Giải pháp đồng chỉnh gương mini tối ưu hóa thông số vật lý trong buồng cộng hưởng laser Nd:YAG Q-switch thụ động

Phương pháp Q-switching

Chỉ khi đột ngột mở màn chắn thì độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột biến, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới, hiệu độ tích luỹ giảm rất nhanh và cho phát một năng lượng lớn dưới dạng một xung có thời gian ngắn, đó là một xung cực lớn so với xung phát thông thường. Mặc dù nhiều phương pháp thụ động khác đã được đưa ra, như Q-switch màng mỏng dùng công cụ là chất hoạt động theo mật độ phôtôn bên trong laser, cơ chế hoạt động của nó được chỉ ra trong [20, 21], nhưng hầu hết các Q-switch thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hoà.

Sơ đồ buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG

Ảnh hưởng này trở nờn rừ ràng hơn khi Q-switch trở thành bóo hoà và mật độ phụtụn nhiều hơn ở mức 2. Do đó, ảnh hưởng này mang ý nghĩa quan trọng, nó được tính đến trong nhiều mô hình phương trình tốc độ cái mô tả một Q-switch thụ động. Nó là sự truyền tín hiệu rất nhỏ của Q-switch và có thể được coi như mất mát khi Q-switch chậm lại.

Độ dài hiệu dụng của buồng cộng hưởng

Chùm tia bị khúc xạ ở các mặt đáy của các thành phần quang học khi nó truyền qua môi trường kích thích dẫn đến một sự giảm thiểu chiều dài buồng cộng hưởng. Mode trong trong buồng cộng hưởng chủ động (đã có môi trường hoạt chất) với độ dài hình học L0 biểu hiện các bán kính chùm tia giống ở buồng cộng hưởng thụ động (khi chưa có môi trường hoạt chất) với chiều dài hiệu dụng Leff =L0 − ∆. Việc làm ngắn chiều dài buồng cộng hưởng là không đáng kể cho laser khí, nhưng đối với các laser rắn và các laser diode mà các chiết xuất nằm trong khoảng 1.5 và 3, độ dịch chuyển ∆ có thể có ảnh hưởng đáng kể lên các đặc tính mode.

Bán kính chùm tia Gaussian ở gương của buồng cộng hưởng kích thích là giống vớI những phạm vi của bộ cộng hưởng thụ động được ngắn bởI độ dài denta. Việc làm ngắn không chỉ áp dụng với bản thân môi trường kích thích, mà còn đối với yếu tố quang học khác bất kỳ đặt vào trong buồng cộng hưởng như các thấu kính dầy, các bộ phân cực khối, hay các tinh thể phi tuyến. Khoảng dịch chuyển ∆ sẽ trở nên khác với x (mặt phẳng tiếp tuyến) và hướng y (mặt phẳng đối xứng dọc) dẫn đến các bán kính chùm elip ở các gương buông cộng hưởng.

Các phương trình tốc độ và các nghiệm

2σ (ns −n ls )s biểu thị mật độ mất đi của phôtôn như là kết quả của sự chuyển dời hấp thụ của trạng thái cơ bản của Q-switch và trạng thái kích thích tương ứng trên chiều dài của sự hấp thụ bão hoà (ls). Nếu các phương trình tốc độ là mô hình laser ba mức, γ = 2, vì sự sinh một phôtôn kích thích có thể cũng làm tăng mật độ ở mức cơ bản của môi trường laser và giảm một cách hiệu dụng mật độ đảo của laser bằng hai. Vì điều này, có thể xem rằng phép đo trong phòng thí nghiệm về buồng cộng hưởng laser Gaussian các mode ngang có thể tạo ra một nhánh hệ thống từ sự mô tả trôi chảy của mô hình phương trình tốc độ.

Điều này có nghĩa là sự thay đổi nghịch đảo mật độ tích luỹ do bơm laser và phát xạ tự phát là đủ nhỏ sao cho có thể bỏ qua sự thay đổi nhỏ trong suốt thời gian xung Q-switch được tạo thành. Những điều giả sử này có thể ảnh hưởng một vài kết quả của mô hình phương trình tốc độ, như là sự ước lượng năng lượng bơm cần thiết, nhưng không đóng góp vào các tính chất đã tính toán của xung laser được nghiên cứu trong luận văn này. Các phương trình 2.7 và 2.8 theo phương trình 2.1 cho phép chúng ta mô tả nghịch đảo mật độ ban đầu (ni), nghịch đảo mật độ ở công suất đỉnh (nt), và nghịch đảo mật độ cuối (nf) như là hàm của các tính chất vật liệu cơ bản của laser.

Các kết luận tổng quát của mô hình phương trình tốc độ

Zhang và các cộng sự [4] đã tìm được biểu thức tối ưu của độ truyền qua ban đầu đối với một môi trường hấp thụ bão hòa xác định, từ đó đã đề ra một quy trình tính toán nhằm thu được năng lượng xung laser ra lớn nhất và độ rộng xung cực tiểu. Chen [5] đã đưa vào các phương trình tốc độ một hệ số liên quan đến tỷ lệ giữa tiết diện của chùm tia laser trong môi trường hoạt chất và trong chất hấp thụ bão hòa (A/As); và đã khảo sát ảnh hưởng của thông số này lên chế độ hoạt động tối ưu của laser Q- switch thụ động. Zhang [7] cũng đã tính đến tỷ số giữa bán kính của chùm laser ra và bán kính chùm laser bơm (ωL/ωP) – với giả thiết các chùm laser đều có dạng Gauss; từ đó có thể tìm được kích thước tối ưu chùm tia bơm.

Trong luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp và quy trình tính, toán thiết kế tối ưu một hệ laser Nd:YAG được Q-switch thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG. Các phương trình tốc độ được đưa ra dựa trên những giả thiết và điều kiện thực nghiệm như sau: (1) hệ laser được bơm bằng đèn flash, (2) hai gương laser đều là gương phẳng, (3) bỏ qua các hiệu ứng do nhiệt trong thanh laser, (4) laser phát bức xạ ở mode cơ bản TEM00. Từ việc giải hệ phương trình tốc độ này, ta sẽ thu được biểu thức của các thông số laser quan trọng như năng lượng xung, công suất đỉnh, độ rộng xung phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương ra và độ truyền qua ban đầu của chất hấp thụ bão hòa.