LASER NEODYMIUM PHÁT XUNG NGẮN

Đó chính là lý do tôi chọn đề tài này: “Laser rắn phát xung ngắn nano giây bằng phương pháp biến điệu thụ động độ phẩm chất buồng cộng hưởng, được bơm bằng laser diode.” 2.. Khoá luận n

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản Khóa luận này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Văn Hảo – giảng viên Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em thực hiện bản Khóa luận này.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên đã dạy dỗ và chỉ bảo nhiệt tình cho em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành Khóa luận.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị cán bộ nghiên cứu viên tại Phòng thí nghiệm Quang tử Phân tử thuộc Trung tâm Điện tử học Lượng tử, Viện Vật lý đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình tiến hành thực nghiệm để có thể hoàn thành bản Khóa luận này

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.

Em xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó!

Thái Nguyên, ngày 29/04/2011

Sinh viên

Nguyễn Thị Như Hải

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài (Khóa luận)

Từ khi được phát minh cho tới 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, khoa học vật liệu và quang điện tử, laser ngày nay càngđược phát triển đa dạng về chủng loại và đồng thời kĩ thuật phát laser ngàycàng được hoàn thiện

Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân chia thànhnhiều ngành khác nhau như: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí Trong đó laser rắn được phát minh đầu tiên và cho đến ngày nay nó vẫn cónhiều ứng dụng vô cùng quan trọng Trong các loại laser rắn, laser rắnNeodymium (môi trường laser được pha tạp các ion Nd3+) chiếm một tỉ phầnlớn – nó là một nguồn sáng kết hợp quan trọng đã và đang được sử dụng rộngrãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ [5] Hiện nay, cáclaser Neodymium vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyểnđổi năng lượng khá thấp chỉ khoảng 1 ÷ 2 % và phải mua từ nước ngoài vớigiá thành khá cao Do vậy, chỉ có một số ít các phòng thí nghiệm có khả năngđược trang bị các nguồn laser này

Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn gần đây, côngsuất phát laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ cóthể tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 ÷ 3 nm) và đặc biệt có thể phù hợp

tốt với phổ hấp thụ của các tinh thể laser Do vậy, các phương pháp quang họcbằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ Phươngpháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser được nâng lên đáng

kể, đồng thời cấu hình – kích thước laser rắn được trở nên gọn hơn rất nhiều.Nhìn chung, với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi nănglượng khi bơm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 10 ÷ 60 %

Tại Việt Nam, cho đến nay mới có phòng thí nghiệm trọng điểm về điện

tử học Lượng tử - Viện Vật lý thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Namnghiên cứu và phát triển các hệ laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn Vìvậy, việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ laser này là rất cần thiết và cónhiều ý nghĩa về khoa học cũng như ứng dụng thực tiễn Hơn nữa, đây sẽ là

cơ sở để phát triển vật lý và công nghệ của các nguồn laser rắn phát xungngắn được bơm bằng laser diode Đó chính là lý do tôi chọn đề tài này:

“Laser rắn phát xung ngắn nano giây bằng phương pháp biến điệu thụ động

độ phẩm chất buồng cộng hưởng, được bơm bằng laser diode.”

2 Mục đích của Khóa luận

Nhằm trang bị những kiến thức cở bản về laser, đặc biệt là laser rắn bơmbằng laser diode, đồng thời cũng là tạo điều kiện cho việc học tập chuyênngành của tác giả

Đây có thể là một tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên cũng nhưnhững ai quan tâm đến hoạt động và ứng dụng của laser

Khoá luận nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp một hệ laser rắn Nd3+:YAGphát xung ngắn dựa trên phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộnghưởng và được bơm bằng laser diode Đây là một laser có nhiều ứng dụngtrong khoa học

3 Nội dung của Khóa luận

Nội dung Khóa luận là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hệ laserrắn Nd: YAG phát xung ngắn nano-giây bằng phương pháp biến điệu độ phẩmchất buồng cộng hưởng, được bơm bằng laser diode dựa trên cơ sở tìm hiểu

về lý thuyết các phương pháp phát xung ngắn nano giây Đồng thời qua đây

chúng tôi cũng nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser này Do đó,nội dung của khóa luận ngoài phần mở đầu và kết luận được chia làm bachương:

Chương 1: Tổng quan về laser rắn Neodymium phát xung ngắn nhờ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng Trong chương này chúng tôi đã giới thiệu

và phân tích một cách ngắn gọn các đặc điểm đặc trưng hoạt động của các laserNeodymium điển hình Ngoài ra, chúng tôi cũng đưa ra nguyên tắc phát xunglaser rắn nhờ kỹ thuật Q-Switching (biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng)

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG biến điệu thụ động được bơm bằng laser diode Trong chương này chúng tôi trình

bày các nghiên cứu các bộ phận của nguồn bơm và thiết kế các yếu tố cơ –quang cho hệ laser này

Chương 3: Các kết quả và thảo luận Trong chương này chúng tôi trình

bày các kết quả thu được từ hệ laser chúng tôi đã lắp ráp cũng như các bànluận về chúng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết: Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích

tài liệu liên quan đến laser rắn Neodymium bơm bằng laser diode vàphương pháp phát xung laser ngắn Q-Switching

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG phát xung

ngắn bằng chất hấp thụ bão hòa Cr4+: YAG (phương pháp biến điệu độphẩm chất buồng cộng hưởng), được bơm dọc bằng các laser diode Đo đạc

và đánh giá các thông số hoạt động của hệ laser đã lắp ráp

5 Đóng góp mới của khoá luận

- Khoá luận đã nghiên cứu, thiết kế và xây dựng thành công một hệ laserrắn phát xung ngắn nano giây Nd3+: YAG bơm bằng laser diode (ở chế

độ liên tục) bằng kỹ thuật Q-Switching

- Các kết quả cho thấy, đây là hệ laser Nd:YAG cho phép phát các xungnano ngắn nhất trong các hệ laser Q-Switching trước đây [5], [10 -12](τ ≈ 11 ns) và công suất đỉnh xung cao nhất [13]

Bản Khóa luận này được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý –Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên và Phòng thí nghiệmPhotonic phân tử - Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Khoa

học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của Th.S Nguyễn

Văn Hảo.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER NEODYMIUM PHÁT XUNG

NGẮN NHỜ BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT (Q-SWITCH)

Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn Chất rắn này là đơntinh thể, hoặc chất vô định hình [1] Gần đây, nhờ sự phát triển trong công nghệ chếtạo laser bán dẫn đã cho phép chế tạo các laser bán dẫn công suất cao (tới hàng trămW) [9], phổ phát xạ trong một vùng hẹp cỡ (2 ÷ 3) nm rất phù hợp với phổ hấp thụcủa một số môi trường laser rắn, vì vậy kỹ thuật bơm quang học cho các laser rắnbằng laser bán dẫn đã và đang được phát triển rất mạnh Trong các laser rắn bơmbằng laser diode, laser neodymium (Nd: YAG, Nd: YVO4, Nd: YLF, …) là một loạilaser rất phổ biến, nó cho phép hoạt động được ở cả hai chế độ liên tục và xungngắn Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về các loại laser này

Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [10, tr 372].

1.1.1. Laser Nd:YAG

• Môi trường hoạt chất (môi trường khuếch đại)

Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG, trong đó

Y3Al5O12 đóng vai trò là chất nền và ion Nd3+ đóng vai trò

là tâm hoạt chất phát ra laser Dùng Y3Al5O12 làm chất nền

vì phổ huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng bước sóng của Nd3+ Nồng độ Nd3+

pha vào YAG thường khoảng 1 % (1,38.1026 ion/m3), nếu nồng độ lớn sẽ dẫn đến sựdập tắt phát quang hay có thể làm thay đổi cấu trúc vật liệu YAG do bán kính của ion

Nd3+ lớn hơn so với ion Y3+ (14 %) Cấu trúc năng lượng và chuyển dịch quang họccho bức xạ laser được mô tả trên hình 1.2

Hình 1.1: Thanh Laser

Nd: YAG hình trụ chữ nhật một đầu cắt nhọn

Hình 1.3: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 K [14, tr 208].

(đường liền nét ứng với Nd 3+ trong nền YAG; đường đứt nét ứng với Cr 3+ trong nền

Alexandrite Trục tung bên phải ứng với Nd 3+ , bên trái ứng với Cr 3+ )

Trên giản đồ mức năng lượng hình 1.2, chúng ta thấy rằng laserNd:YAG hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức Các dịch chuyển quang học

và quá trình hình thành laser được mô tả như sau: ở nhiệt độ thấp các nguyên

tử tập trung chủ yếu ở mức cơ bản là 4I9/2 Khi chiếu ánh sáng kích thích vàotinh thể Nd:YAG (trên hình 1.2 sử dụng nguồn kích thích là laser bán dẫnvùng 808 nm) các nguyên tử được kích thích lên trạng thái kích thích 4F5/2 dothời gian sống của nguyên tử trên mức này rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồiphục không phát xạ rất nhanh từ trạng thái 4F5/2 về trạng thái 4F3/2 – thời giansống của nguyên tử trên trạng thái này với ion Nd3+ cỡ vài trăm mi-cô giây (τ

≈ 10-7 s) [9, tr 209], vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền Nghịch đảo độ

Hình 1.2: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [7, tr 5]

Hình 1.4: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd: YAG thu ở 300 K [7, tr 7].

tích lũy được tạo ra giữa mức laser trên 4F3/2 và các mức laser dưới là 4I13/2,

4I11/2, 4I9/2 Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra từ mức laser trên 4F3/2 tớimức laser dưới 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2

Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YAG được biểu diễn trên hình 1.4

Các dịch chuyển quang học có thể xảy ra và xác suất tương ứng của cácdịch chuyển đó được cho trên bảng 1.2

Bảng 1.2: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd 3+ [7, tr 4]

Dịch chuyển Bước sóng huỳnh quang (µm) Tỉ lệ cường độ (%)

4 F 3/2 – 4 I 9/2

0,8910 0,8999 0,9385 0,9460

25

4 F 3/2 – 4 I 11/2

1,0521 1,0615

1,0642

1,0737 1,1119 1,1158

60

4 F 3/2 – 4 I 13/2 1,3331

1,3351

1,3533 1,3572

Chúng ta thấy rằng, xác suất dịch chuyển cao nhất từ mức laser trên

4F3/2 về mức laser dưới 4I11/2 có tỉ lệ cường độ khoảng 60 % với bước sóngtrung tâm là 1064 nm Vì vậy, các laser Nd: YAG chủ yếu được chế tạo đểphát xạ laser ở bước sóng này

Với thời gian sống của ion Nd3+ ở mức laser trên (τ ≈ 230 µs) rất thíchhợp cho việc phát các xung Q-switch Trên bảng 1.1, độ rộng phổ laser ∆ν =4,5 cm-1 tại bước sóng 1064 nm đo ở nhiệt độ 300 K, có nghĩa rằng khả năngphát xung ngắn thu được ở chế độ hoạt động khóa mode có thể đạt tới độ rộngxung laser là 5 ps [14, tr 371]

• Buồng cộng hưởng quang học

Gương vào Tinh thể Nd: YAG

YAG:Nd

Buồng cộng hưởng quang học là một trong ba thành phần cơ bản củalaser Buồng cộng hưởng có chức năng thứ nhất là thành phần chứa môitrường hoạt tính của laser, thứ hai là thành phần để cho tia sáng đi lại nhiềulần trong môi trường hoạt tính, nhờ thế mà tia sáng được khuếch đại lên.Buồng cộng hưởng có nhiều loại, người ta dựa vào tính chất và hình dạng củacác gương cũng như cách bố trí các gương để phân loại buồng cộng hưởng.Buồng cộng hưởng quang học của laser Nd:YAG cũng như các loại laserkhác, phổ biến và tương tự như buồng cộng hưởng Fabry – Perot

• Nguồn bơm

Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận từ 0,7 đến 0,9nên laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm thích hợp nhất Sự hấp thụ bức xạlaser diode sẽ kích thích các ion Nd3+ lên các mức năng lượng nằm rất gầnmức laser trên Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơn đèn quang học, cóthể hơn 10 % Các laser rắn sử dụng nguồn bơm là laser diode (công suất cao)

có các ưu điểm vượt trội so với dùng đèn làm nguồn bơm như:

Thứ nhất, thời gian sống của laser diode lớn hơn nhiều so với thời gian

sống của các đèn phóng điện, điều này đóng góp rất lớn vào độ tin cậy và sựthuận lợi trong hoạt động của laser, dẫn đến việc tăng tuổi thọ và giảm giáthành bảo dưỡng

Thứ hai, các laser bơm bằng diode có hiệu suất cao hơn các laser bơm

bằng đèn flash Các nguồn bơm khí phóng điện phát xạ băng rộng, các băngnày có sự chồng chập nhỏ với các băng hấp thụ gián đoạn của các ion pha tạptrong tinh thể Do đó khoảng 90 % năng lượng bơm không đóng góp vào hoạtđộng của laser và tạo ra hao phí nhiệt Ngược lại, có thể chọn các laser diode

để phổ phát xạ của nó phù hợp tốt nhất với các băng hấp thụ của môi trườnglaser Các laser diode thường nhỏ gọn, vì nó không đòi hỏi các hệ làm nguộiphức tạp và các nguồn điện nuôi cao

1.1.2 Laser Nd: YVO 4

Môi trường laser Nd:YVO4 là môi trường laser đang được phát triển rấtmạnh trong những năm gần đây [15] Sở dĩ môi trường Nd:YVO4 được sửdụng rộng rãi là vì nó có những đặc điểm nổi bật như: độ dẫn nhiệt cao chophép tiêu tán nhiệt nhanh trong quá trình bơm quang học, độ bền cơ học cao

và có thể nuôi tinh thể thể tích lớn với các đặc tính quang học rất tốt

Tương tự như với laser Nd:YAG, laser Nd:YVO4 hoạt động trên nguyên

lý laser 4 mức với mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 (khi bơm quanhvùng 800 nm) và 4F7/2 (khi bơm quanh vùng 700 nm), mức laser trên là 4F3/2 vàmức laser dưới là 4I11/2 Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịchchuyển từ mức laser trên về các mức laser dưới sẽ cho ta một loạt các bước xạlaser với bước sóng khác nhau và xác suất dịch chuyển khác nhau Xác suấtdịch chuyển cho bức xạ laser mạnh nhất là quanh vùng 1,06 µm

So sánh các thông số giữa môi trường Nd:YAG và Nd:YVO4 trên bảng1.1 chúng ta thấy rằng: môi trường Nd: YVO4 có thời gian sống huỳnh quangngắn hơn, phổ phát xạ laser rộng hơn (hơn 2 lần), tiết diện phát xạ cưỡng bứclớn hơn (cỡ 3 lần) Do vậy, so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO4

có thể phát được xung ngắn hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đạilaser cao hơn

1.1.3 Laser Neodymium thủy tinh (Nd: glass)

Môi trường laser này được sử dụng khá rộng rãi [6] đặc biệt trong chếtạo, khuếch đại laser công suất cao và trong các thí nghiệm sử dụng các kỹthuật bốc bay bằng laser [14, tr 372]

Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền thủy tinh cũngtương tự như các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền YAG nhưngdịch chuyển quang học cho bức xạ laser mạnh nhất tương ứng với bước sóng1,05 µm Do tiết diện phát xạ cưỡng bức nhỏ (kém 7 lần so với Nd:YAG –bảng 1.1) nên thông thường mật độ pha tạp ion Nd3+ trong thủy tinh lớn hơn

vài lần so với trong môi trường YAG và năng lượng bơm cho laser Nd: glassthường lớn gấp 1,6 lần so với laser Nd:YAG cùng kích cỡ môi trường hoạtchất [14, tr 373] Tuy nhiên, do hiện tượng mở rộng không đồng nhất trongnền thủy tinh nên phổ phát xạ laser Nd:glass rộng hơn so với laser Nd:YAG,đặc biệt ở bước sóng 1,05 µm phổ phát xạ laser rộng hơn tới 40 lần so vớimôi trường Nd:YAG (bảng 1.1) Với phổ phát xạ laser rộng, môi trườngNd:glass thích hợp cho việc phát các xung ở chế độ khóa mode Thực tếngười ta đã xây dựng thành công các laser Nd:glass bơm bằng laser bán dẫntheo cấu hình bơm dọc, phát các xung laser cực ngắn (tới 100 fs) [14, tr 373].Một trong những ưu điểm rất quan trọng của môi trường Nd: glass đó là khảnăng chế tạo được các thanh hoạt chất laser kích thước lớn cho phép chế tạocác thanh laser thể tích lớn sử dụng trong các hệ khuếch đại laser công suấtcực cao Nhược điểm lớn nhất của môi trường laser Nd: glass là hệ số dẫnnhiệt của nền thủy tinh kém (kém hơn khoảng 10 lần so với YAG), vì vậy cáclaser Nd: glass chỉ hoạt động được ở tần số thấp (< 5 Hz) [15, tr 367].

1.2 Phương pháp phát xung ngắn nano giây nhờ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching)

1.2.1 Độ phẩm chất buồng cộng hưởng

Một trong những đại lượng đặc trưng cho buồng cộng hưởng là phẩmchất buồng cộng hưởng, được kí hiệu là Q Độ phẩm chất buồng cộng hưởngđược định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng được tích luỹ trong buồng cộnghưởng và năng lượng bị mất đi trong một chu trình ánh sáng đi lại trongbuồng cộng hưởng

Độ phẩm chất buồng cộng hưởng được tính theo công thức:

(1.1)trong đó, L chiều dài buồng cộng hưởng,

là bước sóng của laser,

Hình 1.6: Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q - Switching.

(a)

(b)

(c)

(d) Δtp

t0 Φmin

Φmax

nf ns ni

min max

lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương

Muốn tăng độ phẩm chất buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài củabuồng, tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương

Có nhiều nguyên nhân làm giảm độ phẩm chất buồng cộng hưởngquang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song củagương, độ nhám của mặt gương Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìmcách khắc phục được những nhược điểm đó

1.2.2 Nguyên tắc của phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng

Tên gọi của phương pháp xuất phát từ thực tế là độ phẩm chất buồngcộng hưởng (Q) được biến đổi trong quá trình laser hoạt động

Hình 1.6 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồngcộng hưởng Thoạt đầu sự phát xạ laser là không thể do độ phẩm chất củabuồng cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộnghưởng cao nhất) (hình 1.6b) Thời gian cuối của xung bơm (bằng đèn flashhoặc laser diode) (hình 1.6c), khi nghịch đảo độ tích luỹ đã đạt tới giá trị cựcđại, độ phẩm chất Q được chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mấtmát buồng cộng hưởng thấp nhất) Tại thời điểm này, thông lượng photon bắtđầu tăng lên trong buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình1.6d) Như ta thấy trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến độphẩm chất xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở

“khoá” độ phẩm chất

1.2.3 Các kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng

Có nhiều kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng Người tathường phân chia thành hai nhóm chính:

* Phương pháp chủ động, trong đó việc điều khiển quá trình điều biến độphẩm chất được thực hiện nhờ một nguồn tín hiệu bên ngoài

* Phương pháp thụ động, là phương pháp mà việc điều biến độ phẩmchất hoàn toàn không có sự can thiệp từ bên ngoài

1.2.3.1 Phương pháp điều biến độ phẩm chất chủ động

Các bộ điều biến phẩm chất chủ động có thể hoạt động dựa trên mộttrong các nguyên lý sau: cơ-quang, điện-quang, âm-quang.

● Trong buồng cộng hưởng được điều biến cơ-quang, gương cuối (hoặc

nó được thay thế bằng một lăng kính 900 phản xạ toàn phần) quay rất nhanhquanh một trục vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng laser Độphẩm chất của buồng cộng hưởng một cách tuần hoàn đạt được giá trị cực đạisau mỗi vòng quay của lăng kính, ứng khi mặt cạnh huyền của lăng kínhvuông góc với trục buồng cộng hưởng

● Việc điều biến điện-quang thường được thực hiện bằng cách làm thayđổi tính phân cực của môi trường do tác dụng của một điện trường ngoài Haihiệu ứng điện-quang thường được áp dụng là hiệu ứng Kerr và hiệu ứngPockels

● Bộ điều biến âm-quang làm việc trên nguyên lý nhiễu xạ siêu âm Mộtsóng siêu âm lan truyền trong môi trường tạo ra trong đó một ứng suất, ứng suấtnày làm cho chiết suất của các lớp khác nhau của môi trường thay đổi tuần hoàntheo không gian với chu kỳ bằng bước sóng của sóng âm và lan truyền trong môitrường với vận tốc âm thanh Cấu trúc có chiết suất thay đổi tuần hoàn này sẽ làmnhiễu xạ sóng ánh sáng khi nó truyền qua [4]

Bộ điều biến điện-quang có độ tổn hao (khi mở) lớn hơn một bậc so với độtổn hao của bộ điều biến âm-quang (cỡ 0,1 %) Tuy nhiên, điều biến điện-quang

có thể đạt mất mát 100 % (khi đóng) trong khi điều biến âm-quang lại không thể.Hơn nữa, quán tính của bộ điều biến điện-quang nhỏ hơn hai thậm chí là ba bậc sovới bộ điều biến âm-quang Đây là một lý do khiến bộ điều biến âm-quang thườngđược dùng với laser bơm liên tục trong khi điều biến điện-quang thường dùng chocác laser xung [4]

1.2.3.2 Điều biến độ phẩm chất bằng phương pháp thụ động

Thông thường, bộ điều biến phẩm chất loại thụ động là một cuvet đựngdung dịch chất màu hữu cơ hoặc là một tinh thể bán dẫn hoặc Cr4+: YAG được

0.01 0.1 1 10 100

0.65 0.70

0.90 0.85

0.75 0.80

Huỳnh quang chuẩn hoá E/Es

pha tạp nhất định mà có độ hấp thụ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng tớitheo biểu thức:

(1.2)Trong đó, α0: hệ số hấp thụ

α : độ hấp thụ (hay năng suất hấp thụ)

, với là tiết diện hấp thụ của chuyển dời Với vật liệunhư vậy, độ truyền qua của nó có dạng:

(1.3)

Trong đó, To là độ truyền qua ban đầu, ;

l là độ dày của vật liệu.

Đặc tính truyền qua của vật liệu hấp thụ bão hoà được minh hoạ trên hình 1.7:

Hình 1.7: Độ truyền qua của vật liệu thay đổi theo thông lượng tới

Vật liệu hấp thụ được sử dụng làm khoá phẩm chất có độ truyền quatăng khi thông lượng ánh sáng tăng và ở mức thông lượng cao, vật liệu hầunhư trở lên trong suốt Lúc này, ta nói rằng vật liệu đã hấp thụ bão hoà (hay

còn gọi là bị tẩy trắng) Ví dụ, nó trở nên trong suốt - không hấp thụ khicường độ ánh sáng tới có công suất đủ lớn- như các dung dịch màu hữu cơ:chất màu cyanine thường được dùng để biến điệu trong laser Ruby, chất màupolymethine thường dùng trong laser Nd Ngoài ra, người ta còn sử dụng các

bộ biến điệu phi tuyến dựa trên hiệu ứng tán xạ cưỡng bức Brilloun, hoặc cácgương bán dẫn (SESAM - semiconductor saturable absorber mirror) có hệ sốphản xạ phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng tới [2]

Cần chú ý rằng, thời gian sống của phân tử hay nguyên tử của vật liệuhấp thụ phải rất ngắn so với thời gian sống của mức năng lượng laser trên.Ban đầu, các bộ hấp thụ bão hoà dùng để điều biến độ phẩm chất thường làcác chất màu hữu cơ được pha loãng trong dung môi hữu cơ (thời gian sốngcủa các phân tử màu cỡ nano giây) Tuy nhiên, loại vật liệu điều biến này cótuổi thọ thấp do sự thoái hoá phân tử màu và khả năng chịu nhiệt thấp, do vậyứng dụng của chúng bị hạn chế Sự phát hiện ra các tinh thể pha tạp các ionhấp thụ hoặc chứa các tâm màu đã cải thiện đáng kể tuổi thọ và độ tin cậy củacác khoá phẩm chất thụ động

Do khoá phẩm chất loại thụ động được điều biến do chính bản thântrường bức xạ trong buồng cộng hưởng nên không đòi hỏi nguồn cao áp haycác bộ điều khiển quang – điện như trong các phương pháp điều biến độ phẩmchất buồng cộng hưởng nói trên

• Ưu, nhược điểm của phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng

Ưu điểm: - Gần như không có mất mát trong thiết bị biến điệu

- Có thể đạt được độ mất mát cực đại (100 %) khi đóng

- Thiết bị điện tử điều khiển hoạt động đơn giản

- Độ tin cậy cao

- Thiết kế đơn giản, rẻ tiền, gọn nhẹ

Nhược điểm: - Tốc độ biến điệu còn chậm, do đó các xung tạo ra còn dài.

- Tần số lặp lại và độ rộng xung cố định, không điềuchỉnh được

Hình 2.1 Nguồn nuôi LDD-10 (kích thước: 28 × 23 × 10 cm3).

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ Nd: YAG BIẾN ĐIỆU THỤ ĐỘNG ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Mục đích của khóa luận là thiết kế hệ laser rắn Nd: YAG biến điệu thụ độngbơm bằng laser diode Laser diode dùng trong trường hợp này là một laser diodecông suất cao Do vậy, tiến hành nghiên cứu, khảo sát các đặc tính hoạt động củanguồn bơm laser diode này để làm chủ, điều khiển sự hoạt động của laser diode làmột việc rất quan trọng Ngoài ra, trong chương này chúng tôi cũng giới thiệu các

kỹ thuật thiết kế và xây dựng hệ laser Nd: YAG bơm bằng laser diode trong cả haichế độ hoạt động liên tục và xung ngắn nano giây nhờ phương pháp biến điệu thụđộng (Q-Switching) bằng chất hấp thụ bão hòa

2.1 Nghiên cứu các bộ phận của nguồn bơm laser diode

2.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD-10)

Hình 2.2 Bộ làm mát cho lase diode và đầu laser

Bộ tỏa nhiệt

Quạt gió

Đầu laser diode

Mũ bảo vệ laser diode

Nguồn nuôi LDD-10 (ATC, Nga) được thiết kế cho các chức năng sau:

● Cung cấp dòng điện ổn định cho laser diode hoạt động ở chế độ liêntục và chế độ xung

● Điều khiển dòng cấp cho laser diode

● Ổn định và điều khiển nhiệt độ của laser diode

● Điều khiển công suất quang của laser diode với photodiode phản hồiđược gắn bên trong

● Bảo vệ laser diode khỏi những nguy hiểm về điện và nhiễu

Các thông số kĩ thuật của nguồn nuôi được trình bày chi tiết trong bảng2.1 trong phần phụ lục

2.1.2 Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H)

Các laser diode khi hoạt động ở chế độ liên tục hay ở chế độ xungvới độ lặp lại của xung lớn hơn 500 ms thì ta cần phải làm lạnh cho laserdiode

Chúng tôi sử dụng bộ phận làm mát được mô tả như trong hình 2.2

Chi tiết các bộ phận của bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode đượcchỉ ra trong sơ đồ hình 2.3

Trong đó: bộ tản nhiệt (1) ; tấm Peltier (3) ; giá gắn laser diode (4); mũbảo vệ laser diode (6); giắc nối với nguồn LDD-10 (7); Quạt gió (8) Bộ làmmát ATC - 03H có các thông số kĩ thuật được trình bày trong bảng 2.2 phầnphụ lục

Hình 2.3 Chi tiết bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode

2.1.3 Laser diode (ATC - C2000-200-AMO-808-3)

Các thông số danh định của laser diode được trình bày trong bảng 2.3trong phần phụ lục

2.2 Nghiên cứu các bộ phận khác của hệ laser

● Thấu kính bơm (thấu kính hội tụ):

Chúng tôi đã sử dụng 1 thấu kính hội tụ có đường kính D = 2,5 cm, tiêu

cự f = 2 cm để hội tụ chùm bơm cho tinh thể laser.

● Gương laser cuối M 1 (TL, Đức):

● Gương laser đầu M 2 (TL, Đức):

• Tinh thể Cr 4+ : YAG (CASIX- China) – chất hấp thụ bão hòa:

* Mức độ pha tạp : 1 %

* Ngưỡng hư hỏng : 500 MW/cm2

Yêu cầu: Giá đỡ phải có khả năng điều

chỉnh chính xác hai chiều x-y Do vậy,

chúng tôi đã sử dụng các giá gương là loại

Ultra-stable Kinematic

Hình 2.4 Giá đỡ gương .