Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học bằng laser bán dẫn công suất cao cho laser rắn

6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC -o0o - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUỒN BƠM QUANG HỌC BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CHO LASER RẮN Mã số: B2008-TN08-05 Chủ nhiệm Đề tài: ThS Nguyễn Văn Hảo Thái Nguyên - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1958, , laser rắn với môi trường laser pha tạp ion Nd3+, Cr3+,… chiếm tỉ phần lớn - nguồn kích thích quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học quang phổ Hiện nay, laser rắn chủ yếu bơm đèn flash với hiệu suất chuyển đổi lượng thấp khoảng ÷ 2% Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi lượng laser thấp đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng tinh thể Neodium (Chromium) hấp thụ dải phổ hấp thụ hẹp (2 nm) Năng lượng đèn bơm bị mát chủ yếu dạng nhiệt, laser địi hỏi phải có hệ thống làm mát phức tạp dẫn đến cấu hình laser cồng kềnh Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng laser Neodium (Chromium) phương pháp nhằm cải tiến đèn flash không mang lại hiệu Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ laser bán dẫn, cơng suất phát laser bán dẫn đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung khoảng phổ hẹp (2 nm) phù hợp với phổ hấp thụ tinh thể laser Do vậy, phương pháp bơm quang học laser bán dẫn để bơm cho laser rắn phát triển mạnh mẽ Với phương pháp hiệu suất chuyển đổi lượng laser nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser thu gọn Với cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi lượng laser bơm laser bán dẫn đạt từ 10 ÷ 80% Ngồi ra, việc bơm laser bán dẫn hạn chế nhược điểm cố hữu phương pháp bơm đèn flash như: hiệu ứng thấu Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ kính nhiệt hoạt chất gây phát laser không ổn định, tăng độ phân kỳ chùm tia hấp thụ vùng tử ngoại làm phá huỷ hoạt chất… Chính ưu điểm phương pháp bơm laser bán dẫn mà xu hướng sử dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho laser rắn phát triển mạnh Trong phịng thí nghiệm quang học quang phổ nước ta (Các Trường Đại học, Viện nghiên cứu, Trung tâm Kỹ thuật Quân sự, Bệnh viện, …) nhu cầu sử dụng laser Neodium nghiên cứu khoa học lớn Tuy nhiên, laser Neodium (Chromium) chủ yếu bơm đèn flash phải mua từ nước với giá thành cao (30.000 100.000 U$D) nên có số phịng thí nghiệm trang bị nguồn laser Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn để xây dựng hệ laser rắn Neodium (Chromium) việc có ý nghĩa khoa học công nghệ, đào tạo ứng dụng thực tiễn Hơn nữa, sở để phát triển vật lý công nghệ nguồn laser rắn phát xung ngắn bơm laser bán dẫn - đòi hỏi ngày cao ứng dụng, nghiên cứu đào tạo Cùng với phát triển công nghệ laser bán dẫn, chúng tơi thấy hồn tồn xây dựng hệ laser rắn xung ngắn bơm laser bán dẫn Việt Nam Với tầm quan trọng ý nghĩa khoa học công nghệ, đào tạo, đề tài thực với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học laser bán dẫn cơng suất cao cho laser rắn” Mục đích đề tài: Nghiên cứu, phân tích mơi trường laser rắn thông dụng bơm laser bán dẫn Nghiên cứu xây dựng hệ laser rắn phát liên tục phát xung ngắn, bơm laser bán dẫn Đối tượng nghiên cứu: Với mục tiêu nghiên cứu phát triển hệ laser rắn bơm laser diode, đối tượng sau nghiên cứu: Các môi trường laser rắn đặc biệt môi trường laser Neodium Các đặc trưng hoạt động hệ laser rắn Neodium bơm laser bán dẫn Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu phạm vi nghiên cứu: Đề tài có nội dung vật lý quang tử laser bắt đầu nghiên cứu Việt Nam vài năm gần Do vậy, cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu có đặc điểm sau:  Tiếp thu đầy đủ, có hệ thống thông tin kết KH-CN vấn đề vật lý liên quan  Tiến hành thu thập nguồn cung cấp linh kiện, vật tư thiết bị (có khả cạnh tranh) phù hợp với điều kiện nghiên cứu khai thác Việt Nam công nghệ ứng dụng laser bán dẫn  Phương pháp nghiên cứu vật lý thực nghiệm - Khảo sát đặc tính, thơng số hoạt động: đặc trưng công suất, phổ laser bán dẫn cơng suất cao theo dịng bơm nhiệt độ - Thiết kế xây dựng hệ laser Neodium phát liên tục xung ngắn bơm laser bán dẫn công suất cao - Nghiên cứu hoạt động laser Neodium bơm laser bán dẫn Nội dung đề tài tiến hành nghiên cứu, thiết kế lắp ráp hệ laser rắn Neodium bơm laser bán dẫn, đồng thời nghiên cứu đặc trưng hoạt động hệ thống laser Đề tài chia làm chương sau: Chương 1: Môi trƣờng laser rắn đƣợc bơm laser bán dẫn Trong chương này, chúng tơi trình bày tính chất mơi trường laser rắn phổ biến bơm laser bán dẫn Tập trung phân tích đặc điểm môi trường laser Neodium nguyên lý hoạt động hệ laser bốn mức lượng Chương 2: Các chế bơm cho laser rắn chế độ hoạt động Trong chương này, chúng tơi trình bày chế bơm cho laser nói chung laser rắn nói riêng Đặc biệt chế bơm cho laser rắn laser bán dẫn theo cấu hình bơm dọc Với cấu hình laser cho hiệu suất cao so với cấu hình khác Ngồi ra, chương chúng tơi giới thiệu vài chế độ hoạt động laser rắn Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Chương 3: Các kết thảo luận Trong chương này, chúng tơi trình bày kết khảo sát nguồn bơm laser bán dẫn, nghiên cứu lắp ráp hệ laser rắn phát liên tục công suất cao phát xung ngắn (nano giây) bơm laser bán dẫn Đề tài thực Bộ môn Vật lý, trường Đại học Khoa học Phòng Quang tử Phân tử - Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 Chƣơng MÔI TRƢỜNG LASER RẮN BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN Các laser rắn sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm vật lý, hóa học, sinh học Trước đây, hầu hết laser rắn bơm đèn phóng điện như: đèn flash, đèn xenon, đèn krypton Gần đây, nhờ phát triển công nghệ chế tạo laser bán dẫn cho phép chế tạo laser bán dẫn công suất cao (tới hàng chục W), phổ phát xạ vùng hẹp (cỡ nm) phù hợp với phổ hấp thụ số mơi trường laser rắn, vậy, kỹ thuật bơm quang học cho laser rắn laser bán dẫn phát triển mạnh Các môi trường laser rắn phổ biến bơm laser bán dẫn như: ion Nd3+ pha quang học (YAG, YLF, YVO4, glass ), ion đất pha quang học (Er: YLF, Tm: YAG, Yb: YAG ) Cr3+: LiSAF, Cr3+: LiCAF Dưới xét cụ thể số tính chất quang vài mơi trường laser rắn điển hình 1.1 Mơi trƣờng laser Neodium Mơi trường laser Neodium môi trường laser sử dụng phổ biến Môi trường chủ yếu thường tinh thể Y3Al5O12 (gọi tắt YAG), ion Y3+ thay ion Nd3+ Bên cạnh đó, số mơi trường khác thường sử dụng như: số loại muối flouride (ví dụ: YLiF4 - viết tắt YLF), vanadate (YVO4), số loại muối phốt phát thủy tinh silicate… Nồng độ pha tạp ion Nd3+ tinh thể thông thường cỡ 1% Nếu nồng độ pha tạp cao dẫn đến tượng dập tắt huỳnh quang gây biến dạng cấu trúc tinh thể Các thông số quang học số mơi trường laser Neodium trình bày bảng 1.1: Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 Bảng 1.1: Các thông số số môi trường laser Neodium [19 p.372] Nd: YAG = 1064 nm Nd: YVO4 = 1064 nm Nd: YLF Nd: glass = 1053 nm = 1054 nm Nồng độ pha tạp ion Nd (atom %) 1 3,8 Nt (1020 ion/cm3) 1,38 1,5 1,3 3,2 230 98 450 300 4,5 11,3 13 180 2,8 7,6 1,9 0,4 n0 = 1,82 n0 = 1,4481 ne = 2,168 ne = 1,4704 ( s) o e (cm-1) (10-19 cm2) Chiết suất n = 1,82 đó: Nt mật độ ion Neodium; độ rộng phổ laser; e n = 1,54 thời gian sống huỳnh quang; tiết diện phát xạ cưỡng Các laser Neodium hoạt động nguyên lý laser mức lượng, chuyển dịch quang học cho xạ laser chuyển dịch mức lượng ion Nd3+ Tùy theo việc pha tạp vào quang học khác mà mức lượng tham gia trình laser bị suy biến, thấy môi trường YAG YVO4 chuyển dịch quang học có xác suất lớn ứng với bước sóng 1064 nm mơi trường YLF thủy tinh chuyển dịch quang học lớn ứng với bước sóng 1053 nm 1054 nm (bảng 1.1) 1.1.1 Môi trƣờng laser Nd:YAG Dịch chuyển không phát xạ Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Cấu trúc mức lượng môi trường laser Nd:YAG [7 p.5] Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 13 Đây môi trường laser sử dụng rộng rãi nay, cấu trúc lượng chuyển dịch quang học cho xạ laser mô tả hình 1.1 Trên hình 1.2 thấy phổ hấp thụ mơi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh ion Nd3+ quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm 800 nm Vì vậy, sử dụng laser bán dẫn loại AlGaAs phát xạ laser vùng bước sóng 808 nm để bơm Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2) cho laser Nd:YAG Bước sóng (nm) Hình 1.2: Phổ hấp thụ môi trường Nd:YAG đo nhiệt độ 300 K [19 p.208] (đường liền nét cho Nd3+ YAG; đường đứt nét cho Cr3+ Alexandrite Trục tung bên phải cho Nd3+, bên trái cho Cr3+) Trên giản đồ mức lượng hình 1.1 thấy rằng, laser Nd:YAG hoạt động nguyên lý laser mức, dịch chuyển quang học trình hình thành laser mô tả sau: Ở nhiệt độ thấp nguyên tử tập trung chủ yếu mức 4I9/2 Khi chiếu ánh sáng kích thích vào tinh thể Neodium (trên hình 1.1 sử dụng nguồn kích thích laser diode vùng 808 nm), nguyên tử kích thích lên trạng thái kích thích 4F5/2, thời gian sống nguyên tử mức ngắn ( 10-15 s) nên chúng hồi phục không phát xạ nhanh từ trạng thái 4F5/2 trạng thái 4F3/2 – mức laser trên, thời gian sống nguyên tử trạng thái với ion Neodium cỡ ( 10-7s), cịn gọi trạng thái siêu bền Nghịch đảo độ tích luỹ tạo mức laser 4F3/2 mức laser 4I13/2, 4I11/2 , 4I9/2 Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy từ mức laser 4F3/2 tới mức laser 4I13/2, 4I11/2 , 4I9/2 [19 p.371] Các dịch chuyển quang học xác suất dịch chuyển tương ứng cho bảng 1.2: Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 Bảng 1.2: Các dịch chuyển quang học ion Nd3+ xác suất tương ứng [7 p.4] Chúng ta thấy rằng, xác suất dịch chuyển cao từ mức laser 4F3/2 mức laser 4I11/2 khoảng 60% bước sóng trung tâm 1064 nm Vì vậy, laser Nd:YAG chủ yếu chế tạo phát xạ laser bước sóng Phổ phát xạ Cường độ (a.u) huỳnh quang Nd:YAG biểu diễn hình 1.3: Bước sóng (Å) Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang Nd:YAG thu 300 0K [7 p.7] Với thời gian sống ion Nd3+ mức laser ( 230 s) thích hợp cho việc phát xung Q-switch Trên bảng 1.1, độ rộng phổ laser Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN = 4,5 cm-1 bước http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 sóng 1064 nm đo nhiệt độ 300 0K, có nghĩa khả phát xung ngắn thu chế độ hoạt động mode-locking đạt tới độ rộng xung laser ps [19 p.371] 1.1.2 Môi trƣờng laser laser Nd:YVO4 a: Nồng độ pha tạp Nd3+ 0,5% YVO4 (độ dày mẫu: 1mm) b: Nồng độ pha tạp Nd3+ 3% YVO4 (độ dày mẫu: 1mm) Hình 1.4: Phổ truyền qua môi trường Nd:YVO4 đo nhiệt độ 300 K [13] Môi trường laser Nd:YVO4 môi trường laser phát triển mạnh năm gần [11], [15] Sở dĩ môi trường Nd:YVO4 sử dụng rộng rãi có đặc điểm bật như: độ dẫn nhiệt cao cho phép tiêu tán nhiệt xuất trình bơm quang học, độ bền học cao ni tinh thể khổ lớn với đặc tính quang học tốt Mật độ pha tạp ion Nd3+ vào khoảng 0,5 ÷ % Phổ truyền qua ion Neodium trải dài từ vùng nhìn thấy vùng hồng ngoại hình 1.4 F7/2 F5/2 -1 11,502 cm F3/2 4 -1 11,414 cm 1,06 m 0,8 m 0,7 m I11/2 I9/2 -1 2,526 cm -1 = 2.10 cm -1 2,001 cm Hình 1.5: Các dịch chuyển quang học ion Nd3+ YVO4 [19 p.370] Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 37 Từ kết thực nghiệm ta có phụ thuộc phổ laser diode theo nhiệt độ biểu diễn hình 3.8: Bước sóngBtrung tâm (nm) 810.0 809.5 809.0 808.5 808.0 807.5 807.0 806.5 806.0 805.5 292 294 296 298 300 302 304 A Nhiệt độ hoạt động LD (K) Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ phát xạ laser diode vào nhiệt độ Quan sát tiến trình phổ laser diode theo nhiệt độ thấy rằng: nhiệt độ laser diode tăng phổ laser diode có xu hướng dịch chuyển phía sóng dài với bước dịch chuyển phổ cỡ Å/K, độ rộng phổ thay đổi khoảng (2 nm) Giá trị phù hợp với thông số danh định laser diode [ATC-2000-200-AMO-8083, bảng 3.1] Cường độ phổ (a.u) d Khảo sát phổ laser diode theo dòng bơm (a) 0.5 ms 200 mV (b) 0.5 ms 200 mV (c) Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN 0.5 ms 200 mV http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (nm) Hình 3.9: Sự thay đổi phổ laser diode theo dòng bơm 38 Tại nhiệt độ hoạt động T = 297,5 K, tiến trình phổ biểu diễn hình 3.9 Quan sát tiến trình phổ laser diode theo dòng bơm ta thấy, tăng dòng bơm cho laser diode cho thấy phức tạp phổ xuất thêm nhiều thành phần phổ phổ laser diode bị dịch chuyển phía sóng dài Trong suốt tiến trình phổ, thấy độ rộng phổ laser diode thay đổi khoảng (2,2 nm) Kết thu được giải thích sau: dịng bơm cho laser diode tăng lên kéo theo nhiệt độ vùng hoạt chất tăng lên biết phổ laser diode bị dịch phía sóng dài Qua việc khảo sát đặc trưng phổ laser bán dẫn, thấy phổ phát xạ laser bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ dịng bơm Vì vậy, để đạt hiệu bơm quang học laser bán dẫn tốt cần ổn định cao nhiệt độ hoạt động cho laser bán dẫn 3.2 Nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ laser rắn Nd :YVO4 phát liên tục, công suất cao đƣợc bơm laser bán dẫn 3.2.1 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành phần hệ laser: a) Các thành phần hệ laser * Các linh kiện mua từ nƣớc ngoài: Tinh thể laser: Tinh thể laser Nd3+:YVO4 (a-cut, 1% doped Nd3+) sử dụng để nghiên cứu phát triển hệ thống laser hãng CASIX cung cấp Các thông số vật lý môi trường laser trình bày Chương Tinh thể laser có dạng hình lập phương × × mm, cắt phù hợp cho việc bơm quang học laser theo cấu hình bơm dọc Hai mặt cuối tinh thể gia công màng chống phản xạ cho bước sóng laser 1064 nm bước sóng laser bơm 808 nm Laser diode bơm (ATC-Semiconductor Devices) : * Công suất phát cực đại (liên tục): 000 mW Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 39 * Phổ phát xạ: 805 811 nm, trung tâm phổ 808 nm (ở 300 K) * Dòng ngưỡng: Ing 720 mA * Độ rộng phổ phát xạ : nm * Độ phân kì chùm phát xạ (W×H): 10 × 40 độ Thấu kính bơm hội tụ: Chúng tơi sử dụng thấu kính có tiêu cự f = 15 25 mm Gƣơng laser M1 (CASIX): * Bán kính cong: r1, r2 = * Hệ số phản xạ: R 99,7 % ( = 1064 nm), R < 5% ( = 808 nm) Gƣơng laser M2 (CASIX): * Bán kính cong: r1, r2 = r1 = - 30 cm, r2 = * Hệ số phản xạ: 80 % 94 % ( = 1064 nm) , R < % ( = 808 nm) Các giá đỡ gƣơng (Ultrastable Kinematic Thorlabs, USA) * Góc quang điều chỉnh 4,75 độ * Độ phân giải góc 27’/vịng Gƣơng phản xạ M3 (CASIX): * Bán kính cong r1, r2 = 15 cm * Hệ số phản xạ R = 100 % (λ = 1064 nm), R < 5% ( = 808 nm) Hình 3.10 Giá đỡ gương * Các linh kiện khí chế tạo: + Giá đỡ tỏa nhiệt cho tinh thể laser Yêu cầu: Giá đỡ tinh thể phải chắn dẫn nhiệt tốt cho tinh thể Do vậy, vật liệu chế tạo giá đỡ chọn đồng Trong gia công phải đảm bảo độ xác để bề mặt giá đỡ có khả tiếp xúc cao với tinh thể Nd:YVO4 đảm bảo dẫn nhiệt tốt cho tinh thể hoạt động 15 25 25 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN Hình 3.11 Thiết kế giá đỡ tinh thể Nd:YVO4 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.12 Chế tạo giá đỡ tinh thể laser 40 + Giá đỡ thấu kính: Vật liệu hợp kim nhôm + Trụ đỡ gƣơng thấu kính: Vật liệu đồng + Càng giữ trụ trịn: Vật liệu hợp kim nhơm + Càng giữ chữ nhật: Vật liệu hợp kim nhôm + Đệm giữ: Vật liệu nhôm + Diaphram: Vật liệu nhôm Tất linh kiện chế tạo yêu cầu độ xác thẩm mĩ cao Do đó, linh kiện thiết kế cẩn thận phù hợp với mục đích xây dựng hệ laser Hình vẽ thiết kế trình bày phần phụ lục b) Sơ đồ thiết kế chung cho hệ laser Chùm bơm M1 M2 Chùm Laser Laser He-Ne D2 D1 Đầu bơm L Nd:YVO4 Laser Diode Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ laser rắn Nd3+:YVO4 bơm laser diode c) Kỹ thuật thiết kế hệ laser Sơ đồ khối hệ laser lắp ráp sử dụng cho việc xây dựng cấu hình laser trình bày hình 2.13 Với trình chỉnh, đề nghị nên có: Định hướng laser He-Ne diode laser đỏ Kính nhìn hồng ngoại (hoặc card hồng ngoại) Đồng hồ đo cơng suất laser Kính bảo vệ mắt Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 41 Thước giấy cứng Thước bọt nước Qui trình chỉnh nêu đây: - Cố định laser diode xuống mặt bàn quang học - Nối đầu diode laser với điều khiển laser bật công tắc Đặt công suất diode laser khoảng 200 mW Điều chỉnh để xạ từ laser diode phát song song với mặt bàn quang học - Lắp laser He-Ne cho tia laser chiếu thẳng đến đầu phát laser diode cho hai chùm tia trùng song song với mặt bàn quang học - Dùng hai diaphram D1 D2 để đánh dấu đường chuẩn - Dùng thấu kính bơm L để hội tụ chùm bơm laser diode cho tâm thấu kính trùng với đường chuẩn Đồng thời điểm hội tụ trùng với đường chuẩn - Lắp gương đầu M1 vào giá đỡ gương cố định khối xuống bàn cho tia phản xạ laser He-Ne qua D1 D2 (rộng cỡ mm) - Lắp tinh thể laser vào giá đỡ tinh thể cố định xuống bàn quang học cho điểm hội tụ vết bơm vào tâm tinh thể - Lắp gương cuối M2 vào giá đỡ gương cố định khối xuống bàn cho tia phản xạ laser He-Ne qua D1 D2 Thực tinh chỉnh việc xoay tinh thể cách nghiêng giá đỡ tương ứng nghiêng giá đỡ gương M2 cách xoay vít vi chỉnh chiều để có phù hợp cần thiết Để công suất bơm giá trị cao sau tinh chỉnh đồng trục quang hệ nhằm mục đích phát laser Kiểm tra đầu laser card hồng ngoại Đặt card hồng ngoại đầu laser Nếu có ánh sáng laser, ta thấy chấm sáng card hồng ngoại Khi có chấm sáng chói card hồng ngoại chứng tỏ laser hoạt động Sau ta tinh chỉnh yếu tố buồng cộng hưởng laser để chùm laser tốt 3.2.2 Xây dựng hệ laser Nd3+:YVO4 phát liên tục cơng suất cao Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 42 a) Cấu hình buồng cộng hưởng sử dụng gương phẳng – phẳng Với yêu cầu kỹ thuật hệ thống, sơ đồ nguyên tắc đơn giản buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 phải xây dựng theo cấu hình 3.14 (2) (1) (3) (4) (5) laser Hình 3.14: Cấu hình buồng cộng hưởng laser sử dụng gương phẳng – phẳng Trong đó: (1) Laser diode (808 nm; W; Ing 720 mA) (2) Thấu kính bơm (BK7, f = 25 mm; d = 25 mm) (3) Gương cuối M1 (r1, r2 = ; R = 99,7% ( = 1064nm), R < 5% ( = 808nm)) (4) Tinh thể laser Nd: YVO4 (3 3 mm3; pha tạp %) (5) Gương đầu M2 (r1, r2 = ; R 94% ( = 1064nm), R < 5% ( = 808nm)) Với cấu hình BCH hình 3.14, laser hoạt động chế độ liên tục, phát xạ bước sóng 1064 nm với hiệu suất chuyển đổi lượng laser khơng cao, hiệu suất laser cao đạt với BCH (L = 10 cm) cỡ 11 % Đặc trưng công suất laser biểu diễn hình 3.15 140 Chiều dài buồng cộng hưởng L = 10 cm Công suất laser (mW) 120 Y Axis Title 100 11,5 % 80 10 % 60 40 R = 94 % R = 80 % 20 tâm Học liệu - ĐHTN Số hóa Trung http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -20 200 400 600 800 1000 1200 CôngX suất Axisbơm Title(mW) Hình 3.15: Đặc trưng cơng suất laser Nd:YVO4 liên tục với BCH ngắn 43 b) Cấu hình buồng cộng hưởng sử dụng gương phẳng – cầu Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng laser khắc phục nhược điểm cấu hình buồng cộng hưởng laser (hình 3.16), chúng tơi phát triển buồng cộng hưởng laser có sử dụng yếu tố gương cầu với cấu hình 3.16 M4 M3 < 40 < 40 M1 M2 Tinh thể Thấu kính Nd:YVO4 bơm GRIN Laser bơm Laser Diode Lens Hình 3.16: Cấu hình buồng cộng hưởng laser sử dụng gương phẳng – cầu Với cấu hình BCH hình 3.16, đặt gương cầu M2 cách gương cuối M1 154 mm, sử dụng gương có hệ số phản xạ tương ứng 80%, 49% 55%, hiệu suất chuyển đổi lượng laser cải thiện đáng kể, đồng thời chiều dài BCH laser kéo dài đến vài mét Với chiều dài BCH L = 50 cm, sử dụng gương có hệ số phản xạ 80% hiệu suất laser đạt tới 55%, với gương có hệ số phản xạ 94% hiệu suất laser đạt tới 45% gương có hệ số phản xạ 55% hiệu suất laser đạt tới 50% Đặc trưng cơng suất hệ laser biểu diễn hình 3.17 Power characteristics of the cw Nd:YVO4 using concave mirror (L = 50 cm) 1200 Buồng cộng hưởng L = 50 cm (mW) power Laser Công laser (mW) 1000 55% 800 50% 45% 600 400 R=94% R=80% R=55% 200 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN 500 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1000 1500 2000 2500 Công suất bơm (mW) Pumping Power (mW) Hình 3.17: Đặc trưng cơng suất laser Nd:YVO4 phát liên tục 44 Như vậy, thấy cấu hình buồng cộng hưởng (hình 3.16) cho hoạt động laser với hiệu suất cao buồng cộng hưởng kéo dài lên đến vài mét Điều có lợi muốn phát triển hệ laser Nd:YVO4 phát xung cực ngắn dựa kỹ thuật khóa mode với gương bán dẫn hấp thụ bão hòa Khảo sát đặc trưng phổ laser Nd:YVO4 phát liên tục công suất cao: Độ rộng phổ xạ laser Nd:YVO4 phát liên tục công suất cao đo máy quang phổ phân giải cao (DFS-8, Å/mm) kết nối với thị dãy photodiode (BP - 2048, USA) (FWHM) 3,8 3,8Ẩ0 Hình 3.18: Độ rộng phổ xạ laser rắn Nd:YVO4 phát liên tục công suất cao Kết đo độ rộng phổ laser Nd:YVO4 phát liên tục thu dòng bơm 1800 mA biểu diễn hình 3.18 Kết tính tốn cho thấy, độ rộng phổ (FWHM) laser thu 0,38 Å Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 45 Phân bố lượng chùm laser Nd:YVO4 phát liên tục công suất cao: Phân bố khơng gian chùm laser phân tích thiết bị phân tích chùm laser phát triển Viện Vật lý, thiết bị dựa sở dãy photodiodeBP – 2048, USA) lập trình quét chiều Kết khảo sát phân bố lượng chùm laser khóa mode hình 3.19 Gauss fit Hình 3.19: Phân bố theo khơng gian lượng chùm laser rắn Nd:YVO4 3.3 Nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ laser Nd:YVO4 phát xung ngắn đƣợc bơm laser diode Kỹ thuật phát xung laser ngắn dựa trình độ hoạt động laser xảy buồng cộng hưởng laser (transient - cavity) có độ dài ngắn Q thấp Đây phương pháp phát xung laser ngắn đơn giản sử dụng lần đầu cho laser phân tử màu hữu laser rắn bơm đèn xung [14, 18] Chúng nghiên cứu phát triển thành công hệ laser rắn Nd:3+ phát xung ngắn dựa trình độ hoạt động laser xảy buồng cộng hưởng laser có độ dài ngắn Đặc biệt, thơng số điều kiện hoạt động tối ưu cho hệ laser phát xung ngắn theo chế transient – cavity xác định 3.3.1 Nghiên cứu thiết kế: Buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 bơm laser diode bán đồng tiêu với gương phẳng gương cầu phản xạ cao 1064 nm Một cấu hình buồng cộng hưởng gương sử dụng với gương cầu phản xạ cao có bán Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 46 kính gương 10 cm Buồng cộng hưởng có chiều dài khoảng 10 cm kĩ thuật đơn giản, compact dễ cài đặt mà không cần thay đổi bơm quang vị trí tinh thể suốt trình thực nghiệm Cấu hình bơm dọc cho laser trình bày hình 3.20 Nguồn bơm laser diode (ATC- Semiconductor Devices) phát bước sóng quanh 808 nm với cơng suất liên tục W Laser diode nuôi nguồn nuôi LDD-10 (ATC-SD) thiết kế cho laser diode hoạt động ổn định hai chế độ liên tục xung điều khiển dòng bơm Với kiểu xung, dải thời gian điều chỉnh laser diode từ 0,1 ms đến 0,998 s, vùng điều chỉnh tần số lặp lại xung laser diode từ Hz đến 10 kHz Đây nguồn ni điều khiển nhiệt độ [27] Sự phân cực chùm laser diode phân cực ngang cần hệ thấu kính trụ để chuẩn trực lại chùm bơm cho thích hợp Ở chúng tơi sử dụng thấu kính có tiêu cự 35 mm để hội tụ chùm bơm vào tinh thể laser Tinh thể laser Nd:YVO4 pha tạp % (3 x x mm) phủ chống phản xạ AR hai mặt bước sóng 808 nm 1064 nm gắn giá đỡ đồng nhằm tải nhiệt cho tinh thể đặt hướng cho hấp thụ bước sóng bơm 808 nm lớn Tất thành phần quang học tinh thể laser đặt mua từ CASIX [13] Việc thiết kế BCH laser ngắn có độ phẩm chất Q thấp mục tiêu quan trọng kỹ thuật laser BCH laser phát triển theo sơ đồ sau Gương phẳng Gương cầu Laser diode Nd:YVO4 Thấu kính bơm Hình 3.20: Sơ đồ nguyên tắc laser rắn phát xung ngắn theo chế transient – cavity 3.3.2 Đặc trƣng thông số laser rắn phát xung ngắn chế transient –cavity Trong hoạt động đơn xung laser Nd:YVO4, độ rộng xung laser phát từ buồng cộng hưởng có chiều dài cm, 10 cm cm với độ truyền qua khác (hình 3.21) khác Độ rộng xung laser Nd:YVO4 phụ thuộc mạnh vào tham Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 47 số buồng cộng hưởng (chiều dài độ truyền qua) Trong thực nghiệm, chiều dài ngắn mà thực với laser Nd:YVO4 cm tương ứng cho xung có độ rộng 93 ns dài độ rộng xung tính tốn lý thuyết (71 ns) 500 L = cm computed L = cm computed L = 10 cm computed L = cm measured L = cm measured L = 10 cm measured L = 10 cm xung laser (ns) Độ rộng Pulse width (ns) 450 400 350 300 L = cm 250 200 L = cm 150 100 50 10 20 30 40 50 60 70 80 Độ truyền quaofcủa gương ra(%) (%) Transmission output mirror Hình 3.21: Độ rộng xung laser Nd:YVO4 có buồng cộng hưởng dài 1, 10 cm với gương khác (6%, 20%, 50%, 70%) So sánh kết lý thuyết thực nghiệm 600 L = 5cm, Tout = % L = 5cm, Tout = 70 % xung laser (ns) rộng Width(ns) ĐộPulse 550 500 450 400 350 300 250 200 150 Tần sốPulse lặp lạiRepetition xung laser (kHz) Pump (kHz) Số hóa Trung ĐHTN Hìnhbởi 3.22: Sự tâm phụ Học thuộcliệu của- độ rộng xung laser vào tầnhttp://www.lrc-tnu.edu.vn/ số lặp lại xung bơm 48 Tốc độ lặp lại xung laser diode 10 kHz, xung laser Nd:YVO4 mong nhận tốc độ Tuy nhiên, kết thực nghiệm cho thấy độ rộng xung laser Nd:YVO4 tăng đột ngột tốc độ lặp lại xung xung bơm laser diode cao kHz T = 20% T = 70% Hình 3.23: Xung laser 191 ns 93 ns phát từ laser có buồng cộng hưởng dài cm ứng với độ truyền qua gương 20% 70% Hình 3.24: Chuỗi xung laser Nd:YVO4 có tần số 2,5 kHz Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục đích nghiên cứu xây dựng hệ laser rắn Nd:YVO4 bơm laser bán dẫn, đề tài đạt số kết sau: Nghiên cứu, phân tích đặc điểm, tính chất số mơi trường laser rắn bơm laser bán dẫn điển hình qua thấy phát triển laser phát liên tục phát xung ngắn với cấu hình BCH nhỏ gọn hiệu suất chuyển đổi lượng laser cao Nghiên cứu đặc trưng laser bán dẫn, lựa chọn thông số tối ưu cho hoạt động laser bán dẫn trình bơm quang học cho laser rắn Nd:YVO4, đảm bảo cho laser rắn Nd:YVO4 hoạt động với hiệu suất cao Nghiên cứu xây dựng thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 phát liên tục bơm laser bán dẫn với hiệu suất laser cao Với BCH gấp khúc sử dụng gương cầu, hiệu suất laser đạt tới 55% với gương R = 80% (chiều dài BCH L = 50 cm) Nghiên cứu xây dựng thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 phát xung ngắn sử dụng kỹ thuật độ buồng cộng hưởng (transient - cavity), bơm laser bán dẫn Độ rộng xung thu cỡ 93 ns, tần số lặp lại tới hàng kHz bước sóng 1064 nm với cơng suất trung bình cỡ mW Các hệ laser có tiềm ứng dụng phân tích quang phổ laser, phục vụ nghiên cứu khoa học, y tế, quân sự, môi trường Cảnh báo: Tránh để tia laser dọi thẳng vào mắt da làm việc với hệ laser Kiến nghị: Đề nghị cần phát triển tiếp kết sâu nhằm mục đích phát triển hệ laser rắn phát xung cực ngắn (picô - giây đến femtô - giây) để đưa vào sử dụng nghiên cứu lĩnh vực vật lý, hóa học, y-sinh học mơi trường, … Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt : Nguyễn Thế Bình, Kĩ thuật laser, NXB Đại học Quốc Gia Hà nội, 2004 Trần Đức Hân (Chủ biên), Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo Dục, 2005 Đinh Văn Hoàng - Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng, NXB Đại học Quốc Gia - Hà nội, 2004 Nguyễn Đại Hƣng, Vật lý kĩ thuật laser, NXB Đại học Quốc gia – Hà nội, 2004 Hồ Quang Quý, Laser rắn – công nghệ ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia – Hà nội, 2006 Tiếng anh : Govind P Agrawal (1995), Laser Semiconductor, American Institute of Physics Press Dickman (2003), Diodelaser Pumped Nd:YAG laser, MEOS GmbH 79427 Eschbach C Durracq, N Sanner, P Brechignac et al Advances in Photonics and Applications (Eds A Bersellini, G Denardo et al) (2004) p.252-258 N Dai Hung, Y Segawa, P Long, et.al, Appl Phys B 65 (1997) p.19-26 10 Walter Koechner, (1999), Solid State Laser Engineering, Springer - Verlag, NewYork 11 V Z Kolev et al, (2003), Passive mode locking of a Nd:YVO4 lasser with an extral long resonator, Opp Lett, Vol 28, No 14, p1275-1277 12 Walter Koechner, Michael Bass (2003), Solid State Laser - A Graduate Text, Springer - Verlag, NewYork Pp75 13 http://casix.com/product/prod_cry_ndyvo4.html 14 C Lin and C.V Shank, Appl Phys Lett 26 (1975) p 389-391 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 15 P K Mukhopadhyay et al, (2004), Ananlysis of laser diode end-pumped intral cavity frequency doubled passive Q-swicthed and mode locked Nd:YVO4 laser, App Opt., B79, p713-720 16 Quanta Ray PRO-Series, Laser pulsed Nd:YAG laser - User’s manual 17 B E A Saled & M C Teich, Fundamentals of Photonics, Part 2, J W Goodman Press, 1991 18 F P Schafer, Dye Lasers (Springer-Verlag) (1973) p.1-90 19 O Svelto, (1998), Principles of lasers, 4th ed, New York, NY Plenium 20 C L Tang, J Appl Phys 34, (1963) p.2935-2940 21 Colin E Webb, Julian D C Jones, (2004), Handbook of Laser Technology and Applications Volume II: Laser Design and Laser Systems Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/