KHẢO sát đặc TRƯNG PHÁT XUNG NGÁN của LASER cr LiSAF

Laser Cr:LiSAF Chromium pha tạp Lithium, Stronti, Nhôm vàFlorua là một loại laser pha tạp ion Cr3+ trên nền tinh thể LiSAF có hiệusuất cao khi được bơm bằng laser diode.. điểm của dao độ

CAO THỊ THANH TÂM

LUẬN VÃN THẠC sĩ VẬT LÝ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LUẬN VĂN THẠC sĩ VẬT L

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 thuđược rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từcác Thầy giáo, Cô giáo và các cán bộ khác của Trường Đại học Vinh Tôixin 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 thòi 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 KhoaVật lý đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất Xincảm ơn tập thể lớp CH 19 - Quang học đã san sẻ vui, buồn cùng tôi vượtqua những khó khăn trong học tập

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

Danh mục các bảng, hình vẽ

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÈ LASER Cr:LiSAF VÀ

DAO ĐỘNG HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER 4

1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF 5

1.1.2 Cẩu trúc năng hrợng của ion Cr 3+ 6

ỉ ỉ 3 Nguyên lỷ và điều kiện hoạt động của laser Cr:LiSAF 101.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser 14

1.2.3 Điều kiện đế có dao động hồi phục trong phát xạ laser 211.3 Hệ phương trình tốc độ cho hoạt động của laser Cr:LiSAF 23Ket luận chương 1 26

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XƯNG NGẮN LASER Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE.

2.1 Ánh hưởng của các thông số bơm lên xung dao động hồi phục 28

Laser: Light Ampliũcation by Stimulated Emission

of Radiation

Trang A- Bảng

bước sóng

Bảng 2.2 Đặc trưng của chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO 39

B- Hình vẽ

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

của ion Cr3^ trong các nền quang học

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

x 10năng lượng

bơm giảm dần với chiều dài buồng chứa chất màu là 1 cm.

Hình 1.8 Sơ đồ laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode 24

38

Sự ra đời của LASER (Light Ampỉification by Stimuỉated 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 nghiêncứu và phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vựcnghiên cứu khoa học và ứng dụng, cùng với những tiến bộ trong lĩnh vựckhoa học vật liệu và quang lượng tử, laser ngày càng được phát triển đadạng về chủng loại, đồng thời kỹ thuật phát laser ngày càng được hoànthiện 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 phố (vùng cực tím

- vùng khả kiến - vùng hồng ngoại)

Các loại laser rắn mà trong đó laser Chromium là một nguồn kíchthích 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 làcác tinh thê thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha tạp ionChromium [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 (~200YiYìi) tạo cho nó khả

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

laser cũng trở nên gọn hơn Vói các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suấtchuyển đối năng lượng khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10% -ỉ- 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 trungbình lớn đế nghiên cứu các quá trình động học và các hiện tượng xảy ranhanh đang được nhiều cơ quan khoa học mong muốn Vì vậy, việc tiếnhành nghiên cứu về hệ laser Chromium xung ngắn bơm bằng laser diode tạiViệt Nam là một việc hết sức có ý nghĩa về mặt khoa học và công nghệcũng như ứng dụng thực tiễn

Laser Cr:LiSAF (Chromium pha tạp Lithium, Stronti, Nhôm vàFlorua) là một loại laser pha tạp ion Cr3+ trên nền tinh thể LiSAF có hiệusuất 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

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 cácthông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên xung dao động hồi phụcphát ra

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

Chương 2: Khao sát đặc trung phát xung ngan của Laser

Cr:LiSAF được bơm bang ỉaser diode Kết quả và thảo luận

Chương 1

TỔNG QUAN VÈ LASER Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HÒI PHỤC

Các laser rắn băng rộng, điều chỉnh bước sóng sử dụng hoạt chất làcác tinh thể rắn hay các nền vô định hình, có các dịch chuyển laser và cácdịch chuyển được pha tạp (hầu hết là các ion đất hiếm hay ion kim loạichuyển tiếp) Trong việc nghiên cứu đối với môi trường khuếch đại điềuchỉnh bước sóng, một trong những ion kim loại chuyển tiếp được khám phá

và sử dụng rộng rãi nhất là Chromium Điều này chủ yếu là do sự ổn địnhhóa học của các trạng thái ion trong mạng tinh thể và sự tồn tại của các dảibơm 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 đượcgọi 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

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 chophát xung ngắn và có thê xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trongmột khoảng phố khá rộng Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu về cácmức năng lượng, cấu trúc phổ và nguyên tắc hoạt động của laser Cr:LiSAF

1.1.1 Cấu trúc tinh thế

Các tinh thể laser thuộc loại Colquiriite (gồm các nền tinh thểLiSAF, LiCAF và LiSGaF pha tạp ion Cr3+) có công thức hoá học chung làLiMnMinF6 Trong đó: Mn là các nguyên tố: Ca, Sr, Cd, Pd và M111 là cácnguyên tố: Al, Ga, Ti, Cr Trong cấu trúc tinh thể của các Colquiriite mỗication chiếm một vị trí của bát diện biến dạng trong lục diện bị méo đượcbao quanh bởi 6 ion Flo Nhóm đối xứng không gian của Colquiriite là

P31c - Dịd.

1 và 4A2 2E Điều này hoàn toàn phùhợp với cấu trúc năng Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể LiSAF và LiCAF [10]

1.1.2 Cẩu trúc năng lượng của ion Cr 3

Hoạt chất laser Chromium là môi trường laser đang được phát triểnkhá rộng rãi hiện nay Hoạt chất laser Chromium chủ yếu được phát triểntrên 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 chomột vài ion Al3+ trong mạng tinh thể Đặc điểm nổi bật của môi trườnglaser Chromium là môi trường có phổ phát xạ rất rộng, thích hợp cho việcphát các xung laser cực ngắn và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnhbước sóng trong một khoảng phổ khá rộng Các thông số chính của một sốmôi trường laser có thể điều chỉnh bước sóng được cho trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng thông sổ của một số hoạt chất laser điều chinh hước sóng [3]

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

Phố hấp thụ và phát xạ huỳnh quang của laser Cr:LiSAF ở nhiệt độphòng được biếu diễn trên hình 1.2 Ta thấy ở đây có hai vùng phố 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

lượng của ion Cr3+ Vì vậy chúng ta có thể sử dụng đèn ílash đế bơm cho

laser này hoặc có thể dùng nguồn laser bán dẫn GalnP/AlGalnP phát xạ ở

bước sóng 610nm 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 4Az) chúng ta

có phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF trải rộng trong dải bước sóng từ 780«m

đến \0\0nm và phát xạ mạnh nhất tương ứng với bước sóng khoảng 850nm.

ilg

lu

vil

Hình 1.2 Phố 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

Hìnli 1.3 Sơ đò 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]

Các chuyển dịch quang học cho phát xạ laser là các chuyển dịchquang học của ion Cr3+ cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dịchquang 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

4A2 —» 4T1 và 4A2 -> 2E tương ứng với các bước sóng hấp thụ 450nm và 650nm như đã trình bày ở trên Khác với cấu trúc năng lượng của lon Cr3+

trong môi trường laser Alexandrite (BeAl204:Cr3+), trong laser Cr:LiSAFtrạng thái 4T2 nằm trong dải hấp thụ từ 4A2 —» 2E, mức dao động thấp nhấtcủa 4T2 nằm xấp xỉ dưới trạng thái 2E Do hồi phục nhanh giữa hai trạngthái này, trạng thái được tích luỹ nhiều nhất giờ đây là 4T2 Do vậy, trạngthái 2E không đóng vai trò tích trữ năng lượng như đối với laserAlexandrite Điều này được chứng tỏ rằng thời gian sống đo được của trạngthái 4T2 (CỠ ỊLIS) gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy, nghịch đảo

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

4T2 —> 4 A2 Bước sóng phát xạ trung tâm là 850w?2

• Hệ laser bốn mức

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

Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển của tâmhoạt tính (do hấp thụ 1 photon) từ mức cơ bản 1 tói mức kích thích 4 Dothời gian sống của tâm hoạt tính trên mức 4 rất ngắn nên chúng hồi phụckhông phát xạ rất nhanh từ mức 4 về mức 3 Do mức 3 là mức siêu bền nênchúng 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 4xuống mức 2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyến ngay xuống mức 1 vàtạo ra nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 3 và mức 2 Sự dịch chuyển chophát xạ laser xảy ra giữa mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2 Khi chiếubức xạ bơm vào môi trường hoạt tính, dưới tác động của bức xạ bơm cácquá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức năng lượng củamôi trường hoạt tính

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

Khi chiếu bức xạ bơm vào hệ, dưới tác động của bức xạ bơm các quátrình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức của hệ Chúng ta sử

^- = {NĨ-Nì)acp{r)

dh\ = (N1-N1 )ơcp(v) - + WpW,

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 chuyên từ mức

dp

dí t = -{N1-N3)acp(v)

Ngay khi được tạo ra, mật độ photon không còn giữ nguyên trong

buồng cộng hưởng, thay vào đó nó giảm theo khoảng thời gian cố định Tph

Từ các phương trình (1.10), (1.11) cho thấy trong laser bón mức, sựnghịch đảo được tạo ra ngay lập tức sau khi được bơm, ngưỡng phát laserrất thấp Đây là một ưu điếm quan trọng nhất so với các hệ laser khác.

+ E4l=E4-Eì (năng lượng photon bom).

+ T là hệ số truyền qua của gương ra.

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 củalaser 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 nghịchđảo mật độ tích lũy, được áp đặt lên vật liệu khuếch đại trong khoảng thời

gian vài trăm JLIS Trong trường hợp này, bức xạ laser đơn giản là do dạng

(1.12)

+ E32 =E3-E2 (năng lượng photon laser).

+ B là hệ số Anhxtanh cho phát xạ cưỡng bức.

+ r=mvới T là thời gian sống của nguyên tử ở mức kích

Lấy tích phân phương trình này ta được:

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

ơ thời điểm tj, 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 cácthời điểm t 2 , t 3 Độ tích lũy thê hiện các dao động hồi phục nên các bức