giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động

giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 MỞ ĐẦU Từ đời đến nay, kĩ thuật laser không ngừng phát triển với tốc độ nhanh Các loại laser ngày chứng tỏ ưu vượt trội nhiều lĩnh vực như: khoa học công nghệ, vũ trụ học, y học, thẩm mỹ, địa chất… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser phát triển đa dạng chủng loại đồng thời kĩ thuật chế tạo laser ngày hoàn thiện Trong thực tế nay, laser rắn – mà điển hình số laser Nd:YAG kích thích phương pháp bơm quang học – sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học quang phổ Tuy nhiên, nhu cầu ứng dụng khơng dừng lại đó, người ta mong muốn chế tạo loại laser có kích thước nhỏ gọn, cầm tay mang theo người để dễ dàng sử dụng mà công suất đủ lớn để ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, đặc biệt qn sự, y học thẩm mỹ Vì lí này, năm gần thuật ngữ laser mini xuất để loại laser rắn xách tay Các nhà khoa học nhà công nghệ giới Mỹ Trung Quốc chế tạo thành cơng loại laser Song vấn đề cơng nghệ nhạy cảm nên khơng có cơng bố Ngay việc mua dịng laser gặp nhiều khó khăn Trong nỗ lực tạo sản phẩm quang điện tử xách tay, Viện Ứng Dụng Công Nghệ đặt vấn đề nghiên cứu nội dung để thăm dị khả tiếp cận trình độ khoa học công nghệ quốc tế tạo sở để khẳng định hướng chế tạo loại laser mini nói chung Trong việc chế tạo laser mini Nd:YAG, vấn đề buồng cộng hưởng quang học mini yếu tố quan trọng bậc Nhiệm vụ trọng tâm luận Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 văn tìm hiểu số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá số thơng số vật lí buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG Q-switch thụ động Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan buồng cộng hưởng Chương 2: Cơ sở động học laser rắn Q-switch thụ động Chương 3: Một số vấn đề vật lí buồng cộng hưởng mini cho laser Nd: YAG Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG 1.1 Phân loại buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng quang học phận cấu thành quan trọng laser Đó cấu trúc – quang thành phần quang học bố trí cho chùm ánh sáng lưu chuyển theo hành trình khép kín Người ta phân loại buồng cộng hưởng laser theo tiêu chuẩn khác Ở phân loại theo chủng loại laser theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng 1.1.1 Phân loại buồng cộng hưởng theo chủng loại laser Có ba loại buồng cộng hưởng điển hình dạng khối, dẫn sóng hỗn hợp + Các buồng cộng hưởng quang học khối thường sử dụng cho laser rắn dạng khối Trong buồng cộng hưởng này, tính chất mode ngang phụ thuộc vào cấu trúc tổng thể (kể độ dài khoảng khơng khí) Kích thước mode thay dổi đáng kể theo chiều dọc buồng cộng hưởng số trường hợp, tính chất mode cịn bị ảnh hưởng hiệu ứng thấu kính nhiệt + Buồng cộng hưởng dẫn sóng thường chế tạo dạng sợi quang dạng quang tích hợp Các tính chất mode ngang xác định tính chất dẫn sóng + Các buồng cộng hưởng hỗn hợp dùng laser sợi quang 1.1.2 Phân loại buồng cộng hưởng theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng Nguyên lý lưu chuyển ánh sáng tuyến tính vịng (a): Buồng cộng hưởng ánh sáng nẩy qua nẩy lại hai gương đầu – cuối (b): Buồng cộng hưởng vịng khơng có gương đầu – cuối Hình 1.1: Các loại buồng cộng hưởng phổ biến Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 + Buồng cộng hưởng tuyến tính sóng đứng: ánh sáng nẩy qua nẩy lại hai gương (hình 1.1a) Cấu hình buồng cộng hưởng tuyến tính thường sử dụng cơng nghệ laser biểu thị hình 1.2 Trong hình vẽ, phần diện tích tơ đậm biểu diễn "thể tích mode", nghĩa thể tích thực tế bên buồng cộng hưởng bị chùm tia laser chiếm chỗ Phát xạ kích thích sinh bên thể tích Phần hoạt chất nằm ngồi thể tích mode khơng đóng góp vào phát laser khơng có chùm tia để kích thích phát xạ photons Việc lựa chọn cấu hình buồng cộng hưởng cho laser cụ thể phụ thuộc vào ba yếu tố: Mất mát nhiễu xạ, thể tích mode độ dễ đồng chỉnh Buồng cộng hưởng song phẳng (hình 1.2a) thành phần quan trọng lasers rắn xung số lasers xung khác thể tích mode lớn cho phép sử dụng hiệu hoạt chất laser Cấu hình buồng cộng hưởng có mát nhiễu xạ cao nhất, song laser xung mát khắc phục thể tích mode lớn làm tăng độ tăng ích Một ưu điểm khác không hội tụ chùm tia laser bên mơi trường hoạt chất gương phẳng không "hội tụ" nên không gây hư hại cho laser Nhược điểm lớn cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng khó đồng chỉnh Một độ nghiêng nhỏ gương song phẳng làm cho chùm tia "đi khỏi" buồng cộng hưởng, tức khơng cịn hiệu ứng laser Buồng cộng hưởng hình cầu (Hình 1.2 b) có tính "ngược hẳn" với buồng cộng hưởng song phẳng Nó loại cấu hình dễ chỉnh nhất, có mát nhiễu xạ thấp nhất, lại tích mode nhỏ buồng cộng hưởng hình cầu thường khơng dùng cho loại laser khác ngoại trừ laser màu liên tục cần chùm tia hội tụ để tạo hiệu suất phát xạ kích thích cao lasers Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Bán kính gương r1 =  Song phẳng r2 =  (a) L r1 = L/2 Hình cầu r2 = L/2 (b) r1 > L Bán kính dài r1 = L Đồng tiêu r2 = L r1 = L Bán cầu r2 =  r2 > L (c) (d) (e) r1 > L Bán cầu - bán kính dài r1 > L Gương cầu lồi – lõm r2 =  (f) (g) Hình 1.2: Các cấu hình buồng cộng hưởng r2 = – (r1 – L) Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Buồng cộng hưởng bán kính dài (Hình 1.2 c) cải thiện thể tích mode chút, song lại trả giá cho việc khó chỉnh nhiều mát nhiễu xạ lớn chút so với trường hợp buồng cộng hưởng đồng tiêu Loại buồng cộng hưởng phù hợp với ứng dụng laser liên tục nào, song có số thiết bị thương mại dùng loại buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) cấu hình thỏa hiệp cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng buồng cộng hưởng hình cầu Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính dễ chỉnh mát nhiễu xạ thấp buồng cộng hưởng hình cầu với thể tích mode tăng buồng cộng hưởng song phẳng Cấu hình buồng cộng hưởng đồng tiêu sử dụng cho hầu hết laser liên tục, song thông dụng Buồng cộng hưởng bán cầu (Hình 1.2 e) thực tế nửa buồng cộng hưởng hình cầu, đặc trưng hai loại giống Ưu điểm loại buồng cộng hưởng giá thành gương thấp buồng cộng hưởng hình cầu Buồng cộng hưởng bán cầu thường sử dụng cho He-Ne lasers công suất thấp mát nhiễu xạ thấp, dễ chỉnh giá thành thấp Buồng cộng hưởng bán cầu-bán kính dài (Hình 1.2 f) kết hợp ưu điểm giá thành buồng cộng hưởng bán cầu với thể tích mode cải thiện buồng cộng hưởng bán kính dài Đa số laser liên tục (trừ He-Ne lasers công suất thấp) sử dụng loại buồng cộng hưởng Trong đa số trường hợp, r1 > 2L Buồng cộng hưởng lồi-lõm (Hình 1.2 g) thường sử dụng cho CW CO2 lasers công suất cao Trong thực tế, đường kính gương lồi nhỏ đường kính chùm tia Chùm tia tạo phần chùm tia qua xung quanh gương vậy, chùm tia có dạng "bánh rán" Chùm tia Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 phải qua vành ngồi gương khơng thể chế tạo gương dùng để truyền chùm cường độ mạnh lasers công suất cao + Buồng cộng hưởng vịng: ánh sáng lưu chuyển theo hai hướng khác Buồng cộng hưởng vịng khơng có gương đầu - cuối (hình 1.1b) Các phận buồng cộng hưởng 1.2.1 Gương laser Gương laser phận quan trọng cấu thành lên buồng cộng hưởng laser Các gương có hệ số phản xạ khác gương có hệ số phản xạ gần tồn phần cịn gương có hệ số phản xạ thấp Trừ laser bán dẫn đó, hai gương laser hai mặt hoạt chất cắt song phẳng phủ hệ số phản xạ khác lên đó, laser khí laser rắn gương laser lắp rời hai phía so với hoạt chất Người ta phân biệt buồng cộng hưởng khác tuỳ theo cấu hình gương phản xạ tạo thành Gương gương phẳng, gương cầu, lăng kính porro tam diện Buồng cộng hưởng song phẳng hai gương phản xạ gương phẳng, buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu hai gương phản xạ hai gương cầu có bán kính cong tiêu điểm v.v… Trong laser rắn xung số laser xung khác buồng cộng hưởng song phẳng thành phần quan trọng tính chất thể tích mode ưu điểm không hội tụ chùm sáng Tuy nhiên buồng cộng hưởng loại có nhược điểm lớn khó đồng chỉnh Một độ nghiêng nhỏ gương làm cho chùm tia khỏi buồng cộng hưởng, tức khơng cịn hiệu ứng laser Chính việc nghiên cứu thay gương phẳng tam diện hay lăng kính porro với tính chất làm giảm độ nhạy đồng chỉnh Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 đáng kể hướng thích hợp mà luận văn đề cập đến phần sau 1.2.2 Đèn bơm Các laser rắn kích thích bơm quang học Hiệu bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố : Thứ nhất, xạ bơm phải hấp thụ mạnh tâm hoạt chất đồng thời không bị chất hấp thụ Thứ hai, hiệu suất lượng tử bơm phải cao gần tất tâm hoạt chất sau đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển mức laser Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta dùng biện pháp sau: - Chọn hoạt chất có mức kích thích nhóm mức băng rộng đảm bảo trùng khớp tần số dịch chuyển kênh kích thích với cực đại phổ xạ bơm - Sử dụng phương pháp nhạy hoá : Bên cạnh ion bản, loại ion khác (ion nhạy hoá) đưa vào chất Những ion nhạy hoá hấp thụ hồn tồn xạ bơm sau chuyển lượng hấp thụ sang ion hoạt chất - Thay cho sử dụng chất với thành phần đơn giản tinh thể người ta dùng hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ mở rộng đáng kể Phương pháp bơm quang học cho laser rắn chia làm loại chính: bơm đèn (bơm không kết hợp) bơm laser (bơm kết hợp) Trong phạm vi luận văn xét phương pháp bơm đèn Với phương pháp bơm đèn, đòi hỏi đèn bơm quang học phải có phổ xạ phù hợp với phổ hấp thụ hoạt chất có Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 lượng bơm đủ lớn Đó đèn phóng điện qua chất khí khác địi hỏi điện áp cao, dòng điện cường độ lớn Các đèn thường có dạng ống thẳng xoắn bố trí sau: Hình 1.3: Cấu hình bơm laser rắn sử dụng nhiều đèn bơm Đèn kích cho laser rắn thường đèn Xenon Krypton Các đèn phải chọn cho phổ xạ phải phù hợp với phổ hấp thụ hoạt chất Trong trường hợp mặt phản xạ có dạng trụ-elip hoạt chất đèn đặt tiêu điểm elip Mặc dù ngày việc sử dụng laser diode làm nguồn bơm laser rắn trở nên phổ biến nhờ ưu điểm lớn chúng, loại laser rắn bơm đèn tiếp tục sử dụng thời gian dài ưu điểm sau: - Có thể bơm với công suất cao (đặc biệt công suất đỉnh) - Giá thành cho watt công suất tạo từ đèn bơm rẻ nhiều so với laser diode - Các loại đèn bơm bền, chịu đỉnh dòng lớn Tuy nhiên chúng có nhiều nhược điểm như: - Thời gian sống đèn bơm chế độ xung thường hạn chế, khoảng vài nghìn đến triệu xung phát Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 - Hiệu suất biến đổi điện-quang laser bơm đèn thấp (chỉ khoảng vài phần trăm) Hậu khơng tiêu thụ điện cao mà cịn làm phát sinh nhiệt lượng lớn Do cần hệ thống làm mát ổn định, khó đạt chùm tia laser chất lượng cao - Các đèn bơm laser thường sử dụng nguồn điện cao nên phải đảm bảo an toàn cao - Độ chói bơm thấp (khi so sánh với laser diode) phổ xạ rộng đèn bơm loại trừ nhiều môi trường khuếch đại Tuy nhiên, thời gian sống, hiệu suất bơm, hệ thống làm lạnh,… vấn đề quan trọng đèn flash hoạt động với tần số lặp lại thấp (một vài chục Hz) cơng suất trung bình Lúc đèn flash với giá thành hạ lựa chọn hàng đầu * Hiệu suất bơm tốc độ bơm: Xét trường hợp laser rắn bơm đèn liên tục; ta định nghĩa hiệu suất bơm p tỷ số công suất nhỏ P m đèn để tạo tốc độ tích lũy Rp cho môi trường hoạt chất công suất điện Pp cung cấp cho đèn: p  Pm Pp (1.1) Do tốc độ tích lũy mối trường hoạt chất phân bố không đồng nhất, nên công suất nhỏ đèn bơm viết dạng:  dN  Pm   Vh mp R pVh mp  dt  Trong đó: dN : số lượng nguyên tử đơn vị thể tích chuyển lên mức laser dt trình bơm V : thể tích mơi trường hoạt chất 10 ... hiểu số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hố số thơng số vật lí buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG Q-switch thụ động Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan buồng cộng hưởng. .. loại buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) cấu hình thỏa hiệp cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng buồng cộng hưởng hình cầu Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính dễ chỉnh. .. phận buồng cộng hưởng 1.2.1 Gương laser Gương laser phận quan trọng cấu thành lên buồng cộng hưởng laser Các gương có hệ số phản xạ khác gương có hệ số phản xạ gần tồn phần cịn gương có hệ số phản