2.3.2 .Cường độ bão hòa Isat
2.3.3. sâu biến điệu
Độ sâu biến điệu là tổng của các mất mát bão hòa của bộ hấp thụ, mà có thể được làm trắng (bleached) bằng năng lượng xung lớn “vô cùng” (tức là mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với thông lượng bão hòa của bộ hấp thụ). Theo lý thuyết mode-locking, độ rộng xung p tỷ lệ nghịch với độ sâu biến điệu R của bộ hấp thụ bão hòa
Độ sâu biến điệu được định nghĩa là: R = Rns -Rlin với Rns là hệ số phản xạ khi vật liệu hấp thụ đã bị bão hoà
2.3.4. Các mất mát chưa bão hòa
Độ sâu biến điệu của SESAM cao thường được kết hợp với các mất mát vật liệu chưa bão hòa của bộ hấp thụ. Các mất mát này xuất hiện là do quá trình truyền và hấp thụ của gương Bragg. Các mất mát chưa bão hòa là không mong muốn, bởi vì chúng làm giảm hiệu suất của laser, do vậy phải giảm các mất mát này. Khi truyền qua gương Bragg mất mát giảm khi tăng số các cặp chiết suất cao và thấp. Hệ số hấp thụ của các lớp mỏng thấp cỡ khoảng 0,1%.
2.3.5 Thời gian hồi phục hấp thụ
Một tham số quan trọng khác của bộ hấp thụ bão hòa là thời gian hồi phục hấp thụ. Nó quyết định việc làm ngắn xung lớn nhất (độ rộng xung có thể đạt được nhỏ nhất) và các đặc tính xây dựng mode-locking của laser. Trong chế độ hấp thụ bão hòa nhanh, thời gian hồi phục của bộ hấp thụ là nhanh so với độ rộng xung. Do đó, cửa số khuyếch đại tổng được hình thành bằng chính xung và rộng bằng độ rộng xung.
Trong chế độ mode-locking soliton, bộ hấp thụ bão hoà chậm cũng có thể hỗ trợ những xung cực ngắn. Nếu tồn tại dạng soliton mạnh, độ rộng xung có thể ngắn hơn nhiều so với thời gian hồi phục của bộ hấp thụ. Độ rộng xung ngắn nhất đã đạt được với mode-locking hoàn toàn là 13 fs, sử dụng bộ hấp thụ với thời gian hồi phục chỉ có 60 fs. Vì lớp hấp thụ bão hòa lằm bằng vật liệu bán dẫn nên thể hiện đáp ứng xung theo hai thời gian (bitemporal impulse response):
quá trình tán xạ giữa các hạt tải bên trong vùng và quá trình nhiệt hóa (thermalization proceses), thông thường cỡ 10 fs đến 100 fs
quá trình tái hợp (recombination processes) cỡ ps tới ns phụ thuộc vào thông số chế tạo vật liệu.
Thời gian hồi phục hấp thụ phụ thuộc vào cả hai quá trình trên. Mode-locking của các xung laser cực ngắn yêu cầu thời gian sống của các hạt tải cực nhanh. Có hai kỹ thuật để làm giảm thời gian sống của các hạt tải là nuôi bằng kỹ thuật chùm
phân tử nhiệt độ thấp (LT - MBE) hoặc cấy ion. Giá trị điển hình của thời gian hồi phục đạt được nằm trong khoảng 10 - 20 ps.
E
E
D: Mật độ trạng thái Quá trình nhiệt hoá
bên trong vùng (100 fs)
Bẫy điện tử ở giữa vùng cấm (cỡ ps hoặc ns) Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng hóa trị Vùng dẫn Thời gian trễ H ệ số hấ p t hụ
Quá trình tái hợp giữa các vùng (cỡ ns)
D
Chương 3: Sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM để phát xung laser cực ngắn ở bước sóng 1,064 m
Từ việc nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật mode-locking và gương bán dẫn hấp thụ bão hòa đã trình bày ở trên, với những ưu điểm của kỹ thuật mode-locking thụ động và gương bán dẫn hấp thụ bão hòa, chúng tôi đã tiến hành xây dựng hệ laser Nd:YVO4 mode-locking thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM để tạo xung có độ rộng khoảng 13 ps và tần số lặp lại từ 30 MHz tới 100 MHz.
3.1. Xây dựng cấu hình buồng cộng hưởng của hệ laser Nd:YVO4 sử dụng SESAM được bơm bằng laser bán dẫn
Sơ đồ lắp đặt hệ laser Nd: YVO4 sử dụng SESAM để phát xung laser ngắn được mô tả trên hình 3.1. Trong thí nghiệm, laser mode-locking được thiết kế theo cấu hình bơm dọc. Để đạt được mode-locking hoàn toàn, phải đảm bảo số mode dọc
Laser ra SESAM M4 M6 M7 M2 Thấu kính GRIN M1 M3 Nd:YVO4 crysr a
Hình 3.1. Cấu hình buồng cộng hưởng của hệ laser Nd:YVO4
Laser bán dẫn M5
trong buồng cộng hưởng phải khá lớn và khoảng cách tần số cũng như hiệu số pha của các mode phải không đổi. Buồng cộng hưởng bao gồm gương M1 là gương phẳng có hệ số phản xạ cao cỡ 99%. Gương M2 là gương cầu có tiêu cự f=15 cm dùng để hạn chế mất mát nhiễu xạ trong buồng cộng hưởng. Gương M3, M4, M5 là các gương phẳng có hệ số phản xạ cao. Gương M6 là gương cầu có tiêu cự f=7,5 cm cho phép tập trung năng lượng laser lên gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM. Gương M7 là gương ra có hệ số phản xạ là 80% và 94% ở bước sóng 1064nm. Tinh thể Nd:YVO4 được đặt trên giá đỡ bằng đồng có tác dụng tỏa nhiệt.
Chúng tôi sử dụng nguồn bơm là một laser bán dẫn thương mại phát liên tục, phát xạ laser ở bước sóng 808 nm và có công suất cực đại 2,0 W. Thấu kính bơm là thấu kính GRIN có tiêu cự 2,5 cm.
Các đặc trưng của một số thiết bị sử dụng trong hệ laser
3.1.1. Nguồn bơm laser diode
Nguồn bơm laser diode gồm ba phần chính: Bộ nguồn nuôi (LDD) cung cấp dòng bơm cho laser diode, bộ làm mát cho laser diode (ATC-03H) và đầu laser diode (ATC-C2000-808-3).
3.1.1.1. Nguồn nuôi laser diode (LDD)
Nguồn nuôi LDD của Nga sản xuất có các chức năng sau:
Cung cấp dòng điện ổn định cho laser diode hoạt động ở chế độ liên tục và chế độ xung.
Ổn định và điều khiển nhiệt độ của laser diode.
Điểu khiển công suất quang của laser diode (với photodiode phản hồi). Bảo vệ laser diode khỏi những nguy hiểm về điện và nhiễu.
Hình 3.2. Mặt điều khiển phía trước của nguồn nuôi LDD. Các thông số kỹ thuật của nguồn nuôi LDD được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nguồn nuôi LDD [3]
Thông số Giá trị
Dải điều chỉnh của dòng bơm laser diode
(LDPC: Laser Diode Pumping Current) 0,18 (A)
Nhiễu và gợn sóng của dòng bơm laser diode không quá 0,5% giá trị cực đại Điện áp cực đại trên Laser bán dẫn Nhỏ hơn 3V
Dải thay đổi của thời gian xung 0,08ms 9,998ms với bước thay đổi 0,01; 1; 100ms
Dải thay đổi của tần số lặp lại xung 0,1 ms 9,999s với bước thay đổi 0,01; 1; 100ms
Thời gian lên xuống của dòng bơm không quá 30s
Dải điều chế ngoài của LD PC Tần số lên tới 10 kHz, điện áp 6..12V, dòng lên tới 10 mA Dải tỏa nhiệt của laser bán dẫn cài đặt với bộ
làm mát Peltier. +5
oC +48oC bước nhảy 0.1oC. Duy trì độ chính xác nhiệt độ Nhỏ hơn 0.1oC.
Nguồn điện. 220V/50Hz hoặc 110V/60Hz. Công suất tiêu thụ Nhỏ hơn 90W.
3.1.1.2. Bộ làm mát cho laser diode (ATC-03H)
Sử dụng để làm mát và ổn định nhiệt độ cho laser diode
Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của đầu làm mát ATC-03H
STT Thông số Giá trị
1 Dòng cực đại của bộ làm mát Peltier 5,7 (A) 2 Điện áp cực đại của bộ làm mát Peltier 4(V) 3 Công suất cực đại của bộ làm mát Peltier 19,5 (W) 4 Trở kháng danh định của Thermistor ở 25oC 10K5% 5 Điện áp cực đại của quạt gió 12 (V)
3.1.1.3. Laser diode ATC-C2000-808-3
Các thông số danh định của laser diode (Russia) được trình bày trong bảng 3.3
Bảng 3.3. Các thông số danh định của laser diode ATC-C2000-808-3
Thông số
(Top = 25oC) Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị
Min Bình thường Max
Công suất ra (liên tục) PCW --- 2,0 --- W Bước sóng phát xạ 805 808 811 nm Độ rộng phổ (FWHM) --- 3 --- nm Hiệu suất lượng tử D 0.8 1.0 1.2 W/A Tiết diện phát xạ WxH --- 200x1.0 --- um Dòng ngưỡng ITH 0.3 0.5 0.75 A Dòng hoạt động IOP --- 2.5 3.0 A Thế hoạt động UOP --- 1.9 2.1 V Hiệu ứng nhiệt của bước
3.1.2. Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM
Trong hệ laser Nd :YVO4 bơm bằng laser bán dẫn, chúng tôi đã sử dụng các gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM là SE-1064-2-0 hoạt động ở bước sóng = 1064nm. Các thông số của gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM
Bảng 3.4. Thôngsố của SESAM SE-1064-2-0, = 1064 nm
Bước sóng laser = 1064 nm
Dải phổ phản xạ cao (R > 99%) = 1020 .. 1110 nm Hấp thụ bão hòa A0 = 2%
Thông lượng bão hòa Fsat = 70 J/cm2 Thời gian hồi phục = 20 ps
Mất mát không bão hòa Ans < 0.3% Diện tích SESAM 5mm x 5mm Chiều dày SESAM 350 m
Bước sóng (nm) H ệ số ph ản x ạ (%)
Hình 3.3. Hệ số phản xạ của SESAM SE-1064-2-0, = 1064 nm
3.2. Sơ đồ thí nghiệm
Đầu đo năng lượng
S ES AM Hệ autocorrelator SESAM M4 M6 M7 M2 Thấu kính GRIN M1 M3 Nd:YVO4
Hình 3.4. Sơ đồ thí nghiệm của hệ laser Nd:YVO4
Laser bán dẫn
M5 Gương tách chùm
Photodiode
Nhân quang điện
Dao động ký Máy tính
Các tính năng kỹ thuật:
• Bơm: CW diode Laser
• Bước sóng: 1064 nm
• Ðộ rộng xung: 13 ps
• Công suất trung bình: 540 mW
• Tốc độ xung lặp lại: 30 - 100 MHz
(theo yêu cầu)
Hình 3.5: Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà
Để tiến hành khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO4, chúng tôi đã bố trí thí nghiệm như hình 3.4. Xung laser ra được đưa tới gương tách chùm với hệ số phản xạ R=50% để tách thành hai chùm, một chùm đưa tới đầu thu năng lượng để đo năng lượng và công suất xung laser ra. Chùm laser còn lại được đưa tiếp tới gương tách chùm tiếp theo và đưa tới hệ đo autocorrelation để đo độ rộng xung, chùm còn lại đưa vào photodiode để hiển thị dạng xung trên dao động ký.
3.3. Các kết quả thực nghiệm
3.3.1. Độ rộng xung laser mode-locking thụ động
Việc xác định độ rộng xung laser mode-locking được thực hiện trên hệ đo autocorrelator [4,5] sử dụng hiệu ứng phát hoạ ba bậc hai không đồng trục trên tinh thể phi tuyến KDP. Theo kết quả đo được, độ rộng của vết autocorelator là 20 ps. Với giả
thiết dạng xung đo được có dạng sech2, độ rộng xung laser mode-locking thực tế cỡ
13 ps. -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VÕt tù t-¬ng quan xung laser Nd:YVO4 mode-locking
Inten sity (m W) Time (ps) Thời gian (ps) C ườn g độ ( m W)
Hình 3.6. Vết tự tương quan xung laser mode-locking thụ động = 20ps
3.3.2. Tần số lặp lại xung.
Với SESAM sử dụng trong buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 trên hình 3.4, ta có thể tạo ra xung laser có tần số lặp lại từ 30 MHz tới 100 MHz. Hình 3.7 là chuỗi xung laser ra thu được trên dao động ký với các tần số lặp lại xung.
f = 100 MHz f = 65 MHz
f = 77 MHz
3.3.3. Công suất của laser mode-locking
Việc khảo sát công suất laser được thực hiện bằng đầu đo năng lượng (Melles Griot 13PME001), độ phân giải 10 W. Để khảo sát công suất của laser mode-locking theo hệ số phản xạ của gương ra, chúng tôi sử dụng hai gương có hệ số phản xạ R=80% và R=94% làm gương ra của buồng cộng hưởng laser. Với mỗi gương ra của buồng cộng hưởng, thay đổi công suất bơm và đo công suất ra của laser, ta thu được kết quả như trong bảng 3.5.
Bảng 3.5: Kết quả đo đặc trưng công suất với R 80% và R 94%
R = 80% R = 94% Công suất bơm Pp(mW) Công suất laser ra Pout(mW) Hiệu suất Công suất bơm Pp(mW) Công suất laser ra Pout(mW) Hiệu suất 494 178 0.360324 583 153 0.262436 583 216 0.370497 770 207 0.268831 676 260 0.384615 950 260 0.273684 770 300 0.38961 1130 316 0.279646 860 338 0.393023 1310 374 0.285496 950 380 0.4 1500 445 0.296667 1030 424 0.41165 1690 505 0.298817 1130 461 0.407965 1890 564 0.298413 1220 506 0.414754 1310 548 0.418321 1400 593 0.423571 1500 629 0.419333 1600 678 0.42375 1690 726 0.429586
1790 766 0.427933
1890 813 0.430159
1990 858 0.431156
2090 905 0.433014
Với kết quả thu được ta thấy khi gương ra có hệ số phản xạ R=80%, công suất của xung laser ra lớn hơn công suất phát của gương ra có hệ số phản xạ R=94%. Do khi giảm hệ số phản xạ của gương ra, các mất mát trong buồng cộng hưởng tăng lên, làm cho ngưỡng phát laser tăng lên, khi đó công suất phát tăng lên. Công suất phát của laser phụ thuộc tuyến tính vào công suất bơm.
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Y Axis Title X Axis Title R=80% R=94%
Công suất bơm (mW)
Cô ng s uấ t ph át ( mW)
KẾT LUẬN
Với mục đích nghiên cứu gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) và sử dụng nó trong các kỹ thuật phát xung laser ngắn bằng kỹ thuật mode-locking thụ động, luận văn “Nghiên cứu và ứng dụng gương hấp thụ bão hòa SESAM để phát
xung laser ngắn” đã thu được các kết quả sau:
Nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật mode-locking chủ động và kỹ thuật mode-locking thụ động để phát triển các laser xung cực ngắn dùng trong thông tin quang.
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, các thông số vật lý và các cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) trong kỹ thuật mode-locking thụ động phát các laser xung cực ngắn.
Nghiên cứu và sử dụng thành công gương SESAM trong buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode, để phát các xung laser cực ngắn 13 ps tần số lặp lại cao (100 MHz) tại bước sóng 1064 nm.
Nghiên cứu các đặc trưng và thông số của hệ laser Nd:YVO4 được bơm băng laser bán dẫn, hoạt động ở chế độ mode-locking thụ động bằng SESAM.
Lần đầu tiên, một hệ laser Nd: YVO4 phát xung cực ngắn sử dụng kỹ thuật phát xung laser ngắn hiện đại, kỹ thuật mode-locking sử dụng gương hấp thụ bão hoà bán dẫn (SESAM) được bơm liên tục bằng laser diode, được chế tạo thành công tại Việt Nam. Hệ laser này phát ổn định các xung laser ngắn cỡ 13 picogiây, tần số xung lặp lại có thể thay đổi từ 30 MHz đến 100 MHz ở bước sóng 1064 nm. Tại tần số xung 44,5 MHz công suất laser trung bình đạt được 940 mW tương ứng với hiệu suất laser là 43%.
Đây tuy là những kết quả đầu tiên trong việc sử dụng SESAM để phát triển và chế tạo các laser rắn mode-locking phát xung ngắn và tần số lặp lại cao. Để định hướng cho việc nghiên cứu và phát triển các các laser rắn phát xung ngắn, tần số lặp lại cao dùng trong thông tin quang - chúng tôi đang thiết kế các cấu hình buồng cộng hưởng quang học có kích thước nhỏ (mm) sử dụng SESAM, được bơm liên tục bằng laser diode, có thể phát được các xung laser mode-locking cực ngắn với tần số xung cao tới GHz, khi sử dụng vật liệu laser phát xạ trong vùng bước sóng từ 1530 nm đến 1565 nm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Chử Thị Thu Hà (2005), "Các kết quả nghiên cứu ban đầu laser vi cầu trên
nền thủy tinh Silica Aluminium pha tạp đất hiếm Erbium", Luận văn thạc sỹ
[2] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (1999), “Vật lý laser và ứng dụng”, Đại học khoa học tự nhiên.
[3] Đỗ Quốc Khánh (2004), “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ laser
Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode”, Luận văn thạc sỹ vật lý.
[4] Lê Hoàng Hải (2004), "Nghiên cứu sự lan truyền xung laser qua các môi trường khuếch đại và hấp thụ bão hòa. Ứng dụng để phát các xung laser cực