1 H= 5 500 W/m2oK; 2 H= 03 04 W/m2oK
2.1.Cấu hình laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn
Chúng ta biết rằng, bơm quang học kết hợp là một phương pháp tạo nghịch đảo mật độ cư trú trong hoạt chất laser đạt hiệu quả cao. Nguồn bơm
kết hợp (laser) có bước sóng lọc lựa trong một vùng phổ hẹp, không những nâng cao hiệu suất hấp thụ (lọc lựa) tạo ra chuyển dịch kích thích lên mức cao mà còn giảm được hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất (do năng lượng bơm trong vùng phổ dư khi sử dụng nguồn bơm không kết hợp - đèn flash). Cùng với sự phát triển của laser bán dẫn (laser diode - LD), laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Nhờ phương pháp bơm bằng laser bán dẫn mà kích thước của laser rắn được giảm đi rất nhiều vì không cần sử dụng kỹ thuật làm lạnh. Bên cạnh đó kích thước nguồn nuôi cũng được giảm đi đáng kể mà vẫn tăng công suất phát laser [6].
Có hai phương pháp bơm cho laser rắn bằng laser bán dẫn, đó là bơm ngang và bơm dọc. Bơm dọc từ đầu vào buồng cộng hưởng có lợi là năng lượng trong hoạt chất phân bố đều trên tiết diện ngang. Tuy nhiên, hiệu suất bơm không cao vì khó tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất. Bên cạnh đó thì năng lượng bơm sẽ giảm dần theo chiều dài hoạt chất [6].
Để khắc phục những hạn chế trên, phương pháp bơm ngang được sử dụng. Từ các kết quả đã công bố, ta thấy phần lớn năng lượng ánh sáng của đèn (75%) gây ra nhiệt trong hoạt chất [6]. Sự đốt nóng hoạt chất sẽ gây nên nhiều hiệu ứng nhiệt khác nhau: giảm công suất phát, gây bất ổn định công suất, gây bất ổn định cấu trúc chùm tia và thậm chí làm hỏng hoạt chất. Để tránh được những hiệu ứng bất lợi như vậy, trong công nghệ laser thay vì dùng đèn phóng khí, người ta cố gắng tìm các nguồn quang học có phổ trùng với phổ hấp thụ của laser rắn. Và như vậy, laser bán dẫn được sử dụng để làm nguồn bơm cho laser rắn. Hiện nay các laser bán dẫn đã được chế tạo với kích thước nhỏ nhưng công suất phát lớn. Sử dụng laser bán dẫn có công suất lớn hoặc nhiều laser có công suất nhỏ để ghép thành bộ có bước sóng trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất làm nguồn bơm cho laser là một trong những phát triển của laser rắn. Các laser bán dẫn được sử dụng nhiều nhất để làm nguồn bơm cho laser rắn là các laser có bước sóng nằm trong khoảng từ 800nm đến 900nm. Với việc sử dụng nguồn bơm kết hợp, hiệu suất laser có thể đạt tới 80%. Ngoài
ra, nếu sử dụng laser bán dẫn không những sẽ nâng cao hiệu suất phát laser mà còn có thể phát laser ở bất kỳ tần số nào, phụ thuộc vào tần số của laser bán dẫn. Hơn nữa, vì không có năng lượng dư thừa đốt nóng hoạt chất, nên không cần hệ thống làm lạnh, tránh được một công nghệ phức tạp trong chế tạo laser rắn tần số lặp cao. Với các ưu điểm trên của nguồn bơm quang học kết hợp, laser rắn đang được phát triển trên cơ sở sử dụng nguồn bơm laser bán dẫn và nâng cao tần số lặp lên đến hàng trăm Hz [6].
b
Hình 2.1. Sơ đồ laser rắn bơm ngang bằng bốn laser bán dẫn [21]. a. Mặt cắt dọc, b. Mặt cắt ngang.
Khi sử dụng nguồn bơm là các laser bán dẫn, đèn bơm đặt song song với thanh hoạt chất - gọi là cấu hình laser rắn bơm ngang (hình 2.1). Vì mỗi laser bán dẫn có công suất thấp và bán kính vết chùm tia rất nhỏ, nên không thể sử dụng một laser để bơm cho laser rắn. Để tăng công suất bơm và năng lượng được phân bố đều trên hoạt chất, các laser này được gắn với nhau thành những thanh gồm nhiều laser bán dẫn giống nhau (hình 2.2).
Hình 2.2. Thanh 16 laser bán dẫn [21].
dài hoạt chất laser rắn. Các thanh này được đặt song song với hoạt chất (hình 2.1a) giống như đèn flash. Bức xạ phát ra của laser bán dẫn sẽ chiếu thẳng vào hoạt chất mà không phải sử dụng mặt phản xạ như trong trường hợp nguồn bơm quang học không kết hợp. Thông thường người ta sử dụng bốn hoặc sáu thanh đặt xung quanh hoạt chất (hình 2.1b). Ta biết rằng, phân bố năng lượng chùm tia bán dẫn có dạng Gauss, và không đều theo tiết diện ngang. Do đó trước khi chiếu vào hoạt chất, tia laser bán dẫn sẽ được tái phân bố lại nhờ một hệ quang học đặt giữa thanh bán dẫn và hoạt chất. Tuỳ theo số lượng thanh laser bán dẫn và kích thước của hoạt chất mà ta sử dụng hệ quang hội tụ hay phân kỳ. Cấu hình thực nghiệm hoàn chỉnh sử dụng trong thực tế được trình bày trên hình 2.3 [16].
Hình 2.3. Laser rắn bơm bằng laser bán dẫn và biến điệu xung Pokker[23]
Như trên hình 2.3, ta thấy rằng, mặc dù đã sử dụng bốn thanh laser bán dẫn có bước sóng trùng với vùng phổ hấp thụ của tâm hoạt laser rắn, song vẫn cần đến quá trình làm lạnh. Nguyên nhân cần đến làm lạnh chính là do phổ phát xạ của laser bán dẫn không phải là đơn vạch, mà có một độ rộng phổ nhất định. Phần nhiều năng lượng nằm trong vùng phổ này không biến đổi thành năng lượng của laser rắn (năng lượng lạnh) mà là tác nhân gây nhiệt, tuy rằng không lớn. Cấu hình laser rắn trong hình 2.3 cho thấy, có bốn thanh laser bán dẫn được sử dụng trong cấu hình bơm cạnh (side-pumped) với mục đích phân bố đều năng lượng từ bốn hướng. Tuy nhiên, không thể có được sự
phân bố đều năng lượng trên tiết diện ngang của hoạt chất, vì hai lý do: 1) năng lượng của laser bán dẫn có phân bố Gauss ở trường xa, 2) độ phân kỳ của laser bán dẫn rất lớn, vào khoảng (5÷10)o, do đó, cần phải hội tụ vào hoạt chất laser. Điều này dẫn đến sự phân bố lại năng trong hoạt chất.
Từ những phân tích trên, phân bố năng lượng bơm sẽ biến hoạt chất một thấu kính nhiệt buồng cộng hưởng.