13 ps.
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
ngắn", Luận án tiến sỹ vật lý
[5] Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích (2005), “Thiết bị và linh kiện quang học,
quang phổ laser”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội
[6] Nguyễn Trọng Nghĩa, Đỗ Quốc Khánh, Trần Việt Phương, Lê Thị Thanh Nga, Phạm Long, Nguyễn Đại Hưng (2005), "Các đặc trưng của laser Nd:YVO4
phát liên tục, hiệu suất cao được bơm bằng laser bán dẫn", Hội nghị vật lý
toàn quốc
[7] Phạm Long (2005), “Vật liệu màu hữu cơ trong công nghệ laser màu xung
ngắn”, Luận án tiến sỹ
[8] Vũ Văn San (2003), "Hệ thống thông tin quang", T2, Nhà xuất bản Bưu Điện
Tiếng Anh
[9] B.E.A. Saled & M.C. Teich (1991), “Fundamentals of Photonics”, Part 2, J.W. Goodman Press.
[10] Craig A. Williamson (2003), “Mode locking of novel semiconductor lasers”,
[12] http://www.batop.de/informations
[13] L.D. Jung, F.X. Kärtner, N. Matuschek, D.H. Sutter, F.Morier-Genoud, Z. Shi, V. Scheuer, M. Tilsch, T. Tschudi, U.Keller (1997), “Semiconductor
saturable absorber mirrors supporting sub-10-fs pulses”, Appl. Phys. B 65,
137-150
[14] M. Haiml, R. Grange, U. Keller (2004), “Optical characterization of
semiconductor saturable absorbers”, Appl. Phys. B79, 337-339.
[15] Steve Lecomte, Markus Kalisch, Lukas Krainer, Gabriel J.Spühler, Rüdiger Paschotta, Matthias Golling, Dirk Ebling, Ursula Keller (2005), "Diode-
Pumped Passively Mode-locked Nd:YVO4 lasers with 40 GHz repetition rate",
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol 41, No 1, 45-52
[16] Ursula Keller (1996), “Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM’s)
for Femtosecond to Nanosecond pulse generation in solid-state lasers”,
IEEE J. Quantum Electron. Vol 2, No 3, 435-453.
[17] Ursula Keller (2003), “Recent developments in compact ultrafast lasers”, Nature Vol 424, 831-838.
[18] Wolfgang Demtröder (1998), “Laser Spectroscopy - Basic Concepts and
Instrumentation”, Second Edition, Springer Press.
[19] B.G. Kim, E.Garmire, S.G. Hummel, and P.D. Dapkus (1989) “Nonlinear
Bragg reflector based on saturable absorption”, Appl.Phys. Lett., vol.54,
1095-1097.
[20] I.D. Jung, F.X. Kartner, N. Matuschek, D.H. Sutter, F. Morier-Genoud, G.Zhang, U. Keller, V.Scheuer, M. Tilsch, T.Tschudi (1997), “Self-starting
6.5-fs pulses from a Ti:sapphire laser”, vol.22, No. 13, 1009-1011.
[21] I.D. Jung, L.R. Brovelli, M.Kamp, U.Keller and M. Moser (1995) “Scaling of the antiresonant Fabry-Perot saturable absorber design toward and thin
MỤC LỤC
Mở đầu ... 1
Chương 1: Các phương pháp phát xung laser quang học cực ngắn và ứng dụng 1.1. Phương pháp khóa mode dọc trong buồng cộng hưởng (mode-locking) ... 3
1.1.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp mode-locking ... 3
1.1.2. Phương pháp mode-locking chủ động ... 5
1.1.3. Phương pháp mode-locking thụ động ... 7
1.1.4. So sánh mode-locking thụ động và mode-locking chủ động ... 7
1.2. Các ứng dụng của xung laser cực ngắn ... 10
1.2.1. Ứng dụng xung laser cực ngắn trong vật lý, sinh học và hóa học ... 11
1.2.2. Ứng dụng laser xung ngắn trong thông tin quang ... 12
Chương 2: Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 2.1. Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa SESAM ... 19
2.2. Các cấu trúc của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) ... 21
2.2.1. Cấu trúc điển hình của gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) ... 21
2.2.2. Các loại gương được sử dụng trong SESAM ... 21
2.2.3. Các cấu trúc khác nhau của SESAM ... 26
2.3. Các thông số cơ bản của SESAM ... 36
2.3.1. Thông lượng bão hòa ... 37
2.3.2.Cường độ bão hòa Isat ... 37
2.3.3. Độ sâu biến điệu ... 37
2.2.4. Các mất mát chưa bão hòa ... 38
Chương 3: Sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM để phát xung laser cực ngắn ở bước sóng 1,064 m
3.1. Xây dựng cấu hình buồng cộng hưởng của hệ laser Nd:YVO4 sử dụng
SESAM được bơm bằng laser bán dẫn ... 40
3.1.1. Nguồn bơm laser diode ... 41
3.1.2. Gương bán dẫn hấp thụ bão hoà SESAM ... 44
3.2. Sơ đồ thí nghiệm ... 45
3.3. Các kết quả thực nghiệm ... 46
3.3.1. Độ rộng xung laser mode-locking thụ động ... 46
3.3.2. Tần số lặp lại xung. ... 47
3.3.3. Công suất của laser mode-locking ... 48
Kết luận ... 50