Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd YVO4

30 Hình 3.3: Cấu hình buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn, khóa mode thụ động sử dụng SESAM ..... có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

LÊ THỊ KIM CƯƠNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG LASER NGẮN BẰNG KHÓA-MODE THỤ ĐỘNG CỦA LASER Nd:YVO 4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

LÊ THỊ KIM CƯƠNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG LASER NGẮN BẰNG KHÓA-MODE THỤ ĐỘNG CỦA LASER Nd:YVO 4

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 60 44 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG

HÀ NỘI – 2011

MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt và tiếng Anh

Danh mục các đồ thị, hình vẽ và bảng biểu

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan về laser rắn Nd:YVO 4 được bơm bằng laser bán dẫn 1.1 Tổng quan về laser rắn 5

1.1.1 Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn 6

1.1.2 Môi trường laser Nd:YVO4 7

1.2 Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn 10

1.2.1 Cấu tạo laser bán dẫn 12

1.2.2 Lớp chuyển tiếp p – n 13

1.2.3 Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức 14

1.2.4 Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy 15

1.2.5 Điều kiện ngưỡng 16

Kết luận chương 1 Chương 2: Kỹ thuật phát xung ngắn bằng khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 2.1 Điều kiện và nguyên lý khóa pha các mode dọc trong BCH 20

2.1.1 Mode dao động 20

2.1.2 Điều kiện khóa mode buồng cộng hưởng 21

2.1.3 Nguyên tắc chung của phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng 21

2.2 Phương pháp khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão

hòa (SESAM) 23

2.2.1 Cấu trúc điển hình của SESAM 23

2.2.2 Các chế độ hoạt động của laser với SESAM 25

2.3 Các thông số cơ bản của SESAM dùng trong hệ laser Nd:YVO4 27

Kết luận chương 2 Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa mode thụ động của laser Nd:YVO 4 3.1 Khảo sát các đặc trưng của laser bơm 29

3.1.1 Đặc trưng công suất 29

3.1.2 Tính chất phân cực 30

3.2 Cấu tạo hệ laser Nd:YVO4 khóa mode bị động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 31

3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của hệ laser Nd:YVO4 31

3.2.2.Cấu tạo hệ laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn, phát xung ở chế độ khóa mode thụ động sử dụng SESAM 31

3.3 Sơ đồ hệ đo dùng khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO4 phát xung ở chế độ khóa mode thụ động 34

3.4 Các kết quả khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO4 khóa mode thụ động 36

3.4.1 Các chế độ phát xung của laser Nd:YVO4 36

3.4.2 Độ rộng phổ của laser Nd:YVO4 38

3.4.3 Tính chất phân kì và phân cực của chùm tia laser Nd:YVO4 44

Kết luận chương 3

KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Danh mục chữ viết tắt và tiếng Anh

Ký hiệu Nguyên bản tiếng Anh và tiếng Việt

BCH Buồng cộng hưởng

SESAM Semiconductor Saturable Absorber Mirror

(Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa) TEM Transverse Electromagnetic Modes (Mode điện từ trường ngang) YAG Yttrium Aluminium Garnet

YVO4 Yttrium Orthovanadate

Danh mục các đồ thị và hình vẽ

Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd3+ tham gia vào quá trình laser 8

Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ tạp chất khác nhau 8

Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1,1% 10

Hình 1.4: Phổ bức xạ của laser bán dẫn 13

Hình 1.5: Điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị ở nhiệt độ 0K 12

Hình 1.6: Đồ thị hàm phân bố Fermi-Dirac 14

Hình 1.7: Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức 14

Hình 2.1: Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch của các mode dọc 21

Hình 2.2: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của sự tương hợp pha giữa các mode với cường độ laser phát ra 22

Hình 2.3: Cấu trúc của một SESAM điển hình dùng để phát tại bước sóng 1064 nm 23

Hình 2.4: Phổ phản xạ của gương Bragg với các lớp AlAs/GaAs cách nhau ¼ bước sóng với số lượng các cặp lớp vật liệu khác nhau, ở bước sóng thiết kế 1064 nm 24

Hình 2.5: Các chế độ hoạt động với gương SESAM 26

Hình 3.1: Đặc trưng công suất của laser bán dẫn ATC-C2000 30

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định sự phân cực của laser bơm 30

Hình 3.3: Cấu hình buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn, khóa mode thụ động sử dụng SESAM 32

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí hệ khảo sát các đặc tính của laser Nd:YVO4 khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 35

Hình 3.5: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động Q – Switch khóa

mode khi công suất bơm đạt 900 mW 37

Hình 3.6: Đặc trưng công suất của laser khóa mode 38

Hình 3.7: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động khóa mode liên tục

39 Hình 3.8: Tần số lặp lại xung ở chế độ khóa mode liên tục 40

Hình 3.9: Vết tự tương quan của xung laser khóa mode thụ động 41

Hình 3.10: Sự phụ thuộc năng lượng của xung laser khóa mode vào công suất

bơm của laser bán dẫn 43

Hình 3.11: Sự phụ thuộc công suất đỉnh xung laser khóa mode vào công suất

bơm của laser bán dẫn 43

Hình 3.12: Độ rộng phổ của laser khóa mode 44

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1: Các tham số vật liệu Nd:YVO4 9

Bảng 2.1: Các thông số của gương SESAM 27

Bảng 3.1: Quan hệ giữa độ rộng tương quan và độ rộng xung vào với dạng

xung Gauss và Sech2 41

Bảng 3.2 Giá trị độ rộng xung, độ rộng phổ của một số vật liệu 42

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, phân tích hóa học

và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Cùng với việc ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng của laser là những tiến bộ trong việc tạo ra các laser xung cực ngắn Bằng việc tạo ra các xung quang học cực ngắn cỡ femto giây (10-15 s) và Atto giây (10-18 s), chúng ta có thể nắm bắt được sự chuyển động của các electron trong nguyên tử, có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách có định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được Trong điện tử, viễn thông, các xung laser cực ngắn cho phép tạo ra các cảm biến siêu nhạy và thực hiện lấy mẫu quang điện trong các mạch điện tử có tốc độ cao…

Trên thế giới, vào những năm 1970, cấu hình laser mới đã cho phép phát những xung cỡ pi-cô giây với công suất lên đến 1010 W [9], [26] giúp quan sát được nhiều hiệu ứng phi tuyến Đến cuối những năm 90 của thế kỷ

XX, xung laser cực ngắn với độ rộng xung cỡ 10 fem-to giây đã ra đời và đến ngày nay chúng vào khoảng hàng trăm atto giây [7], [9]

Các laser phát xung ngắn, trong đó laser Neodymium (Nd) chiếm một phần lớn, là nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học quang phổ Trước đây, các laser Nd chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng

2

Mở đầu

lượng thấp khoảng 1% - 2% do phổ phát xạ của đèn flash rộng, trong khi phổ hấp thụ của Nd hẹp [20], [13] Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn đạt đến hàng trăm oat với phổ phát xạ hẹp phù hợp với phổ hấp thụ của Nd Do vậy, việc sử dụng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn Nd được phát triển mạnh mẽ Với các cấu hình buồng cộng hưởng (BCH) khác nhau, ta thu được hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi bơm laser rắn bằng laser bán dẫn lên đến 10% - 80% [24] Để phát xung laser ngắn, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất, chiết tách năng lượng BCH và khóa mode BCH,… Gần đây (năm 2000), một kỹ thuật rất hiệu quả để phát xung ngắn từ laser rắn bơm bằng laser bán dẫn là sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

Ở Việt Nam, nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng laser rắn phát xung ngắn tại phòng thí nghiệm quang học, quang phổ của các trường đại học, viện nghiên cứu về vật lý, viện khoa học vật liệu, viện kỹ thuật quân sự, và các bệnh viện,… là rất lớn Tuy nhiên, những hệ laser nhập từ nước ngoài với giá thành khá cao [7] Xuất phát từ tình hình thực tiễn đó, viện Vật lý – viện KH

& CN Việt Nam đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 được bơm liên tục bằng laser bán dẫn, phát xung ngắn với kỹ thuật khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) Cho đến nay, kỹ thuật này tại Việt Nam là khá mới mẻ, do đó việc làm chủ công nghệ này để tạo tiền đề cho sự phát triển các phương pháp quang phổ hiện đại là cần thiết Chính vì lý do đó nên luận văn này được thực hiện có nội dung sau:

“Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd:YVO 4 ”

Mục đích của luận văn: Nghiên cứu ưu thế của laser rắn Nd bơm bằng

laser bán dẫn Nghiên cứu kỹ thuật phát xung laser khóa mode thụ động sử

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

Trên cơ sở đó nội dung luận văn được chia làm ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về môi trường laser rắn Nd:YVO 4 được bơm bằng laser bán dẫn

Trong chương này, chúng tôi trình bày những tính chất vật lý, hóa học của môi trường hoạt chất Nd:YVO4 Bên cạnh đó sơ lược về nguyên lý của nguồn bơm – laser bán dẫn

Chương 2: Kỹ thuật phát xung ngắn bằng khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa

Điều kiện khóa mode, phương pháp khóa mode sử dụng SESAM là nội dung chính của chương này

Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa mode thụ động của laser Nd:YVO 4

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ laser rắn Nd:YVO4 khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa, được bơm liên tục bằng laser bán dẫn Bao gồm các chế độ phát xung của hệ laser khóa mode và tính chất thời gian, không gian của chùm tia

Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của GS TS Nguyễn Đại Hưng, cùng các anh chị tại phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử

4

Mở đầu

học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tuy nhiên, do còn những hạn chế về sự hiểu biết cũng như những sơ suất trong quá trình thực hiện, nên luận văn không tránh khỏi những sai sót Kính mong quý thầy cô và anh chị góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG LASER RẮN Nd:YVO 4 ĐƯỢC BƠM

BẰNG LASER BÁN DẪN 1.1 Tổng quan về laser rắn

Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) là một nguồn sáng trong đó bức xạ cưỡng bức được khuếch đại và phát ra với sự định hướng cao

Đặc tính của laser đó là ánh sáng kết hợp, có tính định hướng cao trong không gian, độ đơn sắc rất lớn, cường độ tập trung mạnh vào một vùng phổ rất hẹp của bức xạ Với những đặc tính như vậy nên ngay từ khi mới ra đời, laser đã được dùng làm nguồn sáng trong quang phổ và dần dần thay thế cho các nguồn sáng truyền thống Kỹ thuật laser ngày càng phát triển và hiện nay laser có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau (chế độ phát liên tục, chế độ phát xung từ micro giây đến xung cực ngắn femto giây…), bước sóng phát ra phủ gần toàn bộ thang sóng quang học (từ hồng ngoại, khả kiến đến tử ngoại)

và còn có thể điều hưởng được bước sóng trong một vùng rộng

Laser có thể được phân loại theo nhiều cách Nếu dựa vào môi trường khuếch đại thì laser có thể được phân thành bốn loại cơ bản: laser khí, laser rắn, laser màu và laser bán dẫn

Lase rắn là loại laser cổ nhất Laser rắn đầu tiên do Maiman lắp đặt năm 1960 có môi trường laser là một tinh thể Rubi nhân tạo (Aluymin Al2O3 chứa 0.1% đến 1% ion Cr3+

), phát liên tục, được bơm quang học bằng các đèn xung chớp sáng xenon bao quanh thanh Rubi

Trước đây, các laser rắn được bán trên thị trường phát xạ các bước sóng

cố định Ngày nay, với những thành tựu của khoa học vật liệu, người ta đã

1.1.1 Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn

Vật liệu để phát laser phải có vạch huỳnh quang sắc nét (sharp fluorescent lines), dải hấp thụ mạnh, và hiệu suất lượng tử cao đối với dịch chuyển huỳnh quang ta cần Những đặc tính này thường được tìm thấy ở laser rắn pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc các kim loại chuyển tiếp, các nguyên tố đất hiếm và họ actinide

Vật liệu nền của laser rắn có thể là tinh thể rắn hoặc thủy tinh Vật liệu nền phải có các thuộc tính quang học, động học và nhiệt học tốt để chịu được các điều kiện phát khắc nghiệt của laser

Điều kiện tương quan giữa tinh thể nền và ion kích hoạt gồm sự chênh lệch kích thước, hóa trị và đặc tính phổ Trong trường hợp lý tưởng, kích thước và hóa trị của ion kích hoạt nên bằng với ion nền mà nó thay thế Vì thế một tinh thể phù hợp để làm vật liệu nền cho laser phải xem xét những điều kiện sau [25]:

(a) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính quang học tốt Vì sự thay đổi chiết suất khúc xạ sẽ dẫn đến sự truyền không đồng nhất của ánh sáng khi đi qua tinh thể gây ra chất lượng chùm kém

(b) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính động học và nhiệt học tốt, điều này cho phép công suất phát trung bình cao Các tham số quan trọng về nhiệt như: suất dẫn điện, độ cứng, độ bền chống nứt gãy

(c) Mạng tinh thể phải có khả năng tiếp nhận các ion pha tạp và có trường

7

tinh thể địa phương với tính đối xứng và chiều dài cần để gây ra những thuộc tính về phổ Thông thường các ion pha tạp vào chất nền nên có thời gian sống bức xạ với tiết diện phát xạ khoảng 10-20

cm2 (d) Nó phải có thể có cùng tỷ lệ với tinh thể tạp chất pha tạp, trong khi vẫn duy trì hiệu suất và chất lượng quang cao

Ion đất hiếm là một trong những thành phần tự nhiên dùng làm ion kích hoạt trong vật liệu laser rắn vì dịch chuyển huỳnh quang bao phủ hầu như toàn bộ từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần trên thang sóng điện từ, ngoài ra các vạch phát xạ tương đối hẹp và sự khác nhau về cấu trúc các mức năng lượng là không đáng kể giữa các chất nền khác nhau

1.1.2 Môi trường laser Nd:YVO 4

Nd3+ là ion đất hiếm hóa trị ba đầu tiên được sử dụng trong laser và nó đóng vai trò quan trọng nhất trong nhóm này Bức xạ cưỡng bức thu được từ

sự kết hợp của ion này với ít nhất 100 vật liệu nền khác nhau, kết quả là công suất thu được từ laser Neodyminum cao hơn bất kỳ vật liệu bốn mức năng lượng nào khác

8

Các laser Neodyminum hoạt động trên nguyên lý laser bốn mức, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+ Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến

Bảng 1.1: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd 3+

60

4

F3/2 – 4I13/2 1,3184

1,3331 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572

I11/2 Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch chuyển từ mức laser trên xuống mức laser dưới cho ta một loạt các bức xạ Ta

9

thấy dịch chuyển từ mức 4

F3/2 – 4F11/2 chiếm 60% tỷ lệ cường độ (theo số liệu bảng 1.1), do đó laser Nd:YVO4 chủ yếu được chế tạo để phát bức xạ laser ở bước sóng trung tâm 1064 nm

Hình 1.2 biểu diễn phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ pha tạp khác nhau Ta thấy rằng nó có ba vùng hấp thụ chính là 600 nm, 750 nm và

800 nm Mà phổ phát xạ của laser bán dẫn lại có một peak ở vùng bước sóng

808 nm Vì vậy, nó rất thích hợp để bơm quang học bằng laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm

Bảng 1.2 trình bày những tham số vật liệu quang trọng của Nd:YVO4 Hai đặc tính nổi bật của vật liệu này như đã được đề cập là tiết diện phát xạ

Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO 4 với các nồng độ pha tạp khác nhau [32]

Bảng 1.2: Các tham số vật liệu Nd:YVO 4 [24, tr 71]

Tiết diện laser 15.6×10-19cm2

Thời gian sống huỳnh quang tương đối ngắn, cụ thể là thời gian sống τf

ở trạng thái kích thích ngắn hơn Nd:YAG 2.7 lần [25] Thời gian sống huỳnh quang cũng là một thước đo khả năng lưu trữ năng lượng trong chế độ Q-switched Dự trữ năng lượng lớn đòi hỏi thời gian sống huỳnh quang dài Do vậy so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO4 có thể phát xung ngắn hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đại laser cao hơn [25]

Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd3+

trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 3000K với cả hai phân cực p và s biểu diễn trên hình 1.3 Từ phổ phát

xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 ta thấy rằng, phát xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở bước sóng 1064 nm Vì vậy, hầu hết các laser Nd:YVO4 pha tạp ở các nồng độ khác nhau được chế tạo để hoạt động ở vùng bước sóng này

11

nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực p

nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực s

Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO 4 nồng độ 1.1% [32]

1.2 Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn

Các laser rắn được kích thích bằng bơm quang học Hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Thứ nhất, bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời không bị chất nền hấp thụ

- Thứ hai, hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên

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

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

- Sử dụng phương pháp nhạy hóa: bên cạnh những ion cơ bản, các loại ion khác (ion nhạy hóa) được đưa vào chất nền Những ion

Trước khi có laser, các nguồn sáng mà nhà vật lý sử dụng chủ yếu là các đèn phóng điện bức xạ theo mọi phương của không gian, diện tích của mặt bức xạ vào khoảng cm2 Hoạt động của các nguồn này khi dùng để kích thích trạng thái phải chú ý đến một thực tế là muốn có độ sáng lớn, đèn cần phóng điện mạnh khiến cho phổ bị mở rộng và như vậy làm một phần lớn photon bức xạ không thể tham gia vào quá trình kích thích Do những trở ngại này, giá trị lớn nhất đạt được của một đèn cổ điển đối với thông lượng photon hữu ích là vào khoảng 1016

photon trong một giây và trên một cm2 (tương ứng với công suất hữu ích P/S vào khoảng 10 mW/cm2

) [5] Bây giờ sử dụng một laser làm nguồn bơm quang học Ngoài trường hợp đặc biệt thì công suất do laser bức xạ sẽ vào khoảng công suất do một đèn phóng điện bức xạ, tuy nhiên do những đặc trưng hình học của chùm (tính chất định hướng và tính chất hội tụ) và chất lượng phổ cho phép thu được đối với thông lượng của photon hữu ích tối thiểu cũng là 103 Ngoài ra, các laser có thể điều chỉnh bước sóng từ trong một vùng phổ rộng từ tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại (hình 1.4) Như vậy việc sử dụng laser mở rộng đáng kể khả năng kích thích quang học

Tâm hoạt chất Nd3+

có dải hấp thụ mạnh trong vùng đỏ và hồng ngoại, trong đó có một cực đại hấp thụ ở bước sóng của bức xạ laser diode Vì vậy laser bán dẫn rất thích hợp làm nguồn bơm quang học cho các laser rắn Nd3+ nhờ đó hiệu suất bơm được nâng lên đáng kể so với phương pháp bơm quang

13

truyền thống đồng thời cấu hình laser được thu gọn đáng kể

1.2.1 Cấu tạo laser bán dẫn

Các laser bán dẫn được chế tạo phổ biến nhất theo cấu hình buồng cộng hưởng kiểu Fabry-Perot đặc biệt là cho các laser công suất cao Trong thực tế, hai gương laser (các mặt tách theo định hướng tinh thể) được tạo ra ở hai đầu của buồng cộng hưởng Các gương này được phủ bề mặt để kết hợp cả hệ số phản xạ cao và hệ số phản xạ thấp với mục đích tối ưu hóa chất lượng buồng cộng hưởng Các lớp phủ bề mặt gương này được xử lý để loại trừ khả năng hấp thụ Sự đảo mật độ tích lũy của bức xạ cưỡng bức được tạo ra bởi các hạt tải bơm chạy qua chuyển tiếp p-n (thông thường đảo mật độ tích lũy xảy ra ở nồng độ trên 1018

cm-3) Khi mật độ hạt tải vượt qua giá trị ngưỡng, laser bán dẫn bắt đầu phát bức xạ laser Giá trị dòng ngưỡng xác định điểm cân bằng giữa mất mát và khuếch đại

14

1.2.2 Lớp chuyển tiếp p – n

Một tinh thể bán dẫn không chứa tạp chất hoặc không có sai hỏng mạng được gọi là bán dẫn riêng Cấu trúc năng lượng của một chất bán dẫn riêng được minh họa trên hình 1.5, trong đó vùng hóa trị và vùng dẫn được phân cách bởi độ rộng vùng cấm Eg, độ rộng này thay đổi với những vật liệu khác nhau

Ở nhiệt độ trên không độ tuyệt đối, sự kích thích nhiệt đẩy một số điện tử

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại những trạng thái trống trong vùng hóa trị Những điện tử được kích thích nhiệt này ở trong vùng dẫn và những lỗ trống trong vùng hóa trị được gọi là các hạt tải và làm cho vật liệu có tính dẫn điện Đối với một chất bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự chiếm chỗ các mức năng lượng được mô tả bởi hàm phân bố Fermi- Dirac [10]

ở đây, k là hằng số Boltzmann và Ef là năng lượng Fermi hay mức Fermi

Để tạo ra nhiều hạt tải hơn, vật liệu được pha tạp với các nguyên tử tạp chất Tạp chất tạo ra nhiều các điện tử tự do gọi là tạp chất cho (donor), tạp chất tạo ra nhiều lỗ trống gọi là tạp chất nhận (acceptor) Tương ứng với

Hình 1.5: Điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị ở nhiệt độ 0K

Điện tử Lỗ trống

Vùng hóa trị

Vùng dẫn

Năng lượng vùng cấm E g

(1.1)

1.4.2 Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

Hình 1.7: Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

Dưới tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hóa trị sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thụ lớn hơn năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hóa trị sẽ xuất hiện lỗ trống tạo nên sự di chuyển mức Fermi

Sau một thời gian sống nhất định, điện tử ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống

ở vùng hóa trị và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và

16

hướng lan truyền khác nhau) - đó là bức xạ tự phát

Bức xạ cưỡng bức là quá trình mà ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ cưỡng bức của điện tử ở trạng thái khích thích Bức xạ phát ra có cùng bước sóng, pha và hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới, vì vậy nó có tính đơn sắc, kết hợp và định hướng cao Laser bán dẫn là linh kiện điện tử hoạt động trong điều kiện bức xạ cưỡng bức

1.4.3 Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy

Khi chất bán dẫn được pha tạp thì ngoài các vùng năng lượng còn xuất hiện các mức năng lượng tạp chất nằm trong vùng cấm Mức tạp chất ở gần đáy vùng dẫn được gọi là mức donor còn mức tạp chất ở gần đỉnh vùng hóa trị gọi là mức acceptor Do đó, quá trình dịch chuyển của điện tử trong chất bán dẫn phân thành dịch chuyển giữa các vùng, dịch chuyển vùng và mức tạp chất và dịch chuyển giữa các mức tạp chất

- Dịch chuyển giữa các vùng

Để có nghịch đảo độ tích lũy cần tạo ra nồng độ không cân bằng của các điện tử và lỗ trống, nói cách khác các dịch chuyển điện tử từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải lớn hơn các dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, nghĩa là quá trình bức xạ lớn hơn quá trình hấp thụ

Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải tỷ lệ với xác suất có trạng thái năng lượng E2 ở vùng dẫn bị chiếm, xác suất có trạng thái năng lượng E1 ở vùng hóa trị để trống fc(E2)[1 - fv(E1)] , hệ số Einstein về bức

xạ cưỡng bức B21 và mật độ năng lượng bức xạ V nghĩa là tỷ lệ với đại lượng: B21cfc(E2)[1 - fv(E1)] Tương tự, quá trình dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn sẽ tỷ lệ với đại lượng: B12Vfv(E1)[1 - fc(E2)]

Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy đòi hỏi [2]:

Với bán dẫn vùng cấm thẳng E2 - E1 = Δ (độ rộng vùng cấm) Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy trở thành [2]:

Với bán dẫn vùng cấm nghiêng do có sự tham gia của phonon nên

Fc - Fv > Δ   (1.5) Với    là năng lượng của phonon

- Dịch chuyển giữa vùng và mức tạp chất

Do mức tạp chất thường ở gần các vùng nên luôn xảy ra sự tích thoát nhanh điện tử và lỗ trống giữa các mức và các vùng Vì vậy mà sự lấp đầy các mức tạp chất cũng sẽ được xác định bởi mức chuẩn Fermi của các hạt tải ở trong các vùng tương ứng Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy có dạng đơn giản như sau

Fc - Fv > Δ - |Ei| (1.6)

ở đây Ei là năng lượng liên kết của hạt tải trên các mức tạp chất

1.4.4 Điều kiện ngưỡng

Như đã trình bày ở trên, các điều kiện nghịch đảo độ tích lũy chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ Bức xạ cảm ứng tái hợp cần được khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser để hệ số khuếch đại phải lớn hơn mất mát

1.4.4.2 Những mất mát trong buồng cộng hưởng

Nguyên nhân chính của mất mát trong buồng cộng hưởng là do sự phản

xạ một phần tại bề mặt của tinh thể Mất mát này quy định chất lượng của laser phát ra Với một buồng cộng hưởng có độ dài d thì hệ số mất mát do phản xạ là [10]:

1 2

1 2

ln 2

Những mất mát gây ra bởi sự mở rộng quang học có thể được tính toán bằng cách đưa vào hệ số giam giữ  để mô tả phân bố năng lượng quang bên ngoài môi trường hoạt chất Khi ấy hệ số mất mát tổng cộng có thể được viết lại [10]:

1 Môi trường laser Nd:YVO4 thích hợp cho việc phát xung Q – switching

và khả năng phát xung khóa mode lên tới 1,3 ps [20] được sử dụng khá rộng rãi bởi có nhiều đặc điểm ưu việt như: hệ số dẫn nhiệt tốt, độ bền

cơ học cao, tiết diện phát xạ cưỡng bức rộng vì vậy ngưỡng phát của laser thấp và hệ số khuếch đại của laser cao

2 Laser bán dẫn đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công nghệ chế tạo laser rắn, là nguồn bơm quang học cực kì hiệu quả Với phổ phát xạ của laser bán dẫn phù hợp với phổ hấp thụ của một số laser rắn đã thúc đẩy sự phát triển laser bán dẫn lên tầm cao mới

21

Chương 2

KỸ THUẬT PHÁT XUNG NGẮN BẰNG MODE-LOCKING

Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày nguyên tắc chung của phương pháp phát xung ngắn khóa mode, sau đó sẽ đề cập tới một số kỹ thuật để khóa pha các mode buồng cộng hưởng, tập trung chi tiết vào phương pháp khóa mode thụ động với gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM – Semiconductor Saturable Absorber Mirror)

Mỗi mode có một không gian trường (biên độ và pha) xác định trong hướng vuông góc với buồng cộng hưởng và biểu hiện rõ trên mặt gương của buồng cộng hưởng Đặc trưng của cấu hình này được xác định nhờ các chỉ số của mode ngang m, n

Ngoài ra mỗi mode còn được đặc trưng bởi một độ dịch pha 2πq trên trục buồng cộng hưởng sau một lượt đi lại, với q là chỉ số mode dọc Một cách chặc chẽ thì mode không phải là sóng phẳng nên độ dịch pha được xét trên trục của buồng cộng hưởng

Mỗi một tổ hợp xác định của các chỉ số m, n phản ánh một cấu hình

22

trường ngang xác định được ứng với một số lớn mode dọc (mode trục) với các giá trị khác nhau của q Mỗi một mode dọc này có một tần số ứng với một vạch hẹp trong phổ phát

Tập hợp các mode dọc ứng với một tổ hợp các chỉ số m, n cho trước gọi

là một mode ngang Một mode ngang đặc trưng nhờ các chỉ số ngang TEMmn Mỗi một mode ngang có một cấu trúc vết sáng xác định trên mặt gương buồng cộng hưởng

Hình 2.1: Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch của các mode dọc[12]

Trong buồng cộng hưởng, laser sẽ phát bức xạ cưỡng bức đồng thời ở nhiều tần số mà độ khuếch đại tương ứng của chúng G (νm) > 0 Trong khi đi lại trong buồng cộng hưởng chỉ các sóng thỏa mãn điều kiện sóng dừng, tức

νm = qc/2L (với q là một số nguyên, c là vận tốc ánh sáng, L là chiều dài buồng cộng hưởng) thì mới có thể dao động và phát ra ngoài được Mỗi một tần số nói trên gắn với một mode dọc của buồng cộng hưởng Thông thường

23

bức xạ laser là đa mode Số mode càng nhiều nếu phổ bức xạ của hoạt chất laser rộng

2.2 Điều kiện khóa mode buồng cộng hưởng

Điều kiện để tiến hành phương pháp khóa mode:

- Hiệu số pha giữa hai tần số (mode dọc) liên tiếp là không đổi

- Môi trường khuếch đại phải có độ rộng phổ khuếch đại rộng, buồng cộng hưởng cho phép có nhiều tần số dao động nằm trong phổ khuếch đại của môi trường hoạt chất

2.3 Nguyên tắc chung của khóa mode trong buồng cộng hưởng

Để tạo ra những xung laser cực ngắn (cỡ femto giây) người ta sử dụng phương pháp khóa pha các mode của laser Trong chế độ đa mode, cường độ trường tạo thành trong buồng cộng hưởng là [1]:

Với N là số mode, i là pha thứ i

Pha của các mode là hoàn toàn ngẫu nhiên, không có mối liên hệ nào giữa pha của các mode dọc khác nhau Vì vậy, cường độ laser I tỷ lệ với E2

sẽ thăng giáng theo thời gian Tuy nhiên, khi có một sự liên hệ về pha nào đó được thiết lập giữa các mode dao động cưỡng bức có thể tạo ra sự chồng chập kết hợp của biên độ các mode và dẫn đến khả năng phát các xung cực ngắn từ

ps đến fs Vậy thay vì cường độ đầu ra không đổi hoặc ngẫu nhiên, tất cả các mode của laser sẽ giao thoa tăng cường một cách tuần hoàn với nhau, tạo ra

24

một xung ánh sáng Một laser như thế được gọi là bị khóa mode hoặc khóa pha Để đơn giản ta giả sử bằng cách nào đó ở thời điểm t = 0 các mode có pha i = 0 và biên độ là A0 thì [1]:

Khi  = 2π/N thì cường độ trường tổng hợp của các mode sẽ bằng không

Hình 2.2: Nguyên lý khóa pha các mode laser [1]

x

t = 0,  = 0

NA0 a)

.

t T t

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của sự tương hợp pha giữa các mode với cường

độ laser phát ra (a) đơn mode, (b) hai mode đồng pha, (c) 8 mode với phase ngẫu nhiên, (d) 8 mode đồng pha [12]

26

Như vậy, khi các mode đồng pha, cường độ laser gồm một dãy các xung với chu kỳ 2L/c (đúng bằng thời gian ánh sáng đi lại trong buồng cộng hưởng)

Vậy khi phát ở chế độ đa mode, cường độ của tia laser ra không còn nhất thiết bất biến với thời gian Độ phân giải thời gian phụ thuộc mối quan hệ về pha tồn tại giữa các mode khác nhau, như được minh họa trên hình 2.3

2.4 Các phương pháp khóa mode thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hòa

Để thực hiện sự đồng pha các mode có nhiều cách khác nhau, có thể chia thành ba phương pháp chính như sau: khóa mode chủ động, khóa mode thụ động và tự khóa mode Phương pháp chủ động thông thường liên quan đến việc dùng một tín hiệu bên ngoài để cảm ứng một sự điều biến của ánh sáng trong buồng cộng hưởng Phương pháp thụ động không dùng tín hiệu bên ngoài, mà lệ thuộc vào việc đặt một yếu tố nào đó vào trong buồng cộng hưởng để gây ra sự tự điều biến ánh sáng Phương pháp tự khóa mode có phần tương tự như phương pháp khóa mode thụ động là đưa vào buồng cộng hưởng một môi trường hấp thụ bão hòa, nhờ hiệu ứng quang học phi tuyến (hiệu ứng Kerr quang học) mà có thể tạo ra sự hội tụ ánh sáng truyền qua hoạt chất.Trong giới hạn luận văn, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp khóa mode thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hòa, đặc biệt là gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)

Theo H Hauss, phương trình động học tổng quát mô tả quá trình đi lại nhiều lần trong buồng cộng hưởng của xung laser được khóa mode bằng bộ hấp thụ bão hòa được đưa ra như sau [16,17]

27

trong đó: g là độ khuếch đại của môi trường laser; l là mất mát trong buồng cộng hưởng; a(T, t) là xung laser trong buồng cộng hưởng; g là độ rộng của phổ khuếch đại laser; s(t) là mất mát của bộ hấp thụ bão hòa, TR là chu kỳ BCH laser

Như vậy, tùy thuộc vào các bộ hấp thụ bão hòa khác nhau mà ta có đóng góp của s(t) là khác nhau

2.4.1 Khóa mode sử dụng bộ hấp thụ bão hòa nhanh

Bộ hấp thụ bão hoà nhanh (SA nhanh) là trường hợp đơn giản nhất khi một thành phần trong buồng cộng hưởng có độ truyền qua/phản xạ phụ thuộc cường độ với hằng số thời gian ngắn hơn độ rộng xung và cường độ bão hòa

đủ thấp để SA có thể bị mất màu (bleached) bởi các xung năng lượng thấp Laser ban đầu dao động với pha không bị khóa mode và bao gồm các chớp sáng bùng lên liên tiếp ngẫu nhiên với cường độ khác nhau, như hình 2.3c Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại công suất bão hoà trong một chu kỳ buồng cộng hưởng g0 xấp xỉ mất mát không bão hoà của buồng cộng hưởng trong một chu kỳ buồng cộng hưởng

Chớp sáng bùng lên với cường độ cao nhất sẽ chịu mất mát hấp thụ ít hơn và do đó phát triển nhanh hơn so với những chớp khác, làm giảm độ

khuếch đại trung bình xuống g 0 ' Do đó, sau một số chu kỳ buồng cộng

hưởng, trạng thái như hình 2.4 được thiết lập: một cửa sổ thời gian t1 - t2 của

độ khuếch đại khi xung truyền qua và cửa số mất mát nằm ngoài khoảng đó Trạng thái này dẫn đến việc các xung liên tục bị làm ngắn vì mất mát của hai đuôi xung lớn hơn so với đỉnh xung Thực tế, tỉ lệ làm ngắn xung (PSR),

28

xác định hiệu suất làm ngắn xung trên mỗi lần truyền, sẽ tăng lên khi xung trở nên ngắn hơn [15]:

với p là mức làm ngắn xung một lần truyền qua,  là hệ số tự điều chế biên

độ của bộ hấp thụ, và Ep là năng lượng xung

Buồng cộng hưởng đơn giản sử dụng bộ SA nhanh và quá trình hình thành xung laser được biểu diễn trên hình 2.5:

Với bộ hấp thụ bão hòa nhanh, mất mát trong quá trình xung laser trong quá trình truyền qua bộ hấp thụ bão hòa có dạng [15]:

Môi trường

khuếch đại

bộ hấp thụ bão hòa

thời gan

khuếch đại mất mát

Hình 2.5: BCH laser và quá trình phát xung mode-locking với bộ SA nhanh [15]

Mất mát Khuếch đại

t1 t2

Xung laser Thời gian

Hình 2.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa nhanh[15]

Các bộ hấp thụ bão hòa nhanh thường sử dụng để phát các xung laser cực

ngắn (vùng fem-tô-giây), vì vậy, trong các trường hợp này phải tính đến cả

hiệu ứng tán sắc tốc độ nhóm và hiệu ứng thấu kính Kerr Khi đó, phương

trình tổng quát cho trường hợp mode-locking bằng hấp thụ bão hòa nhanh có

tính đến các hiệu ứng phi tuyến này có dạng [15]:

là tiết diện hiệu dụng của mode phát xạ laser

Khi đó, nghiệm của (2.9) ở trạng thái dừng có dạng [15]:

2

2 0

t a(t) = A sech

τ

30

ở đây,  - gọi là hệ số chirp xung (”

= 2D/d) với d là chiều dài môi trường hoạt chất

Tất nhiên, khi xung trở nên rất ngắn, số mode laser bị khóa pha và do đó

độ rộng phổ của nó tăng lên và tiến tới cỡ độ rộng phổ của hoạt chất laser Do

đó, nếu độ tán sắc có thể bỏ qua, trạng thái ổn định của độ dài xung có thể được thiết lập bởi sự cân bằng của hoạt động làm ngắn xung của bộ hấp thụ

và khuếch đại trong bộ khuếch đại

Lưu ý rằng, trong trường hợp hoạt chất laser có độ rộng phổ cho phép tạo ra xung femto giây, chúng ta không thể bỏ qua sự tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến khác, trong trường hợp đó khóa mode được xét như là khóa mode

"soliton"

2.4.2 Khóa mode sử dụng bộ hấp thụ bão hoà chậm

Bộ hấp thụ bão hoà chậm (SA chậm) có hằng số thời gian hồi phục của

nó lớn hơn độ dài xung ở trạng thái ổn định và ngắn hơn chu kỳ buồng cộng hưởng

Cơ chế tạo mode-locking qua bộ hấp thụ bão hoà SA chậm, yêu cầu thời gian hồi phục khuếch đại laser có cỡ chu kỳ (buồng cộng hưởng), nhưng lớn hơn một chút so với thời gian hồi phục của bộ hấp thụ Thêm vào đó, thông lượng bão hòa của môi trường khuếch đại phải lớn hơn thông lượng bão hòa của SA và vẫn đủ thấp để nó có thể bị bão hòa bởi thông lượng laser trong buồng cộng hưởng Trạng thái ban đầu tương tự với trạng thái đã mô tả ở trên với SA nhanh: dao động mạnh ban đầu sẽ có mất mát thấp hơn một chút và sẽ tạo ra sự thay đổi mất mát hay khuếch đại của buồng cộng hưởng

Sau một số chu kỳ đi lại trong buồng cộng hưởng, thông lượng của xung

có thể đủ lớn để làm mất màu (bleach) bộ hấp thụ và sơ đồ khuếch đại/mất mát sẽ tương tự với trường hợp biểu diễn trong hình 2.6