Nghiên cứu động học khuếch đại laser nd YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THÀNH DÂN NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN QUA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THÀNH DÂN NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN QUA Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Hồng Minh THÁI NGUYÊN - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Người cam đoan Nguyễn Thành Dân LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Hồng Minh hướng dẫn thực nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến anh chị em Trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý quan tâm, bảo tận tình cho tơi q trình nghiên cứu, thực đề tài Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, thầy, cô khoa Vật lý & Công nghệ, cán phòng Đào tạo trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, cho kiến thức, kinh nghiệm vô quý giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Tiên Lữ, anh chị em đồng nghiệp nơi công tác, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình làm việc, học tập nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khích lệ tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2018 Nguyễn Thành Dân Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 MỤC LỤC BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………………i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………… iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4 1.1 Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại laser 1.1.2 Các cấu hình khuếch đại 1.1.3 Một số lưu ý khuếch đại xung laser cực ngắn 1.2 Môi trường tinh thể Nd:YVO4 13 1.2.1 Các mức lượng ion Nd3+ 14 1.2.2 Môi trường khuếch đại Nd:YVO4 15 1.3 Nguồn bơm laser bán dẫn cho môi trường khuếch đại pha tạp Nd3+… 18 1.4 Một số ứng dụng laser xung ngắn công suất cao 20 1.4.1 Ứng dụng khoa học 20 1.4.2 Ứng dụng khoa học kĩ thuật 21 1.4.3 Ứng dụng ngành khoa học khác 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 23 CHƯƠNG II HỆ PHƯƠNG TRÌNH KHUẾCH ĐẠI 24 2.1 Phương trình mơ tả lan truyền xung laser cực ngắn qua môi trường khuếch đại, phương trình khuếch đại 24 2.1.1 Phương trình học lượng tử toán tử mật độ ρ(r, t) 25 2.1.2 Độ phân cực vĩ mô môi trường 26 2.1.3 Phương trình sóng chiều 26 2.2 Hệ phương trình khuếch đại laser 28 2.3 Các tham số sử dụng mơ tính tốn 32 2.3.1 Xung tín hiệu cần khuếch đại 32 2.3.2 Môi trường khuếch đại 33 2.3.3 Nguồn bơm 33 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 35 Học viên: Nguyễn Thành Dân i Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN 1064 nm SỬ DỤNG TINH THỂ Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN LIÊN TỤC………………………………………………….…………………… 36 3.1 Phân bố chùm laser bơm tinh thể 36 3.2 Độ khuếch đại ban đầu môi trường Nd:YVO4 38 3.3 Động học khuếch đại lần truyền qua 39 3.3.1 Ảnh hưởng cường độ laser bơm lên động học khuếch đại 40 3.3.2 Ảnh hưởng xung tín hiệu cần khuếch đại lên động học khuếch đại.41 3.4 Động học khuếch đại nhiều lần truyền qua 43 3.4.1 Động học khuếch đại khuếch đại nhiều lần truyền qua 43 3.4.2 Ảnh hưởng cường độ laser bơm lên động học khuếch đại 45 3.4.3 Ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại…….48 KẾT LUẬN CHƯƠNG III…………………………………………………….51 KẾT LUẬN CHUNG……….…………………………………………………….52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Học viên: Nguyễn Thành Dân ii Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v Môi trường Yttrium Vanadate pha tạp ion Nd3+ Phát xạ tự phát khuếch đại Môi trường Yttrium Aluminium Garnet (Y3Al15O12) Muối Flouride (YLiF4) Độ khuếch đại ban đầu Độ khuếch đại thời điểm t Hệ số khuếch đại Tốc độ ánh sáng chân không Vận tốc ánh sáng môi trường khuếch đại  es Tiết diện phát xạ bước sóng tín hiệu  as Tiết diện hấp thụ bước sóng tín hiệu  ep Tiết diện phát xạ bước sóng bơm  ap Tiết diện hấp thụ bước sóng bơm Q wpump h Xác suất mà photon bơm đóng góp vào trình khuếch đại Nồng độ ion Nd3+ Số phân tử trạng thái Số phân tử trạng thái kích thích Chiết suất mơi trường Chiều dài tinh thể Thời gian sống huỳnh quang ion hoạt chất Cường độ đỉnh xung tín hiệu Cường độ bơm Cường độ bão hòa mơi trường Cường xung tín hiệu vào mơi trường Mật độ cơng suất bão hòa mơi trường Mật độ cơng suất bơm Hằng số Planck  Hệ số hấp thụ môi trường bước sóng  t Độ rộng xung m GVD Hệ số mát tuyến tính hai lần truyền qua liên tiếp Nd:YVO4 ASE YAG YLF G0 G(t) K c N N1 N2 n L  Iso Ipump Isat Ivao Wsat Tán sắc tốc độ nhóm Học viên: Nguyễn Thành Dân iii Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1 Các q trình dịch chuyển quang học khuếch đại ánh sáng Hình 1.2 Cấu tạo khuếch đại laser Hình 1.3 Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4 laser KrF Hình 1.4 Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire hòa ba bậc hai laser Nd:YAG Hình 1.5 Cấu hình bơm xiên laser Diode Hình 1.6 Bộ khuếch đại laser hai tầng lần truyền qua Hình 1.7 Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua Hình 1.8 Bộ khuếch đại tái phát Hình 1.9 Gương khuếch đại phủ bề mặt 13 Hình 1.10 Tinh thể Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1% 14 Hình 1.11 Các dịch chuyển quang học ion Nd3+ 15 Hình 1.12 Phổ hấp thụ môi trường Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1% 17 Hình 1.13 Phổ phát xạ huỳnh quang Nd3+ pha tạp YVO4 18 Hình 2.1 Sự lan truyền xung laser qua mơi trường 28 Hình 2.2 Xung laser tín hiệu 32 Hình 3.1 Phân bố lượng laser bơm tinh thể Nd:YVO4 37 Hình 3.2 Phân bố lượng laser bơm tinh thể với mật độ công suất laser bơm khác 37 Hình 3.3 Độ khuếch đại ban đầu G0 môi trường Nd:YVO4 với cường độ bơm khác 38 Hình 3.4 Động học khuếch đại lần truyền qua 39 Hình 3.5 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) bơm yếu 40 Hình 3.6 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) bơm mạnh 40 Hình 3.7 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) ứng với cường độ laser tín hiệu nhỏ 42 Học viên: Nguyễn Thành Dân iv Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.8 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) ứng với cường độ laser tín hiệu lớn 42 Hình 3.9 Bộ khuếch đại Nd:YVO4 nhiều lần truyền qua 43 Hình 3.10 Động học khuếch đại lần truyền qua 44 Hình 3.11 Hệ số khuếch đại lần truyền qua 45 Hình 3.12 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 2Isat 46 Hình 3.13 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 10Isat 46 Hình 3.14 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 20Isat 47 Hình 3.15 a) Hệ số khuếch đại lần truyền qua b) Tỷ số cường độ laser sau lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso 47 Hình 3.16 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại Iso 49 Hình 3.17 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại 10Iso 49 Hình 3.18 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại 100Iso 50 Hình 3.19 a) Hệ số khuếch đại lần truyền qua b) Tỷ số cường độ laser sau lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso cường độ xung tín hiệu thay đổi 50 Học viên: Nguyễn Thành Dân v Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 1.1 Thông số quang học số môi trường khuếch đại 10 Bảng 1.2 Các dịch chuyển lượng huỳnh quang tương ứng Nd3+ 15 Bảng 1.3 Các thông số môi trường laser Neodymium 16 Bảng 1.4 Một vài thơng số tinh thể pha tạp ion Nd3+ 18 Bảng 1.5 Các môi trường laser rắn nguồn bơm laser diode 20 Bảng 2.1 Giá trị điển hình T1 T2 số mơi trường quang học 26 Bảng 2.2 Các tham số môi trường Nd:YVO4 sử dụng hệ khuếch đại laser xung cực ngắn nhiều lần truyền qua 33 Bảng 2.3 Các tham số nguồn bơm cho môi trường Nd:YVO4 34 Bảng 3.1 Hệ số khuếch đại lần truyền qua 44 Học viên: Nguyễn Thành Dân vi Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 3.3.1 Ảnh hưởng cường độ laser bơm Để nghiên cứu ảnh hưởng cường độ laser bơm lên động học khuếch đại lần truyền qua, tơi giải hệ phương trình (2.22), (2.24), (2.27) (3.1) với cường độ laser bơm lần lượt: 2Isat; 3Isat; 4Isat; 5Isat; 7Isat 10Isat với Isat = 4,5x1013 photon.cm2 ns-1 Các tham số xung tín hiệu mơi trường Nd:YVO4 lấy từ Bảng 2.2 Bảng 2.3 Kết thu được trình bày Hình 3.5, Hình 3.5a biểu diễn xung laser sau khuếch đại với cường độ laser bơm khác Hình 3.5b biểu diễn phụ thuộc hệ số khuếch đại vào cường độ laser bơm Ta thấy, sau khuếch đại xung tín hiệu khuếch đại cường độ lượng không bị biến dạng khuếch đại coi tuyến tính trường hợp (a) (b) Hình 3.5 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) bơm yếu Tuy nhiên tiếp tục tăng cường độ xung laser bơm lên đến 30 lần cường độ bơm bão hòa ta nhận thấy rằng, cường độ bơm yếu khuếch đại khuếch đại tuyến tính, nhiên cường độ laser bơm lớn khuếch đại dần chuyển sang chế độ phi tuyến Do bão hòa độ khuếch đại, xung tín hiệu bị biến dạng mạnh khuếch đại ưu tiên cho sườn trước xung Điều làm cho cực đại xung dịch chuyển phía sườn trước Kết xung khuếch đại mặt lượng cường độ cực đại không tăng Rõ ràng, biến dạng xung phụ thuộc nhiều vào cường độ laser bơm (Hình 3.6a Hình 3.6b) Học viên: Nguyễn Thành Dân 40 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.6 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) bơm mạnh Từ kết ta thấy, với cường độ laser bơm nhỏ 20Isat hệ hệ số khuếch đại K tăng tuyến tính ta tăng cường độ laser bơm (Hình 3.6b) đỉnh xung laser sau khuếch đại gần không thay đổi (Hình 3.6a) Tuy nhiên cường độ laser bơm lớn 20Isat ta thấy hệ số khuếch đại K có tăng tăng chậm dù lượng bơm tăng, tượng đỉnh xung sau khuếch đại gần đạt tới trạng thái bão hòa Quan sát Hình 3.6a, ta thấy cường độ laser bơm nhỏ 20Isat đỉnh xung laser sau khuếch đại gần khơng bị thay đổi hay nói cách khác xung sau khuếch đại không bị biến dạng Tuy nhiên cường độ laser bơm đủ lớn (>20Isat) ta thấy đỉnh xung laser sau khuếch đại bắt đầu có xu hướng dịch phía sườn trước (xung laser sau khuếch đại bị biến dạng) Hiện tượng đỉnh xung laser sau khuếch đại gần đạt tới trạng thái bão hòa, ưu tiên khuếch đại phần sườn trước xung Từ kết ta thấy, khuếch đại lần truyền qua, hệ số khuếch đại phụ thuộc vào cường độ xung tín hiệu vào mà phụ thuộc vào lượng laser bơm cho môi trường khuếch đại Tuy nhiên, ta sử dụng lượng laser bơm lớn điều gây phá hủy môi trường khuếch đại Kết rằng, cấu hình khuếch đại lần truyền qua, phần nhỏ lượng bơm dùng để khuếch đại xung tín hiệu, phần lượng đáng kể laser bơm biến thành ASE Hầu hết mát xảy ASE biến thành nhiệt năng, cần ý đến việc tỏa nhiệt môi trường khuếch đại ta bơm với laser công suất lớn 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu Để nghiên cứu ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại khuếch đại lần truyền qua, giải hệ phương trình (2.22), (2.24), (2.27) (3.1) với cường độ xung laser tín hiệu thay đổi từ 1Iso đến 1000Iso với Iso = 1,87.1013 Học viên: Nguyễn Thành Dân 41 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 photon.cm-2.ns-1 độ rộng xung tín hiệu 10 ps, cường độ laser bơm Ipump = 10Isat, tham số khác trình bày Bảng 2.2, Bảng 2.3 Kết rằng: - Cường độ xung tín hiệu tăng hệ số khuếch đại giảm Ứng với cường độ laser bơm Ipump = 10Isat, khuếch đại coi tuyến tính cường độ tín hiệu nhỏ Sau khuếch đại xung laser tín hiệu khuếch đại cường độ lượng, khơng bị biến dạng (Hình 3.7) - Khi cường độ lượng xung tín mạnh khuếch đại dần chuyển sang chế độ phi tuyến Do bão hòa độ khuếch đại, xung tín hiệu bị biến dạng mạnh, khuếch đại ưu tiên cho sườn trước xung, điều làm cho cực đại xung dịch chuyển phía sườn trước (Hình 3.8a) Kết xung khuếch đại mặt lượng cường độ cực đại khơng tăng (Hình 3.8b) Nếu cường độ xung tín hiệu vào lớn hệ số khuếch đại K tiến tới hay nói khác đi, q trình khuếch đại xảy phần sườn trước xung điều dẫn đến xung laser sau khuếch đại có sườn trước gần dựng đứng (a) (b) Hình 3.7 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) ứng với cường độ laser tín hiệu nhỏ (a) (b) Hình 3.8 Xung laser sau khuếch đại (a) hệ số khuếch đại (b) ứng với cường độ laser tín hiệu lớn Học viên: Nguyễn Thành Dân 42 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Như vậy, ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu đối lên hệ số khuếch đại dạng xung laser sau khuếch đại đáng kể Để khuếch đại có hiệu người ta thường làm giảm mật độ chùm laser tín hiệu cách giãn chùm Tuy nhiên việc đòi hỏi phải có tinh thể lớn cơng suất laser bơm cao 3.4 Động học khuếch đại nhiều lần truyền qua Để tăng hiệu suất khuếch đại tận dụng tối đa lượng laser bơm, cho việc khuếch đại người ta thường sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua Tùy vào thời gian trì độ khuếch đại tinh thể mà ta thiết kế tối ưu số lần xung tín hiệu qua lại khuếch đại Trong nghiên cứu này, giả sử khuếch đại lần truyền qua Hình 3.9 1064 nm, 10 ps, 8,8MHz Nd:YVO4 1064 nm P=?, =? Laser Diode 808 nm, Cw TK Bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Hình 3.9 Bộ khuếch đại Nd:YVO4 nhiều lần truyền qua 3.4.1 Động học khuếch đại khuếch đại nhiều lần truyền qua Để nghiên cứu động học khuếch đại hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua, tơi giải hệ phương trình (2.22), (2.24), (2.26), (2.27) (3.1) Xung laser tín hiệu có dạng Gausian, độ rộng xung 10 ps với cường độ cực đại Iso = 1.87x1013 photon.cm-2.ns-1, tham số khác trình bày Bảng 2.2, Bảng 2.3 Cường độ laser bơm Ipump = 5Isat Kết thu Hình 3.10 Hình 3.11 Kết rằng: - Do cường độ xung tín hiệu nhỏ nên khuếch đại coi tuyến tính lần truyền qua (lần đến lần 4) Sau vài lần khuếch đại đầu tiên, xung tín hiệu khuếch đại cường độ lượng không bị biến dạng Học viên: Nguyễn Thành Dân 43 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua - 2018 Sau lần truyền qua, cường độ lượng xung tín hiệu trở lên mạnh khuếch đại dần chuyển sang chế độ phi tuyến Do bão hòa độ khuếch đại với đỉnh xung tín hiệu, xung tín hiệu bị biến dạng mạnh khuếch đại ưu tiên cho sườn trước xung Điều làm cho cực đại xung dịch chuyển phía sườn trước xung (lần 7) Kết xung khuếch đại mặt lượng cường độ cực đại gần khơng tăng Hình 3.10 Động học khuếch đại lần truyền qua Hệ số khuếch đại ứng với lần truyền qua Bảng 3.1 Hình 3.11 Bảng 3.1 Hệ số khuếch đại lần truyền qua N (lần) K 4,6 4,6 4,4 3,9 2,8 1,8 1,4 Ta thấy rằng, hệ số khuếch đại giảm với lần truyền qua Điều sau lần truyền qua, cường độ lượng xung tín hiệu trở lên mạnh Ứng với lần truyền qua (lần đến lần 4) hệ số khuếch đại lớn giảm không Học viên: Nguyễn Thành Dân 44 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 đáng kể lúc cường độ xung laser tín hiệu nhỏ Sau vài lần truyền qua, cường độ laser tín hiệu đủ lớn nên lần truyền qua thứ thứ 6, hệ số khuếch đại giảm mạnh Đến lần truyền qua thứ 7, lúc cường độ đỉnh xung tín hiệu gần đạt tới giá trị bão hòa nên đỉnh xung gần khơng khuếch đại, lúc sườn trước xung ưu tiên khuếch đại Hình 3.11 Hệ số khuếch đại lần truyền qua Kết phù hợp với kết qủa thực nghiệm lần truyền qua thứ hai Trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý 3.4.2 Ảnh hưởng cường độ laser bơm lên động học khuếch đại Để nghiên cứu ảnh hưởng cường độ xung bơm lên động học khuếch đại nhiều lần truyền qua, giải hệ phương trình (2.22), (2.24), (2.26), (2.27) (3.1), với xung laser tín hiệu vào khuếch đại có dạng Gausian, độ rộng xung 10 ps với cường độ cực đại Iso = 1,87x1013 photon.cm-2.ns-1, tham số khác trình bày Bảng 2.2, Bảng 2.3 Cường độ laser bơm thay đổi với giá trị Ipump = 2Isat; 10Isat 20Isat Kết thu được trình bày Hình 3.12, Hình 3.13 Hình 3.14 Ta thấy với bơm mạnh bơm yếu lần truyền qua cường độ xung tín hiệu nhỏ nên khuếch đại coi tuyến tính Với cường độ bơm yếu, q trình khuếch đại tuyến tính xảy với lần truyền qua thứ (Hình 3.12) xung laser khỏi khuếch đại không bị biến dạng Khi cường độ bơm tăng, khuếch đại chuyển sang chế độ phi tuyến nhanh Với cường độ laser bơm 10Isat đến lần khuếch đại thứ ba xung tín hiệu bị biến dạng mạnh, lúc khuếch đại ưu tiên phần sườn trước xung (Hình 3.13), với cường độ laser bơm 20Isat lần truyền qua thứ xung tín hiệu bị biến dạng xung laser sau khỏi khuếch đại lần truyền qua, sườn trước Học viên: Nguyễn Thành Dân 45 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 xung gần dựng đứng (Hình 3.14) Sự biến dạng xung tín hiệu lớn lần truyền qua cường độ laser bơm lớn Hình 3.12 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 2Isat Hình 3.13 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 10Isat Học viên: Nguyễn Thành Dân 46 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.14 Động học khuếch đại lần truyền qua với Ipump = 20Isat Hình 3.15a biểu diễn hệ số khuếch đại lần truyền qua với cường độ laser bơm khác Ta thấy rằng, bơm yếu (Ipump = 2Isat) hệ số khuếch đại có giảm giảm khơng đáng kể qua lần truyền qua xung tín hiệu khuếch đại Khi cường độ laser bơm tăng lên, hệ số khuếch đại lần tăng, nhiên sau giảm nhanh (a) (b) Hình 3.15 a) Hệ số khuếch đại lần truyền qua b) tỷ số cường độ laser sau lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso Học viên: Nguyễn Thành Dân 47 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.15b biểu diễn tỷ số cường độ laser tín hiệu sau lần truyền qua với cường độ laser tín hiệu vào khuếch đại Với trường hợp bơm yếu (Ipump=2Isat) sau lần truyền qua, cường độ laser sau khuếch đại tăng tuyến tính Trong trường hợp bơm mạnh, độ khuếch đại lần truyền lớn nên trình khuếch đại đỉnh xung xảy vài lần truyền qua Do bão hòa độ khuếch đại, xung tín hiệu bị biến dạng mạnh khuếch đại ưu tiên cho sườn trước xung Điều làm cho cực đại xung dịch chuyển phía sườn trước xung Kết xung khuếch đại mặt lượng cường độ cực đại không tăng 3.4.3 Ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại Để nghiên cứu ảnh hưởng cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại nhiều lần truyền qua, tơi giải hệ phương trình (2.22), (2.24), (2.26), (2.27) (3.1), với xung laser tín hiệu vào khuếch đại có dạng Gausian với độ rộng xung 10 ps cường độ laser tín hiệu thay đổi với giá trị Iso; 10Iso; 100Iso, cường độ laser bơm nguyên với Ipump = 5Isat, tham số khác trình bày Bảng 2.2, Bảng 2.3 Kết thu được trình bày Hình 3.16, Hình 3.17 Hình 3.18 Ta thấy cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại tăng, xung laser sau khỏi khuếch đại bị biến dạng mạnh Cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại tăng 100 lần cường xung tín hiệu khỏi khuếch đại gần Điều chứng tỏ, với xung tín hiệu vào khuếch đại lớn trình khuếch đại phi tuyến mạnh Hệ số khuyếch đại qua lần truyền qua với xung tín hiệu vào có cường độ nhỏ lớn so với xung tín hiệu vào có cường độ lớn (Hình 3.19a) Điều chứng tỏ rằng, để có hệ số khuếch đại lớn phải giảm mật độ cơng suất chùm laser tín hiệu vào khuếch đại Hình 3.19b biểu diễn tỷ số cường độ laser tín hiệu sau lần truyền qua với cường độ laser tín hiệu vào khuếch đại Với trường hợp xung tín hiệu vào khuếch đại yếu Iso, khuếch đại tuyến tính xảy đến lần truyền qua thứ Tuy nhiên cường độ xung tín hiệu vào lớn 100Iso, sau lần truyền qua thứ hai cường độ xung laser gần không tăng Lúc khuếch đại dần chuyển sang chế độ phi tuyến, điều không tốt khuếch đại laser Học viên: Nguyễn Thành Dân 48 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.16 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại Iso Hình 3.17 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại 10Iso Học viên: Nguyễn Thành Dân 49 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Hình 3.18 Động học khuếch đại lần truyền qua với cường độ xung tín hiệu vào khuếch đại 100Iso (a) (b) Hình 3.19 a) Hệ số khuếch đại lần truyền qua b) Tỷ số cường độ laser sau lần khuếch đại với cường độ tín hiệu vào Iso cường độ xung tín hiệu thay đổi Học viên: Nguyễn Thành Dân 50 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Bằng việc sử dụng phần mềm matlab để giải hệ phương trình khuếch đại tơi làm rõ số vấn đề sau: Phân tích động học q trình khuếch đại khuếch đại một, nhiều lần truyền qua sử dụng tinh thể Nd:YVO4 bơm laser bán dẫn Kết tính tốn rõ thay đổi theo thời gian khuếch đại tác động đồng thời laser bơm laser tín hiệu Sự ảnh hưởng chúng lên hệ số khuếch đại biến dạng xung laser sau khuếch đại phân tích Đã mơ phân tích ảnh hưởng cường độ laser bơm lên hệ số khuếch đại, biến dạng xung tín hiệu sau khuếch đại cho cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua Đã mô phân tích ảnh hưởng cường độ laser tín hiệu đưa vào khuếch đại lên hệ số khuếch đại biến dạng xung tín hiệu sau khuếch đại cho cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua Học viên: Nguyễn Thành Dân 51 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn thực cơng việc sau:  Tìm hiểu phân tích lí thuyết khuếch đại laser nói chung khuếch đại xung laser cực ngắn nói riêng Các đặc trưng quang học mơi trường Nd nói chung mơi trường Nd:YVO4 nói riêng phân tích chi tiết luận văn Đồng thời tơi tìm hiểu ứng dụng laser công suất cao nghiên cứu khoa học, khoa học kĩ thuật sống  Tìm hiểu hệ phương trình khuếch đại, để từ hiểu nắm rõ đại lượng vật lí hệ phương trình  Đánh giá phân bố lượng laser bơm 808nm cho tinh thể Nd:YVO4 với mật độ công suất bơm khác  Bằng việc giải hệ phương trình khuếch đại phân tích động học q trình khuếch đại khuếch đại một, nhiều lần truyền qua sử dụng tinh thể Nd:YVO4 bơm laser bán dẫn liên tục  Đã mơ phân tích đánh giá ảnh hưởng cường độ laser bơm lên hệ số khuếch đại, biến dạng xung tín hiệu sau khuếch đại cho cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua  Đã mơ phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng cường độ laser tín hiệu đưa vào khuếch đại lên hệ số khuếch đại biến dạng xung tín hiệu sau khuếch đại cho cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua Các kết qủa nghiên cứu phù hợp với kết qủa thực nghiệm hai lần truyền qua Trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý Các kết nghiên cứu hữu ích cho việc phát triển thực nghiệm hệ laser công suất cao, xung cực ngắn bước sóng 1064nm Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Học viên: Nguyễn Thành Dân 52 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 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, Viện Vật lý, 2004 Nguyễn Văn Hảo, “Nghiên cứu động học công nghệ laser rắn Cr3+:LiSAF bơm laser bán dẫn”, Luận án Tiến sỹ, Viện Vật lý, 2015 Hồng Hữu Hòa, Giáo trình Vật lý laser, Nhà xuất Đại học Huế, 2012 Nguyễn Đại Hưng, Vật lý kỹ thuật laser, Nhà xuất ĐHQG, 2004 Đỗ Quốc Khánh, “Nghiên cứu vật lý phát triển công nghệ laser rắn Nd:YVO4 xung ngắn (pico-giây) biến điệu thụ động bơm laser bán dẫn”, Luận án Tiến sỹ, Viện Vật lý, 2009 Phạm Hồng Minh, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khuếch đại công suất cho laser femto giây ứng dụng quang phổ cực nhanh”, Đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2016 Nguyễn Xuân Tuấn, “Nghiên cứu trình phát họa ba bậc hai phát họa ba bậc ba laser Neodim phát xung ngắn nano giây pico giây”, Luận văn Thạc sỹ, Viện Vật lý, 2004 Tiếng Anh S Backus et al,“High power ultrafast lasers”, Rev Sci Instrum, 1998, 4, 1207 1210 Claude Rullière, “Femtosecond laser pulses: principles and experiments Second Edition, Springer, 2005, 8, 60 - 67 10 Dickman, Diodelaser Pumped Nd:YAG laser, MEOS GmbH 79427 Eschbach, 2003 11 Do Quoc Khanh, N Trong Nghia et al, “Diode-pumped passively mode-locked Nd:YVO4 laser of low pulse repetition rate”, Advances in Intense laser Science & Photonics (Eds J Lee, Y kato, K Ueda, Y Kaoru etal Publishing house for Natural Science and Technology), 2010, 4, 277- 280 12 Do Quoc Khanh, N Trong Nghia et al “Diode-pumped passively mode-locked Nd:YVO4 laser with SESAM”, Advances in Intense laser Science & Photonics (Eds J Lee, Y kato, K Ueda, Y Kaoru etal Publishing house for Natural Science and Technology), 2010, 7, 170-176 13 Do Quoc Khanh, Phung V Tiep, N Trong Nghia et al., “High repetition rate passivelys UV solid state laser source” Advances in Intense laser Science & Học viên: Nguyễn Thành Dân 53 Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 Photonics (Eds J Lee, Y kato, K Ueda, Y Kaoru etal Publishing house for Natural Science and Technology), 2010, 7, 270-276 14 Hwang Yi-Yuh et al, “Dynamic model of multipass ultrashort-pulse laser amplifiers and its application”, Appl Opt, Vol 36, 1997, 7802 15 Mitsuhiro Yoshida, “W average power from a diode - pumped femtosecond Yb”, Optics Letters, 2010, 25 16 Nobuhiko Sarukura, Zhenlin Liu, and Yusaburo Segawa et al “Ce3+:LuLiF4 as a broadband ultraviolet amplification medium”, Optics Letters, 1995, 294 17 O Svelto, (1998), "Principles of lasers", 4th ed, New York, NY Plenium 18 P Mataloni, M Santosuosso, F Martini, “High gain amplification of femtosecond pulses with low amplified spontaneous emission in a multipass dye cell”, Applied Physics B, 52, 1991, 4, 273–276 19 W Demtröder, “Laser Spectroscopy”, 3rd Ed Springer, 2009 20 Yunfei Li, Weihong Hua, Lei Li, Hongyan Wang, Zining Yang, and Xiaojun Xu, “Experimental research of a chain of diode pumped rubidium amplifiers”, Optics Express Vol 23, Issue 20, 2015, 6, 25906-25911 Website 21 http://casix.com/product/prod_cry_ndyvo4.html 22 https://www.rp-photonics.com/regenerative_amplifiers.html 23 http://www.spectra-physics.com/products/high-energy-pulsed-lasers/ Học viên: Nguyễn Thành Dân 54 ... cứu động học khuếch đại laser Nd: YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd: YVO4. .. 35 Học viên: Nguyễn Thành Dân i Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd: YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC... số khuếch đại lần truyền qua 44 Học viên: Nguyễn Thành Dân vi Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd: YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng khuếch đại nhiều lần truyền qua 2018 MỞ ĐẦU Các laser