Khảo sát phân bố nhiệt độ theo thời gian trong hoạt chất Laser rắn bơm bằng chùm Laser Gauss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THANH VÂN KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN BƠM BẰNG CHÙM LASER GAUSS LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Nghệ An, 2015 m BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THANH VÂN KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN BƠM BẰNG CHÙM LASER GAUSS LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: TS Mai Văn Lưu Nghệ An, 2015 m LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa vật lí 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 chân thành 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 Thanh Vân mi MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục i Danh mục hình vẽ iii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc luận văn Chương MỘT SỐ LOẠI LASER RẮN 1.1 Một số loại laser rắn 1.1.1 Laser Ruby 1.1.2 Laser Ti:Sapphire 1.1.3 Laser dùng nguyên tố đất 11 1.1.3.1 Laser Nd:YAG 11 1.1.3.2 Laser Yb:YAG 13 1.2 Laser Tm:Ho:YAG 14 1.3 Ứng dụng laser rắn 16 1.4 Kết luận chương 20 Chương PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN 22 2.1 Phương trình phân bố nhiệt theo thời gian 22 mii 2.1.1 Phương trình truyền nhiệt 22 2.1.2 Điều kiện biên điều kiện ban đầu toán 25 2.1.3 Phương trình phân bố nhiệt độ theo thời gian 37 2.2 Khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian 31 2.3 Kết luận chương 35 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHỤ LỤC Code nhiệt độ Pi Code lambda Piii Code omega Pv iii m DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Buồng cộng hưởng có gương 10 Hình 1.2 Buồng cộng hưởng có gương 10 Hình 1.3 Buồng cộng hưởng có gương 11 Sơ đồ 1.1 Các mức lượng laser Laser Yb:YAG 14 Hình 1.4 Cơ chế bóc vật liệu 17 Hình 2.1 Thanh hoạt chất 25 Hình 2.2 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời điểm [8]: t=0,011s, t=0,015s, t=0,022s, t=0,04s, t=0,07s với 32  pump  532 nm,  p  0,28cm Hình 2.3 Quá trình sinh nhiệt hoạt chất 33 Hình 2.4 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời điểm [8]: t=0,011s, t=0,015s, t=0,022s, t=0,04s, t=0,07s với 34  pump  532 nm,  p  0,2cm Hình 2.5 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời 10 điểm [8]: t=0,011s, t=0,015s, t=0,022s, t=0,04s, t=0,07s với 35 pump  694 nm,  p  0,28cm m1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Laser cho ta nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc định hướng Định hướng đơn sắc (phát ổn định bước sóng) hai số tính chất laser phát huy tính ưu việt chúng ứng dụng thực tế khoa học công nghệ Khi công nghệ ngày cao yêu cầu hai tính chất cao, thể ổn định chúng Tuy nhiên thực tế hoạt động laser nhiều yếu tố công nghệ kỹ thuật rung động khí, hiệu ứng phi tuyến công suất laser lớn, đặc biệt tượng Gradient nhiệt hoạt chất làm cho tính ổn định Phân bố Gradient nhiệt (hay phân bố nhiệt nói chung) thường xuất phân bố không lượng bơm, trình bơm quang học không kết hợp (chủ yếu bơm ngang) phân bố lượng theo tiết diện ngang chùm tia bơm kết hợp (chủ yếu bơm dọc) Trong trình bơm ngang nguồn không kết hợp, trình sinh nhiệt chủ yếu lượng dư thừa không tham gia vào trình hấp thụ cưỡng 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 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 Nhiệt độ hoạt chất thay đổi làm thay đổi cấu trúc lượng tâm hoạt dẫn tới thay đổi phổ hấp thụ phát xạ Sự thay đổi dẫn tới thay đổi bước sóng phát giảm tần số lặp, chí dập tắt trình phát laser Trong trình bơm dọc nguồn laser kết hợp xuất Gradient nhiệt chủ yếu phân bố lượng theo tiết diện ngang chùm tia m2 bơm Như ta biết nguồn laser phần lớn có cấu trúc TEM 00, lượng phân bố theo hàm Gauss Các mật độ tâm hoạt bị kích hoạt lên mức laser tỷ lệ thuận với lượng kích thích, có phân bố dạng Gauss theo tiết diện ngang hoạt chất Sự phân bố không đồng tâm hoạt bị kích thích tiết diện ngang tất nhiên dẫn đến trình khuếch đại không đồng tiết diện ngang Dẫn đến phân bố lượng chùm laser phát không tuân theo thiết kế buồng cộng hưởng ban đầu Như biết hoạt chất laser bao gồm phần tâm hoạt có phổ hấp thụ vùng định phần lớn chất Các tâm hoạt phân bố chất nền, nhờ nguyên tử, phân tử phân bố chất mà phổ hấp thụ hay phát xạ hoạt chất laser xác định Năng lượng nguồn bơm thông thường phân bố không hoạt chất Dưới tác dụng nguồn bơm tâm hoạt hấp thụ cộng hưởng phần lượng nguồn bơm, phần lại bị hấp thụ không cộng hưởng chất để dao động nhiệt làm nhiệt độ hoạt chất tăng lên Do trình sinh nhiệt hoạt chất laser rắn lượng dư thừa không tham gia vào trình hấp thụ cưỡng Năng lượng dư thừa gây trình dao động nội hoạt chất laser kết trình sinh nhiệt xẩy hoạt chất Trong suốt trình hoạt động, nhiệt độ hoạt phụ thuộc vào thời gian Việc nghiên cứu phân bố nhiệt theo thời gian hoạt chất laser vấn đề cần thiết công nghệ chế tạo laser Từ lý trên, khuôn khổ luận văn tốt nghiệp chọn đề tài: “Khảo sát phân bố nhiệt độ theo thời gian hoạt chất laser rắn bơm chùm laser Gauss” Mục đích nghiên cứu Thông qua việc nghiên cứu đề tài, khảo sát phân bố nhiệt dựa phương trình truyền nhiệt phụ thuộc thời gian hoạt chất laser rắn Bằng phương đồ thị, luận văn dẫn hình ảnh phân bố nhiệt hoạt chất thời điểm khác hoạt chất laser rắn m3 Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục đích xác định nhiệm vụ nghiên cứu sau: - Tìm hiểu môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng nguồn bơm số loại laser rắn - Sử dụng phương trình truyền nhiệt phụ thuộc thời gian hoạt chất laser rắn Kết hợp điều kiện biên điều kiện ban đầu toán dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian hoạt chất laser rắn - Khảo sát phân bố nhiệt hoạt chất thời điểm khác theo bán kính xuyên tâm hoạt chất laser rắn Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Sự phân bố nhiệt độ hoạt chất laser rắn thời điểm khác theo bán kính xuyên tâm bơm chùm laser Gauss 4.2 Phạm vi nghiên cứu - Một số loại laser rắn ứng dụng laser rắn thực tế - Mức độ tăng nhiệt, phân bố nhiệt hoạt chất laser rắn bơm chùm laser Gauss thời điểm khác laser rắn Phương pháp nghiên cứu Để khảo sát phân bố nhiệt độ phụ thuộc thời gian hoạt chất laser rắn xác định phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu tài liệu liên quan đến số loại laser rắn; Nghiên cứu phân bố nhiệt theo thời gian hoạt chất laser rắn - Phương pháp đồ thị m4 Sử dụng phương pháp đồ thị phần mềm Maple để đánh giá mức độ tăng nhiệt dẫn hình ảnh phân bố nhiệt thời điểm khác hoạt chất laser rắn Đóng góp đề tài - Về lý thuyết: cung cấp kiến thức tổng quan laser rắn, cấu tạo môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng, nguồn bơm ứng dụng laser rắn - Xuất phát từ phương trình truyền nhiệt, lời giải chi tiết dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian, từ định lượng mức độ tăng nhiệt dẫn hình ảnh phân bố nhiệt hoạt chất thời điểm khác hoạt chất laser rắn Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm chương: Chương Một số loại laser rắn Nội dung chương trình bày tổng quan số laser rắn: 1) Laser Ruby, 2) Laser Ti: Sapphire, 3) Laser Nd:YAG, 4) Laser Yb:YAG 5) Laser Tm:Ho:YAG Đối với loại laser, luận văn khái quát đặc tính môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng quang học nguồn bơm sử dụng cho laser Chương Phân bố nhiệt độ theo thời gian hoạt chất laser rắn Nội dung chương 2, từ phương trình truyền nhiệt theo thời gian hoạt chất laser rắn dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian Sử dụng phương pháp đồ thị phần mềm Maple, khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm thời điểm khác hoạt chất laser rắn Ti:Sapphire m 30 Kết hợp hai phương trình (2.42) phương trình (2.45), mối quan hệ với phương trình (2.35) giá trị riêng  n  m thay giá trị riêng  n  m vào phương trình (2.35) sau:    m 2   Tnm  Cnm exp  k  n2  t   l    a (2.46) Thay phương trình (2.42), phương trình (2.45) phương trình (2.46) vào phương trình (2.25), nghiệm riêng phương trình (2.17) thỏa mãn điều kiện biên [3]:   n2 m 2       mz   k Tnm (r , z, t )  Anm J  r n  cos exp  t    a l    a   l    (2.47) với Anm  C1 Bm C nm Dựa vào tính chất tuyến tính, nghiệm toán tổng vô hạn nghiệm riêng Tnm (r , z, t ) [3]:     n2 m 2       mz   k T r , z, t    Anm J  r n  cos exp  t    a l    a   l  n 1 m 0   (2.48) Cho phương trình (2.48) thỏa mãn điều kiện ban đầu phương trình (2.24) sau:       mz  T r , z, t  0   Anm J  r n  cos   a   l  n 1 m  (2.49)  n   thực lấy tích  a  Nhân hai vế phương trình (2.49) với J  r phân hai vế toàn miền  r  a , đồng thời ý đến tính trực giao hàm Bessel [8]:     mz  Anm cos T r , z , t  0J  r n rdr  2    l  a J  n   a  m 0  a (2.50) mz   lấy tích phân hai vế  l  Nhân hai vế phương trình (2.50) với cos m 31 toàn miền  z  l , hệ số Anm [8]: Anm     mz   2 cos   T r , z , t  J  r n rdrdz  la J  n   l 0  a  l a (2.51) Thay T r, z, t  0 phương trình (2.24) vào phương trình (2.51) có dạng sau: Anm  E0 cl 2 p2 / a   pum p   r4  n     J r exp      laser  a J 12  n  0  a    p4   rdr    (2.52)  mz    cos  exp  z dz  l  l Thay phương trình (2.52) vào phương trình (2.48), ý m=0 lấy giá trị Anm a   pum b   r4  n     J r exp       laser  a J 12  n  0  a   p4 n 1 m 1   l   n2 m 2     n   mz   mz    cos   cos  exp  z dzJ  r  exp  k   t  l    l   a   l   a   T r , z , t    E0 cl 2 p2  /  rdr    (2.53) Phương trình (2.53) phương trình phân bố nhiệt độ theo thời gian hoạt chất laser rắn 2.2 Khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian Các giá trị cấp số nhân theo tổng giá trị n phương trình (2.53) bao gồm giá trị a giá trị lớn r Vì vậy, giá trị tách r thành phần T r, z, t  phương trình (2.53) để có phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian hoạt chất laser phương trình [8] :   2    Tr r , t    Bn J  r n  exp  k n2 a  a  n 1   t   (2.54) đó: Bn hệ số mở rộng có giá trị sau [8]: Bn  E0 cl p2 / a     pumb  1  J  r   2   laser  a J  n   a   r4  exp     p    rdr   (2.55) m 32 Từ phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian hoạt chất laser rắn, chọn thông số laser Ti:Sapphire với chiều dài hoạt chất l=1cm lượng xung bơm E =0,7J bán kính hoạt chất a=0,36cm, bán kính mặt thắt chùm tia  p  0,28cm bước sóng bơm  pump  532 nm, bước sóng laser phát laser  800 nm nhiệt dung riêng c  3,1Jcm3K-1 hệ số truyền nhiệt 0,33wcm-1K-1, ban đầu laser Ti :Sapphire nhiệt độ phòng hiệu suất   0,64 [8] Sử dụng phần mềm Maple, phân bố nhiệt độ hoạt chất laser thời điểm khác theo bán kính xuyên tâm hoạt chất laser rắn Ti:Sapphire thể hình 2.2 Hình 2.2 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời điểm: t=0,011s (đen), t=0,015s (xanh blue), t=0,022s (xanh green), t=0,04s (vàng), t=0,07s (đỏ) với  pump  532 nm,  p  0,28cm Từ đồ thị ta thấy, nhiệt độ trục hoạt chất laser lớn nhiệt độ giảm dần từ tâm biên theo bán kính hoạt Điều hoàn toàn phù m 33 hợp hệ laser bơm dọc sử dụng nguồn bơm laser có phân bố Gauss (năng lượng cực đại đỉnh - tâm phân bố) Cũng từ hình 2.2, suốt trình hoạt động laser, nhiệt độ tiết diện ngang hoạt chất tăng theo thời gian, điều giải thích sau: Trong hình 2.3, chu kỳ hoạt động laser gồm hai chu kỳ nhỏ: chu kỳ bơm chu kỳ làm lạnh (khi đèn bơm dừng) T [K] Tb3 Tb2 T4 Tb1 T3 T2 T1 k tbđ t1 t2 t t4 t5 t6 Hình 2.3 Quá trình sinh nhiệt hoạt chất [7] Ở thời điểm ban đầu (tbđ) nhiệt độ hoạt chất T1 (nhiệt độ ban đầu) - Trong chu kỳ bơm thứ nhất: tb = t1 – tbđ, nhiệt độ tăng lên đến T b1 Sau dừng bơm, tức chu kỳ làm lạnh, tll= t2 –t1, nhiệt độ giảm xuống T2 - Bắt đầu chu kỳ bơm thứ hai: thời điểm t2, chu kỳ làm việc thứ kết thúc, bắt đầu chu kỳ thứ hai, tức bơm quang học hoạt động trở lại, nhiệt độ lại tăng lên Tb2, dừng bơm chu kỳ hai kết thúc nhiệt độ giảm xuống T3 (T3 > T2, nghĩa nhiệt độ hoạt tăng lên) Như ta thấy, theo thời gian làm việc nhiệt độ hoạt chất laser tăng lên Quá trình lặp lại nhiều lần thời điểm, trạng thái nhiệt ổn định, dạng giá trị trường nhiệt ổn định Đây gọi trạng thái tựa ổn định trường nhiệt hoạt chất [7] m 34 Để thấy ảnh hưởng bán kính mặt thắt chùm bơm đến mức độ tăng nhiệt hoạt chất, khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm bán kính mặt thắt chùm bơm  p  0,2 cm, kết hình 2.4 Hình 2.4 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời điểm: t=0,011s (đen), t=0,015s (xanh blue), t=0,022s (xanh green), t=0,04s (vàng), t=0,07s (đỏ) với  pump  532 nm,  p  0,2cm Chúng ta thấy, bán kính mặt thắt chùm bơm giảm nhiệt độ hoạt chất tăng lên nhiều (nhiệt độ tăng gần 21,5 0C  p  0,28cm - hình 2.2 tăng gần 22,50C  p  0,2cm - hình 2.4) Điều hoàn toàn hợp lý bán kính mặt thắt chùm bơm nhỏ lượng chùm tia tập trung, dẫn đến nhiệt độ hoạt chất laser rắn tăng nhiều Thay đổi bước sóng laser bơm,  pump  694 nm phân bố nhiệt độ hoạt chất laser rắn thể hình 2.5 m 35 Hình 2.5 Phân bố nhiệt độ xuyên tâm hoạt chất thời điểm [8]: t=0,011s (đen), t=0,015s (xanh blue), t=0,022s (xanh green), t=0,04s (vàng), t=0,07s (đỏ) với pump  694 nm,  p  0,28cm Từ đồ thị ta thấy, mức độ tăng nhiệt độ hoạt chất laser giảm sử dụng laser bơm có bước sóng lớn (nhiệt độ tăng gần 21,5 0C  pump  532 nm - hình 2.2 tăng 20,90 C pump  694 nm - hình 2.5) Điều phù hợp bước sóng tăng lượng chùm tia giảm, điều kiện dẫn đến nhiệt độ hoạt chất giảm 2.3 Kết luận chương 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 Nội dung chương 2, từ phương trình truyền nhiệt theo thời gian hoạt chất laser rắn dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian Sử dụng phương pháp đồ thị phần mềm Maple, khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên m 36 tâm thời điểm khác hoạt chất laser rắn Ti:Sapphire để thấy mức độ tăng nhiệt phân bố nhiệt độ theo bán kính hoạt thời điểm cụ thể Mặc dù nhiệt độ hoạt tăng lên không nhiều, phân bố không dẫn đến tượng gradient nhiệt, nguyên nhân xuất nhiều hiệu ứng nhiệt mà kết ảnh hưởng không tốt đến trình làm việc laser m 37 KẾT LUẬN Laser cho ta nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc định hướng Nội dung chương 1, luận văn trình bày vấn đề tổng quan laser rắn, đặc biệt ý số loại laser điển hình mà ứng dụng nhiều khoa học, kỹ thuật đời sống 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 Nhiệt tăng theo thời gian phân bố không hoạt chất, nguyên nhân sinh hiệu ứng nhiệt Nội dung chương 2, xuất phát từ phương trình truyền nhiệt hoạt chất, dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm phụ thuộc thời gian Bằng phương pháp đồ thị khảo sát phân bố nhiệt độ theo bán kính hoạt cho hoạt chất Ti:Sapphire thời điểm khác để thấy mức độ tăng nhiệt phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian Mặc dù thu số kết quả, vấn đề là: phân bố nhiệt không gây gradient nhiệt làm cho chiết suất hoạt chất thay đổi, kết hình thành thấu kính nhiệt Sự xuất thấu kính nhiệt thời hoạt chất làm thay đổi cấu trúc chùm tia phát, chí dập tắt trình phát laser Đây vấn đề cần nghiên cứu m 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, 2005 [2] Nguyễn Nhật Khanh, Các giảng phương trình Vật lý, Toán, NXB Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2003 [3] Đinh Xuân Khoa, Nguyễn Huy Bằng, Toán cho Vật lý, Vinh 2003 [4] Mai Văn Lưu, Ảnh hưởng chùm laser xung Gauss lên trình phân bố môi trường bị kích thích, Luận án Tiến sĩ Vật lí, Đại học Vinh, 2010 [5] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 [6] Hồ Quang Quý, Cơ sở vật lí laser, Giáo trình dành cho SV ngành Vật lí, ĐH Hồng Đức, 2009 [7] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [8] H Nadagran and Sabaian, Thermal efects in solid lasers under super Gaussian pulses, Jourmal of physics, Vol 67, No 6, December 2006, pp 1119-1128 [9] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2003 [10] Nguyễn Xuân Chánh, Lê Băng Xương, Vật lý với khoa học công nghệ đại, NXB Giáo dục, 2003 m Pi PHỤ LỤC CODE NHIỆT ĐỘ > > > > > > > > > > > > > m Pii > > > Piii m CODE LAMBDA > > > > > > > > > > > > > m Piv > > > m Pv CODE OMEGA > > > > > > > > > > > > > m Pvi > > > [...]... trường hoạt chất, về buồng cộng hưởng quang học và nguồn bơm sử dụng cho laser Trong kỹ thuật, laser rắn có thể sử dụng cấu hình bơm dọc hoặc bơm ngang Trong quá trình hoạt động của laser, nhiệt độ thanh hoạt chất tăng lên do năng lượng bơm 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 Nhiệt độ tăng dần theo thời gian và phân. .. thời gian và phân bố không đều trong hoạt chất Vấn đề này sẽ được chúng tôi nghiên cứu và trình bày tiếp sau đây m 22 Chương 2 PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN 2.1 Phương trình phân bố nhiệt theo thời gian 2.1.1 Phương trình truyền nhiệt Thực nghiệm cho thấy rằng, sự truyền nhiệt trong một vật đẳng hướng luôn theo hướng từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp hơn Gọi... Độ biến thiên nhiệt lượng trong miền V trong một đơn vị thời gian: dQ T     c dV dt t V (2.5) trong đó : +  là khối lượng riêng của hoạt chất laser, + c là nhiệt dung riêng của hoạt chất laser Theo định luật bảo toàn năng lượng, độ biến thiên nhiệt lượng trong một đơn vị thời gian dQ phải bằng nhiệt lượng do nguồn nhiệt sinh ra trừ đi nhiệt dt lượng truyền qua diện tích S trong một đơn vị thời. .. vào thời gian được viết lại: T r , z, t   kT r , z, t   Qr , t  t (2.11) Năng lượng nhiệt trong hoạt chất xuất hiện 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 trở thành nguồn nhiệt của chính hoạt chất khi được bơm quang học Với xung ngắn, thời gian. .. LASER RẮN 1.1 Một số loại laser rắn 1.1.1 Laser Ruby Laser Ruby là laser rắn sử dụng tinh thể Ruby làm môi trường hoạt chất, do Maiman chế tạo đầu tiên vào năm 1960 Laser Ruby phát ra ánh sáng đỏ, độ bền cơ học, độ bền hóa học cao và độ dẫn nhiệt tốt Về nguyên lý, máy phát quang laser Ruby được cấu tạo bởi ba bộ phận chính: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm Môi trường hoạt chất: Hoạt. .. là trường nhiệt độ phụ thuộc vào bán kính hoạt chất r và thời gian t Phương trình (2.17) là phương trình truyền nhiệt phụ thuộc thời gian trong hoạt chất laser rắn 2.1.2 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu của bài toán Xét thanh hoạt chất dạng hình trụ, bán kính r= a và chiều dài z=l Ở hai đáy và mặt xung quanh được cách nhiệt với môi trường làm môi trường hoạt chất laser Hình 2.1 Thanh hoạt chất Giả... nhiễm trùng, nhiễm độc tế bào gan, đau thần kinh ngoại vi, suy mạch vành tim, di chứng tai biến mạch máu não 1.4 Kết luận chương 1 Laser được phân loại theo đặc điểm môi 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 Thông 21 m thường nồng độ của ion pha cấy vào chất nền tối ưu chỉ chiếm một lượng nhỏ so với chất nền Về kích thước, laser rắn thường nhỏ, gọn hơn so với laser khí hoặc laser lỏng với cùng công suất Khi tạo ra sự nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, nồng độ hạt trong laser rắn lớn nên hệ số khuếch... của laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học Nguồn bơm: Laser Yb:YAG hoạt động ở sơ đồ 3 mức năng lượng Để laser này hoạt động thì cần bơm ở hai bước sóng 968nm và 941nm Vạch 941nm thường được ưu tiên để bơm bằng diode vì nó có cường độ lớn Dùng laser GaAs hoặc laser InGaAs để bơm dọc tại bước sóng 943nm rất tốt, cũng có thể bơm bằng laser Ti:Sapphire Hiệu suất quang rất cao gần 60% do hiệu suất bơm. .. Để bơm cho laser Ruby hoạt động, cần m8 điều chỉnh công suất của đèn phù hợp với chiều dài và thể tích của thanh hoạt chất Sau khi bơm khoảng 0,51µs thì laser hoạt động Laser Ruby có thể phát liên tục khi dùng đèn thủy ngân áp suất cao để bơm ngang hoặc dùng Laser Argon để bơm ngang [8] 1.1.2 Laser Ti:Sapphire Laser Ti:Sapphire là laser rắn sử dụng tinh thể Sapphire làm môi trường hoạt chất Phát ra ... tăng nhiệt, phân bố nhiệt hoạt chất laser rắn bơm chùm laser Gauss thời điểm khác laser rắn Phương pháp nghiên cứu Để khảo sát phân bố nhiệt độ phụ thuộc thời gian hoạt chất laser rắn xác định... toán dẫn phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian hoạt chất laser rắn - Khảo sát phân bố nhiệt hoạt chất thời điểm khác theo bán kính xuyên tâm hoạt chất laser rắn Đối tượng phạm vi... trình dao động nội hoạt chất laser kết trình sinh nhiệt xẩy hoạt chất Trong suốt trình hoạt động, nhiệt độ hoạt phụ thuộc vào thời gian Việc nghiên cứu phân bố nhiệt theo thời gian hoạt chất laser