10. Dao động kí số Tektronix TDS7154B, 1,5 GHz, 20 GS/s.
3.3.2. rộng xung laser Nd:YAG và tần số lặp lại xung phụ thuộc vào công suất bơm
Nhận xét:
Từ đồ thị hình 3.4 ta có thể tính được hiệu suất hệ laser như sau: H = (3.6)
với là công suất laser bơm (laser diode ATC)
3.3.2. Độ rộng xung laser Nd:YAG và tần số lặp lại xung phụ thuộc vàocông suất bơm công suất bơm
Hình 3.5. Độ rộng xung laser Nd: YAG theo công suất bơm.
Trên hình 3.5 biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng xung của laser Nd:YAG Q-switching thụ động bằng Cr4+: YAG. Qua đồ thị ta có thể thấy rằng: độ rộng xung của laser Nd:YAG hầu như không thay đổi nhiều khi tăng công suất bơm.
Hình 3.6 biểu diễn tần số lặp lại của các xung laser Nd:YAG theo công suất bơm. Ở đây ta có thể thấy rõ, khi hoạt động trên ngưỡng, tốc độ lặp lại xung gần như tăng tuyến tính với cường độ bơm. Như chúng ta biết, trong một buồng cộng hưởng laser với cùng cường độ bơm, tần số lặp lại xung của laser biến điệu chủ yếu phụ thuộc vào các thông số của môi trường hấp thụ bão hòa. Trong trường hợp bơm mạnh, cường độ photon trong buồng cộng hưởng lớn và đủ mạnh để làm cho tinh thể Cr4+: YAG trở lên bão hòa (tẩy trắng). Trong trường hợp ngược lại, nếu công suất bơm yếu thì các photon trong buồng cộng hưởng cần khá nhiều thời gian để đạt tới giá trị đủ mạnh và có thể làm cho Cr4+: YAG trở lên bão hòa. Vì vậy, khi công suất bơm tăng sẽ làm cho tần số lặp lại của xung laser ra cũng tăng theo.
Dưới đây là các hình dạng của xung và đoàn xung laser Nd:YAG thu được trên dao động ký số (Tektronix TDS7154B, 1,5 GHz, 20 GS/s) với hệ số phản xạ gương ra R = 94 %; T0= 80 %, L = 5 cm ứng với công suất bơm 1920 mW.
Hình 3.7. Dạng xung và chuỗi xung laser Nd : YAG bơm bằng laser diode
Qua các hình 3.4, 3.5 và 3.7, chúng tôi nhận thấy hệ laser rắn Nd:YAG phát xung ngắn nano giây bằng kỹ thuật Q-Switching cho độ rộng xung laser ngắn nhất ( ~ 11 ns) và công suất đỉnh xung cao nhất (~ 3000 W) so với các công trình khác đã công bố [10 – 12] trong thời gian vừa qua. Đây có thể coi
như một bước đầu thành công trong việc phát triển các laser rắn phát xung ngắn nano-giây ở Việt Nam [13].
KẾT LUẬN
Trên cơ sở tìm hiểu lý thuyết cũng như thực nghiệm về laser rắn Neodymium, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, lắp ráp và cho hoạt động hệ laser Nd: YAG phát xung ngắn nano bằng phương pháp biến điệu thụ động độ phẩm chất buồng cộng hưởng.
Những kết quả chính thu được trong bản khóa luận này:
• Tìm hiểu được tổng quan laser rắn Neodymium bơm bằng laser diode, đặc biệt là laser Nd: YAG. Đây là một loại laser rất phổ biến và nó cho phép hoạt động dựa trên sơ đồ 4 mức năng lượng. Phổ hấp thụ của Nd:YAG có 3 vùng rõ rệt, trong đó vùng phổ có đỉnh quanh bước sóng 808 nm có cường độ mạnh nhất và điều này cho phép sử dụng các laser diode có bước sóng thích hợp để bơm nhằm cải thiện đáng kể hiệu suất laser.
• Tìm hiểu lý thuyết phương pháp phát xung ngắn bằng chất hấp thụ bão hòa. Đây là một phương pháp đơn giản và hiệu quả - cho phép phát được các xung laser ngắn tới hàng chục nano giây.
• Nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp thành công một hệ laser Nd: YAG được bơm bằng laser diode (bơm ở chế độ liên tục). Đây là một hệ laser rắn rất nhỏ gọn và có hiệu suất cao.
• Xây dựng hệ laser Nd:YAG phát liên tục công suất cao (~ 480 mW), hiệu suất laser đạt 31 %.
• Sử dụng thành công tinh thể Cr4+: YAG trong buồng cộng hưởng laser Nd:YAG được bơm bằng laser diode, để phát các xung laser ~ 11 ns, tần số lặp lại 1,742 kHz, công suất laser trung bình đạt được 150 mW tương ứng với hiệu suất laser là 7,8 % tại bước sóng 1064 nm (với R = 94 %, T0 = 80 % và L = 50 mm).
- Đánh giá đóng góp mới của Khóa luận : Khóa luận đã góp phần cải thiện các kỹ thuật laser rắn bơm bằng laser diode. Đây là hệ laser rắn Nd:YAG cho phép phát các xung nano ngắn nhất trong các hệ laser Q-
Switching trước đây [5], [10 - 12] (τ ≈ 11 ns) và công suất đỉnh xung cao nhất (~ 3 000 W) ở tần số lặp lại cỡ vài kHz [13].
Do thời gian làm khoá luận có hạn, hơn nữa việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ laser là một công việc rất phức tạp đòi hỏi nhiều kiến thức và kỹ thuật sâu về laser nói chung và laser rắn nói riêng. Đặc biệt, trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ở trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên còn nhiều hạn chế và khó khăn. Do đó, khoá luận không thể tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn để bản khoá luận của em thêm hoàn chỉnh hơn.
Hướng phát triển tiếp theo :
Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd :YAG phát xung ngắn. Nghiên cứu, thiết kế các bộ phận cơ – quang của hệ laser một cách chính xác và hoàn thiện thêm vỏ hộp laser.
Hướng đến các nghiên cứu ứng dụng của các xung laser ngắn nano trong các phép đo quang phổ hiện đại, đặc biệt là trong việc khảo sát các tính chất quang của các phân tử trong khí quyển và không khí (LIDAR- Light Detection And Ranging, là một thuật ngữ để chỉ một công nghệ viễn thám mới, chủ động, sử dụng các loại tia laser để khảo sát đối tượng từ xa. Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát).
Công trình khoa học đã công bố:
1. Nguyen Van Hao, Nguyen Thi Xiem, Nguyen Thi Nhu Hai and Nguyen Trong Nghia, The pulsed-diode end-pumped passively Q-Switched solid-state Nd3+: YAG laser, Journal of Science and Technology, Thai Nguyen University, No. 2(78), pp. 34 – 39 (2011).