Nghiên cứu laser rắn phát xung ngắn được bơm bằng laser diode

Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học MỞ ĐẦU Từ trước những năm 1958, Charles Townes đã nhận thấy những ưu điểm của việc khuyếch đại vi sóng bằng phát bức xạ cảm ứng và đã ứng dụng nó vào truyền thông Đến năm 1960, Theodore Maiman phát minh laser rắn đầu tiên, cho tới laser đã không ngừng nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực khoa học cũng đời sống Cùng với những tiến nghiên cứu khoa học vật liệu và quang điện tử, laser ngày càng đ ược phát triển đa dạng về chủng loại và đồng thời kĩ thuật phát laser cũng ngày càng hoàn thiện Các laser rắn - mà đó laser Neodium chiếm tỉ phần lớn – là nguồn kích thích quang học quan trọng đã và sử dụng rộng rãi các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ Hiện này, các laser Neodium bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi lượng khá thấp khoảng % Năng lượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, vậy các laser này đòi hỏi phải có các hệ thống làm mát phức tạp Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi lượng laser thấp đó là đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng đó tinh thể Neodium có thể hấp thụ dải hấp thụ hẹp (2 ÷ nm) Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất lượng laser Neodium cũng các phương pháp nhằm cải tiến đèn flash đều không mang lại hiệu quả cao Ngày nay, nhờ phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung dải phổ hẹp (2 ÷ nm) có thể phù hợp với phổ hấp thụ của laser Do vậy, lập tức phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã phát triển mạnh mẽ Phương pháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi lượng nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình của laser cũng trở nên gọn Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất lượng bơm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 10 % đến 80 % Ngoài ra, việc bơm bằng laser bán dẫn cũng hạn chế những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt hoạt chất gây phát laser không ổn định, tăng độ phân kì của chùm tia và hấp thụ của vùng tử ngoại làm phá huỷ hoạt chất…Chính những ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser bán dẫn mà hiện xu hướng sử dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho các laser rắn phát triển rất mạnh Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ học nước ta hiện nay, nhu cầu sử dụng laser Neodium nghiên cứu khoa học là rất lớn Tuy nhiên, các laser Neodium chủ yếu bơm bằng đèn flash và phải mua từ nước ngoài với giá thành cao (30.000 ÷ 50.000 USD) Do vậy, có số các phòng thí nghiệm có khả trang bị các nguồn laser này Một yêu cầu ngày càng cao ứng dụng, nghiên cứu và đào tạo hiện là nhu cầu sử dụng các hệ thống laser xung ngắn và cực ngắn để nghiên cứu các quá trình động học, các hiện tượng cực nhanh nhiều quan khoa học mong muốn Để phát các xung laser ngắn có thể sử dụng các kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất (Q-Switching), chiết tách lượng buồng cộng hưởng và các kỹ thuật khóa mode (mode-locking) buồng cộng hưởng… Gần (năm 2000), kỹ thuật rất hiệu quả đã đề nghị để phát xung ngắn (nano-giây) từ laser rắn (được bơm bằng laser bán dẫn) dựa kỹ thuật quá độ buồng cộng hưởng (transient-cavity) mà không cần sử dụng hấp thụ bão hoà buồng cộng hưởng Đây là kỹ thuật dựa hiện tượng dao động hồi phục quá trình bức xạ của laser xảy các môi trường laser màu rắn và laser rắn bơm xung đã quan sát từ rất sớm [9], [11], [13], [17], [19] Ở nước ta hiện nay, việc phát triển vật lý và công nghệ laser rắn xung ngắn bơm bằng laser bán dẫn bắt đầu triển khai và thực hiện đó nhu cầu ứng dụng của các laser rắn xung ngắn nghiên cứu và đào tạo là cấp bách, đặc biệt các viện nghiên cứu về vật lý, khoa học vật liệu, thông tin quang học, sinh học… Việc nghiên cứu các hiện tượng và quá trình động học cực nhanh vật lý, hóa học, y - sinh học cho đến rất hạn chế mà nguyên nhân trực tiếp là thiếu các nguồn laser xung cực ngắn Do vậy, vấn đề nghiên cứu và phát triển các laser rắn xung ngắn, bơm bằng laser bán dẫn có ý nghĩa khoa học công nghệ cao và có tính ứng dụng thực tiễn trực tiếp tại Việt Nam Với tầm quan trọng và ý nghĩa về khoa học công nghệ cũng tính ứng dụng cao tại Việt Nam, bản khóa luận này thực hiện với tiêu đề: “Nghiên cứu laser rắn phát xung ngắn bơm laser diode” Nội dung khóa luận là tiến hành nghiên cứu khái quát về hoạt động hồi phục phát xạ laser, tìm hiểu những đặc điểm của dao động hồi phục laser Neodium nền tinh thể YVO bơm bằng laser diode, để từ đó tìm hiểu hệ laser phát xung ngắn bằng cách lựa chọn các tham số thích hợp, đồng thời nghiên Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học cứu các đặc điểm của xung laser phát bằng phương pháp này Do đó, nội dung của khóa luận gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan laser tinh thể Neodium YVO4 Chương 2: Dao động hồi phục phát xạ laser Chương 3: Dao động hồi phục laser Nd:YVO4 bơm laser diode ứng dụng để phát xung ngắn Bản Khóa luận này thực hiện tại Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên và Phòng thí nghiệm Photonic phân tử - Trung tâm Điện tử học lượng tử - Viện Vật lý , Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới hướng dẫn khoa học của Th.S Nguyễn Văn Hảo Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù rất cố gắng song những điều kiện hạn chế cả về khách quan lẫn chủ quan nên bản khóa luận không tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận những ý kiến đóng góp và giúp đỡ của các thầy cô, các anh chị cán khoa học và các bạn sinh viên Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Chương TỔNG QUAN VỀ LASER TINH THỂ NEODIUM TRÊN NỀN YVO Laser tinh thể Nd3+: YVO4 là loại laser chế tạo khá phổ biến hiện Sở dĩ nền YVO4 sử dụng khá rộng rãi là nó có kết hợp giữa các đặc tính mong muốn để làm nền cho các iôn Nd3+ là: độ dẫn nhiệt rất cao, cho phép tiêu tán nhiệt xuất hiện quá trình bơm quang học, độ bền học cao và có thể nuôi tinh thể khổ lớn với các đặc tính quang học rất tốt [4] Tương tự các loại laser khác, laser rắn Nd:YVO đơn giản gồm phần chính: môi trường khuếch đại (hoạt chất), buồng cộng hưởng quang học và nguồn bơm Hoạt chất Nd:YVO4 đó 1% ion Y3+ thay thế ion Nd3+ với mật độ ion Nd3+ vào khoảng 0,5 ÷ % Buồng cộng hưởng quang học của laser Nd:YVO4 cũng các loại laser khác, phổ biến và tương tự buồng cộng hưởng Fabry – Perot Dịch chuyển quang học cho phát xạ laser là dịch chuyển giữa các mức lượng của ion Nd3+ 1.1 Cấu trúc lượng Neodium Theo lí thuyết laser, ta biết rằng laser có thể hoạt động theo chế độ hai mức rộng, ba mức bốn mức hẹp Laser hoạt động chế độ bốn mức có ưu điểm bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt nghịch đảo độ tích luỹ Laser tinh thể Nd3+:YVO4 là laser điển hình hoạt động chế độ bốn mức Nguyên lý hoạt động của laser chế độ mức điển hình biểu diễn hình 1.1 Hồi phục không phát xạ Phát xạ tự phát Phát xạ cưỡng bức Hấp thụ Hồi phục Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động mức laser [5] Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Dưới bức xạ của nguồn bơm, xuất hiện dịch chuyển từ trạng thái bản lên trạng thái kích thích Do thời gian sống của nguyên tử mức rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồi phục không phát xạ rất nhanh từ trạng thái về trạng thái 3, mức là mức siêu bền (τ ≈ 10-7 ÷ 10-14 s) nên nghịch đảo độ tích luỹ tạo giữa mức và mức Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy từ mức laser tới mức laser dưới Từ mức những nguyên tử hồi phục nhanh về trạng thái bản [5] 1.2 Giản đồ mức lượng Nd:YVO4 & chuyển dời chủ yếu Môi trường khuếch đại sử dụng ion Nd 3+ là những môi trường laser rắn sử dụng rộng rãi nhất Các ion Nd3+ đóng vai trò là tâm hoạt chất Hoạt động laser xảy nhờ các dịch chuyển giữa các mức lượng của ion Nd 3+ Hình 1.2 trình bày sơ đồ mức lượng của ion Nd 3+ Sự mở rộng các photon gây cho các điện tử có thể bỏ qua Mỗi mức lượng gồm các mức nằm rất gần nhau, các mức bị tách nhiễu loạn của điện trường mạng (sự tách mức Stark) [5] S3 (4) 2 S3 S3 S3 2 S3 F3 (3) Phát xạ laser Bơm 4 I11 (2) I9 (1) Hình 1.2: Sơ đồ lượng rắn [5] Do nguồn bơm (laser diode) có phổ phát xạ hẹp (2 ÷ nm), dẫn đến có thể kích thích nhóm ba tới bốn dịch chuyển với hiệu suất cao từ mức 4I9/2 lên mức F5/2 Những ion Nd3+ trạng thái 4F5/2 hồi phục rất nhanh đến mức laser 4F3/2, bơm mạnh tạo nghịch đảo độ tích luỹ giữa các mức 4F3/2 và mức 4I11/2 Dịch Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học chuyển cho phát xạ laser diễn giữa mức laser mức 4F3/2 và mức laser dưới I11/2 ứng với bước sóng phát xạ 1064 nm Từ mức 4I11/2 những ion Nd3+ hồi phục về mức bản 4I9/2 [5] Các dịch chuyển lượng của ion Nd3+ tham gia vào quá trình laser: Hồi phục không phát xạ I5/2 F3/2 2222 946 1064 804 808 812 Phát xạ Hấp thụ I11/2 I9/2 Hồi phục Hình 1.3: Các mức lượng tham gia vào trình laser [12] Bảng 1.1: Các dịch chuyển lượng ion Nd3+ tham gia vào trình laser [20] Dịch chuyển Bước sóng huỳnh quang (µm) F3/2 – 4I9/2 4 F3/2 – 4I11/2 F3/2 – 4I13/2 F3/2 – 4I15/2 0.8910 0.8999 0.9385 0.9460 1.0521 1.0615 1.0642 1.0737 1.1119 1.1158 1.1225 1.3184 1.3331 1.3351 1.3381 1.3533 1.3572 1.833 1.3 Phổ tinh thể Nd: YVO4 Tỉ lệ cường độ (%) 25 60 14 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Hình 1.4 biểu diễn phổ truyền qua của ion Neodium nền YVO từ 300 đến 1600 nm Nhìn vào phổ truyền qua của iôn Nd3+ nhận thấy có dải hấp thụ mạnh, mạnh nhất là dải ứng với bước sóng trung tâm 808 nm Vì vậy, việc sử dụng các laser bán dẫn có bước sóng 808 nm để bơm cho laser Neodium là rất phù hợp và cho hiệu suất laser cao Hình 1.5 biểu diễn phổ huỳnh quang của Nd:YVO bao trùm vùng bước sóng Cường độ tỉ đối (a.u) laser tương ứng với các mức lượng đối với các chuyển dời khác Hình 1.4: Phổ truyền qua Nd3+:YVO4 (dày mm ) với mức độ pha tạp % [23] Cường độ tỉ đối (a.u) Bước sóng (nm) Hình 1.5: Phổ huỳnh quang Nd3+:YVO4 (pha tạp 1,1 %) [23] Bước sóng (nm) 1.4 Nguyên tắc điều kiện hoạt động laser Nd: YVO4 [6] Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Hoạt động của laser Nd: YVO4 đã trình bày là hoạt động laser bốn mức Để có thể mô tả cách đơn giản và xác các mô hình hoạt động của nó người ta sử dụng hệ phương trình tốc độ cho hệ laser mức Khi chiếu bức xạ bơm vào hệ, dưới tác động của bức xạ bơm các quá trình hấp thụ, hồi phục và phát xạ xảy giữa các mức của hệ Chúng ta sử dụng phương trình tốc độ để biểu diễn các quá trình xảy • Quá trình hấp thụ xạ bơm từ mức lên mức 4: dN = η.W14 N1 = W p N1 dt p đó: Wp = η.W14 là tốc độ bơm (1.1) (p : pump) η là hiệu suất bơm; W14 là xác suất hấp thụ bức xạ bơm; N1 là độ tích luỹ của trạng thái 1; N3 là độ tích luỹ của trạng thái Sự dịch mức từ trạng thái xuống trạng thái xảy rất nhanh, gần mức tích luỹ lập tức và đó mật độ phân bố N của trạng thái gần bằng không • Quá trình phát xạ tự phát: Một quá trình khác ảnh hưởng tới độ tích luỹ là quá trình phát xạ tự phát: dN dt = −Γ.N (1.2) s với: Γ = 1/τs ; (s: spontaneous), τs là thời gian sống của tâm hoạt tính (trong trường hợp Nd3+: YVO4 là các ion Nd3+) mức kích thích • Quá trình hấp thụ cảm ứng photon từ mức lên mức 3: Quá trình cảm ứng xuất hiện giữa mức và mức dưới tác dụng của trường laser cũng phải xem xét Tốc độ cảm ứng tỉ lệ với hiệu độ tích luỹ N và N3, tỉ lệ với mật độ photon p của trường laser, vận tốc ánh sáng c và tiết diện hấp thụ σ của nguyên tử Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học dN = σ.c.p.(N − N ) dt i (i: induced) (1.3) Do đó, thay đổi tổng của mật độ tích luỹ của mức theo thời gian có thể viết là tổng của các quá trình Kết hợp (1.1), (1.2) và (1.3) ta thu dN = σ.c.p.(N − N ) − Γ.N + η.W14 N1           dt spon rate induced rate (1.4) pump rate Một vấn đề quan trọng đối với hoạt động của laser là phải biết thay đổi theo thời gian của mật độ photon dịch chuyển từ mức laser tới thế nào Với quá trình hấp thụ cảm ứng, photon bị mất và photon tạo dp = −σ.c.p.(N − N ) dt i (1.5) Ngay tạo ra, mật độ photon không giữ nguyên buồng cộng hưởng, thay vào đó nó giảm theo khoảng thời gian sống của photon buồng cộng hưởng τc mất mát và thoát photon khỏi gương của buồng cộng hưởng dp p =− dt l τc (l: lose) (1.6) Kết hợp (1.5) và (1.6), biến đổi tổng của mật độ photon theo thời gian là: dp p = σ.c.p.(N − N ) − dt τc (1.7) Để đơn giản, kí hiệu nghịch đảo mật độ tích luỹ là n = N3 - N2 Nghịch đảo mật độ tích luỹ theo thời gian biểu diễn gần là: dn = − σ.c.p.n − Γ.n + Wp (N − n) dt (1.8) Từ phương trình (1.7), thay đổi của mật độ photon theo thời gian là:  dp 1 = p. σ.n.c −  dt τc   (1.9) Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Khi laser hoạt động trạng thái dừng, dp dn =0; =0 Trong dt dt trường hợp này ta có nghịch đảo mật độ tích luỹ là: n= N Wp σ.c.p + Wp + Γ (1.10) Công suất của laser mức phụ thuộc vào công suất bơm, các mất mát buồng cộng hưởng và hiệu suất bơm, đó Pout biểu diễn sau [2] : Pout = η đó: E32 T ( Pp − Pth ) E41 T +α (1.11) η là hiệu suất bơm; E32 = E3 - E2 (hiệu lượng của mức laser, liên quan tới bước sóng laser, bằng lượng photon laser); E41 = E4 - E1 (hiệu lượng của mức và mức 4, liên quan tới bước sóng bơm, bằng lượng photon bơm); T là hệ số truyền qua của gương ; α là mất mát buồng cộng hưởng ; Pp là công suất bơm ; Pth là công suất bơm ngưỡng 1.5 Các chế độ hoạt động laser rắn Laser rắn có thể làm việc chế độ phát xung phát liên tục Chế độ xung hay liên tục trước hết phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và sau đó là chế độ bơm 1.5.1 Chế độ phát liên tục Trong chế độ phát liên tục, công suất của laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser trì liên tục nguồn bơm lượng đều đặn [24] Chế độ bức xạ liên tục gần liên tục laser rắn có thể thực hiện số môi trường hoạt chất như: tinh thể Nd: YAG, Nd: YLF, Nd:YVO Ti: sapphire Đây là những môi trường hoạt chất có khả dẫn nhiệt tốt cho phép bơm quang học liên tục với cường độ mạnh [1], [3], [4], [12], [18] 10 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Quan sát độ rộng xung theo hệ số phản xạ của gương (hình 3.8) ta thấy rằng: tăng hệ số phản xạ của gương laser độ rộng của xung laser Nd:YVO4 phát cũng tăng lên Hình 3.8 Hình ảnh xung thu buồng cộng hưởng có chiều dài 10 cm hệ số phản xạ gương từ xuống 30%, 50%, 80%, 94% 34 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học 3.3.3 Khảo sát độ rộng xung laser phát theo chiều dài buồng cộng hưởng Trên hệ đo sử dụng gương laser M có hệ số phản xạ 100 % và gương M có hệ số phản xạ 94 %, giữ nguyên các thông số bơm Ta thay đổi độ dài buồng cộng hưởng laser bằng cách thay đổi vị trí của gương M Với giá trị chiều dài L của buồng cộng hưởng đo các giá trị của độ rộng xung tương ứng thu kết quả bảng số liệu 3.2 Sự phụ thuộc của độ rộng xung laser Nd:YVO bơm bằng laser diode phát theo chiều dài buồng cộng hưởng biểu diễn hình 3.9 Bảng 3.2: Số liệu đo độ rộng xung laser Nd:YVO4 phát theo chiều dài buồng cộng hưởng laser Chiều dài BCH (cm) Độ rộng xung laser phát (ns) 10 198 230 270 351 504 550 Do rong xung laser phat (ns) 500 450 400 350 300 250 200 150 10 Chieu dài BCH (cm) Hình 3.9: Độ rộng xung laser Nd:YVO4 bơm laser diode theo chiều dài buồng cộng hưởng 35 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Hình 3.10 Hình ảnh xung thu hệ số phản xạ gương 94 % chiều dài buồng cộng hưởng L từ xuống là: cm, cm, cm, 10 cm Quan sát thay đổi độ rộng xung laser Nd:YVO phát theo chiều dài buồng cộng hưởng nhận thấy: chiều dài buồng cộng hưởng càng dài độ rộng xung laser phát càng lớn Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với kết quả thu từ khảo sát lý thuyết (trang 26) 36 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học 3.4 So sánh kết lý thuyết thực nghiệm Những kết quả nghiên cứu lý thuyết bản khóa luận này là xây dựng chương trình phần mềm, đã số hóa mô hình lý thuyết laser rắn Nd: YVO phát xung ngắn, là công cụ mô tả tường minh các hiệu ứng vật lý và khảo sát ảnh hưởng của các thông số lên thông số chùm laser phát Trong mục này để chứng tỏ mô hình lý thuyết mà sử dụng cho laser rắn Nd: YVO4 phát xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng là đắn và phù hợp với thực nghiệm đã so sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm 3.4.1 So sánh kết ảnh hưởng độ rộng xung theo hệ số phản xạ gương Bảng 3.3: Số liệu lý thuyết thực nghiệm đo độ rộng xung laser Nd:YVO4 phát theo hệ số phản xạ gương Hệ số phản xạ Độ rộng xung laser Nd: YVO4 phát (ns) L = 5cm L = 10cm Lý thuyết Thực nghiệm Lý thuyết Thực nghiệm của gương R (%) 30 50 80 94 181 198 240 297 198 207 250 313 240 264 366 478 255 271 393 504 Do rong xung phat (ns) 500 L=5cm Thuc nghiem L=5cm Ly thuyet L=10cm Thuc nghiem L=10cm Ly thuyet 450 400 350 300 250 200 20 30 40 50 60 70 80 90 100 He so phan xa guong (%) Hình 3.11: Độ rộng xung laser Nd:YVO4 phát từ BCH dài cm 10 cm với hệ số phản xạ gương khác (30%; 50 %; 80%; 94% ) Các kết quả mà thu (theo ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương lên xung của dao động hồi phục) từ nghiên cứu lý thuyết (trang 28) và 37 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học thực nghiệm (trang 32) đã cho thấy xu hướng của những kết quả thu bằng thực nghiệm phù hợp với các xu hướng tính toán lý thuyết 3.4.2 So sánh kết ảnh hưởng độ rộng xung theo chiều dài buồng cộng hưởng Bảng 3.4: Số liệu lý thuyết thực nghiệm đo độ rộng xung laser Nd:YVO4 phát theo chiều dài buồng cộng hưởng laser Độ rộng xung laser phát (ns) Chiều dài BCH L (cm) Lý thuyết Thực nghiệm 180 198 216 230 264 270 344 351 10 478 504 550 Do rong xung laser (ns) 500 Thuc nghiem Li thuyet 450 400 350 300 250 200 150 10 Chieu dai BCH (cm) Hình 3.12: Độ rộng xung laser Nd:YVO4 bơm laser diode theo chiều dài buồng cộng hưởng Hình 3.12 đã trình bày kết quả thực nghiệm và lý thuyết đạt khảo sát ảnh hưởng độ rộng xung theo chiều dài buồng cộng hưởng nghiên cứu hiện tượng dao động hồi phục của laser rắn Nd: YVO4 bơm bằng laser diode: 38 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học chiều dài buồng cộng hưởng càng dài độ rộng xung laser phát càng lớn Kết quả lý thuyết và thực nghiệm là khá phù hợp Như vậy, chương này đã khảo sát hiện tượng dao động hồi phục laser rắn Nd:YVO4 bơm bằng laser diode bằng cả lý thuyết và thực nghiệm Các kết quả thu cho phép hiểu rõ hiện tượng này và có thể thấy rằng: có thể tạo xung laser ngắn (cỡ 198 ns) bằng cách lựa chọn các tham số thích hợp Cụ thể: - Chiều dài buồng cộng hưởng: ngắn nhất có thể - Hệ số phản xạ của gương ra: thấp nhất có thể - Độ rộng của xung bơm: ngắn nhất có thể 39 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học KẾT LUẬN Các kết quả nghiên cứu về laser rắn Nd: YVO bơm bằng laser diode với hệ phương trình tốc độ đã cho thấy bức tranh toàn diện về các quá trình vật lý xảy phương pháp phát xung quá độ buồng cộng hưởng, phương pháp phát xung ngắn đơn giản và hiệu quả Xung laser đơn và ngắn (198 ns) ngắn nhiều xung của laser diode bơm (100 μs) đã tạo bằng cách lựa chọn các tham số đơn giản như: thời gian photon buồng cộng hưởng và mức bơm Những kết thu khóa luận: * Hệ thống và tóm tắt các thông tin bản về hệ thống laser rắn Nd:YVO bơm bằng laser diode * Mô tả sơ lược hoạt động của laser kiểu hồi phục, tóm tắt đặc điểm dao động hồi phục laser và điều kiện để có dao động hồi phục phát xạ của laser * Nghiên cứu lý thuyết về dao động hồi phục phát xạ của laser Nd:YVO bơm bằng laser diode Những ảnh hưởng của các thông số tâm hoạt chất, các thông số bơm, các đặc điểm của xung dao động hồi phục phát theo thông số buồng cộng hưởng nghiên cứu và đánh giá Các kết quả đã chứng tỏ rằng: dao động hồi phục quá trình phát xạ của laser Nd:YVO bơm bằng laser diode phụ thuộc rất mạnh không vào các thông số của tâm hoạt chất mà vào các thông số bơm và độ rộng xung laser phát phụ thuộc vào các thông số buồng cộng hưởng laser Buồng cộng hưởng càng ngắn và hệ số phản xạ của gương càng nhỏ xung laser phát càng ngắn * Ứng dụng đặc điểm dao động hồi phục phát xạ laser Nd:YVO để xây dựng hệ laser phát xung ngắn bằng phương pháp lựa chọn các tham số thích hợp * Nghiên cứu từ thực nghiệm các đặc điểm của xung laser Nd:YVO bơm bằng laser diode phát bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng Đánh giá ảnh hưởng của thông số bơm và các thông số buồng cộng hưởng laser lên độ dài của xung laser Nd:YVO4 phát Kết quả thu khá phù hợp với các tính toán lý thuyết Với các kết quả thu được, có thể khẳng định bước đầu xây dựng thành công hệ laser Nd:YVO4 phát xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng cũng các kỹ thuật liên quan tới nó Do thời gian và kiến thức 40 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học giới hạn nên bản khóa luận nhiều thiếu sót, rất mong nhận đóng góp của các thầy, cô giáo để bản khóa luận hoàn thiện Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục hoàn chỉnh phần mềm mô động học của laser Nd:YVO dựa hệ phương trình tốc độ - Tối ưu các kết quả thực nghiệm của hệ laser Nd:YVO phát xung ngắn nano-giây bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng (transient-cavity) 41 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Bình, Kĩ thuật laser, NXB Đại học Quốc Gia Hà nội, 2004 [2] Lê Hoàng Hải, Nghiên cứu lan truyền xung laser qua môi trường khuếch đại hấp thụ bão hòa Ứng dụng để phát xung laser cực ngắn, Luận án tiến sỹ Vật lý, Hà Nội, 2003 [3] Trần Đức Hân (Chủ biên), Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo Dục, 2005 [4] Đinh Văn Hoàng & Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng, ĐHKH Tự nhiên, 1999 [5] Nguyễn Đại Hưng, Vật lý Kỹ thuật laser, NXB ĐHQG, 2004 [6] Đỗ Quốc Khánh, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ laser Nd:YVO bơm laser diode, Luận văn thạc sỹ vật lý, Hà Nội, 2004 [7] Phạm Văn Thiều, Vật lý Laser, ĐHQG Hà Nội, 2001 [8] A Yariv, Quantum electronic, Jonn Wiley and Sons, 1998 [9] C Durracq, N Sanner, P Brechignac et al., Advances in Photonics and Applications (Eds A Bersellini, G Denardo et al) (2004), p.252 - 258 [10] L F Johnson, Optically pumped pulsed crystal lasers other tan Ruby in laser, Levine A K, Ed Dekker, New York, 1996 [11] N Dai Hung, Y Segawa, P Long, et.al, Appl Phys B 65 (1997), p.19 – 26 [12] Walter Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer - Verlag, New York, 1999 [13] C Lin and C.V Shank, Appl Phys Lett 26 (1975), p 389-391 [14] Chinlon Lin, Studies of relaxation oscillations in Organic dye lasers, IEEE J Quantum electronics, Vol QE-11, No.8, 1975 [15] Miyazoe and Maeda, On the spiking phenomenon in organic dye lasers, IEEE J Quantum electronics, Vol QE-7, No.8, 1971 [16] Nguyen Trong Nghia, Nguyen Đinh Hoang, Tran T Thanh Van, Đo Quoc Khanh, Nguyen Đai Hung, Studies of relaxation oscillations in diode – pumped a 42 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học cut Nd:YVO4 lasers and its application, Proceeding of 5th National physics conference Vung Tau 12-14/11/2007 [17] F P Schafer, Dye Lasers (Springer-Verlag) (1973), p.1 - 90 [18] O Svelto, (1998), Principles of lasers, 4th ed, New York, NY Plenium [19] C L Tang, J Appl Phys 34, (1963), p.2935-2940 [20] L.V Tarasov, Laser Physics, MIR Publishers Moscow, 1983 [21] L.W Casperson and A Yariv, The time behavior and spectra of relaxation oscillation in a high-gain laser, IEEE J Quantum electronics, Vol QE-8, 1972 [22] http://www.rp-photonics.com/relaxation-oscillations.html [23] http://casix.com/product/prod_cry_ndyvo4.html [24] http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser 43 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học PHỤ LỤC Trích đoạn chương trình mô động học laser Nd:YVO phát xung ngắn dựa vào trình độ buồng cộng hưởng (transient-cavity), viết ngôn ngữ Matlab R2009a %Chuong trinh mo phong dao dong hoi phuc cua laser NdYVO4 close all; % Dong tat ca cac cua so clear all; % Xoa het cac du lieu tic % Cac thong so cua buong cong huong L=0.05; % Chieu dai cua buong cong huong (m) R1=0.3; % He so phan xa cua guong R2=1; % He so phan xa cua guong R12=sqrt(R1*R2); c=3e8; % Toc anh sang chan khong (m/s) % Thong so cua Nd3+ lambda=1064; Og=2.5e-22; % Buoc song laser phat ung voi tiet dien phat xa cua NdYVO4 % Xich ma g: tiet dien phat xa cua tinh the laser (NdYVO4)(m^2) ref=1.; % Chiet suat cua NdYVO4 l=3e-3; % Chieu dai cua NdYVO4 (m) T=98e-6; % Thoi gian song huynh quang cua NdYVO4 (s) % Cac thong so bom r=1.58; % He so bom tren nguong FWHM=100e-6; % Do rong cua xung bom (s) Ag=1.9625e-7; % Voi duong kinh chum laser tren moi truong laser 0,5 mm Tr=2*(ref*l+(L-l))/c; % Thoi gian di lai buong cong huong (s) tc=(ref*l+(L-l))/(c*(1-R12)); % Thoi gian phan cua photon buong cong huong (s) B=(2*Og)/(Tr*Ag); % la he so phat xa cuong buc Einstein (s^-1) Wth=1/(T*tc*B); % Toc bom o nguong W=Wth*r; % Toc bom Thoigiantinh=200e-6; dt=0.03e-9; % phan giai( neu tang dt > may tinh se chay nhanh hon) step=Thoigiantinh/dt; % buoc chay (chia thoi gian) lengthFWHM=FWHM/dt; % Dieu kien ban dau p=100; n=10; Sample=200; 44 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học pmin=100; % So photon ban dau BCH j=0; % chi so chay nth=1/(tc*B); % Do nghich dao tich luy nguong %************************************* for i=1:step dp=(B*n-1/tc)*p*dt; % pt toc cho so photon BCH dn=(W-n/T-B*n*p)*dt; % pt toc cho nghich dao tich luy BCH n=n+dn; p=p+dp; if p=lengthFWHM % Neu i >= dai xung bom thi laser khong phat W=0; end if rem(i,Sample)==0 j=j+1; ndata(j)=n; Wdata(j)=W; pdata(j)=p; time(j)=dt*j*Sample*1e6; % don vi thoi gian (micro-giay) end end % - Ve thi -plot(time,Wdata/max(Wdata)/2,'LineWidth',3);% Wdata/max(Wdata) la tinh cuong chuan hoa hold on; % ve cung mot thi plot(time,ndata/max(ndata)/2,' r','LineWidth',3); % time (micro-second) plot(time,qdata/max(qdata),'k','LineWidth',3); ylim([0 1.1]); % Gioi han truc y xlim([0 105]); % thay doi muc bom r nho (gan nguong) %xlim([90 200]); % thay doi rong xung bom (cac r nho (gan nguong)) figure 45 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học plot(time,Wdata/max(Wdata)/2,'LineWidth',3);% Wdata/max(Wdata) la tinh cuong chuan hoa hold on; plot(time,ndata/max(ndata)/2,' r','LineWidth',3); % time (micro-second) plot(time,qdata/max(qdata),'k','LineWidth',3); ylim([0 1.1]); % Gioi han truc y %xlim([90 100.5]); % cac a nho (gan nguong) xlim([FWHM*1e6-5 FWHM*1e6+2]); % cac a nho (gan nguong) 46 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục 3.2 Dao động hồi phục laser Nd:YVO4 bơm laser diode 22 3.2.1 Ảnh hưởng của thông số bơm lên dao động hồi phục .22 Ảnh hưởng của mức bơm 24 3.2.2 Ảnh hưởng của thông số buồng cộng hưởng lên xung của dao động hồi phục .27 Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng 27 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương 29 3.3 Ứng dụng tượng dao động hồi phục laser Nd:YVO4 để tạo laser phát xung ngắn .31 3.3.1 Sơ đồ khảo sát đặc trưng của xung laser Nd3+:YVO4 phát 32 3.3.2.Khảo sát độ rộng xung theo hệ số phản xạ của gương .33 3.3.3 Khảo sát độ rộng của xung laser phát theo chiều dài buồng cộng hưởng .35 Hệ số phản xạ gương R (%) .37 Độ rộng xung laser Nd: YVO4 phát (ns) 37 L = 5cm 37 L = 10cm 37 Lý thuyết .37 Thực nghiệm 37 Lý thuyết .37 Thực nghiệm 37 30 37 181 .37 198 .37 240 .37 255 .37 50 37 198 .37 207 .37 264 .37 271 .37 80 37 240 .37 250 .37 366 .37 393 .37 94 37 297 .37 313 .37 47 Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học 478 .37 504 .37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 48 ... hiện với tiêu đề: Nghiên cứu laser rắn phát xung ngắn bơm laser diode Nội dung khóa luận là tiến hành nghiên cứu khái quát về hoạt động hồi phục phát xạ laser, tìm hiểu những... tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học Chương DAO ĐỘNG HỒI PHỤC CỦA LASER Nd: YVO ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ PHÁT XUNG NGẮN 3.1 Hệ phương trình tốc độ lời giải Như chương trước ta đã... nghiệm mà thu 3.2 Dao động hồi phục laser Nd:YVO4 bơm laser diode 3.2.1 Ảnh hưởng thông số bơm lên dao động hồi phục Dao động hồi phục laser Nd:YVO bơm bằng laser diode phụ thuộc vào tốc độ tích