Nghiên cứu thiết kế hệ thống laser nâng tần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAN THANH NHẬT KHOA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LASER NÂNG TẦN Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến và Điện tử (hướng Điện tử) Mã số : 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS ĐẶNG MẬU CHIẾN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2011 2 MỤC LỤC Danh mục bảng 4 Danh mục hình vẽ, đồ thị 5 Danh mục kí hiệu viết tắt 8 Chương I - TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ TINH THỂ PHI TUYẾN 10 I.1 Giới thiệu về nội dung luận văn 10 I.2 Tổng quan về laser rắn 13 I.2.1 Tương tác giữa sóng điện từ với vật chất: 13 I.2.2 Phương trình vận tốc 14 I.2.3 Ngưỡng phát và công suất ra của laser 16 I.2.4 Hệ cộng hưởng quang học 19 I.2.4.1 Sự ổn định của hệ cộng hưởng: 20 I.2.4.2 Chùm Gauss trong hệ cộng hưởng 21 I.2.5 Nguồn bơm 23 I.2.6 Sự nhân tần trong tinh thể quang phi tuyến 28 I.2.6.1 Tổng quan về sự nhân tần trong tinh thể quang phi tuyến. 28 I.2.6.2 Điều kiện đồng bộ không gian 32 Chương II THỰC NGHIỆM 37 II.1 Xây dựng mạch điều khiển nhiệt độ 37 II.2 Xây dựng module laser bán dẫn với các cơ cấu bảo vệ 46 II.3 Đánh giá các đặc trưng ngưỡng, công suất của laser bán dẫn 49 II.4 Xây dựng hệ cộng hưởng cho laser Nd:YVO 4 nhân tần bơm bằng laser bán dẫn 50 II.4.1 Các đặc trưng của tinh thể hoạt tính sử dụng trong luận văn 50 II.4.2 Đặc trưng của tinh thể nhân tần KTP trong luận văn 54 II.4.3 Xây dựng hệ cộng hưởng 58 II.4.4 Cấu hình hệ cộng hưởng phát xung 64 3 II.5 Đánh giá các thông số của laser Nd:YVO 4 nhân tần bơm bằng laser bán dẫn 65 Chương III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 67 III.1 Thông số của modulde laser bán dẫn bơm 67 III.2 Thông số của hệ laser Nd:YVO 4 nhân tần bơm bằng laser bán dẫn 68 III.2.1 Hệ cộng hưởng phẳng - phẳng nhân tần ngoài 68 III.2.1.1 Ảnh hưởng của chiều dài hệ cộng hưởng lên chùm ra 1064nm 69 III.2.1.2 Ảnh hưởng của góc lệch gương M 2 69 III.2.1.3 Ảnh hưởng của góc giữa trục Z (KTP) và trục c (Nd:YVO 4 ) 70 III.2.2 Hệ cộng hưởng phẳng-cầu nhân tần trong 71 III.2.2.1 Điều kiện ổn định của hệ cộng hưởng: 71 III.2.2.2 Ngưỡng phát và độ dốc của đường cong P o -P p 74 III.2.2.3 Ảnh hưởng của chiều dài hệ cộng hưởng lên công suất ra. 76 III.2.2.4 Ảnh hưởng của vị trí KTP đến công suất ra 77 III.2.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nd:YVO 4 lên công suất ra 78 III.2.2.6 Kết quả về laser Nd:YVO 4 532 nm điều biến độ phẩm chất. 81 III.2.2.7 Phổ và độ rộng vạch của chùm 532 nm 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 4 DANH MỤC BẢNG Bảng II-1 : Các thông số của laser bán dẫn 46 Bảng II-2: Tiết diện bức xạ cảm ứng của một số chuyển dời trong Nd:YAG[7] 52 Bảng II-3: Các thông số vật lý của Nd:YAG và Nd:YVVO 4 54 Bảng II-4: So sánh các thông số của các tinh thể nhân tần khác nhau [7] 56 Bảng III-1: Mô tả các vị trí của KTP và gương ra trong hệ laser được khảo sát: 71 Bảng III-2: Ngưỡng phát của các cấu hình laser khác nhau 74 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình I-1: Vận tốc chuyển dời giữa các mức (a) 14 Hình I-2: Vận tốc chuyển dời giữa mức năng lượng trong laser 4 mức (a) 15 Hình I-3: Hệ cộng hưởng phẳng-phẳng (a), lõm-lõm với gương có bán kính cong lớn (b), đồng tiêu (c), đồng tâm (d), lõm – lồi (e) và bán cầu (f). 19 Hình I-4: Giản đồ ổn dịnh của hệ cộng hưởng[7] 20 Hình I-5: Chùm Gauss trong hệ cộng hưởng 21 Hình I-6: Bơm ngang cho Nd:YAG dùng đèn xoắn[7] (a), bơm ngang bằng laser bán dẫn[4], bơm dọc bằng chùm laser bán dẫn từ sợi quang[7] 23 Hình I-7: a) Phổ của đèn chớp xenon hoạt động ở mật độ dòng 24 Hình I-8: Cấu trúc của một chip laser bán dẫn nhìn từ phía trước [7] 26 Hình I-9: Đặc tuyến I-P của một thanh laser bán dẫn 10W [7]. 27 Hình I-10: Phân bố cường độ theo góc của chùm laser bán dẫn theo 28 Hình I-11: Đồ thị hàm     2 2 2 2 2sin kL kL   32 Hình I-12: Ellipsoid chiết suất của tinh thể đơn trục âm 33 Hình II-1: Một tấm làm lạnh nhiệt điện (TEC). 38 Hình II-2: Sơ đồ phần tử Peltier của một tấm TEC. 38 Hình II-3: Bộ tản nhiệt hoàn chỉnh TEC + cánh tản nhiệt+ quạt. 39 Hình II-4: Sơ đồ khối chức năng mạch tản nhiệt. 39 Hình II-5: Sơ đồ nguyên lý mạch tản nhiệt. 41 Hình II-6: Sơ đồ mạch điện chuẩn nhiệt độ. 42 Hình II-7: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt. 42 Hình II-8: Sơ đồ mạch điện với bộ vi xử lí PIC16F877A nằm ở trung tâm 43 Hình II-9: Sơ đồ mạch điện hiển thị LCD 44 Hình II-10: Sơ đồ mạch điều khiển hoạt động TEC 44 Hình II-11: Mô phỏng mạch bằng Proteus 45 Hình II-12: Mạch điều khiển nhiệt độ thực tế 46 Hình II-14: Vòng chống tĩnh điện chuyên dụng và nguồn dòng Sino 48 6 Hình II-15: Module laser 808 nm đã lắp ráp 48 Hình II-15 : Các mức năng lượng của Nd:YAG và các 50 Hình II-16: Phổ hấp thụ của Nd:YAG quanh lân cận 808 nm [7]. 51 Hình II-17: Giản đồ năng lượng và các chuyển dời làm việc 53 Hình II-18: Phổ hấp thụ của Nd:YVO 4 0,27% quanh lân cận 808 nm. 53 Hình II-19: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên công suất của sóng 532 nm 55 Hình II-20: Chiết suất đối với sóng truyền trong tinh thể lưỡng trục KTP 57 Hình II-21 : Điều kiện nhân tần tối ưu từ 1064 nm thành 532 nm [7] 58 Hình II-23: Laser với cấu hình phẳng-phẳng nhân tần ngoài 59 Hình II-25: Hình chụp của hệ laser 532 nm nhìn từ phía trên 61 Hình II-26: Hình chụp của hệ laser nhìn từ bên hông 62 Hình II-27: Ảnh chụp chùm 532 nm hứng trên màn 62 Hình II-28: Tán xạ mạnh của chùm 532 nm khi đi qua sol TiO 2 63 Hình II-29 : Tinh thể Nd:YVO 4 1%; b) gương T=20% ở 1064 nm; c) KTP; d) gương cong HR 1064 HT 532 63 Hình III-1: Đồ thị công suất phát của laser 808 nm (mW) 67 Hình III-2: Công suất chùm laser 1064 nm theo công suất 808 nm bơm vào 68 Hình III-3 : Công suất 1064 nm theo góc lệch giữa M 2 và S 1 69 Hình III-4 : Công suất sóng 532 nm theo công suất 1064 nm bơm vào KTP 70 Hình III-5: Công suất chùm 532 nm theo góc giữa trục Z của KTP 71 Hình III-6: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình A 72 Hình III-7: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình B, B 1 72 Hình III-8: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình hệ C, C 1 và C 2 73 Hình III-9: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình D, D 1 và D 2 73 Hình III-10: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình E và E 1 73 Hình III-11: Dạng đồ thị của laser với độ truyền qua của gương ra là hằng số. 75 Hình III-12: Đồ thị P p (808 nm ( mW) -P o (532nm) ( mW) của laser Nd:YVO 4 76 Hình III-13: Sự biến đổi của tiết diện chùm Gauss trong 77 7 Hình III-14: Đồ thị công suất 532 nm theo công suất bơm 808 nm khi Nd:YVO 4 được điều chỉnh ở các nhiệt độ khác nhau. 79 Hình III-15: Độ dốc hiệu suất trung bình theo nhiệt độ 80 Hình III-16: Đồ thị công suất ra trung bình 532 nm của hệ laser Q-switched, phần tử điều biến là Cr:YAG. 81 Hình III-17: Ảnh chụp ảnh phản xạ của chùm laser 532 nm liên tục 82 Hình III-18: Ảnh chụp ảnh phản xạ của chùm laser 532 nm xung 82 Hình III-19: Phổ của chùm 532 nm từ hệ laser 83 8 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DPSSL : diode-pumped solid state laser HR : high reflectance HT : high transmittance AR : anti reflectance LD : laser diode SHG : second harmonic generation ICSHG : intracavity second harmonic generation ECSHG : extracavity second harmonic generation TEC : thermoelectric cooling KTP : potassium titanyl phosphate, KTiOPO 4 Nd:YAG : neodymium-doped yttrium aluminum garnet Nd:YVO 4 : neodyimum-doped yttrium orthovanadate RoC : radius of curvature OC : output coupler 10 Chương I - TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ TINH THỂ PHI TUYẾN I.1 Giới thiệu về nội dung luận văn Năm 1954, C.Townes [7] lần đầu tiên chế tạo thành công maser - máy khuếch đại vi sóng bằng bức xạ kích thích – khi ông tạo được mật độ đảo lộn giữa 2 mức năng lượng trong phân tử ammonia và thu được bức xạ với bước sóng 1,25 cm. Kể từ sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển máy phát lượng tử với các bước sóng khác qua vùng quang học, song nhiều nỗ lực chưa dẫn đến thành công vì thời gian đó chưa tìm được môi trường hoạt tính nào thích hợp, mãi cho tới khi T.Maiman [7] thành công khi dùng tinh thể ruby (sapphire pha tạp crôm) tạo được bức xạ 694 nm. Ông đã đặt tên máy khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích này là laser. Các dạng laser có thể được gọi tên theo môi trường hoạt tính của nó. Laser với môi trường hoạt tính rắn có thể gọi vắn tắt là laser rắn, kích thước chúng thường là nhỏ gọn hơn nhiều so với laser khí hoặc lỏng với cùng công suất, do mật độ vật chất (và do đó mật độ đảo lộn) của môi trường rắn là lớn hơn nhiều so với môi trường lỏng hoặc khí. Laser rắn ruby ra đời sớm nhất, ứng dụng chính của nó là trong quân sự: định tầm (range finding), và trong nghiên cứu ở các trường, viện. Cơ chế bơm của nó là dùng đèn chớp dạng xoắn, và cơ chế phát xung là điều biến độ phẩm chất bằng cách xoay một lăng kính. Trong công nghiệp và thương mại lúc đó laser ruby rất ít được sử dụng, bởi tần số xung quá thấp (một xung trong vài giây) và giá ruby đắt của ruby, chỉ có một vài ứng dụng hiếm hoi như khoan lỗ trong kim cương, phân tích ứng suất bằng toàn kí 2 chùm tia. Bốn năm sau khi laser ruby ra đời, neodymium pha tạp trong nền YAG (yttrium aluminum garnet), Y 3 NdAl 5 O 12 , được phát hiện, 6 năm sau nữa thì laser ruby dần bị thay thế bởi laser neodymium. Nd:YAG có các tính chất nhiệt, cơ học và quang học tốt, trong khi qui trình nuôi 11 tinh thể này không quá phức tạp. Trong ứng dụng định tầm quân sự, laser Nd:YAG nhanh chóng thay thế laser ruby, bởi vì hiệu suất cúa nó tăng gấp 10 lần so với laser ruby, không cần dùng các loại pin, tụ nặng nề nữa. Trong chiến trận, laser ruby cùng phụ tùng và giá đỡ ba chân rất cồng kềnh, phải được đem đi trong một vali, thì laser Nd:YAG chỉ có kích thước tương đương vỏn vẹn một cái ống nhòm. Tuy nhanh chóng chiếm lĩnh vị trí hàng đầu trong các ứng dụng quân sự và nghiên cứu, nhưng laser rắn gặp phải nhiều khó khăn khi chen vào lĩnh vực dân sự, phần vì va chạm với các đối thủ laser khác, phần vì chi phí vận hành cao. Laser CO 2 có công suất mạnh hơn và cấu trúc đơn giản hơn đã chiếm vị trí ưu thế trong gia công vật liệu. Trong giải phẫu võng mạc, đa phần bác sĩ chọn laser argon để gây quang đông tụ máu hơn là laser rắn. Laser hóa màu chiếm ưu thế trong lĩnh vực laser điều hướng được. Laser rắn chỉ tìm được một số chỗ đứng nhỏ trong các ứng dụng đặc biệt, ví dụ trong gia công vật liệu người ta chỉ dùng nó để gia công các vật liệu mà laser CO 2 khó gia công như titan. Trong thập kỉ 70 người ta chế tạo thành công laser bán dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng nhưng công suất chỉ vài mW, mãi đến thập kỉ 90 laser bán dẫn công suất công suất hàng watt với giá thành chấp nhận được mới xuất hiện, và trở thành một nguồn bơm quan trọng mới cho laser Nd:YAG hoặc Nd pha tạp trong các nền khác. Laser bán dẫn có công suất cao nhưng chất lượng chùm của nó rất kém, thể hiện qua thông số chất lượng chùm M 2 lớn, góc phân kì lớn, độ bán rộng của vạch phổ cũng lớn. Khi dùng laser bán dẫn để bơm cho Nd:YAG chẳng hạn, với kỹ thuật thích hợp, có thể tạo ra chùm laser tuy công suất không cao bằng laser bán dẫn nhưng chất lượng chùm cao hơn rất nhiều. Đây gọi là laser rắn bơm bằng laser bán dẫn (DPSSL: diode-pumped solid state laser) Laser Nd:YAG bơm bằng laser bán dẫn có hiệu suất cao, độ tin cậy cao và kích thước nhỏ gọn hơn hẳn so với bơm bằng đèn. Không những thế laser bán dẫn còn cho phép thành lập laser Nd:YAG với nhiều cấu hình mới lạ. Chúng cũng dẫn đến việc ra đời của một loạt môi trường hoạt tính mới. như Yb:YAG, Nd:YVO 4 . [...]... trong hệ cộng hưởng Do đó, như trong phần kết quả cho thấy, tinh thể nhân tần KTP đặt trong hệ cộng hưởng cho hiệu suất nhân tần cao hơn hẳn khi đặt ở ngoài I.2.4 Hệ cộng hưởng quang học Tinh thể hoạt tính được đặt trong hệ cộng hưởng Nhờ hệ cộng hưởng mà bức xạ laser được truyền qua lại trong hệ cộng hưởng và tạo thành bức xạ cảm ứng Tính chất kết hợp về pha của các photon trong chùm laser là nhờ hệ. .. Còn đối với laser nhân tần, do cách lấy năng lượng ra khỏi hệ cộng hưởng hoàn toàn khác hẳn, nên đồ thị công suất ra - công suất vào của các laser nhân tần thường có dạng một đường cong [5], [9] Trong phần kết quả của chương 3 sẽ trình bày kết quả đo và so sánh với đồ thị của các hệ laser do một số tác giả [5], [9] xây dựng Từ (I.10) cũng thấy công suất chùm laser thoát ra ngoài hệ cộng hưởng qua gương... tính, giới hạn chiều dài L của hệ cộng hưởng có thể lớn hơn bán kính cong R của gương một ít Thực nghiệm khảo sát điều kiện ổn định của hệ laser trong luận văn này cũng cho thấy L cao hơn R một ít nhưng hệ cộng hưởng vẫn ổn định I.2.4.2 Chùm Gauss trong hệ cộng hưởng Hệ cộng hưởng còn qui định mode của chùm laser Chùm laser khi còn trong hệ cộng hưởng và sau khi ra khỏi hệ cộng hưởng không thể mô tả... này trình bày các bước thực nghiệm xây dựng hệ laser Nd:YVO4 nhân tần bơm bằng laser bán dẫn và sau đó là các phép đo đạc khảo sát kết quả Về xây dựng hệ laser, có 3 phần công việc xây dựng chính: i) xây dựng mạch điện tử để đọc và điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn và môi trường hoạt tính, ii) xây dựng nguồn bơm bằng laser bán dẫn 808 nm, iii) xây dựng hệ cộng hưởng Về đo đạc khảo sát, các tham... Luận văn này hướng tới việc xây dựng hệ laser với môi trường hoạt tính Nd:YVO4, bức xạ 1064 nm từ laser được nhân tần thành bức xạ 532 nm (xanh lá cây) bằng tinh thể quang phi tuyến KTP Nguồn bơm cho tinh thể Nd:YVO4 là laser bán dẫn phát ở bước sóng 808 nm Hai cấu hình laser với các tham số như vị trí KTP trong hệ cộng hưởng, chiều dài hệ cộng hưởng, nhiệt độ của laser bán dẫn và tinh thể Nd:YVO4 đã... ngưỡng của laser Nd:YVO4 thấp hơn của laser Nd:YAG Đó là chưa kế đến hệ số hấp thụ ở bước sóng 808 nm của Nd:YVO4 cao gấp 7 lần so với hệ số hấp thụ của Nd:YAG Đối với laser 4 mức sử dụng gương ra có độ phản xạ R, công suất của nó còn có thể viết dưới dạng sau [7]: P  ln R  Pp  Pth    ln R (I.9) Công suất chùm laser thoát ra qua gương ra tỉ lệ với công suất chùm laser dao động trong hệ cộng hưởng... một photon có tần số νl thỏa hνl = E2 – E1 Hai mức E2 và E1 gọi là hai mức làm việc của laser, và bức xạ νl phát ra chính là bức xạ của laser Sau khi chuyển về mức E1, hạt nhanh chóng chuyển dời tự phát về mức cơ bản E0 Trong hệ laser bốn mức lý tưởng, thời gian sống của chuyển dời 1 0 là vô cùng bé ( 1   ), do đó mức N1 luôn trống rỗng N 1  0 Do đó hệ phương trình  10 vận tốc cho laser 4 mức có...   N tot l (I.8) Từ biểu thức này có thể thấy rõ lợi điểm của giữa laser Nd:YAG và laser Nd:YVO4 về mặt công suất bơm ngưỡng Với 2 thanh Nd:YAG và Nd:YVO4 có cùng độ dài l, cùng nồng độ pha tạp Ntot (tức cùng mức tổng dân số), cách thiết kế hệ laser giống nhau sao cho có cùng hệ số mất mát  , thì có thể thấy 2 laser như vậy sẽ có công suất bơm ngưỡng tỉ lệ nghịch với tích  Đối với Nd:YAG 1% ,... chuyển dời cảm ứng bằng với hệ số mô tả sự hấp thụ, chúng ta có thể kí hiệu chung là B I.2.2 Phương trình vận tốc Có thể phân loại laser theo sơ đồ năng lượng làm việc của chúng Laser Nd:YAG phát bước sóng 1064 nm làm việc theo sơ đồ 4 mức, còn laser ruby phát bước sóng 693 nm và laser Nd:YAG phát bước sóng 946 nm làm việc theo sơ đồ 3 mức Laser 4 mức có nhiều ưu điểm hơn hẳn laser 3 mức như ngưỡng phát... - Hiệu suất nhân tần phụ thuộc vào bình phương hệ số quang phi tuyến của tinh thể và vào bình phương cường độ sóng cơ bản Do đó, chỉ có chùm sáng với cường độ mạnh như laser đi qua các tinh thể có hệ số quang phi tuyến cao thì ta mới quan sát được hiệu ứng nhân tần - Hiệu suất nhân tần phụ thuộc vào tích L2 sin 2 kL 2  kL 2 2  L2 sin c 2 kL 2  Khi kL  0 , hiệu suất nhân tần biến đổi theo . ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAN THANH NHẬT KHOA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LASER NÂNG TẦN Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến và Điện tử (hướng Điện tử) Mã số :. III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 67 III.1 Thông số của modulde laser bán dẫn bơm 67 III.2 Thông số của hệ laser Nd:YVO 4 nhân tần bơm bằng laser bán dẫn 68 III.2.1 Hệ cộng hưởng phẳng - phẳng nhân tần. Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình A 72 Hình III-7: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình B, B 1 72 Hình III-8: Đồ thị P o -P p của hệ laser với cấu hình hệ C, C 1 và C 2 73