Dao động hồi phục của laser cr lisaf phát xung ngắn được bơm bằng laser diode

bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học vinh Lê đức sửu Dao động hồi phục laser Cr:LiSAF phát xung ngắn đ-ợc bơm laser diode luận văn thạc sĩ vật lý Vinh - 2009 Mở ĐầU Albert Einstein đà tình cờ đặt b-ớc phát triển laser với việc nhận thấy khả có hai loại phát xạ Trong báo công bố năm 1917, ông ng-ời đề xuất tồn phát xạ c-ỡng Và mÃi đến hồi đầu thập niên 50, Charles H Townes, nhà khoa học tr-ờng đại học Columbia, ng-ời đà thành công việc khuếch đại xạ c-ỡng sóng vi ba gọi maser Nhiều khái niệm sở cho đời laser đ-ợc phát triển khoảng thời gian công trình Basow, Prokhov, Townes Shawlow Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc phòng thí nghiệm Bell đà thành công cho hệ laser hoạt động, laser Ruby có b-ớc sóng 694 nm, mở đầu cho cách mạng thực quang học không thực nghiệm mà lý thuyết Sự đời laser phát minh vĩ đại kỷ XX, đà chứng tỏ vai trò to lớn phát triển khoa häc kü tht cịng nh- øng dơng ë nhiều ngành khác Từ đ-ợc phát minh nay, laser đà không ngừng đ-ợc nghiên cứu phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rÃi hầu hết lĩnh vực nghiên cứu khoa học øng dơng, cïng nh÷ng tiÕn bé lÜnh vùc khoa học vật liệu quang điện tử, laser ngày đ-ợc phát triển đa dạng chủng loại, đồng thời kĩ thuật phát laser ngày đ-ợc hoàn thiện Các laser rắn - laser Cr3+ - nguồn kích thích quang học quan trọng đà đ-ợc sử dụng rộng rÃi phòng thí nghiệm quang học quang phổ So với laser màu laser rắn có -u điểm nhỏ gọn, hạn chế độc hại, cho phép phát xung với l-ợng lớn Một yêu cầu đ-ợc đòi hỏi ngày cao ứng dụng, nghiên cứu đào tạo nhu cầu sử dụng hệ thống laser cùc nhanh VÝ dơ, viƯc sư dơng c¸c laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất trung bình lớn để nghiên cứu trình động học t-ợng nhanh đ-ợc nhiều quan khoa học mong muốn Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu hệ laser Crôm xung ngắn bơm laser diode Việt Nam việc có ý nghĩa khoa học công nghệ cịng nh- øng dơng thùc tiƠn Laser Cr3+:LiSrAlF6 lµ mét loại laser có hiệu suất cao đ-ợc bơm laser diode Tinh thĨ Cr3+:LiSrAlF6 cã -u ®iĨm nh-: ng-ìng h- háng cao, bỊn vỊ mỈt vËt lý, hãa häc Điều làm cho tinh thể Cr3+:LiSrAlF6 đ-ợc sử dụng réng r·i Khi so s¸nh laser Cr3+:LiSrAlF6 víi laser Cr3+:LiCaAlF6 đ-ợc bơm laser diode, laser Cr3+:LiSrAlF6 có nhiều lợi Nó bị phụ thuộc vào b-ớc sãng b¬m, phỉ hÊp thơ réng, hiƯu st cao, ng-ìng phát laser thấp hơn, phát xạ phân cực thẳng, đơn mode Mục đích luận văn Dao động hồi phục laser Cr:LiSAF phát xung ngắn đ-ợc bơm laser diode mô tả sơ l-ợc hoạt động laser kiểu hồi phục, tóm tắt đ-ợc đặc điểm dao động hồi phục laser điều kiện để có dao động hồi phục phát xạ laser Nghiên cứu lý thuyết dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode; ảnh h-ởng thông số bơm, thông số buồng cộng h-ởng đến đặc điểm xung dao động hồi phục phát Nội dung luận văn phần mở đầu kết luận có hai ch-ơng: Ch-ơng 1: Tổng quan laser rắn với môi tr-ờng hoạt chất pha tạp ion Cr3+ dao động hồi phục phát xạ laser Nội dung ch-ơng trình bày tổng quan cấu trúc l-ợng, phổ hấp thụ phát xạ laser Cr:LiSAF, so sánh laser Cr:LiSAF với laser Cr3+ sử dụng khác Đồng thời trình bày rõ điều kiện để có dao động hồi phục, yếu tố ảnh h-ởng đến đặc tr-ng dao động hồi phục phân tích ph-ơng trình tốc độ cho hoạt động độ laser Cr:LiSAF Ch-ơng 2: Dao động hồi phục laser Cr:LiSAF phát xung ngắn đ-ợc bơm laser diode Trong ch-ơng dựa hệ ph-ơng trình tốc độ tính toán ảnh h-ởng thông số bơm, thông số buồng cộng h-ởng đến xung laser Qua cho phép chọn thông số bơm thông số buồng cộng h-ởng phù hợp để laser Cr:LiSAF phát xung ngắn Ch-ơng Tổng quan laser rắn với môi tr-ờng hoạt chất pha tạp ion Cr3+ dao động hồi phục phát xạ laser Kim loại chuyển tiếp (KLCT) có lớp điện tử 3d ch-a đ-ợc lấp đầy nằm cÊu tróc cđa nguyªn tư Khi ë vËt rắn, cấu trúc l-ợng iôn KLCT thay ®ỉi vµ phơ thc vµo ®èi xøng cđa tr-êng tinh thể lân cận iôn Đó lí mà KLCT vật rắn định nhiều tính chất vật lý quan trọng đặc biệt tính chất quang vật liệu Trên sở tìm hiểu trạng thái ion KLCT tr-ờng tinh thể, việc nghiên cứu tính chất quang vật liệu rắn có pha tạp ion KLCT cung cấp nhiều thông tin vỊ tÝnh chÊt vËt lý cđa vËt r¾n cịng nh- ion KLCT Một loại vật liệu rắn có cấu trúc tinh thể đ-ợc pha tạp ion KLCT (Cr3+) colquiriite (LiSAF LiCAF) [3] Trong đó, vật liệu rắn LiSAF vật liệu tỏ có nhiều tính chất lý thú nhà khoa häc, cã nhiỊu øng dơng viƯc nghiªn cøu chế tạo loại laser xung cực ngắn với hiệu suất l-ợng tử cao Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất quang iôn KLCT Cr3+ số rắn colquiriite cần thiết nhằm đ-a thông tin vật lý Cr:LiSAF 1.1 CÊu tróc tinh thĨ vµ mét sè tÝnh chÊt vËt lý cđa colquiriite 1.1.1 CÊu tróc tinh thĨ Cr:LiSAF, Cr:LiCAF tinh thể laser loại colquiriite có công thức hoá học chung LiMIIMIIIF6, MII nguyên tố: Ca, Sr, Cd, Pd , MIII nguyªn tè: Al, Ga, Ti, Cr Trong cÊu tróc tinh thể colquiriite cation chiếm vị trí bát diện biến dạng lục diện bị méo đ-ợc bao quanh ion flo Nhóm đối xứng không gian Colquiriite P31c D32d Bát diện méo trigonal MF63- vị trí lý t-ởng cho ion Cr3+ hoạt động laser nh- tr-ờng hợp hợp chất có cấu trúc Colquiriite Hình 1.1 chØ ra, cÊu tróc tinh thĨ LiSAF, LiCAF cã ba bát diện MF6 liên kết với nhau, M = Li+, Ca2+, Sr2+, Al3+, mà méo mạng T2g T2u -u tiên Trong hai loại vật liệu ion Cr3+ thay vài ion Al3+ tr-ờng tinh thể ion tạp đà chiếm tâm hình bát diện đ-ợc bao quanh ion flo Sr2+ H×nh 1.1 CÊu tróc tinh thĨ cđa LiSAF, LiCAF 1.1.2 TÝnh chÊt vËt lý Mét vµi tÝnh chÊt vật lý vật liệu dạng colquiriite đ-ợc đ-a bảng 1.1 1.2 Nh- đà trình bày mục 2, tính chất quang colquiriite tính chất quang ion tích cực quang häc Cr3+ pha t¹p cÊu tróc nỊn colquiriite Các ion Cr3+ thay vị trí ion Al3+ bị nhiễu loạn tr-ờng trigonal Bảng 1.1 Tính chất vật lý Cr:LiSAF Cr:LiCAF Sự định Công thức hoá học h-ớng a c Hằng số mạng (A0) Cấu trúc tinh thể Nhóm đối xứng Số nguyên tư Cr/cm3 cho 1% pha t¹p Cr:LiSA F Cr:LiC AF 5,084 10,21 5,007 9,641 Trigonal Trigonal D3d D3d 8, 751019 9, 601019 Điểm nóng chảy (oC) 766 810 Khối l-ợng riêng (g/cm3) 3,45 2,988 Suất đàn hồi (GPa) 109 96 HÖ sè gi·n në nhiÖt (10-6/K) ||c c -10 25 3,6 22 §é dÉn nhiƯt (W/m/K) ||c c 3,3 3,0 5,14 4,58 0.842 0,935 NhiƯt dung riªng (J/g.K) (@25oC) Bảng 1.2 Các tính chất quang colquiriite Sự định Công thức hoá học h-ớng Cr:LiSA F Cr:LiC AF 850 780 4,8 1,3 Thêi gian sèng HQ tù ph¸t (s) 67 170 Các mát tán xạ (%/cm) < 0,2 < 0,3 Đỉnh phát xạ (nm) Đỉnh tiết diƯn bøc x¹ c-ìng bøc || c (10-20cm) dn/dT(10-6 oC) || c - 4,0 - 4,6 c - 2,5 - 4,2 1.2 Laser tinh thể Cr:LiSAF Đặc điểm bật laser Cr3+ phổ phát xạ rộng, thích hợp cho phát xung ngắn xây dựng hệ laser điều chỉnh b-ớc sóng khoảng phổ rộng Trong ch-ơng này, tìm hiểu mức l-ợng, cấu trúc phổ nguyên tắc hoạt động laser Cr:LiSAF 1.2.1 Cấu trúc l-ỵng cđa ion Cr3+  HƯ laser møc Theo lý thut laser, ta biÕt r»ng laser cã thĨ ho¹t ®éng theo chÕ ®é ba møc hc møc Laser hoạt động chế độ bốn mức có -u điểm bật ng-ỡng bơm thấp, dễ dàng đạt đ-ợc nghịch đảo độ tích luỹ Laser tinh thể Cr 3+: LiSrAlF6 laser điển hình hoạt động chế độ bốn mức Nguyên lý hoạt động laser chế độ bốn mức điển hình biểu diễn hình 1.2 Hồi phục không phát xạ Phát xạ tự phát Phát xạ c-ỡng Hấp thụ Hồi phục Hình 1.2 Nguyên lý laser mức [1] D-ới 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 đ-ợc tạo mức mức Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy mức laser tới mức laser d-ới Từ mức tâm hoạt tính hồi phục nhanh trạng thái hi chiếu xạ bơm vào môi tr-ờng hoạt tính, d-ới tác động xạ bơm trình hấp thụ, hồi phục phát xạ xảy mức l-ợng môi tr-ờng hoạt tính Giản đồ mức l-ợng Cr:LiSAF chuyển dời chñ yÕu: Các mức lượng Cr3+ Năng lượng Năng lượng Các dịch chuyển quang học hình vẽ tương ứng với thời gian hồi phục Hình Các mức lượng Cr3+ sơ đồ mc (b) (a) Hình 1.3: Cấu trúc l-ợng dịch chuyển quang học ion Cr3+ nÒn quang häc: (a) - Alexandrite; (b) - Cr:LiSAF [20] quang học: (a) - Alexandrite; (b) - Cr:LiSAF [],[] Cấu trúc l-ợng dịch chuyển quang học chủ yếu liên quan đến trình hấp thụ phát xạ laser Cr3+ đ-ợc biểu diễn hình 1.3 Các dịch chuyển hấp thụ quan trọng 4A2 4T1 4A2 E2 t-ơng ứng với b-ớc sóng hấp thụ 450 nm 650 nm Khác với cấu trúc l-ợng ion Cr3+ môi tr-ờng laser Alexandrite (BeAl2O4:Cr3+), laser Cr:LiSAF trạng thái 4T2 nằm dải hấp thụ từ 4A2 2E, møc dao ®éng thÊp nhÊt cđa 4T2 n»m xÊp xỉ d-ới trạng thái 2E Do hồi phục nhanh hai trạng thái này, trạng thái đ-ợc tích luỹ nhiều 4T2 Do vậy, trạng thái 2E không đóng vai trò tích trữ l-ợng nh- laser Alexandrite Điều đ-ợc chứng tỏ thời gian sống đo đ-ợc trạng thái 4T2 (cỡ s) gần nhkhông phụ thuộc vào nhiệt độ, vậy, nghịch đảo độ tích lũy xảy trạng thái 4T2 trạng thái 4A2 Dịch chuyển cho phát xạ laser thu đ-ợc ion Cr3+ hồi phục từ trạng thái 4T2 4A2 B-ớc sóng phát xạ trung tâm 850 nm 1.2.2 Phổ hấp thụ phát xạ laser Cr:LiSAF Hình 1.4 Phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF [20] Trên hình 1.4 phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF nhiệt độ phòng cã hai vïng phỉ hÊp thơ m¹nh: vïng thø nhÊt có b-ớc sóng trung tâm 450 nm vùng thứ hai có b-ớc sóng trung tâm 650 nm Điều hoàn toàn phù hợp với cấu trúc l-ợng ion Cr3+ nh- đà nói Vì vËy chóng ta cã thĨ sư dơng ®Ìn flash ®Ĩ bơm cho laser dùng nguồn laser bán dẫn phát xạ b-ớc sóng 670 nm hiƯu st sÏ cao h¬n 10 0.9 a) 90  s 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 0.9 b)100  s 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 C-êng ®é lasser chuÈn hãa 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 0.9 c) 150  s 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 -4 x 10 d) 200  s 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -4 x 10 0.9 e)500  s 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -4 Thời gian (s) x 10 Hình 2.1 ảnh h-ởng độ rộng xung bơm lên động học phát xung laser Cr:LiSAF 28 2.1.2 ảnh h-ởng mức bơm Xuất phát từ ph-ơng trình tốc độ, tính toán, khảo sát phụ thuộc c-ờng độ laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode theo thời gian giữ nguyên độ rộng xung bơm 100 s, hệ số phản xạ g-ơng 0,9 tăng mức bơm ng-ỡng từ 1,5 đến 50 lần Các kết thu đ-ợc đ-ợc biểu diễn hình 2.2 Các kết cho thấy: * Tại mức bơm gần g-ỡng laser Cr:LiSAF phát có vài xung dao động hồi phục, đặc biệt bơm sát ng-ỡng ta thu đ-ợc xung đơn (hình 2.2 a) * Khi mức bơm tăng, số lần dao động c-ờng độ laser tăng đồng thời laser xuất sớm khoảng cách xung bị hẹp lại (hình 2.2 b -c-d) * Xung laser lặp lại hình dạng xung bơm mức bơm cao ng-ỡng (hình 2.2 e) Kết giải thích dựa sở khả tích lũy phân tử trạng thái kích thích sau lần phát xạ laser Khi mức bơm sát ng-ỡng, tái tích lũy khó đạt đến ng-ỡng phát sau trình laser xảy ra, nên c-ờng độ laser xuất vài dao động (hình 2.2 a -b) Ng-ợc lại mức bơm cao ng-ỡng, tái tích lũy tiếp tục đ-ợc diễn sau lần laser xuất hiện, vậy, tần suất dao động đ-ợc tăng c-ờng (hình 2.2 c -d) Mặt khác tr-ờng hợp mức bơm cao ng-ỡng, trình laser trình tích lũy đạt đến trạng thái dừng xung laser có dạng xung bơm (h×nh 2.2 e) 29 0.9 a) r = 1,5 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 0.9 b) r = 1,8 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 C-êng ®é lasser chuÈn hãa x 10 0.9 c) r = 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 0.9 d) r = 10 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 0.9 e) r = 50 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 -4 x 10 Thêi gian (ns) H×nh 2.2 Các dao động laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode mức bơm khác BCH cm, R1 = 1, R2 = 0,9 30 Nh- vËy, xuÊt phát từ hệ ph-ơng trình tốc độ đà chøng tá: sù xt hiƯn dao ®éng håi phơc phát xạ laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode phụ thuộc rõ không vào thông số phân tử hoạt chất (thời gian sống huỳnh quang, hệ số phát xạ c-ỡng bức) mà phụ thuộc vào thông số bơm (mức bơm, độ rộng xung bơm) Đặc biệt tr-ờng hợp độ rộng xung bơm nhỏ (khoảng 90 s), mức bơm sát ng-ỡng( r = 1,5) ta có thu đ-ợc xung đơn (hình 2.1a hình 2.2a) Mặt khác, thời gian sống cđa photon bng céng h-ëng cã vai trß quan trọng t-ợng dao động hồi phục laser Cr:LiSAF [20] Do hệ số phản xạ g-ơng chiều dài buồng cộng h-ởng ảnh h-ởng đến dao động hồi phục phát xạ laser Trong phần nghiên cứu ảnh h-ởng hệ số phản xạ g-ơng chiều dài buồng cộng h-ởng lên xung dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode 2.2 ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng lên xung dao động hồi phục Chúng đà tính toán khảo sát với buồng cộng h-ởng có chiều dài khác nhau, g-ơng laser có hệ số phản xạ khác để rút đặc điểm xung laser phát dao động hồi phục laser Cr:LiSAF 2.2.1 ảnh h-ởng chiều dài buồng cộng h-ởng Chúng giải hệ ph-ơng trình tốc độ cho laser Cr:LiSAF , chiều dài buồng cộng h-ởng thay đổi tõ cm ®Õn 60 cm, R1 = 1, R2 = 0,1, xung bơm dạng hình chữ nhật, độ rộng xung 60 s, mức bơm ng-ỡng 1,5 Các kết tính toán thu đ-ợc (hình 2.3) biểu diễn thay đổi xung laser phát theo chiều dµi buång céng h-ëng 31 0.9 0.8 L = cm 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 x -5 10 0.9 L = 20 cm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 C-êng ®é lasser chuÈn hãa 0.9 L = 40 cm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 0.9 L = 50 cm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 0.9 L = 60 cm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 Thêi gian (s) H×nh 2.3 Xung laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode phát buồng cộng h-ởng có chiều dài thay ®æi tõ cm ®Õn 60 cm R1 = 1, R2 = 0,1 Xung bơm dạng chữ nhật, độ rộng xung 60 s (bơm sát ng-ỡng) 32 Chúng ta dƠ dµng nhËn thÊy: chiỊu dµi bng céng h-ëng lớn, độ dài xung laser phát lớn (hình 2.3) Hiện t-ợng đ-ợc giải thích nh- sau: Theo lý thuyết độ rộng xung laser đ-ợc tÝnh bëi c«ng thøc sau [12]:  pulse  t c Ni / Nt  N f / Nt (2.1) N i / N t  ln( N i / N t ) Trong t c thêi gian sèng cña photon buång céng h-ëng [12] tc  n     ln R1 R2  c L  1  T   2L  c Víi n lµ chiÕt st cđa bng, L lµ chiỊu dµi bng céng h-ëng vµ  lµ mát buồng cộng h-ởng Nh- độ rộng cđa xung laser Cr:LiSAF ph¸t phơ thc chđ u chiỊu dµi bng céng h-ëng NÕu chiỊu dµi bng céng h-ởng lớn t c lớn dẫn đến độ rộng xung phát lớn (xung phát dài) 2.2.2 ảnh h-ởng hệ số phản xạ g-ơng Xuất phát từ ph-ơng trình tốc độ, tính toán, khảo sát đặc điểm xung laser Cr:LiSAF phát theo hệ số phản xạ g-ơng buồng cộng h-ởng dài cm, giữ nguyên mức bơm lần ng-ỡng thay đổi hệ số phản xạ g-ơng laser Các kết thu đ-ợc đ-ợc biểu diễn hình 2.4 Kết thu đ-ợc cho thấy: việc giảm hệ số phản xạ g-ơng từ 0,9 đến 0,5 (nghĩa tăng dần mát buồng cộng h-ởng), độ dài xung laser phát ngắn Hiệu ứng đ-ợc giải thích t-ơng tự nh- trên: từ (3.2) ta thấy hệ số phản xạ g-ơng laser nhỏ (mất mát buồng cộng h-ởng cµng lín) sÏ lµm cho thêi gian sèng cđa photon buồng cộng h-ởng nhỏ, điều làm cho độ dài xung phát ngắn Nh- chiều dài buồng cộng h-ởng nhỏ, hệ số phản xạ g-ơng nhỏ thu đ-ợc xung laser thu đ-ợc ngắn 33 R = 0,9 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 0.9 R = 0,8 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 C-êng ®é laser chuÈn hãa 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 0.9 R = 0,7 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 x -5 10 0.9 R = 0,6 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 x 10 0.9 R = 0,5 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 Thêi gian (ns) Hình 2.4 Xung laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm b»ng laser diode ph¸t ë x 10 c¸c buång cộng h-ởng có hệ số phản xạ g-ơng R2 thay giảm từ 0,9 đến 0,5 (bơm sát ng-ỡng) 34 KếT LUậN CHƯƠNG Ch-ơng đà nghiên cứu đặc tr-ng động học dao động hồi phục phát xạ laser xung ngắn Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode Các kết thu đ-ợc dà làm t-ờng minh ảnh h-ởng thông số cấu hình: thông số bơm, thông số buồng cộng h-ởng lên đặc tính phổ phát xạ laser, đặc biệt phát đơn xung ngắn - Các kết cho thấy hoạt động hồi phục đ-ợc bơm sát ng-ỡng phát đ-ợc xung ngắn( 100ns) - Ngoài ra, thông số khác(độ rộng xung bơm, chiều dài buồng cộng h-ởng, hệ số phản xạ g-ơng ra) ảnh h-ởng mạnh đến chế độ phát đơn xung Trong thực tế ta chọn đ-ợc thông số phù hợp để để phát đơn xung ngắn 35 KếT LUậN chung Luận văn Dao động hồi phục laser Cr:LiSAF phát xung ngắn đ-ợc bơm laser diode đà nghiên cứu lý thuyết laser Cr:LiSAF hoạt động dựa ph-ơng pháp độ buồng cộng h-ởng: mô tả hoạt động laser kiểu hồi phục, đặc ®iĨm dao ®éng håi phơc vµ ®iỊu kiƯn ®Ĩ cã dao động hồi phục phát xạ laser Luận văn đà nghiên cứu trình động học phát xạ laser sở hoạt động laser dao động hồi phục, đà làm sáng tỏ ảnh h-ởng thông số cấu hình lên đặc tính phổ phát xạ tính chất phát xung ngắn laser Cr:liSAF Các kết thu đ-ợc luận văn: Laser Cr:LiSAF loại laser hoạt động theo chế bốn mức l-ợng Các dịch chuyển hấp thụ chủ yếu 4A2 4T1 4A2 E2 t-ơng ứng với b-ớc sóng hấp thụ 450 nm 650 nm Dịch chuyển phát xạ laser chủ yếu 4T2 4A2 với b-ớc sóng trung tâm 850 nm Phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF có hai vùng hấp thụ mạnh t-ơng ứng với hai b-ớc sóng hấp thụ trung tâm 450 nm 650 nm Phổ phát xạ laser Cr:LiSAF trải dài d¶i b-íc sãng tõ 780 nm – 1010 nm  Độ rộng xung laser phụ thuộc vào thông số bơm nh- thông số buồng cộng h-ởng: bơm sát ng-ỡng với độ rộng xung bơm nhỏ xung laser thu đ-ợc xung đơn, bung cộng hưởng ngắn hệ số phản xạ gương nhỏ xung laser phát ngn Kết luận văn sở cho việc phát triển ph-ơng pháp sử dụng tiến trình độ buồng cộng h-ởng để chế tạo xung laser ngắn Các kết góp phần định h-ớng cho thực nghiệm nhằm phát triển hệ laser Cr:LiSAF phơc vơ cho nghiªn cøu khoa häc 36 TàI LIệU THAM KHảO Nguyễn Đại H-ng, Vật lý Kỹ thuật laser, NXB ĐHQG, 2004 Đinh Văn Hoàng & Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng, ĐHKH Tự nhiên, 1999 Phạm Văn Thiều, Vật lý Laser, ĐHQG Hà Nội, 2001 C Davis, Laser and Elctro-Optics - Fundamentals and Engineering”, Cambrige University Press, 1996 Jasprit Singh, “Optoelectronics - An Introduction to Metarials and Devices”, University of Michigan, 1996 Wolfgang Demtroder, “Laser Spectrocopy - Basic Concepts and Instrumentation”, Second Edition, Springte Press, 1998 Govind P.Agrawal, “Laser Semiconductor”, American Institute of Physics Press, 1995 B.E.A Saled & M.C Teich, “Fundamentals of Photonics”, Part 2, J W Goodman Press, 1991 Michel J.F Digonnet, “Rate Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers”, Stanford University, California, 1993 10 Walter Koechner, “Solid State Laser Engineering”, Springer - Verlag, NewYork, 1999 11 Dickman, “Diodelaser Pumped Nd:YAG laser”, MEOS GmbH 79427 Eschbach, 2003 12 L.V Tarasov, “Laser Physics”, MIR Publishers Moscow, 1983 13 Chinlon Lin, “Studies of relaxation oscillations in Organic dye lasers, IEEE J Quantum electronics, Vol QE-11, No.8, 1975 14 Nguyễn Trọng Nghĩa, Nguyễn Đình Hoàng, Trần T Thanh Vân, Đỗ Quốc Khánh, Nguyễn Đại H-ng, “Studies of relaxation oscillations in 37 diode pumped a cut Nd:YVO4 lasers and its application, Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 5, Vũng Tàu 12-14/11/2007 15 Miyazoe and Maeda, “On the spiking phenomenon in organic dye lasers”, IEEJ Quantum electronics, Vol QE-7, No.8, 1971 16 Casperson L.W and Yariv A “the time behavior and spectra of relaxation oscillation in a high-gain laser”, IEEJ Quantum electronics, Vol QE-8, 1972 17 Nguyen Van Hao and et al., Spectro-temporal evolution and transient resonator in solid-state Cr:LiSAF laser emissions, International symposium on Cold atoms and Laser spectroscopy, Vinh, October 2224, 2009 18 Johnson L F, “Optically pumped pulsed crystal lasers other tan Ruby in laser”, Levine A K, Ed Dekker, New York, 1996 19 Yariv A, “Quantum electronic, Jonn Wiley and Sons, 1998 20 Walter Koechner, Michael Bass (2003), Solid State Laser A Graduate Text, Springer - Verlag, NewYork Pp75 38 Lêi cảm ơn Luận văn đ-ợc hoàn thành tr-ờng Đại học Vinh Trong thời gian nhận đ-ợc động viên, giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành luận văn Lời cảm ơn đầu tiên, chân thành sâu sắc nhất, xin đ-ợc gửi đến TS Đoàn Hoài Sơn - ng-ời đà trực tiếp h-ớng dẫn thực hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Đại H-ng, NCS Nguyễn Văn Hảo, cán khoa học làm việc phòng Quang Tử - Viện KHCNVN Những ng-ời đà quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho lời khuyên quý báu để hoàn thành luận văn Nhân dịp này, cho phép đ-ợc gửi lời cảm ơn tới thầy cô công tác giảng dạy khoa Vật lý, khoa Sau đại học - Tr-ờng Đại học Vinh, thầy cô trực tiếp giảng dạy suốt thời gian qua Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, ng-ời đà cho chỗ dựa tinh tần để yên tâm học tập, công tác hoàn thành luận văn Xin kính chúc tất ng-ời sức khoẻ thành đạt! 39 Mục lục Trang Mở ®Çu Ch-¬ng Tỉng quan vỊ laser rắn với môi tr-ờng hoạt chất pha tạp ion Cr3+ dao động hồi phục phát xạ laser 1.1 CÊu tróc tinh thĨ vµ mét sè tÝnh chÊt vËt lý cña colquiriite 1.1.1 CÊu tróc tinh thĨ 1.1.2 TÝnh chÊt vËt lý vµ quang 1.2 Laser tinh thÓ Cr:LiSAF 1.2.1 Cấu trúc l-ợng ion Cr3+ 1.2.2 Phổ hấp thụ phát xạ laser Cr:LiSAF 1.2.3 Nguyên tắc điều kiện hoạt động laser Cr:LiSAF 10 1.3 Dao động hồi phục phát xạ laser 13 1.3.1 Hoạt động hồi phục laser 13 1.3.2 Dao ®éng hồi phục phát xạ laser 16 1.3.3 Điều kiện để có dao động hồi phục phát xạ laser 20 1.3.4 Hệ ph-ơng trình tốc độ cho hoạt động độ laser Cr:LiSAF 21 KÕt luËn ch-¬ng 24 Ch-¬ng Dao động hồi phục laser Cr:LiSAF phát xung ngắn đ-ợc bơm laser diode 25 2.1 ảnh h-ởng thông số bơm lên dao động hồi phục 25 2.1.1 ảnh h-ởng độ rộng xung bơm 26 2.1.2 ¶nh h-ëng cđa møc b¬m 28 2.2 ảnh h-ởng thông số buồng cộng h-ởng lên xung cđa dao ®éng håi phơc 30 2.2.1 ảnh h-ởng chiều dài buồng cộng h-ởng 30 2.2.2 ¶nh h-ëng cđa hƯ sè ph¶n xạ g-ơng 32 Kết luận ch-¬ng 34 KÕT LUËN 35 TµI LIƯU THAM KH¶O 36 40 Danh mơc h×nh H×nh 1.1 CÊu tróc tinh thĨ cđa LiSAF, LiCAF Hình 1.2 Nguyên lý laser mức Hình 1.3 Cấu trúc l-ợng dịch chuyển quang häc cđa ion Cr3+ c¸c nỊn quang häc: (a) - Alexandrite; (b) - Cr:LiSAF H×nh 1.4 Phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF Hình 1.5 Các đặc tr-ng thời gian phát xạ hồi phục 15 Hình 1.6 Xung laser màu 7D4MC thu đ-ợc mức bơm giảm dần với chiều dài buồng chứa chÊt mµu lµ cm 17 Hình 1.7 Xung laser màu Rhodamine 6G thu đ-ợc mức bơm giảm dần với chiều dài buồng chøa chÊt mµu lµ cm 19 Hình 1.8 Sơ đồ laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode 22 Hình 2.1 ảnh h-ởng độ rộng xung bơm lên động học phát xung laser Cr:LiSAF 27 Hình 2.2 Các dao động laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode mức bơm khác BCH cm, R1 = 1, R2 = 0,9 29 H×nh 2.3 Xung cđa laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode phát buồng cộng h-ởng có chiều dài thay đổi từ cm ®Õn 60 cm R1 = 1, R2 = 0,1 Xung bơm dạng chữ nhật, độ rộng xung 60 s (bơm sát ng-ỡng) 31 H×nh 2.4 Xung cđa laser Cr:LiSAF đ-ợc bơm laser diode phát buồng cộng h-ởng có hệ số phản xạ g-ơng R2 thay giảm từ 0, đến 0,5 (bơm sát ng-ìng) 33 41 Danh mơc b¶ng B¶ng 1.1 TÝnh chÊt vËt lý cđa Cr:LiSAF Cr:LiCAF Bảng 1.2 Các tÝnh chÊt quang cña colquiriite Bảng 1.3 Các thông số số laser ®iỊu chØnh b-íc sãng 10 C¸c ký hiƯu viÕt t¾t BCH: Buång céng h-ëng Cr:LiSAF: Cr3+:LiSrAlF6 Cr:LiCAF: Cr3+:LiCaAlF6 KLCT: Kim loại chuyển tiếp Laser Nd:YAG-532 nm: Laser Nd:YAG phát häa ba bËc hai t¹i b-íc sãng 532 nm Laser Rh6G: Laser màu với môi tr-ờng hoạt tính Rhodamine 6G 42 ... t-ợng dao động hồi phục phát xạ laser Cr: LiSAF đồng thời ứng dụng t-ợng để chế tạo laser phát xung ngắn 2.1 ảnh h-ởng thông số bơm lên dao động hồi phục Dao động hồi phục laser Cr: LiSAF đ-ợc bơm laser. .. đặc điểm dao động hồi phục laser điều kiện để có dao động hồi phục phát xạ laser Nghiên cứu lý thuyết dao động hồi phục phát xạ laser Cr: LiSAF đ-ợc bơm laser diode; ảnh h-ởng thông số bơm, thông... rộng xung bơm mức bơm lên t-ợng dao động hồi phục phát xạ laser Cr: LiSAF đ-ợc bơm laser diode Sau kết nghiên cứu với laser Cr: LiSAF b-ớc sóng 850 nm, đ-ợc bơm laser diode 670 nm Tinh thể Cr: LiSAF