Khảo sát ảnh hưởng của một vài thông số lên sự biến đổi quang nhiệt trong hoạt chất Laser rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THÙY TRANG KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN SỰ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THÙY TRANG KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN SỰ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Mai Văn Lƣu Nghệ An, 2015 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật lí, phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Vinh nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Mai Văn Lưu người định hướng đề tài, dẫn, cung cấp tài liệu giúp tác giả vượt qua nhiều khó khăn để hoàn thành tập luận văn Xin cảm ơn anh chị học viên lớp Cao học 21 chuyên ngành Quang học Trường Đại học Vinh giúp đỡ đóng góp cho tác giả ý kiến quý báu cho tác giả trình hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn bạn bè, người thân động viên, chia sẻ với tác giả trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Nghệ An, tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thùy Trang MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn NỘI DUNG Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN 1.1 Đặc điểm, cấu hình hoạt chất laser rắn 1.1.1 Đặc điểm 1.1.2 Cấu hình 1.1.3 Hoạt chất 12 1.2 Cơ chế nghịch đảo nồng độ laser rắn 13 1.3 Quá trình hình thành trƣờng nhiệt hoạt chất laser 15 1.4 Gradient nhiệt hoạt chất laser 16 1.5 Kết luận chƣơng 18 Chƣơng ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN HỆ SỐ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER 19 RẮN 2.1 Một số hiệu ứng nhiệt hoạt chất laser 19 2.1.1 Hiệu ứng thấu kính nhiệt 19 2.1.2 Thay đổi cấu trúc chùm tia hiệu ứng thấu kính nhiệt 20 2.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên tần số làm việc laser 22 2.1.4 Thay đổi chiết suất theo nhiệt độ 22 2.2 Ảnh hƣởng vài thông số đến hệ số biến đổi quang 29 nhiệt 2.2.1 Phương trình mô tả lượng nhiệt 29 2.2.2 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia 31 2.2.3 Ảnh hưởng độ rộng xung 32 2.3 Kết luận chƣơng 34 KẾT LUẬN CHUNG 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu tạo laser rắn Hình 1.2 Sơ đồ laser rắn bơm ngang laser bán dẫn 10 Hình 1.3 Thanh 16 laser bán dẫn 11 Hình 1.4 Hình dạng hoạt chất laser 12 Hình 1.5 Sơ đồ mức lượng 14 Hình 1.6 Quá trình hình thành trường Gradient nhiệt 17 Hình 1.7 Quá trình sinh nhiệt hoạt chất 17 Hình 2.1 Buồng cộng hưởng 20 Hình 2.2 Sự phụ thuộc trường nhiệt vào tần số phát 23 10 Hình 2.3 Độ dịch pha 28 11 Hình 2.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia đến biến 31 đổi quang nhiệt 12 Hình 2.5 Ảnh hưởng độ rộng xung đến biến đổi quang 32 nhiệt 13 Hình 2.6 Ảnh hưởng hệ số β đến biến đổi quang nhiệt 33 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Một thành tựu quan trọng phát triển khoa học công nghệ kỷ XX đời laser Khác với ánh sáng thông thường, xạ laser chùm ánh sáng kết hợp, đơn sắc với độ phân kỳ nhỏ có cường độ lớn Ngoài tính chất trên, có số laser thay đổi bước sóng liên tục vùng phổ định Nhờ đó, ứng dụng laser khoa học, công nghệ sống ngày đa dạng, phong phú Khi laser hoạt động, đồng thời với trình trình sinh nhiệt hoạt chất Quá trình chủ yếu lượng bơm dư thừa không tham gia vào trình hấp thụ cưỡng trình chuyển dịch không xạ (phát xạ phonon) Năng lượng dư thừa gây trình dao động nội hoạt chất laser kết trình sinh nhiệt xẩy hoạt chất Hiện tượng sinh nhiệt không đồng hoạt chất, thông thường tâm nhiệt độ sinh lớn biên hoạt chất Đây nguyên nhân gây nên tượng gradient nhiệt môi trường hoạt, điều dẫn đến thay đổi chiết suất môi trường Do thay đổi chiết suất theo nhiệt độ mà hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành hoạt chất Sự thay đổi chiết suất trình hoạt động laser biến hoạt chất đồng ban đầu thành thấu kính - gọi thấu kính nhiệt Hiệu ứng thấu kính nhiệt ảnh hưởng đến cấu trúc chùm tia, ảnh hưởng đến tần số làm việc laser Như vậy, vấn đề đặt công nghệ chế tạo laser, hạn chế tối đa ảnh hưởng không tốt hiệu ứng nhiệt đến chất lượng chùm tia phát? Một phương án lựa chọn hạn chế tối đa phần lượng bơm chuyển hóa thành lượng nhiệt hoạt chất Hay nói cách khác, cách điều khiển hệ số biết đổi quang nhiệt trình hoạt động laser Đề góp phần giải vấn đề chọn đề tài : “Khảo sát ảnh hưởng vài tham số lên biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser rắn” làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Mục tiêu đề tài luận văn Tìm hiểu tổng quan laser rắn, trọng đến cấu hình, hoạt chất hiệu ứng nhiệt hoạt chất laser rắn Đề xuất miền giá trị số tham số ảnh hưởng đến trình biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng - Hiệu ứng nhiệt laser rắn; - Biểu thức mô tả hệ số chuyển đổi quang nhiệt môi trường hoạt; - Các tham số ảnh hưởng đến hệ số biến đổi quang nhiệt 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu chế hình thành trường nhiệt hoạt chất laser; - Khảo sát ảnh hưởng vài tham số đến trình biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser Nhiệm vụ nghiên cƣ́u Để đạt mục đích nói xác định nhiệm vụ nghiên cứu sau: - Tìm hiểu tổng quan laser rắn, - Dẫn biểu thức hệ số biến đổi quang nhiệt, - Khảo sát ảnh hưởng vài tham số đến hệ số biến đổi quang nhiệt Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài - Sử dụng phương pháp lí thuyết: nghiên cứu tài liệu laser rắn, - Phương pháp mô số: sử dụng phần mềm chuyên dụng để khảo sát ảnh hưởng tham số đến hệ số biến đổi quang nhiệt Bố cu ̣c của luâ ̣n văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luâ ̣n văn trình bày hai chương có cấu trúc sau: Chƣơng Tổng quan laser rắn Trong chương này, trình bày chế hình thành trường nhiệt hoạt chất laser; đề cập đến số hiệu ứng nhiệt ảnh hưởng hiệu ứng đến chùm laser phát Chƣơng Ảnh hƣởng vài tham số lên biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser rắn Nội dung chương này , trình bày biểu thức hệ số biến đổi quang nhiệt, qua khảo sát ảnh hưởng số tham số lên trình hoạt chất Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN 1.1 Đặc điểm, cấu hình hoạt chất laser rắn 1.1.1 Đặc điểm 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 [1] 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 [1] 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 Độ rộng vạch xạ tự phát chất vô định hình khoảng vài chục A0, chất đơn tinh thể khoảng vài A0, độ rộng xạ laser khí vài phần mười A0 [1] 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 22 suất bơm dẫn đến thấu kính nhiệt có tiêu cự khác Sự thay đổi tiêu cự thấu kính nhiệt phụ thuộc vào công suất bơm mà phụ thuộc vào tần số bơm, hay tần số làm việc laser Khi tần số làm việc lớn trường nhiệt hoạt chất lớn dẫn đến tiêu cự thấu kính nhiệt ngắn, mặt thắt chùm tia nhỏ, độ cong mặt sóng lớn Việc loại trừ hiệu ứng thấu kính nhiệt laser làm việc chế độ tần số lớn không thể, mà giảm đến mức tối đa ảnh hưởng 2.1.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên tần số làm việc laser Một đặc trưng quan trọng laser rắn hoạt động chế độ xung Tần số lặp tối đa laser gần xác định thời gian thoát nhiệt hoạt chất Thời gian thoát nhiệt hoạt chất phụ thuộc vào kích thước, nhiệt dung riêng, hệ số truyền nhiệt, Việc chọn tần số hoạt động laser quan trọng phương pháp, chế độ làm lạnh quan trọng để bảo đảm cho laser làm việc ổn định Do đó, vấn đề chọn tần số phát xung tối ưu đóng vai trò quan thiết kế chế tạo laser Một vấn đề quan trọng cần quan tâm chế độ nhiệt, nhiệt lượng đốt nóng hoạt chất xung bơm phải nhiệt lượng làm lạnh hai xung Để chế độ phát ổn định xẩy nhiệt độ trình nhiệt phải nhỏ nhiệt độ cho phép hoạt chất Trong trường hợp cụ thể chế độ tựa ổn định Tts   Eb , t0 , a, H , K , d , f  đó:  Eb công suất bơm đèn, t thời gian chu kỳ phát đèn bơm,   a độ nhớt (hệ số dẫn nhiệt độ),  f tần số phát laser (2.8) 23 Khi biết giá trị vài tham số (d=dmax, a=const, Eb=const, H(t)=const, ) thấy nhiệt độ Tts phụ thuộc vào tần số phát đèn, f’đ=1/t0 (bằng tần số phát laser) Sau sử dụng phương trình dẫn nhiệt, mô tả trường nhiệt, phụ thuộc vào tần số phân tích thành chuỗi giới hạn thành phần đầu, bỏ qua thành phần (2n/dmax)2 < 0,1: Tts  T p  An J  n d / d max  a E (t ) k e a 2 n d / d  / f  n  / f d'    (2.9) đó:  n nghiệm phương trình J0()/J1()=/Bi,  An hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Bi (bảng 2.1),  J0 J1 hàm Bessel bậc bậc Trên hình 2.2a cho ta thấy phụ thuộc trường nhiệt hoạt chất vào tần số phát (laser Ruby với tần số phát 50 Hz, 10Hz thiết kế với chất làm lạnh có hệ số trao đổi nhiệt H = 4.104 W/m2K) t(s) (a) (b) Hình 2.2[4] Sự phụ thuộc trƣờng nhiệt vào tần số phát a Trường nhiệt độ mặt hoạt chất phụ thuộc vào tần số bơm với lượng 450 J làm lạnh nhiệt độ Tp =300K: 1: f=50 Hz, H= 4.104 W/m2K 2: f=10 Hz, H= 4.103 W/m2K 24 3: f=10 Hz, H= 4.104 W/m2K b Phụ thuộc tần số phát nhiệt độ vào hệ số trao đổi nhiệt H Như vậy, sau lần phát, nhiệt độ tăng từ 2K đến 4K Sau phân tích thấy trường nhiệt hoạt chất phụ thuộc vào tham số nhiệt sau: T (d , t )  Tp  Ti  T (2.10) đó:  Tp nhiệt độ chất làm lạnh xung quanh hoạt chất,  Ti = qd0/2 mức nhảy nhiệt độ mặt hoạt chất (sự đốt nóng sau xung đèn),  T = q/(ct bn) mức nhảy nhiệt độ mặt cắt hoạt chất bán kính d/2; bn hệ số tán xạ công suất bơm (cm-1),  q số lượng nhiệt phân tán đơn vị thể tích Mức nhảy nhiệt độ mặt hoạt chất Ti phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt, mà đại lượng thay đổi khoảng lớn phụ thuộc vào phương pháp làm lạnh vào mức chia nhiệt q Để nhận lượng xạ cực đại cần chọn bán kính hoạt chất tối ưu Bảng 2.1 Đặc trưng nhiệt vật liệu laser rắn Ho ạt chất Hệ Số Chuẩn số Bio Bi= H/K KL ND riêng Riêng 103J/kgoK dẫn nhiệt w/m K G/cm3 Không khí1 Chất lỏng2 Ruby 3,99 0,78 45 0,0001- 0,1 0,02- 0,2 Nd:TT 2,95 0,79 0,82 0,005-0,5 1-10 4,2 0,59 12,6 0,0004-0,4 0,008-0,8 YAG:Nd 25 H = 500 W/m2K; H = 103 104 W/m2K Từ phương trình Ti =qdmax /2 cho thấy nhiệt độ mặt hoạt chất tăng theo bán kính hoạt chất Mặt khác, thực tế hoạt chất với bán kính khác có mật độ lượng bơm Điều dẫn đến kết luận hoạt chất với kích thước nhỏ xạ lượng thấp không hấp thụ hết lượng bơm, với dễ làm lạnh Sự phân nhiệt hoạt chất làm tiết diện dịch chuyển hấp thụ giảm phi tuyến theo công suất bơm Như vậy, laser tìm bán kính hoạt chất tối ưu, trước hết xác định mức nhảy nhiệt độ mặt, thứ hai khả tập trung lượng bơm hoạt chất Một điều kiện cần bổ sung bán kính hoạt chất bán kính đèn phải Với điều kiện tối ưu, tần số làm việc laser dẫn biểu thức sau: f  32 Bi a  d /    Bi  ln 1    1  e  (2.11) đó: e hệ số thay đổi từ 1,01 đến 1,1 ứng với chuẩn số Bio thay đổi từ đến 10 bảng 2.1 Tính toán theo công thức (2.11) thấy laser thuỷ tinh Neodym làm lạnh nước nhiệt độ 300oK, bán kính hoạt chất d/2= 3,25 mm, lượng bơm 400 J, H = 7,5 103 w/m2oK, a= 2,65 10-6 m2/s, e = 1,01 tần số phát f =1,4Hz Để nâng cao tần số phát cần giảm nhiệt độ làm lạnh Như ảnh hưởng nhiệt độ hoạt chất đến tần số làm việc laser lớn 2.1.4 Thay đổi chiết suất theo nhiệt độ Laser có tham số thiết kế không đổi, thay đổi công suất bơm làm thay đổi trường nhiệt (nhiệt độ), điều dẫn đến thay đổi chiết suất: 26 nT   n0  dn T dT (2.12) đó: + n(0) chiết suất ban đầu hoạt chất, + T biến thiên nhiệt độ hoạt Sự thay đổi nhiệt độ điểm hoạt chất khác với công suất bơm dẫn đến thấu kính nhiệt có tiêu cự khác Hàm chiết suất n(r,z,T) khai triển sau: n  r , z , T   n  r  0, z , T   dn T (r, z )  T (r  0, z )   dT (2.13) Phương trình (2.13) viết dạng sau: n ( r , z )T  T ( r, z )  T ( r  0, z )  đó: dn dT n(r, z)T  n(r, z, T )  n(r  0, z, T ) (2.14) (2.15) Chiết suất thay đổi phụ thuộc vào phân bố nhiệt độ môi trường, nguyên nhân gây dịch pha[tây 8]: l   r T  k  n  r , z T dz (2.16) k số sóng nguồn bơm Phân bố nhiệt độ hoạt chất laser rắn cho bởi[tây]:   n2  exp  k t  a  T0   n   T ( r, z, t )   Bn J  r   n 1   n2   a   exp  k   a      n2 m 2   exp  k    t    l    m  z      a T0  BnCm J  r n  cos    2  a   l  2   n 1 m 1  exp  k  n2  m 2   l    a (2.17) 27 với Bn hệ số mở rộng: a   E0   pumb  r Bn   J   cl p2 /  laser  a J 12  n  0  a   r4  exp      p    rdr   (2.18) đó: + E0 tổng lượng xung bơm, + c nhiệt dung riêng, +  pump bước sóng bơm, + laser bước sóng laser, +  hiệu suất lượng tử, +  p bán kính mặt thắt chùm bơm, + l chiều dài hoạt chất 2  exp   l  cos  m   m z  exp   z  cos   dz    l l  l   m  1    l  l Cm  (2.19) Từ phương trình (2.16) (2.17), t = 0, độ dịch pha là:    J0  r n  1 T C lk dn  a   ( r )T  0 Bn  dT n 1  2    exp  k  n2    a    Sử dụng gần cận trục, hàm mở (2.20) rộng Bessel       J  r n     r n   đó, độ dịch pha viết:  a   2a  T0C0lk dn r  ( r ) T   dT a Bn n2     n2   n 1  exp  k     a    (2.21) 28 Phương trình (2.20) (2.21) cho thấy khác độ dịch pha sử dụng gần cận trục Điều mô tả trực quan hình 2.3 ∆φ T Hình 2.3 Độ dịch pha (nét liền) độ dịch pha gần cận trục (nét đứt)[5] Hình 2.3 biểu diễn độ dịch pha tương ứng (phương trình (2.20) (2.21)) hàm tỷ số r/a với giá trị tham số: l = 1cm, E0 = 0.1j,  = 10-2 s, a = 0.35cm p = 0.28cm [5] Một cách đơn giản, gần cận trục, độ dịch pha hàm thấu kính:  ( r )T   kr 2f (2.22) Khi nhiệt độ phân bố không hoạt chất, lúc xảy tượng thấu kính nhiệt Từ (2.22) tiêu cự thấu kính nhiệt tính[5]:   4a  dn f th  T0C0l  dT       Bn n2  Bn    n    n 1  exp  k        a   1 (2.23) 29 2.2 Ảnh hƣởng vài tham số đến biến đổi quang nhiệt 2.2.1 Phƣơng trình mô tả lƣợng nhiệt Như trình bày trên, hiệu ứng thấu kính nhiệt sinh từ dư thừa lượng bơm, trình hấp thụ không cộng hưởng chất làm tăng mức độ dao động nhiệt, dẫn đến nhiệt độ hoạt chất tăng lên Người ta chứng minh phần lượng bơm biến thành nhiệt chủ yếu sai khác lượng photon bơm lượng photon laser, sai khác lượng tử nhiệt cho bởi[5]: q   p  L p (2.24) đó: +  p tần số bơm, + L tần số phát laser Các trình quang học xảy tâm hoạt bao gồm chuyển dời kích thích xạ Ta kích thích tâm hoạt mức lượng lên mức lượng cao Nếu chuyển dời tâm hoạt xảy mức lượng có khoảng cách đủ hẹp tâm hoạt trở trạng thái bản, không phát laser mà xảy phát xạ huỳnh quang (chuyển dời không phát xạ) Khi  q phương trình (2.24) thay  nl - công suất nhiệt huỳnh quang Trong hoạt chất laser rắn cấu hình bơm dọc, phần lượng bơm chuyển hóa thành lượng nhiệt cho bởi[5] pheat  1  1   nl    pabs đó: + pheat lượng nhiệt, + pabs phần lượng hấp thụ từ lượng bơm, (2.25) 30 γ tham số đặc trưng cho số ion phát xạ (cm3/s):   r, z   1   w rp  r, z  (2.26) w rp  r, z  đó: +  độ rộng xung, + w hệ số chuyển lượng, + rp (r , z ) bán kính hoạt chất Thay (2.25) vào (2.26) tích phân theo toàn thể tích chùm bơm ta tìm phần lượng bơm chuyển hóa thành lượng nhiệt hoạt chất Sử dụng chùm bơm có phân bố Gauss, giả sử toàn lượng chùm bơm hấp thụ ( pabs = p) phần lượng chuyển hóa thành nhiệt cho bởi[6]: pheat  p  1   nl  1    ln              ln(2)     ln      ln          ln  t          ln     dt        1  t   2  (2.27) [7]:  8wp p  p2 h p với: + p lượng bơm, +  p hệ số hấp thụ, +  p tần số bơm, +  p bán kính mặt thắt chùm bơm, + h = 6,625.10-34Js : số Planck (2.27) 31 Từ (2.27) (2.28) ta thấy phần lượng bơm chuyển hóa thành lượng nhiệt, hay nói cách khác hệ số biến đổi quang nhiệt ( pheat /p) phụ thuộc vào nhiều tham số Ảnh hưởng số tham số đến trình biến đổi quang nhiệt nào, khảo sát sau 2.2.2 Ảnh hƣởng bán kính mặt thắt chùm tia Xét cho trường hợp cấu hình laser rắn hoạt chất Nd:YVO4 (hàm lượng Nd 1%) bơm dọc chùm laser xung Gauss, sử dụng tham số: p = 1W; αp = 3000m; τ = 100µs ; λp = 532nm ; W = 3,5.10-22m3s-1 [7], kết khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm bơm  p đến hệ số biến đổi quang nhiệt mô tả hình 2.4 Từ kết hình 2.4 ta thấy, bán kính mặt thắt chùm bơm tăng phần lượng bơm chuyển thành lượng nhiệt giảm, nghĩa phần lượng dùng để kích thích tâm hoạt phát xạ laser nhiều Pheat / P cm Hình 2.4 Ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia đến biến đổi quang nhiệt Ngoài ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm bơm, độ rộng xung bơm yếu tố ảnh hưởng đến trình biến đổi quang nhiệt Ta tiếp tục xem xét sau 32 2.2.3 Ảnh hƣởng độ rộng xung Sử dụng giá trị tham số mục 2.2.2, kết khảo sát ảnh hưởng độ rộng xung đến hệ số biến đổi quang nhiệt hình 2.5 Ta thấy, độ rộng xung nhỏ (trong khoảng   20 s - hình 2.5a) hệ số biến đổi quang nhiệt tăng, giảm, biến thiên liên tục, rõ ràng trường hợp bên hoạt chất laser xảy nhiều trình phi tuyến phức tạp Điều không tốt cho trình hoạt động laser Nếu độ rộng xung lớn ( τ > 20 s - hình 2.5b), lúc hệ số biến đổi quang nhiệt tăng độ rộng xung tăng Điều phù hợp độ rộng xung lớn, lượng dư thừa không kịp suy hao mà "chồng lấn" sau lần bơm Đây nguyên nhân làm cho lượng nhiệt hoạt chất tăng lên Pheat / P µs (a) Pheat / P µs (b) 33 Pheat / P µs (c) Hình 2.5 Ảnh hưởng độ rộng xung đến biến đổi quang nhiệt Trong biểu thức (2.27), xem  (biểu thức 2.28) hệ số đặc trưng cho trình biến đổi quang nhiệt Khi đó, ảnh hưởng hệ số đến trình biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser rắn Nd:YVO4 thể hình 2.6 Pheat / P Hình 2.6 Ảnh hưởng hệ số  đến trình biến đổi quang nhiệt Từ kết hình 2.6 ta thấy, hệ số  tăng lượng biến đổi quang nhiệt tăng Ta thấy hệ số  phụ thuộc vào nhiều tham số, nghĩa 34 trình biến đổi quang nhiệt phụ thuộc vào nhiều tham số mà nghiên cứu này, ảnh hưởng số tham số khảo sát 2.3 Kết luận chƣơng Trong trình hoạt động laser, nhiệt độ hoạt chất tăng lên lượng dư thừa không tham gia vào trình hấp thụ cưỡng để tạo laser mà lượng làm sinh nhiệt hoạt chất laser Do có phân bố không lượng bơm hoạt chất, xuất hện gradient nhiệt hoạt chất Gradient xuất làm cho chiết suất hoạt chất thay đổi, kết hình thành thấu kính nhiệt Sự tạo thành hệ quang học làm thay đổi tiêu cự thấu kính nhiệt phụ thuộc vào công suất bơm mà phụ thuộc vào tần số bơm hay tần số làm việc laser Thấu kính kết hợp với hai gương tạo thành hệ quang học Khi tiêu cự thấu kính nhiệt thay đổi dẫn đến bán kính tiết diện bán kính cong thay đổi, tức chùm tia thay đổi thay đổi bán kính vết chùm tia theo công suất bơm Được thể sau: tần số làm việc lớn trường nhiệt hoạt chất lớn dẫn dến tiêu cự thấu kính nhiệt ngắn, mặt thắt chùm tia nhỏ độ cong mặt sóng ngắn Nội dung chương trình bày biểu thức hệ số biến đổi quang nhiệt, qua khảo sát ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm tia đến hệ số biến đổi quang nhiệt sau: bán kính mặt thắt chùm bơm tăng phần lượng bơm chuyển thành lượng nhiệt giảm, nghĩa phần lượng dùng để kích thích tâm hoạt phát xạ laser nhiều Sau khảo sát ảnh hưởng độ rộng xung đến hệ số biến đồi quang nhiệt hoạt chất laser rắn Ta thấy, độ rộng xung nhỏ hệ số biến đổi quang nhiệt tăng, giảm, biến thiên liên tục, rõ ràng trường hợp bên hoạt chất laser xảy nhiều trình phi tuyến phức tạp Điều không tốt cho trình hoạt động laser 35 KẾT LUẬN CHUNG Laser cho ta nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc định hướng Nội dung luận văn trình bày vấn đề tổng quan đặc điểm, cấu hình, hoạt chất, chế tạo nghịch đảo nồng độ laser rắn chế hình thành trường nhiệt hoạt chất laser; đề cập đến số hiệu ứng nhiệt ảnh hưởng hiệu ứng đến chùm laser phát Về mặt kỹ thuật, tác động nguồn bơm, tâm hoạt hoạt chất hấp thụ cộng hưởng phần lượng để tạo thành laser, phần lại sinh nhiệt hoạt chất Quá trình sinh nhiệt thay đổi theo bán kính xuyên tâm theo thời gian hoạt động trình bơm Gradient nhiệt xuất làm cho chiết suất hoạt chất thay đổi theo, kết hình thành thấu kính nhiệt Sự xuất thấu kính nhiệt thời hoạt chất làm thay đổi cấu trúc buồng cộng hưởng Thay đổi cấu trúc buồng cộng hưởng tức thay đổi cấu trúc chùm tia phát ra, đặc biệt thay đổi tính định hướng Nội dung trình bày qua biến đổi quang nhiệt, qua khảo sát ảnh hưởng số tham số lên trình hoạt chất Một phương án lựa chọn hạn chế tối đa phần lượng bơm chuyển hóa thành lượng nhiệt hoạt chất Hay nói cách khác, cách điều khiển biến đổi quang nhiệt trình hoạt động laser 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, 2005 [2] Đinh Xuân Khoa- Nguyễn Huy Bằng, Toán cho Vật lý, Vinh 2003 [3] 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 [4] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 [5] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [6] H Nadagran and Sabaian, pulsed pump: Thermal efects in solid lasers under super-Gaussian pulses, Jourmal of physics, Vol 67, No 6, December 2006, pp 1119-1128 [...]... nhiệt trong hoạt chất laser; đề cập đến một số hiệu ứng nhiệt cũng như ảnh hưởng của các hiệu ứng này đến chùm laser phát Vấn đề này sẽ được chúng tôi nghiên cứu và trình bày tiếp sau đây 19 Chƣơng 2 ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ LÊN SỰ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN 2.1 Một số hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser 2.1.1 Hiệu ứng thấu kính nhiệt Hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành trong. .. nhờ sự biến đổi quang nhiệt Quá trình biến đổi quang năng của đèn bơm sang nhiệt năng trong hoạt chất xẩy ra rất nhanh, nhanh hơn quá trình truyền nhiệt của hoạt chất Do đó hoạt chất sẽ trở thành nguồn nhiệt của chính hoạt chất khi được bơm quang học Sự thay đổi nhiệt trong hoạt chất phụ thuộc vào thời gian và không gian Phương trình truyền nhiệt mô tả quá trình sinh nhiệt của một môi trường hoạt chất. .. là hệ số đặc trưng cho quá trình biến đổi quang nhiệt Khi đó, ảnh hưởng của hệ số này đến quá trình biến đổi quang nhiệt trong hoạt chất laser rắn Nd:YVO4 được thể hiện trên hình 2.6 Pheat / P Hình 2.6 Ảnh hưởng của hệ số  đến quá trình biến đổi quang nhiệt Từ kết quả hình 2.6 ta thấy, khi hệ số  tăng thì năng lượng biến đổi quang nhiệt cũng sẽ tăng Ta thấy hệ số  phụ thuộc vào nhiều tham số, nghĩa... Làm hỏng hoạt chất Từ các lý do trên việc nghiên cứu về quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất laser, tức là làm rõ sự thay đổi nhiệt theo bán kính xuyên tâm, thời gian hoạt động của quá trình bơm và xét quá trình biến đổi chiết xuất của môi trường hoạt chất, khi nhiệt độ trong thanh hoạt không đồng nhất là rất quan trọng 1.4 Gradient nhiệt trong hoạt chất laser Năng lượng nhiệt trong hoạt chất laser xuất... trường hoạt chất, theo đó laser rắn là loại laser có hoạt chất dạng tinh thể rắn Hoạt chất laser bao gồm một phần các tâm hoạt có phổ hấp thụ trong một vùng nhất định và phần lớn là chất nền Do đó, môi trường hoạt chất bao gồm tinh thể đóng vai trò là chất nền và một số ion pha cấy vào chất nền đóng vai trò là tâm hoạt chất phát ra laser Để khuếch đại được ánh sang cần tạo sự nghịch đảo trong laser rắn Trong. .. quá 34 trình biến đổi quang nhiệt phụ thuộc vào nhiều tham số mà trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của một số tham số đã được chúng tôi khảo sát ở trên 2.3 Kết luận chƣơng 2 Trong quá trình hoạt động của laser, nhiệt độ thanh hoạt chất tăng lên do năng lượng dư thừa không tham gia vào quá trình hấp thụ cưỡng bức để tạo ra laser mà năng lượng này làm sinh nhiệt trong hoạt chất laser Do có sự phân bố không... hệ số biến đổi quang nhiệt, qua đó khảo sát ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia đến hệ số biến đổi quang nhiệt như sau: khi bán kính mặt thắt chùm bơm càng tăng thì phần năng lượng bơm chuyển thành năng lượng nhiệt càng giảm, nghĩa là phần năng lượng dùng để kích thích các tâm hoạt phát xạ laser càng nhiều Sau đó chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của độ rộng xung đến hệ số biến đồi quang nhiệt trong. .. thích các tâm hoạt phát xạ laser càng nhiều Pheat / P cm Hình 2.4 Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia đến sự biến đổi quang nhiệt Ngoài ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm bơm, độ rộng xung bơm cũng là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến đổi quang nhiệt Ta tiếp tục xem xét sau đây 32 2.2.3 Ảnh hƣởng của độ rộng xung Sử dụng giá trị các tham số như mục 2.2.2, kết quả khảo sát ảnh hưởng của độ rộng... hằng số Planck (2.27) 31 Từ (2.27) và (2.28) ta thấy phần năng lượng bơm chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, hay nói cách khác hệ số biến đổi quang nhiệt ( pheat /p) phụ thuộc vào nhiều tham số Ảnh hưởng của một số các tham số này đến quá trình biến đổi quang nhiệt như thế nào, chúng ta sẽ khảo sát sau đây 2.2.2 Ảnh hƣởng của bán kính mặt thắt chùm tia Xét cho trường hợp cấu hình laser rắn hoạt chất. ..9 Laser rắn hoạt động với một tần số hay một vài tần số Các loại laser rắn đều sử dụng buồng cộng hưởng quang học 1.1.2 Cấu hình Từ đặc trưng phổ hấp thụ của các hoạt chất laser rắn, thấy rằng nếu dùng bơm là đèn phóng khí thì hiệu suất rất thấp (2%) Phần lớn năng lượng ánh sáng của đèn (75%) gây ra nhiệt trong hoạt chất, từ đó gây ra các hiệu ứng nhiệt có ảnh hưởng không tốt đến quá trình phát laser ... chất laser 15 1.4 Gradient nhiệt hoạt chất laser 16 1.5 Kết luận chƣơng 18 Chƣơng ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN HỆ SỐ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER 19 RẮN 2.1 Một số hiệu ứng nhiệt. .. đổi quang nhiệt hoạt chất laser rắn Nội dung chương này , trình bày biểu thức hệ số biến đổi quang nhiệt, qua khảo sát ảnh hưởng số tham số lên trình hoạt chất 8 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN... trình biến đổi quang nhiệt Khi đó, ảnh hưởng hệ số đến trình biến đổi quang nhiệt hoạt chất laser rắn Nd:YVO4 thể hình 2.6 Pheat / P Hình 2.6 Ảnh hưởng hệ số  đến trình biến đổi quang nhiệt