laser rắn và laser Neodym

Laser bán dẫn có tuổi thọ và độ ổn định cao, kích thướcnhỏ gọn, không cần dùng nguồn điện thế cao và hệ thống làm mát phức tạp.Với công suất phát có thể lên tới hàng chục oát W, phổ phát

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngày càng nhiều thành tựukhoa học vật lý được nhanh chóng ứng dụng vào các ngành khoa học khác(khoa học vật liệu, hoá học, sinh học, công nghệ nano, điện tử viễn thông…)tạo ra một kỉ nguyên mới – kỉ nguyên công nghệ

Sự truyền và xử lý tín hiệu không phải bằng dòng điện hay sóng điện

từ vô tuyến mà bằng ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng ổn định – laser.Điều này có vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia, mỗi dântộc và toàn nhân loại Sự ra đời của laser là một trong những thành tựu khoahọc nổi bật Với những tính chất nổi bật mà không phải bất kì một nguồnquang nào có thể có được: độ đơn sắc cao, độ kết hợp lớn, độ định hướngcao và nhất là sự tập trung rất cao vào một bức xạ đơn sắc Do vậy, nó mở ramột bước phát triển mới trong các ngành kĩ thuật, khoa học ứng dụng vàcông nghệ Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vức nghiêncứu khoa học, cùng với những tiến bộ trong lĩnh vức khoa học vật liệu,quang phổ học và quang lượng tử, laser càng được nghiên cứu sâu hơn, pháttriển đa dạng với nhiều chủng loại, kĩ thuật laser dần được hoàn thiện hơn

1 Lí do chọn đề tài

Laser có nhiều loại, trong đó các laser rắn – cụ thể là các laser rắnNeodym đang là nguồn kích thích quang quan trọng trong các phòng thínghiệm quang học và quang phổ hiện nay Các laser rắn Neodyum chủ yếuđược bơm bằng đèn flash nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp từ1% - 2% [8] Điều này là do phổ phát xạ của đèn rộng, còn tinh thể Neodymthì phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp Mặt khác, nănglượng của đèn còn bị mất mát do gradien nhiệt, làm tâm hoạt chất nóng lêngây ra hiệu ứng thấu kính nhiệt, do vậy phải có hệ thống làm mát phức tạp

Tuy nhiên, khi công nghệ bán dẫn phát triển, laser bán dẫn ra đời vàphát triển mạnh Laser bán dẫn có tuổi thọ và độ ổn định cao, kích thướcnhỏ gọn, không cần dùng nguồn điện thế cao và hệ thống làm mát phức tạp.Với công suất phát có thể lên tới hàng chục oát (W), phổ phát xạ tập trungtrong một khoảng hẹp nên phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser, tạo rahiệu suất chuyển đổi năng lượng cao Chính vì vậy, phương pháp bơm nănglượng cho các laser rắn – cụ thể là các laser rắn Neodym bằng laser bán dẫn

đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Phương pháp này cho hiệu suấtchuyển đổi năng lượng cao từ 10% - 80%, đồng thời khắc phục những hạnchế có trong bơm bằng đèn flash: hiệu ứng thấu kính nhiệt gây ra sự phátlaser không ổn định, làm nóng tâm hoạt chất, làm tăng độ phân kỳ của chùmtia [8]…Ngoài ra các hệ laser và khuếch đại laser được bơm bằng laser bándẫn có thể được chế tạo rất nhỏ, gọn Với những ưu điểm này, phương phápbơm bằng laser bán dẫn hiện nay đang phát triển mạnh

Một yêu cầu đang được đòi hỏi ngày càng cao trong ứng dụng nghiêncứu hiện nay là nhu cầu sử dụng các hệ thống laser cực nhanh Ví dụ, sửdụng các laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất tập trung bình lớn

để nghiên cứu các quá trình động học và các hiện tượng nhanh đang đượcnhiều cơ quan khoa học mong muốn nghiên cứu như: Viện Vật lý và điện tử,Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hóa học, Đại họcKhoa học tự nhiên Hà Nội, Đại học Sư phạm 1 Hà Nội, Trung tâm KH – CN

và kỹ thuật quân sự…Trước đây, laser xung ngắn có thể xây dựng và pháttriển dựa trên các kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng(Q – switching), dumping – cavity, kĩ thuật mode – locking…Việc tiến hànhnghiên cứu và xây dựng một hệ laser Neodym bơm bằng laser bán dẫn tạiViệt Nam là một việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ cũng nhưứng dụng

3 Phương pháp nghiên cứu

Ở đây, tôi tiến hành phương pháp nghiên cứu tài liệu và nghiên cứuthực nghiệm

+ Về lý thuyết: Tham khảo các tài liệu, các bài báo cáo hội nghị.

+ Về thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm các đặc trưng hoạt động của

hệ laser và đánh giá hiệu suất laser

4 Nội dung đề tài

Nội dung khóa luận này là tiến hành tìm hiểu, khảo sát các đặc trưngcủa hệ laser Nd: YVO4 phát liên tục được bơm bằng laser bán dẫn với buồngcộng hưởng dạng thẳng (tuyến tính) Từ đó, đưa ra hệ laser Nd: YVO4 vớibuồng cộng hưởng dạng gấp khúc, tiến hành bằng khảo sát các đặc trưnghoạt động Qua đó có thể đánh giá cụ thể hiệu suất hai hệ laser nói trên

Nội dung của khóa luận bao gồm hai chương chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về laser rắn và laser Neodym

• Tổng quan về laser rắn

• Laser Neodym – cụ thể là laser Nd: YVO4

Chương 2: Nghiên cứu và khảo sát các đặc trưng của hệ laser Nd: YVO

• Khảo sát hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạngthẳng tuyến tính Cụ thể là khảo sát sự phụ thuộc ngưỡngbơm, hiệu suất laser vào hệ số phản xạ gương và chiều dàibuồng cộng hưởng.

• Khảo sát các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd: YVO4 phátliên tục, được bơm bằng laser diode với buồng cộng hưởnggấp khúc với chiều dài 500 mm So sánh ngưỡng bơm hiệusuất laser với buồng cộng hưởng dạng thẳng Ngoài ra, cònkhảo sát mode ngang dao động, phân bố năng lượng trongchùm laser

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN VÀ LASER NEODYM

Trong lịch sử, sự nghiên cứu về laser bắt đầu bằng việc mở rộng phươngpháp khuếch đại trong vùng sóng điện từ Năm 1917, Albert Einstein đã pháthiện và mở đường cho việc sử dụng bức xạ cưỡng bức và thuyết photon.Năm 1954, máy MASER đầu tiên được C.Tower chế tạo bằng cách tạo

ra nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức nguyên tử của phân tử để tạo ra bức

xạ cưỡng bức với bước sóng 1,25 cm MASER là máy dao động trong vùngsóng vi ba, nó được viết tắt bởi các chữ cái đầu của cụm từ tiếng anh:

Microwave Amplification by Stimulated Emssion of Radiotion, nghĩa là sự

khuếch đại sóng vi ba nhờ bức xạ cưỡng bức

Năm 1955, mô hình kích thích quang học cho máy MASER đã được đềxuất độc lập, đồng thời bởi N Bloemberger, A.M Prokorov và N.G Basov.Vài năm sau đó, các máy MASER hầu hết được tạo ra bằng cách bơm quanghọc cho tinh thể Ruby

Năm 1958, A Schawlow và C Tower đã đề xuất mở rộng thuyết

“MASER” tới tần số quang học và sử dụng buồng cộng hưởng Fabry – Perottạo phản hồi Tuy nhiên, họ chưa tìm ra được vật chất thích hợp để tạo ranghịch đảo mật độ tích lũy Điều này đã được hoàn thiện bởi T Maiman,người đã tạo ra laser đầu tiên vào năm 1960 Đây là laser với tinh thể hồngngọc – Ruby (sapphire được pha thêm ion Cr3+) được bơm bằng đèn xungXenon xoắn xung quanh tinh thể Ruby hình lăng trụ Hai đầu của tinh thểRuby được mạ có lỗ nhỏ để bức xạ đi ra Hai mặt phản xạ tạo thành buồngcộng hưởng, với bước sóng ra là 694 nm Khi đó, T Maiman đã lấy tên là

LASER, được viết tắt bởi các chữ cái đầu của cụm từ tiếng anh: Light

Amplification by Stimulated Emssion of Radiation, nghĩa là sự khuếch đại

ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức

Năm 1961, R.W.Hellwarth đã đưa ra chế độ gọi là Q – switch tức chế độđiều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng, cho sự tập trung chùm ra của

laser Ruby thành xung đơn Ban đầu, Hellwarth gọi là tế bào Kerr, là mộtthiết bị dùng để phân cực ánh sáng khi có điện thế đặt vào Q – switch gồm

tế bào được lấp đầy Nitrobenzene, yêu cầu phải có một điện thế rất lớn đặtvào

Trong khoảng 15 năm gần đây, laser Ruby trở thành nguồn bức xạchuẩn với công suất lớn trong vùng khả kiến cho việc nghiên cứu trong cáctrường đại học, hệ điều khiển, các phòng thí nghiệm Sau đó, nó được thaythế bởi laser Nd: YAG

Loại laser Neodym đầu tiên là calcium tungstate doped with Nd+3 Loạilaser này được tạo ra năm 1961 và được sử dụng trong các thiết bị khảo sátvài năm gần đây cho đến khi yttrium aluminate garnet (YAG) làm nền cho

Nd+3 được tạo ra Năm 1961, K Snitzer đã mô tả loại laser Nd:glass đầutiên Loại laser này có thể chế tạo với kích thước lớn với chất lượng tốt hơnlaser ruby, hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng cao Năm 1964, chất nền tốtnhất cho ion Nd+3 là yttrium aluminate garnet (YAG) được J Geusic phátminh ra Từ đó, Nd:YAG được sử dụng phổ biến làm môi trường hoạt chấtcho các laser rắn Laser Nd: YAG có ngưỡng thấp cho phép hoạt động ở chế

độ liên tục, chất nền tỏa nhiệt tốt, độ bền cơ học cao và tính quang học tốt Laser Ti:sapphire được khám phá giữa năm 1980 với bước sóng từ660nm đến 980 nm, được dùng để bơm cho các laser khác Loại laser mớinhư: Yb: YAG và Nd:YVO4 tuy không phù hợp với bơm đèn nhưng lại rấtthích hợp bơm bằng laser diode

Trong quá trình phát triển của lịch sử, laser rắn ngày càng phổ biến vàphát triển mạnh mẽ Ngày nay, chúng ta có thể thấy laser dùng trong côngnghệ như: thiết bị trong nhiều qui trình chế tạo, trong bệnh viện như mộtnguồn bức xạ để trị liệu, thẩm mỹ, thiết bị điều khiển chính xác vật bay…

1.1 Laser rắn

Vào năm 1958, các nhà bác học Nga và Mĩ, nghiên cứu độc lập vớinhau, đã chế tạo thành công laser đầu tiên Vài năm sau đó, laser rắn đầutiên được chế tạo là laser Ruby Ngày nay, người ta đã chế tạo được hàngchục loại laser rắn khác nhau với công suất lớn Tương tự như các loại laserkhác, laser rắn cũng có cấu tạo gồm ba bộ phận chính là: môi trường hoạtchất, buồng cộng hưởng và bơm năng lượng.

1.1.1 Môi trường hoạt chất:

Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn Hoạt chất thểrắn bao gồm hai thành phần: chất nền và chất kích hoạt (hoạt chất)

• Chất nền là chất cơ bản không tham gia trực tiếp vào những quátrình tạo bức xạ laser Chất nền có thể là thủy tinh hoặc tinh thể

• Chất kích hoạt (hoạt chất) thường được đưa vào chất nền dướidạng tạp chất, có tỉ lệ nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chấtnền Trong chất nền, các ion chất kích hoạt sẽ thực hiện nhữngchuyển dịch cảm ứng tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạlaser

Nghiên cứu phổ hấp thụ của các tinh thể hoặc thủy tinh cách điện có khảnăng dùng làm hoạt chất laser, người ta thấy chúng phải có một số yêu cầusau [6]

là khi nguyên tử ở trạng thái dời từ mức siêu bền này xuống các mức ở thấp hơn phải là các chuyển dời có phát bức xạ.

đạt hiệu quả bơm quang học cao và không phải dùng bức xạ bơm

Thông dụng nhất là các tinh thể oxit có cấu trúc trật tự như: tinh thể Al2O3

với tạp chất ion Cr3+, tinh thể Y3Al5O12 (YAG ) hoặc YVO4 với tạp chất ion

Nd3+, tinh thể phát quang CaF với tạp chất ion Dy3+

1.1.2 Bơm năng lượng:

Để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy cho laser hoạt động, chúng ta cần bơmnăng lượng cho môi trường hoạt chất Tùy theo các loại laser khác nhau mà

ta có nhiều phương pháp bơm khác nhau như: bơm quang học, bơm hóa học,bơm nhiệt, bơm điện…Nhưng chủ yếu vẫn là bơm điện và bơm quang học

♦ Bơm điện:

Bơm điện là cho phóng điện qua môi trường hoạt chất (thường dùng khimôi trường hoạt chất là chất khí ở trạng thái dẫn điện – ion hóa) hoặc chodòng điện chạy qua môi trường hoạt chất (thường dùng cho laser bán dẫn).Những laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục hoặc gần liên tục hoặcxung tuỳ theo chế độ phóng điện được sử dụng Sự phóng điện liên tục đượcphân làm 2 loại: phóng điện kích thích xoay chiều (A.C) và phóng điện kíchthích một chiều (D.C) Phóng điện xoay chiều được kích thích bằng dòngxoay chiều tần số từ 10 đến 50 MHz với các điện cực nằm ngoài ống Phóngđiện một được kích thích trực tiếp bằng dòng một chiều với các điện cựcnằm trong ống phóng điện Yêu cầu cơ bản là phải có điện áp cao, dòng điện

có cường độ đủ lớn Quá trình tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ phức tạphơn, hiêụ suất thấp Do vậy cần phải thay thế bằng nguồn bơm hiệu quả hơn

♦ Bơm quang học:

Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học, đây là loại kíchthích phổ biến Bơm quang học là dùng một nguồn sáng khác có bước sóngthích hợp chiếu vào môi trường hoạt chất Nguồn sáng có thể ở dạng liên tụchoặc xung, được phát ra từ đèn thông thường, đèn flash, laser bán dẫn Cáchnày thường được dùng khi môi trường hoạt chất là chất rắn hoặc chất lỏng.Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ

Hiệu quả bơm quang học phụ thuộc hai yếu tố [1]

không bị chất nền hấp thụ Tức là sao cho phổ bức xạ của nguồn bơm phải trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất.

khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên.

Các nguồn bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết hợp như cácđèn xung (phóng điện trong chất khí), các diode phát quang (hay đèn LED),đèn hồ quang liên tục, ngọn lửa…Hay là nguồn sáng kết hợp như các laser.Hiện nay, bơm quang học bằng laser bán dẫn cho các laser rắn đangđược sử dụng rộng rãi như: laser Nd:YVO4 hoặc laser Nd:YAG có thể đượcbơm bằng laser bán dẫn ở λ = 808 nm, laser Cr:LiSAF có thể bơm bằnglaser bán dẫn ở λ = 670 nm hoặc 650 nm

♦ Cơ chế bơm:

Ánh sáng từ nguồn bơm được môi trường hoạt chất hấp thụ, nguyên tửđược bơm lên các mức năng lượng cao (mức kích thích), từ các mức kíchthích đó nguyên tử chuyển xuống mức siêu bền và bị cưỡng bức phát xạ raánh sáng Do laser có thể có nhiều mức kích thích (có thể do cơ chế mở rộngvạch ở trong chất rắn và chất lỏng) Sau khi nguyên tử được chuyển lên cácmức kích thích sẽ xảy ra sự chuyển dịch không bức xạ xuống mức siêu bềnnên ánh sáng không cần đơn sắc cũng có thể sử dụng Hiện nay có hai cấuhình bơm được sử dụng, đó là cấu hình bơm ngang và cấu hình bơm dọc

1.1.3 Các chế độ hoạt động của laser

Laser rắn có thể làm việc ở chế độ phát xung hoặc phát liên tục Chế độxung hay liên tục trước hết phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và sau đó là dochế độ bơm

♦ Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung có ba chế độ: chế độ phát xung tự do, chế độđiều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q – switching) và chế độ khóamode (mode locking).

* Chế độ phát xung tự do

Xung bức xạ laser được thực hiện trong thời gian tác dụng của xungbơm, trong đó xung bức xạ trễ so với xung bơm một thời gian Đó là thờigian cần thiết để tạo ra nghịch đảo mật độ tích lũy giữa các mức năng lượngtrong hoạt chất Thời gian trễ này tùy thuộc vào tính chất của hoạt chất, đốivới ruby là gần 300 µs, Nd: glass là 200 µs, và tinh thể Nd: YAG là 50 µs

* Chế độ điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q – switching)

Người ta sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện - cơ, quang, từ - quang, quang hóa Trong thời gian xung bơm tác dụng nếu độphẩm chất của buồng cộng hưởng kém (van đóng) thì không thể phát lasertrước khi hoạt chất được bơm đầy Khi van mở, để độ phẩm chất của buồngcộng hưởng trở lại bình thường thì bức xạ laser mới phát ra với năng lượnglớn trong một khoảng thời gian rất ngắn (10-7 ÷ 10-9 s) nên công suất rất cao(10 ÷ 1000 MW)

điện-* Chế độ khóa mode (mode locking)

Thông thường bức xạ laser là đa mode dọc Số mode càng nhiều nếu phổbức xạ của hoạt chất laser rộng Tuy nhiên, bằng cách nào đó ta làm cho tất

cả các mode dọc này đồng pha thì cường độ laser sẽ khác đi và thu được cácxung cực ngắn phát ra ở những khoảng cách đều đặn Phương pháp này gọi

là sự khóa mode theo pha (mode locking)

Để thưc hiện sự đồng pha các mode có nhiều cách khác nhau, có thể chialàm ba phương pháp chính :

+ Khóa pha chủ động: chủ động điều biến mất mát của buồng cộnghưởng bằng các tác nhân bên ngoài

+ Khóa pha bị động: Một môi trường hấp thụ bão hòa được đưa vàoBCH để tự khóa mode theo pha mà không cần có sự can hiệp bên ngoài

+ Tự khóa mode (Self locking) : Nhờ hiệu ứng quang học phi tuyến(hiệu ứng Kerr quang học) mà có thể tạo ra tự hội tụ của ánh sáng truyềnqua hoạt chất Sự hội tụ này chỉ xảy ra với peak (đỉnh) có cường độ mạnh.Kết hợp với việc đưa vào BCH một khe hẹp ta có thể tạo ra một bộ lọckhông gian mà chỉ có những peak có cường độ mạnh mới được truyền qua

và được khuếch đại trong quá trình đi lại trong BCH

♦ Chế độ phát liên tục

Chế độ bức xạ liên tục hoặc gần như liên tục ở laser rắn chỉ có thể thựchiện được trên một số môi trường hoạt chất như : tinh thể Nd: YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4 hoặc Ti: sapphire Đây là những môi trường hoạt chất cókhả năng dẫn nhiệt tốt cho phép bơm quang học liên tục với cường độ mạnh

1.1.3 Buồng cộng hưởng (BCH):

♦ Vai trò của BCH

BCH là một bộ phận quan trọng trong cấu tạo của laser BCH gồm haigương phản xạ, thường sử dụng gương đầu có hệ số phản xạ cao ở bướcsóng laser, còn gương khác có hệ số phản xạ thấp với hệ số truyền qua nhấtđịnh T đóng vai trò như gương ra, tức là cho bức xạ laser ra khỏi BCH.Những gương này được chế tạo đặc biệt bằng cách phủ lớp điện môi lên trên

đế thủy tinh quang học hoặc thạch anh Môi trường hoạt chất được đặt trongBCH quang học cộng hưởng với tần số ν Hai gương của BCH phản hồiphát xạ cưỡng bức trong môi trường hoạt chất và làm cho nó đi lại trong môitrường nhiều lần, tạo ra sự khuếch đại cao hơn của phát xạ

Ngoài vai trò khuếch đại nhiều lần bức xạ cưỡng bức thì BCH còn có vaitrò của BCH nữa là tạo nên các trạng thái xác định của trường bức xạ haycác mode của BCH Để thu được sóng kết hợp có độ đơn sắc cao thì vềnguyên tắc BCH chỉ dao động một mode nghĩa là chỉ có một tần số trong dảikhuếch đại của hoạt chất được dao động và phát ra Tuy nhiên điều này làkhó khăn trong việc chế tạo Với BCH thực, kích thước lớn hơn nhiều lần

sóng quang học nên sẽ cho dao động nhiều mode và BCH thực sẽ phát đamode.

Tùy theo cấu hình các gương phản xạ mà ta có các loại BCH khác nhau

- Nếu có môi trường hoạt chất bên trong BCH thì BCH gọi là BCH

chủ động

∗ BCH dẫn sóng :

Trong BCH dẫn sóng, phần lớn bức xạ đi trong một ống dẫn sóng Đòihỏi phải có những cấu hình đặc biệt đảm bảo ánh sáng sau phản xạ trêngương được quay trở lại ghép nối tốt với ống dẫn sóng

Điều kiện làm việc ổn định của BCH :

Trong BCH luôn xảy ra mất mát do nhiễu xạ, ta xét BCH gồm hai gương(phẳng hoặc cầu) đồng trục

trong đó, L là khoảng cách giữa hai gương dọc theo quang trục

r1, r2 là bán kính cong của hai gương

Nếu các bức xạ chỉ đi theo hướng rất gần trục BCH thì khi đó mất mátnhiễu xạ là nhỏ và BCH được gọi là ổn định

Điều kiện ổn định cho BCH theo lý thuyết về BCH là:

BCH tuy có cấu tạo đơn giản nhưng quá trình xảy ra trong đó lại kháphức tạp Nó ảnh hưởng quan trọng tới công suất và các tính chất phổ củalaser Thực tế, ảnh hưởng của buồng lên các tính chất của bức xạ laser ngàycàng quan trọng và cơ bản hơn BCH tạo ra những trạng thái xác định củatrường bức xạ, các trạng thái này được gọi là các mode dao động Trong gầnđúng bậc nhất, các mode này có thể xem như là kết quả giao thoa của cácsóng phẳng lan truyền theo các hướng ngược chiều nhau giữa hai gươngphản xạ.

Mỗi mode riêng được đặc trưng bằng cấu hình tương ứng của trườngtrên bề mặt các gương, người ta kí hiệu các mode bằng TEMnmq TEM chỉ

các mode điện từ ngang tức là sóng điện từ mà thành phần vectơ E và H

nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng; m, n là các chỉ sốngang của của mode và q là chỉ số dọc Bản chất riêng của mỗi một cấu hìnhđặc trưng bởi chỉ số mode ngang m và n Mode ngang đặc trưng bởi các chỉ

số ngang và được kí hiệu là TEMmn

∗ Mode dọc

Các mode dọc đặc trưng cho cấu trúc phổ Cấu trúc phổ cho thấy bướcsóng phát ra của một laser thường được nói là bước sóng trung tâm của phổlaser (bước sóng có cường độ mạnh nhất) Thông thường contua khuếch đạicủa một phổ laser có độ rộng từ vài A0 đến vài chục A0 Đối với trường hợplaser phát đa tần số, khoảng cách giữa các mode dọc tính theo công thức:

trong đó, L là chiều dài buồng cộng hưởng

Cấu trúc phổ laser phát ra phụ thuộc nhiều yếu tố: chiều dài buồng cộnghưởng, dòng kích thích, nhiệt độ Cho nên vấn đề ổn định mode laser phát

ra và tăng độ đơn sắc của phổ là rất cần thiết

Hình 1.2 Số mode dọc nằm trong đường cong khuếch đại của laser[10]

∗ Mode ngang

Các mode ngang của BCH sẽ cho biết sự phân bố năng lượng của bức xạtheo tiết diện ngang hay sự phân bố không gian của bức xạ laser Giá trị củachỉ số ngang càng thấp thì thường tập trung vào gần tâm gương

Khi thiết kế những laser cho công suất lớn, hoạt động ở một hoặc nhiềumode dao động bậc cao, người ta thường muốn loại bỏ những dao động này.Các mode bậc thấp thường là mode được chọn vì chùm tia trải rộng do sựnhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cực tiểu

Hình 1.3 Một vài mode ngang cơ bản trong BCH[]

Mode ngang TEM00 gọi là mode ngang thấp nhất Nó đặc trưng bởi mộtcấu trúc phân bố cường độ bức xạ đơn giản Nếu xét buồng cộng hưởng làgương cầu, khi đó chùm tia cơ bản TEM00 có cường độ cắt ngang chùm sẽ

có phân bố theo hàm Gauss [10] Chùm Gauss là một chùm sáng có côngsuất tập chung trong một hình trụ nhỏ bao quanh chùm tia phân bố cường độtrong bất kì tiết diện ngang là một chùm Gauss đối xứng tròn, có tâm ở trụcchùm tia Do đó sự phân bố năng lượng của chùm laser ra cũng là dạngchùm Gauss

Chùm Gauss có một số đặc trưng rất đặc biệt sau:

* Cường độ chùm Gauss: Cường độ chùm Gauss trong buồng cộng

hưởng laser thay đổi dọc theo trục z và theo bán kính của chùm có dạng:

I (r, z) = I 0

exp(-z w

r

) (

2

2

2

) (1.4)

với I 0 là cường độ trên trục của BCH

I(r, z) là hàm của khoảng cách trục z và bán kính r 2 = (x 2 + y 2 ) 1/2

* Bán kính chùm Gauss:

Trên mặt phẳng tiết diện ngang bất kì ở vị trí z nào đó, cường độchùm tia theo (1.4) nhận giá trị Io/e2 ở khoảng cách r = w( z ) Hơn nữa, như

đã thấy ở trên 86 % công suất được tải đi trong hình tròn bán kính r = w( z ).

Vì thế người ta xem w(z) là độ rộng chùm Gauss hay còn gọi là bán kính

chùm Gauss

( )

2 2 2 0

=

w

z w

z w

* Độ phân kì chùm Gauss:

Các sóng là gần đúng là phẳng ở chỗ thắt của chùm tia, cong dần khi

xa về hai phía và trở thành sóng cầu ở xa chỗ thắt Ở khoảng cách xa bánkính chùm tăng tuyến tính dần theo z Do đó, nó tạo ra độ phân kì của chùm

Khi buồng cộng hưởng là ổn định, chùm tia laser ló ra sẽ giữ nguyên tínhchất phân bố Gauss Đây là một trong những tính chất không gian của tialaser Toàn bộ năng lượng do sóng Gauss truyền tải có thể được tập trungtrên bề mặt hoặc trong một góc chùm tia có góc mở nhỏ Khi đó chùm laser

sẽ có năng lượng lớn Do vậy, khi chế tạo laser người ta cố gắng điều chỉnh

để laser phát ra có sự phân bố cường độ theo chùm Gauss

1.2 Laser Neodym

1.2.1 Hệ laser bốn mức

Một môi trường laser hiệu suất cao là môi trường có các vạch chuyển

mức bức xạ hoặc huỳnh quang hẹp lí tưởng, có hiệu suất chuyển mức cao(đo bằng số photon phát ra chia cho số photon được hấp thụ), có dải phổ hấpthụ của các bước sóng bơm quang mạnh Các laser rắn pha tạp các ion đấthiếm thỏa mãn các tính chất trên Một sơ đồ laser tối ưu được cấu tạo bởibốn mức năng lượng

Laser tinh thể Nd 3+ hay laser rắn Nd 3+ là khi các tinh thể làm chất nềnđược trộn thêm ion Nd 3+ dưới dạng Nd2O3 có thể làm hoạt chất laser rắn nhưCaWO4, Ca(NbO3)2, YAG, YVO4 Trong các laser với hoạt chất Nd 3+

, laserNd: YAG và Nd: YVO4 là loại điển hình và đang được sử dụng rộng rãi hiệnnay Laser tinh thể Nd 3+ là một laser hoạt động ở chế độ bốn mức Laserhoạt động ở chế độ bốn mức có ưu điểm nổi bật là ngưỡng bơm thấp, dễdàng đạt được nghịch đảo độ tích lũy

Dưới bức xạ của nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển từ trạng thái cơbản 1 tới trạng thái 4 Do thời gian sống của nguyên tử trên mức 4 rất ngắn(τ = 10 -15s) nên chúng phục hồi không phát rất nhanh từ trạng thái 4 vềtrạng thái 3, mức 3 là mức siêu bền ( τ = 10-7 ÷ 10-14 s ) nên nghịch đảo độtích lũy được tạo ra giữa mức 3 và mức 2 Sự dịch chuyển cho phát xạ laserxảy ra từ mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2 Từ mức 2, những nguyên tửhồi phục nhanh về trạng thái cơ bản 1 (hình 1.5)

1.2.2 Cấu trúc năng lượng của Neodym

Khi được bơm, các ion Nd3+ chuyển dời từ mức cơ bản 4I9/2 lên mức kíchthích (là nhóm các mức năng lượng cao từ 2S3/2 đến 2S9/2) (hình 1.6) Tuynhiên, ion Nd3+ trên các mức năng lượng cao này nhanh chóng hồi phụckhông bức xạ về mức 2S3/2 và rồi về mức 4F3/2 – đây là mức laser trên Trongcác chuyển dời khả dĩ từ mức này xuống các mức thấp hơn, chuyển dời từmức laser trên 4F3/2 đến mức laser dưới 4I11/2 có xác suất lớn nhất và cho phát

xạ laser ứng với bước sóng 1064 nm Từ mức 4I9/2, ion Nd3+ hồi phục khôngbức xạ về mức cơ bản

∗ Phổ của Nd: YVO4

Hình 1.7 biểu diễn phổ hấp thụ của ion Neodym trong nền YVO4, thuđược ở nhiệt độ 300 K Phổ hấp thụ của iôn Nd3+ có 3 dải hấp thụ mạnh,nhưng mạnh nhất là dải ứng với bước sóng trung tâm 0,8 µm Vì vậy, việc

sử dụng các laser bán dẫn có bước sóng 0,8 µm để bơm cho laser Neodym làrất phù hợp và cho hiệu suất laser cao

Hình 1.5: Nguyên lý laser hoạt động ở chế độ 4 mức

Bơm

Phát xạ Laser

(1)

(3)

(4)

(2)

(Số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số hạng của phổ nguyên tử)