3.3.1. Phân bố trường xa của chùm tia
Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o a. Hướng vuông góc với chuyển tiếp
b. Hướng song song với chuyển tiếp
Xác định phân bố trƣờng xa của chùm tia laser là xác định phân bố cƣờng độ quang trong không gian của laser, phân bố này đo đƣợc nhờ sử dụng phƣơng pháp quay đầu phát laser, sơ đồ đo nhƣ hình 2.13. Xung thu từ photodiode đƣợc đo trên dao động ký KIKUSUI 100 MHz. Phân bố trƣờng xa của laser đƣợc đo theo cả hai hƣớng song song và vuông góc với phƣơng chuyển tiếp. Hình 3.10a; hình 3.10b là phân bố trƣờng xa của laser taper cấu trúc 3o
Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o theo hướng song song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau.
Ta xác định đƣợc độ rộng góc tại vị trí 1/e2
là 8,1o theo phƣơng song song. Độ rộng góc là 50,6o
theo phƣơng vuông góc. Khi dòng bơm tăng tới giá trị đủ lớn thì xuất hiện hai đỉnh rõ rệt trong phân bố trƣờng xa. Nguyên nhân do sự không đồng nhất trong cấu trúc taper gây ra.
Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o tại các nhiệt độ khác nhau
Hình 3.12 là phân bố trƣờng xa của laser cấu trúc taper 30 ở các giá trị nhiệt độ 200
C, 250C và 30oC. Khi nhiệt độ thay đổi thì phân bố trƣờng xa tƣơng tự nhau. Vậy phân bố trƣờng xa không ảnh hƣởng nhiều bởi nhiệt độ.
Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o
a. Hướng song song với chuyển tiếp ở các dòng khác nhau
b. Hướng vuông góc với chuyển tiếp
Hình 3.13 là phân bố trƣờng xa của laser taper cấu trúc 4o dòng hoạt động 700 mA và nhiệt độ 25oC. Từ đồ thị ta xác định đƣợc độ rộng góc tại vị trí 1/e2 là 6,9o theo phƣơng song song, độ rộng góc là 54o theo phƣơng vuông góc. Ta nhận thấy khi tăng dòng bơm cho laser tới giá trị đủ lớn thì phân bố trƣờng xa cũng tạo thành hai đỉnh rõ rệt.
3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tính toán hằng số truyền M2
Hình 3.14 là phân bố cƣờng độ công suất theo vị trí cổ chùm (khoảng cách tính từ tâm của chùm tia tại cổ chùm) của laser cấu trúc taper 3o
và 4o. Từ hình vẽ ta xác định các thông số độ rộng cổ chùm tại vị trí 1/e2
với dòng hoạt động 700 mA ở nhiệt độ 250
C: Laser taper 3o : 16,7 m Laser taper 4o : 15,1 m
Hình 3.14: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm a) laser cấu trúc taper 3o
,b) laser cấu trúc taper 4o
Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o
Laser Taper 3o Taper 4o
Thông số Đơn vị (//) 2 / 1 e Độ 8.1 6.9 ) ( 2 / 1 e Độ 50.6 54 2 / 1e d µm 16.7 15,1 nm 671 671 M1/e2 (//) 2.7 2.1 M1/e2 () 1.01 1.1
Qua bảng số liệu trên ta thấy hằng số truyền laser taper theo phƣơng vuông góc với lớp chuyển tiếp p-n vào khoảng 1, do vậy chất lƣợng chùm tia chủ yếu phụ thuộc vào thừa số truyền theo hƣớng song song với chuyển tiếp.
Từ trên bảng 3.5 ta thấy các laser Taper có chùm tia có phân bố gần với phân bố gauss hay chất lƣợng chùm tia của laser taper tốt. Laser taper cấu trúc 4o
có hệ số truyền là M1/e2(//) = 2,1 nhỏ hơn laser cấu trúc 3o
(M1/e2(//) = 2,7) có độ rộng cổ chùm nhỏ hơn và chất lƣợng chùm tia tốt hơn. Nhƣ vậy, ƣu điểm chủ yếu của laser taper là
độ công suất quang lối ra tại cổ chùm đạt đƣợc cao. Điều này rất quan trọng cho nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt trong việc dùng laser bán dẫn công suất cao làm nguồn bơm cho laser rắn, nguồn kích thích trong việc đo phổ huỳnh quang của các vật liệu khác nhau [8].
3.4. Phân tích kết quả khảo sát đặc trƣng của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm trong hệ laser rắn Cr3+
Tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ đƣợc xem giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho các tinh thể laser rắn Ti: Sapphire đang sử dụng hiện nay để phát ra laser xung cực ngắn với độ rộng xung cỡ femto giây. Các tinh thể colquiriite điển hình nhƣ Cr3 +: LiSAF, Cr3 +: LiSGaF và Cr3 +: LiCAF cũng có băng thông rộng khoảng 800 nm, có khả năng điều chỉnh bƣớc sóng tổng thể từ 720 nm đến 1065 nm và cho phép tạo xung trên mức 10 fs, trong khi chi phí xây dựng hệ laser thấp hơn so với các hệ laser xung cực ngắn trên cơ sở tinh thể Ti: Sapphire. Bên cạnh đó tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ có mất mát thụ động thấp, tích số của thời gian sống huỳnh quang và tiết diện phát xạ cao vì thế có thể dễ dàng phát laser với ngƣỡng bơm rất thấp. Hiệu suất độ dốc của các laser rắn này cao vì thế cho phép laser hoạt động một cách hiệu quả. Tinh thể colquiriite pha tạp Cr3+ có các dải hấp thụ rộng và tƣơng đối mạnh xung quanh 650 nm, cho phép bơm trực tiếp bằng các laser bán dẫn màu đỏ chi phí thấp, làm giảm đáng kể sự phức tạp của hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể của toàn hệ. Nhiều loại laser bán dẫn khác nhau đã đƣợc sử dụng để bơm các laser Cr: Colquiriite ví dụ nhƣ các laser mảng (array), các laser dải rộng còn gọi là laser BA (Broad-Area), các laser dẫn sóng gò còn gọi là laser RW (Ridge-Waveguide). Các loại laser bán dẫn đã đƣợc sử dụng này có nhƣợc điểm là độ sáng tƣơng đối thấp vì vậy cần phải sử dụng nhiều laser cùng một lúc để có đƣợc mật độ kích thích đủ lớn.
Laser mảng tích hợp nhiều chip laser bán dẫn đơn dễ dàng cho phát ra mức công suất laser rất cao (lên đến hàng chục W), tuy nhiên chất lƣợng chùm tia ở các laser loại này giảm mạnh đồng thời chi phí của nguồn bơm cũng tăng đáng kể. Các tác giả trong [17] đã sử dụng một mảng diode 15 W (M2
~ 1200 theo chiều song song và M2 < 1.1 theo chiều vuông góc, độ sáng ~ 28 mW/μm2) để bơm một laser Cr: LiSAF đƣợc thiết kế đặc biệt với buồng cộng hƣởng profile chùm tia bất đối xứng. Laser rắn này đạt công suất laser liên tục 1,42 W và công suất laser trung bình 500 mW ở chế độ khóa mode.
Nhƣng do profile chùm tia chất lƣợng thấp nên hiệu suất độ dốc ở chế độ liên tục giới hạn ở 18% [17].
Laser RW đơn mode ở 650 nm công suất đầu ra là 170 mW với M2
<1.1 cho độ sáng 360 mW/μm2
. Vì vậy để có công suất laser liên tục 335 mW và công suất laser trung bình 250 mW ở chế độ khóa mode (mode-locking) chúng ta cần tới bốn laser RW nhƣ đã đề cập [6].
Với các laser BA hiện có, công suất cực đại có thể đạt tới 1,5 W nhƣng miền tích cực phát laser là rất bất đối xứng (chiều rộng có thể gấp tới vài chục lần bề dày) dẫn đến chùm phát ra là bất đối xứng và có chất lƣợng chùm tia rất thấp (M2 ~ 10 theo chiều song song và M2 <1,1 theo chiều vuông góc). Do đó, mặc dù các laser này có công suất đầu ra khá cao nhƣng độ sáng của chúng cũng chỉ đạt ~ 340 mW/μm2
thậm chí còn thấp hơn các laser RW đơn mode. Khi sử dụng bốn laser BA thì cũng chỉ đạt công suất laser liên tục 590 mW và công suất laser trung bình 390 mW ở chế độ khóa mode. Bên cạnh đó, việc sử dụng laser có chất lƣợng chùm bơm thấp sẽ giới hạn hiệu suất độ dốc của laser rắn (chỉ đạt 19% khi laser hoạt động ở mode TEM 00) đồng thời sinh ra một lƣợng nhiệt lớn cho laser [5].
Tóm lại, các nghiên cứu vừa trình bày đã phải sử dụng cấu hình bơm phức tạp để đạt đƣợc mức công suất laser hợp lý phát ra từ tinh thể Cr: Colquiriite laser do độ sáng của nguồn bơm thấp. Thêm vào đó, các nguồn bơm laser bán dẫn đa mode với chất lƣợng chùm tia thấp tạo ra hiệu ứng nhiệt rất mạnh và giới hạn hiệu suất độ dốc trong các laser Cr: Colquiriite. Các laser Cr: Colquiriite bơm bằng các loại laser bán dẫn đa mode giống nhƣ trên đòi hỏi hệ quang học đặc biệt để cải thiện sự phù hợp mode giữa mode bơm và mode buồng cộng hƣởng (ví dụ nhƣ gƣơng buồng cộng hƣởng trụ và các tinh thể cắt Brewster phẳng phủ phản xạ [12]), những cấu hình quang và các linh kiện đặc biệt này làm tăng chi phí và sự phức tạp của toàn bộ hệ thống.
Nhƣ chúng ta đã thảo luận trong các phần trƣớc, laser bán dẫn taper là sự kết hợp của chất lƣợng chùm tia hoàn hảo của laser RW và công suất cao của laser BA. Các mode không gian bậc cao trong laser taper đã bị lọc bởi phần RW của laser tạo ra một chất lƣợng chùm tia gần với giới hạn nhiễu xạ. Công suất quang ra cao đƣợc cung cấp bởi phần taper mở rộng dần với góc mở = 3o và = 4o
và có thể đạt tới trên 500 mW. Chất lƣợng chùm tia ra của laser này về cơ bản đƣợc cải thiện rất nhiều so với laser BA (M2 ~ 2,1 - 2,7 theo chiều song song và M2 < 1.1 theo chiều
vuông góc) do đó độ sáng tăng lên đáng kể. Nếu sử dụng các laser taper này cho bơm hệ thống laser rắn Cr: Colquiriite chúng ta có thể đạt đƣợc độ sáng khoảng 500 mW/μm2, tăng ít nhất trên 1,5 lần độ sáng so với các laser RW đơn mode (360 mW/μm2) và laser BA đa mode (340 mW/μm2) đã nêu trên. Với độ sáng tăng lên đáng kể, hiệu suất độ dốc của hệ laser Cr: Colquiriite bơm bằng laser taper sẽ tăng theo đồng thời hiệu ứng nhiệt gây bởi năng lƣợng bơm dƣ thừa sẽ giảm [7]. Nhìn chung, các kết quả này cho thấy Cr: Colquiriite laser đƣợc bơm với taper laser có thể trở thành lựa chọn thay thế triển vọng đối với Ti: Sapphire cho các ứng dụng khác nhau trong khoa học và công nghệ.
KẾT LUẬN
Laser diode công suất cao cấu trúc giếng lƣợng tử GaInP/GaAs phát ở vùng phổ đỏ với cấu trúc Taper (vuốt thon) đã đƣợc nghiên cứu. Các tính chất quang điện của các laser cấu trúc này đã đƣợc khảo sát và cho thấy:
Với cấu trúc epitaxy, laser cấu trúc taper có công suất quang ra lớn. Ở nhiệt độ 250
C laser taper φ = 30 hiệu suất độ dốc (W/A) = 0,5 công suất ra 311mW với dòng bơm 1A. Tƣơng tự laser taper φ = 40
có (W/A) = 0,79, công suất ra 443 mW với dòng bơm ~ 1A
Công suất quang của laser diode là phụ thuộc theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hoạt động tăng thì công suất quang ra giảm. nhiệt độ đặc trƣng của của laser cấu trúc taper là ~ 97 K. Từ nhiệt độ này ta có thể tìm đƣợc giá trị dòng ngƣỡng hoạt động của laser theo nhiệt độ.
Đặc trƣng phổ của laser đo đƣợc cho thấy đỉnh phổ của laser cấu trúc taper phổ quang nằm trong dải 671÷ 673 nm, độ rộng dải phổ bức xạ lớn nhất của laser taper là < 3nm (khi dòng bơm nhỏ). Laser taper đều có cấu trúc mốt dọc phức tạp do sự thăng giáng mốt theo nhiệt độ, dòng bơm…
Phổ phân bố trƣờng xa của các laser cấu trúc taper theo hƣớng vuông góc với chuyển tiếp có độ rộng phân bố góc 1/e2()~ 50÷55o. Kết quả khảo sát cho thấy độ rộng cổ chùm của laser taper (d1/e2~ 15 m) nhỏ và thừa số truyền chùm theo hƣớng song song với chuyển tiếp nhận đƣợc cho laser loại taper (M1/e2 ~ 2) nhỏ. Điều này cho thấy laser cấu trúc taper có chất lƣợng chùm tia tốt nên có nhiều ƣu việt trong ứng dụng thực tế.
Các thông số thu đƣợc về các tính chất đặc trƣng của laser taper khảo sát ở trên cho thấy khả năng ứng dụng làm nguồn bơm cho laser rắn Cr: Colquiriite.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
M. J. Adams, A. G. Steventon, W. J. Devlin, I. D. Henning: Semiconductor Lasers for Long-Wavelength Optical-Fibre Communications Systems, IEE Materials and Devices Series, (1987).
M. C. Amann, J. Buus: Tunable Laser Diodes, Artech House, Boston, (1998).
F. Bachmann P. Loosen, R. Poprawe, High Power Diode Lasers, pages 197, 200, Springer, (2007).
M. J. Bastiaans The Wigner distribution function applied to optical signals. Optics Communication pages 25, 26, (1978).
U. Demirbas, A. Sennaroglu, F. X. Kärtner, and J. G. Fujimoto, “Comparative investigation of diode pumping for continuous-wave and mode-locked Cr3+:LiCAF lasers,” J. Opt. Soc. Am. B 26(1), 64–79 (2009). U. Demirbas, G. S. Petrich, D. Li, A. Sennaroglu, L. A. Kolodziejski, F. X. Kärtner, and J. G. Fujimoto, “Femtosecond tuning of Cr:Colquiriite lasers with AlGaAs-based saturable Bragg reflectors,” J. Opt. Soc. Am. B 28(5), 986–993, (2011).
U. Demirbas, M. Schmalz, B. Sumpf, G. Erbert, G. S. Petrich, L. A. Kolodziejski, J. G. Fujimoto, F. X. Kärtner, and A. Leitenstorfer, “Femtosecond Cr:LiSAF and Cr:LiCAF lasers pumped by tapered diode lasers” Opt. Express 19(21), 20444-20461, (2011).
U. Demirbas, M. Schmalz, B. Sumpf, G. Erbert, G. S. Petrich, L. A. Kolodziejski, J. G. Fujimoto, F. X. Kärtner, and Alfred. Femtosecond Cr:LiSAF and Cr:LiCAF lasers pumped by Tapered diode lasers. Vol. 19, No. 21 / OPTICS EXPRESS 20459, (2011).
R. W. Dixon, F. R. Nash, R. L. Hartman, and R. T. Hepplewhite, Improved light-output linearity in stripe-geometry double-herostructure (Al,Ga)As lasers, Appl. Phys. Lett., 29(6), pp.372,(1976).
R. Grunwald, H. Schoennagel, and A. Bärwolff, in Technical Digest Series of CLEO’99, IEEE, paper CWF32, (1999).
R. Häring, B. Sumpf, G. Erbert, G. Tränkle, F. Lison and W. G. Kaenders, Proc. SPIE 6485, pp. 648516, (2007).
A. Isemann and C. Fallnich, “High-power Colquiriite lasers with high slope efficiencies pumped by broad-area laser diodes,” Opt. Express 11(3), 259–264,
[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] ). (2003).
ISO 11146-1:2004 Lasers and laser-related equipment –Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios – Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams. International Organization for Standardization, (2004).
ISO/FDIS 11146-2:2004 Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios – Part 2:General astigmatic beams. International Organization for Standardization, (2004).
ISO/TR 11146-3:2004 Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios – Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods.International Organization for Standardization, (2004).
R. Knappe, K. J. Boller, and R. Wallenstein, Opt. Lett. 20, (1995), pp, (1988).
D. Kopf, K. J. Weingarten, G. Zhang, M. Moser, M. A. Emanuel, R. J. Beach, J. A. Skidmore, and U. Keller, “High-average-power diode-pumped femtosecond Cr:LiSAF lasers,” Appl. Phys. B 65(2), 235–243, (1997). R. L. McCreery, in Raman Spectroscopy for Chemical Analysis, Chemical Analysis, Wiley, Vol. 157, p. 128, (2000).
G. Nemes Intrinsic and geometrical beam classification, and the beam identification after measurement. Proceedings of the SPIE 4932, 624, (2002).
A. E. Siegman New Developments in laser resonators. Proceedings of the SPIE 1224, 2, (1990).
J.E. Whiteaway, B. Garrett, G. H .B. Thompson, A. J. Collar, C. J. Armistead, and M. J. Fice, The static and dynamic characteristics of single and multiple phase-shifted DFB Laser Structures, IEEE Journ. Quant.Electr. 28 (5), pp 1277, (1992).
BIÊN BẢN HỌP