LASER CHROMIUM PHA TẠP TRONG LiSAF

Chính nhờnhững ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser diode mà hiện nay việcnghiên cứu và sử dụng laser bán dẫn để làm nguồn bơm quang học cho cáclaser rắn đang được phát triển rất mạnh.

Lêi c¶m ¬n

Trước tiên, em xin phép được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, Thạc sỹ Nguyễn Văn Hảo, người đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ, hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này.

Đồng thời em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, những người đã giảng dạy, hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập vừa qua.

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người thân của mình đã luôn hỗ trợ về vật chất, động viên tinh thần và tạo điều kiện tốt cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 05 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Thị Xiêm

MỤC LỤC

Lêi c¶m ¬n 1

1.1.3.1 Chất lượng chùm laser 11

1.1.3.2 Sợi quang học 13

1.1.3.3 Các đặc điểm của các laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang 15

2.1 Khảo cứu các bộ phận của nguồn bơm laser diode 24

2.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD-10M) 24

2.1.2 Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H) 26

2.1.3 Laser diode ATC-S8-F200 26

2.2 Nghiên cứu và chế tạo các bộ phận của hệ laser 27

2.2.1 Thiết kế các giá đỡ 27

Giá đỡ sợi quang 32

2.2.2 Các thành phần của hệ laser Nd:YVO4 32

2.3 Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 bơm bằng laser diode 33

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ laser 34

3.1 Các kết quả khảo sát nguồn bơm laser diode 8W 37

3.1.1 Đặc trưng công suất – dòng bơm của laser diode 8 W 38

3.1.2 Đặc trưng phổ của laser diode 39

3.2 Kết quả khảo sát các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W 40

3.2.1 Đặc trưng công suất của hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W 40

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng đượcnghiên cứu và phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết cáclĩnh vực nghiên cứu khoa học và cùng những tiến bộ trong lĩnh vực khoahọc vật liệu, quang phổ học và quang lượng tử, laser ngày càng đượcnghiên cứu sâu hơn, phát triển đa dạng về chủng loại và kĩ thuật laser dầnđược hoàn thiện hơn

Laser có rất nhiều loại, trong đó các laser rắn, cụ thể là các laser rắnNeodymium đang là nguồn kích thích quang quan trọng trong các phòng thínghiệm quang học và quang phổ hiện nay Các laser rắn Neodymium chủ yếuđược bơm bằng đèn flash nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp từ 1 ÷

2 % [3, 4] Điều này là do phổ phát xạ của đèn rộng, còn tinh thể Neodymiumthì phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp Mặt khác, nănglượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, gây ra những hiệuứng không mong muốn cho môi trường hoạt chất – vì vậy các laser này đòihỏi phải có các hệ thống làm nguội phức tạp và cồng kềnh

Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser diode, công suấtphát của laser diode có thể đạt tới hàng trăm oát (W) [6, 7, 9, 11], với phổphát xạ tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 ÷ 3 nm) có thể phù hợp vớiphổ hấp thụ của tinh thể laser Do vậy, phương pháp bơm quang học bằnglaser diode cho laser rắn đã sớm được phát triển mạnh mẽ Phương phápbơm quang học bằng laser diode cho laser rắn làm hiệu suất chuyển đổinăng lượng được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng trở nêngọn hơn Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi nănglượng khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10 ÷ 80 % Ngoài ra, việcbơm bằng laser diode cũng hạn chế được những nhược điểm cố hữu củaphương pháp bơm bằng đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh

hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định, tăng độ phân kỳ của chùm tia

và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá huỷ thanh hoạt chất Chính nhờnhững ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser diode mà hiện nay việcnghiên cứu và sử dụng laser bán dẫn để làm nguồn bơm quang học cho cáclaser rắn đang được phát triển rất mạnh Đây là xu hướng phát triển của vật

lý và công nghệ laser hiện đại

Laser Nd3+:YVO4 là một loại laser có hiệu suất cao khi được bơm bằnglaser diode Tinh thể Nd3+:YVO4 có ưu điểm như : ngưỡng hư hỏng cao,bền về mặt vật lý, hóa học Điều này làm cho tinh thể Nd3+:YVO4 được sửdụng rộng rãi Khi so sánh laser Nd3+:YVO4 với laser Nd3+:YAG khi đượcbơm bằng laser diode, laser Nd3+:YVO4 có nhiều lợi thế hơn Nó ít bị phụthuộc vào bước sóng bơm, phổ hấp thụ rộng, hiệu suất cao, ngưỡng phátlaser thấp hơn, phát xạ phân cực thẳng, đơn mode [5] Điều này làm chotinh thể Nd3+:YVO4 được sử dụng rộng rãi Vì vậy, việc tiến hành nghiêncứu và xây dựng một hệ laser rắn Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode

công suất cao là một việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ, đào

tạo cũng như ứng dụng thực tiễn

Dựa vào các tìm hiểu đó, em đã lựa chọn khóa luận: “Nghiên cứu và xây dựng một hệ laser rắn Nd:YVO4 liên tục được bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W”.

2 Mục đích của khóa luận

- Nhằm trang bị những kiến thức cở bản về laser, đặc biệt là laser bándẫn và laser rắn

- Nghiên cứu, lắp ráp và cho hoạt động 01 hệ laser rắn Nd:YVO4 liêntục được bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W: Có hiệu suấtchuyển đổi quang học > 20 %; Công suất trung bình > 1,5 W ở bước sóng

1064 nm

3 Nội dung của khóa luận

- Tìm hiểu kỹ thuật làm nguội cho tinh thể laser Nd3+:YVO4

- Nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của laser diode công suất caodùng làm nguồn bơm cho laser rắn Nd3+:YVO4.

- Nghiên cứu, lắp ráp và cho hoạt động hệ laser rắn Nd3+:YVO4 liêntục được bơm bằng laser diode công suất cao được

- Nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser rắn này

Khóa luận ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảogồm có hai phần chính sau:

Phần I: Lý thuyết

Chương 1: Tổng quan về laser bán dẫn và laser rắn Neodymium.

Phần II: Thực nghiệm

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, lắp ráp và cho hoạt động hệ laser

rắn Nd:YVO4 liên tục được bơm bằng laser diode công suất cao

Chương 3: Các kết quả và thảo luận.

4 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu của khóa luận là phương pháp thựcnghiệm

+ Thực hiện việc thiết kế các thành phần (cơ khí, quang học) của hệlaser Xây dựng và lắp ráp hệ laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode:

sử dụng laser He - Ne để là đường chuẩn, card hồng ngoại để hiển thị tínhiệu hồng ngoại (do mắt không nhận biết được)

+ Thực hiện các phép đo đặc trưng hoạt động của laser: dùng đầu đocông suất có độ phân giải cao (10 µW); máy quang phổ kết hợp với bộchuyển đổi quang – điện (Photodiode Array) để đo đặc trưng phổ của laser.

PHẦN 1: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN VÀ LASER RẮN

NEODYMIUM

1.1 Laser bán dẫn

1.1.1 Cấu tạo của laser bán dẫn

1.1.1.1 Môi trường hoạt chất

Hoạt chất là các chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe,… đây là nhữngchất phát quang Vật liệu dùng làm hoạt chất của laser bán dẫn thường dựatrên một trong bốn loại vật liệu khác nhau, phụ thuộc vào vùng bước sóng

ta mong muốn Ba loại vật liệu thường được dùng là vật liệu bán dẫn

AIIIBV, bao gồm các vật liệu trong cột III và V của bảng tuần hoàn Cácnguyên tố trong cột thứ III khi kết tinh thành tinh thể bị thiếu một điện tử

và các nguyên tố ở cột V lại thừa một điện tử Do đó chúng sẽ cân bằngđiện tích khi được kết hợp với nhau thành hợp chất Các nguyên tố ở cộtthứ III gồm có Al, Ga, In, Tl và vột thứ V gồm có N, P, As, Sb

Một số loại vật liệu khác cũng được sử dụng đó là hợp chất AIIBVI,gồm các nguyên tố cột thứ II thiếu hai điện tử và các nguyên tố thuộc cột

VI thừa hai điện tử Các nguyên tố nằm trong cột II gồm có Zn và Cd, cácnguyên tố nằm trong cột VI gồm có S, Se và Te

1.1.1.2 Bơm (bộ phận kích thích)

Laser bán dẫn có thể kích thích bằng nhiều phương pháp khác nhau

để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy Sau đây là một số phương pháp :

• Phương pháp kích thích bằng điện trường

Phương pháp này thích hợp với chất bán dẫn có vùng cấm hẹp, có độ linhđộng lớn và có khối lượng hiệu dụng của các hạt tải nhỏ như ở GaAs, InSb,… Khi đặt điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nêncác điện tử và lỗ trống không cân bằng trong vùng dẫn cũng như vùng hóatrị Do sự đẩy trực tiếp các điện tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùngdẫn và để lại các lỗ trống.

• Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích

Phương pháp này áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng(có được các bức xạ rất ngắn) Người ta phải dùng chùm điện tử có nănglượng lớn sẽ tạo nên các khuyết tật trong bán dẫn và làm tăng các dịchchuyển không bức xạ Đó cũng là nhược điểm của phương pháp này

• Phương pháp phun các hạt điện tử không cân bằng qua lớp tiếp xúc p-n.

Phương pháp này nhờ đặt trong một điện trường bên ngoài bán dẫn vàtạo được dòng dịch chuyển p-n theo chiều thuận Thế chặn bị giảm vì sự cómặt của các điện tích không gian, do đó dễ dàng hơn sự dịch chuyển của điện

tử và lỗ trống qua lớp tiếp xúc này và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy Phương pháp này không đòi hỏi điện trường cao và có thể làm việc ởchế độ liên tục Hiệu suất của phương pháp có thể đạt tới gần bằng 100%

trong đó, L là chiều dài buồng cộng hưởng, λ là bước sóng phát laser, m là

số nguyên, n là chiết suất của vật liệu làm bán dẫn

Buồng cộng hưởng này có thể được tạo ra bằng cách làm bóng haimặt cuối của lớp chuyển tiếp diode để có tác dụng như các gương phản xạ.Hai mặt gương phản xạ này giam photon trong miền tích cực để photonkhông thoát hết ra ngoài được mà được phản xạ lại làm nhiệm vụ nhânphoton (khuếch đại) Buồng cộng hưởng chỉ giữ lại một phần lượng photonsinh ra, phần còn lại thoát ra ngoài trở thành tia laser Buồng cộng hưởngFebry – Perot có hai vai trò:

- Lọc lựa theo hướng của quá trình bức xạ cưỡng bức (chỉ có nhữngphoton truyền dọc theo trục của nó mới phản xạ ngược lại và đi vềphía trước)

- Đảm bảo độ dài của bước sóng (chỉ có những sóng thỏa mãn biểuthức (1.1) mới được giữ lại trong buồng cộng hưởng và được khuếchđại) [1]

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn

Trong các loại laser như laser khí, laser lỏng và laser rắn, bức xạlaser phát ra do chuyển dời của hệ lượng tử giữa các mức năng lượng điện

tử, các mức năng lượng quay hay các mức năng lượng dao động Nguyêntắc hoạt động của laser bán dẫn có điểm khác, nó hoạt động dựa trên việckết hợp hai loại vật liệu bán dẫn khác nhau đó là bán dẫn loại n và bán dẫnloại p, cho bức xạ phát ra tại lớp tiếp xúc p - n Dịch chuyển laser xảy ra

giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong miền chuyển tiếp p – n Ở điều kiệnbình thường, miền chuyển tiếp p – n ở trạng thái cân bằng nhiệt Khi dòngphân cực thuận chạy qua chuyển tiếp p – n sẽ kích thích các điện tử từ mứcthấp lên mức cao (từ vùng hóa trị hoặc các mức tạp lên vùng dẫn) Sau thờigian rất ngắn tồn tại ở các mức cao, các điện tử trở về mức thấp và phátsinh ra các photon.

Hìn

h 1.1.

Sự biến đổi năng

lượng tại lớp tiếp xúc p – n [6].

a) Khi chưa có trường ngoài; b) Khi đặt trường ngoài theo phân cực thuận

1.1.3 Laser diode công suất cao

Trong thực tế không có một định nghĩa chính xác cho khái niệm

“laser diode công suất cao” Các laser diode công suất cao có cấu trúc dịthể giếng lượng tử Trong chuyển tiếp dị thể, bán dẫn loại p được kẹpgiữa hai lớp bán dẫn loại p và n của hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấmlớn hơn Hạt tải bơm từ phía p sang phía n được giam trong lớp bán dẫnvùng cấm hẹp Tại lớp bán dẫn này, quá trình tái hợp bức xạ xảy ra Độrộng vùng cấm của bán dẫn khe hẹp (vùng tích cực) này sẽ xác định bướcsóng phát xạ của laser Để đạt được sự đảo mật độ trạng thái cần thiết đểphát bức xạ cưỡng bức, mật độ hạt tải tự do trong miền tích cực phải cao

hay nói cách khác là phải đạt đến trạng thái suy biến Điều này có thểthực hiện được bằng cách làm mỏng lớp tích cực của bán dẫn vùng cấmhẹp Độ dày này thông thường của các laser dị thể là nhỏ hơn Cấu trúc dịthể được xây dựng trên cơ sở các vật liệu có hằng số mạng tương đồng đểgiảm ảnh hưởng của biến dạng giữa các lớp khác nhau, yếu tố này giớihạn các vật liệu có thể sử dụng cho cấu trúc dị thể của laser bán dẫn.

Hình 1.2 mô tả cấu trúc của một laser diode công suất cao cấutrúc dị thể có lớp tích cực là một giếng lượng tử

Hình 1.2 Cấu trúc của một laser bán dẫn đơn công suất cao cấu trúc

dị thể có lớp tích cực là một giếng lượng tử:a) giản đồ năng lượng;

b) trình tự các lớp epitaxy; và c) cấu trúc hình học

Các laser diode công suất cao hoạt động trong các điều kiện cường

độ làm việc cao; để tạo ra các linh kiện tin cậy một số tính chất của laser

phải tương đương với các linh kiện công suất thấp làm việc trong điềukiện dòng bơm nhỏ hơn nhiều Do đó các cấu trúc tối ưu cho phát xạ côngsuất cao phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

• Hệ số giam giữ quang học phải cao để giảm tối đa dòng ngưỡng

• Độ rộng trường gần phải lớn để giảm góc mở của chùm tia phát ra

• Mất mát tán xạ thấp và các mặt tiếp xúc được nâng cao chất lượng

• Pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp

• Các hàng rào thế giam giữ cao để đạt được giam giữ điện hạt tải tốiưu

Cách đơn giản nhất để tăng công suất phát của chip laser là tăng độrộng miền tích cực hay độ mở phát xạ Để đạt công suất cao, ngoài việctăng chiều dài buồng cộng hưởng, số dải tích cực thì hai mặt buồng cộnghưởng của chúng còn được phủ hai loại màng khác nhau Mặt buồng cộnghưởng sau được phủ màng phản xạ sao cho hệ số phản xạ càng cao càng tốt(hệ số phản xạ này thường ≥ 90%), mặt buồng cộng hưởng trước được phủlớp màng chống phản xạ sao cho hệ số phản xạ tại mặt này còn 10% Lasercông suất cao hoạt động ở các chế độ dòng bơm lớn và mật độ công suấtquang trên bề mặt chip laser rất lớn Vì vậy, nếu không tuân thủ đúng cácquy định hoạt động tuổi thọ laser sẽ không đảm bảo Thông thường, đểlaser diode công suất cao hoạt động được cả ở chế độ xung và liên tục, phíabán dẫn loại p (gần các dải tích cực) được hàn xuống đế toả nhiệt (heatsink) Đế tản nhiệt được đánh bóng và được phủ In trong chân không Cácvật liệu hàn chip laser với đế tỏa nhiệt phải dẫn nhiệt, dẫn điện và có côngtắc ohmic tốt Để đảm bảo sự tản nhiệt, lớp vật liệu hàn chip laser và đế tảnnhiệt phải rất mỏng (< 10µm)

Trong khóa luận này, tôi sử dụng laser diode công suất cao làmnguồn bơm quang học cho laser rắn Nd:YVO4 Laser diode này được lấy rabằng sợi quang, vì vậy vấn đề ta cần quan tâm là chất lượng của chùm laserbơm, sợi quang học, đặc điểm của laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang,…

1.1.3.1 Chất lượng chùm laser

Trong số các tính chất quang lối ra của laser diode, chất lượng chùmtia là một thông số rất quan trọng cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt chobơm quang học Chất lượng chùm tia càng cao, kích thước điểm hội tụ củachùm laser càng nhỏ và do vậy mật độ cường độ bơm của chùm laserdiode càng lớn

Chất lượng chùm tia được đánh giá qua thông số tích tham số chùm tia

Q được tính bằng cách nhân bán kính eo chùm w 0 với nửa góc phân kỳ trong

phân bố trường xa θ o của chùm laser diode Tích tham số chùm tia Q cànglớn, chất lượng chùm tia càng kém Trong trường hợp lư tưởng khi không cóbất kỳ quang sai nào, thông số này không đổi khi chùm tia sáng được biếnđổi qua một linh kiện quang thụ động như thấu kính hay gương [10]

Q = w o θ o /2 = constant (1.2)

Chất lượng chùm tia là lý tưởng khi chùm tia laser có giới hạn nhiễu

xạ, nghĩa là ta có khả năng hội tụ chùm tia thành điểm nhỏ nhất có thể đốivới một bước sóng laser cho trước Một cách chính xác hơn, chất lượngchùm tia cao nhất được xác định bởi bán kính chỗ thắt chùm tia với mộtchùm tia cho trước tạo bởi sự hội tụ chùm tia (ví dụ bằng gương cầu haythấu kính) kết hợp với sự phân kỳ tối thiểu có thể của chùm Như vậy,thông số tích của chùm tia Q có giá trị tối thiểu cho một chùm Gauss(không chỉ có phân bố Gauss về cường độ) mà còn có mặt pha phẳng ởchỗ thắt chùm tia

Do các thông tin về kết cấu và chế tạo của laser bán dẫn, các tínhchất không gian của chùm laser bán dẫn không giống như các laser thôngthường Ở trong mặt phẳng tiếp giáp, sự phân kỳ của chùm laser là thấp vàthường cỡ khoảng 10 độ, tuy nhiên nó vẫn lớn gấp nhiều lần giới hạn nhiễu

xạ Do vậy, chúng ta không đạt được một vết hội tụ (vết bơm) có giới hạnnhiễu xạ ở trong mặt phẳng này và chỉ tạo được một mật độ công suất bơmthấp trên môi trường hoạt chất Ngược lại, sự phân kỳ của chùm laser bándẫn ở trong mặt phẳng vuông góc với mặt tiếp giáp thường rất cao cỡkhoảng 35 - 40 độ, tuy nhiên nó lại rất gần với giới hạn nhiễu xạ Do vậy,chúng ta có thể đạt được một vết hội tụ (vết bơm) ở giới hạn nhiễu xạ ởtrong mặt phẳng này và tạo được một mật độ công suất bơm cao trên môitrường laser rắn

Đối với laser bán dẫn, khi tính toán chất lượng chùm tia phải tínhđến sự bất đối xứng của chùm tia theo hai hướng song song và vuông gócvới chuyển tiếp p-n Đồng thời, trong laser bán dẫn công suất cao (lasergồm nhiều dải phát xạ trên một đơn chip hoặc laser dải rộng) phân bố củachùm tia theo chiều ngang thường là đa mode và còn gọi là dạng sợi do độrộng vùng bức xạ lớn từ vài chục tới vài trăm micromet, trong khi phân bốtheo chiều vuông góc với lớp chuyển tiếp p-n (chiều x) là đơn mode vì độrộng vùng bức xạ theo chiều này (độ dày lớp tích cực) chỉ cỡ micromet

Laser bán dẫn công suất cao trong ứng dụng làm nguồn bơm quangcho laser rắn, thường được thực hiện ở dạng thanh với phân bố chùm tianhư trình bày trên hình 1.3 Các laser đơn được bố trí song song trên thanhlaser Mỗi cấu trúc laser đơn riêng lẻ có thể chứa nhiều phát xạ dải (stripeemitter) hoặc được làm ở dạng phát xạ dải rộng (wide stripe emitter)

Như ta đã biết, trong hướng vuông góc với chuyển tiếp p-n (trục x)

chất lượng chùm tia nói chung gần với giới hạn nhiễu xạ vì chùm tia bức

xạ từ vùng có độ rộng x nhỏ (trong dải μm).

Hình 1.3 Sự phân bố chùm tia của một thanh laser bán dẫn dài 1 cm.

Góc phân kỳ theo trục x rất lớn và có thể có khẩu độ số NA = 0.8

nghĩa là góc mở có thể lên tới 100o Vì chùm tia phân kỳ rất nhanh theo

hướng này nên trục x trong hình 1.3 thường được gọi là “trục nhanh” Ngược lại với “trục nhanh”, kích thước theo hướng y của cấu trúc laser

đơn dải vùng phát xạ thường lớn, có thể lên tới vài trăm μm Chất lượngchùm tia thấp hơn nhiều so với “trục nhanh” và thường kém hơn từ vài lầnđến vài chục lần so với giới hạn nhiễu xạ Góc phân kỳ điển hình vào

khoảng vài độ, chùm tia phân kỳ chậm theo hướng này nên trục y còn gọi

là “trục chậm”

1.1.3.2 Sợi quang học

Khi sử dụng laser diode để bơm cho laser rắn chúng ta cũng cầnquan tâm tới vấn đề tiện lợi trong việc điều chỉnh hệ thống laser được dễdàng hơn (so với khi sử dụng các linh kiện quang học rời rạc), bởi vậy việc

sử dụng sợi quang là cần thiết Sợi quang học được sử dụng rất phổ biếntrong truyền dẫn quang nói chung và đặc biệt trong các kỹ thuật bơm quanghọc có sử dụng laser diode như một nguồn bơm Sau đây tôi xin trình bàyngắn gọn một số thông tin của sợi quang

Sợi quang là ống dẫn sóng, nó cấu tạo bởi một lõi (core) và được baoxung quanh bởi một lớp vật liệu cladding Vật liệu cladding có chiết suấtnhỏ hơn vật liệu của lõi, do vậy ánh sáng có thể bị giam trong lõi vì hiệntượng phản xạ nội toàn phần

Khẩu độ số

Khẩu độ số NA của sợi quang thể hiện góc tới cực đại của tia sáng đivào sợi quang còn bị hiện tượng phản xạ nội toàn phần (giữa mặt tiếp giápcủa lõi và cladding) Khẩu độ số càng cao thì góc tới càng lớn Như vậy,khẩu độ số NA phải được chú ý tới khi thiết kế và xây dựng hệ quang họccho chùm sáng vào và nó cũng quyết định đến góc nón của chùm sáng đi rakhỏi sợi quang

Khẩu độ số NA của sợi quang được xác định bởi định luật Snell vàhình học lượng giác là:

NA = n 0 sinαm = n1

2 / 1 2

1

2 1

Với một vật ở vô cùng, tiêu cự f của một thấu kính liên hệ với khẩu

độ số NA theo biểu thức :

NA= 0 , 5 / f (1.4)

Kích thước của lõi :

Hình 1.4 a) Hình học để biểu diễn khẩu độ số NA cuả sợi quang

(trong lõi); b) cấu trúc sợi quang (1 Lõi, 2 Cladding và 3 Vỏ)

Phần lớn các sợi quang được chế tạo từ silic nung chảy bao gồm mộtlõi ở giữa tâm, nó được bao quanh bởi vật liệu cladding có chiết xuất thấphơn chiết xuất của vật liệu lõi khoảng 1% Một lớp vỏ bảo vệ thường là vậtliệu mềm có thể bao quanh lớp cladding Các sợi quang được sử dụng đểdẫn truyền ánh sáng từ các laser bán dẫn công suất cao thường có đườngkính lõi lớn từ 50 - 100 μm hay có thể lớn hơn Các sợi này được gọi là cácsợi quang đa mode

1.1.3.3 Các đặc điểm của các laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang

Sau khi truyền qua sợi quang đủ dài, chùm tia laser bán dẫn đi ra sẽ

có tiết diện trở thành tròn và có độ phân kỳ phụ thuộc vào hệ số NA của sợiquang θout = θf (θout là độ phân kỳ của chùm ra và θf là độ phân kỳ đượcquyết định bởi khẩu độ số NA của sợi quang) Trong quá trình truyền quasợi quang, độ phân kỳ của chùm theo ‘‘trục chậm’’ tăng lên từ θin = θ// đến

θout = θf = θ⊥ Để làm giảm độ phân kỳ của chùm tia, ta có thể sử dụng mộtthấu kính trụ có tiêu cự rất ngắn đặt giữa sợi quang và dãy laser bán dẫn đểchuẩn trực chùm tia theo chiều của “trục nhanh” bằng với đường kính sợiquang (hình 1.5) Ta cũng có thể sử dụng những sợi quang mà hệ số NA

của nó xấp xỉ với độ phân kỳ của trục chậm: θf = θ// Trong trường hợp nàychùm tia từ dãydiode rộng 200 µm có thể được hội tụ vào sợi quang đườngkính lõi từ 250 – 300 µm và hệ số NA cỡ 0,1.

Hình 1.5 Sử dụng thấu kính trụ để ghép nối dãy laser bán dẫn với

sợi quang đa mode

Khi dùng thanh laser bán dẫn 1 cm làm nguồn bơm, ta có thể sử

dụng những thấu kính trụ rất nhỏ để hội tụ mỗi mảng diode trên thanh vàotừng sợi quang riêng biệt Do mỗi dãy laser bán dẫn dài cỡ 100 µm nên cóthể dùng các sợi quang đường kính lõi 200 µm và hệ số NA = 0,1 (hình1.5) Theo cách này, ta có thể truyền chùm tia laser bơm trong một bó 20sợi quang đường kính 1 – 1,5 mm với độ phân kỳ toàn bộ bằng NA (0,1)của sợi quang Chùm tia bơm sau khi đi qua bó sợi quang sẽ được hội tụ vàbơm dọc vào một đầu thanh hoạt chất hoặc theo 2 đầu chiều dọc của thanh.Với cấu hình bơm này, khi sử dụng các thanh laser bán dẫn để bơm thanhNd: YVO4, hiệu suất truyền tải có thể lên tới 85 %, công suất laser rắn rakhoảng 15 W ở mode TEM00 và hiệu suất biến đổi quang – quang cỡ 50 %

• Ưu điểm của các hệ laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn có sử dụng sợi quang :

- Nhiệt sinh ra của laser bán dẫn sẵn sàng được giải thoát vì các laserbán dẫn không ở cạnh đầu laser rắn

La

Dãy LD f Thấu kính trụ Sợi quang đa mode

θ // θ⊥

- Đầu laser rắn có thể được kết cấu gọn hơn vì laser bơm bán dẫn vàcác điện tử liên quan có thể được kết cấu tách rời xa khỏi đầu laserrắn.

- Dễ dàng thay thế laser bơm bán dẫn nếu chúng bị hỏng mà khôngcần mở đầu laser rắn (như khi sử dụng bơm bằng đèn chớp)

- Việc chỉnh hệ thống laser dễ dàng hơn nhiều (so với khi sử dụng cáclinh kiện quang học rời rạc)

• Nhược điểm của các laser bán dẫn có đầu ra bằng sợi quang :

- Có mất mát năng lượng của laser bán dẫn khi lấy ra với sợi quang

- Đắt hơn do công chế tạo các lối ra quang sợi và khi phải thay thếlaser bán dẫn

- Bơm quang học kém hiệu quả hơn vì mật độ công suất bơm thấp hơn(do không tạo được vết bơm nhỏ từ các laser bán dẫn có lối ra là sợiquang như khi dùng yếu tố quang học rời rạc có NA cao)

- Ngoài ra, khi bức xạ laser đi qua sợi quang thì nó không còn tínhphân cực nữa, do đó làm giảm hiệu suất bơm đối với các môi trườnglaser rắn

thể Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức nănglượng, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa cácmức năng lượng của ion Nd3+ Các thông số quang học chính của các laserNeodymium được trình bày trong bảng 1.1.

Bảng 1.1 Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [10].

1.2.1 Laser Nd: YVO 4

Môi trường laser Nd: YVO4 là môi trường laser đang được phát triểnrất mạnh trong những năm gần đây 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 họccao và có thể nuôi tinh thể thể tích lớn với các đặc tính quang học rất tốt.Mật độ của pha tạp các ion Nd3+ vào khoảng (0,5 ÷ 2) %

Theo lý thuyết laser, ta biết rằng laser có thể hoạt động theo chế độ haimức rộng, ba mức hoặc bốn mức hẹp Laser hoạt động ở chế độ bốn mứcnăng lượng có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt đượcnghịch đảo độ tích luỹ Laser tinh thể Nd3+: YVO4 là một laser điển hìnhhoạt động ở chế độ bốn mức năng lượng Nguyên lý hoạt động của laser ởchế độ 4 mức năng lượng được biểu diễn trên hình 1.6.

Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển từ trạngthái cơ bản 1 lên trạng thái kích thích 4 Do thời gian sống của nguyên tửtrên mức 4 rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồi phục không phát xạ rấtnhanh từ trạng thái 4 về trạng thái 3, mức 3 là mức siêu bền (τ ≈ 10-7 ÷ 10-

14 s) nên nghịch đảo độ tích luỹ được tạo ra giữa mức 3 và mức 2 Sự dịchchuyển cho phát xạ laser xảy ra từ mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2 Từmức 2 những nguyên tử hồi phục nhanh về trạng thái cơ bản 1 [2] Các dịchchuyển quang học khi bơm bằng laser bán dẫn được mô tả trên hình 1.7

2,001 cm -1

11,414 cm -1 11,502 cm -1

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động 4 mức của laser [7].

Hình 1.7 Các dịch chuyển quang học của ion Nd 3+ trong nền YVO 4 [9, tr 370].

Laser Nd:YVO4 hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức với mức cơbản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 (khi bơm quanh vùng 800 nm) và 4F7/2

(khi bơm quanh vùng 700 nm), mức laser trên là 4F3/2 và mức laser dưới là

4I11/2 Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch chuyển từ mức lasertrên về các mức laser dưới sẽ cho ta một loạt các bước xạ laser với bướcsóng khác nhau và xác suất dịch chuyển khác nhau Xác suất dịch chuyểncho bức xạ laser mạnh nhất là quanh vùng 1,06 µm

Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ởnhiệt độ 3000K biểu diễn trên hình 1.8

Hình 1.8 Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd 3+ pha tạp trong nền YVO 4 [8].

Từ phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 chúng ta thấy rằng, phát

xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở vùng bước sóng 1,06 µm Vì vậy,hầu hết các laser Nd:YVO4 được chế tạo hoạt động ở vùng bước sóng này

Phổ hấp thụ của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 3000Kđược biểu diễn trên hình 1.9

Trên hình 1.9, chúng ta thấy phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4

nằm trong một vùng khá rộng từ 300nm đến 1600nm, nhưng mạnh nhất làdải ứng với bước sóng trung tâm 808 nm Vì vậy, các laser Nd:YVO4 thíchhợp cho việc bơm quang học bằng laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm

Hình 1.9 Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO 4 đo ở nhiệt độ 300 0 K [8].

1.2.2 Neodymium trong các vật liệu nền khác

Ngoài YVO4, Neodymium còn được pha vào nhiều loại vật liệu nềnkhác để làm môi trường hoạt tính cho laser, dưới đây ta xét ba loại vật liệunền phổ biến khác, đó là thủy tinh, YAG và YLiF4 (YLF)

1.2.2.1 Laser Neodymium thủy tinh (Nd: glass)

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 YVO4.Chuyển dời bức xạ mạnh nhất cũng ứng với giá trị bước sóng gần với λ ≅

1054 nm Do hiện tượng mở rộng không đồng nhất trong nền thủy tinh nênphổ phát xạ laser Nd:glass rộng hơn so với laser Nd:YVO4, đặc biệt ở bướcsóng 1054 nm phổ phát xạ laser rộng hơn tới 16 lần so với môi trườngNd:YVO4 (Bảng 1.1) Với phổ phát xạ laser rộng, môi trường Nd:glassthích hợp cho việc phát các xung ở chế độ khóa mode, khi bơm bằng laser

diode laser Nd: glass hoạt động ở chế độ khóa mode có thể phát xung có độlớn cỡ 100 fs.

1.2.2.2 Laser Nd:YAG

So với laser Nd:YVO4 thì laser Nd:YAG có tiết diện chuyển dời phát

xạ cưỡng bức nhỏ hơn (do đó độ khuyếch đại sẽ nhỏ hơn) và tiết diệnchuyển dời hấp thụ nhỏ hơn, do đó khi được bơm bằng laser diode hiệusuất laser phát nhỏ hơn khi tinh thể có cùng kích thước

Laser Nd:YAG hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức năng lượng vớimức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 Các dịch chuyển quang học vàquá 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 thíchvào tinh thể Nd:YAG (sử dụng nguồn kích thích là laser diode) các nguyên

tử được kích thích lên trạng thái kích thích 4F5/2, do thời gian sống củanguyên tử trên mức này rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồi phục khôngphát xạ rất nhanh từ trạng thái 4F5/2 về trạng thái 4F3/2 – thời gian sống củanguyên tử trên trạng thái này với ion Nd3+ cỡ vài trăm picô giây (τ ≈ 10-7s)[9], vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền Mức 4F3/2 bị tách thành haimức con, được kí hiệu là T1 và T2, thành phần T2 được gọi là mức lasertrên Khoảng cách năng lượng giữa hai mức T1 và T2 có độ lớn gần 0,011