NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN Cr3+:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ - - NGUYỄN VĂN HẢO NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN Cr3+:LiSAF ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2015 Công trình hoàn thành tại: Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Nguyễn Đại Hƣng PGS.TS Nguyễn Thế Bình Phản biện : PGS.TS Vũ Doãn Miên Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phản biện : PGS.TS Trần Thị Tâm Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện : TS Lê Đình Nguyên Viện Ứng dụng Công nghệ Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp Viện Vật lý, số 10 – Đào Tấn, Ba Đình, Cầu Giấy, Hà Nội vào hồi ngày tháng năm 2015 Có thể tìm luận án tại: Thư viện Quốc gia Hà Nội Thư viện Viện Vật lý MỞ ĐẦU Ngay sau laser đời năm 1960, laser rắn phát xung ngắn điều chỉnh bước sóng ý phát triển thiết bị quan trọng nghiên cứu khoa học – công nghệ Những năm gần đây, laser rắn phát xung ngắn có khả điều chỉnh bước sóng phát triển mạnh nhờ tiến việc nuôi tinh thể, tinh thể laser rắn chất lượng cao trở nên sẵn có, chẳng hạn Ti:saphire, Cr:colquiriite (Cr:LiSAF, Cr :LiCAF Cr:LiSGAF), Cr:forsterite, Ce:LiCAF, Ce:LYF… nhờ phát triển công nghệ laser bán dẫn (sau gọi chung laser diode), công suất phát laser diode đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung khoảng hẹp (2  nm) phù hợp với phổ hấp thụ tinh thể laser rắn Do vậy, phương pháp bơm quang học laser diode để bơm cho laser rắn phát triển mạnh mẽ Ngày nay, việc phát triển laser rắn phát xung ngắn có khả điều chỉnh liên tục bước sóng trở thành hướng nghiên cứu sôi nhiều phòng thí nghiệm giới Trong môi trường laser rắn Cr:colquiriite (LiCAF, LiSAF LiSGaF pha tạp ion Cr3+), tinh thể Cr:LiSAF có phổ khuếch đại rộng tương tự Ti:sapphire nên có khả phát xung cực ngắn (< 10 fs) điều chỉnh bước sóng Tuy nhiên, laser Cr:LiSAF có ưu điểm vượt trội so với laser Ti:sapphire, khả bơm trực tiếp đèn chớp laser diode vùng sóng đỏ tích số tiết diện phát xạ thời gian sống huỳnh quang (322 × 10-20 cm2µs) lớn Ti:sapphire (130 × 10-20 cm2µs) Tham số giúp cho laser Cr:LiSAF có ngưỡng bơm thấp, hiệu suất cao thời gian làm việc dài Hơn nữa, môi trường laser Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh quang dài (67 µs) so với tinh thể laser Ti:sapphire (3,2 µs) nên hoạt động hiệu chế độ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) thụ động Ngoài ra, môi trường laser Cr:LiSAF môi trường vibronic (điện tử dao động) – coi môi trường mở rộng đồng Do vậy, môi trường laser Cr:LiSAF chứng minh hoạt động hiệu chế độ liên tục điều chỉnh bước sóng xung ngắn nhờ kỹ thuật Q-switching thụ động khóa mode buồng cộng hưởng Mặc dù, laser Cr:LiSAF quan tâm nghiên cứu phát triển nhiều phòng thí nghiệm giới nước ta nghiên cứu Ngoài ra, có nhiều vấn đề vật lý trình laser khác trình phổ - thời gian xảy phát xạ laser bơm xung đặc trưng laser phụ thuộc vào bước sóng chưa nghiên cứu tường minh lý thuyết thực nghiệm Trong luận án này, mong muốn góp phần vào nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF bơm laser diode chế độ hoạt động laser băng rộng, băng hẹp xung ngắn điều chỉnh bước sóng Mục đích luận án nghiên cứu động học trình laser khác trình phổ - thời gian xảy phát xạ laser Cr:LiSAF chế độ hoạt động laser băng rộng, băng hẹp xung ngắn điều chỉnh bước sóng bơm xung laser diode; nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO bơm liên tục laser diode hai chế độ hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Đồng thời luận án góp phần nghiên cứu thiết kế buồng cộng hưởng (BCH) gấp gương phát triển thực nghiệm hệ laser rắn Cr:LiSAF bơm dọc laser diode Đối tƣợng nghiên cứu luận án trình động học phát xạ laser rắn Cr:LiSAF bơm xung laser diode Các trình động học đặc trưng hoạt động laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO bơm liên tục laser diode Thiết kế phát triển buồng cộng hưởng laser rắn Cr:LiSAF gấp, gương cho hoạt động laser liên tục xung ngắn điều chỉnh bước sóng bơm laser diode Phƣơng pháp nghiên cứu luận án kết hợp tính toán lý thuyết thực nghiệm Sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng để nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF bơm xung laser diode hai hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng Trên sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa, nghiên cứu động học đặc trưng hoạt động laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO bơm liên tục laser diode Thiết kế BCH dựa mô hình lan truyền chùm Gauss ABCD BCH gấp gương xây dựng thực nghiệm hệ laser rắn Cr:LiSAF bơm dọc laser diode Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Luận án công trình nghiên cứu với định hướng ứng dụng vào kỹ thuật công nghệ laser rắn phát xung ngắn, điều chỉnh bước sóng Các kết nghiên cứu luận án góp phần làm sáng tỏ động học laser phát xạ laser Cr:LiSAF bơm xung laser diode; động học xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa bơm liên tục laser diode hai chế độ hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng Hơn nữa, việc thực luận án đồng thời xây dựng phát triển công nghệ laser rắn Cr:LiSAF bơm laser diode, tạo tiền đề cho việc phát triển hệ laser cực nhanh nước ta Nội dung luận án trình bày 106 trang, phần mở đầu kết luận chia thành chương, bao gồm 70 Hình vẽ ảnh, 205 Tài liệu tham khảo Nội dung luận án liên quan tới báo công bố Tạp chí khoa học nước quốc tế CHƢƠNG 1: LASER RẮN Cr:LiSAF Chương luận án trình bày tổng quan số kết nghiên cứu tính chất vật liệu laser rắn pha tạp ion Cr3+, làm bật ưu điểm môi trường laser rắn Cr:LiSAF: môi trường laser có phổ khuếch đại rộng (tương tự tinh thể Ti:sapphire), có thời gian sống huỳnh quang dài, hoạt động laser dựa trạng thái điện tử (tương đương hệ laser mức lượng), coi môi trường mở rộng đồng nhất, có khả phát xung cực ngắn bơm trực tiếp đèn chớp laser diode vùng ánh sáng đỏ Các đặc tính thú vị cho thấy môi trường laser hứa hẹn cho việc phát triển hệ laser toàn rắn, nhỏ gọn hiệu quả, thay cho nguồn laser Ti:sapphire nhiều ứng dụng khác Chương trình bày BCH laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng laser rắn Cr:LiSAF, cho thấy hai phương pháp sử dụng lăng kính phin lọc lưỡng chiết đặt BCH có nhiều ưu điểm, sử dụng rộng rãi tính khả thi cao điều kiện nghiên cứu phòng thí nghiệm CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER DIODE Nghiên cứu trình động học laser phát xạ laser laser rắn băng rộng băng hẹp công việc quan trọng, nhiều ý nghĩa, nhờ biết toàn trình laser (phổ - thời gian) ảnh hưởng khác thông số thông số bơm BCH lên đặc trưng phổ xung laser 2.1 Hệ phƣơng trình tốc độ đa bƣớc sóng Các nghiên cứu lý thuyết động học laser nói chung laser rắn nói riêng sử dụng phương pháp truyền thống dựa vào hệ phương trình tốc độ Như trình bày trên, môi trường laser Cr :LiSAF môi trường laser vibronic, có phổ phát xạ băng rộng - coi môi trường Hình 2.1: Cấu hình laser rắn Cr:LiSAF bơm mở rộng đồng Do vậy, hệ phương trình laser diode tốc độ trước thường để mô tả hoạt động laser đơn tần số không cho phép mô tả nghiên cứu tường minh động học laser rắn băng rộng (phát dải bước sóng rộng) Việc mở rộng hệ phương trình tốc độ cho bước sóng laser khác ion hoạt chất vibronic cần thiết Mô hình toán học thích hợp để phân tích môi trường khuếch đại laser rắn bơm quang học trình laser phương trình tốc độ - diễn tả tiến trình tương tác trình hấp thụ ánh sáng bơm trình phát xạ photon BCH Hình 2.1 trình bày mô hình laser rắn Cr:LiSAF bơm dọc laser diode Hệ phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng, mô tả tốc độ biến đổi mật độ ion hoạt chất trạng thái kích thích tốc độ biến đổi cường độ photon môi trường mở rộng đồng biểu diễn sau : k 1  k   R p    gai (i ) I i (i ) N      gei (i ) I i (i ) N g dt  i 1   g i 1  dN g (2.1) dIi i  I    2l g  gei i N g   gai i N   i i   i N g dt Tr  với N  N g  N0 ; R p     Pp  exp( l g )  p r l hc p g ;    p N ;  =  lnR1 R2  + 1 Tr  (2.2)  L  l g (ng  1) c  Để nghiên cứu đặc trưng động học phát xạ laser rắn Cr:LiSAF, giải hệ phương trình tốc độ (2.1) (2.2) số nhờ phần mềm Matlab 8.5 Các tham số sử dụng tính toán sau: thời gian sống huỳnh quang g = 67 s ; độ dài môi trường laser lg = 0,4 cm ; chiết suất Cr:LiSAF ng = 1,41 ; R1 = 1; Mật độ ion toàn phần Cr :LiSAF N = 2,62.1020 cm-3; độ rộng xung bơm p = 100 µs, bán kính vết bơm rp = 15 µm, bước sóng bơm p = 660 nm; tiết diện hấp thụ bước sóng bơm p = 4,4.10-20 cm2 ; i = 10-12 cm2.s-1 ; mát hấp thụ nhiễu xạ 1  % bán kính eo chùm laser môi trường laser chọn rl = 14 µm; tiết diện hấp thụ gai phát xạ gei môi trường laser phụ thuộc bước sóng trích phổ hấp thụ phát xạ Cr:LiSAF 2.2 Nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng rộng Hình 2.2 tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode 100 µs Kết cho thấy, cường độ laser hàm thời gian mà hàm bước sóng Ngoài ra, dao động hồi phục xảy mạnh có cường độ tắt dần Sự dập tắt dao động hồi phục laser phụ thuộc mạnh vào bước sóng Hình vẽ phía Hình 2.2 Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng Hình 2.2 biểu diễn bơm xung laser diode Các tham số BCH,19môi -3trường laser bơm: L = 50 cm; R1 = 1; R2 = 95 %; lg = 0,4 cm; N = 26,25.10 cm ; độ rộng xung cường độ laser tích phân bơm p = 100 µs, rp = 15 µm, p = 660 nm Ep = 12 µJ I(t) (theo bước sóng), mật độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) tốc độ bơm Rp(t) theo thời gian Kết cho thấy rõ tương tác cường độ laser mật độ nghịch đảo độ tích lũy theo thời gian 2.2.1 Nghiên cứu dao động hồi phục độ BCH laser Cr:LiSAF băng rộng 2.2.1.1 Ảnh hƣởng lƣợng xung bơm lên dao động hồi phục Hình 2.3 cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào lượng xung bơm Ep L = 50 cm, R2 = 0,8 Kết cho thấy, mức bơm gần ngưỡng, laser Cr:LiSAF phát có một vài dao động, đặc biệt bơm sát ngưỡng ta thu xung đơn (tp = 500 ns) (Hình 2.3 a-b) Khi mức bơm tăng, số lần dao động cường độ laser tăng đồng thời laser xuất sớm khoảng cách dao Hình 2.3: Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào lượng xung bơm a) Ep =11 µJ; b) Ep = 13 µJ; c) Ep = 25 µJ d) Ep = 500 µJ động bị hẹp lại (Hình 2.3 c) Khi mức bơm cao ngưỡng, xung laser có dạng xung bơm (Hình 2.3 d) 2.2.1.2 Ảnh hƣởng thông số BCH lên dao động hồi phục  Ảnh hƣởng hệ số phản xạ gƣơng R2 Hình 2.4 phụ thuộc cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian ứng với hệ số phản xạ gương khác chiều dài BCH L = 50 cm lượng xung bơm ngưỡng Ep = 25 µJ Kết thu cho thấy, việc tăng hệ số phản xạ gương R2 từ 0,6 đến 0,99, cường độ dao động laser tăng dần tăng đồng thời dao động xuất sớm mau Các dao động hồi phục trường hợp Hình 2.4: Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào hệ số phản xạ gương R2 a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 d) R2 = 0,99 có đặc trưng tương tự tăng lượng xung bơm (Hình 2.3) Khi hệ số phản xạ gương R2 = 0,6 ta thu xung đơn có độ dài 325 ns (Hình 2.4 a)  Ảnh hƣởng chiều dài BCH lên dao động hồi phục Hình 2.5 biểu diễn cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian ứng phụ thuộc vào chiều dài BCH R2 = 0,8 lượng xung bơm Ep = 13 μJ Kết cho thấy, chiều dài BCH lớn (từ cm đến 100 cm) số dao đô ̣ng laser Cr :LiSAF xuấ t hiê ̣n Khi chiều dài BCH L = 100 cm, ta thu xung đơn có độ dài 607 ns (Hình 2.5 d) Kết giải thích chiều Hình 2.5: Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào chiều dài BCH tăng, thời gian dài BCH a) L = cm; b) L = 20 cm; c) L = 50 cm d) L = 100 cm photon lại chu trình BCH tăng lên, có nghĩa số lần photon khuếch đại môi trường hoạt chất bị giảm xuống (độ khuếch đại giảm) Khi độ khuếch đại giảm tới nhỏ mát BCH dao động laser xuất Như vậy, từ kết ta thấy rằng, thông số bơm thông số BCH ảnh hưởng trực tiếp tới trình tích thoát độ tích lũy trạng thái kích thích hay mật độ photon BCH, làm ảnh hưởng lên dao động hồi phục phát xạ laser rắn Cr:LiSAF Đặc biệt, ta lựa chọn thông số BCH thông số bơm giá trị thích hợp, ta thu xung laser đơn (xem Hình 2.3-a, 2.4-a 2.5-d) 2.2.1.3 Phát xung laser đơn ngắn nhờ trình độ BCH Những đặc điểm dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF bơm gần ngưỡng sở cho việc phát triển phương pháp sử dụng tiến trình độ BCH để phát xung laser đơn Để nghiên cứu ảnh hưởng thông số BCH lên việc phát xung laser đơn phương pháp độ BCH, giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Cr:LiSAF bơm gần ngưỡng xung bơm có độ rộng 100 μs Các tham số khác trình bày Mục 2.1  Ảnh hƣởng chiều dài BCH Hình 2.6 biểu diễn cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào chiều dài BCH với hệ số phản xạ gương R2 = 0,5 lượng xung bơm gần ngưỡng Ep = 31,1 µJ Kết cho thấy, xung laser đơn xuất chiều dài BCH khác từ cm đến 22 cm Khi tăng chiều dài BCH lên độ rộng xung đơn tăng lên lượng xung đơn đạt giá trị cực đại ~ 0,45 J chiều dài BCH L = 15 cm (xem hình phía Hình 2.6) Độ rộng xung đơn đạt giá trị nhỏ ~ 64 ns chiều dài BCH L = cm Tuy Hình 2.6: Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH laser Cr:LiSAF với R2 = 0,5 Ep = 31,1 µJ Độ rộng xung nhiên, chiều dài BCH tăng lên > lượng xung đơn hàm chiều dài BCH 22 cm dao động laser không hình phía xuất Điều giải thích tương tự Mục 2.2.1.2 (Ảnh hưởng chiều dài BCH lên dao động hồi phục)  Ảnh hƣởng hệ số phản xạ gƣơng Hình 2.7 đặc trưng xung đơn laser Cr:LiSAF phát theo hệ số phản xạ gương R2 chiều dài BCH cm, cm 10 cm bơm gần ngưỡng Kết thu cho thấy, R2 tăng từ 0,2 đến 0,9, độ rộng xung đơn tăng lên lượng xung laser giảm xuống Độ rộng xung đơn ngắn đạt cỡ 43 ns chiều dài BCH L = cm hệ số phản xạ gương R2 = 0,2 ứng với lượng xung bơm gần ngưỡng Ep = 70,5 J Hiệu ứng giải thích tương tự trên: ta thấy, hệ số phản xạ gương nhỏ (mất mát BCH lớn) làm cho thời gian sống photon BCH nhỏ, điều làm cho độ dài xung phát ngắn Sự xuất dao động hồi phục kết thu xung laser đơn không quan sát riêng môi trường laser rắn Cr:LiSAF mà xuất nhiều môi trường laser rắn khác nhau, chẳng hạn Hình 2.7: (a) Độ rộng xung đơn (b) lượng xung đơn laser rắn Nd:YVO4 Cr:LiSAF phụ thuộc vào R2 độ dài BCH khác Bằng chứng thực nghiệm tượng dao động hồi phục kết thu xung đơn laser rắn Nd:YVO bước sóng 1064 nm điều kiện BCH bơm xung laser diode nhờ phương pháp độ BCH thực Các kết cho thấy, xung laser đơn phát ngắn đến 93 ns tần số gần kHz đạt cách chọn tham số BCH mức bơm thích hợp Tuy nhiên, tần số xung bơm > kHz, độ rộng xung đơn laser phụ thuộc vào tần số xung bơm ảnh hưởng thời gian sống huỳnh quang tâm hoạt chất (ion Nd3+) Như vậy, qua việc nghiên cứu dao động hồi phục tắt dần phát xạ laser rắn Cr:LiSAF bơm xung laser diode, có nhìn rõ ràng ảnh hưởng khác tham số bơm tham số BCH lên cường độ laser theo thời gian Nhờ việc lựa chọn tham số bơm BCH thích hợp, người ta tạo xung laser đơn ngắn, ngắn hàng nghìn lần so với độ rộng xung bơm 2.2.2 Nghiên cứu tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng đƣợc bơm xung laser diode Trên nghiên cứu đặc trưng laser theo thời gian mà chưa để ý tới biến đổi phổ laser (cường độ laser phụ thuộc vào bước sóng), để có nhìn rõ ràng trình động học phổ-thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng bơm xung laser diode, cần có nghiên cứu tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Hình 2.8 Ảnh hưởng lượng xung bơm Ep lên tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode L = 50 cm Cr:LiSAF Các Hình từ 2.8 đến R2 = 0,8 a) Ep = 11 µJ; b) Ep = 13 µJ; c) Ep = 25 µJ d) Ep = 500 µJ 2.10 biểu diễn tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung laser diode Kết cho thấy, cường độ laser Cr:LiSAF có đặc điểm chung trình bày phần trên, nhiên, động học phổ phát xạ laser trường hợp thể rõ thêm đặc điểm sau: i) Cường độ laser hàm bước sóng thời gian với dao động hồi phục tắt dần Ở lượng bơm cao ngưỡng nhiều lần, phát xạ laser xảy mạnh hẹp nhanh đồng thời băng phổ rộng Kết đáng ý dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc mạnh vào bước sóng Ở bước sóng trung tâm phổ phát xạ (ứng với độ khuếch đại lớn nhất), dao động Hình 2.9 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên tiến trình phổ - thời gian xuất mạnh có phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode L = 50 cm Ep = 25 µJ a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 d) R2 = 0,99 thời gian dao động dài Về phía sóng ngắn sóng dài phổ laser, dập tắt dao động xảy nhanh vùng phổ trung tâm dao động tiếp tục (Hình 2.8 c 2.9 c) Ở lượng bơm gần ngưỡng, có một vài dao động laser xuất (Hình 2.8 a-b 2.9 a-b) ii) Luôn tồn xung đơn ngắn hai phía sóng ngắn sóng dài phổ laser (so với đỉnh phổ) mức bơm cao ngưỡng Xung tách lọc phổ (như Hình 2.8 c-d; Hình 2.9 c-d Hình 2.10 b-c-d) iii) Khi tăng hệ số phản xạ gương nhận tượng với tăng lượng bơm cho Hình 2.9 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF (Hình 2.9) laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode R2 = 0,8 Ep = iv) Khi chiều dài 13 µJ a) L = cm; b) L = 10 cm; c) L = 50 cm d) L = 100 cm BCH ngắn, dao động laser diode, laser Cr:LiSAF laser băng rộng, hoạt động hiệu chế độ Qswitching thụ động với chất hấp thụ bão hòa (HTBH) Cr:YSO Các laser rắn Cr:LiSAF Cr:LiCAF Q-switching thụ động nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, nhiên nghiên cứu thực tần số đơn hầu hết hệ laser bơm đèn chớp Trong đó, phổ phát xạ tinh thể Cr:LiSAF Cr:LiCAF phổ hấp thụ Cr:YSO băng rộng Trong thực tế, phép đo thực nghiệm tính toán số băng phổ phát xạ laser Cr:LiSAF (và Cr:LiCAF) Q-switching thụ động rộng, lên tới 10 nm Do vậy, phân tích lý thuyết tần số không cho phép hiểu rõ ràng tiến trình phổ - thời gian đặc trưng phụ thuộc bước sóng phát xạ laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động Trong chương này, trình bày nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO bơm liên tục laser diode sở thiết lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng 3.2 Mô hình lý thuyết laser rắn Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa chế độ băng rộng băng hẹp Mô hình hệ laser rắn Cr:LiSAF Qswitching thụ động nhờ chất HTBH Cr:YSO bơm liên tục laser diode Hình 3.1 Buồng cộng hưởng laser có dạng Fabry – Perot, bao gồm hai Hình 3.1: Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ gương phẳng M1và M2 đặt cách động chất hấp thụ bão hòa Cr :YSO bơm khoảng L Dựa mô hình mức laser diode lượng cho môi laser chất HTBH, hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động chất HTBH dải phổ phát xạ môi trường laser phổ hấp thụ băng rộng chất HTBH biểu diễn sau: dIi i  I    2l g  gei (i ) N g   gai (i ) N  2la  a1i (i ) N a   a 2i (i ) N ea    i i   i N g dt Tr   k 1  k   RP   gai (i ) I i (i ) N     gei (i ) I i (i ) N g , với N  N g  N dt  i1   g i1  dN g dN a k   N a  N a   N a   a1i (i ) I i (i ) ; với N ea  N a0  N a dt a  i 1  T0 (i )  exp  a1i (i )la N a ; R p  Pp 1  exp( l g ) p ; rp2l g hc    p N ; Tr  L' ; L'  L  l g (ng  1)  la (na  1) c (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) đó, la độ dày chất HTBH ; na chiết suất trung bình chất HTBH;a thời gian sống huỳnh quang chất HTBH; a1i (i) a2i (i) tiết diện hấp thụ trạng thái kích thích chất HTBH; Na mật độ tích lũy trạng thái chất HTBH ; Na0 mật độ tích lũy toàn phần chất HTBH; T0 (i) độ truyền qua ban đầu chất HTBH phụ thuộc vào bước sóng tham số khác xem thích Chương 11 Để nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng băng hẹp chế độ laser Q-switching thụ động sử dụng chất HTBH Cr:YSO bơm laser diode, giải hệ phương trình tốc độ (3.1) – (3.3) số nhờ phương pháp Runge-Kutta sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab 8.5 Các tham số đưa vào chương trình sau: bán kính vết bơm rp = 80 m; p = 670 nm ; a1i a2i trích Hình 3.3: Phổ hấp thụ phân cực chất HTBH Cr:YSO phổ hấp thụ Cr :YSO, với σa2i/σa1i = tiết diện phát xạ môi trường laser Cr:LiSAF 0,33 ; la = 0,1 cm; na = 1,8; a = 0,7 µs Các hàm bước sóng dải phổ từ 780 - 920 nm tham số khác Cr :LiSAF xem Mục 2.1 (Chương 2) Hình 3.3 phổ hấp thụ phân cực chất HTBH Cr:YSO dọc theo trục tiết diện phát xạ Cr:LiSAF dải phổ từ 780 – 920 nm 3.3 Động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chế độ băng rộng Hình 3.4-a biểu diễn biến đổi nghịch đảo mật độ tích lũy Ng, mát Loss cường độ laser I laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO theo thời gian Kết cho thấy, khoảng thời gian cần thiết để hình thành xung laser Q-switching ~ 13,78 µs sau bắt đầu bơm Khoảng cách hai xung laser liên tiếp chuỗi xung 8,13 µs Để hình thành xung laser thứ cần khoảng thời gian ngắn nhiều so với khoảng thời gian hình thành xung laser Điều giải thích nghịch đảo mật độ tích lũy Ng không giảm sau hình thành xung laser mà giảm tới giá trị nhỏ Nf Hình 3.4: a) Quá trình thời gian xung Cr:LiSAF laser Q- switching thụ động chất HTBH Cr:YSO R2 = 0,98, Na0 = 8.1017 cm-3, L = 5cm Pp = 3,5 W, b) Phổ laser tích phân theo thời gian; c) Quá trình phổ thời gian (dạng 3D) d) Tiến trình phổ-thời gian xung đơn laser Cr:LiSAF Q-switching động Cr:YSO 12 thụ Hình 3.4-b phổ laser tích phân theo thời gian laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO Hình 3.4-c biểu diễn chuỗi xung Hình 3.4-a theo bước sóng dải phổ phát xạ laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO Tiến trình phổ-thời gian xung laser Q-switching băng rộng trình bày Hình 3.4-d Kết cho thấy, xung laser Q-switching băng rộng có độ rộng 106 ns, độ rộng phổ laser tích phân 5,1 nm lượng xung 485 µJ Hình 3.4 d-cũng cho thấy, phụ thuộc mạnh cường độ laser vào thời gian bước sóng Có nhiều thông số vật lý (độ hấp thụ ban đầu chất HTBH, hệ số phản xạ gương ra, công suất bơm chiều dài BCH) mà phân tích chi tiết làm thay đổi đặc trưng xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO 3.3.2 Ảnh hƣởng độ hấp thụ ban đầu Na0 Cr:YSO lên tiến trình phổ-thời gian đặc trƣng xung laser Cr:LiSAF Q-switching Hình 3.5 biểu diễn tiến trình phổ-thời gian xung laser Cr:LiSAF băng rộng Qswitching thụ động độ hấp thụ ban đầu Na0 khác chất HTBH Cr:YSO R2 = 0,98; L = cm; Pp = 3,5 W Kết cho thấy, cường độ laser hàm bước sóng thời gian tương tự (Mục 3.3.1) Nhờ kết này, quan sát thay đổi cường độ laser, độ rộng phổ tần số xung laser Na0 thay đổi Hình 3.5: Tiến trình phổ - thời gian xung laser rắn Cr:LiSAF băng rộng Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO theo độ hấp thụ ban đầu Na0 chất hấp thụ bão hòa (khi chiều dài BCH L = cm; R2 = 0,98 Pp = 3,5 W) a) Na0 = 2.1017 cm-3; b) Na0 = 6.1017 cm-3; c) Na0 = 1018 cm-3 d) Na0 = 1,4.1018 cm-3 Khi Na0 tăng lên, cường độ laser tăng lên đồng thời đỉnh phổ có xu hướng dịch phía sóng dài (Hình 3.5) Sự dịch phổ giải thích ý đến Hình 3.3 sau: việc tăng độ hấp thụ ban đầu Na0 (giữ nguyên công suất bơm, hệ số phản xạ gương chiều dài BCH) làm ngưỡng phát laser tăng (do mát tăng), hệ số khuếch đại phần sóng dài có giá trị lớn ngưỡng, điều làm cho đỉnh phổ laser dịch phía sóng dài 13 Khi Na0 tăng làm cho độ rộng xung laser giảm xuống, lượng xung laser tăng lên tần số lặp lại xung giảm xuống (xem Hình 3.6) Điều giải thích tương tự sau: Khi Na0 tăng lên làm cho mát BCH tăng lên, Hình 3.6: (a) Độ rộng xung lượng xung; (b) tần số lặp lại xung laser rắn khoảng thời gian để cường độ Cr:LiSAF băng rộng Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO phụ photon BCH tăng tới có thuộc vào Na0 L = cm; R2 = 0,98 Pp = 3,5 W giá trị đủ lớn để làm cho chất hấp thụ bị bão hòa tăng lên môi trường laser bơm, dẫn tới độ tích lũy mức laser đạt giá trị cao hơn, độ rộng xung laser giảm xuống, lượng laser tăng lên tần số lặp lại xung giảm xuống 3.3.3 Ảnh hƣởng công suất bơm lên đặc trƣng xung laser Hình 3.7 biểu diễn đặc trưng hoạt động laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO hàm công suất bơm giá trị khác Na0 chiều dài BCH L = cm hệ số phản xạ gương R2 = 0,98 Kết cho thấy, công suất bơm Pp tăng lên độ rộng xung giảm xuống, lượng tần số lặp lại xung tăng lên Hình 3.7 a) Độ rộng xung, b) lượng xung c) tần số lặp lại xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động hàm công suất bơm Pp giá trị khác Na0 L = cm R2 = 0,98 Tần số lặp lại xung tăng tăng công suất bơm trường xạ BCH tăng làm cho thời gian để chất hấp thụ bão hòa trở lên suốt (khóa Q-switch mở) giảm xuống, tần số lặp lại xung tăng lên ngược lại tần số giảm xuống Độ rộng xung laser giảm công suất bơm tăng Điều giải thích sau: công suất bơm tăng lên làm mật độ nghịch đảo độ tích lũy tăng lên ngưỡng laser không thay đổi, độ rộng xung laser giảm xuống Hiện tượng xảy hầu hết laser rắn khác nhau, chẳng hạn Nd:YVO4, hoạt động Q-switching thụ động chất HTBH Một chứng thực nghiệm laser rắn Nd:YVO4 Q-switching tinh thể chất HTBH Cr:YAG SESAM thực Kết thực nghiệm cho thấy phụ thuộc mạnh độ rộng xung, lượng xung (công suất đỉnh xung) tần số lặp lại xung vào công suất bơm Khi công suất bơm tăng từ 100 mW đến 14 1950 mW độ rộng xung laser giảm từ giá trị ~ 100 ns xuống tới 22 ns công suất đỉnh xung tăng tới > W tần số lặp lại tăng lên tới 2,2 MHz (xem Hình 3.8) Hình 3.8: Các đặc trưng xung laser Nd:YVO4 Qswitching thụ động SESAM (a) Độ rộng xung công suất đỉnh xung; (b) Công suất trung bình tần số lặp lại xung phụ thuộc vào công suất bơm 3.3.4 Ảnh hƣởng hệ số phản xạ gƣơng Hình 3.9 đặc trưng xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động phụ thuộc vào hệ số phản xạ gương R2 chiều dài BCH L = cm công suất bơm Pp = W Hình 3.9: a) Độ rộng xung, b) lượng xung c) tần số lặp lại xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động hàm hệ số phản xạ gương R2 giá trị khác Na0 L = cm Pp = W Kết cho thấy, R2 tăng từ 0,65 đến 0,99 độ rộng xung laser giảm, lượng laser tăng dần tới giá trị lớn tần số lặp lại xung tăng Tần số lặp lại xung tăng lên tăng hệ số phản xạ gương R2 Điều giải thích sau: tăng R2 làm cho độ phẩm chất BCH tăng (mất mát giảm mức bơm giữ nguyên), dẫn tới trường xạ BCH tăng theo, thời gian để làm bão hòa chất hấp thụ ngắn hơn, tần số lặp lại xung tăng lên 3.4 Động học laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO chế độ hoạt động laser băng hẹp 3.4.1 Tiến trình phổ-thời gian xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO chế độ laser băng hẹp Hình 3.12-a trình thời gian xung laser Cr:LiSAF băng hẹp Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO Pp = 3,5 W; L = cm; Na0 = 8.1017 cm-3; R2 = 0,98 BF có độ dày d = 0,3 mm;  = 0o, góc điều chỉnh A = 41,5o Trong trường hợp này, khoảng cách hai xung Q15 switching liên tiếp ~ 11 µs (chu kỳ xung) Các xung laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp chuỗi xung đặn phát tần số lặp lại ~ 91 kHz Hình 3.12: a) Quá trình thời gian xung laser Cr:LiSAF Q- switching thụ động Cr:YSO chế độ laser băng hẹp R2 = 0,98; Na0 = 8.1017 cm-3; L = 5- cm; BF: có độ dày d = 0,3 mm; A = 41,5 o Pp = 3,5- W; b) Phổ laser tích phân theo thời gian; c) Quá trình phổ - thời gian (dạng 3D) d) Tiến trình phổ-thời gian xung đơn laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp Hình 3.12-b phổ laser tích phân theo thời gian; Hình 3.12-c biểu diễn chiều tiến trình phổ-thời gian xung Hình 3.12-d tiến trình phổ - thời gian xung laser đơn hoạt động điều chỉnh bước sóng bước sóng ~ 850 nm laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất HTBH Cr:YSO Kết cho thấy, tồn trình thời gian xung đơn bước sóng dải phổ laser Cr:LiSAF với độ rộng phổ laser tích phân 1,3 nm, độ rộng xung 67 ns lượng xung 0,592 mJ 3.4.2 Laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp điều chỉnh bƣớc sóng Hình 3.13-a dải phổ điều chỉnh liên tục bước sóng từ 780 – 920 nm laser Cr:LiSAF băng hẹp Q-switching thụ động Cr:YSO sử dụng phin lọc lưỡng chiết có độ dày d = 0,3 mm góc điều chỉnh A thay đổi từ 28o đến 54o Pp = W; L = cm; Na0 = 1018 cm-3 R2 = 0,98 Kết cho thấy, laser Cr:LiSAF Q-switching thụ Hình 3.13: (a) Dải phổ điều chỉnh bước sóng; (b) Độ rộng xung lượng xung động hoạt động laser Cr:LiSAF băng hẹp Q-switching thụ động Cr:YSO sử dụng chế độ băng hẹp BF có độ dày d = 0,3 mm góc điều chỉnh A thay đổi từ 28o đến 54o 16 điều chỉnh liên tục bước sóng dải phổ rộng tùy thuộc vào điều kiện bơm BCH laser Hình 3.13-b biểu diễn độ rộng xung, lượng xung phụ thuộc vào bước sóng dải phổ từ 780 – 920 nm laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động Cr:YSO chế độ băng hẹp nhờ sử dụng BF có độ dày 0,3 mm đặt BCH Hình 3.14: (a) Độ rộng xung (b) lượng xung laser Cr:LiSAF băng hẹp góc điều chỉnh A biến đổi o o Q-switching thụ động Cr:YSO giá trị Na0 khác Cr:YSO từ 28 đến 54 Pp = W; L = cm R2 = 0,98 Kết cho thấy, độ rộng xung lượng xung laser phụ thuộc mạnh vào bước sóng Năng lượng xung đạt giá trị lớn (~ 2,4 mJ) độ rộng xung đạt giá trị nhỏ (~ 24 ns) phía sóng ngắn vùng sóng khảo sát (Hình 3.3) Điều giải thích phía sóng ngắn tiết diện hấp thụ chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO có giá trị lớn so với phía sóng dài Các kết tính toán phù hợp tốt với báo cáo Chen Kuo Độ rộng xung lượng xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động Cr:YSO chế độ hoạt động laser băng hẹp bị ảnh hưởng mạnh độ hấp thụ ban đầu Na0 chất HTBH Cr:YSO (xem Hình 3.14) CHƢƠNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÁC BUỒNG CỘNG HƢỞNG GẤP, GƢƠNG CHO LASER RẮN Cr:LiSAF ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER DIODE Các kết nghiên cứu đặc trưng hoạt động laser rắn Cr:LiSAF băng rộng băng hẹp bơm laser diode trình bày chương cho thấy, laser Cr:LiSAF hoạt động chế độ laser băng rộng, băng hẹp phát xung ngắn điều chỉnh liên tục bước sóng dải phổ rộng Việc xây dựng loại laser đòi hỏi nghiên cứu mở rộng việc nghiên cứu thiết kế xây dựng BCH laser rắn Cr:LiSAF hoạt động chế độ liên tục, hiệu suất cao xung ngắn nhờ khóa mode BCH 4.1 Thiết kế BCH laser nhờ sử dụng mô hình chùm Gauss ABCD Việc xây dựng hệ laser rắn bơm laser diode yêu cầu cần thiết kế cách xác BCH laser Các yêu cầu BCH cho laser làm việc hiệu cao lại phụ thuộc vào chế độ hoạt động laser, chẳng hạn chế độ liên tục xung ngắn Trong trường hợp laser hoạt động liên tục, tính ổn định hoạt động laser hàm bán kính eo chùm môi trường laser, hoạt động laser khóa mode thụ động, tính ổn định hoạt động laser hàm bán kính eo chùm môi trường laser hấp thụ bão hòa 17 Hình 4.2: Giản đồ vùng ổn định d1 d2 BCH laser Cr: LiSAF gương 1 = 7,5°, 2 = 6°, L1 = 430 mm; L2 = 300 mm and  = 870 nm hai mặt phẳng T S Hình 4.1: (a) Cấu hình BCH laser rắn Cr:LiSAF gương gấp theo hình chữ X (b) BCH tương đương (dạng tuyến tính) Buồng cộng hưởng laser rắn Cr:LiSAF bơm laser diode bước sóng 660 nm mà thiết kế gồm gương theo cấu Hình 4.1, gồm hai gương cầu M (có bán kính cong r1 = -50 mm) M2 (r2 = -100 mm) để hội tụ chùm laser vào tinh thể; hai gương phẳng M3 (phản xạ cao) M4 (gương ra) Tinh thể laser Cr:LiSAF có nồng độ pha tạp %, dài l = mm hai đầu cắt theo góc Brewster Vì tinh thể Cr:LiSAF có tiết diện phát xạ thấp nên để tối ưu công suất laser lối ra, cần thiết phải tính toán thiết kế BCH laser cho có chồng chập tốt mode laser tinh thể mode bơm Tôi sử dụng mô hình ma trận truyền chùm Gauss ABCD để tính toán vùng ổn định BCH, eo chùm laser tinh thể chất hấp thụ bão hòa cho việc tối ưu vị trí gương laser 4.2 Phân tích tính ổn định BCH laser Cr:LiSAF Hình 4.2 đồ thị vùng ổn định tương quan khoảng cách d1 d2 BCH laser Cr:LiSAF gương gấp dạng chữ X hai mặt phẳng T S Kết cho thấy, với giá trị d1 tìm hai giá trị d2 dải ổn định, có hai vùng ổn định BCH hai mặt phẳng T S 4.2.1 Vùng ổn định thứ 1400 T S  (µm) radius (um) Beam waist 1200 1000 M3 M2 M1 M4 800 600 400 200 0 Tinh thể laser 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 455 456 457 200 400 600 Position of optical elements intracavity Vị trí buồng cộng hưởng (mm)(mm) 458 800 18 Hình 4.6: Chùm Gauss BCH laser Cr:LiSAF gương gấp dạng chữ X hai mặt phẳng T S vị trí gương M4 ứng với tham số BCH: d = 24,25 mm; d2 = 48,95 mm; tinh thể Cr:LiSAF (dài lg = mm; chiết suất ng = 1,41); khoảng gấp L1 = 430 mm; L2 = 300 mm; hai gương cầu M1 M2 có bán kính cong 50 mm 100 mm; góc tới hai gương cầu M1 M2 tương ứng với 1 = 7,5o 2 = 6o bước sóng laser ~ 870 nm Các tính toán thực vùng ổn định thứ BCH Hình 4.6 đường chùm Gauss BCH laser Cr:LiSAF gương gấp dạng chữ X hai mặt phẳng T S gương M4 vùng ổn định thứ Kết cho thấy, dựa vào đồ thị ta xác định vị trí gương M 1, M2, M3, M4 tinh thể laser BCH cách xác ta chế tạo hệ laser thực nghiệm Đồng thời đồ thị bán kính eo chùm Gauss tinh thể laser vị trí BCH laser hai mặt phẳng T S Bán kính eo chùm Gauss tinh thể ~ 14,2 µm hai mặt phẳng T S hai chùm đồng dạng với Điều chứng tỏ mode laser hai mặt phẳng T S chồng chập tốt với nhau, tối ưu công suất laser ứng với tham số buồng cộng hưởng 4.2.2 Vùng ổn định thứ hai Hình 4.9 đường chùm Gauss BCH laser Cr:LiSAF gương gấp dạng chữ X hai mặt phẳng T S gương M4 vùng ổn định thứ hai BCH Kết cho thấy, dựa vào đồ thị ta xác định vị trí gương M1, M2, M3, M4 tinh thể laser BCH cách xác ta thiết kế hệ laser Bán kính eo chùm Gauss tinh thể laser ~11 µm hai mặt phẳng T S hai chùm chồng chập tốt với nhau, thể việc bù trừ quang sai tốt so với vùng ổn định thứ (Hình 3.8) Quang sai gần loại bỏ không bên tinh thể laser mà hai gương phẳng BCH Hơn nữa, cánh gấp thứ hai có độ hội tụ tốt, với bán kính eo chùm Gauss nhỏ ~ 40 µm (Hình 4.9 bên phải) Vị trí (tại gương M3) thích hợp để đưa vào hấp thụ bão hòa (SESAM) hoạt động khóa mode thụ động chất hấp thụ bão hòa Chúng ta điều chỉnh kích thước bán kính eo chùm Gauss SESAM (tại vị trí gương M3) nhờ thay đổi khoảng cách gấp L2 phù hợp dải ổn định BCH M2 T S 30 2000 M3 (µm) (um) w onM  radius (µm) (µm) Beam (µm) radius waist Beam (um) radius waist Beam 2500 20 1500 10 676 677 678 M1 1000 39 38 37 T S 36 35 216 218 220 222 224 L2 (mm) M4 500 Tinh thể laser 0 M3 (SESAM) 200 400 600 800 Position optical elements intracavity Vị trí oftrong buồng cộng hưởng (mm) (mm) Hình 4.9: Chùm Gauss BCH laser Cr:LiSAF gương gấp dạng chữ X hai mặt phẳng T S vị trí gương M4 ứng với tham số buồng cộng hưởng: d1 = 25,1mm, d2 = 63 mm, tinh thể Cr:LiSAF (dài lg = mm, chiết suất ng = 1,41), khoảng gấp L1 = 650 mm; L2 = 220mm, hai gương cầu M1 M2 có bán kính cong 50 mm 100 mm; góc tới hai gương cầu M1 M2 tương ứng với 1 = 7,5o 2 = 6o bước sóng laser ~ 870 nm Các tính toán thực vùng ổn định thứ hai BCH 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm hệ laser Cr: LiSAF liên tục bơm laser diode 4.3.1 Tinh thể laser gƣơng Tinh thể Cr: LiSAF (cung cấp VLOC inc., USA) cắt dọc theo trục a cắt theo góc Brewster để giảm thiểu tối đa mát phản xạ Fresnel Tinh thể có kích thước × × mm (trong chiều dài mm), nồng độ pha tạp ion Cr3+ LiSAF % Các gương laser sử dụng việc xây dựng hệ laser có R > 99,96 % @ 700 – 900 nm T > 95 % @ 640 – 680 nm) Các gương laser cung cấp Layertec (C H Đức) Các 19 gương sử dụng cho việc thiết kế BCH laser Cr:LiSAF chế độ liên tục bao gồm hai gương cầu M1 (r1 = - 50 mm), M2 (r2 = - 100 mm) Cả hai gương có hệ số phản xạ cao (> 99,96 %) bước sóng laser (700 – 900 nm) Hai gương lại hai gương phẳng, gương M3 có độ phản xạ cao (> 99,96 %) gương M4 gương có độ phản xạ < 100 % Trong chế độ hoạt động này, sử dụng gương có độ truyền qua 0,46 %; %; % % 4.3.2 Nguồn bơm cấu hình bơm Nguồn bơm sử dụng cho hệ laser Cr:LiSAF laser diode AlGaInP hiệu suất cao, hoạt động ổn định, đơn mode không gian cung cấp Mitsubishi (101J27-01) Laser diode có độ chói cao (brightness) với công suất cực đại ~ 120 mW bơm dòng 200 mA bước sóng ~ 660 nm Laser bơm với phân cực ngang, có chất lượng chùm cao với profile chùm gần giới hạn nhiễu xạ (M2 ~ 1,1) Chùm laser diode chuẩn trực thấu kính phi cầu có tiêu cự f = mm BCH laser Cr:LiSAF chế độ liên tục bơm laser diode bước sóng 660 nm gồm gương, có dạng chữ X Hình 4.18 Tín hiệu huỳnh quang laser sau gương M4 dễ dàng quan sát nhờ sử dụng đầu thu photodiode Si nhạy với khuếch đại lên tới 10 V (PDA36A-EC Si Amplified Detector, Thorlabs, Hoa Kỳ) dao động ký số Hoạt động laser dễ dàng đạt quan sát tất gương định vị cách xác Sau thu xạ laser, tiếp tục tối Hình 4.18: (a) Cấu hình bơm BCH laser Cr:LiSAF chế độ liên tục bơm laser ưu công suất laser nhờ diode phát triển vùng ổn định thứ ứng với tham số BCH (L = 430 đầu thu công suất mm and L2 = 300 mm, d1 = 24,25 mm and d2 = 48,95 mm, 1 = 7,5°, 2 = 6°) (b) Ảnh (Ophir NOVA-OP Power chụp hệ laser rắn Cr:LiSAF gương gấp theo hình chữ X, bơm laser diode Meter, Max W; 50 W/cm2, Newport) Phổ laser đo máy quang phổ nhạy, phân giải cao (Ando AQ6317B Optical Spectrum Analyzer, 600 nm – 1750 nm,  = 0,01 nm, Nhật Bản) 4.3.3 Đặc trƣng công suất, hiệu suất phổ laser laser Cr:LiSAF Hoạt động liên tục hệ laser Cr:LiSAF khảo sát với gương có độ truyền qua khác gồm 0,46 %; %; % % vùng ổn định thứ BCH Công suất laser tốt đạt (~ 31,8 mW) với gương có độ truyền qua Toc = % ngưỡng laser đạt thấp (~ 11,3 mW) ứng với gương có độ truyền qua Toc = 0,46 % (Hình 4.21-a) 20 Phổ phát xạ laser Cr:LiSAF có đỉnh gần 869 nm với gương có độ truyền qua Toc = % bơm công suất Pp = 99 mW Hình 4.21-b Kết đo eo chùm laser Cr:LiSAF theo hai mặt phẳng x y thực qua tính chất lượng chùm laser Cr:LiSAF chế độ liên tục M2 ~ 1,1 Hình 4.22 kết đặc trưng công suất laser Cr :LiSAF chế độ liên tục tính toán nhờ sử dụng hệ phương trình tốc độ (2.1) & (2.2) với Hình 4.21: (a) Công suất laser Cr:LiSAF phụ thuộc công suất bơm hấp thụ tham số gương có độ truyền qua khác (b) Phổ phát xạ laser Cr:LiSAF có đỉnh gần 869 BCH nguồn bơm nm với gương có độ truyền qua Toc = % bơm công suất Pp = 99 mW phần thực nghiệm Hình 4.22-a đặc trưng công suất laser rắn Cr:LiSAF bơm liên tục laser diode độ truyền qua Toc gương từ 0,1 % đến 10 % Kết cho thấy, laser đạt hiệu suất dốc cao, lên tới ~ 38,8 % công suất cực đại ~ 65 mW ngưỡng laser 49,6 mW ứng với gương có độ truyền qua % công suất bơm 200 mW Hình 4.22-b biểu diễn công suất trung bình laser rắn Cr:LiSAF phụ thuộc vào độ truyền qua Toc gương công suất bơm khác Kết cho thấy, công suất bơm Hình 4.22: (a) Công suất laser rắn Cr:LiSAF hàm công suất bơm T oc khác nhỏ công suất laser (b) Công suất laser rắn Cr:LiSAF hàm độ truyền qua gương Cr:LiSAF cực đại công suất bơm Pp khác nhau: 50 mW; 100 mW; 150 mW; 200 mW 300 mW đạt ứng với gương có độ truyền qua thấp công suất lớn dần dịch phía độ truyền qua tăng tăng công suất laser bơm Tuy nhiên, công suất laser Cr:LiSAF tối ưu ứng với gương có độ truyền qua nằm quanh giá trị từ – % Công suất laser trung bình lớn đạt giá trị cực đại ~ 65 21 mW công suất bơm 200 mW tương ứng với giá trị độ truyền qua gương xung quanh % giảm dần tiếp tục tăng giảm độ truyền qua gương 4.3.4 Thực nghiệm tính toán lý thuyết hệ laser Cr:LiSAF điều chỉnh bƣớc sóng Hoạt động điều chỉnh bước sóng laser Cr:LiSAF thực nhờ đưa vào BCH lăng kính cắt theo góc Brewster (làm từ vật liệu Fused silica với iB = 60,6o - Thorlabs, USA) Hình 4.24 cấu hình BCH laser Cr:LiSAF chế độ liên tục điều chỉnh liên tục bước sóng Lăng kính đặt cố định góc Brewster nhằm làm giảm tối đa mát phản xạ mặt lăng kính Laser Cr:LiSAF điều chỉnh bước sóng nhờ quay gương M4 góc thích hợp Hình 4.24: Giản đồ ảnh chụp hệ laser Cr: LiSAF điều chỉnh bước sóng nhờ sử dụng lăng kính P (Fused silica) đặt BCH góc Brewster vùng ổn định thứ BCH Hình 4.26 (I) – kết thực nghiệm (II) – kết tính toán lý thuyết biểu diễn dải phổ điều chỉnh liên tục bước sóng (a) độ rộng phổ bước sóng gần 850 nm laser Cr:LiSAF nhờ sử dụng lăng kính P đặt BCH, bơm liên tục laser diode công suất bơm Pp = 99 mW với độ truyền qua gương Toc = % Kết cho thấy, laser Cr:LiSAF có độ rộng vạch phổ ~ 0,18 nm (thực nghiệm) ~ 0,15 nm (tính toán lý thuyết) có khả điều chỉnh liên tục bước sóng khoảng phổ nghiệm Hình 4.26: (a) Dải phổ điều chỉnh bước sóng laser Cr:LiSAF (b) Phổ laser Cr:LiSAF bước sóng gần 850 nm với gương có độ truyền qua Toc = % bơm công suất Pp = 99 mW laser diode rộng hàng trăm nm Kết tính toán phù hợp tốt với kết thực 22 KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu nội dung sau: Nghiên cứu tính chất vật liệu laser rắn Cr:LiSAF Phân tích vấn đề vật lý nghiên cứu phát triển laser thuộc họ colquiriite pha tạp ion Cr3+ Nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng băng hẹp bơm xung laser diode Khảo sát ảnh hưởng tham số bơm, tham số BCH (chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương ) lên dao động hồi phục tiến trình phổ-thời gian nhờ sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng Nghiên cứu động học đặc trưng laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO, bơm liên tục laser diode hai chế độ hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng sở thiết lập hệ phương trình đa bước sóng cho laser Qswitching thụ động Nghiên cứu thiết kế BCH cho laser Cr:LiSAF hoạt động hai chế độ liên tục khóa mode thụ động chất hấp thụ bão hòa, bơm laser diode Phát triển thành công hệ laser rắn Cr:LiSAF liên tục, hiệu suất cao ngưỡng laser thấp có khả điều chỉnh bước sóng, bơm laser diode đơn mode không gian sở tính toán, thiết kế BCH Một số kết nghiên cứu luận án: Luận án góp phần phát triển nghiên cứu động học công nghệ laser rắn Cr:LiSAF bơm laser diode Những kết nghiên cứu luận án tóm tắt sau: Việc nghiên cứu động học trình phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng băng hẹp dựa hệ phương trình tốc độ mở rộng cho bước sóng laser cho phép quan sát tường minh tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser môi trường laser có phổ khuếch đại băng rộng, coi mở rộng đồng môi trường laser Cr:LiSAF Động học laser Cr:LiSAF bị ảnh hưởng mạnh thông số bơm thông số buồng cộng hưởng Việc nghiên cứu trình độ buồng cộng hưởng laser cho thấy: Khi bơm gần ngưỡng, laser Cr:LiSAF phát xung đơn, ngắn cỡ vài chục ns, ngắn hàng nghìn lần so với xung bơm 100 µs Điều chứng minh thực nghiệm môi trường laser rắn khác Nd:YVO4 Xây dựng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO có phổ hấp thụ băng rộng Qua đó, nghiên cứu lần động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO, bơm liên tục laser diode hai chế độ hoạt động laser băng rộng băng hẹp điều chỉnh bước sóng Các đặc trưng hoạt động laser không phụ thuộc vào tham số bơm, buồng cộng hưởng tham số chất hấp thụ bão hòa mà phụ thuộc mạnh vào bước sóng Việc nghiên cứu thiết kế buồng cộng hưởng cho laser Cr:LiSAF hoạt động hai chế độ liên tục khóa mode thụ động chất hấp thụ bão hòa, bơm laser diode cho phép chọn tham số buồng cộng hưởng tối ưu để phát triển thực nghiệm hệ laser Cr:LiSAF liên tục xung ngắn Các kết thực nghiệm phù hợp tốt với kết tính toán lý thuyết 23 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Nguyen Van Hao, Pham Van Duong, Pham Hong Minh, Do Quoc Khanh, and Antonio Agnesi (2014), “Design and development of the folded 4-mirror resonators for diode end-pumped solidstate Cr:LiSAF lasers”, Communication in Physics Vol 24, No 3S2, pp 109-120 Nguyen Van Hao, Pham Hong Minh, Pham Van Duong, Nguyen The Binh, and Nguyen Dai Hung (2014), “Numerical investigations of laser diode end-pumped solid-state Cr:LiSAF lasers passively Q-switched with Cr:YSO crystal”, Communication in Physics Vol 24, No 3S2 pp 7184 Nguyen T Nghia, Nguyen V Hao, Valentin A Orlovich and Nguyen D Hung (2011), “Generation of nanosecond laser pulses at a 2.2-MHz repetition rate by a cw diode-pumped passively Q-switched Nd3+:YVO4 laser”, Quantum Electronics, 41 (9), pp 790-793 Nguyen Van Hao, Nguyen Trong Nghia, Ngo Khoa Quang and Nguyen Dai Hung (2010), “Resonator transients of all solid-state Cr:LiSAF and Nd:YVO4 lasers - generation of single short laser pulse.” Computational Methods in Science and Technology, Special Issue (Scientific Publishers own-Poznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp 39-45 Nguyen Van Hao, Nguyen Dinh Hoang, Ngo Khoa Quang, Dao Duy Thang, and Nguyen Dai Hung (2010), “Characteristics of diode end-pumped passively Q-switched solid-state Cr3+:LiSAF laser”, Computational Methods in Science and Technology, Special Issue (Scientific Publishers own-Poznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp 27-31 Nguyen Van Hao, Nguyen Dinh Hoang, Phung Viet Tiep and Nguyen Dai Hung, “Spectro- Temporal Evolution and Transient Resonator in Solid-State Cr3+:LiSAF Laser Emissions”, Computational Methods in Science and Technology, Special Issue (Scientific Publishers ownPoznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp 21-25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ MÀ NCS THAM GIA Nguyen Van Hao, Dam Trung Thong, Nguyen Dinh Hoang, Pham Van Duong and Pham Huy Thong (2014), “Generation of 180 ps laser pulses from single-mode diode laser at 660 nm”, Proc 3rd Conf Nat Scie for Master and PhD Students from ASEAN (Phnom Penh, 11 - 15 Nov 2013), pp 504-508, ISBN-978-604-913-088-5 Pham Van Thai, Nguyen Van Hao, Ngo Thi Huong Lê Thị Kim Cương (2014), “Thiết kế, chế tạo thiết bị khảo sát dạng chùm laser dựa CCD camera webcam”, Những tiến Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng – Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia (Huế, 8-12/10/2013), tr 71-77, ISBN- 978604-913-232-2 24 Nguyen Dinh Hoang, Nguyen Thi My An, Nguyen Van Hao Đỗ Quốc Khánh (2014), “Phát triển hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn đơn giản”, Những tiến Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng – Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia (Huế, 8-12/10/2013), tr 159-164, ISBN-978-604-913-2322 Nguyễn Văn Hảo, Lê Thi Kim Cương, Liamorkamar Keryang, A Grabtchikov, Phạm Long Nguyễn Đại Hưng (2013), “Một số đặc trưng laser rắn Nd:YVO4 bơm laser diode công suất cao”, Proc Adv in Opt., Photo., Spec & Appl VII, ISSN: 1859 – 4271, 523-528 Pham Hong Minh, Nguyen Van Hao, Trinh Dinh Huy, Marylou Cadatal-Radubana and Nobuhiko Sarukura (2011), “Ce:LiCAF crystal grown by the micro-pulling down method as femtosecond ultraviolet laser materials”, Proc 2nd Acad Conf Nat Scie for Master and Ph.D Students From Cambodia- Laos-Malaysia and Vietnam, VAST publisher, pp.148-151, ISBN-978-604-913-088-5 Pham Hong Minh, Nguyen Van Hao, Le Thi Kim Cuong, and Pham Huy Thong (2011), “Dynamics of all solid-state Nd:YVO4 picosecond laser amplifier”, Proc 2nd Acad Conf Nat Scie for Master and Ph.D Students From Cambodia -Laos -Malaysia and Vietnam, VAST publisher, pp.85-89, ISBN-978-604-913-088-5 Nguyễn Văn Hảo, Nguyễn Trọng Nghĩa, Vương Văn Cường Nguyễn Đại Hưng (2011), “Laser rắn Nd:YAG biến điệu thụ động bơm xung laser diode”, Adv in Opt., Phot., Spec & Appl VI (Ed Philippe Brechignac et al., VAST publisher), pp.223 - 228, ISSN: 1859-4271 Vương Văn Cường, Đỗ Quốc Khánh, Nguyễn Văn Hảo Nguyễn Đại Hưng (2011), “Những nghiên cứu phát triển phép đo độ dài xung laser cực ngắn thiết bị tự tương quan”, Adv in Opt., Phot., Spec & Appl VI (Ed Philippe Brechignac et al., VAST publisher), pp.751-757, ISSN 1859-4271 Đỗ Quốc Khánh, Nguyễn Trọng Nghĩa, Nguyễn Văn Hảo Vương Văn Cường (2010), “Những nghiên cứu phát triển thiết bị đo độ dài xung ánh sáng laser cực ngắn”, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam (19752010), tr 102-108, ISBN: 987-604-913-009-0 25