Các cơ chế hoạt động của Q-switch như cơ, quangđiện và các loại quang âm được xem như thuộc loại Q-switch chủ động, Q-switch hoạt động dựa trên sự tích luỹ năng lượng trong buồng cộng hưởngcủa chất hấp thụ bão hoà được gọi là Q-switch thụ động

a) Q-switching chủ động

Các loại Q-switch cơ học thường được sử dụng nhiều trong các ứngdụng Q-switching là do sự đơn giản của nó Một trong những thiết bị ngănchặn sự hoạt động của laser này là thông qua việc sử dụng các gương quayhoặc những dụng cụ đóng ngắt trong buồng cộng hưởng laser Những cơ chế

cơ học khá đơn giản đã giúp Q-switch hoạt động tốt bởi vì chúng khôngnhững gây ra mất mát ở độ phẩm chất Q thấp, mà còn làm cho sự truyền toàn

bộ ở mức độ phẩm chất Q cao Tuy nhiên, hầu hết chúng đã được thay thếbằng các thiết bị quang điện hoặc quang âm do cơ học làm quay bị hạn chếnên phương pháp này không thể cho xung cực lớn theo ý muốn và do đóphương pháp này không được sử dụng rộng rãi.

Một trong những ví dụ đầu tiên của Q-switching sử dụng mô hìnhquang điện [9,11] Các thiết bị này cho ta trung bình của đặc tính quang điện

bị giới hạn bởi một vài vật liệu, chúng mang tính lưỡng chiết khi bị ảnhhưởng của điện trường truyền qua Trả giá cho điều này là việc thêm vào một

bộ phận điện phức tạp cần thiết để điều khiển ứng dụng của điện trường, cácthiết bị này giúp bộ Q-switching hoạt động rất nhanh nhưng bị giới hạn bởikhả năng đóng ngắt của hiệu điện thế Một trong những ví dụ phổ biến nhấtcủa các thiết bị này là tế bào Pockel và tế bào Kerr Sự khác nhau giữa hailoại này là tính lưỡng chiết trong các vật liệu được sử dụng cho tế bào Kerrphụ thuộc bậc hai vào điện trường trong khi với tế bào Pockel thì phụ thuộctuyến tính vào điện trường Các tế bào Pockel thường được ưu ái sử dụng hơn

do đối với tế bào Kerr điện trường tác dụng ứng với hiệu điện thế khoảng 20KV còn với tế bào Pockel ở điều kiện tương tự chỉ cần điện trường ứng vớihiệu điện thế khoảng 1-5KV

Trong hình 1.5 biểu diễn một Q-switch quang điện sử dụng tính lưỡngchiết, sự truyền bức xạ phân cực tuyến tính qua tế bào Kerr có thể được quay.Bằng cách cẩn thận sử dụng đặc tính này, mất mát của buồng cộng hưởnglaser có thể bị tăng lên bởi một cặp phát xạ qua lại trong buồng cộng hưởnglàm cho độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thấp đi Khi năng lượng đủđược tích luỹ trong vật liệu laser, ánh sáng phân cực tuyến tính được tạo rabởi laser được quay 900 trong tế bào Kerr Sự thay đổi này trong tế bào Kerrđóng ngắt mất mát thấp và cho phép laser hoạt động

Hình 1.5: Sử dụng điện điều biến đặc tính lưỡng chiết trong tế bào Kerr,

dao động laser ngưng lại khi độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng thấp và

sự phát xạ trong buồng cộng hưởng được kết hợp (a) Q-switching đạt được bởi sự thay đổi mất mát trong buồng cộng hưởng và tương ứng cho sự phát

laser (b).

Mô hình quang âm sử dụng đặc tính quang âm hoặc sự thay đổi chiết xuấtcủa vật liệu do tác dụng cơ học Tác dụng cơ học vào tinh thể theo chu kỳtuần hoàn thông qua sử dụng sóng âm, thời gian thay đổi trong chiết xuất củakhúc xạ được tạo ra khi qua tinh thể Như đã miêu tả trong hình 1.6, nhữngtrường hợp này tinh thể hoạt động như một cách tử nhiễu xạ, phần khúc xạcủa chùm ra ngoài đường đi ánh sáng trong buồng cộng hưởng

Khi trường âm bị tắt, Q-switch cho phép chùm truyền bình thường, khi đó

độ phẩm chất của buồng cộng hưởng cao Tốc độ hoạt động của Q-switch làthấp hơn Q-switch quang điện, bị hạn chế bởi tốc độ truyền của sóng âm quatinh thể và đường kính chùm

Các gương buồng cộng hưởng

Vật liệu laser Tế bào

Kerr Kính phân tích (a)

Các gương buồng cộng hưởng

Vật liệu laser Tế bào

Kerr Kính phân tích(b)

Hình 1.6: Q-switch quang âm tạo mất mát độ phẩm chât Q bằng tác dụng

sóng âm qua tinh thể Sức căng gây ra trong những trường hợp này rất khác nhau, với tần số và biên độ xác định bởi tác dụng sóng âm khi khúc xạ qua tinh thể Những trường hợp này vật liệu hoạt động như một cách tử nhiễu xạ

và làm nhiễu xạ một phần chùm tia tới ra ngoài buồng cộng hưởng Độ phẩm chất buồng cộng hưởng cao được điều khiển khi thay đổi sóng âm [14, 17]

Tuy nhiên, vật liệu với chất lượng quang học cao có thể cho ta ứng dụng tạo

ra thiết bị quang âm với mất mát quang học thấp

b) Q-switching thụ động

Q-switch thụ động là cơ chế hoạt động dựa trên sự thay đổi mất mát củabuồng cộng hưởng laser tương ứng mật độ phôtôn bên trong laser Khi Q-switch hoạt động nó tự đóng ngắt không cần hiệu điện thế cao, chọn thời điểmcho các điện tử, máy biến âm hoặc một số các điều kiện phức tạp cần thiếtkhác cho quá trình Q-switch Điều này cho phép cấu trúc có thể đơn giản vànhỏ gọn vẫn cho xung laser năng lượng cao

Chỉ số khúc xạ

Chùm tới

Chùm không

bị lệch

Chùm nhiễu xạ Phương truyền sóng âm

Máy biến năng

Đây là một sự thuận lợi đáng kể, nhưng hệ tự đóng ngắt có những điềukiện phức tạp Bởi vì nó không có điều khiển đóng ngắt bên ngoài, hệ thiếucái có thể xác định thời điểm xung Q-switch từ bên ngoài Thêm vào đó,chuỗi các xung từ một Q-switch laser thụ động sẽ chỉ ra một vài độ lệch thờigian từ một chu kì truyền xung Sự khác nhau này được xem như sự biếnđộng thời gian [18, 19], nhưng chú ý phải chọn khi sử dụng hệ Q-switch laserthụ động cho ứng dụng yêu cầu thời điểm chính xác Mặc dù có những giớihạn này, do hệ Q-switch thụ động có cấu tạo đơn giản làm cho chúng có thểđược thay thế sử dụng trong nhiều ứng dụng

Mặc dù nhiều phương pháp thụ động khác đã được đưa ra, như Q-switchmàng mỏng dùng công cụ là chất hoạt động theo mật độ phôtôn bên tronglaser, cơ chế hoạt động của nó được chỉ ra trong [20, 21], nhưng hầu hết cácQ-switch thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hoà Các vật liệu này sử dụng sựtruyền hấp thụ ở bước sóng laser để gây ra mất mát trong buồng cộng hưởnglaser Các vật liệu này sẽ ngăn cản sự dao động laser ban đầu do bản thân khảnăng của chúng hoặc năng lượng hấp thụ ở bước sóng laser Nếu thời giansống của sự truyền hấp thụ này đủ dài để mật độ phôtôn trong buồng cộnghưởng có thể bị bão hoà, mất mát ban đầu của buồng cộng hưởng được giảm

và cuối cùng sẽ cho phép có dao động laser trong buồng cộng hưởng Điềunày sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần 1.2.4.2

Ban đầu, hấp thụ bão hoà được dựa trên cơ sở chất màu hữu cơ Người ta

đã gặp phải những khó khăn để làm việc với nó và bị giảm chất lượng do sựsuy giảm tốc độ cao Vì vấn đề này mà hầu hết các Q-switch thụ động phổbiến có hấp thụ bão hoà trạng thái rắn như Cr4+:YAG Những Q-switch thụđộng trạng thái rắn này mạnh so với các vật liệu Q-switch thụ động khác, làmcho chúng trở nên tốt và thích hợp cho cấu trúc nhỏ với năng lượng laser cao

Các vật liệu hấp thụ bão hòa cũng gây nên hiện tượng hấp thụ còn dư.Điều này sẽ làm tăng them những mất mát cho hoạt động laser khi Q-switch

đã được đóng ngắt Hiện tượng này có nguyên nhân từ những sự hấp thụ thứcấp không được bão hòa tại bước sóng laser Các tính chất đặc trưng của quátrình hấp thụ trong trạng thái kích thích của vật liệu Q-switch thụ động

Cr4+:YAG sẽ được thảo luận chi tiết trong phần 2.4.2.[14,16]

Sử dụng chất hấp thụ bão hoà để Q-switching được gọi là Phương phápbiến điệu độ phẩm chất thụ động Ngược với phương pháp cơ học và quangđiện và quang âm đã trình bày ở trên, Q-switching ở trên cần thiết bị phụ trợnhiều hơn và thêm vào đó Q-swicthing thụ động còn có ưu điểm là nó thườngcho một xung ra tập trung hầu hết vào một mode đơn Lý do là nó đã cho mộtthời gian xác định để chất hấp thụ bão hoà có độ bão hoà rất cao và do vậytăng độ phẩm chất của buồng cộng hưởng Trong lúc ấy cường độ trongbuồng cộng hưởng do ồn phát ra tạo ra các mode khác và nó lớn hơn cácmode đó với mất mát thấp nhất ở mỗi lần qua Vì thông thường một phôtôn

có thể tạo ra vài ngàn chu trình trước khi chất hấp thụ được bão hoà nên thậmchí một sự khác biệt nhỏ của các mode khác nhau cũng trở nên đáng kể Kếtquả là chỉ có một mode hoặc vài mode mất mát thấp nhất xuất hiện trongxung Q-swicthing

1.2.4 Vật liệu trong buồng cộng hưởng laser Nd: YAG

1.2.4.1 Thanh hoạt chất

Hoạt chất Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3A15O12 cópha tạp các iôn Nd3+ làm tâm của hoạt chất Đây là vật liệu có nhiều đặc tínhquang và cơ thuận lợi như độ dẫn nhiệt không đáng kể và tiết diện ngang củaphát xạ kích thích nhỏ, rất hữu dụng khi sử dụng bơm bằng đèn flash tronglaser chế độ Q-switch Độ dẫn nhiệt thấp hơn không có ý nghĩa quyết địnhcông suất thấp hơn hay không trong một chu trình laser Tuy nhiên, giảm yếu

tố tiết diện ngang của phát xạ kích thích là hữu ích vì nó làm giảm khuếch đạiphát xạ tự phát (ASE), và do đó nó cho phép năng lượng được tích trữ lớnhơn trong môi trường tăng ích trước khi có sự ảnh hưởng đáng kể trở lại của(ASE) Điều này có nghĩa là vật liệu Nd: YAG cho hiệu quả Q-switch tốt hơn.

Sơ đồ năng lượng của iôn Neodymium như sau:

Hình 1.7: a Sơ đồ mức năng lượng của Nd trong tinh thể Nd: YAG

b Ba nhóm phổ hấp thụ của iôn Nd

c Phổ bức xạ của iôn Nd

Mỗi dải năng lượng ứng với một nhóm các mức rất gần nhau xuất hiện

do sự tách mức trong điện trường mạng tinh thể garnet (hiệu ứng stark), nhờbơm các iôn Nd chuyển từ trạng thái cơ bản ứng với một năng lượng 4I9/2 lên

ba nhóm mức A, B, C

- Nhóm A ứng với các mức năng lượng 4 S 3/2 4 F 7/2

- Nhóm B ứng với các mức năng lượng 4 H 9/2 4 F 5/2

- Nhóm C ứng với các mức năng lượng 4 F 3/2

Những nhóm phổ này ứng với ba đám phổ hấp thụ của iôn Nd trongGarnet Cấu trúc phổ hấp thụ phản ánh sự tách mức năng lượng bởi hiệu ứngStack

Mức năng lượng 4 F 3/2 là mức laser trên, các iôn Nd có thể dịch chuyểnbức xạ từ mức này về các mức 4 I 15/2 , 4 I 13/2 , 4 I 11/2 , 4 I 9/2 và giải phóng nănglượng Phần lớn năng lượng này (60%) tập trung vào dịch chuyển 4F3/2->4I11/2

và mức 4 I 11/2 được gọi là mức laser dưới Trên hình chúng ta có các vạch phổphát xạ của Nd trong Garnet đối với dịch chuyển 4F3/2 -> 4I11/2 Phổ này gồmbẩy vạch trong đó vạch ứng với 1,0615 m và 1,0642 m là sáng nhất Nếu kểtới dịch chuyển khác tổng cộng có tới 18 vạch phát Yếu nhất là vạch 1,833 mứng với dịch chuyển 4F3/2 -> 4I15/2

Để đơn giản có thể xem laser Nd: YAG hoạt động theo sơ đồ bốn mứctrong đó mức cơ bản là mức 4I9/2 và mức kích thích là các mức 4F 7/2 , 4 F 5/2 Tabiết dịch chuyển F I bị cấm theo gần đúng lưỡng cực vì số lượng tử quỹ đạothay đổi là 3 trong dịch chuyển này Như vậy, các trạng thái ứng với mứcnăng lượng F có thể được xem là siêu bền Đèn Kryton thường được dùng đểbơm cho laser Nd: YAG Trong một số trường hợp, iôn Chromium được đưavào mạng tinh thể Garnet làm chất nhạy hoá và khi đó đèn xenon được dùng

để làm bơm vì iôn Cr trong Ganet có các dải hấp thụ 0, 43 m và 0,59 m trùnghợp với phổ bức xạ của đèn Xenon Các iôn Cr được kích thích sẽ truyềnnăng lượng kích thích của nó cho các tâm hoạt chất Nd Thời gian truyềnnăng lượng từ Cr sang Nd khá dài (cỡ 6ms) nên việc ứng dụng dải pháp này

để làm tăng hiệu quả bơm chỉ thích hợp đối với chế độ hoạt động liên tục.Chúng ta có thể hình dung chi tiết sơ đồ chuyển mức năng lượng của hoạtchất Nd: YAG như sau:

Hình 1.8: Sơ đồ chi tiết các mứcnăng lượng của Nd: YAG

1.2.4.2 Môi trường Q-switch

Chromium được pha trong tinh thể Yttrium Aluminum Garnet(Cr4+:YAG) đã được sử dụng như là một vật liệu Q-switch thụ động cho laserNd: YAG Nó là một vật liệu Q-switch phổ biến bởi vì nó có sự thuận lợi vềnhiệt và các đặc tính cơ Nó cũng có ngưỡng tổn hao lớn hơn nhiều so với cácQ-switch thụ động hữu cơ đã được phổ biến trước khi laser trạng thái rắn pháttriển đa dạng Vật liệu này hấp thụ mạnh trong khoảng tiết diện ngang của sựtruyền laser Nd:YAG ở bước sóng   1064nm

Các mức năng lượng của Cr4+:YAG Q-switch thụ động có thể được biểudiễn như hệ bốn mức Có một vài điểm khác trong cấu trúc chính xác của bốnmức năng lượng liên quan đến quá trình hấp thụ bão hoà [23] Tuy nhiên, môhình phương trình tốc độ không phụ thuộc vào các chi tiết của biểu đồ mứcnăng lượng Nó là mô hình trong đó có N trạng thái hấp thụ bão hoà cơ bản vàtrạng thái bị kích thích không hấp thụ bão hoà, như trường hợp của Cr4+:

YAG [22, 24-26] Mô hình mức năng lượng đã đơn giản hoá biểu diễn nhữngdịch chuyển quan trọng cho Q-switch thụ động trong Cr4+:YAG được chỉ ratrong hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ bốn mức năng lượng của Q-switch thụ động Cr 4+ :YAG Các chuyển dịch có thể cho Q-swicth thụ động hoạt động được biểu diễn trên hình Năng lượng được hấp thụ bởi sự chuyển dịch trạng thái nền (1-3) và ngay lập tức tích thoát xuống mức 2 Mức năng lượng này có thời gian sống dài, cho phép Q-switch đạt được bão hoà Sự dịch chuyển hấp thụ trạng thái kích thích (2-4) có thời gian sống ngắn (thực tế không bão hoà) chứa mất mát

có thể trong Q-switch bão hoà cái mà phải được tính đến trong các mô hìh

phương trình tốc độ [27-28]

Dịch chuyển 1-3 là dịch chuyển bão hoà Khi một phôtôn ở bước sónglaser được hấp thụ bởi trạng thái cơ bản, mức năng lượng 3 ngay lập tức dịchchuyển xuống mức 2 Mức này có thời gian sống dài (τ2 =4 µs), cho phép dịchs), cho phép dịchchuyển 1-3 trở nên bị bão hoà khi mật độ ở mức 1 bị suy giảm Trái lại, mứcnăng lượng 4 có thời gian sống rất ngắn (τ4 = 0.5 ns) do đó mức này có mật

độ không đáng kể Vì vậy, dịch chuyển 2-4 không bão hoà Tuy nhiên, nó có

ý nghĩa mất mát cho buồng cộng hưởng trong suốt quá trình tạo xung switch, liên quan đến sự hấp thụ của trạng thái kích thích Ảnh hưởng này trởnên rõ ràng hơn khi Q-switch trở thành bão hoà và mật độ phôtôn nhiều hơn ởmức 2 Do đó, ảnh hưởng này mang ý nghĩa quan trọng, nó được tính đếntrong nhiều mô hình phương trình tốc độ cái mô tả một Q-switch thụ động [7,

Q-3, 14, 29]

Thông số thiết kế quan trọng thứ hai của laser được sử dụng trong phầnnày đó là thông số truyền qua ban đầu của hấp thụ bão hoà (T0), xuất hiện từtrạng thái hấp thụ cơ bản của Q-switch Nó là sự truyền tín hiệu rất nhỏ củaQ-switch và có thể được coi như mất mát khi Q-switch chậm lại Giá trị đặctrưng của T0 cho một Q-switch thụ động là một hàm của phần vật liệu truyềnqua (σ13 = 8.7x10-19 cm2 cho Cr4+: YAG) giống như chiều dài của hấp thụ bãohoà [7, 14, 23]

1.3 Buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG

1.3.1 Sơ đồ buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG

Hình 1.10: Sơ đồ laser rắn Q-switch thụ động được bơm bằng đèn flash

Buồng cộng hưởng thường và buồng cộng hưởng mini có cấu hình cơbản giống nhau nhưng khác là độ dài hiệu dụng của buồng cộng hưởng miningắn hơn nhiều so với độ dài hiệu dụng buồng cộng hưởng thường Thuật ngữmini mới xuất hiện gần đây và cũng chưa có một định nghĩa rõ ràng Các nhànghiên cứu và các nhà sản xuất dùng thuật ngữ này khi nói về những laser rắnxách tay

1.3.2 Độ dài hiệu dụng của buồng cộng hưởng

Sự thêm vào trong cấu trúc buồng cộng hưởng các thành phần quanghọc khác ngoài môi trường hoạt chất sẽ thay đổi đường truyền chùm tia bên

Đèn flash

Gương laser ra

Gương phản xạ toàn phần

Chất hấp thụ bão hòa Cr 4+ :YAG Thanh laser

Nd:YAG

trong buồng cộng hưởng ngay cả khi môi trường không thể hiện bất kỳ sựtăng ích nào Chùm tia bị khúc xạ ở các mặt đáy của các thành phần quanghọc khi nó truyền qua môi trường kích thích dẫn đến một sự giảm thiểu chiềudài buồng cộng hưởng Nguồn sóng cầu được di chuyển về phía môi trườngkích thích do sự phản xạ chùm tia như được chỉ ra trong hình 1.12 Trong đó

n là chiết xuất của môi trường và l là chiều dài của môi trường đó, độ dài hìnhhọc buồng cộng hưởng L0 bị ngắn đi một độ dài ∆ Độ dịch chuyểncó thểđược tính bằng việc xác định rõ yếu tố B trong ma trận đường truyền tia củamôi trường ( hình 1.12):

(n 1)

l n



  (1.6) Mode trong trong buồng cộng hưởng chủ động (đã có môi trường hoạtchất) với độ dài hình học L0 biểu hiện các bán kính chùm tia giống ở buồngcộng hưởng thụ động (khi chưa có môi trường hoạt chất) với chiều dài hiệudụng L eff L0   Chiều dài hiệu dụng này phải được sử dụng để tính toáncác mode riêng của buồng cộng hưởng Tuy nhiên, càng xa rời các điều kiệncộng hưởng, chiều dài quang học L opt L0 (n 1)l phải được sử dụng để xácđịnh các các tần số riêng

Việc làm ngắn chiều dài buồng cộng hưởng là không đáng kể cho laserkhí, nhưng đối với các laser rắn và các laser diode mà các chiết xuất nằmtrong khoảng 1.5 và 3, độ dịch chuyển  có thể có ảnh hưởng đáng kể lên cácđặc tính mode

Hình 1.12: Môi trường kích thích được làm ngắn chiều dài cộng hưởng Bán

kính chùm tia Gaussian ở gương của buồng cộng hưởng kích thích là giống vớI những phạm vi của bộ cộng hưởng thụ động được ngắn bởI độ dài denta Điều này có thể dễ dàng được hiểu nếu sự truyền qua của song cầu qua môi

trường là được xem xét.

Thí dụ, đối với một thanh laser Nd:YAG dài 150mm, độ dịch chuyểnkhoảng 68 mm, một giá trị mà không thể không chú ý Việc làm ngắn khôngchỉ áp dụng với bản thân môi trường kích thích, mà còn đối với yếu tố quanghọc khác bất kỳ đặt vào trong buồng cộng hưởng như các thấu kính dầy, các

bộ phân cực khối, hay các tinh thể phi tuyến Trong bất kỳ trường hợp nào,chiều dài buồng cộng hưởng hiệu dụng được cho bởi yếu tố B của ma trậntruyền tia cho sự truyền trong buồng cộng hưởng

Người ta rất hay đặt môi trường kích thích trong buồng cộng hưởng ởgóc Brewster để giảm tối đa sự mất mát phản xạ đối với phân cực P (hình1.13) Khoảng dịch chuyển  sẽ trở nên khác với x (mặt phẳng tiếp tuyến) vàhướng y (mặt phẳng đối xứng dọc) dẫn đến các bán kính chùm elip ở cácgương buông cộng hưởng

Bằng việc sử dụng các matrận truyền tia 4x4 [31] của một thanh với độ dài lnghiêng bởi góc 1, chúng ta có các độ chuyển dời:

2 1

Hình 1.13 Đường truyền chum tia trong mặt phẳng nghiêng và trong

tấm zig- zag Mặt phẳng tiếp tuyến là mặt phẳng giấy

Nếu  1 bằng với góc Brewster (tan1 n) Phương trình ( 1.7) có thể được