BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN PHƯƠNG HOA KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT HÒA ÂM BẬC HAI CỦA HỆ LASER Nd:YVO4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC Chuyên nghành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn vật lý 3 Vinh 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN PHƯƠNG HOA KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT HÒA ÂM BẬC HAI CỦA HỆ LASER Nd:YVO 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC Chuyên nghành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn vật lý Mã số : 60.14.10 Cán bộ hướng dẫn:TS ĐOÀN HOÀI SƠN 4 Vinh 2012 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu về chương trình sau đại học của Trường Đại học Vinh, bản thân tôi đã tiếp thu được nhiều kiến thức phong phú và bổ ích dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo và các bộ phận khác của Trường Đại học Vinh. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy hết sức tận tâm và hướng dẫn tận tình của các Thầy Cô. Tôi thành thật tri ân đến Thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn đã giúp tôi định hướng đề tài, đã chỉ dẫn và dành nhiều công sức cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng tri ân chân thành đến với các Thầy giáo trong tổ Quang học - Quang phổ đã đóng góp, chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Vinh đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi nhất. Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý K.18 nói chung và nhóm chuyên ngành Quang học nói riêng đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua các khó khăn để hoàn thành khóa học. Vinh, tháng 9 năm 2012 Tác giả 5 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn……………………………………………… .….………….03 Mở đầu ……………………………….… … 05 Chương 1: Nguyên lý và cấu trúc của hệ laser Nd:YVO 4 ………… .07 1.1. Nguyên lý bơm bốn mức của hoạt chất Nd:YVO 4 ………….… 07 1.1.1. Hệ laser bốn mức ………………………………… .…….… .07 1.1.2. Cấu trúc năng lượng của ion Nd 3+ …………………… .08 1.2. Cấu tạo của laser Nd:YVO 4 . …………………………………… .… .11 1.3. Kết luận chương 1 …………………………………………………… 19 Chương 2: Nguyên tắc phát hòa âm bậc hai từ laser Nd :YVO 4 được bơm bằng laser diode biến điệu độ phẩm chất sử dụng r 4+ :YAG…… .20 2.1. Nguyên lý tạo hòa âm bậc hai……………………………………… .20 2.1.2 Điều kiện phù hợp pha để tạo hòa âm bậc hai………….……… …22 2.1.3 Cấu hình tạo hòa âm bậc hai……………………………………24 2.2 Khảo sát các tính chất của sóng hòa âm bậc hai………….……… 25 2.2.1 Tinh thể phi tuyến KDP……………… .…… ……………… 25 2.2.2 Khảo sát sự phát hòa âm bậc hai của laser Nd:YVO 4 sử dụng tinh thể KDP……………… .…… …………….………………….…….28 2.5. Kết luận chương II…………………… .…… …………….…………35 3. Kết luận chung.…………………….…….……………… ….………….36 Tài liệu tham khảo .……………… ….… 37 MỞ ĐẦU Từ khi được phát minh và ứng dụng cho tới nay, laser đã chứng tỏ vị trí, vai trò đặc biệt quan trọng của mình trong tất cả các lĩnh vực: khoa học công 6 nghệ, vũ trụ học, y học, địa chất,… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser ngày càng được phát triển đa dạng về chủng loại và đồng thời kĩ thuật phát laser ngày càng được hoàn thiện. Các laser rắn - mà trong đó laser Neodymium chiếm một tỉ phần lớn - là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Hiện nay, các laser Neodymium vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng lượng khá thấp chỉ khoảng 1 ÷ 2%. Năng lượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, vì vậy các laser này đòi hỏi phải có các hệ thống làm mát phức tạp. Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser thấp đó là do đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng trong khi đó tinh thể Neodymium chỉ có thể hấp thụ trong một dải phổ hấp thụ hẹp (2 ÷ 3 nm). Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ 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 phổ hẹp (2 ÷ 6 nm), phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser. Do vậy, phương pháp bơm quang học bằng laser diode để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ. Các laser cho công suất phát rất mạnh, tập trung trong một khoảng phổ hẹp, do vậy vấn đề sử dụng mở rộng các ứng dụng của một laser, việc phát được nhiều bước sóng khác nhau với laser rất đáng được quan tâm. Việc sử dụng các tinh thể phi tuyến, dựa vào các hiệu ứng phi tuyến có thể giúp chúng ta giải quyết vấn đề phát hòa âm bậc hai, hòa âm bậc ba, phát sóng tổng hoặc hiệu, biến những tín hiệu hồng ngoại thành những tín hiệu có thể nhìn thấy được . Nhận thức được các vấn đề trên, chúng tôi lựa chọn đề tài luận văn: “Khảo sát quá trình phát hòa âm bậc hai của hệ laser Nd:YVO 4 “. Chương 1: Trình bày những vấn đề tổng quan về kỹ thuật cơ bản về laser Neodymium, phân tích nguyên tắc và điều kiện hoạt động của laser Neodymium. Giới thiệu một số phương pháp điều biến phẩm chất buồng cộng 7 hưởng để phát xung laser ngắn, đây là những cơ sở để khảo sát hoạt động của một hệ laser Nd:YVO 4 và là cơ sở, điều kiện để phát sóng hòa âm bậc hai. Chương 2: Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế hệ laser Nd:YVO 4 phát hòa âm bậc hai sử dụng tinh thể KDP, khảo sát một số đặc trưng của chùm hòa âm bậc hai so với chùm cơ bản với một số kết quả về đặc trưng của laser Nd:YVO 4 . CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ LASER ND:YVO 4 1.1. Nguyên lý bơm bốn mức của hoạt chất Nd:YVO 4 1.1.1. Hệ laser bốn mức Theo lý thuyết laser, ta biết rằng laser có thể hoạt động theo chế độ ba mức hoặc bốn mức năng lượng. Laser hoạt động ở chế độ bốn mức có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được nghịch đảo mật độ tích 8 luỹ. Laser tinh thể Nd:YVO 4 là một laser điển hình hoạt động ở chế độ bốn mức. Nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ 4 mức điển hình biểu diễn trên hình 1.1. Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển của tâm hoạt tính (do hấp thụ 1 photon) từ trạng thái cơ bản 1 tới trạng thái 4. Do thời gian sống của tâm hoạt tính trên mức 4 rất ngắn nên chúng hồi phục không phát xạ rất nhanh từ trạng thái 4 về trạng thái 3. Mức 3 là mức siêu bền nên nghịch đảo độ tích luỹ được tạo ra giữa mức 3 và mức 2. Dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra giữa mức laser trên (3) tới mức laser dưới (2). Từ mức 2 những tâm hoạt tính hồi phục nhanh về trạng thái cơ bản 1. 1.1.2. Cấu trúc năng lượng của ion Nd 3+ Tinh thể laser Nd:YVO 4 là loại tinh thể laser khá phổ biến hiện nay. Mật độ của ion Nd 3+ vào khoảng 0.5 ÷ 2%. Dịch chuyển quang học cho phát xạ laser là dịch chuyển giữa các mức năng lượng của ion Nd 3+ . Thực nghiệm đo được phổ hấp thụ của tinh thể có tỉ lệ 0.5% và 3% như sau. 9 Hấp thụ 1 photon bơm Chuyển dời không phát xạ Phát xạ tự phát 1 photon Phát xạ cưỡng bức Hồi phục 1 2 3 4 Hình 1.1. Nguyên lý laser 4 mức. Hấp thụ cảm ứng Hình 1.2. Phổ hấp thụ của tinh thể Nd:YVO 4 (dày 1mm ) từ 400 nm đến 1600 nm với mức độ pha tạp (a) 0.5%, (b) 3%. Hình 1.3. Phổ huỳnh quang của Nd:YVO 4 từ 800 nm đến 1600 nm khi pha tạp 1.1 %. Ta nhận thấy, độ truyền qua của tinh thể đối với các bước sóng trong vùng 600 nm và 800 nm là nhỏ nhất, độ hấp thụ là cao nhất. Do đó, khi các bước sóng này chiếu tới tinh thể, sẽ bị hấp thụ mạnh nhất, nên chúng kích thích phân tử trong tinh thể chuyển lên các mức năng lượng cao hơn, đó là các mức 4F 5 / 2 . Từ đó ta có thể bơm kích thích thích tinh thể Nd:YVO 4 bằng vùng bước sóng 800 nm, thực nghiệm cho thấy có thể dùng laser bán dẫn (LD) có bước sóng 804, 808, 812 nm để làm nguồn bơm cho hiệu quả tốt. Từ hình 1.3. Phổ huỳnh quang của Nd:YVO 4 cho thấy, khi bị kích thích Nd:YVO 4 phát ra bước sóng ở vùng 10 3 nm < λ< 1,1.10 3 nm là mạnh nhất. 10 (b)(a) Ở vùng 10 3 nm < λ< 1,1.10 3 nm phổ huỳnh quang của tinh thể Nd:YVO 4 là lớn nhất, đặc biệt là tinh thể đã phát ra bước sóng 1064nm như thực nghiệm. Các dịch chuyển năng lượng của ion Nd 3+ tham gia vào quá trình laser: Bảng 1.1. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Nd 3 . 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 60% (đỉnh xung) 11 804 808 812 1064 946 4 F 5/2 4 I 11/2 4 F 3/2 4 I 9/2 Hồi phục không phát xạ Hấp thụ Phát xạ Hình 1.4. Các mức năng lượng Nd 3+ tham gia vào quá trình laser . 1.0737 1.1119 1.1158 1.1225 4 F 3/2 – 4 I 13/2 1.3184 1.3331 1.3351 1.3381 1.3533 1.3572 14% 4 F 3/2 – 4 I 15/2 1.833 1% Do nguồn bơm (laser diode) có phổ phát xạ hẹp (2 ÷ 3 nm), trong trường hợp sử dụng laser này làm nguồn bơm, có thể kích thích đồng thời một nhóm ba tới bốn dịch chuyển với hiệu suất cao từ mức 4 I 9/2 lên mức 4 F 5/2 . Những ion Nd 3+ ở trạng thái 4 F 5/2 hồi phục rất nhanh đến mức laser trên 4 F 3/2 , khi bơm mạnh tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 4 F 3/2 và mức 4 I 11/2 . Dịch chuyển cho phát xạ laser diễn ra giữa mức laser trên 4 F 3/2 và mức laser dưới 4 I 11/2 ứng với bước sóng phát xạ 1064 nm. Khi có một vài dịch chuyển này thì lập tức các nguyên tử ở trạng thái kích thích sẽ bị phát xạ cảm ứng theo, tạo nên chum laser bước sóng 1064nm. Sau đó, từ mức 4 I 11/2 những ion Nd 3+ lại hồi phục về mức cơ bản 4 I 9/2 . 1.2. Cấu tạo của hệ laser Nd:YVO 4 . 1.2.1. Hoạt chất laser Neodym Laser Thuỷ tinh Neodym được chế tạo đầu tiên ở Mỹ. Thành phần hoá học tạo nên thuỷ tinh quang học như sau: 59% SiO 2 , 25% BaO, 15% K 2 O, 1% Sb 2 O 3 , cùng với 1-2% Nd 2 O 3 . Khối lượng riêng của thủy tinh cỡ 3g/ cm 3 và chiết suất n= 1,54. Thuỷ tinh hoạt hóa này là thuỷ tinh cấy thêm Nd 3+ , hấp thụ mạnh vùng 0,58 µm. Tuy nhiên, hiệu suất của laser này không lớn và tinh thể này quá bé với đường kính vài chục µm. 12 . đề tài luận văn: Khảo sát quá trình phát hòa âm bậc hai của hệ laser Nd:YVO 4 “. Chương 1: Trình bày những vấn đề tổng quan về kỹ thuật cơ bản về laser. pha để tạo hòa âm bậc hai ……….……… …22 2.1.3 Cấu hình tạo hòa âm bậc hai …………………………………24 2.2 Khảo sát các tính chất của sóng hòa âm bậc hai ……….………