(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà sesam để phát xung laser cực ngắn luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THỊ THANH NGA Nghiên cứu ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cc ngn luận văn thạc sĩ K THUT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG Hµ néi - 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THỊ THANH NGA Nghiên cứu ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cc ngn Mó s : 2.07.00 luận văn thạc sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Đại Hưng Hµ néi - 2006 Mở đầu MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, hệ thống thông tin quang viễn thơng phát triển nhanh chóng chất lượng, đáp ứng nhu cầu thông tin ngày tăng phát triển xã hội Các hệ thống thông tin quang chiếm lĩnh hầu hết tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông coi phương thức truyền dẫn hiệu tuyến vượt biển xuyên lục địa Các hệ thống phải đảm bảo có tốc độ truyền liệu cao, cự ly xa, cấu trúc hệ thống linh hoạt độ tin cậy cao Một khả để phát triển hệ thống thông tin quang đại sử dụng nguồn laser phát xung cực ngắn, tốc độ lặp lại xung lớn, độ tin cậy ổn định cao Có nhiều phương pháp phát xung laser ngắn có phương pháp mode-locking cho phép tạo xung laser ngắn có tốc độ lặp lại xung lớn độ ổn định cao thỏa mãn yêu cầu hệ thống thông tin quang Trong hai kỹ thuật mode-locking chủ động mode-locking thụ động, kỹ thuật mode-locking thụ động - sử dụng môi trường hấp thụ bão hòa - thường sử dụng phổ biến tạo xung ngắn tốc độ lặp lại xung cao Vì nguồn laser cho thơng tin quang có tốc độ lặp lại xung cao (nhiều GHz) nên yêu cầu kích thước buồng cộng hưởng laser nhỏ Vấn đề giải nhờ tích hợp yếu tố quang học buồng cộng hưởng laser kích thước ngắn Gần đây, yếu tố chế tạo cho kỹ thuật mode-locking thụ động gương bán dẫn hấp thụ bão hịa (SESAM) SESAM vừa đóng vai trị gương phản xạ cao buồng cộng hưởng laser, vừa mang mơi trường bán dẫn đóng vai trị chất hấp thụ bão hịa - có hệ số phản xạ phụ thuộc vào thông lượng laser buồng cộng hưởng SESAM có kích thước nhỏ điều chỉnh thơng số thời gian hồi phục, thơng lượng bão hịa, vùng phổ hấp Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Mở đầu thụ thiết kế chế tạo Hiện nay, kỹ thuật mode-locking thụ động sử dụng SESAM phương pháp hiệu để phát triển laser phát xung ngắn có tần số lặp lại cao dùng thơng tin quang Kỹ thuật có nhiều ưu điểm: tạo xung laser có độ dài từ picơgiây femtơgiây, tần số lặp lại xung cao công suất trung bình lớn Người ta thực sử dụng phương pháp để tạo xung laser có tần số lặp lại 40 GHz [15] Tại Việt Nam, chưa có sở khoa học nghiên cứu, ứng dụng phát triển hệ laser xung ngắn (picôgiây femtôgiây), đặc biệt sử dụng kỹ thuật phát xung laser ngắn SESAM Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu xây dựng hệ laser phát xung ngắn nhu cầu cần thiết có ý nghĩa lớn khoa học ứng dụng Nội dung luận văn nghiên cứu tính chất vật lý cấu trúc gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM), ứng dụng SESAM để phát xung laser cực ngắn Bản luận văn gồm ba chương: Chương 1: Giới thiệu phương pháp mode-locking để phát xung laser ngắn ứng dụng chúng đặc biệt lĩnh vực viễn thông thông tin quang Chương 2: Nghiên cứu gương bán dẫn hấp thụ bão hồ (SESAM): tính chất thơng số vật lý SESAM cấu trúc Chương 3: Nghiên cứu sử dụng gương SESAM để phát xung laser ngắn bước sóng 1064nm Khóa luận thực Phòng Quang tử Phân tử, trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý Điện tử hướng dẫn GS TS Nguyễn Đại Hưng Trong trình học tập nghiên cứu, cố gắng luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp thầy cơ, cán khoa học đồng nghiệp Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương Chương 1: Các phương pháp phát xung laser quang học cực ngắn ứng dụng Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để tạo xung laser ngắn là: kỹ thuật biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching), tách lượng buồng cộng hưởng (Dumping Cavity), phản hồi phân bố (Distributed Feedback), buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching Cavity), kích thích sóng chạy (Traveling Wave Excitation), lọc lựa thời gian-phổ (Spectro temporal selection - STS), nhiên, để đảm bảo phát xung laser ngắn tần số xung cao phải sử dụng kỹ thuật mode-locking Gần đây, kĩ thuật phát xung laser ngắn hiệu cho phép tạo xung laser ngắn cỡ picôgiây đến femtôgiây đề xuất, phương pháp tạo xung laser ngắn kĩ thuật mode-locking thụ động sử dụng gương hấp thụ bão hồ bán dẫn (SESAM) Phương pháp có ưu điểm vượt trội như: tạo xung laser ngắn (picơgiây tới femtơgiây) có tần số lặp lại, công suất độ ổn định cao với cấu hình laser thu gọn Đây đặc tính cần thiết thông tin quang Trong chương chúng tơi tập trung tìm hiểu ngun lý phương pháp tạo laser xung ngắn kĩ thuật mode-locking 1.1 Phương pháp khóa mode dọc buồng cộng hưởng (mode-locking) 1.1.1 Nguyên lý hoạt động phương pháp mode-locking Khi khơng có yếu tố lọc lựa tần số bên buồng cộng hưởng, laser dao động đồng thời với nhiều mode cộng hưởng bên profile phổ khuếch đại môi trường hoạt chất Bức xạ laser phát có độ rộng phổ định, chứa mode dọc phân bố trường hình thành buồng cộng hưởng quang học Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương Độ khuếch đại fc fR f Tần số Hình 1.1 Mơ tả mode dọc buồng cộng hưởng Hai mode dọc liên tiếp cách khoảng f  c ,trong c vận tốc 2L ánh sáng chân không, L chiều dài buồng cộng hưởng Hình 1.1 mơ tả phổ xung laser buồng cộng hưởng Quan hệ pha mode ngẫu nhiên, nhiên thực khóa pha mode dao động đồng thời đạt chồng chập phù hợp biên độ mode Khi hai điều kiện sau thỏa mãn:  Laser cần phải có số mode dọc lớn  Các mode phải đảm bảo cách tần số đồng với pha Các mode giao thoa với laser phát chuỗi xung ngắn tuần hoàn Khoảng thời gian hai xung liên tiếp thời gian mà ánh sáng laser thực chu trình buồng cộng hưởng Độ dài xung tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch khuếch đại hiệu dụng mơi trường laser, hay nói cách khác, tỷ lệ nghịch với số lượng mode laser Đây nội dung việc phát xung ngắn kỹ thuật mode-locking Kỹ thuật phụ thuộc vào phổ khuếch đại môi trường hoạt chất số lượng mode dọc tạo nên Việc khoá mode thực biến điệu quang học bên buồng cộng hưởng Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương Có hai phương pháp tạo xung ngắn kĩ thuật mode-locking phương pháp mode-locking chủ động phương pháp mode-locking thụ động 1.1.2 Phương pháp mode-locking chủ động Phương pháp mode-locking chủ động phương pháp sử dụng biến điệu đặt buồng cộng hưởng (điện quang âm quang) điều khiển tín hiệu cao tần bên để đồng xung theo thời gian chu trình buồng cộng hưởng TR Để khoá pha mode, cần tạo biến điệu tuần hồn thơng số buồng cộng hưởng với tần số bội tần số lại photon BCH Phương pháp mode-locking chủ động chia làm hai loại: sử dụng phương pháp biến điệu biên độ (AM) phương pháp biến điệu tần số (FM) [2,11] Trong phương pháp biến điệu biên độ (AM), người ta đặt thiết bị biến điệu buồng cộng hưởng Khi điều khiển thiết bị tín hiệu điện tạo điều biến biên độ hình sin ánh sáng bên buồng cộng hưởng Giả sử biên độ mode trung tâm biến điệu tuần hoàn với tần số  Cường độ sóng đơn sắc E=Ao cos (ot-kx) biến điệu tần số f= /2 (bằng biến điệu tế bào Pockels hay thiết bị âm-quang) Bộ biến điệu đặt buồng cộng hưởng với khoảng cách gương d tần số mode m = o  m.c/2d (m=0,1,2…) Nếu rìa băng (sideband) nằm lệch khỏi mode lân cận dẫn đến biến điệu biên độ trường mode Nếu rìa băng (sideband) trùng khớp với tần số mode cộng hưởng tức số biến điệu f khoảng cách mode =c/2d, có trao đổi lượng mode Sự tương tác mode dẫn đến đồng pha hay mode khóa pha Khi chúng truyền qua biến điệu bên buồng cộng hưởng, chúng biến điệu tạo rìa băng =o2f Nếu tiếp tục dẫn tới tất mode profile khuếch đại bị khóa pha tham gia vào trình hoạt động laser Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương Phương pháp mode locking chủ động biến điệu tần số (FM) sử dụng thiết bị biến điệu dựa hiệu ứng quang điện Thiết bị này, đặt buồng cộng hưởng laser điều khiển với tín hiệu điện tạo dịch tần biến thiên hình sin nhỏ có ánh sáng truyền qua Nếu tần số biến điệu phù hợp với thời gian lại buồng cộng hưởng phần ánh sáng buồng cộng hưởng có tần số lặp lại dịch lên phần ánh sáng có tần số lặp lại dịch xuống Sau lặp lại nhiều lần, thay đổi lên xuống quét hết độ rộng phổ khuếch đại laser Chỉ ánh sáng có tần số không bị thay đổi truyền qua biến điệu tức độ dịch tần tạo xung ánh sáng hẹp Số mode buồng cộng hưởng nhiều độ rộng xung mode-lock thu ngắn (N phải  3; N  δν d =2δν ) cơng suất xung mode-lock lớn Hình 1.2 Δν c mơ tả hình ảnh xung laser mode-locking phụ thuộc số lượng mode khoá pha [18] IL N=5 T=1/ a) T=2d/c t IL/10 N=15 b) t Hình 1.2 Xung laser hệ laser xung mode-locking a) với mode bị khoá b) với 15 mode bị khoá Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 1.1.3 Phương pháp mode-locking thụ động Phương pháp mode-locking thụ động đạt việc đặt hấp thụ bão hòa bên buồng cộng hưởng laser, tốt gần gương [10] Bộ hấp thụ bão hịa mơi trường có hệ số hấp thụ giảm cường độ ánh sáng truyền qua tăng; truyền xung cường độ lớn với hấp thụ nhỏ Khi hấp thụ sử dụng để mode-lock laser cịn thực biến điệu độ phẩm chất Q-switching, hai hiệu ứng xảy đồng thời Bộ hấp thụ bão hoà coi van đóng mở nhanh (fast shutter) sử dụng phương pháp mode-locking chủ động, cung cấp xung có xạ đủ lớn phép bão hòa hấp thụ ánh sáng truyền qua Thời gian hồi phục hấp thụ bão hồ phải ngắn thời gian chu trình lại buồng cộng hưởng, khơng hình thành nhiều xung Ban đầu, môi trường laser phát xạ tự phát làm tăng thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian mật độ lượng Một vài thăng giáng khuếch đại tới mức độ mà thăng giáng truyền qua hấp thụ bão hòa với suy giảm nhỏ Các cơng suất thấp thăng giáng có suy giảm mạnh bị hấp thụ, xung cơng suất lớn tạo bên buồng cộng hưởng Việc điều chỉnh nồng độ chất màu bên buồng cộng hưởng làm thăng giáng ban đầu trở thành xung hẹp liên tục bên buồng cộng hưởng, tạo thành chuỗi xung mode-lock 1.1.4 So sánh mode-locking thụ động mode-locking chủ động Trong phương pháp mode-locking chủ động, tín hiệu cao tần bên ngồi đưa vào để điều khiển biến điệu đặt bên buồng cộng hưởng nhằm đồng xung laser theo thời gian chu trình buồng cộng hưởng [7] Trong phương pháp mode-locking thụ động, biến điệu tạo trực tiếp xung laser, ví dụ nhờ “tẩy trắng (bleached)” hấp thụ bão hòa đặt buồng cộng hưởng tác dụng xung laser cường độ lớn Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương Phương pháp mode-locking thụ động có hai ưu điểm: Khơng cần đồng ngồi biến điệu thụ động cho phép tạo xung ngắn tần số xung cao nhiều Hình 1.3 So sánh mode-locking chủ động thụ động Đối với mode-locking chủ động, biến điệu độ suy hao kiểm sốt từ bên ngồi khơng thể tạo biến đổi nhanh cho profile cường độ xung Với mode-locking bị động, biến điệu độ suy hao xác định thân dạng xung, cho phép tạo cửa sổ khuếch đại tổng ngắn nhiều Các laser mode-locking chủ động thông thường có profile thời gian phổ dạng Gauss Ngược lại, phương pháp mode-locking thụ động cho profile thời gian phổ có dạng hyperbolic khơng phụ thuộc vào thời gian phản ứng hấp thụ Để khoá pha mode, phương pháp mode-locking chủ động biến điệu biên độ, biến điệu tần số hay bơm đồng bộ, va chạm xung Trong thực tế, thiết bị biến điệu điều khiển từ bên đặt bên BCH dùng để chủ động can thiệp vào biến điệu có chu kỳ độ suy hao BCH Bộ biến điệu quang - âm hay quang - điện sử dụng hiệu ứng Kerr (tế bào Pockels, tinh thể KDP) Phương pháp mode-locking chủ động nhạy với thăng giáng tần số mang (do biến điệu bên ngoài) khoảng cách hai mode dọc liên tiếp buồng cộng hưởng (c/2L), kỹ thuật mode-locking chủ động khó đạt tới chế độ xung nhỏ picô giây Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 41 buồng cộng hưởng phải lớn khoảng cách tần số hiệu số pha mode phải không đổi Buồng cộng hưởng bao gồm gương M1 gương phẳng có hệ số phản xạ cao cỡ 99% Gương M2 gương cầu có tiêu cự f=15 cm dùng để hạn chế mát nhiễu xạ buồng cộng hưởng Gương M3, M4, M5 gương phẳng có hệ số phản xạ cao Gương M6 gương cầu có tiêu cự f=7,5 cm cho phép tập trung lượng laser lên gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM Gương M7 gương có hệ số phản xạ 80% 94% bước sóng 1064nm Tinh thể Nd:YVO4 đặt giá đỡ đồng có tác dụng tỏa nhiệt Chúng sử dụng nguồn bơm laser bán dẫn thương mại phát liên tục, phát xạ laser bước sóng 808 nm có cơng suất cực đại 2,0 W Thấu kính bơm thấu kính GRIN có tiêu cự 2,5 cm Các đặc trưng số thiết bị sử dụng hệ laser 3.1.1 Nguồn bơm laser diode Nguồn bơm laser diode gồm ba phần chính: Bộ nguồn ni (LDD) cung cấp dịng bơm cho laser diode, làm mát cho laser diode (ATC-03H) đầu laser diode (ATC-C2000-808-3) 3.1.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD) Nguồn ni LDD Nga sản xuất có chức sau:  Cung cấp dòng điện ổn định cho laser diode hoạt động chế độ liên tục chế độ xung  Ổn định điều khiển nhiệt độ laser diode  Điểu khiển công suất quang laser diode (với photodiode phản hồi)  Bảo vệ laser diode khỏi nguy hiểm điện nhiễu Hình 3.2 Mặt điều khiển phía trước nguồn nuôi LDD Các thông số kỹ thuật nguồn nuôi LDD trình bày bảng 3.1 Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 42 Hình 3.2 Nguồn ni LDD-10 Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật nguồn nuôi LDD [3] Thơng số Dải điều chỉnh dịng bơm laser diode (LDPC: Laser Diode Pumping Current) Giá trị 0,18 (A) Nhiễu gợn sóng dịng bơm laser diode không 0,5% giá trị cực đại Điện áp cực đại Laser bán dẫn Nhỏ 3V Dải thay đổi thời gian xung 0,08ms  9,998ms với bước thay đổi 0,01; 1; 100ms Dải thay đổi tần số lặp lại xung 0,1 ms  9,999s với bước thay đổi 0,01; 1; 100ms Thời gian lên xuống dịng bơm khơng q 30s Dải điều chế ngồi LD PC Tần số lên tới 10 kHz, điện áp 12V, dòng lên tới 10 mA Dải tỏa nhiệt laser bán dẫn cài đặt với làm mát Peltier +5oC  +48oC bước nhảy 0.1oC Duy trì độ xác nhiệt độ Nhỏ  0.1oC Nguồn điện 220V/50Hz 110V/60Hz Công suất tiêu thụ Nhỏ 90W Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 43 3.1.1.2 Bộ làm mát cho laser diode (ATC-03H) Sử dụng để làm mát ổn định nhiệt độ cho laser diode Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật đầu làm mát ATC-03H STT Thơng số Giá trị Dịng cực đại làm mát Peltier 5,7 (A) Điện áp cực đại làm mát Peltier 4(V) Công suất cực đại làm mát Peltier 19,5 (W) Trở kháng danh định Thermistor 25oC 10K5% Điện áp cực đại quạt gió 12 (V) 3.1.1.3 Laser diode ATC-C2000-808-3 Các thông số danh định laser diode (Russia) trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Các thông số danh định laser diode ATC-C2000-808-3 Thông số (Top = 25oC) Ký hiệu Giá trị Min Bình thường Max Đơn vị Cơng suất (liên tục) PCW - 2,0 - W Bước sóng phát xạ  805 808 811 nm Độ rộng phổ (FWHM)  - - nm Hiệu suất lượng tử D 0.8 1.0 1.2 W/A Tiết diện phát xạ WxH - 200x1.0 - um Dòng ngưỡng ITH 0.3 0.5 0.75 A Dòng hoạt động IOP - 2.5 3.0 A Thế hoạt động UOP - 1.9 2.1 V Hiệu ứng nhiệt bước sóng T - 0.27 0.3 nm/K Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 44 3.1.2 Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM Trong hệ laser Nd :YVO4 bơm laser bán dẫn, sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM SE-1064-2-0 hoạt động bước sóng  = 1064nm Các thơng số gương bán dẫn hấp thụ bão hồ SESAM Bảng 3.4 Thơng số SESAM SE-1064-2-0,  = 1064 nm  = 1064 nm Dải phổ phản xạ cao (R > 99%)  = 1020 1110 nm Hấp thụ bão hòa A0 = 2% Thơng lượng bão hịa Fsat = 70 J/cm2 Thời gian hồi phục  = 20 ps Mất mát khơng bão hịa Ans < 0.3% Diện tích SESAM 5mm x 5mm Chiều dày SESAM 350 m Hệ số phản xạ (%) Bước sóng laser Bước sóng (nm) Hình 3.3 Hệ số phản xạ SESAM SE-1064-2-0,  = 1064 nm Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 45 3.2 Sơ đồ thí nghiệm Dao động ký Máy tính Đầu đo lượng Photodiode M6 M7 Hệ autocorrelator SESAM M5 M3 Gương tách chùm S ES Nhân quang điện AM M4 M1 M2 Laser bán dẫn Nd:YVO4 Thấu kính GRIN Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm hệ laser Nd:YVO4 Các tính kỹ thuật: • Bơm: CW diode Laser • Bước sóng: 1064 nm • Ðộ rộng xung: 13 ps • Cơng suất trung bình: 540 mW • Tốc độ xung lặp lại: 30 - 100 MHz (theo yêu cầu) Hình 3.5: Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM bơm liên tục laser diode xây dựng phòng thí nghiệm Quang tử-Phân tử-Viện Vật lý Điện tử Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 46 Để tiến hành khảo sát đặc trưng laser Nd:YVO4, chúng tơi bố trí thí nghiệm hình 3.4 Xung laser đưa tới gương tách chùm với hệ số phản xạ R=50% để tách thành hai chùm, chùm đưa tới đầu thu lượng để đo lượng cơng suất xung laser Chùm laser cịn lại đưa tiếp tới gương tách chùm đưa tới hệ đo autocorrelation để đo độ rộng xung, chùm lại đưa vào photodiode để hiển thị dạng xung dao động ký 3.3 Các kết thực nghiệm 3.3.1 Độ rộng xung laser mode-locking thụ động Việc xác định độ rộng xung laser mode-locking thực hệ đo autocorrelator [4,5] sử dụng hiệu ứng phát hoạ ba bậc hai không đồng trục tinh thể phi tuyến KDP Theo kết đo được, độ rộng vết autocorelator 20 ps Với giả thiết dạng xung đo có dạng sech2, độ rộng xung laser mode-locking thực tế cỡ 13 ps VÕt tù t-¬ng quan xung laser Nd:YVO4 mode-locking 3000 Intensity (mW) Cường độ (mW) 2500 2000  = 20ps 1500 1000 500 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 Time (ps) Thời gian (ps) Hình 3.6 Vết tự tương quan xung laser mode-locking thụ động Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 47 3.3.2 Tần số lặp lại xung Với SESAM sử dụng buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 hình 3.4, ta tạo xung laser có tần số lặp lại từ 30 MHz tới 100 MHz Hình 3.7 chuỗi xung laser thu dao động ký với tần số lặp lại xung f = 65 MHz f = 77 MHz f = 100 MHz Hình 3.7 Xung laser đo dao động ký Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 48 3.3.3 Công suất laser mode-locking Việc khảo sát công suất laser thực đầu đo lượng (Melles Griot 13PME001), độ phân giải 10 W Để khảo sát công suất laser mode-locking theo hệ số phản xạ gương ra, sử dụng hai gương có hệ số phản xạ R=80% R=94% làm gương buồng cộng hưởng laser Với gương buồng cộng hưởng, thay đổi công suất bơm đo công suất laser, ta thu kết bảng 3.5 Bảng 3.5: Kết đo đặc trưng công suất với R  80% R  94% R = 80% Công suất bơm Công suất laser Pp(mW) Pout(mW) R = 94% Công suất Công suất bơm laser Hiệu suất Pp(mW) Hiệu suất Pout(mW) 494 178 0.360324 583 153 0.262436 583 216 0.370497 770 207 0.268831 676 260 0.384615 950 260 0.273684 770 300 0.38961 1130 316 0.279646 860 338 0.393023 1310 374 0.285496 950 380 0.4 1500 445 0.296667 1030 424 0.41165 1690 505 0.298817 1130 461 0.407965 1890 564 0.298413 1220 506 0.414754 1310 548 0.418321 1400 593 0.423571 1500 629 0.419333 1600 678 0.42375 1690 726 0.429586 Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 49 1790 766 0.427933 1890 813 0.430159 1990 858 0.431156 2090 905 0.433014 1000 800 700 Y Axis Title Công suất phát (mW) 900 600 500 400 R=80% R=94% 300 200 100 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 X Axis Title Công suất bơm (mW) Hình 3.8 Đặc trưng cơng suất laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động Với kết thu ta thấy gương có hệ số phản xạ R=80%, công suất xung laser lớn công suất phát gương có hệ số phản xạ R=94% Do giảm hệ số phản xạ gương ra, mát buồng cộng hưởng tăng lên, làm cho ngưỡng phát laser tăng lên, cơng suất phát tăng lên Công suất phát laser phụ thuộc tuyến tính vào cơng suất bơm Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Kết luận 50 KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) sử dụng kỹ thuật phát xung laser ngắn kỹ thuật mode-locking thụ động, luận văn “Nghiên cứu ứng dụng gương hấp thụ bão hòa SESAM để phát xung laser ngắn” thu kết sau:  Nghiên cứu phân tích kỹ thuật mode-locking chủ động kỹ thuật mode-locking thụ động để phát triển laser xung cực ngắn dùng thông tin quang  Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, thông số vật lý cấu trúc gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) kỹ thuật mode-locking thụ động phát laser xung cực ngắn  Nghiên cứu sử dụng thành công gương SESAM buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 bơm laser diode, để phát xung laser cực ngắn 13 ps tần số lặp lại cao (100 MHz) bước sóng 1064 nm  Nghiên cứu đặc trưng thông số hệ laser Nd:YVO4 bơm băng laser bán dẫn, hoạt động chế độ mode-locking thụ động SESAM Lần đầu tiên, hệ laser Nd: YVO4 phát xung cực ngắn sử dụng kỹ thuật phát xung laser ngắn đại, kỹ thuật mode-locking sử dụng gương hấp thụ bão hoà bán dẫn (SESAM) bơm liên tục laser diode, chế tạo thành công Việt Nam Hệ laser phát ổn định xung laser ngắn cỡ 13 picogiây, tần số xung lặp lại thay đổi từ 30 MHz đến 100 MHz bước sóng 1064 nm Tại tần số xung 44,5 MHz cơng suất laser trung bình đạt 940 mW tương ứng với hiệu suất laser 43% Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Kết luận 51 Đây kết việc sử dụng SESAM để phát triển chế tạo laser rắn mode-locking phát xung ngắn tần số lặp lại cao Để định hướng cho việc nghiên cứu phát triển các laser rắn phát xung ngắn, tần số lặp lại cao dùng thông tin quang - thiết kế cấu hình buồng cộng hưởng quang học có kích thước nhỏ (mm) sử dụng SESAM, bơm liên tục laser diode, phát xung laser mode-locking cực ngắn với tần số xung cao tới GHz, sử dụng vật liệu laser phát xạ vùng bước sóng từ 1530 nm đến 1565 nm Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Tài liệu tham khảo 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Chử Thị Thu Hà (2005), "Các kết nghiên cứu ban đầu laser vi cầu thủy tinh Silica Aluminium pha tạp đất Erbium", Luận văn thạc sỹ [2] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (1999), “Vật lý laser ứng dụng”, Đại học khoa học tự nhiên [3] Đỗ Quốc Khánh (2004), “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode”, Luận văn thạc sỹ vật lý [4] Lê Hoàng Hải (2004), "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 [5] Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích (2005), “Thiết bị linh kiện quang học, quang phổ laser”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội [6] Nguyễn Trọng Nghĩa, Đỗ Quốc Khánh, Trần Việt Phương, Lê Thị Thanh Nga, Phạm Long, Nguyễn Đại Hưng (2005), "Các đặc trưng laser Nd:YVO4 phát liên tục, hiệu suất cao bơm laser bán dẫn", Hội nghị vật lý toàn quốc [7] Phạm Long (2005), “Vật liệu màu hữu công nghệ laser màu xung ngắn”, Luận án tiến sỹ [8] Vũ Văn San (2003), "Hệ thống thông tin quang", T2, Nhà xuất Bưu Điện Tiếng Anh [9] B.E.A Saled & M.C Teich (1991), “Fundamentals of Photonics”, Part 2, J.W Goodman Press [10] Craig A Williamson (2003), “Mode locking of novel semiconductor lasers”, [11] Encyclopedia of laser physics and technology, http://www.rp-photonics.com Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Tài liệu tham khảo 53 [12] http://www.batop.de/informations [13] L.D Jung, F.X Kärtner, N Matuschek, D.H Sutter, F.Morier-Genoud, Z Shi, V Scheuer, M Tilsch, T Tschudi, U.Keller (1997), “Semiconductor saturable absorber mirrors supporting sub-10-fs pulses”, Appl Phys B 65, 137-150 [14] M Haiml, R Grange, U Keller (2004), “Optical characterization of semiconductor saturable absorbers”, Appl Phys B79, 337-339 [15] Steve Lecomte, Markus Kalisch, Lukas Krainer, Gabriel J.Spühler, Rüdiger Paschotta, Matthias Golling, Dirk Ebling, Ursula Keller (2005), "DiodePumped Passively Mode-locked Nd:YVO4 lasers with 40 GHz repetition rate", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol 41, No 1, 45-52 [16] Ursula Keller (1996), “Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM’s) for Femtosecond to Nanosecond pulse generation in solid-state lasers”, IEEE J Quantum Electron Vol 2, No 3, 435-453 [17] Ursula Keller (2003), “Recent developments in compact ultrafast lasers”, Nature Vol 424, 831-838 [18] Wolfgang Demtröder (1998), “Laser Spectroscopy - Basic Concepts and Instrumentation”, Second Edition, Springer Press [19] B.G Kim, E.Garmire, S.G Hummel, and P.D Dapkus (1989) “Nonlinear Bragg reflector based on saturable absorption”, Appl.Phys Lett., vol.54, 1095-1097 [20] I.D Jung, F.X Kartner, N Matuschek, D.H Sutter, F Morier-Genoud, G.Zhang, U Keller, V.Scheuer, M Tilsch, T.Tschudi (1997), “Self-starting 6.5-fs pulses from a Ti:sapphire laser”, vol.22, No 13, 1009-1011 [21] I.D Jung, L.R Brovelli, M.Kamp, U.Keller and M Moser (1995) “Scaling of the antiresonant Fabry-Perot saturable absorber design toward and thin saturable absorber” Opt.Lett, vol.20, 1559-1561 Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN MỤC LỤC Mở đầu .1 Chương 1: Các phương pháp phát xung laser quang học cực ngắn ứng dụng 1.1 Phương pháp khóa mode dọc buồng cộng hưởng (mode-locking) 1.1.1 Nguyên lý hoạt động phương pháp mode-locking 1.1.2 Phương pháp mode-locking chủ động .5 1.1.3 Phương pháp mode-locking thụ động 1.1.4 So sánh mode-locking thụ động mode-locking chủ động .7 1.2 Các ứng dụng xung laser cực ngắn 10 1.2.1 Ứng dụng xung laser cực ngắn vật lý, sinh học hóa học 11 1.2.2 Ứng dụng laser xung ngắn thông tin quang 12 Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 2.1 Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM 19 2.2 Các cấu trúc gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) .21 2.2.1 Cấu trúc điển hình gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) 21 2.2.2 Các loại gương sử dụng SESAM 21 2.2.3 Các cấu trúc khác SESAM .26 2.3 Các thông số SESAM 36 2.3.1 Thông lượng bão hòa .37 2.3.2.Cường độ bão hòa Isat 37 2.3.3 Độ sâu biến điệu .37 2.2.4 Các mát chưa bão hòa .38 2.2.5 Thời gian hồi phục hấp thụ .38 Chương 3: Sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM để phát xung laser cực ngắn bước sóng 1,064 m 3.1 Xây dựng cấu hình buồng cộng hưởng hệ laser Nd:YVO4 sử dụng SESAM bơm laser bán dẫn 40 3.1.1 Nguồn bơm laser diode 41 3.1.2 Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM 44 3.2 Sơ đồ thí nghiệm 45 3.3 Các kết thực nghiệm 46 3.3.1 Độ rộng xung laser mode-locking thụ động 46 3.3.2 Tần số lặp lại xung 47 3.3.3 Công suất laser mode-locking 48 Kết luận 50 Tài liệu tham khảo 52 ... LÊ THỊ THANH NGA Nghiên cứu ứng dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà Sesam để phát xung laser cc ngn Mó s : 2. 07. 00 luận văn th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: GS TS... Đáp ứng xung lớp hấp thụ bão hoà [16] Luận văn thạc sỹ ĐTVT-ĐHCN Chương 40 Chương 3: Sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM để phát xung laser cực ngắn bước sóng 1,064 m Từ việc nghiên cứu. .. (mW) 900 600 500 400 R=80% R=94% 300 20 0 100 400 600 800 1000 120 0 1 400 1 600 1 800 20 00 22 00 X Axis Title Công suất bơm (mW) Hình 3.8 Đặc trưng cơng suất laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động Với