Đặc trưng động học của laser cr lisaf được bơm bằng laser diode

Đây là môi trường laser rắn rất lý tưởng hiện đang được quan tâm đặc biệt vì nó có phổ phát xạ băng rộng 200nm tạo cho nó khả năng điều chỉnh bước sóng trong vùng hồng ngoại gần và có

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-

PHẠM HỒNG TRƯỜNG

ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC CỦA LASER Cr:LiSAF

ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC

Mã số: 60 44 01 09

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Đoàn Hoài Sơn

Nghệ An, 2016

1

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến

thầy hướng dẫn khoa học TS.Đoàn Hoài Sơn – người trực tiếp hướng dẫn tôi

trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn Sự nhiệt tình, tận tâm chỉ dẫn của thầy là yếu tố quan trọng góp phần giúp tôi hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy, cô giảng dạy đã tận tình chỉ dẫn tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Phòng Sau Đại học, khoa Vật Lý và Công Nghệ trường ĐH Vinh đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến BGH và tổ bộ môn Vật Lý và Công nghệ trường THPT Nghi Lộc 4 (nơi tôi đang công tác) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và giảng dạy

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Vinh, tháng 3 năm 2016

Tác giả

Phạm Hồng Trường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 9

Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU RẮN Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER 13

1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF 14

1.1.1 Cấu trúc tinh thể 14

1.1.2 Cấu trúc năng lượng của ion Cr3+ 15

1.1.3 Nguyên lý và điều kiện hoạt động của laser Cr:LiSAF 19

1.2 Buồng cộng hưởng laser Cr:LiSAF 22

1.2.1 Buồng cộng hưởng laser băng rộng 22

1.2.2 Buồng cộng hưởng laser băng hẹp 22

1.2.2.1 Laser băng hẹp sử dụng cách tử nhiễu xạ 23

1.2.2.2 Laser băng hẹp sử dụng lăng kính 25

1.2.2.3 Laser băng hẹp sử dụng phin lọc lưỡng chiết 26

1.3 Nguồn bơm cho laser rắn 28

1.3.1 Bơm bằng đèn 29

1.3.2 Bơm bằng laser diode 30

1.3.2.1 Bơm ngang bằng laser diode 32

1.3.2.2 Bơm dọc bằng laser diode 33

1.4 Kết luận: 35

CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG XUNG LASER DIODE 36

2.1 Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng 36 2.2 Động học laser Cr:LiSAF băng rộng sử dụng hệ phương trình tốc độ đa

3

bước sóng 40

2.2.1 Nghiên cứu dao động hồi phục và quá độ BCH của laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung laser diode 42

2.2.1.1 Ảnh hưởng của năng lượng xung bơm lên dao động hồi phục 43

2.2.1.2 Ảnh hưởng của thông số BCH lên dao động hồi phục 44

2.2.1.3 Phát các xung laser đơn và ngắn nhờ quá trình quá độ BCH 47

2.2.2 Tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung laser diode 50

2.3 Động học phổ laser rắn Cr:LiSAF băng hẹp 53

2.4 Kết luận 57

KẾT LUẬN CHUNG 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC……… 61

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:

I i (X) Cường độ laser ở bước sóng X [cm-2µs-1]

X Bước sóng laser [nm]

N g Mật độ tích lũy ở trạng thái kích thích của môi trường laser [cm-3]

N Mật độ ion toàn phần của môi trường laser [cm-3]

N 0 Mật độ tích lũy ở trạng thái cơ bản của môi trường laser [cm-3]

R p Tốc độ bơm trên một đơn vị thể tích [cm-3µs-1]

P P Công suất bơm ở bước sóng bơm [W]

Pth Công suất ngưỡng laser [mW]

λP Bước sóng bơm [nm]

rP Bánh kính vết bơm [cm]

τP Độ rộng xung bơm [µs]

τ g Thời gian sống huỳnh quang của môi trường laser [µs]

τa Thời gian sống huỳnh quang của chất hấp thụ bão hòa [µs]

τ c Thời gian sống của photon trong BCH [µs]

T r Thời gian đi lại của photon trong BCH [µs]

l g Độ dài môi trường laser [cm]

l a Độ dài của chất hấp thụ bão hòa [cm]

L Chiều dài của BCH [cm]

n g Chiết suất của môi trường laser

n a Chiết suất của môi trường chất hấp thụ bão hòa

δ Mất mát buồng cộng hưởng

δ 1 Các mất mát khác do hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ

R 1 Hệ số phản xạ gương M1 ở bước sóng laser (R1=1)

R 2 Hệ số phản xạ gương ra ở bước sóng laser

r Bán kính cong của gương cầu [mm]

T oc Tốc độ truyền qua gương ra

5

i Hằng số đặc trưng cho bức xạ tự phát ở bước sóng λi [cm.µs-2]

σgai(λi) Tiết diện hấp thụ của môi trường laser ở λ i [cm2]

σ gei (λ i ) Tiết diện phát xạ cưỡng bức của môi trường laser λ i [cm2]

σ p Tiết diện phát xạ hấp thụ của môi trường laser tại λ p [cm2]

N a0 Mật độ tích lũy toàn phần của chất hấp thụ bão hòa .[cm-3]

T 0 Độ truyền qua ban đầu của chất hấp thụ bão hòa [%]

N a Mật độ tích lũy ở trạng thái cơ bản của chất hấp thụ bão hòa .[cm-3]

α Hệ số hấp thụ ở bước sóng bơm λ p [cm-1]

h Hằng số Planck [J.µs]

c Tốc độ ánh sáng trong chân không [cm/µs]

k Số bước sóng (tham gia vào tính toán)

 Tổng theo bước sóng

E out Năng lượng laser ra [µJ]

E p Năng lượng bơm [µJ]

A Góc quay của tấm BF (góc điều chỉnh) [0]

d Độ dày tấm BF [mm]

 Góc giữa trục quang học và bề mặt tấm BF [0]

Các chữ viết tắt:

BCH Buồng cộng hưởng

BF Phin lọc lưỡng chiết (Birefringent filter)

Q-switching Biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng

Colquiriite Họ các chất nền fluoride (LiSAF, LiCAF và LiSGAF)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Danh mục các Bảng biểu:

Trang Bảng 1.1 Thông số của một số môi trường laser điều chỉnh bước sóng [18] 17 Bảng 1.2: Các môi trường laser rắn và nguồn bơm laser diode [10]: 32 Bảng 2.1 Các tham số sử dụng trong tính toán [8,12] 41

Danh mục các Hình vẽ:

Hình 1.3 Giản đồ các mức năng lượng của ion Cr

3+ trong colquiriite và sơ

đồ tương đương 4 mức cho hoạt động laser [12] 18

Hình 1.6 Sơ đồ BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp sử dụng cách tử ở cấu hình

Hình 1.10 Thanh lase rắn được bơm (a) ngang và (b) dọc bởi laser diode

với mode BCH được chỉ ra bên trong tinh thể[12] 33

Hình 1.11 Các cấu hình BCH laser Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser

Hình 2.1 Cấu hình laser rắn Cr: LiSAF được bươm bằng laser diode[10,12] 37 Hình 2.2 Tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng 41

7 rộng được bơm bằng các xung laser diode Các thông số của

BCH, môi trường laser và bơm L=50 cm, R 1 =1, R2=0,95, lg=0,4

cm, N=2,6.1020 cm-3, τp=100µs, rp=15µs, λp=660 nm và Ep=12µJ

[12]

Hình 2.3

Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào

năng lượng xung bơm ở L=50 cm và R2= 0,8 Trục bên trái diễn

tả cường độ laser I(t) và trục bên phải của mỗi đồ thị biểu diễn

mật độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) của môi trường laser

a) Ep=11 µJ; b) Ep=13 µJ; c) Ep=25 µJ; d) Ep=500 µJ

[12]

43

Hình 2.4

Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào hệ

số phản xạ gương ra R2 ở L=50 cm và Ep= 25µJ Trục bên trái

diễn tả cường độ laser I(t) và trục bên phải của mỗi đồ thị biểu

diễn mật độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) của môi trường laser a)

R2=0,6; b) R2=0,7; c) R2=0,8; d) R2=0,99; [12]

45

Hình 2.5

Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào

chiều dài BCH ở R2=0,8 và Ep=13µJ Trục bên trái diễn tả cường

độ laser I(t) và trục bên phải của mỗi đồ thị biểu diễn nghịch đảo

độ tích lũy Ng(t) của môi trường laser

a) L=5 cm; b) L=20 cm; c) L=50 cm; d) L=100 cm; [12]

46

Hình 2.6

Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH của

laser Cr:LiSAF với hệ số phản xạ của gương ra R2=0,5 và năng

lượng xung bơm gần ngưỡng Ep=31,1 µJ Độ rộng xung và năng

lượng xung đơn như là hàm của chiều dài BCH được chỉ ra ở

hình phía trên [12]

48

Hình 2.7

a) Độ rộng xung bơm và b) năng lượng xung đơn của laser rắn

Cr:LiSAF phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương ra R2 ở các độ

dài BCH khác nhau [12]

49

Hình 2.8 Ảnh hưởng của năng lượng xung bơm Ep lên tiến trình phổ - thời 51

gian của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L=50 cm và R2=0,8

a) Ep=11µJ; b) Ep=13µJ; c) Ep=25µJ; d) Ep=500µJ; [12]

Hình 2.9

Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L= 50 cm và Ep=25 µJ a) R2=0,6; b)

53

Hình 2.11

Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF điều chỉnh liên tục bước sóng nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH được bơm bằng laser diode [8],[12]

54

Hình 2.12

Động học laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH (L=50 cm, R2=0,95, Pp= 100 mW và tấm BF có độ dày d= 0,3 mm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 và A = 47,70)

a) Tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp, b) Các dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc thời gian,

c) Phổ laser phân tích của các phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp

55

Hình 2.13

a) Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày tấm BF (với độ dày các tấm thay đổi từ 0,2- 1 mm ở tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) và b) là dải điều chỉnh liên tục bước sóng của laser Cr:LiSAF băng hẹp từ 780 ÷ 920 nm nhờ sử dụng tấm BF trong BCH.[12]

56

Hình 2.14

Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp vào

độ dày các tấm BF (với độ dày thay đổi từ 0,1 ÷ 1 mm ở tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) đặt trong BCH.[12]

57

9

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation) là một trong những thành tựu khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ

XX Trong những năm gần đây, khoa học - công nghệ laser đã phát triển mạnh

mẽ và đạt được những thành tựu có ảnh hưởng trực tiếp lên các lĩnh vực khác nhau trong khoa học, công nghệ và đời sống xã hội

Các loại laser rắn mà trong đó laser Neodymium là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học - quang phổ So với laser màu thì laser rắn có ưu điểm là nhỏ gọn, hạn chế độc hại và cho phép phát xung với năng lượng lớn Năm 1989,

Payne và các cộng sự là những người đầu tiên đã phát hiện ra môi trường laser

rắn mới là các tinh thể thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha tạp ion Chromium Đây là môi trường laser rắn rất lý tưởng hiện đang được quan tâm đặc biệt vì nó có phổ phát xạ băng rộng (200nm) tạo cho nó khả năng điều

chỉnh bước sóng trong vùng hồng ngoại gần và có thể phát được các xung laser cực ngắn với thời gian sống huỳnh quang dài

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, có thể 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 Phương pháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng được nâng lên đáng kể, đồng thời cấu hình laser cũng trở nên gọn hơn Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10% ÷ 80%

Laser rắn phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng đang được chú ý phát triển vì đó là một thiết bị quan trọng trong khoa học - công nghệ Những năm

gần đây, các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh bước sóng đã phát triển mạnh nhờ hai tiến bộ sau: (i) các phương pháp và kỹ thuật nuôi tinh thể mới đã được tạo ra, các tinh thể laser rắn mới (như Ti:sapphire, Cr:colquiriite, Cr:forsterite, Ce:colquiriite ) chất lượng cao đã trở nên sẵn có và (ii) các nguồn bơm quang học chất lượng tốt, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn (sau đây gọi chung là 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 hẹp (2 ÷ 3 nm) phù hợp với phổ hấp thụ của các tinh thể laser rắn Do vậy, bơm quang học bằng laser diode trong laser rắn đã được phát triển mạnh

mẽ Ngày nay, việc phát triển các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng đã trở thành hướng nghiên cứu sôi nổi trong nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới

Trong các môi trường laser có khả năng điều chỉnh bước sóng, một trong những tâm hoạt chất được nghiên cứu rộng rãi nhất là ion crôm (chromium) Điều này chủ yếu là do sự ổn định hóa học của các trạng thái ion trong mạng tinh thể và phổ hấp thụ của nó phù hợp với nguồn bơm quang học, đặc biệt là nguồn bơm sử dụng laser diode Trong đó, các fluoride như các tinh thể nền LiCAF, LiSAF và LiSGAF (được gọi chung là họ colquiriite) pha tạp ion Cr3+ (Cr:colquiriite) là các môi trường khuếch đại quang được quan tâm nhất [15] Phạm vi điều chỉnh bước sóng laser sử dụng các tinh thể này phụ thuộc vào chất nền và kéo dài khoảng từ 700 nm đến 1000 nm Như vậy, các laser Cr:colquiriite có băng phổ rộng tương tự như laser Ti:sapphire nên có khả năng phát được các xung cực ngắn (< 10 fs) và điều chỉnh bước sóng Tuy nhiên, các laser Cr:colquiriite (thí dụ Cr:LiSAF) có những ưu điểm vượt trội so với laser Ti:sapphire, đó là khả năng được bơm trực tiếp bằng đèn chớp hoặc laser diode trong vùng sóng đỏ và tích số giữa tiết diện phát xạ và thời gian sống huỳnh quang (322 X 10"20 cm2µs) lớn hơn so với Ti:sapphire (130 X 10"20 cm2µs) Tham số này sẽ giúp cho các laser Cr:colquiriite có ngưỡng laser khá thấp, hiệu

11 suất laser cao và thời gian hoạt động dài

Với phương pháp bơm quang học bằng laser diode, tuổi thọ và hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng được thu gọn hơn Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10 ÷ 80 % Ngoài ra, việc bơm bằng laser diode cũng hạn chế được những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn chớp 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 những ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser diode mà hiện nay xu hướng sử dụng nguồn laser diode để làm nguồn bơm cho các laser rắn đang được phát triển rất mạnh

Trong các môi trường laser rắn Cr:colquiriite, tinh thể Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh quang dài (67 µs) so với tinh thể laser Ti:sapphire (3,2 µs), tiết diện phát xạ là lớn nhất trong các môi trường laser cùng họ nên nó cũng hoạt động rất hiệu quả ở chế độ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) thụ động với bước sóng đỉnh gần 850 nm Ngoài ra, môi trường laser

Cr:LiSAF là một môi trường vibronic (điện tử dao động) - được coi như là một

môi trường mở rộng đồng nhất Do vậy, môi trường laser Cr:LiSAF đã được chứng minh có thể hoạt động hiệu quả cả ở cả chế độ liên tục điều chỉnh liên tục bước sóng và xung ngắn nhờ kỹ thuật biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng và khóa mode buồng cộng hưởng [11]

Ở Việt Nam, vật lý và công nghệ laser xung ngắn, điều chỉnh bước sóng bắt đầu được nghiên cứu trong những năm 90 của thế kỷ XX, các nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng laser xung ngắn được thực hiện ở tại Viện Vật lý Giai đoạn từ 1995 - 2005, Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý đã phát triển thành công nhiều loại laser trên cơ sở các chất màu hữu cơ và phân tử màu dưới dạng thể lỏng và rắn được bơm bằng laser nanô-giây, có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng trong vùng phổ nhìn thấy và đạt được các xung ngắn <1ps

[3] Tuy nhiên, các laser này chỉ hoạt động được ở tần số thấp (< 20 Hz) (phụ thuộc xung laser bơm) và có kết cấu khá cồng kềnh [4]

Trong thời gian gần đây, các tác giả của Trung tâm Điện tử học Lượng

tử, Viện Vật lý đã tiến hành nghiên cứu, phát triển vật lý và công nghệ của các laser rắn (sử dụng các vật liệu laser rắn pha tạp ion Nd3+) để phát triển và chế tạo thành công các hệ laser phát xung ngắn cỡ 12 ps với tần số xung lặp lại từ

30100 MHz [7] trên cơ sở khoá mode buồng cộng hưởng và các hệ laser phát xung Q-switching ngắn cỡ 22 ns ở tần số lặp lại cao tới 2,25 MHz bằng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) Tuy nhiên, do tính chất vật lý của vật liệu laser pha tạp ion Nd3+, các laser rắn này không có khả năng điều chỉnh bước sóng và không phát được các xung laser cực ngắn (< 5 ps)

Nhận thức được những vấn đề khoa học nêu trên chúng tôi lựa chọn vấn

đề tìm hiểu và nghiên cứu đề tài:“Đặc trưng động học của Laser Cr:LiSAF

được bơm bằng laser diode”

Mục đích của đề tài:

+ Tìm hiểu và nghiên cứu đặc tính của môi trường laser rắn Cr:LiSAF; buồng cộng hưởng laser Cr:LiSAF băng rộng, băng hẹp và nguồn bơm quang học cho laser rắn này

+ Tìm hiểu và nghiên cứu các quá trình động học laser rắn Cr:LiSAF trong chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp khi được bơm bằng xung laser diode nhờ sử dụng hệ hương trình tốc độ đa bước sóng

Trên cơ sở đó nội dung luận văn gồm 2 chương như sau:

Chương 1 trình bày cấu trúc và các tính chất vật lý, quang học cơ bản của

môi trường laser Cr:LiSAF; buồng cộng hưởng laser Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp; các phương pháp bơm quang học cho laser rắn

Chương 2 tìm hiểu và nghiên cứu quá trình động học của phát xạ laser

rắn Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp được bơm bởi xung laser diode dựa vào hệ phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng

13

Chương I:

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU RẮN Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG

HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER

Các laser rắn băng rộng, điều chỉnh bước sóng dựa trên cơ sở các tinh thể rắn hay các nền vô định hình thì có các dịch chuyển laser của các dịch chuyển được pha tạp (hầu hết là các ion đất hiếm hay ion kim loại chuyển tiếp) Việc nghiên cứu đối với môi trường khuếch đại điều chỉnh bước sóng, một trong những ion kim loại chuyển tiếp được khám phá và sử dụng rộng rãi nhất là Chromium Điều này là do sự ổn định hóa học của các trạng thái ion trong mạng tinh thể và sự tồn tại của các dải bơm rộng

Các laser thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF) pha tạp ion Cr3+

là các laser rắn có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng, cũng được gọi là các laser vibronic do vai trò của liên kết điện tử - phonon trong sự mở rộng của các

đám phát xạ và hấp thụ Chúng có thể bao phủ toàn bộ vùng phổ từ 170nm đến 360µm, có thể phát được các bức xạ phù hợp với yêu cầu của nhiều ứng dụng

khác nhau Chúng có một tầm quan trọng trong thương mại laser vì tính hấp dẫn của nó như: kết cấu gọn nhẹ, an toàn, dễ sử dụng, độ tin cậy cao và đặc biệt là giá thành thấp

Môi trường laser rắn Cr:LiSAF, đã được nghiên cứu đầu tiên bởi Payne và

các cộng sự vào năm 1989, có phổ khuếch đại rộng từ 750nm đến 950nm đang

rất được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Tinh thể laser

Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh quang dài (67µs) so với tinh thể laser Ti:saphire (3,2 µs) nên nó hoạt động rất hiệu quả ở chế độ biến điệu độ phẩm chất (Q-switch) thụ động với các bước sóng đỉnh gần 850nm Ngoài ra, laser

Cr:LiSAF còn có khả năng phát các xung laser đơn, ngắn trong thang nano giây khi bơm gần ngưỡng

1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF

Đặc điểm nổi bật của laser Cr3+

là phổ phát xạ rộng, thích hợp cho phát xung ngắn và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trong một khoảng phổ khá rộng Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu về các mức năng

lượng, cấu trúc phổ và nguyên tắc hoạt động của laser Cr:LiSAF

1.1.1 Cấu trúc tinh thể

Các tinh thể laser thuộc loại colquiriite (gồm các nền tinh thể LiSAF, LiCAF và LiSGaF pha tạp ion Cr3+) có công thức hoá học chung là LiMIIMIIIF6 Trong đó: MII

là các nguyên tố: Ca, Sr, Cd, Pd và MIII là các nguyên tố: Al,

Ga, Ti, Cr Trong cấu trúc tinh thể của các colquiriite mỗi cation chiếm một vị trí của bát diện biến dạng trong lục diện bị méo được bao quanh bởi 6 ion Flo Nhóm đối xứng không gian của Colquiriite là 2

Li+, Ca2+, Sr2+, Al3+, mà sự méo mạng T2g và T2u ưu tiên hơn Trong cả hai loại vật liệu này ion Cr3+ đều thay thế một vài ion Al3+

trong trường tinh thể và các ion tạp đã chiếm tâm hình bát diện được bao quanh bởi 6 ion Flo

15

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể LiSAF và LiCAF

1.1.2 Cấu trúc năng lượng của ion Cr3+

Môi trường laser Chromium là môi trường laser đang được phát triển khá rộng rãi hiện nay Môi trường laser Chromium chủ yếu được phát triển trên hai nền quang học là: LiSrAlF6 (viết tắt là Cr:LiSAF) và LiCaAlF6 (viết tắt là LiCAF) Trong các nền quang học này các ion Cr3+ thay thế cho một vài ion Al3+trong mạng tinh thể Đặc điểm nổi bật của môi trường laser Chromium là môi trường có phổ phát xạ rất rộng, thích hợp cho việc phát các xung laser cực ngắn

và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trong một khoảng phổ khá rộng Các thông số chính của một số môi trường laser có thể điều chỉnh bước sóng được cho trên bảng 1.1

Trên thực tế, môi trường laser Cr:LiSAF được sử dụng rộng rãi hơn môi trường laser Cr:LiCAF vì nó có tiết diện phát xạ lớn hơn đồng thời nó có dải điều chỉnh bước sóng cũng rộng hơn (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Thông số của một số môi trường laser điều chỉnh bước sóng [18]

 Phổ hấp thụ và phát xạ của laser Cr:LiSAF

Phổ hấp thụ và phát xạ của laser Cr:LiSAF ở nhiệt độ phòng được biểu diễn trên hình 1.2 Ta thấy ở đây có hai vùng phổ hấp thụ mạnh: vùng thứ nhất

có bước sóng trung tâm là 450nm và vùng thứ hai có bước sóng trung tâm là 650nm tương ứng với dịch chuyển hấp thụ 4 4

A   và 4 2

2

A   Điều này hoàn toàn phù hợp với cấu trúc năng lượng của ion Cr3+ Vì vậy chúng ta có thể

sử dụng đèn flash để bơm cho laser này hoặc có thể dùng nguồn laser bán dẫn

GaInP/AlGaInP phát xạ ở bước sóng 670nm thì hiệu suất sẽ cao hơn Tùy thuộc

vào trạng thái cuối cùng của quá trình hồi phục (các trạng thái dao động của mức 4A2) chúng ta có phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF trải rộng trong dải bước

sóng từ 780nm đến 1010nm và phát xạ mạnh nhất tương ứng với bước sóng khoảng 850nm

17

Hình 1.2 Phổ phát xạ và phổ hấp thụ của laser Cr: LiSAF[ 12]

 Giản đồ mức năng lượng và các chuyển dời chủ yếu của Cr:LiSAF

Hình 1.3: Giản đồ các mức năng lượng của ion Cr 3+ trong colquiriite

và sơ đồ tương đương 4 mức cho hoạt động laser [12]

Các chuyển dịch quang học cho phát xạ laser là các chuyển dịch quang học của ion Cr3+ Cấu trúc mức năng lượng và các chuyển dịch quang học chủ yếu liên quan đến quá trình hấp thụ và phát xạ của laser Cr3+ được biểu diễn trên hình 1.3 Các dịch chuyển hấp thụ quan trọng nhất là 4 4

A   và 4 2

A  

tương ứng với các bước sóng hấp thụ 450nm và 650nm như đã trình bày ở trên

Khác với cấu trúc năng lượng của ion Cr3+ trong môi trường laser Alexandrite (BeAl2O4:Cr3+), trong laser Cr:LiSAF trạng thái 4T2 nằm trong dải hấp thụ từ 4A2

độ tích lũy xảy ra giữa trạng thái 4

T2 và trạng thái cơ bản 4A2 Dịch chuyển cho phát xạ laser thu được khi các ion Cr3+ hồi phục từ trạng thái 4T2  4

đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được nghịch đảo độ tích luỹ Laser tinh thể

Cr3+: LiSAF là một laser điển hình hoạt động ở chế độ bốn mức

Nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ bốn mức điển hình biểu diễn trên hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser ở chế độ 4 mức [12]

Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển của tâm hoạt tính (do hấp thụ 1 photon) từ mức cơ bản 1 tới mức kích thích 4 Do thời gian

19 sống của tâm hoạt tính trên mức 4 rất ngắn nên chúng hồi phục không phát xạ rất nhanh từ mức 4 về mức 3 Do mức 3 là mức siêu bền nên chúng không dịch chuyển tự phát xuống các mức dưới Mức 2 rất gần mức 1 và có liên kết quang với mức 4 Vì vậy các phát xạ tự phát từ mức 4 xuống mức 2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1 và tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 3 và mức 2 Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra giữa mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2 Khi chiếu bức xạ bơm vào môi trường hoạt tính, dưới tác động của bức xạ bơm các quá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức năng lượng của môi trường hoạt tính

1.1.3 Nguyên lý và điều kiện hoạt động của laser Cr:LiSAF

Như đã trình bày ở trên laser Cr:LiSAF hoạt động theo cơ chế của laser bốn mức Để có thể mô tả một cách đơn giản mô hình hoạt động của laser này người ta sử dụng phương trình tốc độ cho hệ laser bốn mức

Khi chiếu bức xạ bơm vào hệ, dưới tác động của bức xạ bơm các quá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy ra giữa các mức của hệ Chúng ta sử dụng phương trình tốc độ để biểu diễn các quá trình xảy ra

Sự chuyển dịch từ trạng thái 4 xuống 3 xảy ra rất nhanh, gần như mức 3

được tích luỹ ngay lập tức và do đó mật độ phân bố N 4 của trạng thái 4 gần như bằng không

Một quá trình khác ảnh hưởng tới độ tích luỹ của trạng thái 3 là quá trình

Quá trình cảm ứng xuất hiện giữa mức 2 và mức 3 dưới tác dụng của trường laser cũng phải được xem xét Tốc độ cảm ứng tỷ lệ với hiệu độ tích luỹ

N 2 và N 3, tỷ lệ với mật độ photon p v  của trường laser, tiết diện hiệu dụng cho sự phát xạ hay hấp thụ của nguyên tử:

Khi hoạt động laser trạng thái dừng, các giá trị cho n t và   p t không  

thay đổi theo thời gian Trong trường hợp này ta có ngay được nghịch đảo mật

độ tích luỹ là:

0W

(1.10)W

p

p

N n

cp





Khi laser được hoạt động tại ngưỡng tức là không một photon nào được

tạo ra (p = 0) Trong trường hợp này W p <<  và ngưỡng nghịch đảo độ tích luỹ nhận được là:

Công suất ra P out của một laser 4 mức phụ thuộc vào công suất bơm, các mất mát trong buồng cộng hưởng và hiệu suất năng lượng được biểu diễn: [8]

 

32 41

Trong đó: + E32 E3E2 (năng lượng laser),

+ E41 E4 E1 (năng lượng bơm),

+ T là độ truyền qua của gương ra,

+  là mất mát trong buồng cộng hưởng,

+ P p là công suất bơm và P th là công suất bơm ngưỡng

1.2 Buồng cộng hưởng laser Cr:LiSAF

1.2.1 Buồng cộng hưởng laser băng rộng

Buồng cộng hưởng quang học (BCH) là một trong ba thành phần cơ bản của một hệ laser Nó có ảnh hưởng quan trọng tới công suất, các tính chất phổ

và đặc biệt là ảnh hưởng lên các tính chất không gian của bức xạ laser, tạo ra những trạng thái phân bố xác định của trường năng lượng Các tính chất này phụ thuộc vào hệ số khuếch đại, mức độ và bản chất của các mất mát trong BCH [10]

Buồng cộng hưởng laser băng rộng là BCH không có bất kỳ yếu tố chọn lọc phổ

nào ở bên trong (Hình 1.5) và BCH laser mà có chứa yếu tố chọn lọc phổ ở bên

trong được gọi là BCH laser băng hẹp [10]

Hình 1.5: Giản đồ BCH laser Cr:LiSAF băng rộng [12]

1.2.2 Buồng cộng hưởng laser băng hẹp

Những laser phát ra các bức xạ có độ rộng phổ hạn chế hay bức xạ đơn

23 sắc, có mật độ năng lượng phổ rất cao, có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng là thiết bị rất cần thiết trong nhiều ứng dụng và nghiên cứu khoa học Các laser này thường được gọi là các laser băng hẹp điều chỉnh bước sóng [10]

Để tạo ra các bức xạ laser băng hẹp như mong muốn, người ta sử dụng các yếu

tố chọn lọc phổ như cách tử, lăng kính, phin lọc lưỡng chiết, trong BCH laser Nguyên tắc làm hẹp phổ là do các yếu tố chọn lọc bước sóng đặt trong BCH chỉ cho một số hữu hạn bước sóng lan truyền dọc theo quang trục của BCH, còn các bước sóng khác bị phản xạ hay lệch khỏi quang trục

Để tạo được các bức xạ laser có độ đơn sắc cao, người ta thường sử dụng hai biện pháp: (i) Giảm thiểu được độ phân kỳ của chùm laser trong BCH và (ii) tăng cường khả năng tán sắc của BCH bằng cách sử dụng một hoặc một vài yếu

tố chọn lọc phổ trong BCH [6], [10]

1.2.2.1 Laser băng hẹp sử dụng cách tử nhiễu xạ

Hai cấu hình laser có sự chọn lọc phổ bằng cách tử nhiễu xạ tiêu biểu nhất

là laser cách tử Littrow (cách tử đặt ở vị trí Littrow) và laser cách tử góc là (Littman - Metcafl)

a) Cấu hình Littrow

Cách tử được đặt ở vị trí sao cho chùm nhiễu xạ trùng với chùm ánh sáng tới - vị trí Littrow Trong một chu trình đi lại trong BCH, bức xạ laser băng rộng được nhiễu xạ thành các bức xạ thành phần sau khi tới cách tử Tương ứng với

vị trí cách tử, bức xạ bị phản xạ ngược trở lại dọc theo trục BCH và được khuếch đại lên hình thành bức xạ laser Việc thay đổi bước sóng laser được thực hiện bằng cách quay cách tử nhằm chọn lọc bức xạ thành phần quay trở lại (Hình 1.6) Bước sóng laser được xác định bởi công thức:

Độ tán sắc của cách tử ở vị trí Littrow được xác định:

2, 44 cos

D

a mD



b) Cấu hình Littman - Metcafl

Vào năm 1978, một cấu hình laser băng hẹp sử dụng cách tử ở vị trí góc là

đã được nghiên cứu và phát triển Đây là cấu hình có rất nhiều cải tiến và có nhiều ưu điểm so với các loại BCH băng hẹp khác như: Bố trí đơn giản; không cần sử dụng các bộ giãn chùm trong BCH; BCH có kết cấu chắc chắn và ngắn;

dễ dàng thu được các bức xạ đơn sắc cao, cơ chế thay đổi bước sóng đơn giản

và đáng tin cậy

Trong cấu hình BCH này, cách tử được bố trí để chùm laser tới trên nó với một góc tới 0 rất lớn (0 900) (xem Hình 1.7) Cách tử được chiếu đầy bởi chùm laser (tương tự như một sự giãn chùm) Trong một chu trình đi lại trong

25 BCH, chùm sáng laser bị nhiễu xạ hai lần: lần đầu nhiễu xạ ở góc  và được quay lại cách tử bởi một gương điều chỉnh M3 phản xạ toàn phần Lần hai, cách

tử lại nhiễu xạ chùm phản xạ này trở về môi trường khuếch đại

Hình 1.7: Giản đồ BCH laser Cr: LiSAF băng hẹp sử dụng cách tử

ở cấu hình Littman-Metcafln [8]

Việc thay đổi bước sóng laser được thực hiện bằng cách quay gương M3

Độ dài bước sóng laser được xác định bởi công thức cách tử là [10]:

0(sin sin )

1.2.2.2 Laser băng hẹp sử dụng lăng kính

Trong vùng ánh sáng khả kiến và vùng hồng ngoại gần, người ta thường

sử dụng yếu tố tán sắc là lăng kính, với mặt bên được đặt ở vị trí góc Brewster (Hình 1.8) Ngược với trường hợp trên, với một vị trí góc quay của lăng kính sẽ

có một bước sóng xác định được phản xạ trở lại BCH từ gương M3, bước sóng được điều chỉnh bằng cách xoay lăng kính P hoặc gương M3 Đây là một cấu

hình BCH có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện

Hình 1.8: Sơ đồ cấu hình BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp sử dụng lăng kính[12]

Độ rộng phổ ở nửa cực đại 0 của sự truyền qua trong một chu trình

d là độ tán sắc của vật liệu làm lăng kính,  là góc lệch của chùm laser

qua lăng kính và  ' là bán kính chùm laser trên mặt lăng kính

1.2.2.3 Laser băng hẹp sử dụng phin lọc lưỡng chiết

Một phin lọc lưỡng chiết BF (Birefringent filter) bao gồm một hoặc một

số tấm tinh thể thạch anh, đã được tìm thấy và sử dụng cách đây rất nhiều năm [20] Đến cuối những năm 1970, tấm phin lọc lưỡng chiết đã được sử dụng rộng rãi như một yếu tố điều chỉnh bước sóng trong các laser màu Phin lọc lưỡng chiết thường được đặt trong một BCH laser ở góc Brewster  và bước sóng

được thay đổi nhờ sự quay của tấm BF quanh pháp tuyến của mặt tấm (Hình 1.9)

Ưu điểm của phin lọc này là mất mát thấp, độ tán sắc cao trong một kích thước nhỏ và khả năng làm việc ở cường độ cao Độ dày và sự định hướng của các tấm thành phần trong một phin lọc lưỡng chiết được lựa chọn để có một tần

số nằm trong đường cong khuếch đại của môi trường laser

27

Hình 1.9: Cấu hình BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp

sử dụng phim lọc lưỡng chiết BF[12]

Một đáp ứng lọc lựa mạnh về nguyên tắc có thể đạt được chỉ bằng cách

sử dụng một tấm lưỡng chiết dày Tuy nhiên, điều này gây ra các cực tiểu truyền qua là tương đối gần nhau (xít nhau) theo bước sóng, vì vậy làm tăng mất mát cho BCH laser Vấn đề đó có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nhiều tấm lưỡng chiết với độ dày khác nhau (phin lọc lưỡng chiết đa tinh thể) Một phin lọc mà khoảng không là không khí thường có từ 2 đến 4 tấm

Độ truyền qua của tấm BF

Một tấm BF đơn trục được sử dụng như một yếu tố điều chỉnh bước sóng thường được đặt trong BCH laser ở góc Brewster Ánh sáng phân cực được truyền qua một phin lọc bị tách thành hai tia thường và dị thường bởi hiệu ứng lưỡng chiết của tinh thể thạch anh

Độ lệch pha giữa hai tia trên mỗi tấm là:

2 0

với n0-ne là độ chênh lệch chiết suất của tia thường và tia dị thường; d là

độ dày của tấm;  là góc giữa tia khúc xạ trong tấm và trục quang học;   B là

góc Brewster;  là bước sóng của tia tới

Hàm điều chỉnh bước sóng của một tấm BF được dựa trên đặc trưng giao thoa sự phân cực của nó Nếu cường độ của tia tới được giả thiết là I0 và tia ló ra

khỏi tấm là I thì độ truyền qua của tấm BF được xác định như sau:

I



Mối liên hệ giữa góc điều chỉnh A và góc Brewster 

Góc điều chỉnh hay góc quay A của tấm BF được định nghĩa là góc giữa

mặt phẳng tới và mặt phẳng được xác định bởi trục quang học và pháp tuyến của tấm BF:

cos sin sin cos

0 ( ) arctan

1 2 3 ( )

T  T xT xT x

1.3 Nguồn bơm cho laser rắn

Để tạo nghịch đảo độ tích luỹ cho laser hoạt động, chúng ta cần bơm năng lượng cho môi trường hoạt chất bằng cách sử dụng các phương pháp bơm khác nhau như bơm quang học, bơm điện, bơm hoá học và bơm nhiệt Bơm quang học là dùng một nguồn sáng khác có bước sóng thích hợp chiếu vào môi trường hoạt chất Nguồn sáng đó có thể ở dạng liên tục hoặc xung, được phát ra từ đèn thông thường hoặc laser Cách này thường được dùng khi môi trường hoạt chất

là chất rắn hoặc chất lỏng [10]

Đối với laser rắn, việc sử dụng phương pháp bơm quang học đem lại hiệu quả cao nhất [9] Trong phương pháp này, ánh sáng từ nguồn bơm được môi

29 trường hoạt chất hấp thụ, ion được bơm lên mức kích thích, từ các mức đó ion chuyển xuống mức siêu bền và bị cưỡng bức phát xạ ra photon Thực tế, do laser có thể có nhiều mức kích thích (có thể do cơ chế mở rộng vạch ở trong chất rắn và chất lỏng), sau khi ion được chuyển lên các mức kích thích, sẽ xảy ra

sự dịch chuyển không phát xạ xuống mức siêu bền nên ánh sáng nguồn bơm không cần quá đơn sắc cũng có thể sử dụng được, như đèn hồ quang hay đèn

chớp [12] Do vây, hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố: thứ

nhất, bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời

không bị chất nền hấp thụ; thứ hai, hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần

như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên

Việc lựa chọn nguồn bơm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả tổng thể từ công suất điện đầu vào cho tới cống suất quang lối ra và chất lượng chùm tia laser Hơn nữa, nó ảnh hưởng đến tính linh hoạt của thiết kế laser và nó có thể xác định toàn bộ môi trường hoạt động Phương pháp bơm quang học cho laser rắn được chia làm 2 loại chính: bơm bằng đèn (đèn chớp hoặc hồ quang) và bơm bằng laser (như laser diode)

1.3.1 Bơm bằng đèn

Nguồn bơm bằng đèn (đèn chớp và đèn hồ quang) có ánh sáng phát xạ theo mọi hướng và có phổ rộng Ánh sáng này cần được đưa vào môi trường hoạt chất Do vậy, với phương pháp bơm bằng đèn, đòi hỏi cơ bản đối với các đèn bơm quang học là phải có phổ phát xạ phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất và có năng lượng bơm đủ lớn Khi đó, các đèn phóng điện qua các chất khí khác nhau đòi hỏi điện áp cao, dòng điện có cường độ lớn [12]

Các đèn này thường có dạng ống thẳng hoặc xoắn với hai đầu là hai điện cực Ồng này chứa đầy khí, ví dụ như Xenon và Krypton [5], [13] Trong trường hợp hộp phản xạ có dạng hình trụ-elip thì thanh hoạt chất và đèn được đặt ở các

tiêu điểm của elip Chi tiết về phương pháp bơm laser bằng đèn tài liệu [8]

1.3.2 Bơm bằng laser diode

Hiện nay, các laser diode công suất cao đã được phát triển để làm nguồn bơm quang học, đặc biệt là các loại laser dựa trên diode AlGaAs Laser diode AlGaAs được thiết kế để phát bước sóng laser trong vùng phổ từ 790 nm tới

860 nm Ngoài ra, trong những năm gần đây, các laser diode GaInP/AlGalnP phát ở bước sóng trong vùng phổ từ 640 ÷ 680 nm đã được phát triển Laser diode này rất thích hợp để bơm cho các môi trường laser rắn colquitriite pha tạp ion Cr3+ Bảng 1.2 chỉ ra một số laser rắn điển hình và nguồn bơm bằng laser diode

Trong những năm qua, hiệu suất và cấu trúc của laser diode đã liên tục được cải thiện Các laser diode đầu tiên, ra đời năm 1962, chỉ là các laser đơn chuyển tiếp có dòng bơm ngưỡng rất cao, hoạt động ở nhiệt độ thấp và phát xạ trong vùng hồng ngoại với công suất đầu ra rất thấp (µW - mW) Hiện nay, các laser diode dựa trên cấu trúc dị thể kép dạng vật liệu khối hay giếng lượng tử có thể hoạt động với dòng ngưỡng thấp ở nhiệt độ phòng và trên dải phổ phát xạ rộng từ 390 nm - 1900 nm (nhờ sử dụng các vật liệu diode khác nhau) với công suất đến hàng chục W cho một laser đơn chíp