Đặc trưng động học của laser cr lisaf được bơm bằng laser diode

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - PHẠM HỒNG TRƯỜNG ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC CỦA LASER Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC Mã số: 60 44 01 09 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đoàn Hoài Sơn Nghệ An, 2016 LỜI CẢM ƠN Lời cho xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học TS.Đoàn Hoài Sơn – người trực tiếp hướng dẫn tơi suốt thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn Sự nhiệt tình, tận tâm dẫn thầy yếu tố quan trọng góp phần giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến quý thầy, cô giảng dạy tận tình dẫn tơi suốt q trình học tập Tơi xin gởi lời cảm ơn đến Phịng Sau Đại học, khoa Vật Lý Công Nghệ trường ĐH Vinh tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập Tơi xin gởi lời cảm ơn đến BGH tổ môn Vật Lý Công nghệ trường THPT Nghi Lộc (nơi công tác) tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập giảng dạy Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên giúp đỡ tơi q trình học tập thực luận văn Vinh, tháng năm 2016 Tác giả Phạm Hồng Trường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU RẮN Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER 13 1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF 14 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 14 1.1.2 Cấu trúc lượng ion Cr3+ 15 1.1.3 Nguyên lý điều kiện hoạt động laser Cr:LiSAF 19 1.2 Buồng cộng hưởng laser Cr:LiSAF 22 1.2.1 Buồng cộng hưởng laser băng rộng 22 1.2.2 Buồng cộng hưởng laser băng hẹp 22 1.2.2.1 Laser băng hẹp sử dụng cách tử nhiễu xạ 23 1.2.2.2 Laser băng hẹp sử dụng lăng kính 25 1.2.2.3 Laser băng hẹp sử dụng phin lọc lưỡng chiết 26 1.3 Nguồn bơm cho laser rắn 28 1.3.1 Bơm đèn 29 1.3.2 Bơm laser diode 30 1.3.2.1 Bơm ngang laser diode 32 1.3.2.2 Bơm dọc laser diode 33 1.4 Kết luận: 35 CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG XUNG LASER DIODE 36 2.1 Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng 36 2.2 Động học laser Cr:LiSAF băng rộng sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng 40 2.2.1 Nghiên cứu dao động hồi phục độ BCH laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung laser diode 42 2.2.1.1 Ảnh hưởng lượng xung bơm lên dao động hồi phục 43 2.2.1.2 Ảnh hưởng thông số BCH lên dao động hồi phục 44 2.2.1.3 Phát xung laser đơn ngắn nhờ trình độ BCH 47 2.2.2 Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng bơm xung laser diode 50 2.3 Động học phổ laser rắn Cr:LiSAF băng hẹp 53 2.4 Kết luận 57 KẾT LUẬN CHUNG 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC………………………………………………………… 61 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: Ii (X) Cường độ laser bước sóng X [cm-2µs-1] X Bước sóng laser [nm] Ng Mật độ tích lũy trạng thái kích thích mơi trường laser .[cm-3] N Mật độ ion toàn phần môi trường laser [cm-3] N0 Mật độ tích lũy trạng thái môi trường laser [cm-3] Rp Tốc độ bơm đơn vị thể tích [cm-3µs-1] PP Cơng suất bơm bước sóng bơm [W] Pth Công suất ngưỡng laser [mW] λP Bước sóng bơm [nm] rP Bánh kính vết bơm [cm] τP Độ rộng xung bơm [µs] τg Thời gian sống huỳnh quang mơi trường laser [µs] τa Thời gian sống huỳnh quang chất hấp thụ bão hòa [µs] τc Thời gian sống photon BCH [µs] Tr Thời gian lại photon BCH [µs] lg Độ dài môi trường laser [cm] la Độ dài chất hấp thụ bão hòa [cm] L Chiều dài BCH [cm] ng Chiết suất môi trường laser na Chiết suất môi trường chất hấp thụ bão hòa δ Mất mát buồng cộng hưởng δ1 Các mát khác hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ R1 Hệ số phản xạ gương M1 bước sóng laser (R1=1) R2 Hệ số phản xạ gương bước sóng laser r Bán kính cong gương cầu [mm] Toc Tốc độ truyền qua gương i Hằng số đặc trưng cho xạ tự phát bước sóng λi [cm.µs-2] σgai(λi) Tiết diện hấp thụ môi trường laser λi [cm2] σgei(λi) Tiết diện phát xạ cưỡng môi trường laser λi [cm2] σp Tiết diện phát xạ hấp thụ môi trường laser λp [cm2] Na0 Mật độ tích lũy tồn phần chất hấp thụ bão hịa [cm-3] T0 Độ truyền qua ban đầu chất hấp thụ bão hòa [%] Na Mật độ tích lũy trạng thái chất hấp thụ bão hòa [cm-3] α Hệ số hấp thụ bước sóng bơm λp [cm-1] h Hằng số Planck [J.µs] c Tốc độ ánh sáng chân không [cm/µs] k Số bước sóng (tham gia vào tính tốn)  Tổng theo bước sóng Eout Năng lượng laser [µJ] Ep Năng lượng bơm [µJ] A Góc quay BF (góc điều chỉnh) [0] d Độ dày BF [mm]  Góc trục quang học bề mặt BF [0] Các chữ viết tắt: BCH Buồng cộng hưởng BF Phin lọc lưỡng chiết (Birefringent filter) Q-switching Biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng Colquiriite Họ chất fluoride (LiSAF, LiCAF LiSGAF) LD Laser diode DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục Bảng biểu: Trang Bảng 1.1 Thông số số mơi trường laser điều chỉnh bước sóng [18] 17 Bảng 1.2: Các môi trường laser rắn nguồn bơm laser diode [10]: 32 Bảng 2.1 Các tham số sử dụng tính tốn [8,12] 41 Danh mục Hình vẽ: Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể LiSAF LiCAF 15 Hình 1.2 Phổ phát xạ phổ hấp thụ laser Cr: LiSAF[ 12] 18 Hình 1.3 Giản đồ mức lượng ion Cr3+trong colquiriite sơ đồ tương đương mức cho hoạt động laser [12] 18 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động laser chế độ mức [12] 19 Hình 1.5 Giản đồ BCH laser Cr:LiSAF băng rộng [12] 23 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Sơ đồ BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp sử dụng cách tử cấu hình Littrow [8] Giản đồ BCH laser Cr: LiSAF băng hẹp sử dụng cách tử cấu hình Littman-Metcafln [8] Sơ đồ cấu hình BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp sử dụng lăng kính [12] Cấu hình BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp sử dụng phim lọc lưỡng chiết BF[12] Thanh lase rắn bơm (a) ngang (b) dọc laser diode với mode BCH bên tinh thể[12] Các cấu hình BCH laser Cr:LiSAF bơm dọc laser diode [11] 25 26 27 28 33 35 Hình 2.1 Cấu hình laser rắn Cr: LiSAF bươm laser diode[10,12] 37 Hình 2.2 Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng 41 rộng bơm xung laser diode Các thông số BCH, môi trường laser bơm L=50 cm, R1=1, R2=0,95, lg=0,4 cm, N=2,6.1020 cm-3, τp=100µs, rp=15µs, λp=660 nm Ep=12µJ [12] Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào lượng xung bơm L=50 cm R2= 0,8 Trục bên trái diễn Hình 2.3 tả cường độ laser I(t) trục bên phải đồ thị biểu diễn mật độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) mơi trường laser a) Ep=11 µJ; b) Ep=13 µJ; c) Ep=25 µJ; 43 d) Ep=500 µJ [12] Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào hệ số phản xạ gương R2 L=50 cm Ep= 25µJ Trục bên trái Hình 2.4 diễn tả cường độ laser I(t) trục bên phải đồ thị biểu 45 diễn mật độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) môi trường laser a) R2=0,6; b) R2=0,7; c) R2=0,8; d) R2=0,99; [12] Cường độ laser Cr:LiSAF phát theo thời gian phụ thuộc vào chiều dài BCH R2=0,8 Ep=13µJ Trục bên trái diễn tả cường Hình 2.5 độ laser I(t) trục bên phải đồ thị biểu diễn nghịch đảo 46 độ tích lũy Ng(t) môi trường laser a) L=5 cm; b) L=20 cm; c) L=50 cm; d) L=100 cm; [12] Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH laser Cr:LiSAF với hệ số phản xạ gương R2=0,5 Hình 2.6 lượng xung bơm gần ngưỡng Ep=31,1 µJ Độ rộng xung 48 lượng xung đơn hàm chiều dài BCH hình phía [12] a) Độ rộng xung bơm b) lượng xung đơn laser rắn Hình 2.7 Cr:LiSAF phụ thuộc vào hệ số phản xạ gương R2 độ 49 dài BCH khác [12] Hình 2.8 Ảnh hưởng lượng xung bơm Ep lên tiến trình phổ - thời 51 gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode L=50 cm R2=0,8 a) Ep=11µJ; b) Ep=13µJ; c) Ep=25µJ; d) Ep=500µJ; [12] Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên tiến trình phổ - thời Hình 2.9 gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode L= 50 cm Ep=25 µJ a) R2=0,6; R2=0,7; c) R2=0,8; b) 53 d) R2=0,99 [12] Ảnh hưởng chiều dài BCH lên tiến trình phổ - thời gian Hình 2.10 phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode R2=0,8 Ep=13µJ L= 50 cm; a) L= cm; b) L= 20 cm; c) 53 d) L= 100 cm; [12] Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF điều chỉnh liên tục bước sóng Hình 2.11 nhờ sử dụng BF đặt BCH bơm laser 54 diode [8],[12] Động học laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng BF đặt BCH (L=50 cm, R2=0,95, Pp= 100 mW BF có độ Hình 2.12 dày d= 0,3 mm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 A = 47,70) a) Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp, 55 b) Các dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc thời gian, c) Phổ laser phân tích phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp a) Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày BF (với độ dày thay đổi từ 0,2- mm tỷ lệ độ dày r = Hình 2.13 1:2:3:4) b) dải điều chỉnh liên tục bước sóng laser 56 Cr:LiSAF băng hẹp từ 780 ÷ 920 nm nhờ sử dụng BF BCH.[12] Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp vào Hình 2.14 độ dày BF (với độ dày thay đổi từ 0,1 ÷ mm tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) đặt BCH.[12] 57 MỞ ĐẦU Sự đời LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) thành tựu khoa học quan trọng kỷ XX Trong năm gần đây, khoa học - công nghệ laser phát triển mạnh mẽ đạt thành tựu có ảnh hưởng trực tiếp lên lĩnh vực khác khoa học, công nghệ đời sống xã hội Các loại laser rắn mà laser Neodymium nguồn kích thích quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học - quang phổ So với laser màu laser rắn có ưu điểm nhỏ gọn, hạn chế độc hại cho phép phát xung với lượng lớn Năm 1989, Payne cộng người phát môi trường laser rắn tinh thể thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha tạp ion Chromium Đây môi trường laser rắn lý tưởng quan tâm đặc biệt có phổ phát xạ băng rộng (200nm) tạo cho khả điều chỉnh bước sóng vùng hồng ngoại gần phát xung laser cực ngắn với thời gian sống huỳnh quang dài Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ laser diode, công suất phát laser diode đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung khoảng phổ hẹp, phù hợp với phổ hấp thụ tinh thể laser Do vậy, phương pháp bơm quang học laser diode để bơm cho laser rắn phát triển mạnh mẽ Phương pháp làm cho hiệu suất chuyển đổi lượng nâng lên đáng kể, đồng thời cấu hình laser trở nên gọn Với cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi lượng bơm laser diode đạt từ 10% ÷ 80% Laser rắn phát xung ngắn điều chỉnh bước sóng ý phát triển thiết bị quan trọng khoa học - công nghệ Những năm 48 chiều dài BCH L = cm Tuy nhiên, chiều dài BCH tăng lên > 22 cm dao động laser khơng cịn xuất Điều giải thích tương tự Mục 2.2.1.2 (Ảnh hưởng chiều dài BCH lên dao động hồi phục) Chiều dài BCH tăng lên làm độ rộng xung đơn tăng lên chiều dài BCH tăng, thời gian sống photon BCH tăng lên độ rộng xung laser lại tỉ lệ với thời gian sống photon BCH làm xung laser dài Hình 2.6: Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH laser Cr:LiSAF với hệ số phản xạ gương R2=0,5 lượng xung bơm gần ngưỡng Ep=31,1 µJ Độ rộng xung lượng xung đơn hàm chiều dài BCH hình phía [12] • Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương Xuất phát từ hệ phương trình tốc độ đa bước sóng, chúng tơi tính tốn, khảo sát 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 Các kết tính tốn thu được biểu diễn Hình 2.7 Kết thu cho thấy, R2 tăng từ 0,2 đến 0,9, độ rộng xung đơn 49 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 µJ 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 Hình 2.7: a) Độ rộng xung bơm b) lượng xung đơn laser rắn Cr:LiSAF phụ thuộc vào hệ số phản xạ gương R2 độ dài BCH khác [12] Sự xuất dao động hồi phục kết thu xung laser đơn không quan sát riêng mơi trường laser rắn Cr:LiSAF mà xuất nhiều môi trường laser rắn khác nhau, chẳng hạn Nd:YVO4, Cr:Al2O3 Ti:saphire Bằng chứng thực nghiệm tượng dao động hồi phục kết thu xung laser đơn laser rắn Nd:YVO4 bước sóng 1064 nm điều kiện BCH laser bơm xung laser diode nhờ phương pháp độ BCH Các kết thực nghiệm việc ứng dụng tượng dao động hồi phục phát xạ laser rắn Nd:YVO4 để phát xung laser đơn ngắn bơm xung laser diode có độ rộng 100 µs cho thấy: xung laser đơn phát ngắn đến 93 ns tần số gần kHz đạt cách chọn tham 50 số BCH mức bơm thích hợp Tuy nhiên, tần số xung bơm > kHz, độ rộng xung đơn laser Nd:YVO4 phụ thuộc vào tần số xung bơm ảnh hưởng thời gian sống huỳnh quang tâm hoạt chất (ion Nd3+) Chi tiết đặc điểm nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trình bày [12] 2.2.2 Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng 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 Cr:LiSAF Để nghiên cứu ảnh hưởng lượng bơm tham số BCH lên tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng bơm xung laser diode, giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng (2.3) (2.4) sử dụng tham số Bảng 2.1 Các kết tính tốn trình bày hình vẽ từ 2.8 đến 2.10, đó: +) Hình 2.8 ứng với tham số: L = 50 cm; R2 = 0,8 lượng bơm thay đổi từ 11 µJ đến 500 µJ +) Hình 2.9 ứng với tham số: L = 50 cm; Ep = 25 µJ hệ số phản xạ gương R2 thay đổi từ 0,6 đến 0,99 +) Hình 2.10 ứng với tham số: R2 = 0,8; Ep = 13 µJ chiều dài BCH thay đổi từ L = cm đến 100 cm Các hình từ Hình 2.8 đến Hình 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 đầu Mục 2.2 Mục 2.2.1, nhiên, động học phổ phát xạ 51 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 xuất mạnh có thời gian dao động dài 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) 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 R2=0,8 a) Ep=11µJ; ii) b) Ep=13µJ; c) Ep=25µJ; d) Ep=500µJ; [12] Ln ln tồn xung đơn ngắn hai phía sóng ngắn 52 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 cd Hình 2.10 b-c-d) [10] iii) Khi tăng hệ số phản xạ gương nhận tượng với tăng lượng bơm cho laser Cr:LiSAF (Hình 2.9) Các tượng tương tự laser rắn Cr:LiSAF Cr:LiCAF băng rộng tài liệu [10,12] Hình 2.9: Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên tiến trình phổ - thời gian 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 [12] 53 Hình 2.10: Ảnh hưởng chiều dài BCH lên tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng bơm xung diode R2=0,8 Ep=13 µJ a) L= cm; iv) b) L= 20 cm; c) L= 50 cm; d) L= 100 cm; [12] Khi chiều dài BCH ngắn, dao động hồi phục xuất mạnh bước sóng gần đỉnh phổ khuếch đại môi trường laser Khi tăng chiều dài BCH, độ rộng phổ laser rộng (Hình 2.10) Điều giải thích ta ý tới hiệu ứng lọc phổ Fabry - Perot: tăng chiều dài BCH, thời gian để xạ truyền hết chu trình BCH tăng, làm giảm số lần lại xạ nên lọc lựa xạ giảm theo, vậy, phổ laser rộng Điều chứng tỏ tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng phụ thuộc mạnh vào tham số BCH bước sóng 2.3 Động học phổ laser rắn Cr:LiSAF băng hẹp Ưu điểm bật laser vibronic khả điều chỉnh liên tục bước sóng dải phổ rộng Rõ ràng việc ứng dụng hệ laser Cr:LiSAF tăng lên ta chứng tỏ khả phát xạ laser đơn sắc điều chỉnh liên tục bước sóng Trong phần chúng tơi trình bày việc nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng hẹp điều chỉnh bước sóng 54 nhờ sử dụng phin lọc lưỡng chiết BF đặt bên BCH Hình 2.11 giản đồ BCH laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng BF đặt BCH bơm xung laser diode Để nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng hẹp, chúng tơi giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng (2.3) dải phổ từ 780 - 920 nm chương trình phần mềm viết ngơn ngữ Matlab 8.5 Hình 2.11:Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF điều chỉnh liên tục bước sóng nhờ sử dụng BF đặt BCH bơm laser diode [8],[12] Các tham số sử dụng tính toán số nhờ phần mềm Matlab hoạt động laser Cr:LiSAF băng hẹp bao gồm công suất bơm Pp = 100 mW; chiều dài BCH L = 50 cm; hệ số phản xạ gương R2 = 0,95; độ dày BF thay đổi từ d = 0,1 - mm; p = 0o góc điều chỉnh A = 28o 54o Các tham số khác sử dụng tính tốn lấy từ Bảng 2.1 Trong trường hợp này, tổng mát BCH bao gồm mát gương ra, mát phụ thuộc bước sóng BF mát khác cho biểu thức sau [12]:       ln  R1R2 T     1 đó, T (λ) độ truyền qua BF phụ thuộc vào bước sóng laser 55 Hình 2.12: Động học laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng BF đặt BCH (L=50 cm, R2=0,95, Pp= 100 mW BF có độ dày d= 0,3 mm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 A = 47,70) a) Tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp, b) Các dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc thời gian, c) Phổ laser phân tích phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp [12] Hình 2.12 mơ tả q trình động học phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng BF theo tỉ lệ độ dày r = 1:2:3:4 (trong có độ dày d = 0,3 mm) đặt BCH góc tới Brewster, bơm xung laser diode có độ rộng xung 100 µs Laser điều chỉnh tới bước sóng ~ 881,15 nm ứng với góc điều chỉnh A = 47,7o BF Kết cho thấy, phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp có đầy đủ đặc điểm xạ laser Cr:LiSAF băng rộng Laser rắn Cr:LiSAF chế độ làm hẹp phổ tới ~ 0,17 nm sử dụng BF với tỉ lệ độ dày r = 1:2:3:4, độ dày d = 0,3 mm 56 Hình 2.13: a) Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày BF (với độ dày thay đổi từ 0,2- mm tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) b) dải điều chỉnh liên tục bước sóng laser Cr:LiSAF băng hẹp từ 780 ÷ 920 nm nhờ sử dụng BF BCH.[12] Hình 2.14: Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp vào độ dày BF (với độ dày thay đổi từ 0,1 ÷ mm tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) đặt BCH.[12] Hình 2.13-a phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp hàm độ dày BF khác thay đổi từ d = 0,2 - mm tỷ lệ độ dày r = 57 1:2:3:4 A = 47,7o đặt BCH Hình 2.13-b biểu diễn dải điều chỉnh liên tục bước sóng dải phổ từ 780 - 920 nm nhờ quay BF góc điều chỉnh A = 27,7o - 54o Hình 2.14 biểu diễn phụ thuộc độ rộng phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp vào độ dày BF sử dụng với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 Kết cho thấy, độ rộng vạch phổ laser làm hẹp xuống 0,05 nm sử dụng BF với độ dày mm Chúng ta tạo xung laser đơn ngắn với độ rộng phổ hẹp sử dụng kết hợp yếu tố chọn lọc phổ (chẳng hạn BF ) đặt BCH phương pháp độ BCH Nhờ quay BF góc điều chỉnh khác (sao cho phổ truyền qua BF nằm phổ khuếch đại môi trường laser), người ta thu vạch phổ hẹp bước sóng mong muốn Như vậy, thấy laser Cr:LiSAF hoạt động chế độ băng hẹp (với độ đơn sắc cao) điều chỉnh liên tục bước sóng cho xung đơn, ngắn nhờ lựa chọn tham số BCH thích hợp kết hợp với việc bơm gần ngưỡng 2.4 Kết luận Chương tìm hiểu trình động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng băng hẹp bơm xung laser diode nhờ sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng Kết cho thấy, tồn tiến trình phổ - thời gian phát xạ laser Cr:LiSAF, cường độ laser khơng hàm thời gian mà cịn hàm bước sóng Ngoài ra, dao động hồi phục xảy mạnh có cường độ tắt dần quan sát bước sóng laser rắn Cr:LiSAF bơm xung laser diode, trình chất cố hữu phát xạ laser băng rộng môi trường laser mở rộng đồng Các kết thu chứng tỏ rằng: động học laser rắn Cr:LiSAF bị ảnh hưởng mạnh không thông số môi trường laser mà cịn thơng số bơm thơng số BCH Khi ta lựa chọn tham số bơm BCH 58 giá trị thích hợp, laser Cr:LiSAF phát xung đơn, ngắn (ngắn hàng nghìn lần so với xung bơm 100 µs) nhờ phương pháp độ BCH Các kết nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng hẹp khả phát xạ có độ đơn sắc cao (hàng GHz) khả điều chỉnh bước sóng dải phổ rộng (hàng trăm nm) 59 KẾT LUẬN CHUNG Đề tài luận văn “Đặc trưng động học Laser Cr:LiSAF bơm laser diode” nghiên cứu đạt kết sau đây: -Đã tìm hiểu và tập hợp thơng tin tổng quan vật lý công nghệ vật liệu laser rắn Cr:LiSAF, làm sáng tỏ vấn đề vật lý nghiên cứu phát triển laser thuộc họ colquiriite pha tạp ion Cr3+ - Tìm hiểu 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 - Các kết 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 - Khi ta lựa chọn tham số bơm BCH giá trị thích hợp, laser Cr:LiSAF phát xung đơn, ngắn (ngắn hàng nghìn lần so với xung bơm 100 µs) nhờ phương pháp độ BCH - Các kết cho thấy laser Cr:LiSAF băng hẹp có khả phát xạ có độ đơn sắc cao (hàng GHz) khả điều chỉnh bước sóng dải phổ rộng (hàng trăm nm) 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thế Bình (2004), Kĩ thuật laser, NXB ĐHQG Hà Nội Trương Thị Anh Đào (2003), Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý Lê Hoàng Hải (2004), Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý Hồng Hữu Hịa (2001), Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý Đinh Văn Hoàng - Trịnh Đình Chiến (2004), Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà nội Nguyễn Đại Hưng (2004), Vật lý kỹ thuật laser, NXB ĐHQG Hà Nội Đỗ Quốc Khánh (2010), Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý Hồ Quang Quý (2006), Laser rắn - công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà nội Nguyễn Duy Cường (2009), Động học phát xung ngắn Laser Cr: LiSAF nhờ biến điệu độ phẩm chất BCH, Đại học Vinh 10 Lê Đức Sửu (2009), Dao động hồi phục laser LASER Cr:LiSAF phát xung ngắn bơm laser diode, Đại học Vinh 11 Nguyễn Thị Thanh Tâm (2012), Khảo sát đặc trưng động học phát xung ngắn Laser Cr:LiSAF, Đại học Vinh 12 Nguyễn Văn Hảo (2015), Luận án Tiến sĩ Vật lí, Viện Vật lý Tiếng Anh 13 Agate B., et al (2002), "Simplified cavity designs for efficient and compact femtosecond Cr:LiSAF lasers," Optics Communications 205, 207-213 14 Agnesi A., Pennacchio C., et al (1997), "High-power diode-pumped picosecond Nd3+:YVO4 laser", Optics Letters, vol 22, No.21, pp 16451647 15 Agnesi A., Pirzio F., Ugolotti E et al (2012), Femtosecond single-mode diode- pumped Cr:LiSAF laser mode-locked with single-walled carbon nanotubes, Optics Communications, 285 (5), 742-745 16 Amy L Lytle, Erez Gershgoren et al (2004), Use of a simple cavity geometry for low and high repetition rate modelocked Ti:sapphire lasers, OPTICSEXPRESS , Vol 12, No pp 1409-1416 61 PHỤ LỤC close all; clear all; global L2 p1 q1 N1 sig Lc taul m n emiss; N1=3*8.75e19; % Cr Lc=0.4; % Chieu dai tinh the laser (cm) %L2=50; % Chieu dai BCH (cm) L22=22:1:22 r1=1; r2=0.5 ; % He so phan xa cua guong tau=67; % Thoi gian song Huynh quang (micro-second) n=1.41; Ex=31.1; FWHM=100; Eout2=[]; Tau2= []; % for i2=1:length(L22) L2=L22(i2); anpha1=N1*sig_p;%(cm-1) l=0.4; % chieu dai tinh the (cm) h=6.62606957e-28; % J.micro-s; c=3e4; % cm/miro-s rp=0.0015; %ban kinh vetbom(cm); lambda=660e-7; % Buoc song laser bom (cm) Pump=Ex*lambda*(1-exp(-anpha1*l))./(1e6*h*c*pi*rp.A2*l*FWHM); p1=Pump; f1=[]; Ln=[]; tau1=tau; gamma=0.01; % Mat mat Round trip (hap thu, nhieu xa ) q1=-log(r1*r2)+gamma ; % Mat mat tong cong f=zeros(m+1,1); % Dieu kien ban dau cua so photon y1=[]; X1=[]; % FWHM=100; % rong xung bom (micro-second) to=120; % thoi gian khao sat for j=1:1:to % j chay theo thoi gian (micro-second) if j>=FWHM % Bom xung p1=0; end [x y]=ode4 5('minh2 013',[j-1 j],f); f=y(end,:)'; % Tat ca cac phan tu cua hang cuoi cung y1=[y1;y]; % Cuong laser x1=[x1;x]; % thoi gian (micro-second) end; tg1=x1; tg2=y1; Max=max(y1); MaxI=max(Max); [h,c]=size(y1) 62 MaxY1=max(y1); a1=[x1(1);x1;x1(end)]; INTP1=[]; for i=1:m a2=[0;y1(:,i+1);0]; INT1=polyarea(a1,a2); INTP1=[ I N T P1;IN T 1]; end; f1=[f1;INTP1]; [mIN,nIN]=size(INTP1); INTENSITY=max(INTP1); %% - Ve laser tich phan theo thoi gian figure(1); xx=sig2(1,1):0.001:sig2(m,1); yng1=spline(sig2(:,1),INTP1(:,1),xx); plot(xx,yng1,'r','linewidth',4); xlabel('Wavelength (nm)'); ylabel('Time-integrated intensity versus wave '); %% - Ve dao dong hoi phuc-[mx1,nx1]=size(x1); INT11=[]; for i=1:mx1 c=[]; a3=[sig2(1,1);sig2;sig2(end,1)]; c=y1(i,2:m1); b=c'; a4=[b(1,1);b;b(end,1)]; IN=polyarea(a3,a4); INT11=[INT11;IN]; a4=[]; end; tg1=max(INT11) %% - Ve 3D [xx1,sigx2]=meshgrid(x1,sig2); MA=max(max(y1(:,2:m1))); figure(6) plot3(xx1.',sigx2.',y1(:,2:m1),'k','LineWidth',1.0); xlim([0 to]) ylim([825 875]) end end ... tài:? ?Đặc trưng động học Laser Cr: LiSAF bơm laser diode? ?? Mục đích đề tài: + Tìm hiểu nghiên cứu đặc tính môi trường laser rắn Cr: LiSAF; buồng cộng hưởng laser Cr: LiSAF băng rộng, băng hẹp nguồn bơm. .. 30 1.3.2.1 Bơm ngang laser diode 32 1.3.2.2 Bơm dọc laser diode 33 1.4 Kết luận: 35 CHƯƠNG II: ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr: LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG XUNG LASER DIODE ... quang học môi trường laser Cr: LiSAF; buồng cộng hưởng laser Cr: LiSAF băng rộng băng hẹp; phương pháp bơm quang học cho laser rắn Chương tìm hiểu nghiên cứu trình động học phát xạ laser rắn Cr: LiSAF