Trong phần này chỳng tụi giải hệ phương trỡnh tốc độ (1.33) và (1.34) cho laser Cr:LiSAF với chiều dài buồng cộng hưởng 10cm; R1= 1;
R2= 0,1; xung bơm cú dạng hỡnh chữ nhật; mức bơm trờn ngưỡng 1,5 lần; khi thay đổi độ rộng xung từ 90às đến 500às và giữ nguyờn năng lượng bơm. Cỏc kết quả tớnh toỏn thu được được biểu diễn trờn hỡnh 2.1.
Độ rộng xung bơm với cỏc giỏ trị:
) 90 ; ) 100 ; ) 150 ) 200 ; ) 500 a s b s c s d s e s à à à à à 28
Hỡnh 2.1.Ảnh hưởng của độ rộng xung bơm lờn đặc trưng phỏt xung ngắn của laser Cr:LiSAF [3]
Cỏc kết quả tớnh toỏn cho thấy, khi tăng độ rộng của xung bơm thỡ số lần dao động xảy ra càng nhiều, laser xuất hiện sớm hơn và khoảng cỏch giữa cỏc xung bị hẹp lại. Khi độ rộng của xung bơm quỏ lớn, xung laser lặp lại hỡnh dạng của xung bơm.
Cỏc kết quả này chỉ cú thể giải thớch được khi lưu ý rằng hoạt động laser chỉ xảy ra trong thời gian cú sự nghịch đảo mật độ tớch lũy cao hơn mật độ ngưỡng. Khi độ dài xung bơm nhỏ để cú thể so sỏnh với thời gian sống huỳnh quang của tõm hoạt chất thỡ quỏ trỡnh bơm chỉ đủ để hoạt động laser thực hiện một hoặc một vài dao động. Ngược lại, trường hợp độ dài xung bơm lớn hơn thời gian sống huỳnh quang của tõm hoạt chất thỡ quỏ trỡnh bơm vẫn tiếp tục duy trỡ để laser cú thể tiếp tục xảy ra sau lần xuất hiện dao động đầu tiờn. Do cú sự tớch thoỏt nhanh của mật độ tớch lũy ở mức kớch thớch, nờn số dao dộng được tăng lờn (Hỡnh 2.1 b - c - d). Trong trường hợp độ dài xung bơm quỏ lớn, quỏ trỡnh laser và quỏ trỡnh tớch lũy cú thể đạt đến trạng thỏi dừng nờn xung laser ra cú dạng của xung bơm (Hỡnh 2.1e).
2.1.2. Ảnh hưởng của mức bơm
Trờn cơ sở hệ phương trỡnh tốc độ, chỳng tụi khảo sỏt sự phụ thuộc của cường độ laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode theo thời gian khi vẫn giữ nguyờn độ rộng xung bơm là 100às, hệ số phản xạ của gương ra là 0,9 và tăng mức bơm trờn ngưỡng từ 1,5 đến 50 lần. Cỏc kết quả thu được được biểu diễn trờn hỡnh 2.2.
Hỡnh 2.2. Ảnh hưởng của mức bơm lờn đặc trưng phỏt xung ngắn của laser Cr:LiSAF. BCH: 2cm, R1 = 1, R2 = 0,9 [3]
Cỏc kết quả cho thấy:
* Với mức bơm gần ngưỡng laser Cr:LiSAF phỏt ra cú vài xung của dao động hồi phục, đặc biệt khi bơm sỏt ngưỡng ta cú thể thu được một xung đơn (Hỡnh 2.2a).
* Với mức bơm càng tăng, số lần dao động của cường độ laser tăng đồng thời laser xuất hiện cũng sớm hơn và khoảng cỏch giữa cỏc xung bị hẹp lại (Hỡnh 2.2 b, c và d).
* Xung laser sẽ lặp lại hỡnh dạng của xung bơm khi mức bơm quỏ cao trờn ngưỡng (Hỡnh 2.2e).
Kết quả này cú thể giải thớch dựa trờn cơ sở về khả năng tớch lũy phõn tử ở trạng thỏi kớch thớch sau mỗi lần phỏt xạ laser. Khi mức bơm sỏt ngưỡng, sự tỏi tớch lũy khú cú thể đạt đến ngưỡng phỏt sau quỏ trỡnh laser đầu tiờn xảy ra, nờn cường độ laser chỉ xuất hiện một vài dao động (Hỡnh 2.2 a và b). Ngược lại ở cỏc mức bơm cao trờn ngưỡng, sự tỏi tớch lũy tiếp tục được diễn ra sau quỏ trỡnh laser đầu tiờn xuất hiện, vỡ vậy, tần suất dao động được tăng cường (Hỡnh 2.2 c và d). Mặt khỏc trong trường hợp mức bơm quỏ cao trờn ngưỡng, quỏ trỡnh laser và quỏ trỡnh tớch lũy cú thể đạt đến trạng thỏi dừng vỡ vậy xung laser cú dạng xung bơm (Hỡnh 2.2e).
Như vậy, xuất phỏt từ hệ phương trỡnh tốc độ chỳng tụi đó chứng tỏ: sự xuất hiện dao động hồi phục trong phỏt xạ của laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode phụ thuộc rất rừ khụng chỉ vào cỏc thụng số của phõn tử hoạt chất (thời gian sống huỳnh quang, hệ số phỏt xạ cưỡng bức) mà cũn phụ thuộc vào cỏc thụng số bơm (mức bơm, độ rộng xung bơm). Đặc biệt trong trường hợp độ rộng của xung bơm nhỏ (khoảng 90às), mức bơm sỏt ngưỡng (r = 1,5) ta cú thu được một xung đơn (Hỡnh 2.1a và Hỡnh 2.2a).
Mặt khỏc, thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng cú vai trũ quan trọng đối với hiện tượng dao động hồi phục trong laser Cr:LiSAF
[10]. Do vậy hệ số phản xạ của gương ra và chiều dài buồng cộng hưởng sẽ ảnh hưởng đến dao động hồi phục trong phỏt xạ laser. Trong phần tiếp theo chỳng tụi sẽ nghiờn cứu những ảnh hưởng của hệ số phản xạ của gương ra và chiều dài buồng cộng hưởng lờn xung dao động hồi phục trong phỏt xạ của laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode.
2.2. Ảnh hưởng của thụng số BCH lờn xung của dao động hồi phục
Trong phần này chỳng tụi tớnh toỏn và khảo sỏt với cỏc BCH cú chiều dài khỏc nhau, cỏc gương laser ra cú hệ số phản xạ khỏc nhau để rỳt ra những đặc điểm cơ bản nhất của xung laser phỏt ra trong dao động hồi phục của laser Cr:LiSAF .
2.2.1. Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng
Chỳng tụi giải hệ phương trỡnh tốc độ đối với laser Cr:LiSAF, chiều dài buồng cộng hưởng thay đổi từ 2cm đến 60cm; R1 = 1; R2 = 0,1; xung bơm dạng hỡnh chữ nhật, độ rộng xung 60às, mức bơm trờn ngưỡng 1,5. Cỏc kết quả tớnh toỏn thu được (Hỡnh 2.3) biểu diễn sự thay đổi của xung laser phỏt ra theo sự thay đổi của chiều dài buồng cộng hưởng.
Kết quả cho thấy: khi chiều dài buồng cộng hưởng càng lớn, độ dài xung laser phỏt ra càng lớn (Hỡnh 2.3).
Hiện tượng này cú thể được giải thớch như sau:
Theo lý thuyết, độ rộng xung laser được tớnh bởi cụng thức sau:[6]
(2.1) ln( ) 1 f i t t pulse c i i t t N N N N t N N N N τ − = − −
1 1 2 1 2 ln (2.2) c n T L t R R c α L c α α − = − ữ ≈ ≈
Với: + n là chiết suất của buồng cộng hưởng. + L là chiều dài buồng cộng hưởng. + α là mất mỏt trong buồng cộng hưởng.
Hỡnh 2.3. Cỏc xung laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode, khi BCH cú chiều dài thay đổi từ 2cm đến 60cm; R1 = 1, R2 = 0,1 [3]
Như vậy, độ rộng của xung laser Cr:LiSAF phỏt ra phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài buồng cộng hưởng. Nếu chiều dài buồng cộng hưởng càng lớn thỡ tc càng lớn dẫn đến độ rộng xung phỏt ra càng lớn (xung phỏt ra càng dài).
2.2.2. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra
Hỡnh 2.4. Xung dao động hồi phục của laser Cr:LiSAF phỏt ra từ cỏc BCH cú hệ số phản xạ gương R2 thay đổi từ 0,9 đến 0,5 [3]
Từ phương trỡnh tốc độ, chỳng tụi tớnh toỏn, khảo sỏt đặc điểm của xung laser Cr:LiSAF phỏt ra theo hệ số phản xạ của gương ra ở buồng cộng hưởng dài 5cm, khi giữ nguyờn mức bơm là 2 lần trờn ngưỡng và thay đổi hệ số phản xạ của gương laser ra. Cỏc kết quả thu được được biểu diễn trờn hỡnh 2.4.
Cỏc kết quả thu được cho thấy: việc giảm hệ số phản xạ gương từ 0,9 đến 0,5 (nghĩa là tăng dần mất mỏt trong buồng cộng hưởng), độ dài của xung laser phỏt ra càng ngắn.
Kết quả này cú thể được giải thớch tương tự như trờn: từ (2.2) ta thấy khi hệ số phản xạ của gương laser ra càng nhỏ (mất mỏt trong buồng cộng hưởng càng lớn) sẽ làm cho thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng càng nhỏ, điều này làm cho độ dài xung phỏt ra càng ngắn.
Như vậy khi chiều dài buồng cộng hưởng càng nhỏ, hệ số phản xạ của gương càng nhỏ thỡ xung laser ra thu được càng ngắn.
2.3. Cấu hỡnh laser Cr: LiSAF biến điệu độ phẩm chất thụ động được bơm bằng laser diode
Phương phỏp biến điệu độ phẩm chất thụ động (Q - switching) là ta đưa vào buồng cộng hưởng laser mụi trường chất hấp thụ bóo hoà. Thời gian sống của phõn tử hay nguyờn tử của vật liệu hấp thụ phải rất ngắn so với thời gian sống của nguyờn tử hay phõn tử ở mức năng lượng laser trờn. Ban đầu, cỏc bộ hấp thụ bóo hoà dựng để điều biến độ phẩm chất thường là cỏc chất màu hữu cơ được pha loóng trong dung mụi hữu cơ (thời gian sống của cỏc phõn tử màu cỡ nano giõy). Tuy nhiờn, loại vật liệu điều biến này cú tuổi thọ thấp do sự thoỏi hoỏ phõn tử màu và khả năng chịu nhiệt thấp, do vậy ứng dụng của chỳng bị hạn chế. Sự phỏt hiện ra cỏc tinh thể
pha tạp cỏc ion hấp thụ hoặc chứa cỏc tõm màu đó cải thiện đỏng kể tuổi thọ và độ tin cậy của cỏc khoỏ phẩm chất thụ động.
Do khoỏ phẩm chất loại thụ động được biến điệu do chớnh bản thõn trường bức xạ trong buồng cộng hưởng nờn khụng đũi hỏi nguồn cao ỏp hay cỏc bộ điều khiển quang – điện như trong cỏc phương phỏp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng núi trờn. Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật biến điệu thụ động so với phương phỏp chủ động là thiết kế đơn giản, gọn nhẹ.
Mặc dự cú nhiều kỹ thuật biến điệu độ phẩm chất khỏc nhau đó được phỏt triển, như đó núi ở trờn cỏc phương phỏp biến điệu độ phẩm chất thường chỉ ỏp dụng được với cỏc laser cú thời gian sống của mức laser trờn tương đối dài.
Ưu điểm của phương phỏp biến điệu độ phẩm chất là: • Gần như khụng cú mất mỏt trong thiết bị biến điệu. • Cú thể đạt được độ mất mỏt cực đại (100%) khi đúng. • Thiết bị điện tử điều khiển hoạt động đơn giản.
• Độ tin cậy cao
Nhược điểm của phương phỏp biến điệu độ phẩm chất đú là tốc độ biến điệu cũn chậm, do đú cỏc xung tạo ra cũn dài. Tần số lặp lại và độ rộng xung cố định, khụng điều chỉnh được.
Hỡnh vẽ 2.5 trỡnh bày cấu hỡnh của một laser tinh thể Cr: LiSAF được bơm bằng laser diode phỏt xung ngắn nhờ biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng. Cấu hỡnh gồm buồng cộng hưởng với hai gương cú hệ số phản xạ R1 < 100%, R2 = 100%, hoạt chất là tinh thể Cr: LiSAF cú đặc điểm trỡnh bày ở bảng 2.1, tinh thể sử dụng để biến điệu độ phẩm chất là
Cr: YSO cú cỏc đặc trưng được trỡnh bày ở bảng 2.2 và hệ thấu kớnh hội tụ để hội tụ nguồn bơm vào tinh thể.
Hỡnh 2.5. Cấu hỡnh laser Cr:LiSAF biến điệu độ phẩm chất thụ động được bơm bằng laser diode [8]
Bảng 2.1: Cỏc đặc trưng của hoạt chất Cr: LiSAF [8]
Cụng thức hoỏ học Cr3+:LiSrAlF6 Màu Xanh lục Hệ thống tinh thể Một trục đối xứng Bước súng hấp thụ 440nm đến 650nm Phổ phỏt xạ 700nm đến 1100850nmnm) (đỉnh là: Diện tớch phỏt xạ 4,8.10-20cm2
Thời gian sống huỳnh
quang 67μs
Chiết suất tinh thể 1,41
Hệ số mất mỏt 0,002cm-1
Bảng 2.2: Cỏc đặc trưng của chất hấp thụ bóo hoà Cr: YSO [8] Cụng thức hoỏ học Cr4+: Y2SiO5 Màu Xanh sẫm Hệ tinh thể Hai trục Hằng số kớch thước a = 10,41A0 ; b = 6,72A0 ; c = 12,49A0 Cỏc bước súng hấp thụ chớnh 390nm, 595nm, 695nm và 750nm (đỉnh là: 1250nm).
Thời gian sống huỳnh quang 0,7μs
Khối lượng riờng 4,6g/cm3
Chiết suất 1,8
Nhiệt núng chảy 20700C
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương 2, chỳng tụi đó khảo sỏt được những ảnh hưởng của cỏc thụng số bơm và cỏc thụng số của buồng cộng hưởng lờn dao động hồi phục đồng thời rỳt ra những đặc điểm của xung phỏt ra trong phỏt xạ của laser Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode.
Kết quả cho thấy:
• Khi tăng độ rộng của xung bơm thỡ số lần dao động xảy ra càng nhiều, laser xuất hiện sớm hơn và khoảng cỏch giữa cỏc xung bị hẹp lại. Khi độ rộng của xung bơm quỏ lớn thỡ xung laser sẽ lặp lại hỡnh dạng của xung bơm.
• Tại mức bơm gần ngưỡng, laser Cr:LiSAF phỏt ra cú vài xung của dao động hồi phục, đặc biệt khi bơm sỏt ngưỡng ta cú thể thu được một xung đơn. Khi mức bơm càng tăng thỡ số lần dao động của cường độ laser tăng đồng thời laser xuất hiện cũng sớm hơn và khoảng cỏch giữa cỏc xung bị hẹp lại. Xung laser sẽ lặp lại hỡnh dạng của xung bơm khi mức bơm quỏ cao trờn ngưỡng.
• Độ dài của xung laser phỏt ra gần như tỷ lệ với chiều dài buồng cộng hưởng. Khi chiều dài buồng cộng hưởng càng nhỏ và hệ số phản xạ của gương ra càng bộ thỡ xung laser thu được càng ngắn.
Những đặc điểm của dao động hồi phục của phỏt xạ laser Cr:LiSAF từ cỏc buồng cộng hưởng cú độ dài ngắn khỏc nhau, được bơm gần ngưỡng chớnh là cơ sở cho việc phỏt triển phương phỏp sử dụng tiến trỡnh quỏ độ của buồng cộng hưởng để chế tạo cỏc xung laser ngắn.
• Giới thiệu một cấu hỡnh laser Cr:LiSAF biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng được bơm bằng laser diode.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn “Khảo sỏt đặc trưng phỏt xung ngắn của Laser Cr:LiSAF” đó được tỡm hiểu và nghiờn cứu lý thuyết về laser Cr:LiSAF hoạt động dựa trờn phương phỏp quỏ độ buồng cộng hưởng. Cỏc kết quả làm sỏng tỏ về hoạt động của laser kiểu hồi phục; cỏc đặc điểm dao động hồi phục trong laser và điều kiện để cú dao động hồi phục trong phỏt xạ của laser. Luận văn đó khảo sỏt và làm sỏng tỏ bằng lý thuyết ảnh hưởng của cỏc thụng số bơm và cỏc thụng số BCH lờn độ rộng của xung laser phỏt ra.
Cỏc kết quả chớnh luận văn là:
* Laser Cr:LiSAF là loại laser hoạt động theo cơ chế bốn mức năng lượng. Cỏc dịch chuyển hấp thụ chủ yếu là 4 4
2 1
A → Τ và 4 2 2
A → Ε tương ứng với cỏc bước súng hấp thụ 450nm và 650nm. Dịch chuyển phỏt xạ laser chủ yếu là 4T2 → 4A2 với bước súng trung tõm là 850nm. Phổ hấp thụ và phổ phỏt xạ laser Cr:LiSAF cú hai vựng hấp thụ mạnh tương ứng với hai bước súng hấp thụ trung tõm là 450nm và 650nm. Phổ phỏt xạ của laser Cr:LiSAF trải dài trờn dải bước súng từ 780nm đến 1010nm.
* Độ rộng xung laser ra phụ thuộc vào thụng số bơm, cũng như cỏc thụng số của BCH: khi bơm sỏt ngưỡng với độ rộng xung bơm nhỏ thỡ xung laser thu được là xung đơn, buồng cộng hưởng càng ngắn và hệ số phản xạ của gương ra càng nhỏ thỡ xung laser phỏt ra càng ngắn.
* Trờn cơ sở đú, chỳng tụi giới thiệu một cấu hỡnh laser Cr:LiSAF biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng được bơm bằng laser diode, cú thể phỏt cỏc đơn xung laser ngắn, cú thể mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong nghiờn cứu khoa học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đại Hưng, “Vật lý kỹ thuật laser”, NXB ĐHQG, 2004.
[2] Đinh Văn Hoàng & Trịnh Đỡnh Chiến, “Vật lý laser và ứng dụng”, ĐH Khoa học tự nhiờn, 1999.
[3] Lờ Đức Sửu, “Dao động hồi phục của laser Cr:LiSAF phỏt xung ngắn được bơm bằng laser diode”, ĐH Vinh, 2009.
[4] Phạm Văn Thiều, “Vật lý laser”, ĐHQG Hà Nội, 2001.
[5] Chinlon Lin, “Studies of relaxation oscillations in Organic dye lasers, IEEE J. Quantum electronics”, Vol. QE-11, No.8, 1975.
[6] L.V. Tarasov, “Laser Physics”, MIR Publishers Moscow, 1983.
[7] Miyazoe and Maeda, “On the spiking phenomenon in organic dye lasers”, IEEJ. Quantum electronics, Vol. QE-7, No.8, 1971.
[8] Nguyen Van Hao and et al, “Spectro-temporal evolution and transient resonator in solid-state Cr3+:LiSAF laser emissions, International symposium on Cold atoms and Laser spectroscopy”, Vinh, October 22-24, 2009.
[9] Nguyễn Trọng Nghĩa, Nguyễn Đỡnh Hoàng, Trần Thị Thanh Võn, Đỗ Quốc Khỏnh, Nguyễn Đại Hưng, “Studies of relaxation oscillations in 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.
[10] Walter Koechner, Michael Bass (2003), “Solid State Laser” A Graduate Text, Springer - Verlag, NewYork.