Ảnh hưởng của độ trễ thời gian của các xung bơm lên phân bố năng lượng bơm

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình quí thầy cô trường đại học Vinh Trước hết, xin chân thành cám ơn đến quí thầy cô trường đại học Vinh, đặc biệt thầy cô tận tình dạy bảo suốt thời gian học tập trường Tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Mai Văn Lưu dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp Nhân xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường đại học Vinh, Ban Giám Hiệu trường đại học Sài Gòn tạo điều kiện, giúp đỡ thời gian học tập Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên không tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp quí thầy cô bạn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 Học Viên Đào Quỳnh Trân MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương Một số kết nghiên cứu phân bố lượng bơm hoạt chất laser rắn 1.1 Tổng quan laser rắn 1.1.1 Đặc điểm laser rắn 1.1.2 Hoạt chất laser rắn 1.1.3 Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ laser rắn 1.2 Chùm laser xung Gauss 1.2.1 Phân bố mode buồng cộng hưởng laser 4 8 1.2.2 Laser phát xung Gauss 1.3 Phân bố lượng bơm laser rắn bơm laser 12 16 bán dẫn 1.4 Kết luận chương Chương Ảnh hưởng hiệu ứng kết hợp thời gian 20 22 xung bơm lên phân bố lượng bơm 2.1 Cấu hình laser rắn bơm ngang laser bán dẫn 2.2 Ảnh hưởng hiệu ứng kết hợp thời gian xung bơm 22 25 lên phân bố lượng bơm hoạt chất laser 2.2.1 Biểu thức tổng lượng bơm 2.2.2 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm hợp pha 2.2.3 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm lệch 25 28 30 pha 2.2.3.1 So sánh phân bố lượng bơm bơm hợp pha lệch pha 2.2.3.2 Phân bố lượng bơm với độ lệch pha khác 2.3 Kết luận chương KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 32 34 35 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Hình dạng hoạt chất laser[2] Hình 1.2 Sơ đồ mức lượng với chuyển dịch[2] Hình 1.3 Mode ngang chùm laser [5] 11 Hình 1.4 Buồng cộng hưởng gương cầu cấu trúc chùm Gauss [6] 12 Hình 1.5 So sánh công suất hai phương pháp biến điệu: (a) biến 13 điệu ngoài, (b) biến điệu [2,5] Hình 1.6 Một số hình ảnh xung laser [11,12,13,14] 15 Hình 1.7 Cấu trúc laser rắn bơm ngang bên laser diode [10] 17 Hình 1.8 Tiết diện ngang laser bơm ngang bên laser 18 diode [10] Hình 1.9 Phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang 19 bên laser diode: wp0 = 0.3mm (a) wp0 = 1mm (b) [10] 10 Hình 1.10 So sánh vùng chồng lấn lượng bơm với hàm Gauss 20 mặt phẳng x (hình a) mặt phẳng y = x (hình b) cho wp0 = 0.3mm [10] 11 Hình 2.1 Sơ đồ laser rắn bơm ngang bốn laser bán dẫn [10] a 23 Mặt cắt dọc, b Mặt cắt ngang 12 Hình 2.2 Thanh 16 laser bán dẫn [4] 13 Hình 2.3 Laser rắn bơm laser bán dẫn biến điệu xung 24 24 Pokker[1,3] Hình 2.4 Phân bố lượng bơm ngang hai bên (a, màu đỏ) 29 bốn bên (b, màu xanh) 15 Hình 2.5 Phân bố lượng bơm ngang bốn bên vị trí bơm 5mm 30 (màu đỏ), 10mm (màu xanh) 15mm (màu vàng) 16 Hình 2.6 Phân bố lượng bơm cho trường hợp bơm ngang bốn bên 31 hợp pha (a) lệch pha với dt = 0,5τ (b) 17 Hình 2.7 Phân bố lượng bơm cho trường hợp bơm ngang bốn bên 32 hợp pha (màu xanh), lệch pha với dt = 0,5τ (màu đỏ) 18 Hình 2.8 Phân bố lượng bơm với độ lệch pha khác nhau: 33 (a ) : dt = 0,3τ ;(b) : dt = 0, 4τ ;(c) : dt = 0,5τ 19 Hình 2.9 Ảnh hưởng độ lệch pha lên phân bố lượng bơm: 33 dt = 0,3τ (màu vàng), dt = 0,5τ (màu đỏ) dt = 0, 4τ (màu xanh) MỞ ĐẦU Laser hoạt động sở phát xạ cưỡng hai mức lượng xác định nguyên tử hay phân tử hoạt chất, mức gọi mức laser mức lại gọi mức laser Để có nghịch đảo mật độ hai mức laser xác định, theo phân bố Boltzman, hai mức lượng có nghịch đảo mật độ cư trú trạng thái cân nhiệt Hơn nữa, theo Einstein, xác xuất chuyển dịch hấp thụ cưỡng phát xạ cưỡng hai mức lượng laser Do đó, muốn có nghịch đảo mật độ cư trú giữ hai mức laser, tốc độ tăng cư trú mức laser luôn lớn tốc độ tăng cư trú mức laser Để tăng cư trú mức laser trên, chuyển trực tiếp kích thích nguyên tử từ mức laser trình tích thoát từ mức laser xuống mức laser cân với trình kích thích Như vậy, phải kích thích mức laser đường khác, là, tăng cư trú mức laser chuyển dịch từ mức kích thích cao [2,5,6] Quá trình tăng cư trú mức kích thích cao mức laser gọi trình bơm Bằng nguồn lượng khác như: nguồn ánh sáng, nguồn điện, phản ứng hoá học, hay tăng tốc đột ngột, tác động vào tâm hoạt hoạt chất laser làm cho tâm hoạt chuyển lên mức lượng kích thích cao Như ta biết, phần lớn hoạt chất laser, mức lượng kích thích cao vạch đơn mà băng rộng, có phân bố xác định[2] Hơn nữa, nguồn lượng cung cấp lượng cho hoạt chất nguồn đơn sắc, phổ lượng chúng rộng phổ hấp thụ tâm hoạt Qua đó, thấy rằng, hoạt chất chịu tác động (hấp thụ) lượng lượng dư thừa, không tham gia vào trình laser Phần lượng thừa gây trình nhiệt hoạt chất, tức đốt nóng hoạt chất [1 6] Khi hoạt chất bị đốt nóng, mật độ cư trú mức, đặc biệt mức dao động quay thay đổi Điều dẫn đến mở rộng mức laser, tức ảnh hưởng đến phổ phát xạ laser Hơn nữa, nhiệt độ thay đổi, chiết suất hoạt chất thay đổi dẫn đến quang lộ ánh sáng buồng cộng hưởng laser cuối làm thay đổi tần số MODE dọc [6] Một điều quan trọng cần quan tâm nữa, là, trình đốt nóng hoạt chất không đồng tiết diện ngang hoạt chất dẫn đến phân bố không đồng chiết suất Hiện tượng biến hoạt chất thành thấu kính, gọi “Thấu kính nhiệt” Khi thấu kính nhiệt xuất buồng cộng hưởng laser, làm thay đổi cấu hình dẫn đến thay đổi cấu trúc chùm tia laser khỏi buồng cộng hưởng [1 6] Để tránh ảnh hưởng trên, có nhiều phương pháp công nghệ áp dụng trình chế tạo laser [2,6] - Đối với laser rắn, tâm hoạt cấy cố định môi trường tinh thể nên kỹ thuật làm lạnh hoạt chất chất lỏng tải nhiệt áp dụng rộng rãi Bằng cách này, nhiệt độ hoạt chất giữ mức nhiệt độ phòng Ngoài ra, để tránh lượng bơm dư thừa, nguồn bơm kết hợp (laser khác) sử dụng Thông thường nguồn bơm cho laser rắn laser bán dẫn có bước sóng phát nằm vùng hồng ngoại gần trùng với phổ hấp thụ ion đất cấy tinh thể - Đối với laser màu với vùng phổ hấp thụ rộng, nguồn ánh sáng không kết hợp (đèn flash) sử dụng Tuy nhiên, lượng thừa tránh khỏi, đó, hoạt chất lưu chuyển trình hoạt động - Đối với laser khí He-Ne hay CO 2, sử dụng kỹ thuật làm lạnh chất lỏng tất yếu Do trình phóng điện ống phóng sinh nhiệt, đồng thời, điện tích với tốc độ chuyển động cao va chạm vào nguyên tử hoạt chất hay va chạm với thành ống sinh nhiệt - Đối với laser bán dẫn tương tự, chuyển dời hạt tải mạng tinh thể bán dẫn sinh nhiệt, đó, công nghệ làm lạnh cách gắn chíp laser lên hệ cánh toả nhiệt sử dụng Hiện nay, laser rắn bơm laser bán dẫn có bước sóng trùng với phổ hấp thụ hoạt chất nghiên cứu đưa vào sử dụng Bằng cách này, trình làm lạnh đơn giản hoá, đó, kích thước laser nhỏ gọn [6] Tuy nhiên, phương pháp bơm dọc hay bơm ngang, phân bố lượng bơm laser bán dẫn hoạt chất phân bố không đồng Như ta biết, phân bố lượng chùm laser bán dẫn có dạng tựa Gauss, đó, dù bơm ngang hay bơm dọc, phân bố lượng bơm có dạng Gauss hoạt chất laser rắn [5,6] Như nói trên, phân bố lượng dạng Gauss hoạt chất sinh thấu kính nhiệt buồng cộng hưởng, kết làm thay đổi cấu hình buồng cộng hưởng Khi buồng cộng hưởng thay đổi, tất nhiên cấu trúc chùm laser phát thay đổi [1 6] Tuy nhiên, thay đổi nhiều hay phụ thuộc vào nhiều yếu tố chùm laser bơm như: cường độ, mặt thắt chùm tia laser bán dẫn, khoảng cách laser bơm đến hoạt chất, chùm bơm hợp pha hay lệch pha, Trong luận văn này, đề cập đến ảnh hưởng khoảng cách bơm, đặc biệt độ trễ xung bơm lên phân bố lượng bơm cấu hình laser rắn bơm ngang Để đến kết luận vấn đề nêu, nội dung luận văn trình bày theo hai chương sau: Chương Một số kết nghiên cứu phân bố lượng bơm hoạt chất laser rắn Nội dung chương trình bày điểm tổng quan laser rắn, chùm laser xung Gauss Điểm nhấn chương trình bày tóm lược số kết nghiên cứu nhóm tác giả khác phân bố lượng bơm hoạt chất cấu hình laser rắn bơm ngang Chương Ảnh hưởng độ trễ thời gian xung bơm lên phân bố lượng bơm, trình bày ảnh hưởng độ trễ thời gian bơm lên phân bố lượng bơm laser rắn bơm ngang bốn bên Kết cho kết luận định hướng cho thực nghiệm nhằm loại trừ ảnh hưởng không tốt sử dụng phương pháp bơm ngang laser bán dẫn Chương MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ NGHIÊN CỨU VỀ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG BƠM TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN 1.1 Tổng quan laser rắn 1.1.1 Đặc điểm laser rắn Laser rắn loại Laser mà môi trường hoạt tính chất rắn Chất rắn đơn tinh thể, chất vô định hình Trong Laser rắn nghịch đảo nồng độ thường thực mức lượng nguyên tử, ion tạp chất Nồng độ hạt xạ Laser rắn thường lớn, khoảng 10 17 đến 1020 cm3 tức lớn khoảng 100 ÷ 1000 [2] lần so với chất khí, lúc đầu người ta cho có Laser rắn cho công suất lớn Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại Laser rắn lớn nhiều so với Laser khí, với công suất hoạt chất nhỏ nhiều Chất rắn có độ đồng quang học nhiều so với chất khí Do tiêu hao tán xạ lớn hệ số phẩm chất nhỏ Thanh hoạt chất có chiều dài khoảng 10 ÷60 cm[2] Do độ đồng quang học hoạt chất nhỏ nên góc mở tia Laser nhiễu xạ lớn, thường hàng chục phút, góc mở Laser khí vài chục giây Trong Laser rắn hạt tương tác với mức lượng thường có độ rộng lớn vạch xạ tự phát vạch xạ Laser thường có dải phổ rộng Đô rộng vạch xạ tự phát chất vô định hình khoảng vài chục A0, chất đơn tinh thể khoảng vài A 0, độ rộng xạ Laser khí vài phần mười A0[2] Để tạo nghịch đảo Laser rắn người ta dùng bơm quang học tức chiếu ánh sáng phổ hấp thụ cực đại vào hoạt chất để tạo tích lũy chủ yếu cho mức Laser tạo nghịch đảo nồng độ 1.1.2 Hoạt chất laser rắn Hoạt chất laser rắn thường điện môi dạng tinh thể vô định hình có dạng hình trụ tròn Lớp phản xạ thường phủ đầu thanh, đầu thường đánh bóng phủ lớp điện môi đủ để đảm bảo hệ số phản xạ cần thiết cho bước sóng laser ϕ d l l l Hình 1.1 Hình dạng hoạt chất laser [2] Để phản xạ tốt người ta dùng tượng phản xạ toàn phần Đầu có dạng hình mái nhà, với điều kiện phản xạ: 1 ϕ ≤ arccos  n (1.1) n chiết suất hoạt chất Đường kính khoảng vài milimét tới ÷ cm Để khử dao động ký sinh phản xạ mặt xung quang người ta phải làm cho chúng sần sùi Hoạt chất thường có hai thành phần: chất chất kích hoạt Chất chất không tham gia trực tiếp vào trình tạo xạ laser Chất đơn tinh thể vô định hình có chứa nguyên tử ion chất kích hoạt Chất kích hoạt thường có tỷ lệ nhỏ khoảng vài phần trăm so với chất Vì tính chất kỹ thuật hoạt chất chất định Laser rắn sử dụng hoạt chất tinh thể có cấy ion kim loại đất Các tinh thể Alexandrite (BeAl2O4-Cr3+), Fosterite (Mg2SiO4-Cr4+), Saphie (Al2O3-Ti3+), YAG- Neodym (Y3Al5O12-Nd3+), hấp thụ mạnh vùng phổ từ 400 đến 850 nm xạ vùng hồng ngoại gần, từ 700 đến 1600 nm [2] Nói chung, chất cần bảo đảm yêu cầu kỹ thuật sau: - Bền học hóa học để đảm bảo độ bền môi trường hoạt - Bền vững nhiệt để chịu xạ bơm lớn xạ laser lớn, - Dễ chế tạo phương diện công nghệ chế tạo sản xuất hàng loạt, - Cho phép gia công khí gia công quang học (hình dạng, đánh tính, bóng, mài mòn, phủ lớp phản xạ hai đầu, ), - Đồng quang học cao để đảm bảo tiêu hao nhỏ hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng lớn, - Phải suốt với xạ bơm xạ laser Để làm chất người ta hay dùng tinh thể muối kiềm thổ chủ yếu gồm thành phần H2WO4, H2MO4 HF Hiện người ta dùng rộng rãi chất tinh thể Itri- granat, dạng Y 3Me5O12 Trong Me kim loại kiềm, ví dụ Al, Fe, Chất granat có ưu điểm: giảm công suất bơm ngưỡng tăng hiệu xạ Đặc biệt người ta hay dùng Y3Al5O12 ký hiệu YAG Thủy tinh chất cho laser thủy tinh Thủy tinh chất vô định hình nên có ưu điểm: dễ chế tạo, tạo kích thước lớn đạt độ đồng cao Thủy tinh có nhược điểm độ bền nhiệt công suất bơm ngưỡng lớn Chất kích hoạt nguyên tố đất Crôm, Neodym, Urani Những nguyên tố thường dạng ion hai ba điện tích 1.1.3 Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ laser rắn Những trình tạo nghịch đảo nồng độ mức công tác laser chủ yếu trình dịch chuyển phân tích điều kiện tạo nghịch đảo thường người ta xét trạng thái đầu trạng thái cuối dịch chuyển Do tùy thuộc vào số trạng thái mà có hệ hai mức, ba mức bốn mức, hệ đơn giản hóa cách hợp lý để hiểu trình cơ chế làm việc laser Khi phân tích công tác hệ giả thiết: xạ bơm tác dụng với dịch chuyển mức laser mức Điều đạt được, ví dụ cách chọn phổ xạ bơm chọn nhóm trạng thái để xác suất dịch chuyển quang học trạng thái trạng thái lớn xác suất tất trình khác nhóm trạng thái Tuy nhiên, môi trường gồm nguyên tử hai mức lượng khó tạo nghịch đảo mật độ Giả sử có tạo trạng thái xác suất dịch chuyển từ mức lên mức mức kích thích ngược lại nhau, trạng thái không tồn lâu, mà quay trạng thái cân ban đầu Như vậy, để có điều kiện nghịch đảo mật độ cư trú tìm thấy nguyên tử có ba mức lượng Trong sơ đồ mức lượng có mức kích thích trung gian siêu bền, có thời gian sống lâu nhiều so với mức kích thích khác Sau tìm điều kiện tạo nghịch đảo mật độ cho sơ đồ mức lượng N3 – mức kích thích cao R3 N2 – mức kích thích siêu bền/ mức laser F1 R3’ A21 F2 R2 F1 R1 N1 – mức laser N0 – mức Hình 1.2 Sơ đồ mức lượng với chuyển dịch [2] Sơ đồ bốn mức lượng sơ đồ đặc trưng cho hoạt chất laser rắn YAG:Nd3+ thông dụng trình bày hình 1.2 với dịch chuyển mức Các mũi tên ký hiệu F mô tả chuyển dịch hấp thụ nguồn bơm với phổ hấp thụ laser rắn Và vậy, laser bán dẫn sử dụng để làm nguồn bơm cho laser rắn Hiện laser bán dẫn chế tạo với kích thước nhỏ công suất phát lớn Sử dụng laser bán dẫn có công suất lớn nhiều laser có công suất nhỏ để ghép thành có bước sóng trùng với phổ hấp thụ hoạt chất làm nguồn bơm cho laser phát triển laser rắn Các laser bán dẫn sử dụng nhiều để làm nguồn bơm cho laser rắn laser có bước sóng nằm khoảng từ 800nm đến 900nm Với việc sử dụng nguồn bơm kết hợp, hiệu suất laser đạt tới 80% Ngoài ra, sử dụng laser bán dẫn nâng cao hiệu suất phát laser mà phát laser tần số nào, phụ thuộc vào tần số laser bán dẫn Hơn nữa, lượng dư thừa đốt nóng hoạt chất, nên không cần hệ thống làm lạnh, tránh công nghệ phức tạp chế tạo laser rắn tần số lặp cao Với ưu điểm nguồn bơm quang học kết hợp, laser rắn phát triển sở sử dụng nguồn bơm laser bán dẫn nâng cao tần số lặp lên đến hàng trăm Hz [6,10] b Hình 2.1 Sơ đồ laser rắn bơm ngang bốn laser bán dẫn [10] a Mặt cắt dọc, b Mặt cắt ngang Khi sử dụng nguồn bơm laser bán dẫn, đèn bơm đặt song song với hoạt chất - gọi cấu hình laser rắn bơm ngang (hình 2.1) Vì laser bán dẫn có công suất thấp bán kính vết chùm tia nhỏ, nên sử dụng laser để bơm cho laser rắn Để tăng công suất bơm lượng phân bố hoạt chất, laser gắn với thành gồm nhiều laser bán dẫn giống (hình 2.2) Hình 2.2 Thanh 16 laser bán dẫn [4] Năng lượng laser ổn định phân bố toàn chiều dài hoạt chất laser rắn Các đặt song song với hoạt chất (hình 2.1a) giống đèn flash Bức xạ phát laser bán dẫn chiếu thẳng vào hoạt chất mà sử dụng mặt phản xạ trường hợp nguồn bơm quang học không kết hợp Thông thường người ta sử dụng hai bốn đặt xung quanh hoạt chất (hình 2.1b) Ta biết rằng, phân bố lượng chùm tia bán dẫn có dạng Gauss, không theo tiết diện ngang Do trước chiếu vào hoạt chất, tia laser bán dẫn tái phân bố lại nhờ hệ quang học đặt bán dẫn hoạt chất Tuỳ theo số lượng laser bán dẫn kích thước hoạt chất mà ta sử dụng hệ quang hội tụ hay phân kỳ Cấu hình thực nghiệm hoàn chỉnh sử dụng thực tế trình bày hình 2.3 [1,3] Hình 2.3 Laser rắn bơm laser bán dẫn biến điệu xung Pokker[1,3] Như hình 2.3, ta thấy rằng, sử dụng bốn laser bán dẫn có bước sóng trùng với vùng phổ hấp thụ tâm hoạt laser rắn, song cần đến trình làm lạnh Nguyên nhân cần đến làm lạnh phổ phát xạ laser bán dẫn đơn vạch, mà có độ rộng phổ định Phần nhiều lượng nằm vùng phổ không biến đổi thành lượng laser rắn (năng lượng lạnh) mà tác nhân gây nhiệt, không lớn Cấu hình laser rắn hình 2.3 cho thấy, có bốn laser bán dẫn sử dụng cấu hình bơm cạnh (side-pumped) với mục đích phân bố lượng từ bốn hướng Tuy nhiên, có phân bố lượng tiết diện ngang hoạt chất, hai lý do: 1) lượng laser bán dẫn có phân bố Gauss trường xa, 2) độ phân kỳ laser bán dẫn lớn, vào khoảng (5÷10)o, đó, cần phải hội tụ vào hoạt chất laser Điều dẫn đến phân bố lại lượng hoạt chất 2.2 Ảnh hưởng độ trễ thời gian xung bơm lên phân bố lượng bơm hoạt chất laser 2.2.1 Biểu thức tổng lượng bơm Chùm tia Gauss laser bán dẫn mô tả thông qua biên độ phức U(x,z,t,dt) phân bố mặt phẳng (x,z) sau [4 6]:   t + dt       W  x2  x2 U ( x, z, t , dt ) = A0   exp  −  exp  − jkz − jk + jξ ( z )  exp  −2  ÷ R( z ) W ( z )    τ    W ( z)    (2.1) với tham số:   z 2  W ( z ) = W0 1 +  ÷    b   1/ (2.2) bán kính mặt thắt toạ độ z hướng lan truyền, b = kW02 tham số đồng tiêu với k số sóng laser bán dẫn;   b 2  R ( z ) = z 1 +  ÷    z   bán kính cong mặt sóng; (2.3)  λb  W0 =    π  1/ (2.4) mặt thắt chùm tia thấu kính; ξ ( z ) = tan −1 ( z / b ) (2.5) pha ban đầu Chùm tia laser qua hoạt chất xem truyền qua thấu kính có tiêu cự : f = r0 n −1 (2.6) Khi truyền qua hoạt chất biên độ phức chùm tia thay đổi với hệ số:  jkx   exp  2f  (2.7) Hơn pha thay đổi dạng sau [5,6]: kz + k x2 x2 x2 −ξ ( z) − k = kz + k − ξ (z) 2R( z ) 2f R '( z ) (2.8) đó: 1 = − R '( z ) R( z ) f (2.9) Thay (2.3), (2.8) (2.9) vào (2.1) ta nhận biểu thức mô tả biên độ phức chùm tia hoạt chất sau:   t + dt 2   Win     x2  x2 U in ( x, z , t , dt ) = A0  + jξ ( z )  exp  −2   exp  −  exp  − jkz − jk ÷ R '( z )    Win ( z )   Win ( z )    τ   (2.10) với bin tham số đồng tiêu hoạt chất, Win0 bán kính mặt thắt chùm tia bơm Win bán kính tiết diện ngang chùm tia hoạt chất Các tham số tính sau:  ;     Mt r0 b M= ;t= ; Mt =  z0 − r0 /(n − 1) z0 (n − 1) − r0  1+ t 1/ Win   z 2  = MW0 ; bin = M b; Win = Win 1 +  ÷    bin   (2.11) Để cho lượng chùm tia bơm hội tụ tâm hoạt chất, tức vị trí mặt thắt chùm tia hoạt chất phải trùng với tâm hoạt chất toạ độ đó, nghĩa biểu thức sau phải thỏa mãn: z = z0 + r0 (2.12) Sử dụng (2.4), (2.11) (2.12) ta tìm bán kính mặt thắt chùm tia bơm hoạt chất sau: W0 Win = 1+ r0 z0 ( n − 1) − r0 (2.13) π W0 r   λ  z0 − ÷ n −1   Như vậy, bán kính mặt thắt chùm tia bơm hoạt chất phụ thuộc vào vị trí laser bơm (z0), bán kính hoạt chất laser (r0), phụ thuộc vào chiết suất hoạt chất (n), phụ thuộc bước sóng (λ) bán kính mặt thắt ban đầu chùm tia bơm (W0) Thay (2.12) vào (2.11) ta tìm quan hệ r0 y0 sau: r  r  r0 = M  z0 − ÷+ n −1  n −1  (2.14) Đây điều kiện cần thoả mãn vị trí ban đầu y0 cho vị trí mặt thắt chùm tia bơm sau vào hoạt chất trùng với tâm hoạt chất Từ (2.10), để tính phân bố lượng (hay công suất bơm) chùm tia bơm tiết diện ngang hoạt chất, tính cường độ chùm bơm hoạt chất sau:   t + dt 2   Win   2x2  I in ( x, z , t , dt ) = I   exp −  exp  −4  ÷ Win ( z )   Win ( z )    τ   (2.15) chùm bơm phía đối diện:   t − dt 2   Win   2x2  I in ( x, z , t , dt ) = I   exp −  exp  −4  ÷ Win ( z )   Win ( z )    τ   (2.16) Biểu thức (2.15) (2.16) cho ta thấy phân bố lượng chùm tia bơm tiết diện ngang hoạt chất Khi thoả mãn điều kiện (2.13), tức mặt thắt Win0 (2.15, 2.16) nằm toạ độ (0,0) cường độ chúng đối xứng qua gốc toạ độ, tức là: I in ( x, z , t , dt ) = I in (− x, − z, t , dt ) (2.17) Để cho đơn giản tính toán thiết kế, giả thiết laser lắp đối xứng quanh tâm hoạt chất, tức đối xứng qua gốc toạ độ ( x = 0, z = ) bốn laser bơm có tính chất Điều giả thiết có nghĩa là: I in ( x, z , t , dt ) = I (− x, z , t , dt ) = I ( x,− z , t , dt ) = I ( − x,− z , t , dt ) (2.18) Hơn nữa, biết, hấp thụ photon bơm trình thống kê, nghĩa số lượng tâm hoạt bị kích thích phụ thuộc vào số lượng photon (mật độ photon) tương tác hệ số hấp thụ Do đó, phân bố tâm hoạt bị kích thích lên mức tiết diện ngang hoạt chất phụ thuộc vào phân bố số photon kích thích tiết diện Từ lập luận trên, sử dụng (2.17) (2.18) rút ra, trường hợp bơm hai laser bán dẫn phân bố tổng lượng hoạt chất là: I twoside ( x, z , t , dt ) = I in ( x, z, t , dt ) + I in ( x, − z, t , dt ) (2.19) với trường hợp bơm bốn laser bán dẫn là: I fourside ( x, z , t , dt ) = I twoside ( x, z , t , dt ) + I twoside ( z , x, t , dt ) (2.20) Trong (2.19) (2.20) ta hiểu rằng, lượng bơm vị trí (x,z) hoạt chất hai lần lượng bơm vị trí laser trường hợp bơm hai bên bốn lần trường hợp bơm bốn bên đối xứng Vấn đề quan trọng đặt là, phân bố lượng hai hay bốn hoạt chất có hay không vùng mode chúng phụ thuộc vào tham số đầu vào laser Nội dung khảo sát cho trường hợp này, kết trình bày thảo luận 2.2.2 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm hợp pha Giả thiết chùm tia bơm laser bán dẫn bước sóng λ = 860nm , τ = 1ps có bán kính mặt thắt W0 = 1mm Hoạt chất laser rắn có bán kính r0 = 6mm chiết suất n = 1.78 [10] Trong điều kiện hợp pha (các xung bơm hoạt động đồng thời: dt = 0), sử dụng (2.15), (2.16), (2.19) (2.20), phần mềm Maple khảo sát phân bố lượng bơm tiết diện ngang hoạt chất cho trường hợp bơm ngang hai bên bơm ngang bốn bên, Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) kết tương ứng trình bày hình 2.4 (a) Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) (b) Hình 2.4 Phân bố lượng bơm ngang hai bên (a, màu đỏ) bốn bên (b, màu xanh) Từ kết mô ta thấy lượng bơm phân bố đối xứng qua tâm hoạt chất Giá trị cường độ tâm hoạt chất gần giá trị cường độ đỉnh chùm tia vào nhân với số bơm Dạng phân bố thay đổi phụ thuộc vào số laser bán dẫn bơm Tuy nhiên, phân bố không toàn mặt phẳng tiết diện Khi nghiên cứu ảnh hưởng vị trí bơm đến độ lớn bán kính vùng chồng lấn lượng hoạt chất, thấy bán kính phụ thuộc vào vị trí bơm Điều thể hình 2.5 cho phân bố lượng bốn bơm tiết diện ngang hoạt chất vị trí bơm khác nhau: 5mm, 10mm 15mm Từ hình 2.5, vị trí bơm khác bán kính mặt thắt chồng lấn khác Trong tính toán, chuẩn hoá bán kính vùng chồng lấn theo bán kính mặt thắt chùm tia vào Do đó, bán kính mặt thắt vùng Năng lượng bơm[E(x,z)/E0] (× 10) chồng lấn thay đổi theo bán kính mặt thắt chùm tia vào Hình 2.5 Phân bố lượng bơm ngang bốn bên vị trí bơm 5mm (màu đỏ), 10mm (màu xanh) 15mm (màu vàng) Cũng từ kết mô hình 2.5, rõ ràng bơm đặt gần laser phân bố lượng bơm Trong trường hợp khảo sát, thấy khoảng cách bơm 5mm phân bố lượng mặt phẳng tiết diện hoạt chất Tuy nhiên, điều dẫn đến sụt giảm hiệu suất bơm bán kính vùng chồng lấn lượng bơm lớn bán kính tiết diện hoạt chất 2.2.3 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm lệch pha 2.2.3.1 So sánh phân bố lượng bơm bơm hợp pha lệch pha Sử dụng giá trị tham số trên, khảo sát phân bố lượng bơm không gian cho trường hợp bơm ngang bốn bên lệch pha, qua so sánh với trường hợp xung bơm hợp pha Trong khảo sát, để đơn giản trình tính toán giả thiết hai xung bơm đối diện Năng lượng bơm[E(x,z)/E0] Năng lượng bơm[E(x,z)/E0] pha, kết tương ứng trình bày hình 2.6 2.7 z z (a) z z (b) Hình 2.6 Phân bố lượng bơm cho trường hợp bơm ngang bốn bên hợp pha (a) lệch pha với dt = 0,5τ (b) Từ hình vẽ ta thấy, trường hợp xung bơm hợp pha, phân bố lượng bơm có dạng Gauss, phân bố không mặt phẳng tiết diện hoạt chất (hình 2.6a) Tuy nhiên, xung bơm lệch pha, giá trị lượng đỉnh giảm có xu hướng tách thành hai đỉnh, giá trị cực đại khoảng cách hai đỉnh phụ thuộc vào độ lệch pha xung bơm (hình 2.6b) Sở dĩ có tượng xung bơm lệch pha, dẫn đến vùng chồng lấn lượng bơm hoạt chất không tập trung trường hợp xung bơm hợp pha Để trực quan biểu diễn đường cong phân bố lượng bơm hoạt chất hệ tọa độ, kết hình 2.7 E(x,z)/E0 z Hình 2.7 Phân bố lượng bơm cho trường hợp bơm ngang bốn bên hợp pha (màu xanh), lệch pha với dt = 0,5τ (màu đỏ) Từ hình 2.7 cho thấy rõ tách đỉnh sụt giảm giá trị lượng cực đại so với trường hợp xung bơm hợp pha 2.2.3.2 Phân bố lượng bơm với độ lệch pha khác Để thấy phụ thuộc phân bố lượng bơm vào độ lệch pha xung bơm, khảo sát phân bố lượng bơm với độ lệch pha 0,3τ , 0, 4τ 0,5τ Kết khảo sát tương ứng trình bày hình 2.8 Từ hình 2.8, độ lệch pha nhỏ ( dt = 0,3τ ), so sánh với trường hợp xung bơm hợp pha ta thấy phân bố lượng có dạng Gauss Tức độ lệch pha trường hợp ảnh không đáng kể đến trình phân bố lượng hoạt chất Tuy nhiên, với độ lệch pha lớn phân bố lượng có thay đổi đáng kể Như trình bày trên, ta thấy độ lệch pha lớn giá trị lượng cực đại giảm, đồng thời tách đỉnh rõ rệt (hình 2.8b cho trường hợp dt = 0, 4τ 2.8c cho dt = 0,5τ ) Để trực quan hóa, biễu diễn đường cong phân bố lượng bơm hoạt chất với độ lệch pha khác đồ thị hình 2.9 Rõ ràng độ lệch pha có ảnh hưởng đáng kể đến phân bố giá trị lượng bơm cực đại hoạt chất Năng lượng bơm Ex,z)/E0 z z z (a) z z z (b) z z z (c) Hình 2.8 Phân bố lượng bơm với độ lệch pha khác nhau: (a ) : dt = 0,3τ ;(b) : dt = 0, 4τ ;(c) : dt = 0,5τ E(x,z)/E0 z Hình 2.9 Ảnh hưởng độ lệch pha lên phân bố lượng bơm: dt = 0,3τ (màu vàng), dt = 0,5τ (màu đỏ) dt = 0, 4τ (màu xanh) 2.3 Kết luận chương Nội dung chương giới thiệu cấu hình laser rắn bơm ngang bốn laser bán dẫn Trong trường hợp tối ưu, giả thiết laser bơm đặt đối xứng xung quanh hoạt chất Luận văn khảo sát phân bố lượng bơm tổng qua so sánh phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm hợp pha lệch pha Từ kết khảo sát cho thấy, độ lệch pha nhỏ hình ảnh phân bố lượng bơm hai trường hợp có dạng Gauss, phân bố không tiết diện ngang hoạt chất Trong trường hợp xung bơm lệch pha, giá trị lượng đỉnh có xu giảm dần độ lệch pha lớn dần Hơn nữa, theo chiều tăng độ lệch pha lượng cực đại có xu tách thành hai đỉnh ngày rõ rệt KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn trình bày điểm tổng quan laser rắn Trong công nghệ, sử dụng cấu hình laser rắn bơm dọc bơm ngang laser bán dẫn Tuy nhiên, phương pháp bơm dọc hay bơm ngang, phân bố lượng bơm laser bán dẫn hoạt chất phân bố không đồng Như ta biết, phân bố lượng chùm laser bán dẫn có dạng tựa Gauss, đó, dù bơm ngang hay bơm dọc, phân bố lượng bơm có dạng Gauss hoạt chất laser rắn Thông qua việc giới thiệu số kết việc nghiên cứu phân bố lượng bơm hoạt chất laser rắn bơm ngang Từ kết khảo sát cho thấy giá trị phân bố lượng bơm tổng phụ phuộc vào nhiều tham số Ở khảo ảnh hưởng khoảng cách bơm, độ trễ xung bơm đến giá trị cực đại phân bố lượng bơm Kết cho thấy độ lệch pha lớn giá trị lượng cực đại giảm, xu tách thành hai đỉnh tổng lượng rõ rệt theo chiều tăng độ lệch pha Mặc dù thu số kết quả, nhiên trường hợp để đơn giản giả thiết bốn bơm đặt đối xứng nhau, thực tế công nghệ khó làm điều Hơn nữa, dừng lại trường hợp xung bơm lệch pha theo cặp đối xứng, mà thực nghiệm, bốn xung bơm lệch pha với Đây nội dung mà luận văn chưa đề cập khảo sát, nội dung cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thái Bang, Nghiên cứu ảnh hưởng công suất bơm lên cấu trúc laser rắn bơm ngang laser bán dẫn, Luận văn Thạc sỹ Vật lí, Đại học Vinh, 2010 [2] Trần Đức Hân (Chủ biên), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, 2001 [3] Nguyễn Văn Hiến, Nghiên cứu ảnh hưởng bán kính mặt thắt phân bố lượng bơm hoạt chất lên cấu trúc chùm tia laser phát laser rắn bơm ngang laser bán dẫn, Luận văn Thạc sỹ Vật lí, Đại học Vinh, 2012 [4] Mai Văn Lưu, Ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình quang phân bố môi trường bị kích thích, Luận án Tiến sĩ Vật lí, Đại học Vinh, 2010 [5] Hồ Quang Quý (Chủ biên), Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 [6] Hồ Quang Quý, Laser rắn - Công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [7] T Y Fan and R L Byer, Diode laser-pumped solid-state lasers, IEEE J Quantum Electron 24, 1988 [8] P Laporta and M Brussard, Design criteria for mode size optimization in diode-pumped solid-state lasers, IEEE J Quantum Electron 27, 1991 [9] M.V.Luu D.X.Khoa, V N Sau, H Q.Quy, Transverse distribution of pump power in the diode - lasser side-pumped solid-state laser rod, Comm in Phys., Vol.19, No.1, 2009 [10] W Xie et al, Influence of the thermal effect on TEM00 mode output power of a laser-diode side-pumped solid-state laser, Appl Opt Vol 39, No.30, 2000 [11] N D.Hung et al, Development of a Tunable Ultrashort Dye Laser System by using Molecular Photonic Processes and a Nanosecond Pumping Laser, AJSTD Vol 23 Issue 4, 2006, pp.275-284 [12] Ji-chyun Liu et al, Picosecond Pulse Shaping Circuits with Inverse Gaussian Monocycle Waveform, Journal of CCIT., Vol.34, No.1, Nov., 2005, pp.1-9 [13] Hidenori Watanabe et al, Long Pulse Duration of F2 Laser for 157nm Lithography, Proc SPIE Vol.4346, 2001, pp.1074-1079 [14] Wener et al, Long Pulse Duration of F2 Laser for 157nm Lithography, Proceedings of the 4th International Conggress on Laser Advanced Materials Processing, Japan Laser Processing Society, Vol.2, No.1, 2007, pp.66-68 [...]... buồng cộng hưởng, yếu tố kết hợp thời gian giữa các xung bơm lại đóng vai trò quan trọng Khảo sát ảnh hưởng của các tham số này đến laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn sẽ được chúng tôi trình bày trong nội dung chương 2 của luận văn Chương 2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ TRỄ THỜI GIAN CỦA CÁC XUNG BƠM LÊN PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG BƠM 2.1 Cấu hình laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn Chúng ta biết rằng, bơm quang... có phân bố Gauss ở trường xa, 2) độ phân kỳ của laser bán dẫn rất lớn, vào khoảng (5÷10)o, do đó, cần phải hội tụ vào hoạt chất laser Điều này dẫn đến sự phân bố lại năng lượng trong hoạt chất 2.2 Ảnh hưởng của độ trễ thời gian của các xung bơm lên phân bố năng lượng bơm trong hoạt chất laser 2.2.1 Biểu thức tổng năng lượng bơm Chùm tia Gauss của laser bán dẫn có thể được mô tả thông qua biên độ phức... hợp bơm ngang bốn bên hợp pha (màu xanh), lệch pha với dt = 0,5τ (màu đỏ) Từ hình 2.7 cho chúng ta thấy rõ hơn về sự tách đỉnh và sụt giảm giá trị năng lượng cực đại so với trường hợp các xung bơm hợp pha 2.2.3.2 Phân bố năng lượng bơm với độ lệch pha khác nhau Để thấy sự phụ thuộc của phân bố năng lượng bơm vào độ lệch pha giữa các xung bơm, chúng tôi đã khảo sát phân bố năng lượng bơm với các độ lệch... khi khoảng cách bơm là 5mm thì phân bố năng lượng là đều nhất trên mặt phẳng tiết diện của hoạt chất Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến sụt giảm hiệu suất bơm do bán kính vùng chồng lấn năng lượng bơm lớn hơn bán kính tiết diện thanh hoạt chất 2.2.3 Phân bố năng lượng bơm trong trường hợp các xung bơm lệch pha 2.2.3.1 So sánh phân bố năng lượng bơm khi bơm hợp pha và lệch pha Sử dụng giá trị các tham... (các xung bơm hoạt động đồng thời: dt = 0), sử dụng (2.15), (2.16), (2.19) và (2.20), bằng phần mềm Maple khảo sát phân bố năng lượng bơm trên tiết diện ngang của thanh hoạt chất cho trường hợp bơm ngang hai bên và bơm ngang bốn bên, Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) kết quả tương ứng được trình bày trên hình 2.4 (a) Năng lượng bơm E(x,z)/E0 (×10) (b) Hình 2.4 Phân bố năng. .. vào độ lệch pha giữa các xung bơm (hình 2.6b) Sở dĩ có hiện tượng này là do các xung bơm lệch pha, dẫn đến vùng chồng lấn năng lượng bơm trong thanh hoạt chất không còn tập trung như trong trường hợp các xung bơm hợp pha Để trực quan chúng tôi biểu diễn các đường cong phân bố năng lượng bơm trong thanh hoạt chất trên cùng một hệ tọa độ, kết quả như hình 2.7 E(x,z)/E0 z Hình 2.7 Phân bố năng lượng bơm. .. sát phân bố năng lượng bơm trong không gian cho trường hợp bơm ngang bốn bên lệch pha, qua đó so sánh với trường hợp các xung bơm hợp pha Trong khi khảo sát, để đơn giản trong quá trình tính toán chúng tôi giả thiết hai xung bơm đối diện Năng lượng bơm[ E(x,z)/E0] Năng lượng bơm[ E(x,z)/E0] cùng pha, kết quả tương ứng được trình bày trên hình 2.6 và 2.7 z z (a) z z (b) Hình 2.6 Phân bố năng lượng bơm. .. hình 2.8, khi độ lệch pha nhỏ ( dt = 0,3τ ), so sánh với trường hợp các xung bơm hợp pha ta thấy phân bố năng lượng có dạng Gauss Tức là độ lệch pha trong trường hợp này ảnh không đáng kể đến quá trình phân bố năng lượng trong hoạt chất Tuy nhiên, với những độ lệch pha lớn hơn thì phân bố năng lượng có sự thay đổi đáng kể Như đã trình bày ở trên, ta thấy độ lệch pha càng lớn thì giá trị năng lượng cực... thành năng lượng của laser rắn (năng lượng lạnh) mà là tác nhân gây nhiệt, tuy rằng không lớn Cấu hình laser rắn trong hình 2.3 cho thấy, có bốn thanh laser bán dẫn được sử dụng trong cấu hình bơm cạnh (side-pumped) với mục đích phân bố đều năng lượng từ bốn hướng Tuy nhiên, không thể có được sự phân bố đều năng lượng trên tiết diện ngang của hoạt chất, vì hai lý do: 1) năng lượng của laser bán dẫn có phân. .. được hàm phân bố năng lượng bơm trong thanh laser Hình 1.9 mô tả phân bố năng lượng bơm trong thanh laser rắn bơm ngang bằng laser diode cho trường hợp bơm ngang 4 bên a b Hình 1.9 Phân bố năng lượng bơm trong thanh laser rắn bơm ngang 4 bên bằng laser diode: wp0 = 0.3mm (a) và wp0 = 1mm (b) [10] Trong khi tính toán, tác giả sử dụng các tham số: bán kính thanh laser r0 = 1.5mm , cường độ bơm I 0 = ... tổng lượng bơm 2.2.2 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm hợp pha 2.2.3 Phân bố lượng bơm trường hợp xung bơm lệch 25 28 30 pha 2.2.3.1 So sánh phân bố lượng bơm bơm hợp pha lệch pha 2.2.3.2 Phân. .. trọng Khảo sát ảnh hưởng tham số đến laser rắn bơm ngang laser bán dẫn trình bày nội dung chương luận văn Chương ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ TRỄ THỜI GIAN CỦA CÁC XUNG BƠM LÊN PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG BƠM 2.1 Cấu... trị lượng cực đại so với trường hợp xung bơm hợp pha 2.2.3.2 Phân bố lượng bơm với độ lệch pha khác Để thấy phụ thuộc phân bố lượng bơm vào độ lệch pha xung bơm, khảo sát phân bố lượng bơm với độ