2.3.1. Xung tín hiệu cần khuếch đại
Xung laser tín hiệu được đưa vào bộ khuếch đại có bước sóng 1064 nm, được phát ra từ hệ laser khóa mode xung ngắn Nd:YVO4 sử dụng gương hấp thụ bão hòa SESAM. Độ rộng xung laser 10 ps, ở tần số lặp lại khoảng 8,8 MHz với công suất trung bình là 300 mW. Chùm laser tín hiệu được chuẩn trực với đường kính tiết diện cỡ 100 m, phù hợp với tiết diện vùng môi trường được bơm. Giả sử xung tín hiệu có dạng Gausian, theo công thức:
𝐼(𝑡) = 𝐼𝑠𝑜exp (−4𝑙𝑛2(𝑡−𝑡𝑜)2
∆𝑡2 ) (2.27) trong đó Iso là cường độ đỉnh xung; t0 là thời gian tại đó cường độ xung đạt cực đại Iso;
t là độ rộng xung tín hiệu.
Để tính phân bố photon trong một xung laser tín hiệu, tôi sử dụng công thức 𝐼𝑠𝑜 = 𝐸𝑜
ℎ𝑓 trong đó Eo là năng lượng đỉnh xung laser; h là hằng số Planck (6,625x10-34 J/s); f là tần số laser. Với công suất trung bình của laser 1064 nm là 300 mW, độ rộng xung 10 ps và tần số lặp lại 8,8 MHz kết quả là Iso=1,87x1013 photon.cm-2.ns-1. Xung laser tín hiệu được trình bày trên Hình 2.2.
Hình 2.2. Xung laser tín hiệu.
Cư ờ ng đ ộ (s ố ph ot on .cm -2 .ns -1 ) Thời gian (ps)
2.3.2. Môi trường khuếch đại
Môi trường khuếch đại được sử dụng là môi trường Nd:YVO4, tinh thể có dạng hình lập phương, kích thước 3x3x3 mm, đã được cắt phù hợp cho việc bơm quang học bằng laser diode, theo cấu hình bơm dọc. Các tham số của môi trường được thể hiện trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các tham số của môi trường Nd:YVO4 sử dụng trong hệ khuếch đại laser xung cực ngắn nhiều lần truyền qua [7 ].
Thông số Giá trị
Môi trường khuếch đại Nd:YVO4 (CASIX, Trung Quốc) Chiết suất môi trường 1064 nm: 1,9573 (n0) 2,1652 (ne) 808 nm: 1,9721 (n0) 2,1858 (ne) Thời gian sống huỳnh quang, 90 s
Độ rộng phổ khuếch đại 0,96 nm (257 GHz, 1064 nm) Tiết diện hấp thụ tại bước sóng bơm, 𝜎𝑎𝑝 25.10-20 cm2
Tiết diện phát xạ tại bước sóng bơm, 𝜎𝑒𝑝 25.10-23 cm2
Tiết diện hấp thụ tại bước sóng laser, 𝜎𝑎𝑠 2,5.10-22 cm2 Tiết diện phát xạ tại bước sóng laser, 𝜎𝑒𝑠 2,5.10-19 cm2
Kích thước tinh thể 3x3x3 mm
Mật độ ion Nd3+ trên đơn vị thể tích 1,26.1020 atm.cm3 (Nd: 1%) Xác suất photon bơm góp vào khuếch
đại, Q 0,002
Bảng 2.2. cho thấy, môi trường Nd:YVO4 có tiết diện hấp thụ tại bước sóng bơm và tiết diện phát xạ tại bước sóng laser cao, đồng thời tiết diện hấp thụ tại bước sóng laser và tiết diện phát xạ tại bước sóng bơm là nhỏ. Vì vậy, đây là một môi trường khuếch đại lý tưởng.
2.3.3. Nguồn bơm
Trong chương I, ta thấy rằng phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4 gồm có ba đỉnh phổ hấp thụ chính 600 nm, 730 nm và 808 nm. Vì vậy việc sử dụng laser bán dẫn có bước sóng 808 nm để bơm cho Nd:YVO4 là rất phù hợp. Trong tính toán tôi sử dụng các tham số của nguồn bơm như Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Các tham số của nguồn bơm cho môi trường Nd:YVO4.
Tham số Giá trị
Nguồn bơm Laser bán dẫn liên tục
Bước sóng bơm (p) 808 nm
Đường kính vết bơm 100 m
Cường độ bão hòa, Isat = 1/.𝜎𝑎𝑝 4,5x1013 photon.cm-2.ns-1. Mật độ công suất bão hòa wsat = Isat.hc/p 0,01 MW.cm-2
KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Trong chương này, tôi đã trình bày phương trình động học mô tả quá trình khuếch đại xung laser trong bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua với cấu hình bơm dọc trên cơ sở sự tương tác cộng hưởng, không kết hợp giữa xung laser với môi trường. Hệ các phương trình khuếch đại cho phép xác định độ khuếch đại ban đầu, độ khuếch đại tức thời tại thời điểm t cũng như độ khuếch đại sau n lần truyền qua tinh thể. Hệ phương trình khuếch đại này là cơ sở để nghiên cứu động học khuếch đại nhiều lần truyền qua.
Trong chương này tôi cũng đưa ra các thông số cho bài toán tính toán mô phỏng động học của quá trình khuếch đại như: cường độ, độ rộng của xung tín hiệu cần khuếch đại, môi trường khuếch đại, laser bơm. Bằng việc sử dụng là các tham số này cho việc giải hệ phương trình khuếch đại, tôi nghiên cứu, phân tích sự ảnh hưởng của các thông số đến quá trình khuếch đại nhiều lần truyền qua.
CHƯƠNG III
ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN 1064 nm SỬ DỤNG TINH THỂ Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG
LASER BÁN DẪN LIÊN TỤC
Trong chương này, bằng việc sử dụng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình khuếch đại tôi sẽ nghiên cứu tường minh các quá trình vật lí xảy ra trong các bộ khuếch đại laser xung ngắn một và nhiều lần truyền qua. Sự ảnh hưởng của cường độ laser bơm, cường độ của xung laser tín hiệu, cấu hình bộ khuếch đại lên động học khuếch đại và hệ số khuếch đại cũng sẽ được nghiên cứu chi tiết trong chương này.