Khảo sát đặc trưng phát xung ngắn của laser Cr:LiSAF

điểm của dao động hồi phục trong phát xạ laser Chromium trên nền tinh thể LiSAF được bơm bằng laser diode; khảo sát những ảnh hưởng của các thông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên xu

Trờng đại học vinh

-CAO THị THANH TÂM

KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XUNG NGẮN

CỦA LASER Cr:LiSAF

Luận văn thạc sĩ VậT Lý

nGHệ aN - 2013

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh

-KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XUNG NGẮN

CỦA LASER Cr:LiSAF

Chuyên ngành: quang học

Mã số: 60.44.01.09

Luận văn thạc sĩ vật l Ngời hớng dẫn khoa học:

ts đOàN HOàI SƠN

nGHệ aN – 2013

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Vinh, với

bề dày truyền thống hơn 50 năm xây dựng và trưởng thành, tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các Thầy giáo, Cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận

tâm và có trách nhiệm của các thầy, cô giáo… đặc biệt là Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, chỉ dẫn tận tình chu

đáo, dành nhiều công sức cũng như sự ưu ái cho tôi trong suốt quá trình

hoàn thành luận văn Đồng thời xin được cảm ơn PGS.TS Vũ Ngọc Sáu

và TS Nguyễn Văn Phú đã cho tôi nhiều lời góp ý quý báu.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất Xin cảm ơn tập thể lớp CH19 – Quang học đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượt qua những khó khăn trong học tập

Và cuối cùng, tôi xin gửi cảm ơn tới gia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù tôi đã cố gắng hết sức song do năng lực bản thân còn hạn chế nên bản luận văn này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ và góp ý của quý thầy, cô và các bạn để bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 6 năm 2013

Tác giả

CAO THỊ THANH TÂM

MỤC LỤC

Trang Lời cảm ơn

Danh mục các bảng, hình vẽ

Mở đầu……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER …… 4

1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF

1.1.1 Cấu trúc tinh thể

1.1.2 Cấu trúc năng lượng của ion Cr 3+

1.1.3 Nguyên lý và điều kiện hoạt động của laser Cr:LiSAF

5 5 6 10 1.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser

1.2.1 Hoạt động hồi phục của laser………

1.2.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser ………

1.2.3 Điều kiện để có dao động hồi phục trong phát xạ laser…………

14 14 18 21 1.3 Hệ phương trình tốc độ cho hoạt động của laser Cr:LiSAF………… 23

Kết luận chương 1………. 26

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XUNG NGẮN LASER Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 2.1 Ảnh hưởng của các thông số bơm lên xung dao động hồi phục……

2.1.1 Ảnh hưởng của độ rộng xung bơm………

2 1.2 Ảnh hưởng của mức bơm………

2.2 Ảnh hưởng của thông số BCH lên xung dao động hồi phục…………

2 2.1 Ảnh hưởng của chiều dài BCH………

2 2.2 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương………

2.3 Cấu hình của laser Cr:LiSAF biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng được bơm bằng laser diode………

28 28 30 33 33 35 36 Kết luận chương 2………. 40

Kết luận chung……… 41

Tài liệu tham khảo……… 42

Laser: Light Amplification by Stimulated Emission

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Trang A- Bảng

Bảng 1.1 Thông số của một số môi trường laser điều chỉnh

Bảng 2.1 Đặc trưng của hoạt chất Cr:LiSAF 38 Bảng 2.2 Đặc trưng của chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO 39

B- Hình vẽ

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của LiSAF và LiCAF. 6

Hình 1.2 Phổ hấp thụ và phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF. 8

Hình 1.3 Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ bốn mức

Hình 1.5 Các đặc trưng thời gian của phát xạ hồi phục. 16

Hình 1.6 Xung laser màu thu được khi mức bơm giảm dần

với chiều dài buồng chứa chất màu là 1cm. 19 Hình 1.7 Xung laser màu Rhodamine 6G thu được khi mức

bơm giảm dần với chiều dài buồng chứa chất màu là 1cm. 20 Hình 1.8 Sơ đồ laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode 24

Hình 2.1 Ảnh hưởng của độ rộng xung bơm 29

Hình 2.3 Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng 34

Hình 2.4 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương 35

Hình 2.5 Cầu hình laser Cr:LiSAF biến điệu độ phẩm chất

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của LASER (Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation) là một trong những thành tựu khoa học quan trọng nhất trong

thế kỷ XX Từ khi ra đời cho đến nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu và phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng, cùng với những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học vật liệu và quang lượng tử, laser ngày càng được phát triển đa dạng về chủng loại, đồng thời kỹ thuật phát laser ngày càng được hoàn thiện Những thành tựu của vật lý, công nghệ laser và quang học phi tuyến

đã cho phép phát các xung laser cực ngắn trên toàn miền phổ (vùng cực tím

- vùng khả kiến - vùng hồng ngoại)

Các loại laser rắn mà trong đó laser Chromium là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các

phòng thí nghiệm quang học - quang phổ Năm 1989, Payne và các cộng

sự là những người đầu tiên đã phát hiện ra môi trường laser rắn mới, đó là các tinh thể thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha tạp ion Chromium [4]. Đây là môi trường laser rắn rất lý tưởng hiện đang được quan tâm đặc biệt vì nó có phổ phát xạ băng rộng (∼200nm) tạo cho nó khả

năng điều chỉnh bước sóng trong vùng hồng ngoại gần và có thể phát được các xung laser cực ngắn với thời gian sống huỳnh quang dài

Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser diode, công suất

phát của laser diode có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập

trung trong một khoảng phổ hẹp, có thể phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser Do vậy, phương pháp bơm quang học bằng laser diode để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ Phương pháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng được nâng lên đáng kể, đồng thời cấu hình

laser cũng trở nên gọn hơn Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10% ÷ 80%

Một yêu cầu đang đòi hỏi ngày càng cao trong ứng dụng, nghiên cứu

và đào tạo hiện nay là nhu cầu sử dụng các hệ thống laser cực nhanh Ví

dụ, việc sử dụng các laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất trung bình lớn để nghiên cứu các quá trình động học và các hiện tượng xảy ra nhanh đang được nhiều cơ quan khoa học mong muốn Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu về hệ laser Chromium xung ngắn bơm bằng laser diode tại Việt Nam là một việc hết sức có ý nghĩa về mặt khoa học và công nghệ cũng như ứng dụng thực tiễn

Laser Cr:LiSAF (Chromium pha tạp Lithium, Stronti, Nhôm và Florua) là một loại laser pha tạp ion Cr3+ trên nền tinh thể LiSAF có hiệu suất cao khi được bơm bằng laser diode Tinh thể LiSAF có ưu điểm như: ngưỡng hư hỏng cao, bền về mặt vật lý, hóa học Điều này làm cho laser

Cr3+:LiSAF được sử dụng rộng rãi

Khi so sánh laser Cr3+:LiSrAlF6 (Cr:LiSAF) với laser Cr3+:LiCaAlF6 (Cr:LiCAF) khi được bơm bằng laser diode, laser Cr:LiSAF có nhiều lợi thế hơn Nó ít bị phụ thuộc vào bước sóng bơm, phổ hấp thụ rộng, hiệu suất cao, ngưỡng phát laser thấp hơn, phát xạ phân cực thẳng, đơn mode

Nhận thức được những vấn đề về tính cấp thiết và khả thi của việc xây dựng và phát triển các cấu hình phát laser Cr:LiSAF xung ngắn có thể đóng góp cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn Chúng tôi đặt

vấn đề tìm hiểu về đề tài: “Khảo sát đặc trưng phát xung ngắn của Laser Cr:LiSAF”

Mục đích của luận văn nhằm tìm hiểu và nghiên cứu những kiến thức về laser rắn, về hoạt động hồi phục trong phát xạ laser; những đặc

2

điểm của dao động hồi phục trong phát xạ laser Chromium trên nền tinh thể LiSAF được bơm bằng laser diode; khảo sát những ảnh hưởng của các thông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên xung dao động hồi phục phát ra.

Nội dung của luận văn này ngoài các phần mở đầu và kết luận gồm

Chương 2: Khảo sát đặc trưng phát xung ngắn của Laser

Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode Kết quả và thảo luận

Trong chương này dựa vào hệ phương trình tốc độ tính toán ảnh hưởng của các thông số bơm, các thông số buồng cộng hưởng đến xung laser ra Qua đó cho phép chúng ta chọn ra các thông số bơm và các thông

số buồng cộng hưởng phù hợp để laser Cr:LiSAF có thể phát xung ngắn Giới thiệu cấu hình laser Cr:LiSAF phát xung ngắn nhờ biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng bằng phương pháp thụ động

và sử dụng rộng rãi nhất là Chromium Điều này chủ yếu là do sự ổn định hóa học của các trạng thái ion trong mạng tinh thể và sự tồn tại của các dải bơm rộng

Các laser thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF) pha tạp ion

Cr3+ là các laser rắn có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng, cũng được gọi là các laser vibronic do vai trò của liên kết điện tử - phonon trong sự

mở rộng của các đám phát xạ và hấp thụ Chúng có thể bao phủ toàn bộ

vùng phổ từ 170nm đến 360nm, có thể phát được các bức xạ phù hợp với

yêu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau Ngày nay, chúng có một tầm quan trọng trong thương mại laser vì tính hấp dẫn của nó như: kết cấu gọn nhẹ,

an toàn, dễ sử dụng, độ tin cậy cao và đặc biệt là giá thành thấp

Môi trường laser rắn Cr:LiSAF, đã được nghiên cứu đầu tiên bởi

Payne và các cộng sự vào năm 1989, có phổ khuếch đại rộng từ 750nm đến 950nm đang rất được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Tinh thể laser Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh quang dài (67µs) so với tinh thể laser Ti:saphire (3,2µs) nên nó hoạt động rất hiệu quả ở chế độ biến

điệu độ phẩm chất thụ động (Q - switching) với các bước sóng đỉnh gần

4

850nm Ngoài ra, laser Cr:LiSAF còn có khả năng phát các xung laser đơn, ngắn trong thang nano giây (ns) khi bơm gần ngưỡng.

1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF

Đặc điểm nổi bật của laser Cr3+ là phổ phát xạ rộng, thích hợp cho phát xung ngắn và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trong một khoảng phổ khá rộng Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu về các mức năng lượng, cấu trúc phổ và nguyên tắc hoạt động của laser Cr:LiSAF

1.1.1 Cấu trúc tinh thể

Các tinh thể laser thuộc loại Colquiriite (gồm các nền tinh thể LiSAF, LiCAF và LiSGaF pha tạp ion Cr3+) có công thức hoá học chung là LiMIIMIIIF6 Trong đó: MII là các nguyên tố: Ca, Sr, Cd, Pd và MIII là các nguyên tố: Al, Ga, Ti, Cr Trong cấu trúc tinh thể của các Colquiriite mỗi cation chiếm một vị trí của bát diện biến dạng trong lục diện bị méo được bao quanh bởi 6 ion Flo Nhóm đối xứng không gian của Colquiriite là

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể LiSAF và LiCAF [10]

1.1.2 Cấu trúc năng lượng của ion Cr 3+

Hoạt chất laser Chromium là môi trường laser đang được phát triển khá rộng rãi hiện nay Hoạt chất laser Chromium chủ yếu được phát triển trên hai nền quang học là: LiSrAlF6 (viết tắt là Cr:LiSAF) và LiCaAlF6 (viết tắt là LiCAF) Trong các nền quang học này các ion Cr3+ thay thế cho một vài ion Al3+ trong mạng tinh thể Đặc điểm nổi bật của môi trường laser Chromium là môi trường có phổ phát xạ rất rộng, thích hợp cho việc phát các xung laser cực ngắn và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trong một khoảng phổ khá rộng Các thông số chính của một số môi trường laser có thể điều chỉnh bước sóng được cho trên bảng 1.1

Trong thực tế, hoạt chất laser Cr:LiSAF được sử dụng rộng rãi hơn môi trường laser Cr:LiCAF vì nó có tiết diện phát xạ lớn hơn đồng thời nó

có dải điều chỉnh bước sóng cũng rộng hơn (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Bảng thông số của một số hoạt chất laser điều chỉnh bước sóng [3]

6

•Phổ hấp thụ và phát xạ của laser Cr:LiSAF

Phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang của laser Cr:LiSAF ở nhiệt độ phòng được biểu diễn trên hình 1.2 Ta thấy ở đây có hai vùng phổ hấp thụ

mạnh: vùng thứ nhất có bước sóng trung tâm là 450nm và vùng thứ hai có bước sóng trung tâm là 650nm tương ứng với dịch chuyển hấp thụ

bước sóng 670nm thì hiệu suất sẽ cao hơn Tùy thuộc vào trạng thái cuối

cùng của quá trình hồi phục (các trạng thái dao động của mức 4A2) chúng ta

có phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF trải rộng trong dải bước sóng từ 780nm đến 1010nm và phát xạ mạnh nhất tương ứng với bước sóng khoảng 850nm.

Hình 1.2 Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của laser Cr:LiSAF [10]

•Giản đồ mức năng lượng và các chuyển dời chủ yếu của Cr:LiSAF

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học của ion Cr 3+

trong các nền quang học (a) Alexandrite (b) Cr:LiSAF [10]

8

Các chuyển dịch quang học cho phát xạ laser là các chuyển dịch quang học của ion Cr3+ Cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dịch quang học chủ yếu liên quan đến quá trình hấp thụ và phát xạ của laser Cr3+ được biểu diễn trên hình 1.3 Các dịch chuyển hấp thụ quan trọng nhất là

độ tích lũy xảy ra giữa trạng thái 4T2 và trạng thái cơ bản 4A2 Dịch chuyển cho phát xạ laser thu được khi các ion Cr3+ hồi phục từ trạng thái 4 4

Τ →

Bước sóng phát xạ trung tâm là 850nm

• Hệ laser bốn mức

Theo lý thuyết laser, ta biết rằng laser có thể hoạt động theo chế độ

ba mức hoặc bốn mức hẹp Laser hoạt động ở chế độ bốn mức có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được nghịch đảo độ tích luỹ Laser tinh thể Cr3+:LiSAF là một laser điển hình hoạt động ở chế độ bốn mức

Nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ bốn mức điển hình được biểu diễn trên hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ bốn mức năng lượng [2]

Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển của tâm hoạt tính (do hấp thụ 1 photon) từ mức cơ bản 1 tới mức kích thích 4 Do thời gian sống của tâm hoạt tính trên mức 4 rất ngắn nên chúng hồi phục không phát xạ rất nhanh từ mức 4 về mức 3 Do mức 3 là mức siêu bền nên chúng không dịch chuyển tự phát xuống các mức dưới Mức 2 rất gần mức

1 và có liên kết quang với mức 4 Vì vậy các phát xạ tự phát từ mức 4 xuống mức 2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1 và tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 3 và mức 2 Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra giữa mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2 Khi chiếu bức xạ bơm vào môi trường hoạt tính, dưới tác động của bức xạ bơm các quá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức năng lượng của môi trường hoạt tính

1.1.3 Nguyên lý và điều kiện hoạt động của laser Cr:LiSAF

Như đã trình bày ở trên laser Cr:LiSAF hoạt động theo cơ chế của laser bốn mức Để có thể mô tả một cách đơn giản mô hình hoạt động của laser này người ta sử dụng phương trình tốc độ cho hệ laser bốn mức

10

Khi chiếu bức xạ bơm vào hệ, dưới tác động của bức xạ bơm các quá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức của hệ Chúng ta sử dụng phương trình tốc độ để biểu diễn các quá trình xảy ra.

• Quá trình hấp thụ bức xạ bơm từ mức 1 lên mức 4:

+ N 1 là độ tích lũy của trạng thái 1

+ N 3 là độ tích lũy của trạng thái 3

Sự chuyển dịch từ trạng thái 4 xuống 3 xảy ra rất nhanh, gần như

mức 3 được tích luỹ ngay lập tức và do đó mật độ phân bố N 4 của trạng thái

• Quá trình hấp thụ cảm ứng photon từ mức 2 lên mức 3:

Quá trình cảm ứng xuất hiện giữa mức 2 và mức 3 dưới tác dụng của trường laser cũng phải được xem xét Tốc độ cảm ứng tỷ lệ với hiệu độ tích

luỹ N 2 và N 3, tỷ lệ với mật độ photon p v của trường laser, tiết diện hiệu ( )dụng σ cho sự phát xạ hay hấp thụ của nguyên tử:

Một vấn đề quan trọng đối với hoạt động của laser là phải biết được

sự thay đổi theo thời gian của mật độ photon trong dịch chuyển từ mức laser 3 tới 2 như thế nào Với mỗi quá trình hấp thụ cảm ứng một photon bị mất đi và một photon được tạo ra:

Chuyển dời từ trạng thái 2 xuống trạng thái 1 rất nhanh: N2 ≈0

Chuyển dời từ trạng thái 4 xuống trạng thái 3 rất nhanh: N4 ≈0

0WW

p p

N n

cp

σ

=

Khi laser được hoạt động tại ngưỡng tức là không một photon nào

được tạo ra (p = 0) Trong trường hợp này W p << Γ và ngưỡng nghịch đảo

Từ các phương trình (1.10), (1.11) cho thấy trong laser bốn mức, sự nghịch đảo được tạo ra ngay lập tức sau khi được bơm, ngưỡng phát laser rất thấp Đây là một ưu điểm quan trọng nhất so với các hệ laser khác

Công suất ra P out của một laser 4 mức phụ thuộc vào công suất bơm, các mất mát trong BCH và hiệu suất năng lượng được biểu diễn [3]:

32 41

Trong đó: + E32 =E3 −E2 (năng lượng photon laser)

+ E41=E4 −E1 (năng lượng photon bơm)

+ T là hệ số truyền qua của gương ra.

+ α là mất mát trong BCH

+ P p là công suất bơm

+ P th là công suất bơm ngưỡng

1.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser

Chúng tôi trình bày các điều kiện để có dao động hồi phục, các yếu

tố ảnh hưởng đến các đặc trưng của dao động hồi phục trong phát xạ của laser Cr:LiSAF

1.2.1 Hoạt động hồi phục của laser

Hoạt động hồi phục xảy ra ở laser, một xung bơm gây ra sự nghịch đảo mật độ tích lũy, được áp đặt lên vật liệu khuếch đại trong khoảng thời gian vài trăm µs Trong trường hợp này, bức xạ laser đơn giản là do dạng

của xung bơm và sự đáp lại của môi trường khuếch đại quy định Do đó độ tích lũy nguyên tử trong trường hợp này được xác định bởi phương trình tốc độ:

14

thích 3.

Ba số hạng bên phải của phương trình (1.13) tương ứng với sự giảm

độ tích lũy của mức 3 (trong hình 1.2) do phát xạ cưỡng bức, với sự giảm

độ tích lũy do phát xạ tự phát và với sự tăng độ tích lũy do bơm

Sự biến đổi mật độ photon theo thời gian khi đã bỏ qua phát xạ tự phát được xác định bởi [1]:

c r

=

− là thời gian sống của photon trong buồng cộng

hưởng

Ở thời điểm t = 0, xung bơm được áp đặt lên vật liệu khuyếch đại,

không có bức xạ nào xảy ra cho đến thời điểm t1 >t s (t s là thời gian cần thiết để thu được ngưỡng nghịch đảo độ tích lũy ở chế độ dừng) Ở các thời điểm t t< 1, tốc độ bơm W p khá lớn và p = 0 nên ta có:

t

Như vậy, độ nghịch đảo N tăng theo hàm mũ của thời gian t.

Ở thời điểm t 1 , khi độ tích lũy N ở trạng thái trên khá lớn thì một chớp sáng laser xuất hiện, với sự tăng lên rất nhanh của mật độ photon p ứng với sự giảm rất mạnh của độ tích lũy N nên bức xạ ánh sáng sẽ dừng

Quá trình bơm được lặp lại và các chớp sáng laser lại được bức xạ ở các

thời điểm t 2 , t 3… Độ tích lũy thể hiện các dao động hồi phục nên các bức xạ laser thực hiện một cách lộn xộn dưới dạng các xung có độ dài xung khoảng cỡ micrô giây Khi đó cường độ điện trường có dạng [1]:

Hình 1.5 Đặc trưng thời gian của phát xạ hồi phục [1]

16

(TF ký hiệu cho “Phép biển đổi Fourier”)

Khi đó phương trình (1.18) được viết lại:

.exp

1.2.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser

Sự xuất hiện dao động hồi phục tắt dần trong quá trình phát xạ của laser là do có sự tương tác giữa cường độ của laser với độ tích lũy của môi trường hoạt chất bên trong buồng cộng hưởng [1] Hiện tượng này đã được nghiên cứu và quan sát nhiều trong các laser rắn, khí và laser màu khi được kích thích phát xung [3, 7, 8]

Theo [7], hoạt động của laser nằm trên “biên” giữa chế độ dao động

và không dao động Điều này là do sự xuất hiện hiện tượng dao động hồi phục trong phát xạ laser không chỉ phụ thuộc vào các thông số của môi trường hoạt chất: xác suất phát xạ tự phát, xác suất phát xạ cưỡng bức…,

sự thay đổi của mật độ tích lũy do bơm mà còn phụ thuộc rất mạnh vào các thông số của buồng cộng hưởng: mất mát của buồng cộng hưởng, thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng và các thông số bơm

Dùng đèn flash bơm cho laser màu Rh6G với chiều dài hộp chứa

chất màu là 25mm và chiều dài buồng cộng hưởng là 5cm, kết quả người ta

thu được một xung đơn của dao động hồi phục Khi tiến hành làm thí

nghiệm với chiều dài buồng cộng hưởng là 18cm thì xung đó mất đi[7]

Dùng một xung laser Nitocó dạng hình bốn cạnh (Hình 1.6a) để bơm

cho laser màu với chiều dài buồng chứa chất màu là 1cm, thời gian photon trong buồng cộng hưởng cỡ 90ps, với công suất bơm giảm dần (tương ứng

với mức bơm giảm dần) hình ảnh xung phát ra như ở hình 1.6[5]

Hình 1.6 (b) và (c) cho thấy: khi mức bơm cao hơn ngưỡng, xung laser xuất hiện ở trạng thái thô, khi giảm mức bơm số vạch dao động tăng lên Đỉnh đầu tiên nhọn và cao nhất, các đỉnh thấp hơn và không phân biệt

rõ về phía biên Khi mức bơm đủ nhỏ dao động hồi phục bắt đầu xuất hiện

18