NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN Cr3+:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN

Mục đích của luận án là nghiên cứu động học của các quá trình laser khác nhau như các quá trình phổ - thời gian xảy ra trong phát xạ laser Cr:LiSAF ở cả chế độ hoạt động laser băng rộng

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ

- -

NGUYỄN VĂN HẢO

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN

Công trình được hoàn thành tại: Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học :

1 GS.TS Nguyễn Đại Hưng

2 PGS.TS Nguyễn Thế Bình

Phản biện 1 : PGS.TS Vũ Doãn Miên

Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam

Phản biện 2 : PGS.TS Trần Thị Tâm

Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Phản biện 3 : TS Lê Đình Nguyên

Viện Ứng dụng Công nghệ

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại

Viện Vật lý, số 10 – Đào Tấn, Ba Đình, Cầu Giấy, Hà Nội

vào hồi giờ ngày tháng năm 2015

Có thể tìm luận án tại: Thư viện Quốc gia Hà Nội

Thư viện Viện Vật lý

MỞ ĐẦU

Ngay sau khi laser ra đời năm 1960, laser rắn phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng đã được chú ý phát triển vì đó là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu khoa học – công nghệ Những năm gần đây, các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh bước sóng đang được phát triển mạnh nhờ các tiến bộ trong việc nuôi tinh thể, các tinh thể laser rắn mới chất lượng cao đã trở nên sẵn có, chẳng hạn như Ti:saphire, Cr:colquiriite (Cr:LiSAF, Cr :LiCAF và Cr:LiSGAF), Cr:forsterite, Ce:LiCAF, Ce:LYF… và nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn (sau đây gọi chung là 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 hẹp (2  3 nm) phù hợp với phổ hấp thụ của các tinh thể laser rắn Do vậy, ngay lập tức phương pháp bơm quang học bằng laser diode để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ Ngày nay, việc phát triển các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng đã trở thành hướng nghiên cứu sôi nổi trong nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới

Trong các môi trường laser rắn Cr:colquiriite (LiCAF, LiSAF và LiSGaF pha tạp ion Cr3+

), tinh thể Cr:LiSAF có phổ khuếch đại rộng tương tự như Ti:sapphire nên có khả năng phát được các xung cực ngắn (< 10 fs) và điều chỉnh bước sóng Tuy nhiên, laser Cr:LiSAF có những ưu điểm vượt trội so với laser Ti:sapphire, đó là khả năng được bơm trực tiếp bằng đèn chớp hoặc laser diode trong vùng sóng đỏ và tích số giữa tiết diện phát xạ và thời gian sống huỳnh quang (322 × 10-20

cm2µs) lớn hơn Ti:sapphire (130 × 10-20 cm2µs) Tham số này sẽ giúp cho laser Cr:LiSAF có ngưỡng bơm khá thấp, hiệu suất cao và thời gian làm việc dài Hơn nữa, môi trường laser Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh quang dài (67 µs) so với tinh thể laser Ti:sapphire (3,2 µs) nên nó cũng hoạt động rất hiệu quả ở chế độ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) thụ động Ngoài ra, môi trường laser

Cr:LiSAF là một môi trường vibronic (điện tử dao động) – được coi như một môi trường mở rộng

đồng nhất Do vậy, môi trường laser Cr:LiSAF đã được chứng minh có thể hoạt động hiệu quả cả ở cả chế độ liên tục điều chỉnh bước sóng và xung ngắn nhờ kỹ thuật Q-switching thụ động và khóa mode buồng cộng hưởng

Mặc dù, các laser Cr:LiSAF đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển trong rất nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới nhưng ở nước ta vẫn không có bất cứ một nghiên cứu nào Ngoài ra, có nhiều vấn đề vật lý trong các quá trình laser khác như các quá trình phổ - thời gian xảy ra trong phát xạ laser khi được bơm xung và các đặc trưng laser phụ thuộc vào bước sóng vẫn chưa được nghiên cứu tường minh cả trong lý thuyết cũng như thực nghiệm Trong luận án này, tôi mong muốn góp phần vào nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode ở cả chế độ hoạt động laser băng rộng, băng hẹp và xung ngắn điều chỉnh bước sóng

Mục đích của luận án là nghiên cứu động học của các quá trình laser khác nhau như các quá

trình phổ - thời gian xảy ra trong phát xạ laser Cr:LiSAF ở cả chế độ hoạt động laser băng rộng, băng hẹp và xung ngắn điều chỉnh bước sóng được bơm bởi xung laser diode; nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng trên cơ sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Đồng thời luận án cũng góp phần nghiên cứu thiết kế các buồng cộng hưởng (BCH) gấp 4 gương và phát triển thực nghiệm hệ laser rắn Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các quá trình động học trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF

được bơm bằng xung laser diode Các quá trình động học và đặc trưng hoạt động của laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode Thiết kế

và phát triển các buồng cộng hưởng laser rắn Cr:LiSAF gấp, 4 gương cho hoạt động laser liên tục và xung ngắn điều chỉnh bước sóng được bơm bằng laser diode

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp tính toán lý thuyết và thực nghiệm Sử dụng hệ

phương trình tốc độ đa bước sóng để nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng xung laser diode trong cả hai hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng Trên cơ sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa, nghiên cứu động học và các đặc trưng hoạt động của laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode Thiết kế BCH dựa trên

mô hình sự lan truyền chùm Gauss ABCD trong BCH gấp 4 gương và xây dựng thực nghiệm hệ laser rắn Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Luận án là công trình nghiên cứu cơ bản với định

hướng ứng dụng vào kỹ thuật và công nghệ laser rắn phát xung ngắn, điều chỉnh bước sóng Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ động học laser trong phát xạ laser Cr:LiSAF được bơm bởi xung laser diode; động học xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa được bơm liên tục bởi laser diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng Hơn nữa, việc thực hiện bản luận án cũng đồng thời xây dựng và phát triển công nghệ laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode, tạo tiền đề cho việc phát triển các hệ laser cực nhanh ở nước ta

Nội dung của luận án được trình bày trong 106 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận được chia thành 4 chương, bao gồm 70 Hình vẽ và ảnh, 205 Tài liệu tham khảo Nội dung chính của luận án liên quan tới 6 bài báo được công bố trong các Tạp chí khoa học trong nước và quốc tế

Chương 1 của luận án đã trình bày tổng quan một số kết quả nghiên cứu về các tính chất của vật liệu laser rắn pha tạp ion Cr3+, trong đó làm nổi bật các ưu điểm của môi trường laser rắn Cr:LiSAF:

đó là một môi trường laser có phổ khuếch đại rộng (tương tự như tinh thể Ti:sapphire), có thời gian sống huỳnh quang dài, hoạt động laser dựa trên 2 trạng thái điện tử (tương đương hệ laser 4 mức năng lượng), được coi như một môi trường mở rộng đồng nhất, có khả năng phát được các xung cực ngắn và được bơm trực tiếp bằng đèn chớp hoặc laser diode trong vùng ánh sáng đỏ Các đặc tính thú vị này cho thấy đây là một môi trường laser hứa hẹn cho việc phát triển các hệ laser toàn rắn, nhỏ gọn và hiệu quả, có thể thay thế cho các nguồn laser Ti:sapphire trong nhiều ứng dụng khác nhau

Chương 1 cũng đã trình bày các BCH laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng của laser rắn Cr:LiSAF, trong đó cho thấy hai phương pháp sử dụng lăng kính và phin lọc lưỡng chiết đặt trong BCH có nhiều ưu điểm, được sử dụng rộng rãi và tính khả thi cao trong điều kiện nghiên cứu của phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF

ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Nghiên cứu quá trình động học laser trong các phát xạ laser ở các laser rắn băng rộng và băng

hẹp là một trong những công việc quan trọng, nhiều ý nghĩa, nhờ đó chúng ta có thể biết được toàn bộ

các quá trình laser (phổ - thời gian) cũng như các ảnh hưởng khác nhau của các thông số như thông số

bơm và BCH lên các đặc trưng phổ và xung laser

2.1 Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng

Các nghiên cứu lý thuyết về động học

laser nói chung và laser rắn nói riêng sử dụng

phương pháp truyền thống là dựa vào hệ phương

trình tốc độ Như đã trình bày ở trên, môi trường

laser Cr :LiSAF là môi trường laser vibronic, có

phổ phát xạ băng rộng - coi như một môi trường

mở rộng đồng nhất Do vậy, các hệ phương trình

tốc độ trước đây thường để mô tả các hoạt động

laser đơn tần số sẽ không cho phép chúng ta mô tả và nghiên cứu tường minh được động học laser rắn

băng rộng (phát trên một dải bước sóng rộng) Việc mở rộng các hệ phương trình tốc độ này cho các

bước sóng laser khác nhau của ion hoạt chất vibronic là rất cần thiết.

Mô hình toán học thích hợp để phân tích môi trường khuếch đại laser rắn được bơm quang học

và các quá trình laser là các phương trình tốc độ - diễn tả tiến trình và sự tương tác của quá trình hấp

thụ ánh sáng bơm và quá trình phát xạ photon trong BCH Hình 2.1 trình bày mô hình laser rắn

Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode

Hệ phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng, mô tả tốc độ biến đổi mật độ ion hoạt chất

ở trạng thái kích thích và tốc độ biến đổi cường độ photon trong môi trường mở rộng đồng nhất được

biểu diễn như sau :

g k

i

i i i gei g

k

i

i i i gai p

g

N I

N I R

)()(

1)

()

gai g i gei g i

T

I N

N l

dt

dI   2     0    (2.2)

với NN gN0;  

hc l r

l P

R

g p

p g p

) exp(

1

c

n l L



Để nghiên cứu các đặc trưng động học của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF, tôi giải hệ phương trình

tốc độ (2.1) và (2.2) bằng số nhờ phần mềm Matlab 8.5 Các tham số sử dụng trong tính toán như sau:

thời gian sống huỳnh quang g = 67 s ; độ dài môi trường laser lg = 0,4 cm ; chiết suất của Cr:LiSAF

ng = 1,41 ; R1 = 1; Mật độ ion toàn phần của Cr :LiSAF N = 2,62.1020 cm-3; độ rộng xung bơm p =

100 µs, bán kính vết bơm rp = 15 µm, bước sóng bơm p = 660 nm; tiết diện hấp thụ tại bước sóng

bơm p = 4,4.10-20 cm2 ; i = 10-12 cm2.s-1 ; mất mát do hấp thụ và nhiễu xạ 1  1 % và bán kính eo

chùm laser trong môi trường laser được chọn là r l = 14 µm; các tiết diện hấp thụ gai và phát xạ gei của

môi trường laser phụ thuộc bước sóng được trích trong phổ hấp thụ và phát xạ của Cr:LiSAF

Hình 2.1: Cấu hình của laser rắn Cr:LiSAF được bơm

bằng laser diode.

Hình 2.2 Tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng

được bơm bằng các xung laser diode Các tham số của BCH, môi trường laser và bơm: L = 50 cm; R 1 = 1; R2 = 95 %; lg = 0,4 cm; N = 26,25.1019 cm-3; độ rộng xung bơm  p = 100 µs, rp = 15 µm,  p = 660 nm và Ep = 12 µJ

Hình 2.3: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào năng

lượng xung bơm a) E p =11 µJ; b) Ep = 13 µJ; c) Ep = 25 µJ và d) Ep = 500 µJ

2.2 Nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng rộng

Hình 2.2 chỉ ra tiến

trình phổ - thời gian của

các phát xạ laser rắn

Cr:LiSAF băng rộng được

bơm bằng các xung diode

100 µs Kết quả cho thấy,

cường độ laser không

những là hàm của thời

gian mà còn là hàm của

bước sóng Ngoài ra, các

dao động hồi phục xảy ra

rất mạnh và có cường độ

tắt dần Sự dập tắt của các

dao động hồi phục của

laser phụ thuộc mạnh vào

bước sóng Hình vẽ ở phía

trên Hình 2.2 biểu diễn

cường độ laser tích phân

I(t) (theo bước sóng), mật

độ nghịch đảo độ tích lũy N g (t) và tốc độ bơm R p (t) theo thời gian Kết quả cho thấy rõ sự tương tác

giữa cường độ laser và mật độ nghịch đảo độ tích lũy theo thời gian

2.2.1 Nghiên cứu dao động hồi phục và quá độ BCH của laser Cr:LiSAF băng rộng

2.2.1.1 Ảnh hưởng của năng lượng xung bơm lên dao động hồi phục

Hình 2.3 chỉ ra cường

độ laser Cr:LiSAF phát ra

theo thời gian phụ thuộc vào

năng lượng xung bơm Ep khi

L = 50 cm, R 2 = 0,8 Kết quả

cho thấy, tại mức bơm gần

ngưỡng, laser Cr:LiSAF

dao động của cường độ laser

tăng đồng thời laser xuất

hiện cũng sớm hơn và

khoảng cách giữa các dao

động bị hẹp lại (Hình 2.3 c) Khi mức bơm quá cao trên ngưỡng, xung laser có dạng của xung bơm (Hình 2.3 d)

2.2.1.2 Ảnh hưởng của thông số BCH lên dao động hồi phục

Hình 2.4 chỉ ra sự phụ

thuộc của cường độ laser

Cr:LiSAF phát ra theo thời

xuất hiện sớm hơn và mau

hơn Các dao động hồi phục

trong trường hợp này cũng

cường độ laser Cr:LiSAF

phát ra theo thời gian ứng

phụ thuộc vào chiều dài

BCH khi R2 = 0,8 và năng

lượng xung bơm Ep = 13 μJ

Kết quả cho thấy, khi chiều

dài BCH càng lớn (từ 5 cm

đến 100 cm) thì số dao đô ̣ng

laser Cr :LiSAF xuất hiện

càng ít Khi chiều dài BCH L

= 100 cm, ta thu được một

xung đơn có độ dài 607 ns

(Hình 2.5 d).

Kết quả trên có thể

được giải thích do khi chiều

dài BCH tăng, thời gian

photon đi lại trong một chu trình của BCH tăng lên, có nghĩa là số lần photon được khuếch đại trong

Hình 2.4: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào hệ số

phản xạ gương ra R 2 a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 và d) R2 = 0,99

Hình 2.5: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào chiều

dài BCH a) L = 5 cm; b) L = 20 cm; c) L = 50 cm và d) L = 100 cm

Hình 2.6: Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH

của laser Cr:LiSAF với R 2 = 0,5 và Ep = 31,1 µJ Độ rộng xung và năng lượng xung đơn như là hàm của chiều dài BCH được chỉ ra ở hình phía trên.

môi trường hoạt chất bị giảm xuống (độ khuếch đại giảm) Khi độ khuếch đại giảm tới khi nhỏ hơn mất mát của BCH thì dao động laser không thể xuất hiện nữa

Như vậy, từ các kết quả trên ta thấy rằng, các thông số bơm và thông số BCH ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình tích thoát của độ tích lũy ở trạng thái kích thích hay mật độ photon trong BCH, làm ảnh hưởng lên dao động hồi phục của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF Đặc biệt, nếu ta lựa chọn các thông

số BCH và thông số bơm ở một giá trị thích hợp, ta có thể thu được một xung laser đơn (xem các Hình 2.3-a, 2.4-a và 2.5-d)

2.2.1.3 Phát các xung laser đơn và ngắn nhờ quá trình quá độ BCH

Những đặc điểm của dao động hồi phục trong phát xạ laser Cr:LiSAF được bơm ở gần ngưỡng chính là cơ sở cho việc phát triển phương pháp sử dụng tiến trình quá độ của BCH để phát các xung laser đơn Để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số BCH lên việc phát các xung laser đơn bằng phương pháp quá độ BCH, tôi giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Cr:LiSAF khi bơm ở gần ngưỡng bằng xung bơm có độ rộng 100 μs Các tham số khác như được trình bày trong Mục 2.1

Hình 2.6 biểu diễn cường độ laser

Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ

thuộc vào chiều dài BCH với hệ số

phản xạ của gương ra R2 = 0,5 và

năng lượng xung bơm gần ngưỡng Ep

= 31,1 µJ Kết quả cho thấy, các xung

laser đơn xuất hiện ở các chiều dài

BCH khác nhau từ 2 cm đến 22 cm

Khi tăng chiều dài BCH lên thì độ

rộng xung đơn cũng tăng lên và năng

lượng xung đơn đạt giá trị cực đại ~

0,45 J ở chiều dài BCH L = 15 cm

(xem hình phía trên của Hình 2.6) Độ

rộng xung đơn đạt giá trị nhỏ nhất ~

64 ns ở chiều dài BCH L = 2 cm Tuy

nhiên, khi chiều dài BCH tăng lên >

22 cm thì dao động laser không còn

xuất hiện nữa Điều này được giải

thích tương tự như Mục 2.2.1.2 (Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên dao động hồi phục)

Hình 2.7 chỉ ra các đặc trưng của xung đơn của laser Cr:LiSAF phát ra theo hệ số phản xạ của gương ra R2 ở các chiều dài BCH 2 cm, 5 cm và 10 cm khi bơm ở gần ngưỡng Kết quả thu được cho thấy, khi R2 tăng từ 0,2 đến 0,9, độ rộng xung đơn tăng lên và năng lượng xung laser giảm xuống Độ rộng xung đơn ngắn nhất đạt được cỡ 43 ns ở chiều dài BCH L = 2 cm và hệ số phản xạ của gương ra

R2 = 0,2 ứng với năng lượng xung bơm gần ngưỡng Ep = 70,5 J Hiệu ứng này cũng có thể được giải thích tương tự như trên: ta thấy, khi hệ số phản xạ của gương ra càng nhỏ (mất mát trong BCH càng lớn) sẽ làm cho thời gian sống của photon trong BCH càng nhỏ, điều này làm cho độ dài xung phát ra càng ngắn

Hình 2.7: (a) Độ rộng xung đơn và (b) năng lượng xung đơn của laser rắn

Cr:LiSAF phụ thuộc vào R2 ở các độ dài BCH khác nhau.

Hình 2.8 Ảnh hưởng của năng lượng xung bơm Ep lên tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L = 50 cm

và R 2 = 0,8 a) E p = 11 µJ; b) E p = 13 µJ; c) E p = 25 µJ và d) E p = 500 µJ

Sự xuất hiện các dao

động hồi phục và các kết quả

thu được về xung laser đơn

không chỉ được quan sát ở

riêng môi trường laser rắn

Cr:LiSAF mà nó xuất hiện ở

nhiều môi trường laser rắn

93 ns ở tần số gần 3 kHz có thể đạt được bằng cách chọn các tham số BCH và mức bơm thích hợp Tuy nhiên, khi tần số xung bơm > 3 kHz, độ rộng xung đơn của laser phụ thuộc vào tần số của xung bơm do ảnh hưởng của thời gian sống huỳnh quang của tâm hoạt chất (ion Nd3+

)

Như vậy, qua việc nghiên cứu về các dao động hồi phục tắt dần trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng các xung laser diode, chúng ta đã có một cái nhìn rõ ràng về những ảnh hưởng khác nhau của các tham số bơm và tham số BCH lên cường độ laser theo thời gian Nhờ việc lựa chọn các tham số bơm và BCH thích hợp, người ta có thể tạo ra những xung laser đơn và ngắn, ngắn hơn hàng nghìn lần so với độ rộng xung bơm

2.2.2 Nghiên cứu tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng đƣợc bơm bằng các xung laser diode

Trên đây chúng ta

mới chỉ nghiên cứu các đặc

trưng của laser theo thời

gian mà chưa để ý tới sự

biến đổi của phổ laser

(cường độ laser phụ thuộc

băng rộng được bơm bằng

các xung laser diode, chúng

Hình 2.9 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên tiến trình phổ - thời gian của

phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L = 50 cm

và Ep = 25 µJ a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 và d) R2 = 0,99

Hình 2.9 Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên tiến trình phổ - thời gian của phát xạ

laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi R 2 = 0,8 và Ep =

13 µJ a) L = 5 cm; b) L = 10 cm; c) L = 50 cm và d) L = 100 cm

phổ - thời gian trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng xung laser diode Kết quả cho thấy, cường độ laser Cr:LiSAF có các đặc điểm chung như đã trình bày ở phần trên, tuy nhiên, động học phổ của phát xạ laser trong trường hợp này đã thể hiện rõ thêm các đặc điểm sau:

thời gian dao động dài

nhất Về phía sóng ngắn và sóng dài của phổ laser, sự dập tắt dao động xảy ra nhanh hơn trong khi ở vùng phổ trung tâm dao động vẫn tiếp tục (Hình 2.8 c và 2.9 c) Ở năng lượng bơm gần ngưỡng, chỉ có một hoặc một vài dao động laser xuất hiện (Hình 2.8 a-b và 2.9 a-b)

ii) Luôn luôn tồn tại

cùng hiện tượng với khi

tăng năng lượng bơm cho

laser Cr:LiSAF (Hình 2.9)

iv) Khi chiều dài

BCH ngắn, các dao động

Hình 2.11: Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF điều chỉnh liên tục

bước sóng nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH được bơm bằng laser diode

hồi phục chỉ xuất hiện mạnh ở những bước sóng gần đỉnh phổ khuếch đại của môi trường laser Khi tăng chiều dài BCH, độ rộng phổ laser cũng rộng hơn (Hình 2.10) Điều này được giải thích khi ta chú

ý tới hiệu ứng lọc phổ Fabry-Perot: khi tăng chiều dài BCH, thời gian để bức xạ truyền hết một chu trình BCH cũng tăng lên, làm giảm số lần đi lại của bức xạ nên sự lọc lựa của bức xạ cũng giảm theo,

do vậy, khi đó phổ laser rộng hơn Điều này chứng tỏ tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng phụ thuộc mạnh vào cả tham số BCH và bước sóng

2.3 Động học phổ laser rắn Cr:LiSAF băng hẹp

Ưu điểm nổi bật của các laser vibronic là khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ

rộng Rõ ràng việc ứng dụng của một hệ laser Cr:LiSAF sẽ được tăng lên nếu ta chứng tỏ được khả năng phát được bức xạ laser đơn sắc và

điều chỉnh liên tục bước sóng Trong phần

này chúng tôi trình bày việc nghiên cứu

động học laser Cr:LiSAF băng hẹp và điều

và góc điều chỉnh A = 28o – 54o Các tham số khác sử dụng trong tính toán này được lấy từ Mục 2.1

Hình 2.12: Động học laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng 4 tấm BF đặt trong BCH (L = 50 cm; R2 = 0,95, Pp = 100 mW

và tấm BF có độ dày d = 0,3 mm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 và A = 47,7 o ) (a) Tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp; (b) Các dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc thời gian và (c) Phổ laser tích phân của các phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp

Hình 2.12 mô tả các quá trình động học trong phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng 4 tấm BF theo tỉ lệ độ dày r = 1:2:3:4 (trong đó tấm đầu tiên có độ dày d = 0,3 mm) đặt trong BCH dưới góc tới Brewster, được bơm bằng xung laser diode có độ rộng xung 100 s Laser được điều chỉnh tới bước sóng ~ 881,15 nm ứng với góc điều chỉnh A = 47,7o

của các tấm BF Kết quả cho thấy, các phát

Hình 2.13: (a) Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày các tấm BF (với độ dày các tấm từ 0,2 – 1 mm ở tỷ lệ

độ dày r = 1:2:3:4) đặt trong BCH và (b) Dải phổ điều chỉnh liên tục bước sóng của laser Cr:LiSAF băng hẹp từ 780 – 920

nm nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH (c) Độ rộng vạch phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày của các tấm BF (với độ dày các tấm thay đổi từ 0,1 – 1 mm ở tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) đặt trong BCH

Hình 2.13-a chỉ ra phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp như là một hàm của độ dày các tấm BF khác nhau thay đổi từ d = 0,2 - 1 mm ở tỷ lệ độ dày các tấm r = 1:2:3:4 và A = 47,7o

đặt trong BCH và Hình 2.13-b biểu diễn dải điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ từ 780 – 920nm nhờ quay các tấm BF

ở các góc điều chỉnh A = 27,7o

– 54o Hình 2.13-c là biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp vào độ dày của các tấm BF khi sử dụng 4 tấm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 Kết quả cho thấy, độ rộng vạch phổ laser có thể được làm hẹp xuống 0,05 nm khi sử dụng 4 tấm BF với độ dày tấm đầu tiên là 1 mm

Tóm lại, qua việc nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp được bơm bằng xung laser diode nhờ sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho thấy: tồn tại một tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser Cr:LiSAF, trong đó cường độ laser không những là hàm của thời gian mà còn là hàm của bước sóng Ngoài ra, các dao động hồi phục xảy ra rất mạnh và có cường

độ tắt dần đã lần đầu tiên được quan sát ở các bước sóng trong laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng xung laser diode Các kết quả nghiên cứu thu được chứng tỏ rằng: động học laser rắn Cr:LiSAF bị ảnh hưởng rất mạnh bởi các thông số bơm và các thông số BCH Khi ta lựa chọn các tham số bơm và BCH

ở một giá trị thích hợp, laser Cr:LiSAF có thể phát các xung đơn, ngắn (ngắn hơn hàng nghìn lần so với xung bơm 100 µs) nhờ phương pháp quá độ BCH Các kết quả nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng hẹp đã chỉ ra khả năng phát các bức xạ có độ đơn sắc cao (hàng GHz) và khả năng điều chỉnh bước sóng trong một dải phổ rộng (hàng trăm nm)

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF Q-SWITCHING THỤ ĐỘNG

ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE 3.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, laser rắn Q-switching thụ động được bơm bằng laser diode đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm và nghiên cứu Trong các laser rắn Q-witching thụ động được bơm bằng

c)

Hình 3.1: Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr :YSO được bơm bằng laser diode

laser diode, laser Cr:LiSAF là một laser băng rộng, có thể hoạt động hiệu quả trong chế độ switching thụ động với chất hấp thụ bão hòa (HTBH) Cr:YSO Các laser rắn Cr:LiSAF và Cr:LiCAF Q-switching thụ động đã được nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm, tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ được thực hiện ở một tần số đơn và hầu hết các hệ laser này đều được bơm bằng đèn chớp Trong khi đó, phổ phát xạ của tinh thể Cr:LiSAF và Cr:LiCAF cũng như phổ hấp thụ của Cr:YSO là các băng rộng Trong thực tế, các phép đo thực nghiệm và tính toán bằng số các băng phổ của phát xạ laser Cr:LiSAF (và Cr:LiCAF) Q-switching thụ động là khá rộng, lên tới 10 nm Do vậy, các phân tích

Q-lý thuyết ở một tần số sẽ không cho phép chúng ta có thể hiểu rõ ràng tiến trình phổ - thời gian và các đặc trưng phụ thuộc bước sóng của các phát xạ laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động

Trong chương này, tôi trình bày các nghiên cứu về động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất HTBH Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode trên cơ sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động trong hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng

3.2 Mô hình lý thuyết laser rắn Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa trong chế

độ băng rộng và băng hẹp

Mô hình hệ laser rắn Cr:LiSAF

Q-switching thụ động nhờ chất HTBH Cr:YSO

được bơm liên tục bằng laser diode như được

chỉ ra trong Hình 3.1 Buồng cộng hưởng

laser có dạng Fabry – Perot, bao gồm hai

gương phẳng M1và M2 đặt cách nhau một

khoảng L Dựa trên mô hình 4 mức năng

lượng cho cả môi laser và chất HTBH, hệ

phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động bằng chất HTBH trong dải phổ phát

xạ của môi trường laser và phổ hấp thụ băng rộng của chất HTBH có thể được biểu diễn như sau:

r

i i ea

i i a a i i a a i

gai g i gei g

i

T

I N

N l

N N

i

i i i gei g

k

i

i i i gai P

g

N I

N I

)()(

1)

()

1 1

k

i

i i i a a a a a

l P

R

g p

p g p

) exp(

1

trong đó, la là độ dày của chất HTBH ; n a là chiết suất trung bình của chất HTBH;a là thời gian sống

huỳnh quang của chất HTBH; a1i (i) và a2i (i) là tiết diện hấp thụ ở trạng thái cơ bản và kích thích

của chất HTBH; N a là mật độ tích lũy ở trạng thái cơ bản của chất HTBH ; N a0 là mật độ tích lũy toàn

phần của chất HTBH; T0 (i)là độ truyền qua ban đầu của chất HTBH phụ thuộc vào bước sóng và các tham số khác xem trong chú thích của Chương 2