Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA KHOA HỌC T ự NHIÊN VÀ XÃ HỘI TRƯƠNG THỊ LUYẾN Lớp: CN Lý K2 TÌM HIỂU Cơ CHẾ BƠM LASER RẮN BẰNG LASER BÁN DAN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RAN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: TH.S NGUYÊN VĂN HẢO THÁI NGUYÊN-2 0 ỉ-ờ i c ả m n Lời khóa luận này, cho phép tơi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tồn thể thầy giáo, người truyền thụ cho chúng tơi kiến thức vơ cần thiết suốt q trình học tập vừa qua Với tình cảm chân thành, tơi xin gửi lời cảm ơn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ths Nguyễn Văn Hảo, người thầy ln tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho kiến thức, ý tưởng khoa học mẻ sâu sắc kinh nghiệm cần thiết quỷ báu suốt trình học tập hồn thành khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô cán Trung tâm Lượng tử học điện tử - Viện Vật lý & Điện tử tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực nghiệm thực khóa luận Sau cùng, tơi xin gửi tới người thân gia đình lịng biết ơn sâu sắc tồn thể bạn bè, người ln bên tơi, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Thái nguyên, ngày 29 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Trương Thị Luyến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Trang Mở đ ầu P H Ả N l L Ỷ T H U Y É T Chương I Tổng quan laser bán dẫn laser rắn 1.1 Laser bán dẫn .4 1.1.1 Sự hấp thụ xạ bán d ẫn 1.1.2 Tiếp xúc p - n 1.1.3 Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy bán dẫn 1.1.4 Buồng cộng hưởng laser bán dẫn 1.1.5 Điều kiện phát laser bán dẫn 1.1.6 Đặc trưng laser bán d ẫn 10 1.2 Laser rắn 10 1.2.1 Laser Ruby 11 1.2.2 Laser Neodym 13 Chương II Cơ chế bơm cho laser rắn 17 2.1 Các Cơ chế bơm cho laser 17 2.1.1 Bơm quang học 17 2.1.2 Bơm điện 18 2.2 Cơ chế bơm cho laser rắn 19 2.2ể1 Bơm nguồn sáng không kết hợp 19 2.2.2ẳ Bơm nguồn sáng kết hợp 24 2.3 Cơ chế bơm cho laser rắn laser bán d ẫn .25 2.3ẽ1 Nguồn bơm laser bán dẫn 25 2.3.2ễ Cấu hình bơm 27 PHÀN 2: THƯC NGHIÊM 29 Chương III: Kết thực nghiệm .29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1ẵ Thiết kế, khảo sát hệ laser rắn Nd3+: YVO bơm laser diode 29 3.2 Nghiên cứu khảo sát thông số hoạt động laser diode ATC 31 3.2.1 Khảo sát đặc trưng dòng - công suất laser diode A TC 32 3.2.2 Khảo sát đặc trưng phổ laser diode .35 3.3 Khảo sát tìm ngưỡng phát laser Nd:YV0 36 3.4 Khảo sát phụ thuộc ngưỡng phát vào hệ số phản xạ gương ra38 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Từ phát minh nay, vật lý công nghệ laser không ngừng nghiên cửu phát triển Đặc biệt nhờ tiến lĩnh vực khoa học vật liệu quang tử quang điện tử, laser ngày phát triển đa dạng chủng loại ngày đáp ứng nhu cầu sử dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực nghiên cứu khoa học ứng dụng đại Các laser rấn - mà sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp ion Neodym (Nd3+) - chiếm tỉ phần lớn Loại laser nguồn bơm quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học quang phổ Hiện nay, laser Neodym chủ yếu bơm đèn flash với hiệu suất chuyển đổi lượng laser thấp, khoảng - 2% Năng lượng đèn bơm bị mát chủ yếu dạng nhiệt, gây hiệu ứng khơng mong muốn cho mơi trường hoạt chất laser địi hỏi phải có hệ thống làm nguội phức tạp cồng kềnh Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi lượng laser thấp phổ phát xạ đèn flash có phân bố rộng so với phổ hấp thụ ion Neodym (có thể dải hấp thu hẹp khoảng nm) Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi lượng laser Neodym phương pháp nhằm cải tiến đèn flash không mang lại hiệu cao Rất may mắn, nhờ phát triển công nghệ laser bán dẫn gần đây, công suất phát laser bán dẫn đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung khoảng phổ hẹp (2 -ỉ- nm) đặc biệt phù hợp tốt với phổ hấp thụ tinh the laser Do vậy, phương pháp quang học laser bán dẫn để bơm cho laser rắn phát triển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn mạnh mẽ Phương pháp làm cho hiệu suất chuyển đổi lượng laser nâng lên đáng kể, đồng thời cấu hình - kích thước laser rắn trờ nên gọn nhiều Nhìn chung, với cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi lượng berm laser bán dẫn đạt từ % -ỉ- 60% Ngoài ra, việc berm laser bán dẫn hạn chế nhược điểm cố hữu phương pháp bơm đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt hoạt chất gây phát laser khơng ổn định, tăng độ phân kì chùm tia hấp thụ vùng tử ngoại làm phá hủy hoạt chất Chính ưu điểm phương pháp bơm quang học laser bán dẫn mà xu hướng sử dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho laser rắn phát triển mạnh Các phịng thí nghiệm vật lý (quang học quang phổ), vật liệu y sinh học đặc biệt sở đào tạo đại học nước ta có nhu cầu sử dụng laser Neodym nguồn ánh sáng kết họp nghiên cứu khoa học, ứng dụng đào tạo lớn Tuy nhiên, giá thành laser Neodym bơm đèn flash cao (30.000 -r 50.000 USD) phải mua từ nước Do vậy, có số phịng thí nghiệm có khả trang bị nguồn laser Tại Việt Nam, có phịng thí nghiệm trọng điểm Lượng tử học điện tử - Viện Vật lý & Điện tử thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam nghiên cứu phát triển hệ laser rắn bơm laser bán dẫn Vì vậy, việc nghiên cứu chế bơm laser rắn laser bán dẫn tiến hành thiết kế, xây dựng hệ laser cần thiết có nhiều ý nghĩa khoa học ứng dụng thực tiễn Nội dung khóa luận nhằm tìm hiểu chế bơm laser rắn laser bán dẫn Cụ thể nghiên cứu, xây dựng hệ laser rắn Nd 3+:YV0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn2 bơm laser diode công suất cao ATC, đồng thời tiến hành nghiên cứu đặc trưng hoạt động hệ laser rắn Do đó, nội dung khóa luận phần mờ đầu kết luận chia làm hai phần: Phần l ẻ' Lý thuyết Chương I: Tổng quan laser bán dẫn laser rắn - Cẩu trúc nguyên lý hoạt động laser bán dẫn - Cẩu trúc lượng nguyên lỷ hoạt động mức lượng ỉaser rản (Ncf+) Chương II: Cơ chế bơm cho laser rẳn - Bơm nguồn sáng không kết hợp (đèn flash, hồ quang ) - Bơm nguồn sảng kết hợp (laser) Phần 2.ề Thực nghiệm Chương III: Kết thực nghiệm - Kết thiết kế, xây dụng hệ ỉaser rắn bơm laser diode cơng suất cao sử dụng cấu hình bơm dọc - Kết nghiên cứu đặc trưng hoạt động nguồn bơm - Kết khảo sát đặc trimg công suất laser rắn (Nd3+) phụ thuộc vào công suất bơm (laser diode) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn3 KíeÁ L ị* ĩ)*í tẹc P H Ả N 7Ễ - L Ý THUYẾT CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẲN VÀ LASER RẮN 1.1 Laser bán dẫn Laser bán dẫn đặc biệt nhờ tính nhỏ gọn, hiệu suất cao, chế tạo thuận lợi Do đó, loại laser sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực [3] Để hiểu rõ laser bán dẫn xét số dịch chuyển quang học tính chất đặc trưng chất bán dẫn 1.1.1 Sự hấp thụ xạ bán dẫn Theo lý thuyết vùng lượng, chất bán dẫn có ba vùng lượng Đó vùng hoá trị, vùng cấm vùng dẫn Năng lượng E điện tử hàm xung lượng p hay vectơ sóng k biểu diễn theo biểu thức: ( 1) Hình 1.1 Cấu trúc vùng lượng bán dẫn [4] (a) Bán dẫn trực tiếp, (b) Bán dẫn gián tiếp Qrưtínạ Q hỊẨ iliạin MAp & ìl£ ặ X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Meí ỉoJỊ* tát ^ t*c Năng lượng điện tử vùng hoá trị vùng dẫn chất bán dẫn trực tiếp chất bán dẫn gián tiếp biểu diễn theo vectơ sóng k hình Ế1 Dưới tác động trường ngoài, điện tử nằm vùng hoá ứị hấp thụ lượng Khi lượng hấp thụ E > Eg điện tử dịch chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Khi đó, vùng hố trị xuất lỗ trống Điện tử địch chuyển từ vùng dẫn vùng hoá trị tái hợp với lỗ trống vùng hoá trị cho xạ tái hợp Các trình hấp thụ xạ biểu diễn hình E Phát xạ photon > k Hình 1.2 Sự hấp thụ phát xạ chất bán dẫn [4] Fc: mức giả fecmi vùng dẫn Fv: mức giả fecmi vùng hoá trị Tùy theo chất bán dẫn mà xạ tái hợp xạ tái hợp trực tiếp hay xạ tái hợp gián tiếp +) Bức xạ trực tiếp xảy bán dẫn trực tiếp Trong trình xạ tái hợp có bảo tồn lượng, xung lượng xác suất phát xạ photon lớn QniốHỊỊ Qhị M uụik - & ìl£ ặ X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn ÌÍUỊt.U lv1/ ụ ị ^ ụ c +) Bức xạ gián tiếp xảy bán dẫn gián tiếp, q trình xạ tái hợp do: xạ hai photon xạ photon kèm theo xạ hấp thụ phonon Theo thống kê Fermi - Dirac, xác suất mà trạng thái lượng E vùng dẫn vùng hoá trị bị chiếm là: (1Ể2) âó:Fc, Fv tương ứng mức giả Fermi vùng dẫn vùng hoá t r ị ; T nhiệt độ tuyệt đ ố i; k = 1,38.10'23[J/K] số Boltzmann 1.1.2 Tiếp xú c p - n Từ chất bán dẫn tạo bán dẫn loại p bán dẫn loại n tùy theo nguyên tử pha tạp Khi ta cho hai loại bán dẫn tiếp xúc với tạo lớp tiếp xúc p - n có cân mức Fermi T iế p xúc p —n F a) T iế p xúc p —n b) Hình 1.3 Sự biến đổi lượng lớp tiếp xúc p - n [8 ], a) Khi chưa có trường ngoài; b) Khi đặt trường theo phân cực thuận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn K U í.U Ị-ưt*ụụị.ì)^tỵc P H À N 2: TH Ư C N G H IÊ M CHƯƠNG III KẾT QUẢ THựC NGHIỆM 3Ế1 Thiết kế, khảo sát hệ laser rắn Nd3+: YVO4 bơm laser diode Bằng việc sử dụng cấu hình bơm dọc, chúng tơi tiến hành thiết kế xây dựng hệ laser Nd3+: YVO4 bơm laser diode công suất cao ATC Sơ đồ khối hệ laser Nd 3+:YVC>4 trình bày hình 3.1 ( 1) (2) ( 3) (4 ) (5 ) Hình 3.1 Sơ đồ hệ laser Nd3+:YV04 có buồng cộng hưởng thẳng bơm dọc laser diode Các yếu tố - quang hệ bao gồm: Laser diode (ATC; LB Nga): - Công suất phát liên tục: 0 mW - Phổ phát xạ: 805 -ỉ- 810 nm, trung tâm phổ 808 nm ( 300 K) - Dịng ngưỡng: Ing « 720 mA - Độ rộng phổ phát xạ: -i- nm - Độ rộng phân kì chùm phát xạ (WxH): 10 X 40 độ Thấu kính bom hội tụ: Chúng tơi sử dụng thấu kính vật kính kính hiển vi quang học có thơng số sau: Vật liệu thuỷ tinh BK7; Đường kính d = 10 mm; Độ dài tiêu cự f = 15 mm; Độ dày tâm thấu kính ~ mm Q n M h v < h ị£ u ụ in - M éfL m i M ú X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN 29 http://www.lrc-tnu.edu.vn \U*Á íuẨt*tứ ì)*+lạc Gương laser trước M I (TL - Germany): - Bán kính cong: Tị , Ĩ2 = 00 - Hệ số phản xạ: R = 100% (X = 1064 lìm), R &