Khảo sát quá trình phát hòa âm bậc hai của hệ laser ndyvo4 luận văn thạc sỹ vật lý

O Ụ N TR N U V NP OT O VN N O K ẢO S T QU TRÌN P T Ò ÂM Ậ Ủ Ệ L SER Nd: VO4 LUẬN V N T :L S ậ O Ụ d Vinh 2012 ậ TR O Ụ N N U V NP OT O VN N O K ẢO S T QU TRÌN P T Ị ÂM Ậ Ủ Ệ L SER Nd: VO4 LUẬN V N T M S O Ụ :L ậ : 60.14.10 d dẫ :TS O N Vinh 2012 O ậ S N L I CẢM N Trong trình học tập, nghiên cứu chương trình sau đại học Trường Đại học Vinh, thân tiếp thu nhiều kiến thức phong phú bổ ích hướng dẫn giúp đỡ tận tình Thầy Cơ giáo phận khác Trường Đại học Vinh Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy tận tâm hướng dẫn tận tình Thầy Cơ Tơi thành thật tri ân đến Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn giúp định hướng đề tài, dẫn dành nhiều cơng sức cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng tri ân chân thành đến với Thầy giáo tổ Quang học - Quang phổ đóng góp, dẫn cho tơi q trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Vinh tạo cho môi trường học tập nghiên cứu thuận lợi Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý K.18 nói chung nhóm chuyên ngành Quang học nói riêng ủng hộ giúp đỡ vượt qua khó khăn để hồn thành khóa học inh th ng T c gi n m MỤC LỤC Trang Lời ……………………………………………… .….………….03 Mở ầ ……………………………….… … 05 1: N ấ rú hệ laser Nd:YVO4………… .07 1.1 Nguyên lý bơm bốn mức hoạt chất Nd:YVO4………….… 07 1.1.1 Hệ laser bốn mức ………………………………… …….… 07 1.1.2 Cấu trúc lượng ion Nd3+…………………… .08 1.2 Cấu tạo laser Nd:YVO4 …………………………………… … 11 1.3 Kết luận chương …………………………………………………… 19 2: N ắ laser diode biế òa â iệ ậc hai từ laser Nd :YVO4 ợ phẩm chất sử dụng r4+ :YAG…… .20 2.1 Nguyên lý tạo hòa âm bậc hai……………………………………… 20 2.1.2 Điều kiện phù hợp pha để tạo hòa âm bậc hai………….……… …22 2.1.3 Cấu hình tạo hịa âm bậc hai……………………………………24 2.2 Khảo sát tính chất sóng hòa âm bậc hai………….……… 25 2.2.1 Tinh thể phi tuyến KDP……………… …… ……………… 25 2.2.2 Khảo sát phát hòa âm bậc hai laser Nd:YVO4 sử dụng tinh thể KDP……………… …… …………….………………….…….28 2.5 Kết luận chương II…………………… …… …………….…………35 Kết luận chung.…………………….…….……………… ….………….36 T i iệ a ả .……………… ….… 37 MỞ ẦU Từ phát minh ứng dụng nay, laser chứng tỏ vị trí, vai trị đặc biệt quan trọng tất lĩnh vực: khoa học công nghệ, vũ trụ học, y học, địa chất,… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser ngày phát triển đa dạng chủng loại đồng thời kĩ thuật phát laser ngày hồn thiện Các laser rắn - mà laser Neodymium chiếm tỉ phần lớn - nguồn kích thích quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học quang phổ Hiện nay, laser Neodymium chủ yếu bơm đèn flash với hiệu suất chuyển đổi lượng thấp khoảng ÷ 2% Năng lượng đèn bơm bị mát chủ yếu dạng nhiệt, laser địi hỏi phải có hệ thống làm mát phức tạp Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi lượng laser thấp đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng tinh thể Neodymium hấp thụ dải phổ hấp thụ hẹp (2  nm) Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ laser diode, công suất phát laser diode đạt tới hàng chục ốt (W) với phổ phát xạ tập trung khoảng phổ hẹp (2  nm), 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 Các laser cho công suất phát mạnh, tập trung khoảng phổ hẹp, vấn đề sử dụng mở rộng ứng dụng laser, việc phát nhiều bước sóng khác với laser đáng quan tâm Việc sử dụng tinh thể phi tuyến, dựa vào hiệu ứng phi tuyến giúp giải vấn đề phát hòa âm bậc hai, hịa âm bậc ba, phát sóng tổng hiệu, biến tín hiệu hồng ngoại thành tín hiệu nhìn thấy Nhận thức vấn đề trên, lựa chọn đề tài luận văn: “Khảo sát q trình phát hịa âm bậc hai hệ laser Nd:YVO4 “ 1: Trình bày vấn đề tổng quan kỹ thuật laser Neodymium, phân tích nguyên tắc điều kiện hoạt động laser Neodymium Giới thiệu số phương pháp điều biến phẩm chất buồng cộng hưởng để phát xung laser ngắn, sở để khảo sát hoạt động hệ laser Nd:YVO4 sở, điều kiện để phát sóng hịa âm bậc hai 2: Trong chương này, nghiên cứu thiết kế hệ laser Nd:YVO4 phát hòa âm bậc hai sử dụng tinh thể KDP, khảo sát số đặc trưng chùm hòa âm bậc hai so với chùm với số kết đặc trưng laser Nd:YVO4 N 1.1 N 1: N U ÊN LÝ V ẤU TRÚ ỦA HỆ LASER ND:YVO4 n mức ho t chất Nd:YVO4 1.1.1 Hệ laser bốn mức Theo lý thuyết laser, ta biết laser hoạt động theo chế độ ba mức bốn mức lượng Laser hoạt động chế độ bốn mức có ưu điểm bật ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt nghịch đảo mật độ tích luỹ Laser tinh thể Nd:YVO4 laser điển hình hoạt động chế độ bốn mức Nguyên lý hoạt động laser chế độ mức điển hình biểu diễn hình 1.1 Chuyển dời khơng phát xạ Hấp thụ photon bơm Phát xạ tự Phát xạ cưỡng phát photonHấp thụ cảm ứng Hồi phục Hình 1.1 Nguyên lý laser mức Dưới xạ nguồn bơm, xuất dịch chuyển tâm hoạt tính (do hấp thụ photon) từ trạng thái tới trạng thái Do thời gian sống tâm hoạt tính mức ngắn nên chúng hồi phục không phát xạ nhanh từ trạng thái trạng thái Mức mức siêu bền nên nghịch đảo độ tích luỹ tạo mức mức Dịch chuyển cho phát xạ laser xảy mức laser (3) tới mức laser (2) Từ mức tâm hoạt tính hồi phục nhanh trạng thái 1.1.2 Cấu trúc lượng ion Nd3+ Tinh thể laser Nd:YVO4 loại tinh thể laser phổ biến Mật độ ion Nd3+ vào khoảng 0.5 ÷ 2% Dịch chuyển quang học cho phát xạ laser dịch chuyển mức lượng ion Nd3+ Thực nghiệm đo phổ hấp thụ tinh thể có tỉ lệ 0.5% 3% sau (a) (b) Hình 1.2 Phổ hấp thụ tinh thể Nd:YVO4 (dày 1mm ) từ nm đến 1600 nm với mức độ pha tạp (a) 0.5%, (b) 3% Hình 1.3 Phổ huỳnh quang Nd:YVO4 từ nm đến nm pha tạp % Ta nhận thấy, độ truyền qua tinh thể bước sóng vùng 600 nm 800 nm nhỏ nhất, độ hấp thụ cao Do đó, bước sóng chiếu tới tinh thể, bị hấp thụ mạnh nhất, nên chúng kích thích phân tử tinh thể chuyển lên mức lượng cao hơn, mức 4F5/2 Từ ta bơm kích thích thích tinh thể Nd:YVO4 vùng bước sóng 800 nm, thực nghiệm cho thấy dùng laser bán dẫn (LD) có bước sóng 804, 808, 812 nm để làm nguồn bơm cho hiệu tốt Từ hình 1.3 Phổ huỳnh quang Nd:YVO4 cho thấy, bị kích thích Nd:YVO4 phát bước sóng vùng 103nm < λ< 1,1.103nm mạnh 10 Ở vùng 103nm < λ< 1,1.103nm phổ huỳnh quang tinh thể Nd:YVO4 lớn nhất, đặc biệt tinh thể phát bước sóng 1064nm thực nghiệm Các dịch chuyển lượng ion Nd3+ tham gia vào q trình laser: Hồi phục khơng phát xạ F5/2 1064 804 808 812 4 F3/2 946 I11/2 I9/2 Phát xạ Hấp thụ Hình 1.4 C c mức n ng lượng Nd 3+ tham gia vào qu trình laser Bảng 1.1 C c dịch chuyển n ng lượng huỳnh quang tương ứng Nd3 ó Dịch chuyển ỳnh quang (m) Tỉ lệ (%) 0.8910 F3/2 – 4I9/2 0.8999 0.9385 25% 0.9460 1.0521 F3/2 – 4I11/2 60% (đỉnh xung) 1.0615 1.0642 11 1.0737 1.1119 1.1158 1.1225 1.3184 1.3331 F3/2 – 4I13/2 1.3351 14% 1.3381 1.3533 1.3572 F3/2 – 4I15/2 1.833 1% Do nguồn bơm (laser diode) có phổ phát xạ hẹp (2  nm), trường hợp sử dụng laser làm nguồn bơm, kích thích đồng thời nhóm ba tới bốn dịch chuyển với hiệu suất cao từ mức 4I9/2 lên mức 4F 5/2 Những ion Nd3+ trạng thái 4F5/2 hồi phục nhanh đến mức laser 4F3/2, bơm mạnh tạo nên nghịch đảo độ tích luỹ mức 4F3/2 mức 4I11/2 Dịch chuyển cho phát xạ laser diễn mức laser 4F3/2 mức laser I11/2 ứng với bước sóng phát xạ 1064 nm Khi có vài dịch chuyển nguyên tử trạng thái kích thích bị phát xạ cảm ứng theo, tạo nên chum laser bước sóng 1064nm Sau đó, từ mức 4I11/2 ion Nd3+ lại hồi phục mức 4I9/2 1.2 Cấu tạo hệ laser Nd:YVO4 1.2.1 Hoạt chất laser Neodym Laser Thuỷ tinh Neodym chế tạo Mỹ Thành phần hoá học tạo nên thuỷ tinh quang học sau: 59% SiO2, 25% BaO, 15% K2O, 1% Sb2O3, với 1-2% Nd2O3 Khối lượng riêng thủy tinh cỡ 3g/ cm3 chiết suất n= 1,54 Thuỷ tinh hoạt hóa thuỷ tinh cấy thêm Nd 3+ , hấp thụ mạnh vùng 0,58 m Tuy nhiên, hiệu suất laser không lớn tinh thể bé với đường kính vài chục m 12 P = P(E) = ε0 χ(E) E (2.1) Khi khai triển χ(E) thành chuỗi số theo E, ta có: P = ε0 (χ(1) E + χ (2)EE + χ(3)EEE + χ (4)EEEE +…) (2.2) Trong đó, χ (j) ten xơ χ(1) gọi ten xơ độ cảm tuyến tính χ(2), χ(3) …gọi ten xơ độ cảm phi tuyến bậc 2, 3… Cho tới xuất laser (vào năm 1960), quang học hồn tồn tuyến tính, nghĩa tất thí nghiệm thực thỏa mãn hệ thức tenxơ tuyến tính Ngun điện trường ánh sáng cổ điển yếu so với trường nội nguyên tử phân tử Khi điện trường ánh sáng tới mạnh, tenxơ phi tuyến trở nên đáng kể, môi trường trở thành phi tuyến tượng quang học phi tuyến xuất Với điện trường ánh sáng có cường độ khơng lớn, độ phân cực cảm ứng P thể thay đổi khoảng cách điện tích dương âm nguyên tử phân tử riêng lẻ môi trường tỉ lệ tuyến tính với điện trường ánh sáng tới Momen lưỡng cực điện dao động cảm ứng theo điện trường ánh sáng tới xạ tần số với ánh sáng tới Tuy nhiên, cường độ ánh sáng đủ mạnh chẳng hạn chiếu tới xung laser công suất lớn, tượng phi tuyến xuất Hầu hết tượng quang học sinh ba số hạng đầu phương trình (2.2) Độ cảm tuyến tính nguồn gốc thuộc tính quang học tuyến tính phản xạ, khúc xạ…Độ cảm bậc hai nguồn gốc gây nên tượng phát hòa âm bậc hai, phát tần số tổng, tần số hiệu, chỉnh lưu quang học…Độ cảm bậc ba nguồn gốc gây nên tượng tạo hịa âm bậc ba, trộn bốn sóng, tự hội tụ Hiện tượng phát hòa âm bậc hai (SHG) trường hợp đặc biệt phát tần số tổng, hai sóng bơm có tần số ω véc tơ sóng tần số 2ω véc tơ sóng với k2 = 2k1 21 sóng phát có Để đơn giản, ta xét sóng phẳng đơn sắc có dạng E = E0 cos ωt Độ phân cực môi trường dạng vô hướng, chiều, bỏ qua phụ thuộc vào tọa độ không gian, ý tới ba số hạng đầu tiên: P(t) = χ(1) E0 cos ωt + χ(2) E02 cos2 ωt + χ(3) E03 cos3 ωt (2.3) Dùng biến đổi lượng giác, hạ bậc thừa số cos2 ωt, cos3 ωt ta viết lại được: P(t) = B0 + B1 cos ωt + B2 cos 2ωt + B3 cos 3ωt (2.4) P(t) = P0 + P + P2 + P3 Trong đó: B0 = χ(2) E02 B1 = χ(1) E0 + χ(3) E 03 B2 = χ(2) E02 B3 = χ(3) E03 P độ phân cực không phụ thuộc vào thời gian, theo quan điểm lý thuyết lưỡng cực cổ điển tạo nguồn điện trường thứ cấp không phụ thuộc thời gian Như vậy, ánh sáng với sóng điện từ biến thiên điều hịa theo thời gian truyền qua môi trường phi tuyến xuất lối điện trường không đổi theo thời gian Các thành phần P2 P3 dao động với tần số gấp hai, gấp ba lần tần số ánh sáng tới, điều kiện thích hợp trở thành nguồn phát sóng điện từ tần số gấp hai, gấp ba lần tần số ánh sáng tới gọi tượng phát hòa âm bậc hai, bậc ba Chúng ta thấy rằng, phân cực bậc hai gồm hai thành phần, thành phần tần số không thành phần tần số 2ω Thành phần thứ hai đưa đến SHG Thành phần thứ làm xuất trường tĩnh điện tinh thể ω χ (2) ω ω 2ω ω 22 2ω Với điều kiện thực nghiệm chọn phù hợp trình SHG đạt hiệu suất cao xấp xỉ 100% 2.1.2 Vấ ề ề ù ợ a ể òa â ậ Hiệu ứng phi tuyến phát tần số tổng, cụ thể phát hòa âm bậc hai xảy với hiệu suất cao thỏa mãn hai điều kiện: Điều kiện bảo toàn lượng điều kiện bảo toàn xung lượng Tuy nhiên, điều kiện bảo toàn lương, , điều kiện cần Nghĩa photon sinh có lượng tổng hai photon Song song với trình này, q trình ngược lại xảy làm giảm hiệu suất q trình phát hịa âm bậc hai Để nhận chùm tia có cường độ lớn đầu môi trường với hiệu suất cao cần có điều kiện bảo tồn xung lượng Đây điều kiện đủ, điều kiện hiểu điều kiện cho mặt sóng sóng tương tác thành phần ln trùng q trình truyền lan môi trường Cụ thể hơn, điều kiện để photon tương tác có tốc độ tinh thể phi tuyến Xét sóng tần số ω lan truyền theo phương z môi trường có chiết suất nω có vectơ sóng kω = nωω/c Độ phân cực tần số 2ω là: P2ω = χ(2)[Eω exp(i kωz - iωt)]2 (2.8) P2ω = ε0 d(2) [Eω exp(i kωz - iωt)]2 (2.9) Trong đó: d(2): hệ số phi tuyến bậc hai; χ(2) = ε0 d(2) χ (2): ten xơ độ cảm phi tuyến bậc hai Eω: cường độ điện trường ánh sáng tần số ω Biểu thức trường xạ: E 2ω(z) = (2.10) Đặt Δk =2kω- k2ω=(nω- n2ω) 23 Ta tìm biểu thức biên độ trường thông lượng lượng 2ω: E 2ω(z) = d(2)(Eω)2 Cường độ sóng (2.11) tạo thành: I 2ω = (2.12) * Trường hợp Δk ≠ 0; trạng thái thông thường mơi trường khuếch tán Phương trình (2.12) cường độ hòa âm bậc hai dao động với chu kỳ không gian: Lc = Lc gọi độ dài kết hợp Đó kích thước độ dài tinh thể cực đại gây nên hiệu ứng hòa âm bậc hai (SHG) Tuy nhiên Lc thường vào khoảng từ 10 đến 100 µm, khơng hiệu * Trường hợp Δk = tức k2 = 2k1, gọi có phù hợp pha xác Điều thực mơi trường có nω = n2ω Khi cường độ SHG tỉ lệ với 2.1.3 Cấu hình tạo hịa âm bậc hai Để phát hòa âm bậc hai, phải đặt tinh thể KDP sau gương Chùm laser sau truyền qua tinh thể xuất tia với bước sóng nửa bước sóng tia ban đầu, tần số sóng hịa âm gấp hai lần tần số sóng Kính lọc 1064nm 300 M3 >40 M1 Laser M2 KDP Nd:YVO4 Cr :YAG 4+ 24 Thấu kính, f= 3,5 cm LD Hình 2.3 Sơ đồ hệ ph t hòa âm bậc hai laser Nd:YVO4 sử dụng tinh thể KDP +Để tăng công suất hòa âm, hệ cần thiết kế sau: - Tinh thể phải đặt giá đỡ đặt sát gương ra, để thu nhận toàn lượng laser tới - Giá đỡ tinh thể phải thiết kế cho điều chỉnh tinh thể theo chiều tịnh tiến quay Bằng cách chỉnh giá đỡ cho điều kiện phù hợp pha thỏa mãn - Do chùm tia hòa âm khỏi tinh thể chùm phân kỳ, nên phải sử dụng thêm thấu kính hội tụ, để chuẩn trực chùm tia trở thành song song - Năng lượng tia hòa âm nhỏ so với lượng laser ban đầu, để đo thơng số xác tia hịa âm, phải sử dụng thêm kính lọc bước sóng 1064 nm 2.2 K ả í ấ ó ịa â ậ 2.2.1 Tinh thể phi tuyến KH2PO4 (KDP) Những tinh thể thường dùng quang học phi tuyến tinh thể ADP,KDP, BBO… ADP KDP tinh thể sử dụng để phát hòa âm bậc hai Cả hai tinh thể đơn trục âm suốt vùng từ cực tím (200 nm) đến vùng hồng ngoại gần (1500 nm), chúng thuộc lớp tinh thể 42m nên có ba hệ số phi tuyến khác không, d14, d25, d36 Tinh thể KDP bền tương tác nhiệt, chịu đốt nóng làm lạnh, tinh thể sử dụng nhiều quang phi tuyến Chiết suất tinh thể KDP ADP phụ thuộc nhiệt độ, sử dụng để tạo hợp pha để phát hòa âm bậc hai Trong hệ trục tọa độ (x,y,z) ta có biểu diễn mặt đẳng hướng lượng không gian tinh thể phi tuyến tuân theo công thức mặt ellipsoid ba chiều: 25 + + = (2.5) Trong nx, ny, nz chiết suất mơi trường theo hướng tương ứng Mặt ellipsoid dùng để tìm hai chiết suất hai thành phần phân cực sóng truyền theo hướng s Đối với hướng vectơ sóng, mặt phẳng vng góc với s cắt mặt ellipsoid tạo thành đường ellipse Hai trục ellipse xác định hai chiết suất Xét trường hợp tinh thể đơn trục, có trục quang học Khi mặt ellipsoid chiết suất trở thành đối xứng trụ Hai chiết suất nên mặt phẳng cắt vng góc với trục quang học tạo thành đường trịn Nếu chọn z làm quang trục phương trình ellipsoid trở thành: + + = (2.6) Nếu hướng vectơ sóng s làm góc θ với quang trục z, ta có phương trình cho chiết suất tia bất thường theo hướng θ tinh thể lưỡng chiết: (2.7) z θ s ne(θ) y n0 ne Hình 2.1 Mặt chiết suất dị thường tinh thể lưỡng chiết Như vậy, chiết suất phụ thuộc vào hướng vectơ sóng Trong trường hợp đặc biệt θ = vectơ sóng hướng dọc theo trục z khơng có lưỡng chiết, hai sóng có chiết suất n0 Nếu vectơ sóng s vng góc với quang trục z, hai sóng truyền qua mơi trường chiết suất n0 ne Chiết suất tia bất 26 thường đạt cực đại (đối với tinh thể lưỡng chiết dương ne > no) cực tiểu (đối với tinh thể lưỡng chiết âm ne < n0) Sử dụng đặc điểm tinh thể lưỡng chiết, người ta chọn góc tới thích hợp chùm laser chiếu vào tinh thể để tạo phù hợp pha xác cho hiệu ứng phát hịa âm bậc hai Ví dụ: tinh thể KH2PO4 (KDP) tinh thể đơn trục âm ne < n0 Ta có hình vẽ mơ tả mặt chiết suất KDP hai tần số ω 2ω θm Z k n02ω neω(θ) y n 0ω ne2ω(θ) Hình 2.2 C c mặt chiết suất góc phù hợp pha tinh thể lưỡng chiết Có bốn mặt chiết suất hình Nếu hướng tia tới tạo thành góc thích hợp θ = θm ta có phù hợp pha xác cho hiệu ứng phát hòa âm bậc hai Trong vật liệu đẳng hướng thông thường, tương hợp pha thực n2ω > nω Trái lại, tinh thể phi tuyến, ta có tương hợp pha chiết suất thường ω với chiết suất dị thường 2ω, với hướng truyền sóng định Đối với tinh thể KDP laser bước sóng 1064nm chiết suất n01 = 1.494 phát bước sóng 532nm, chiết suất ne2 = 1.460 Góc hợp pha tính 5705’ 2.2.2 K ả ự ịa â a er Nd:YVO4 dụ i ể KDP Với cấu trên, chúng tơi khảo sát thay đổi cơng suất tia hịa âm theo cơng suất laser Nd:YVO4 với cấu sau: 27 Chiều dài buồng cộng hưởng: 100 mm Độ truyền qua ban đầu tinh thể Cr4+:YAG 90% Hệ số phản xạ gương M (R = 100%); M2 (R = 94%) Hình 2.4 Hệ thống thiết bị thí nghiệm phát laser λ=532nm Có thể thấy vết thu có màu xanh cây, phù hợp với phát hòa âm bậc hai cho bước sóng λ = 532 nm Hình 2.5 Vết thu tia hòa âm bậc hai chiếu laser Nd:YVO (λ = 64 nm) vào tinh thể KDP 28 2.2.2.1 K ả ệ ự ó a ổi i ó ù ợ ỉ i ù òa â e a Để thấy ý nghĩa phù hợp pha xác, chúng tơi tiến hành khảo sát cường độ tỉ đối chùm hòa âm so với chùm bản, ứng với thay đổi góc nhỏ quanh giá trị góc phù hợp pha Chúng thu bảng giá trị sau: Độ lệch góc Δθ Cường độ tỉ đối -5 0.23 -4 0.46 -3 0.67 -2 0.86 -1 0.96 1 0.93 0.8 0.6 0.36 Bảng 2.1: Gi trị thay đổi cường độ tỉ đối theo góc tương hợp pha chùm hịa âm Với góc phù hợp pha Δθ từ -50 đến 40 cường độ tỉ đối chùm tia hòa âm Cường độ tỉ đối cường độ cực đại Δθ =0 thể bảng 2.1 hình 2.6 29 Hình 2.6 Sự thay đổi cường độ tỉ đối theo độ lệch góc so với góc phù hợp pha Δθm Q a ết ta thấy: cường độ tỉ đối giảm nhanh theo độ lệch góc tương hợp pha 2.2.2.2 Kh o s t cơng suất tia hịa âm bậc hai theo cơng suất laser Nd:YVO4 Cơng suất tia hịa âm Cơng suất Nd:YVO4 (mW) (10 -2 Tỉ số công mW) suất ( 103 34 3.3 125 40 3.2 149 48 3.22 170 55 3.24 192 65 3.39 216 82 3.8 233 100 4.3 255 121 4.7 Cơng suất chùn hịa âm (10-2 )mW) Bảng 2.2 Số liệu kh o s t công suất tia hịa âm Cơng suất chùm (mW) 30 Hình 2.7 Đặc trưng cơng suất tia hịa âmbậc hai theo công suất laser laser Nd:YVO4 sử dụng tinh thể KDP ) Quan sát kết đo ta thấy: Đồ thị quan sát có dạng hàm phi tuyến, chứng tỏ cơng suất tia hịa âm tăng khơng tuyến tính theo cơng suất laser chiếu vào Độ dốc đồ thị biến đổi, tỉ lệ thuận với cơng suất laser chiếu vào * Giải thích cho vấn đề này, từ cơng thức (2.12) thấy I2ω tỉ lệ với bình phương Iω Do đó, ta thu cơng suất tia 2ω tỉ lệ với bình phương công suất tia ω, đồ thị biểu diễn phụ thuộc chúng có dạng phi tuyến 2.2.2.3 K ả ự a ổi r x ia òa â ậ i ia a er Nd: VO4 Dưới hình xung laser tia hịa âm bậc hai thu dao động ký số LeCroy 500 MHz với R = 94%,T0 = 90%, L = 100 cm A B 31 Chúng khảo sát để so sánh độ rộng xung tia hòa âm với độ rộng xung tia laser cơng suất bơm khác nhau, kết thu (có thể so sánh hai hình 2.8 A B) cho thấy: Độ rộng xung laser Nd:YVO4 với cấu hình sử dụng dao động khoảng 39 – 42 ns Độ rộng xung tia hòa âm chiếu Nd:YVO4 dao động khoảng 25 - 27 ns, rút ngắn khoảng 64% so với độ rộng xung Nd:YVO4 Như vậy, thấy độ rộng xung laser giảm đáng kể phát hòa âm bậc hai Nguyên nhân hiệu ứng phi tuyến diễn mạnh cường độ chùm tia tới lớn, nên xét xung laser chiếu vào, hiệu ứng phi tuyến gây vùng đỉnh xung cao nhiều so với vùng đáy xung Do hình xung tia hịa âm có xu hướng hẹp lại, dẫn đến độ rộng xung hòa âm nhỏ nhiều so với tia ban đầu 2.5 Kế ậ g II Trong chương này, nghiên cứu thiết kế hệ laser Nd:YVO4 phát hòa âm bậc hai sử dụng tinh thể KDP, khảo sát số đặc trưng chùm hòa âm bậc hai so với chùm với số kết sau: - Cường độ tỉ đối tia hòa âm giảm nhanh theo độ lệch góc tương hợp pha 32 - Đồ thị quan sát có dạng hàm phi tuyến, chứng tỏ cơng suất tia hịa âm tăng khơng tuyến tính theo cơng suất laser chiếu vào Độ dốc đồ thị biến đổi, tăng theo công suất laser chiếu vào - Độ rộng xung laser phụ thuộc nhiều vào chiều dài buồng cộng hưởng Chiều dài buồng cộng hưởng ngắn xung phát có độ rộng hẹp - Độ rộng xung hịa âm bậc hai lại 25 – 27 ns, rút ngắn 60% so với ban đầu Độ rộng xung SHG phụ thuộc nhiều yếu tố, độ rộng xung Nd:YVO4, phương pháp điều bến phẩm chất buồng cộng hưởng KẾT LUẬN CHUNG Đề tài nghiên cứu đặc trưng thông số laser Nd :YVO4 sử dụng tinh thể Cr4+:YAG để biến điệu độ phẩm chất, đồng thời sử dụng tinh thể KH2PO4 (KDP) kĩ thuật phát hòa âm bậc hai, luận văn Khảo sát trình phát hòa âm bậc hai hệ laser Nd:YVO4 nghiên cứu nguyên lý hoạt động laser Nd :YVO4, nghiên cứu đặc trưng thông số hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 phát hòa âm bậc hai sử dụng tinh thể KDP khảo sát số đặc trưng chùm 33 hòa âm bậc hai so với chùm với số kết đặc trưng laser Nd:YVO4 Việc tạo hịa âm bậc hai ứng dụng để rút ngắn bước sóng, thay đổi tần số SHG ứng dụng trình tương tác trao đổi ton thành phần trường, chẳng hạn photon có tần số ω bị phá hủy (hấp thụ) photon tần số 2ω hình thành Từ kết này, luận văn xem tài liệu để nghiên cứu sâu sử dụng tinh thể phi tuyến để phát hòa âm bậc hai, hòa âm bậc ba, ph t sóng tổng hiệu, kỹ thuật nhân tần để thay đổi bước sóng kích thích, kỹ thuật thu thập xử lý tín hiệu nhỏ, biến tín hiệu hồng ngoại thành tín hiệu nhìn thấy Luận văn nghiên cứu thiết kế chế tạo laser rắn có cơng suất lớn, ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học quân sự, y tế, thông tin quang v.v Trong thời gian tương đối ngắn điều kiện nghiên cứu cịn hạn hẹp Chúng tơi mong đề tài tiếp tục nghiên cứu cách có hệ thống hơn, nhằm đáp ứng ngày cao yêu cầu công nghệ kỹ thuật đại T i iệu tham khảo [1] Hồ Quang Quý, Laser rắn công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [2] Hồ Quang Q, Cơ sở vật lí laser, Giáo trình dành cho SV ngành Vật lí, ĐH Hồng Đức, 2009 [3] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 [4] Hồ Quang Quý, Nguyễn Đôn Hà, Kh o s t trường nhiệt laser YAG: Nd+3 tần số 10Hz, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Quân sự, số 9, 2004, trang 57-61 34 [5] Hồ Quang Quý, Quang phi tuyến - ứng dụng NXB ĐHQG Hà Nội, 2007 [6] N [7] ễ i i , “ ật lý Kỹ thuật laser”, NXB ĐHQG, 2004 Vă & Trị ì iế , “ ật lý laser ứng dụng”, ĐHKH Tự nhiên, 1999 [8] P Vă T iề , “ ật lý Laser”, ĐHQG Hà Nội, 2001 [9] C Davis, “Laser and Elctro-Optics - Fundamentals and Engineering”, Cambrige University Press, 1996 [10] Jasprit Singh, “Optoelectronics - An Introduction to Metarials and Devices”, University of Michigan, 1996 [11] Wolfgang Demtroder, “Laser Spectrocopy - Basic Concepts and Instrumentation”, Second Edition, Springte Press, 1998 [12] Govind P.Agrawal, “Laser Semiconductor”, American Institute of Physics Press, 1995 35 ... hai, luận văn Khảo sát trình phát hịa âm bậc hai hệ laser Nd:YVO4 nghiên cứu nguyên lý hoạt động laser Nd :YVO4, nghiên cứu đặc trưng thông số hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode Thiết kế hệ laser Nd:YVO4... phát xung laser ngắn, sở để khảo sát hoạt động hệ laser Nd:YVO4 sở, điều kiện để phát sóng hịa âm bậc hai 2: Trong chương này, chúng tơi nghiên cứu thiết kế hệ laser Nd:YVO4 phát hịa âm bậc hai. .. lựa chọn đề tài luận văn: ? ?Khảo sát trình phát hòa âm bậc hai hệ laser Nd:YVO4 “ 1: Trình bày vấn đề tổng quan kỹ thuật laser Neodymium, phân tích nguyên tắc điều kiện hoạt động laser Neodymium