Khảo sát đặc trưng phát xung ngắn của laser Cr:LiSAF

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh - CAO THị THANH TÂM KHO ST C TRNG PHT XUNG NGN CA LASER Cr:LiSAF Luận văn thạc sĩ VậT Lý nGHệ aN - 2013 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh - KHO ST C TRNG PHT XUNG NGN CA LASER Cr:LiSAF Chuyên ngành: quang học Mã số: 60.44.01.09 Luận văn thạc sĩ vật l Ngời hớng dẫn khoa học: ts đOàN HOàI SƠN nGHệ aN 2013 LI CM N Trong quỏ trỡnh hc v nghiờn cu ti Trng i hc Vinh, vi b dy truyn thng hn 50 nm xõy dng v trng thnh, tụi ó tip thu c rt nhiu kin thc phong phỳ v b ớch nh s giỳp nhit tỡnh t cỏc Thy giỏo, Cụ giỏo v cỏc cỏn b khỏc ca Trng i hc Vinh Tụi xin c by t lũng bit n sõu sc trc tinh thn ging dy ht sc tn tõm v cú trỏch nhim ca cỏc thy, cụ giỏo c bit l Thy giỏo TS on Hoi Sn Thy ó giỳp tụi nh hng ti, ch dn tn tỡnh chu ỏo, dnh nhiu cụng sc cng nh s u ỏi cho tụi sut quỏ trỡnh hon thnh lun ng thi xin c cm n PGS.TS V Ngc Sỏu v TS Nguyn Vn Phỳ ó cho tụi nhiu li gúp ý quý bỏu Tụi xin c gi li cm n chõn thnh n Ban ch nhim Khoa Vt lý ó to cho tụi mụi trng hc v nghiờn cu thun li nht Xin cm n th lp CH19 Quang hc ó san s vui, bun cựng tụi vt qua nhng khú khn hc V cui cựng, tụi xin gi cm n ti gia ỡnh, nhng ngi thõn yờu nht v bn bố ó giỳp , ng viờn, to mi iu kin thun li tụi hc v nghiờn cu Trong quỏ trỡnh hc v nghiờn cu, mc dự tụi ó c gng ht sc song nng lc bn thõn cũn hn ch nờn bn lun ny chc chn s khụng trỏnh nhng thiu sút Tụi rt mong nhn c s quan tõm, giỳp v gúp ý ca quý thy, cụ v cỏc bn bn lun ca tụi c hon thin hn Tụi xin chõn thnh cm n! Ngh An, thỏng nm 2013 Tỏc gi CAO TH THANH TM MC LC Trang Li cm n Danh mc cỏc bng, hỡnh v M u CHNG 1: TNG QUAN V LASER Cr:LiSAF V DAO NG HI PHC TRONG PHT X LASER 1.1 Laser tinh th Cr:LiSAF 1.1.1 Cu trỳc tinh th 1.1.2 Cu trỳc nng lng ca ion Cr3+ 1.1.3 Nguyờn lý v iu kin hot ng ca laser Cr:LiSAF 5 10 1.2 Dao ng hi phc phỏt x laser 1.2.1 Hot ng hi phc ca laser 1.2.2 Dao ng hi phc phỏt x laser 1.2.3 iu kin cú dao ng hi phc phỏt x laser 14 14 18 21 1.3 H phng trỡnh tc cho hot ng ca laser Cr:LiSAF 23 Kt lun chng 26 CHNG 2: KHO ST C TRNG PHT XUNG NGN LASER Cr:LiSAF C BM BNG LASER DIODE KT QU V THO LUN 27 2.1 nh hng ca cỏc thụng s bm lờn xung dao ng hi phc 2.1.1 nh hng ca rng xung bm 2.1.2 nh hng ca mc bm 2.2 nh hng ca thụng s BCH lờn xung dao ng hi phc 2.2.1 nh hng ca chiu di BCH 2.2.2 nh hng ca h s phn x gng 2.3 Cu hỡnh ca laser Cr:LiSAF bin iu phm cht ca bung cng hng c bm bng laser diode 28 28 30 33 33 35 Kt lun chng 40 Kt lun chung 41 Ti liu tham kho 42 36 CC Kí HIU VIT TT TRONG LUN VN Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser Rh6G : Laser mu vi mụi trng hot tớnh Rhodamine 6G Cr:LiSAF : Cr3+:LiSrAlF6 Cr:LiCAF : Cr3+:LiCaAlF6 Alexandrite : BeAl2O4:Cr3+ Cr:YSO : Cr4+:Y2SiO5 BCH : Bung cng hng DANH MC CC BNG, HèNH V Trang A- Bng Bng 1.1 Thụng s ca mt s mụi trng laser iu chnh bc súng Bng 2.1 c trng ca hot cht Cr:LiSAF 38 Bng 2.2 c trng ca cht hp th bóo hũa Cr:YSO 39 B- Hỡnh v Hỡnh 1.1 Cu trỳc tinh th ca LiSAF v LiCAF Hỡnh 1.2 Ph hp th v ph phỏt x ca laser Cr:LiSAF Hỡnh 1.3 Cu trỳc nng lng v cỏc dch chuyn quang hc ca ion Cr3+ cỏc nn quang hc Hỡnh 1.4 Nguyờn lý hot ng ca laser ch bn mc nng lng 10 Hỡnh 1.5 Cỏc c trng thi gian ca phỏt x hi phc 16 Hỡnh 1.6 Xung laser mu thu c mc bm gim dn vi chiu di bung cha cht mu l 1cm 19 Hỡnh 1.7 Xung laser mu Rhodamine 6G thu c mc bm gim dn vi chiu di bung cha cht mu l 1cm 20 Hỡnh 1.8 S laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode 24 Hỡnh 2.1 nh hng ca rng xung bm 29 Hỡnh 2.2 nh hng ca mc bm 31 Hỡnh 2.3 nh hng ca chiu di bung cng hng 34 Hỡnh 2.4 nh hng ca h s phn x gng 35 Hỡnh 2.5 Cu hỡnh laser Cr:LiSAF bin iu phm cht th ng c bm bng laser diode 38 M U S i ca LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) l mt nhng thnh tu khoa hc quan trng nht th k XX T i cho n nay, laser ó khụng ngng c nghiờn cu v phỏt trin Vi nhu cu ng dng rng rói hu ht cỏc lnh vc nghiờn cu khoa hc v ng dng, cựng vi nhng tin b lnh vc khoa hc vt liu v quang lng t, laser ngy cng c phỏt trin a dng v chng loi, ng thi k thut phỏt laser ngy cng c hon thin Nhng thnh tu ca vt lý, cụng ngh laser v quang hc phi tuyn ó cho phộp phỏt cỏc xung laser cc ngn trờn ton ph (vựng cc tớm - vựng kh kin - vựng hng ngoi) Cỏc loi laser rn m ú laser Chromium l mt ngun kớch thớch quang hc quan trng ó v ang c s dng rng rói cỏc phũng thớ nghim quang hc - quang ph Nm 1989, Payne v cỏc cng s l nhng ngi u tiờn ó phỏt hin mụi trng laser rn mi, ú l cỏc tinh th thuc h Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha ion Chromium [4] õy l mụi trng laser rn rt lý tng hin ang c quan tõm c bit vỡ nú cú ph phỏt x bng rng (200nm) to cho nú kh nng iu chnh bc súng vựng hng ngoi gn v cú th phỏt c cỏc xung laser cc ngn vi thi gian sng hunh quang di Ngy nay, nh s phỏt trin ca cụng ngh laser diode, cụng sut phỏt ca laser diode cú th t ti hng chc oỏt (W) vi ph phỏt x trung mt khong ph hp, cú th phự hp vi ph hp th ca tinh th laser Do vy, phng phỏp bm quang hc bng laser diode bm cho laser rn ó c phỏt trin mnh m Phng phỏp ny lm cho hiu sut chuyn i nng lng c nõng lờn ỏng k, ng thi cu hỡnh laser cng tr nờn gn hn Vi cỏc cu hỡnh bm khỏc nhau, hiu sut chuyn i nng lng bm bng laser diode cú th t t 10% ữ 80% Mt yờu cu ang ũi hi ngy cng cao ng dng, nghiờn cu v o to hin l nhu cu s dng cỏc h thng laser cc nhanh Vớ d, vic s dng cỏc laser rn xung ngn, tn s lp li cao, cụng sut trung bỡnh ln nghiờn cu cỏc quỏ trỡnh ng hc v cỏc hin tng xy nhanh ang c nhiu c quan khoa hc mong mun Vỡ vy, vic tin hnh nghiờn cu v h laser Chromium xung ngn bm bng laser diode ti Vit Nam l mt vic ht sc cú ý ngha v mt khoa hc v cụng ngh cng nh ng dng thc tin Laser Cr:LiSAF (Chromium pha Lithium, Stronti, Nhụm v Florua) l mt loi laser pha ion Cr3+ trờn nn tinh th LiSAF cú hiu sut cao c bm bng laser diode Tinh th LiSAF cú u im nh: ngng h hng cao, bn v mt vt lý, húa hc iu ny lm cho laser Cr3+:LiSAF c s dng rng rói Khi so sỏnh laser Cr3+:LiSrAlF6 (Cr:LiSAF) vi laser Cr3+:LiCaAlF6 (Cr:LiCAF) c bm bng laser diode, laser Cr:LiSAF cú nhiu li th hn Nú ớt b ph thuc vo bc súng bm, ph hp th rng, hiu sut cao, ngng phỏt laser thp hn, phỏt x phõn cc thng, n mode Nhn thc c nhng v tớnh cp thit v kh thi ca vic xõy dng v phỏt trin cỏc cu hỡnh phỏt laser Cr:LiSAF xung ngn cú th úng gúp cho nghiờn cu khoa hc v ng dng thc tin Chỳng tụi t tỡm hiu v ti: Kho sỏt c trng phỏt xung ngn ca Laser Cr:LiSAF Mc ớch ca lun nhm tỡm hiu v nghiờn cu nhng kin thc v laser rn, v hot ng hi phc phỏt x laser; nhng c im ca dao ng hi phc phỏt x laser Chromium trờn nn tinh th LiSAF c bm bng laser diode; kho sỏt nhng nh hng ca cỏc thụng s bm, thụng s bung cng hng lờn xung dao ng hi phc phỏt Ni dung ca lun ny ngoi cỏc phn m u v kt lun gm cú hai chng: Chng 1: Tng quan v laser Cr:LiSAF v dao ng hi phc phỏt x laser Chng ny s trỡnh by tng quan v cu trỳc nng lng, ph hp th v ph phỏt x ca laser Cr:LiSAF ng thi trỡnh by rừ iu kin cú dao ng hi phc, cỏc yu t nh hng n cỏc c trng ca dao ng hi phc v phõn tớch phng trỡnh tc cho hot ng quỏ ca laser Cr:LiSAF Chng 2: Kho sỏt c trng phỏt xung ngn ca Laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode Kt qu v tho lun Trong chng ny da vo h phng trỡnh tc tớnh toỏn nh hng ca cỏc thụng s bm, cỏc thụng s bung cng hng n xung laser Qua ú cho phộp chỳng ta chn cỏc thụng s bm v cỏc thụng s bung cng hng phự hp laser Cr:LiSAF cú th phỏt xung ngn Gii thiu cu hỡnh laser Cr:LiSAF phỏt xung ngn nh bin iu phm cht ca bung cng hng bng phng phỏp th ng Chng TNG QUAN V LASER Cr:LiSAF V DAO NG HI PHC TRONG PHT X LASER Cỏc laser rn bng rng, iu chnh bc súng s dng hot cht l cỏc tinh th rn hay cỏc nn vụ nh hỡnh, cú cỏc dch chuyn laser v cỏc dch chuyn c pha (hu ht l cỏc ion t him hay ion kim loi chuyn tip) Trong vic nghiờn cu i vi mụi trng khuch i iu chnh bc súng, mt nhng ion kim loi chuyn tip c khỏm phỏ v s dng rng rói nht l Chromium iu ny ch yu l s n nh húa hc ca cỏc trng thỏi ion mng tinh th v s tn ti ca cỏc di bm rng Cỏc laser thuc h Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF) pha ion Cr3+ l cỏc laser rn cú kh nng iu chnh liờn tc bc súng, cng c gi l cỏc laser vibronic vai trũ ca liờn kt in t - phonon s m rng ca cỏc ỏm phỏt x v hp th Chỳng cú th bao ph ton b vựng ph t 170nm n 360nm, cú th phỏt c cỏc bc x phự hp vi yờu cu ca nhiu ng dng khỏc Ngy nay, chỳng cú mt tm quan trng thng mi laser vỡ tớnh hp dn ca nú nh: kt cu gn nh, an ton, d s dng, tin cy cao v c bit l giỏ thnh thp Mụi trng laser rn Cr:LiSAF, ó c nghiờn cu u tiờn bi Payne v cỏc cng s vo nm 1989, cú ph khuch i rng t 750nm n 950nm ang rt c quan tõm nghiờn cu nhng nm gn õy Tinh th laser Cr:LiSAF cú thi gian sng hunh quang di (67às) so vi tinh th laser Ti:saphire (3,2às) nờn nú hot ng rt hiu qu ch bin iu phm cht th ng (Q - switching) vi cỏc bc súng nh gn 28 thu c s c trỡnh by phn di õy 2.1 nh hng ca cỏc thụng s bm lờn dao ng hi phc Dao ng hi phc phỏt x ca laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode ph thuc vo tc tớch thoỏt mt tớch ly ca trng thỏi kớch thớch, s thay i mt ca photon bung cng hng iu kin nht nh Trong ú cỏc thụng s bm cú nh hng trc tip n cỏc yu t ny [10] Do vy, chỳng tụi ó tớnh toỏn, nghiờn cu s nh hng ca rng xung bm v mc bm lờn hin tng dao ng hi phc phỏt x ca laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode Cỏc kt qu nghiờn cu vi laser Cr:LiSAF bc súng 850nm, c bm bng laser diode bc súng 670nm Tinh th Cr:LiSAF hỡnh lp phng kớch thc ì ì ( mm ) , pha 1%Cr 3+ , hai mt cui ó c gia cụng chng phn x 850nm 2.1.1 nh hng ca rng xung bm Trong phn ny chỳng tụi gii h phng trỡnh tc (1.33) v (1.34) cho laser Cr:LiSAF vi chiu di bung cng hng 10cm; R1 = 1; R2 = 0,1; xung bm cú dng hỡnh ch nht; mc bm trờn ngng 1,5 ln; thay i rng xung t 90 s n 500 s v gi nguyờn nng lng bm Cỏc kt qu tớnh toỏn thu c c biu din trờn hỡnh 2.1 rng xung bm vi cỏc giỏ tr: a) 90 s ; b) 100 s d ) 200à s ; ; c) 150 s e) 500 s 29 Hỡnh 2.1 nh hng ca rng xung bm lờn c trng phỏt xung ngn ca laser Cr:LiSAF [3] 30 Cỏc kt qu tớnh toỏn cho thy, tng rng ca xung bm thỡ s ln dao ng xy cng nhiu, laser xut hin sm hn v khong cỏch gia cỏc xung b hp li Khi rng ca xung bm quỏ ln, xung laser lp li hỡnh dng ca xung bm Cỏc kt qu ny ch cú th gii thớch c lu ý rng hot ng laser ch xy thi gian cú s nghch o mt tớch ly cao hn mt ngng Khi di xung bm nh cú th so sỏnh vi thi gian sng hunh quang ca tõm hot cht thỡ quỏ trỡnh bm ch hot ng laser thc hin mt hoc mt vi dao ng Ngc li, trng hp di xung bm ln hn thi gian sng hunh quang ca tõm hot cht thỡ quỏ trỡnh bm tip tc trỡ laser cú th tip tc xy sau ln xut hin dao ng u tiờn Do cú s tớch thoỏt nhanh ca mt tớch ly mc kớch thớch, nờn s dao dng c tng lờn (Hỡnh 2.1 b - c - d) Trong trng hp di xung bm quỏ ln, quỏ trỡnh laser v quỏ trỡnh tớch ly cú th t n trng thỏi dng nờn xung laser cú dng ca xung bm (Hỡnh 2.1e) 2.1.2 nh hng ca mc bm Trờn c s h phng trỡnh tc , chỳng tụi kho sỏt s ph thuc ca cng laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode theo thi gian gi nguyờn rng xung bm l 100à s , h s phn x ca gng l 0,9 v tng mc bm trờn ngng t 1,5 n 50 ln Cỏc kt qu thu c c biu din trờn hỡnh 2.2 31 Hỡnh 2.2 nh hng ca mc bm lờn c trng phỏt xung ngn ca laser Cr:LiSAF BCH: 2cm, R1 = 1, R2 = 0,9 [3] 32 Cỏc kt qu cho thy: * Vi mc bm gn ngng laser Cr:LiSAF phỏt cú vi xung ca dao ng hi phc, c bit bm sỏt ngng ta cú th thu c mt xung n (Hỡnh 2.2a) * Vi mc bm cng tng, s ln dao ng ca cng laser tng ng thi laser xut hin cng sm hn v khong cỏch gia cỏc xung b hp li (Hỡnh 2.2 b, c v d) * Xung laser s lp li hỡnh dng ca xung bm mc bm quỏ cao trờn ngng (Hỡnh 2.2e) Kt qu ny cú th gii thớch da trờn c s v kh nng tớch ly phõn t trng thỏi kớch thớch sau mi ln phỏt x laser Khi mc bm sỏt ngng, s tỏi tớch ly khú cú th t n ngng phỏt sau quỏ trỡnh laser u tiờn xy ra, nờn cng laser ch xut hin mt vi dao ng (Hỡnh 2.2 a v b) Ngc li cỏc mc bm cao trờn ngng, s tỏi tớch ly tip tc c din sau quỏ trỡnh laser u tiờn xut hin, vỡ vy, tn sut dao ng c tng cng (Hỡnh 2.2 c v d) Mt khỏc trng hp mc bm quỏ cao trờn ngng, quỏ trỡnh laser v quỏ trỡnh tớch ly cú th t n trng thỏi dng vỡ vy xung laser cú dng xung bm (Hỡnh 2.2e) Nh vy, xut phỏt t h phng trỡnh tc chỳng tụi ó chng t: s xut hin dao ng hi phc phỏt x ca laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode ph thuc rt rừ khụng ch vo cỏc thụng s ca phõn t hot cht (thi gian sng hunh quang, h s phỏt x cng bc) m cũn ph thuc vo cỏc thụng s bm (mc bm, rng xung bm) c bit trng hp rng ca xung bm nh (khong 90 s ), mc bm sỏt ngng (r = 1,5) ta cú thu c mt xung n (Hỡnh 2.1a v Hỡnh 2.2a) Mt khỏc, thi gian sng ca photon bung cng hng cú vai trũ quan trng i vi hin tng dao ng hi phc laser Cr:LiSAF 33 [10] Do vy h s phn x ca gng v chiu di bung cng hng s nh hng n dao ng hi phc phỏt x laser Trong phn tip theo chỳng tụi s nghiờn cu nhng nh hng ca h s phn x ca gng v chiu di bung cng hng lờn xung dao ng hi phc phỏt x ca laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode 2.2 nh hng ca thụng s BCH lờn xung ca dao ng hi phc Trong phn ny chỳng tụi tớnh toỏn v kho sỏt vi cỏc BCH cú chiu di khỏc nhau, cỏc gng laser cú h s phn x khỏc rỳt nhng c im c bn nht ca xung laser phỏt dao ng hi phc ca laser Cr:LiSAF 2.2.1 nh hng ca chiu di bung cng hng Chỳng tụi gii h phng trỡnh tc i vi laser Cr:LiSAF, chiu di bung cng hng thay i t 2cm n 60cm; R1 = 1; R2 = 0,1; xung bm dng hỡnh ch nht, rng xung 60à s , mc bm trờn ngng 1,5 Cỏc kt qu tớnh toỏn thu c (Hỡnh 2.3) biu din s thay i ca xung laser phỏt theo s thay i ca chiu di bung cng hng Kt qu cho thy: chiu di bung cng hng cng ln, di xung laser phỏt cng ln (Hỡnh 2.3) Hin tng ny cú th c gii thớch nh sau: Theo lý thuyt, rng xung laser c tớnh bi cụng thc sau: [6] pulse Ni N f Nt Nt = tc Ni N ln( i ) Nt Nt (2.1) Trong ú, t c l thi gian sng ca photon bung cng hng 34 n T 2L tc = ln R1R2 ữ c L c Vi: + n l chit sut ca bung cng hng + L l chiu di bung cng hng + l mt mỏt bung cng hng Hỡnh 2.3 Cỏc xung laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode, BCH cú chiu di thay i t 2cm n 60cm; R1 = 1, R2 = 0,1 [3] (2.2) 35 Nh vy, rng ca xung laser Cr:LiSAF phỏt ph thuc ch yu vo chiu di bung cng hng Nu chiu di bung cng hng cng ln thỡ t c cng ln dn n rng xung phỏt cng ln (xung phỏt cng di) 2.2.2 nh hng ca h s phn x gng Hỡnh 2.4 Xung dao ng hi phc ca laser Cr:LiSAF phỏt t cỏc BCH cú h s phn x gng R2 thay i t 0,9 n 0,5 [3] 36 T phng trỡnh tc , chỳng tụi tớnh toỏn, kho sỏt c im ca xung laser Cr:LiSAF phỏt theo h s phn x ca gng bung cng hng di 5cm, gi nguyờn mc bm l ln trờn ngng v thay i h s phn x ca gng laser Cỏc kt qu thu c c biu din trờn hỡnh 2.4 Cỏc kt qu thu c cho thy: vic gim h s phn x gng t 0,9 n 0,5 (ngha l tng dn mt mỏt bung cng hng), di ca xung laser phỏt cng ngn Kt qu ny cú th c gii thớch tng t nh trờn: t (2.2) ta thy h s phn x ca gng laser cng nh (mt mỏt bung cng hng cng ln) s lm cho thi gian sng ca photon bung cng hng cng nh, iu ny lm cho di xung phỏt cng ngn Nh vy chiu di bung cng hng cng nh, h s phn x ca gng cng nh thỡ xung laser thu c cng ngn 2.3 Cu hỡnh laser Cr: LiSAF bin iu phm cht th ng c bm bng laser diode Phng phỏp bin iu phm cht th ng (Q - switching) l ta a vo bung cng hng laser mụi trng cht hp th bóo ho Thi gian sng ca phõn t hay nguyờn t ca vt liu hp th phi rt ngn so vi thi gian sng ca nguyờn t hay phõn t mc nng lng laser trờn Ban u, cỏc b hp th bóo ho dựng iu bin phm cht thng l cỏc cht mu hu c c pha loóng dung mụi hu c (thi gian sng ca cỏc phõn t mu c nano giõy) Tuy nhiờn, loi vt liu iu bin ny cú tui th thp s thoỏi hoỏ phõn t mu v kh nng chu nhit thp, vy ng dng ca chỳng b hn ch S phỏt hin cỏc tinh th 37 pha cỏc ion hp th hoc cha cỏc tõm mu ó ci thin ỏng k tui th v tin cy ca cỏc khoỏ phm cht th ng Do khoỏ phm cht loi th ng c bin iu chớnh bn thõn trng bc x bung cng hng nờn khụng ũi hi ngun cao ỏp hay cỏc b iu khin quang in nh cỏc phng phỏp bin iu phm cht bung cng hng núi trờn u im ni bt ca k thut bin iu th ng so vi phng phỏp ch ng l thit k n gin, gn nh Mc dự cú nhiu k thut bin iu phm cht khỏc ó c phỏt trin, nh ó núi trờn cỏc phng phỏp bin iu phm cht thng ch ỏp dng c vi cỏc laser cú thi gian sng ca mc laser trờn tng i di u im ca phng phỏp bin iu phm cht l: Gn nh khụng cú mt mỏt thit b bin iu Cú th t c mt mỏt cc i (100%) úng Thit b in t iu khin hot ng n gin tin cy cao Nhc im ca phng phỏp bin iu phm cht ú l tc bin iu cũn chm, ú cỏc xung to cũn di Tn s lp li v rng xung c nh, khụng iu chnh c Hỡnh v 2.5 trỡnh by cu hỡnh ca mt laser tinh th Cr: LiSAF c bm bng laser diode phỏt xung ngn nh bin iu phm cht ca bung cng hng Cu hỡnh gm bung cng hng vi hai gng cú h s phn x R1 < 100%, R2 = 100%, hot cht l tinh th Cr: LiSAF cú c im trỡnh by bng 2.1, tinh th s dng bin iu phm cht l 38 Cr: YSO cú cỏc c trng c trỡnh by bng 2.2 v h thu kớnh hi t hi t ngun bm vo tinh th Hỡnh 2.5 Cu hỡnh laser Cr:LiSAF bin iu phm cht th ng c bm bng laser diode [8] Bng 2.1: Cỏc c trng ca hot cht Cr: LiSAF [8] Cụng thc hoỏ hc Cr3+:LiSrAlF6 Mu Xanh lc H thng tinh th Mt trc i xng Bc súng hp th 440nm n 650nm Ph phỏt x 700nm n 1100nm (nh l: 850nm) Din tớch phỏt x 4,8.10-20 cm2 Thi gian sng hunh quang 67s Chit sut tinh th 1,41 H s mt mỏt 0,002cm-1 39 Bng 2.2: Cỏc c trng ca cht hp th bóo ho Cr: YSO [8] Cụng thc hoỏ hc Cr4+: Y2SiO5 Mu Xanh sm H tinh th Hai trc Hng s kớch thc a = 10,41A0 ; b = 6,72A0 ; c = 12,49A0 Cỏc bc súng hp th chớnh 390nm, 595nm, 695nm v 750nm (nh l: 1250nm) Thi gian sng hunh quang 0,7s Khi lng riờng 4,6g/cm3 Chit sut 1,8 Nhit núng chy 20700C Cụng sut bm 20W 40 KT LUN CHNG Trong chng 2, chỳng tụi ó kho sỏt c nhng nh hng ca cỏc thụng s bm v cỏc thụng s ca bung cng hng lờn dao ng hi phc ng thi rỳt nhng c im ca xung phỏt phỏt x ca laser Cr:LiSAF c bm bng laser diode Kt qu cho thy: Khi tng rng ca xung bm thỡ s ln dao ng xy cng nhiu, laser xut hin sm hn v khong cỏch gia cỏc xung b hp li Khi rng ca xung bm quỏ ln thỡ xung laser s lp li hỡnh dng ca xung bm Ti mc bm gn ngng, laser Cr:LiSAF phỏt cú vi xung ca dao ng hi phc, c bit bm sỏt ngng ta cú th thu c mt xung n Khi mc bm cng tng thỡ s ln dao ng ca cng laser tng ng thi laser xut hin cng sm hn v khong cỏch gia cỏc xung b hp li Xung laser s lp li hỡnh dng ca xung bm mc bm quỏ cao trờn ngng di ca xung laser phỏt gn nh t l vi chiu di bung cng hng Khi chiu di bung cng hng cng nh v h s phn x ca gng cng thỡ xung laser thu c cng ngn Nhng c im ca dao ng hi phc ca phỏt x laser Cr:LiSAF t cỏc bung cng hng cú di ngn khỏc nhau, c bm gn ngng chớnh l c s cho vic phỏt trin phng phỏp s dng tin trỡnh quỏ ca bung cng hng ch to cỏc xung laser ngn Gii thiu mt cu hỡnh laser Cr:LiSAF bin iu phm cht ca bung cng hng c bm bng laser diode 41 KT LUN CHUNG Lun Kho sỏt c trng phỏt xung ngn ca Laser Cr:LiSAF ó c tỡm hiu v nghiờn cu lý thuyt v laser Cr:LiSAF hot ng da trờn phng phỏp quỏ bung cng hng Cỏc kt qu lm sỏng t v hot ng ca laser kiu hi phc; cỏc c im dao ng hi phc laser v iu kin cú dao ng hi phc phỏt x ca laser Lun ó kho sỏt v lm sỏng t bng lý thuyt nh hng ca cỏc thụng s bm v cỏc thụng s BCH lờn rng ca xung laser phỏt Cỏc kt qu chớnh lun l: * Laser Cr:LiSAF l loi laser hot ng theo c ch bn mc nng lng Cỏc dch chuyn hp th ch yu l A v A tng ng vi cỏc bc súng hp th 450nm v 650nm Dch chuyn phỏt x laser ch yu l 4T2 4A2 vi bc súng trung tõm l 850nm Ph hp th v ph phỏt x laser Cr:LiSAF cú hai vựng hp th mnh tng ng vi hai bc súng hp th trung tõm l 450nm v 650nm Ph phỏt x ca laser Cr:LiSAF tri di trờn di bc súng t 780nm n 1010nm * rng xung laser ph thuc vo thụng s bm, cng nh cỏc thụng s ca BCH: bm sỏt ngng vi rng xung bm nh thỡ xung laser thu c l xung n, bung cng hng cng ngn v h s phn x ca gng cng nh thỡ xung laser phỏt cng ngn * Trờn c s ú, chỳng tụi gii thiu mt cu hỡnh laser Cr:LiSAF bin iu phm cht ca bung cng hng c bm bng laser diode, cú th phỏt cỏc n xung laser ngn, cú th m nhiu kh nng ng dng nghiờn cu khoa hc 42 TI LIU THAM KHO [1] Nguyn i Hng, Vt lý k thut laser, NXB HQG, 2004 [2] inh Vn Hong & Trnh ỡnh Chin, Vt lý laser v ng dng, H Khoa hc t nhiờn, 1999 [3] Lờ c Su, Dao ng hi phc ca laser Cr:LiSAF phỏt xung ngn c bm bng laser diode, H Vinh, 2009 [4] Phm Vn Thiu, Vt lý laser, HQG H Ni, 2001 [5] Chinlon Lin, Studies of relaxation oscillations in Organic dye lasers, IEEE J Quantum electronics, Vol QE-11, No.8, 1975 [6] L.V Tarasov, Laser Physics, MIR Publishers Moscow, 1983 [7] Miyazoe and Maeda, On the spiking phenomenon in organic dye lasers, IEEJ Quantum electronics, Vol QE-7, No.8, 1971 [8] Nguyen Van Hao and et al, Spectro-temporal evolution and transient resonator in solid-state Cr3+:LiSAF laser emissions, International symposium on Cold atoms and Laser spectroscopy, Vinh, October 22-24, 2009 [9] Nguyn Trng Ngha, Nguyn ỡnh Hong, Trn Th Thanh Võn, Quc Khỏnh, Nguyn i Hng, Studies of relaxation oscillations in diode pumped a cut Nd:YVO4 lasers and its application, Hi ngh Vt lý ton quc ln th 5, Vng Tu 12-14/11/2007 [10] Walter Koechner, Michael Bass (2003), Solid State Laser A Graduate Text, Springer - Verlag, NewYork [...]... độ rộng xung bơm lên đặc trưng phát xung ngắn của laser Cr:LiSAF [3] 30 Các kết quả tính toán cho thấy, khi tăng độ rộng của xung bơm thì số lần dao động xảy ra càng nhiều, laser xuất hiện sớm hơn và khoảng cách giữa các xung bị hẹp lại Khi độ rộng của xung bơm quá lớn, xung laser lặp lại hình dạng của xung bơm Các kết quả này chỉ có thể giải thích được khi lưu ý rằng hoạt động laser chỉ xảy ra trong... photon ở mức laser trên phải lớn hơn thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng 1.3 Hệ phương trình tốc độ cho hoạt động của laser Cr:LiSAF Chúng tôi khảo sát động học phát xung ngắn của laser Cr:LiSAF ở 850nm được bơm bởi các xung laser diode ở 670nm Hình 2.1 biểu diễn sơ đồ của laser rắn với buồng cộng hưởng Fabry – Perot Buồng cộng hưởng laser bao gồm hai gương phẳng, một gương có hệ số phản... một xung đơn Xung laser trong dao động hồi phục tắt dần có độ rộng luôn nhỏ hơn khoảng cách giữa các xung, khoảng cách giữa các xung khá ổn định và có thể coi là chu kỳ của dao động Sự tắt dần trong dao động hồi phục giảm gần đúng theo hàm mũ và khi thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng càng nhỏ, dao động hồi phục xuất hiện càng rõ 27 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XUNG NGẮN CỦA LASER Cr:LiSAF. .. ra, laser Cr:LiSAF còn có khả năng phát các xung laser đơn, ngắn trong thang nano giây (ns) 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. .. chương này, để nghiên cứu đặc trưng phát xung ngắn trong laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode và làm sáng tỏ một số quá trình vật lý quá độ xảy ra, chúng tôi đã sử dụng hệ phương trình tốc độ để tính toán, khảo sát những ảnh hưởng của các thông số của môi trường hoạt chất, thông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên hiện tượng dao động hồi phục trong phát xạ của laser Cr:LiSAF đồng thời ứng dụng... trường hợp độ dài xung bơm quá lớn, quá trình laser và quá trình tích lũy có thể đạt đến trạng thái dừng nên xung laser ra có dạng của xung bơm (Hình 2.1e) 2.1.2 Ảnh hưởng của mức bơm Trên cơ sở hệ phương trình tốc độ, chúng tôi khảo sát sự phụ thuộc của cường độ laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode theo thời gian khi vẫn giữ nguyên độ rộng xung bơm là 100µ s , hệ số phản xạ của gương ra là 0,9... thì độ rộng của các “răng lược” càng nhỏ 18 1.2.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser Sự xuất hiện dao động hồi phục tắt dần trong quá trình phát xạ của laser là do có sự tương tác giữa cường độ của laser với độ tích lũy của môi trường hoạt chất bên trong buồng cộng hưởng [1] Hiện tượng này đã được nghiên cứu và quan sát nhiều trong các laser rắn, khí và laser màu khi được kích thích phát xung [3,... 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... T là hệ số truyền qua của gương ra + α là mất mát trong BCH + Pp là công suất bơm + Pth là công suất bơm ngưỡng 1.2 Dao động hồi phục trong phát xạ laser Chúng tôi trình bày các điều kiện để có dao động hồi phục, các yếu tố ảnh hưởng đến các đặc trưng của dao động hồi phục trong phát xạ của laser Cr:LiSAF 1.2.1 Hoạt động hồi phục của laser Hoạt động hồi phục xảy ra ở laser, một xung bơm gây ra sự nghịch... của độ rộng xung bơm và mức bơm lên hiện tượng dao động hồi phục trong phát xạ của laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode Các kết quả nghiên cứu với laser Cr:LiSAF ở bước sóng 850nm, được bơm bằng laser diode ở bước sóng 670nm Tinh thể Cr:LiSAF hình lập phương kích thước 3 × 3 × 3 ( mm ) , pha tạp 1%Cr 3+ , hai mặt cuối đã được gia công chống phản xạ ở 850nm 2.1.1 Ảnh hưởng của độ rộng xung bơm Trong ... cng hng phự hp laser Cr:LiSAF cú th phỏt xung ngn Gii thiu cu hỡnh laser Cr:LiSAF phỏt xung ngn nh bin iu phm cht ca bung cng hng bng phng phỏp th ng 4 Chng TNG QUAN V LASER Cr:LiSAF V DAO... Ngoi ra, laser Cr:LiSAF cũn cú kh nng phỏt cỏc xung laser n, ngn thang nano giõy (ns) bm gn ngng 1.1 Laser tinh th Cr:LiSAF c im ni bt ca laser Cr3+ l ph phỏt x rng, thớch hp cho phỏt xung ngn... mc laser trờn phi ln hn thi gian sng ca photon bung cng hng 1.3 H phng trỡnh tc cho hot ng ca laser Cr:LiSAF Chỳng tụi kho sỏt ng hc phỏt xung ngn ca laser Cr:LiSAF 850nm c bm bi cỏc xung laser