a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang sợi TDFA cũng được thực hiện nhờ cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lượng như hình 1.33 .Sự hoạt động của laser Thulium sử dụng bơm cộng hưởng được báo cáo lần đầu tiên với một laser đỏ bơm dịch chuyển trạng thái từ mức 3H6 lên mức 3F6. Sau đó bơm laser diode được sử dụng để đạt tới dao động ở 2,3 .Bước sóng này gần với bước sóng có sự suy giảm nhỏ nhất trong sợi
nữa,Tm có thể được bơm bời laser diode công suất cao,giống như AlGaAs vì sự hấp thụ trạng thái đất mạnh của Tm gần 790nm.
Hình 1.33. Giản đồ năng lượng của Thulium.
Các nguồn laser hoạt động trong lân cận ánh sáng hồng ngoại có thể được mong đợi để tìm ra các ứng dụng trong các vùng,giống như khả năng phán đoán phân tử Gas trong y học.Thulium là một đề xuất cho các ứng dụng như vậy,bởi vì nó được phát ra từ các bước sóng sấp xỉ ở giữa 1,6 và 2,1 và do đó bao phủ dải của hơi nước (1,88 và 1,91 );nước tinh thể (1,94 ); C (1,96 ;2,01 ,2,06 )
Các sợi florua kim loại nặng pha tạp Thulium có thể hoạt động trên một trong 3 bước sóng riêng biệt từ các mức như 3
4 H 2,3 tới mức 3 5 H ,1,8 tới mức 3 4 F và tại 0,82 tới mức 3 6 H b. Laser tại 2,3
Các thí nghiệm laser sử dụng Thulium trên một kích thước thủy tinh ZBLAN dài sấp xỉ 1,5 cm với nồng độ 1 mol Tm.Mẫu được bơm với Laser alexandirte tại 785nm,với độ rộng xung là 200ns và dao động ở 2,25ns và dao động 2,25 ,Sự hấp thụ của bước sóng bơm 875 đã dẫn tới kích thích vào trong mức 3
4 H từ mức trạng thái 3 6 H .Sau đó sự phân rã từ mức 3 5 H làm tăng bức xạ 2,25 (như hình 1.33) .Sự tồn tại của mức laser trên là 1,1ms,trong khi sự tồn tại mức thấp hơn 3
5
H ngắn hơn đáng kể,điển hình ít hơn 10 .Do đó bức xạ 2,25 không tự kết thúc,Sự tồn tại của mức 3
4
F cũng được giới hạn ở 12ms không tự kết thúc.Mức ngưỡng đối với bức xạ 2,25 μm là 2mJ,nhưng khi năng lượng hấp thụ tới mức 3mJ bức xạ laser tại 1,88 μm
xuất hiện tương ứng với chuyển trạng thái từ mức3 4 F về mức 3 6 H .Điều này là nhờ sự giảm mạnh số lượng mức3 5 H giải phóng tới mức 3 4 F .
Nhà khoa Esterowitz đã quan sát dao động laser tại 2,3 μm trong sợi florua 50cm sử dụng laser alexandrite hoạt động ở 786nm và tần số bơm là 10Hz.Khởi đầu của xung dao động laser xuất hiện tại 1 ngưỡng bơm năng lượng là 25 2,25 J được phóng vào sợi.Sự tồn tại của mức laser trên là 1,55 ms,Theo Esterowitz thì trong hệ thống 4 mức cũng giống như thế.Sự hoạt động CW xảy ra tại 16mW vì ngưỡng công suất bơm cho bởi xung năng lượng.Sự kích thích tiếp theo sử dụng một mảng diode laser tại 787nm dẫn tới sự hoạt đọng CW tại 2,29 μm với một ngưỡng là 6mW,Thật đáng tiếc .lõi của sợi này là elip và sự suy hao cách tử sẽ là cao khoảng 100-200 dB//km tại 0,63 μm .Do đó sự cải thiện chất lượng sợi sẽ làm tăng hơn nhiều so với thực hiện laser.Hai nhà khoa học Allen và Esterowitz đã bơm các sợi tương tự với một laser diode GaAlas tại 790nm và quan sát các ngưỡng của 4mW và độ dốc sấp xỉ 10 đối với công suất bơm nhỏ hơn 10mW được bơm.Công suất đạt sấp xỉ 1mW nhưng sự bão hòa xuất hiện ở vào khoảng 13mW hoặc hơn công suất bơm.Độ bão hòa gần như là nguyên nhân chính bởi vì sự giảm số lượng mức3
5
H tới mức tồn tại dài 3 4
F .Mẫu ngưỡng trên của mức 3
4
F N(3 4
F ) có thể đạt được như sau: N(3
4
F )= Trong đó:
là công suất bão hòa
là ngưỡng trên của công suất bơm
là tổng hợp ion
Hơn nữa , được cho bởi công thức: =
Trong đó:
là năng lượng phton bơm (2,5 J) A là đướng kính lõi sợi (7,5 μm )
là đoạn xuyên qua hấp thụ bơm là thời gian tồn tại của mức 3
4
F
Thay các giá trị gần đúng vào trong công thức sẽ được công suất bão hòa gần đúng là 13mW.
giới hạn công suất bơm là 200mW). Không giống như kết quả của Allen và Esterowitz ,độ bão hòa của công suất đầu ra là không xuất hiện.Điều này liên quan đến việc lựa chọn nguồn bơm :677,4 nm so với 790nm.Bước sóng bơm cũ là nguyên nhân kích thích vào trong mức 3 3 F .Tỉ số phân nhánh của mức 3 3 F :sự chuyển dịch từ mức 3 2 F về mức 3 4
H là thấp do đó bơm 790nm tăng hiệu suất đơn giản hơn vì nó được bơm vảo trong mức 3
4
H .
Smart đã cố gắng tạo dao động laser băng bơm diode laser đã không thành công bởi vì mức ngưỡng cao và giá trị công suất bơm thấp (sấp xỉ 100mW).Đê thay thế diode laser họ đã sử dụng Ti: Laser saphire như một nguồn bơm.Tại đây các bước sóng kích thích được phù hợp trên toàn bộ dải hấp thụ 3
6
H - 3 4
H .Họ đã quan sát dao động laser tại 2,305 μm với một ngưỡng sấp xỉ 115mW và hiệu suất dốc 18,8 .Tại đây không thể quan sát độ bão hòa của công suất đầu ra trong báo cáo của Allen và Esterowitz.Hai ông cho rằng hiện tượng này là do bức xạ laser từ mức 3
4
F về mức
3 6
H (bức xạ 1,88 μm ),tại Đó số lượng mức 3F4 được thay đổi một cách nhanh chóng về trạng thái đất. Bơm điode laser đã hược thực hiện thành công bởi McAeavey . Tác giả đã báo cáo công suất đầu ra 2 mV với một hiệu suất độ dốc cao tại 2,31 µm bằng bơm laser diod công suất thấp hoạt động tại 785 nm.
c. Laser tại 1,9 µm.
Dao động laser tại 1,88 µm đã được chứng minh bằng một công suất đầu ra 1,3 mW bằng cách bơm một laser ion Krypton tại 676,4 nm. Ngưỡng của công suất bơm là 50 mW và hiệu suất dốc là 3,3 %. Bức xạ 1,9 µm làm tăng dịch chuyển từ mức 3
F4 về mức 3
H6 . Các nhà khoa học nhận thấy rằng đường cong có thể thay đổi nhiều hay ít và đã tạo ra đường cong Florua khi laser được bơm trên giá trị ngưỡng 1,7 lần và hoạt động laser đó có thể thay đổi ở giữa 1,84 µm và 1,94 µm.
Nhà khoa học Carter đã sử dụng bơm laser diode tại 795 nm để đạt được hoạt động CW tại 1,972 µm với một ngưỡng công suất phóng là 40 mW ( hoặc công suất hấp thụ là 20mW) và một hiệu suất có độ dốc là 0,3 % khi gương phát nhỏ hơn 1%. Công suất ra lớn nhất từ laser diode là xấp xỉ 100mW cong xuống 200 mW . Thật thú vị khi thấy đầu ra 1,972 µm đã rơi ra ngoài dải thay đổi từ 1,84 – 1,94 µm. Tổng quát, có thể thấy rằng dải thay đổi trong 1 ma trận Florua là hẹp hơn trong silica (1,78-2,056 µm) . Hiệu suất độ dốc thấp (0,3%) ở đây đã tăng lên từ tỉ số phân nhánh nhỏ đối với phân rã ion T thành mức 3F4 từ mức 3H4 .Điều này là nhờ sự phân rã đa photon không bức xạ tỉ lệ thấp từ mức 3
H4 tới mức 3H5 trong sợi thủy tinh floruazirconate . Xấp xỉ 90% ion T kích thích ở mức 3
H4 phân rã bức xạ tới trạng thái đất 3H6, do đó chỉ 10% phân rã tới mức laser 3
F4 . Bởi vậy ngưỡng của dao động laser được tăng lên bằng một hệ số 10 và độ dốc hiệu suất giảm bằng một hệ số tương tự . Tuy nhiên, mức ngưỡng có thể giảm bằng cách sử dụng sợi đơn mode.
Tm lân cận. Kỹ thuật này giống như quá trình chuyển đổi năng lương đã được mô tả trước đây. Theo cách này sự bức xạ từ một ion trong mức 3
H4 kích thích phân rã về mức 3
F4 được hấp thụ bằng một ion Tm liền kề. Đó là ion đã được kích thích từ trạng thái đất (3
H6) lên mức laser cao hơn (3
F4) . Vì vậy hai ion cuối cùng trong mức laser trên đối với mỗi photon bơm được hấp thụ nên hiệu suất bơm được tăng lên .Ở phương pháp thứ 2, sử dụng dao động laser đồng thời tại 1,9 µm và 2,3 µm, bơm n lần trên mức ngưỡng làm tăng tỉ lệ nhánh của chuyển đổi 3H4
– 3H5 và tăng sự phân rã về mức 3
F4 bởi một hệ số n. Bằng sự thay đổi các gương ở trong buồng cộng hưởng laser, Smart đã quan sát được dao động laser ở cả 2,305 µm và 1,942 µm. Laser tại 1,942 µm đã có một độ dốc hiệu suất tăng 8,3% và một ngưỡng sấp xỉ 115 mW của công suất phóng. Tuy nhiên các tác giả không thể loại trừ khả năng khi mà tăng độ dốc hiệu suất có thể làm giảm suy hao của buồng cộng hưởng.
d. Laser tại 1,51 µm.
Dao động laser được quan sát tại 1,51 µm sử dụng sợi pha tạp đơn mode được làm lạnh tới 77 độ K và được bơm tại 647,1 nm. Hoạt động laser tại 1,51 µm xảy ra do kỹ thuật hấp thụ đa photon, nhờ sự hấp thụ ban đầu của một photon 647,1 nm gây nên sự kích thích từ trạng thái đất 3
H6 lên mức 3F3. Khi không có sự kích thích sau đó xuất hiện sự giải phóng không bức xạ từ mức 3
F3 về mức 3H4 và hấp thụ 1 photon bơm (ESA) vào trong mức 1D2 . Sự phân rã từ mức 1D2 về mức 1G4 là bức xạ và làm tăng bức xạ 1,51 µm. Công suất đầu ra đã đạt được trên 6 mW.
e. Laser tại 1,48 µm.
Allain đã minh họa dao động laser ở 1,48 µm trong sợi đơn mode được bơm ở 676,4 nm. Bức xạ ở 1,48 µm xuất hiện từ hệ thống 4 mức, đặc biệt từ sự dịch chuyển 3
H4 lên mức 3F4. Sự hấp thụ của photon bơm là nguyên nhân kích thích từ trạng thái đất 3
H6 tới mức 3F3 ( mức ở trạng thái cân bằng với mức 3F2). Sự phân rã không bức xạ từ 3
F3 vè 3H4 được theo sau bởi bức xạ từ 3H4 về 3F4 , làm tăng bức xạ 1,48 µm. Khi sự tồn tại của mức cao hơn (1ms) là ngắn hơn mức thấp (10ms) thì sự chuyên đổi này sẽ tự kết thúc. Hiệu suất này là lý do của ngưỡng mức công suất cao 40mW và độ dốc hiệu suất thấp. Tuy nhiên , hiệu suất của laser này có thể được cải thiện đáng kể bằng cách giảm thời gian tồn tại của mức thấp hơn (3
F4) và làm thay đổi gương để cho phép cộng hưởng dao động ở 1,9 µm dực trên sự dich chuyển 3
F4 về mức 3H6. Cộng hưởng dao động thực tế đã làm giảm số lượng mức thấp hơn 3
F4, do đó làm tăng độ dốc hiệu suất của laser CW 1,48µm lên 1,6 %. Mức ngưỡng là 63 mW và công suất đầu ra lớn nhất là 0,2 mW. Bước song biến đổi trong dải này từ 1,46 đến 1,51 µm . Bức xạ laser và trải phổ florua là hơi khác vì tín hiệu ESA xuất hiện hoạt động trên bước sóng ngắn của phổ laser. Tín hiệu ESA là rất giống dịch chuyển từ mức 3
F3 về mức 1G4 do sự khác nhau năng lượng giữa hai mức này.
tranh năng lượng giữa Thinium và Terbium mà kết quả ở trong bức xạ xanh do sự biến đổi ngược.