Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh -----**----- Nguyễn Cảnh Lợi Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt trong hoạt chất laser raman Chuyên ngành: Quang học Mã số 62.44.11.01 luận văn thạc sĩ vật lí Ngời hớng dẫn khoa học: Pgs- ts hồ quang quý vinh - 2008 1 Lời cảm ơn Tác giả xin đợc b y t lòng bit n sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo, đặc biệt là thy giáo PGS.TS. H Quang Quý, ngi ã nh hng, ch dn tn tình cho tác giả trong sut qúa trình hc tp, nghiên cu. Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS. Đinh Xuân Khoa, thầy giáo TS. Cao Thành Lê, thầy giáo TS. Vũ Ngọc Sáu, thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Huy Công, các thầy giáo trong nhóm Quang học Quang phổ trờng ĐH Vinh đã có những ý kiến đóng góp quý báu trong quá trình tác giả thực hiện luận văn này. Tác giả xin chân th nh c m n ti các thy giáo, cô giáo khoa Vt lý, khoa o t o Sau i hc trng i Hc Vinh ã nhit tình ging dy v t o iu kin thun li, giúp tác giả trong sut quá trình hc tp. Xin cảm n tập thể lớp Cao Học 14 chuyên ngành Quang Học, gia ình cùng ngời thân, bn bè, anh em v các ng nghip ã ng viên, giúp tác giả hoàn thành nhiệm vụ. Vinh, tháng 10 nm 2008 Tác giả luận văn Nguyễn Cảnh Lợi 2 Mục Lục Trang Mở đầu 1 Chơng 1: Hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser . 4 1.1 Quá trình hình thành trờng nhiệt trong hoạt chất laser 4 1.2 Gradient nhiệt trong hoạt chất laser 5 1.3 Các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser và ảnh hởng của chúng lên hoạt động của laser 7 1.3.1. Hiệu ứng thấu kính nhiệt 7 1.3.2. Thay đổi cấu trúc chùm tia do hiệu ứng thấu kính nhiệt . 8 1.3.3. ảnh hởng nhiệt lên tần số làm việc của laser . 11 1.4 Kết luận chơng1 15 Chơng 2: Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman phát sóng stokes 16 2.1. Cấu trúc của laser Raman phát sóng Stokes 16 2.2. Phân bố năng lợng bơm trong hoạt chất laser Raman 18 2.3. Phân bố nồng độ kích hoạt của tâm hoạt trong hoạt chất Raman 18 2.4. Quá trình sinh nhiệt trong quá trình hoạt động của laser Raman phát sóng Stokes 21 2.5. Phân bố nhiệt độ trong hoạt chất Raman 22 2.6. Phân bố chiết suất trong hoạt chất Raman 25 2.7. Kết luận chơng 2 27 Chơng 3: Hiệu ứng nhiệt trong laser raman phát sóng đối Stokes 29 3.1. Cấu trúc laser Raman phát sóng đối stokes 29 3.2. Phân bố năng lợng của các sóng trong hoạt chất Raman 29 3.3. Quá trình sinh nhiệt và huỷ nhiệt trong quá trình hoạt động của laser Raman phát sóng đối Stokes 30 3.4. Phân bố nồng độ kích hoạt của tâm hoạt trong hoạt chất 32 3.5. Phân bố nhiệt trong hoạt chất . 36 3.6. Thay đổi chiết suất trong hoạt chất . 37 3.7. Kết luận chơng 3. 40 kết luận chung . 42 tài liệu tham khảo 43 Mở đầu 3 Laser cho ta nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc và định hớng. Định hớng và đơn sắc (phát ổn định một bớc sóng) là hai trong số các tính chất của laser đã phát huy đợc tính u việt của chúng trong ứng dụng thực tế và trong khoa học công nghệ[4]. Khi công nghệ ngày càng cao thì yêu cầu về hai tính chất này càng cao, thể hiện ở sự ổn định của chúng. Tuy nhiên trong thực tế hoạt động của laser nhiều yếu tố công nghệ và kỹ thuật nh rung động về cơ khí, các hiệu ứng phi tuyến khi công suất laser lớn, đặc biệt hiện tợng Gradient nhiệt trong hoạt chất đã làm cho tính ổn định mất đi. Hiệu ứng Gradient nhiệt (hay hiệu ứng nhiệt nói chung) thờng xuất hiện do sự phân bố không đều năng lợng bơm, quá trình bơm quang học không kết hợp (chủ yếu là bơm ngang) hoặc do phân bố năng lợng theo tiết diện ngang của chùm tia bơm kết hợp (chủ yếu là bơm dọc). Trong quá trình bơm ngang bằng nguồn không kết hợp, quá trình sinh nhiệt chủ yếu do năng lợng d thừa không tham gia vào quá trình hấp thụ cỡng bức. Năng lợng d thừa đó gây quá trình dao động nội của hoạt chất laser và kết quả là quá trình sinh nhiệt xẩy ra trong hoạt chất. Hiện tợng sinh nhiệt không đồng nhất trong hoạt chất, thông thờng nhiệt độ ở tâm sinh ra lớn hơn ở biên hoạt chất. Quá trình sinh nhiệt đó thay đổi theo bán kính xuyên tâm và theo thời gian hoạt động của quá trình bơm. Gradient nhiệt xuất hiện sẽ làm cho chiết suất của hoạt chất thay đổi theo, kết quả hình thành trong đó một thấu kính nhiệt[4,17]. Sự xuất hiện thấu kính nhiệt nhất thời trong hoạt chất sẽ làm thay đổi cấu trúc buồng cộng hởng. Thay đổi cấu trúc buồng cộng hởng tức là thay đổi cấu trúc của chùm tia phát ra, đặc biệt thay đổi tính định hớng của nó. Nhiệt độ trong hoạt chất thay đổi sẽ làm thay đổi cấu trúc năng lợng của tâm hoạt và dẫn tới sự thay đổi phổ hấp thụ và phát xạ. Sự thay đổi này sẽ dẫn tới thay đổi b- ớc sóng phát và giảm tần số lặp, thậm chí dập tắt quá trình phát của laser. Trong quá trình bơm dọc bằng các nguồn laser kết hợp sự xuất hiện Gradient nhiệt chủ yếu do phân bố năng lợng theo tiết diện ngang của chùm tia 4 bơm. Nh ta đã biết các nguồn laser phần lớn có cấu trúc MOD 00 , năng lợng của nó phân bố theo hàm Gauss. Các mật độ tâm hoạt bị kích hoạt lên mức laser trên tỷ lệ thuận với năng lợng kích thích, do đó cũng có phân bố dạng Gauss theo tiết diện ngang của hoạt chất. Sự phân bố không đồng nhất của tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang tất nhiên dẫn đến quá trình khuếch đại không đồng đều trên tiết diện ngang. Hậu quả phân bố năng lợng của chùm laser phát ra không tuân theo thiết kế của buồng cộng hởng ban đầu. Đặc biệt đối với laser Raman, khi tâm hoạt kích thích phân bố không đều trên tiết diện ngang của hoạt chất, dẫn đến mật độ các dao động nhiệt do quá trình tích thoát của chúng về trạng thái cơ bản không đều. Tức là quá trình sinh nhiệt không đều trên tiết diện ngang của hoạt chất[17]. Cũng nh trên quá trình thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi cấu trúc chùm tia laser phát ra. Quá trình sinh nhiệt trong laser Raman chủ yếu do chuyển dịch Stokes, khi đó các tâm hoạt ở mức dao động kích thích không tham gia vào quá trình dao động laser (không sinh nhiệt) mà chỉ dao động nhiệt để trở về trạng thái cơ bản. Nếu các tâm hoạt này tham gia vào quá trình dao động laser phát sóng đối Stokes thì số lợng dao động nhiệt sẽ giảm đi, tức là xuất hiện quá trình huỷ nhiệt trong hoạt chất. Hai quá trình sinh nhiệt và huỷ nhiệt xẩy ra đồng thời nếu trong hoạt chất laser Raman xẩy ra đồng thời dịch chuyển Stokes và đối Stokes. Hiện tợng luận trên sẽ đợc minh chứng trong nghiên cứu của chúng tôi và đợc trình bày trong luận văn với cấu trúc sau: Chơng 1. Các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser sẽ trình bày quá trình hình thành nhiệt, gradient nhiệt, các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser nới chung và ảnh hởng của chúng đến hiệu suất laser. Chơng 2. Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman phát sóng Stokes sẽ trình bày phân bố năng lợng bơm, phân bố nồng độ tâm hoạt bị kích thích, phân bố nhiệt và chiết suất trong hoạt chất Raman của laser phát sóng Stokes. 5 Chơng 3. Hiệu ứng nhiệt trong laser Raman phát sóng đối Stokes sẽ trình bày phân bố năng lợng bơm, phân bố nồng độ tâm hoạt bị kích thích, phân bố nhiệt và chiết suất trong hoạt chất Raman của laser phát sóng đối Stokes. Cuối cùng là phần kết luận chung nêu lên một số kết quả chính đã nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn. 6 Chơng 1. hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser 1.1. Quá trình hình thành trờng nhiệt trong hoạt chất laser Nh chúng ta đã biết, hoạt chất của laser bao gồm một phần các tâm hoạt có phổ hấp thụ trong một vùng nhất định và phần lớn là các chất nền. Các chất nền có thể là hỗn hợp đồng nhất dạng khí, lỏng hoặc dạng tinh thể đối xứng tâm. Các tâm hoạt phân bố đều trong chất nền. Nhờ các nguyên tử, phân tử trong chất nền mà phổ hấp thụ, phát xạ của hoạt chất laser đợc xác định[4]. Dới tác động của nguồn bơm các tâm hoạt hấp thụ cộng hởng một phần năng lợng nguồn bơm, phần còn lại sẽ bị hấp thụ không cộng hởng của chất nền để dao động nhiệt làm nhiệt độ hoạt chất tăng lên. Năng lợng của nguồn bơm thông th- ờng phân bố không đều trong hoạt chất, đặc biệt trên tiết diện ngang. Điều này dẫn đến xuất hiện gradient nhiệt trong hoạt chất[4,12, 18]. Ví dụ: Laser rắn sử dụng hoạt chất là các tinh thể có cấy các ion kim loại đất hiếm. Các tinh thể Alexandrite (BeAl 2 O 4 -Cr 3+ ), Fosterite (Mg 2 SiO 4 -Cr 4+ ), Saphie (Al 2 O 3 -Ti 3+ ), YAG- Neodym (Y 3 Al 5 O 12 -Nd 3+ ), hấp thụ mạnh vùng phổ từ 400 đến 850nm và bức xạ vùng hồng ngoại gần, từ 700 đến 1600nm (hình1.1) Hình 1.1 Phổ hấp thụ (a) và phát xạ (b) của hoạt chất laser YAG:Nd a b 7 [4]. Trong vùng phổ hấp thụ của của hoạt chất laser rắn chỉ có một vài vạch phổ hẹp sau khi hấp thụ đợc biến đổi thành năng lợng laser, còn gọi là vạch hiệu dụng. Các vạch còn lại trong phổ hấp thụ sẽ biến thành nhiệt năng - gọi là vạch phi hiệu dụng. Nhiệt năng này sẽ làm thay đổi nhiệt độ của hoạt chất, mà từ đó sẽ gây ra nhiều hiệu ứng khác nhau: 1) Giảm công suất phát. 2) Gây bất ổn định công suất. 3) Gây bất ổn định cấu trúc chùm tia. 4) Làm hỏng hoạt chất[1,4]. Từ các lý do trên việc nghiên cứu về quá trình ổn định nhiệt cho hoạt chất bằng cách làm lạnh là rất quan trọng. Tiếp theo sau đây chúng ta sẽ xem xét một số hiệu ứng nhiệt trong quá trình làm việc của laser. 1.2. Gradient nhiệt trong hoạt chất laser Năng lợng nhiệt trong hoạt chất laser xuất hiện nhờ sự biến đổi quang nhiệt. Quá trình biến đổi quang năng của đèn bơm sang nhiệt năng trong hoạt chất xẩy ra rất nhanh, nhanh hơn quá trình truyền nhiệt của hoạt chất. Do đó hoạt chất sẽ trở thành nguồn nhiệt của chính hoạt chất khi đợc bơm quang học. Sự thay đổi nhiệt trong hoạt chất phụ thuộc vào thời gian và không gian. Phơng trình truyền nhiệt mô tả quá trình sinh nhiệt của một môi trờng hoạt chất đồng nhất, có đặc trng nhiệt không đổi nh sau[4]: ( ) ( ) ( ) += G tzyxP tdgradTdiv G K t tdT ,,, , , (1.1) trong đó: + T(d,t) là trờng nhiệt phụ thuộc vào bán kính hoạt chất và thời gian t( o K), + K là hệ số dẫn nhiệt (W/cm o K), 8 + G là nhiệt dung riêng của hoạt chất (J/kg o K), + P (x,y,z, t) là công suất đốt nóng của hoạt chất (W). Bằng cách tính gần đúng theo phơng trình (1.1), quá trình hình thành trờng nhiệt trong hoạt chất đợc thể hiện trên hình 1.2[4]. Trong hình 1.3.A, một chu kỳ hoạt động laser gồm hai chu kỳ nhỏ: chu kỳ bơm và chu kỳ làm lạnh (khi đèn bơm dừng). Cho tới thời điểm t 1 nhiệt độ của hoạt chất là T c (nhiệt độ ban đầu). Trong chu kỳ bơm thứ nhất, t b = t 2 t 1 , nhiệt độ sẽ tăng lên đến T b1 . Sau khi dừng bơm, tức là trong chu kỳ làm lạnh, t ll = t 3 t 2 , nhiệt độ giảm xuống T 01 . Tại thời điểm t 3 , chu kỳ làm việc thứ nhất kết thúc, bắt đầu chu kỳ thứ hai, tức là bơm quang học hoạt động trở lại. Nhiệt độ lại tăng lên cho đến khi chu kỳ hai kết thúc. Tại thời điểm t 4 nhiệt độ đạt T 02 . Quá trình này lặp lại nhiều lần cho đến một thời điểm, trạng thái nhiệt ổn định, dạng và giá trị trờng nhiệt ổn định, T st . Đây gọi là trạng thái tựa ổn định trờng nhiệt trong hoạt chất. Hình 1.2 Quá trình hình thành trường Gradient nhiệt trong hoạt chất 9 Trong hình 1.3B ta thấy quá trình ổn định trạng thái nhiệt và nhiệt lợng trong hoạt chất phụ thuộc vào tần số lặp lại của laser. Tần số lặp càng cao thì quá trình ổn định càng nhanh và nhiệt lợng trong hoạt chất càng lớn, ngợc lại khi tần số thấp. Phân bố trờng nhiệt trên tiết diện ngang của hoạt chất thay đổi theo dạng Gradient - ta gọi xuất hiện Gradient nhiệt trong hoạt chất. Trạng thái này trong hoạt chất xuất hiện một số hiệu ứng sau nhiệt[4]. 1.3. Các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser và ảnh hởng của chúng lên hoạt động của laser 1.3.1. Hiệu ứng thấu kính nhiệt Hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành trong hoạt chất, do sự thay đổi chiết suất theo nhiệt độ và hiệu ứng quang đàn hồi do ứng suất nhiệt[1, 4]. Sự thay đổi chiết suất trong quá trình hoạt động của laser sẽ biến hoạt chất đồng nhất ban đầu thành một thấu kính - gọi là thấu kính nhiệt, có tiêu cự xác định theo biểu thức sau: ( ) ( ) = 32 00 10, 2 1 nC dT dn n Lhn K f n (1.2) trong đó: Hình 1.3 Quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất (A) và quá trình ổn định nhiệt phụ thuộc tần số lặp (B) 10 . Chơng 1: Hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser . 4 1.1 Quá trình hình thành trờng nhiệt trong hoạt chất laser 4 1.2 Gradient nhiệt trong hoạt chất laser. thành nhiệt, gradient nhiệt, các hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser nới chung và ảnh hởng của chúng đến hiệu suất laser. Chơng 2. Hiệu ứng nhiệt trong laser