Khóa luận tốt nghiệp: Tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các laser rấn hiện nay - mà trong đó sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp ion Neodym (Nd3+) - đang chiếm một tỉ phần lớn. Loại laser này là một nguồn bơm quang học quan trọng được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Hiện nay, các laser Neodym vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser khá thấp, chỉ khoảng 1 - 2%. Đề tài đã tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA KHOA HỌC T ự NHIÊN VÀ XÃ HỘI TRƯƠNG THỊ LUYẾN Lớp: CN Lý K2 TÌM HIỂU Cơ CHẾ BƠM LASER RẮN BẰNG LASER BÁN DAN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RAN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: TH.S. NGUYÊN VĂN HẢO THÁI NGUYÊN-2 0 0 8
ỉ-ờ i c ả m ơ n Lời đầu tiên trong khóa luận này, cho phép tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết trong suốt quá trình học tập vừa qua. Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Ths. Nguyễn Văn Hảo, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những ý tưởng khoa học mới mẻ và sâu sắc cùng những kinh nghiệm hết sức cần thiết và quỷ báu trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và các cán bộ ở Trung tâm Lượng tử học điện tử - Viện Vật lý & Điện tử đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm thực hiện khóa luận. Sau cùng, tôi xin gửi tới những người thân trong gia đình lòng biết ơn sâu sắc và toàn thể bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Thái nguyên, ngày 29 tháng 05 năm 2008 Sinh viên Trương Thị Luyến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mục lục Trang Mở đ ầu................................................................................................................1 P H Ả N l . L Ỷ T H U Y É T ...................................................................................................4 Chương I. Tổng quan về laser bán dẫn và laser rắn..................................4 1.1. Laser bán dẫn.........................................................................................4 1.1.1. Sự hấp thụ và bức xạ trong bán d ẫn ............................................4 1.1.2. Tiếp xúc p - n ............................................................................... 6 1.1.3. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy trong bán dẫn......................... 7 1.1.4. Buồng cộng hưởng laser bán dẫn................................................ 9 1.1.5. Điều kiện phát đối với laser bán dẫn...........................................9 1.1.6. Đặc trưng của laser bán d ẫn ........................................................ 10 1.2. Laser rắn................................................................................................. 10 1.2.1. Laser Ruby.....................................................................................11 1.2.2. Laser Neodym............................................................................... 13 Chương II. Cơ chế bơm cho laser rắn...........................................................17 2.1. Các Cơ chế bơm cho laser.................................................................... 17 2.1.1. Bơm quang học............................................................................. 17 2.1.2. Bơm điện........................................................................................18 2.2. Cơ chế bơm cho laser rắn ..................................................................... 19 2.2ể1. Bơm bằng nguồn sáng không kết hợp......................................... 19 2.2.2ẳ Bơm bằng nguồn sáng kết hợp.................................................... 24 2.3. Cơ chế bơm cho laser rắn bằng laser bán d ẫn .....................................25 2.3ẽ1. Nguồn bơm bằng laser bán dẫn....................................................25 2.3.2ễ Cấu hình bơm................................................................................. 27 PHÀN 2: THƯC NGHIÊM.............................................................................. 29 Chương III: Kết quả thực nghiệm.................................................................29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1ẵ Thiết kế, khảo sát hệ laser rắn Nd3+: YVO 4 bơm bằng laser diode....29 3.2. Nghiên cứu và khảo sát các thông số hoạt động của laser diode ATC 31 3.2.1. Khảo sát đặc trưng dòng - công suất của laser diode A TC ...... 32 3.2.2. Khảo sát đặc trưng phổ của laser diode.......................................35 3.3 Khảo sát tìm ngưỡng phát laser Nd:YV0 4............................................36 3.4. Khảo sát sự phụ thuộc của ngưỡng phát vào hệ số phản xạ gương ra38 KẾT LUẬN........................................................................................................41 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU Từ khi được phát minh cho tới nay, vật lý và công nghệ laser đã không ngừng được nghiên cửu và phát triển. Đặc biệt nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học vật liệu quang tử và quang điện tử, các laser ngày càng được phát triển đa dạng về chủng loại do vậy ngày càng đáp ứng được các nhu cầu sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng hiện đại. Các laser rấn hiện nay - mà trong đó sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp ion Neodym (Nd3+) - đang chiếm một tỉ phần lớn. Loại laser này là một nguồn bơm quang học quan trọng được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Hiện nay, các laser Neodym vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser khá thấp, chỉ khoảng 1 - 2%. Năng lượng của đèn bơm bị mất mát chủ .yếu dưới dạng nhiệt, gây ra những hiệu ứng không mong muốn cho môi trường hoạt chất - vì vậy các laser này đòi hỏi phải có các hệ thống làm nguội phức tạp và cồng kềnh. Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser thấp đó là do phổ phát xạ của đèn flash có phân bố rất rộng so với phổ hấp thụ của ion Neodym (có thể trong một dải hấp thu hẹp khoảng 2 nm). Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng trong laser Neodym cũng như các phương pháp nhằm cải tiến đèn flash đều không mang lại hiệu quả cao. Rất may mắn, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn gần đây, công suất phát laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ có thể tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 -ỉ- 3 nm) và đặc biệt có thể phù hợp tốt với phổ hấp thụ của các tinh the laser. Do vậy, các phương pháp quang học bằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã được phát triển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
mạnh mẽ. Phương pháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser được nâng lên đáng kể, đồng thời cấu hình - kích thước laser rắn được trờ nên gọn hơn rất nhiều. Nhìn chung, với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi berm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 1 0 % -ỉ- 60%. Ngoài ra, việc berm bằng laser bán dẫn hạn chế được những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định, tăng độ phân kì của chùm tia và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá hủy thanh hoạt chất. Chính những ưu điểm của phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn mà hiện nay xu hướng sử dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho laser rắn đang được phát triển rất mạnh. Các phòng thí nghiệm về vật lý (quang học và quang phổ), vật liệu và y - sinh học và đặc biệt các cơ sở đào tạo đại học ở nước ta hiện nay đang có nhu cầu sử dụng các laser Neodym như là nguồn ánh sáng kết họp trong nghiên cứu khoa học, ứng dụng và đào tạo là rất lớn. Tuy nhiên, giá thành các laser Neodym được bơm bằng đèn flash là khá cao (30.000 -r 50.000 USD) và phải mua từ nước ngoài. Do vậy, chỉ có một số ít các phòng thí nghiệm có khả năng được trang bị các nguồn laser này. Tại Việt Nam, cho đến nay mới có phòng thí nghiệm trọng điểm về Lượng tử học điện tử - Viện Vật lý & Điện tử thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam nghiên cứu và phát triển các hệ laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn. Vì vậy, việc nghiên cứu các cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn và tiến hành thiết kế, xây dựng hệ laser này là rất cần thiết và có nhiều ý nghĩa về khoa học cũng như ứng dụng thực tiễn. Nội dung của khóa luận này là nhằm tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn. Cụ thể là nghiên cứu, xây dựng một hệ laser rắn Nd 3+:YV0 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn2
được bơm bằng laser diode công suất cao ATC, đồng thời tiến hành nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser rắn này. Do đó, nội dung của khóa luận ngoài phần mờ đầu và kết luận được chia làm hai phần: Phần l ẻ' Lý thuyết Chương I: Tổng quan về laser bán dẫn và laser rắn - Cẩu trúc và nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn. - Cẩu trúc năng lượng và nguyên lỷ hoạt động 4 mức năng lượng của ỉaser rản (Ncf+). Chương II: Cơ chế bơm cho laser rẳn - Bơm bằng nguồn sáng không kết hợp (đèn flash, hồ quang...). - Bơm bằng nguồn sảng kết hợp (laser). Phần 2.ề Thực nghiệm Chương III: Kết quả thực nghiệm - Kết quả thiết kế, xây dụng hệ ỉaser rắn bơm bằng laser diode công suất cao khi sử dụng cấu hình bơm dọc. - Kết quả nghiên cứu đặc trưng hoạt động của nguồn bơm. - Kết quả khảo sát đặc trimg công suất laser rắn (Nd3+) phụ thuộc vào công suất bơm (laser diode). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn3
KíeÁ L ị* ĩ)*í tẹc P H Ả N 7Ễ - L Ý THUYẾT. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẲN VÀ LASER RẮN. 1.1. Laser bán dẫn. Laser bán dẫn đặc biệt nhờ tính nhỏ gọn, hiệu suất cao, chế tạo thuận lợi. Do đó, loại laser này được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [3]. Để hiểu rõ hơn về laser bán dẫn chúng ta đi xét một số dịch chuyển quang học và tính chất đặc trưng của chất bán dẫn. 1.1.1. Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn. Theo lý thuyết vùng năng lượng, trong chất bán dẫn có ba vùng năng lượng. Đó là vùng hoá trị, vùng cấm và vùng dẫn. Năng lượng E của điện tử là hàm của xung lượng p hay vectơ sóng k được biểu diễn theo biểu thức: ( 1. 1) Hình 1.1. Cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn [4] (a) Bán dẫn trực tiếp, (b) Bán dẫn gián tiếp. Qrưtínạ Q hỊẨ iliạin . MAp & ìl£ ặ X 2 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Meí ỉoJỊ* tát ^ t*c Năng lượng của điện tử ở vùng hoá trị và vùng dẫn của chất bán dẫn trực tiếp và chất bán dẫn gián tiếp có thể được biểu diễn theo vectơ sóng k như trên hình 1 Ế1 . Dưới tác động của trường ngoài, các điện tử nằm ở vùng hoá ứị hấp thụ năng lượng. Khi năng lượng hấp thụ E > Eg thì các điện tử dịch chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Khi đó, trong vùng hoá trị xuất hiện các lỗ trống. Điện tử địch chuyển từ vùng dẫn về vùng hoá trị sẽ tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị và cho bức xạ tái hợp. Các quá trình hấp thụ và bức xạ này được biểu diễn trên hình 1 .2 . E Phát xạ photon -------------------------------------- > k Hình 1.2. Sự hấp thụ và phát xạ trong chất bán dẫn [4] Fc: mức giả fecmi trong vùng dẫn Fv: mức giả fecmi trong vùng hoá trị Tùy theo chất bán dẫn mà bức xạ tái hợp là bức xạ tái hợp trực tiếp hay bức xạ tái hợp gián tiếp. +) Bức xạ trực tiếp xảy ra trong bán dẫn trực tiếp. Trong quá trình bức xạ tái hợp này có sự bảo toàn năng lượng, xung lượng và xác suất phát xạ một photon là lớn nhất. QniốHỊỊ. Qhị M uụik - & ìl£ ặ X 2 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
ÌÍUÁUỊt.U lv1/ ụ ị . ^ ụ c +) Bức xạ gián tiếp xảy ra trong bán dẫn gián tiếp, quá trình bức xạ tái hợp có thể do: bức xạ hai photon hoặc bức xạ một photon kèm theo bức xạ hoặc hấp thụ một phonon. Theo thống kê Fermi - Dirac, xác suất mà một trạng thái năng lượng E trên vùng dẫn và vùng hoá trị bị chiếm là: (1Ể2) trong âó:Fc, Fv tương ứng là mức giả Fermi của vùng dẫn và vùng hoá t r ị ; T là nhiệt độ tuyệt đ ố i; k = 1,38.10'23[J/K] là hằng số Boltzmann. 1.1.2. Tiếp xú c p - n . Từ chất bán dẫn thuần chúng ta có thể tạo ra bán dẫn loại p và bán dẫn loại n tùy theo nguyên tử pha tạp. Khi ta cho hai loại bán dẫn này tiếp xúc với nhau thì sẽ tạo được một lớp tiếp xúc p - n trong đó có sự cân bằng mức Fermi. T iế p xúc p —n F a) T iế p xúc p —n b) Hình 1.3. Sự biến đổi năng lượng tại lớp tiếp xúc p - n [8 ], a) Khi chưa có trường ngoài; b) Khi đặt trường ngoài theo phân cực thuận. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi đặt vào tiếp xúc p - n một trường ngoài phân cực thuận và đủ mạnh, chất bán dẫn trở nên suy biến, mức Fermi tách ra và dịch chuyển vào vùng hoá trị và vùng dẫn. cấu trúc năng lượng của lớp tiếp xúc p - n được biểu diễn trên hình 1.3. Laser bán dẫn hoạt động dựa trên sự nghịch đảo độ tích lũy trên lớp tiếp xúc p - n dưới tác động của trường ngoài. 1.1.3. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy trong bán dẫn. Để phát laser thì cần phải có điều kiện nghịch đảo độ tích lũy, tức là số dịch chuyển các hạt tải từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị phải lớn hơn số các dịch chuyển hạt tải từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Các khả năng dịch chuyển quang học trong bán dẫn : +) Dịch chuyển giữa các vùng : Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hoá t r ị : Tlx=B2Xp J c{E2) [ \- fv{E,)] (1.3) Quá trình dịch chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn : Tn =Bnp J y{E{) [ \- fc{E2)\ (1.4) trong đó: ổ2, và Bu tương ứng là hệ số Einstein về bức xạ cưỡng bức và hấp thụ ; pv là mật độ năng lượng bức xạ. Để đạt được nghịch đảo độ tích lũy cần phải có Tn > Tn : B2ìp J c(E2)[1 - / v(£,)] > BnpJ„ (£, )[1 - f c(E2)] (1.5) ** f c ( E 2) [ l - L ( E í ) } > f A E i ) [ l - f c ( E ì )] (1.6) Thay các biểu thức f c, / v ở (1.1), (1.2) vào (1.6) với các giá trị năng lượng E bằng E2 và Et tương ứng ta được : f c(E2) > f v(Et) (1.7) Fc -F v > E2- E ì (1.8) Grưt/nạ Ợ h ịM u ụ ik - m iJ > ậ X 2 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
HleÁ. U ir. tát + ịlitị- ỆẠi tạc Với bán dẫn trực tiếp, độ rộng vùng cấm Eg = E2 -E ị. Khi đó điều kiện (1.8 ) trở thành : Fc- F v >Eg ( l ề9) Với bán dẫn gián tiếp ta có : Fc-F v > Eg ± ôp ( 1. 10) v ớ i: ổp = hũ)p là năng lượng của phonon, ũ)p là tần số phonon. +) Dịch chuyển giữa vùng và mức tạp chất. Dịch chuyển giữa vùng và các mức tạp chất có thể xảy ra khi bán dẫn bị pha tạp [4]. Do các mức tạp chất thường nằm ở gần các vùng nên luôn xảy ra sự tích thoát nhanh các điện tử và lỗ trống giữa các mức tạp chất và các vùng. Do đó, sự lấp đầy các mức tạp chất cũng được xác định bởi các mức chuẩn Fermi của các hạt tải ở trong các vùng tương ứng. Điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ khi đó được xác định dưới dạng : v ớ i: Et là năng lượng liên kết của hạt tải trên các mức tạp chất. +) Dịch chuyển giữa các mức tạp chất. Khi chất bán dẫn bị pha tạp có thể xảy ra dịch chuyển giữa các mức tạp chất. Sự dịch chuyển của hạt tải giữa các mức tạp chất hoàn toàn giống như dịch chuyển giữa các mức trong hoạt chất laser rắn và laser khí. Vì vậy điều kiện nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức tạp chất có thể được xác định như biểu thức [8 ]: ( 1.12) trong đó : Wp là xác suất dịch chuyển của hạt tải từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. N 0 là mật độ hạt tải ở vùng hoá trị. ơ là tiết diện phát xạ hay hấp thụ của hạt tải. p(y) là mật độ photon phát xạ. r = 1/ r vói r là thời gian sống của hạt tải trên mức tạp chất. Cĩrưttotạ
VX*Á¿ A t t ít tmc 1.1.4. Buồng cộng hưởng laser bán dẫn. Có nhiều loại buồng cộng hưởng laser bán dẫn, đơn giản nhất đó là kiểu buồng cộng hưởng Fabry - Perot. Từ tinh thể bán dẫn chúng ta có thể tạo ra một buồng cộng hưởng quang học Fabry - Perot bằng cách cắt thành khối hình hộp chữ nhật nhỏ, hai mặt phẳng song song với lớp tiếp xúc được làm mờ không cho ánh sáng đi qua, hai mặt phẳng vuông góc được mạ để làm gương laser, gương laser ra có hệ số phản xạ cỡ 35% [8 ]. / ễ/.5. Điều kiện phát đối với laser bản dẫn. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy mới chỉ là điều kiện cần đối với laser bán dẫn. Để có thể phát ra laser thì bức xạ tái hợp cần phải được khuếch đại trong buồng cộng hưởng và độ khuếch đại cần phải lớn hơn mất mát trong buồng cộng hưởng. Theo lý thuyết khuếch đại ánh sáng trong buồng cộng hưởng ta có điều k iệ n : r.e«-a)L>\ ( l ằ13) trong đó: r là hệ số phản xạ; K là hệ số khuếch đại; a là hệ số mất mát;/, là chiều dài buồng cộng hường. Như vây, điều kiện nghịch đảo độ tích lũy là : K >a (1.14) với a = a0+Ỵjai (1-15) í trong đó: a0 là mất mát do hấp thụ; a, là mất mát do nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ trên các khuyết tật của bán dẫn v.v ..ẻ Với laser bán dẫn, mất mát chủ yếu là do hấp thụ. Grươnụ Q k ịM u ụ iit- £éfL X2 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Uni loir, t t ì ữếíl (se 1.1.6. Đặc trưng của laser bán dẫn Nếu điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ không xảy ra thì các photon sẽ phát xạ tự phát. Các photon này sẽ phát ngẫu nhiên theo mọi hướng, đó chính là cơ sở hoạt động của các đèn LED (Light emitting diode) [11]. Vậy, điều kiện nghịch đảo độ tích lũy phụ thuộc vào bơm năng lượng. Bằng cách tăng dòng bơm vào vùng hoạt tính, chúng ta đạt được một giá trị tới hạn mà ờ đó các bức xạ cưỡng bức bắt đầu xảy ra - đó chính là ngưỡng phát của laser. Khi đó, công suất laser ra như một hàm của dòng bơm P(I) (hình 1.4). Bức xạ cưỡng bức (Diode laser) Dòng ngưỡng --------------► Dòng bơm I(mA) Hình 1.4. Công suất laser ra như là một hàm của dòng bơm Từ hình 1.4 ta thấy rằng độ dốc của đường bức xạ cưỡng bức (laser) lớn hơn độ dốc của đường bức xạ tự phát (LED) rất nhiều. 1.2. Laser rắn. Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn. Hoạt chất thường có hai thành phần : chất nền và chất kích hoạt (tâm hoạt chất). Chất nền là chất cơ bản sẽ không tham gia trục tiếp vào những quá trình tạo bức xạ laser. Chất nền có thể là tinh thể hoặc thuỷ tinh (glass)... ựrưKnạ Qhị Ẩluụttt £ /tp m i 3L2 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Kl*Ắ luẨ*s tứ ĨĨĂÌ lẹc Chất kích hoạt được đưa vào chất nền dưới dạng tạp chất, thường có tỉ lệ rất nhỏ, chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Trong chất nền các ỉon chất kích hoạt sẽ thực hiện những dịch chuyển cảm ứng, tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ ỉaser [5]. Nghiên cứu phổ hấp thụ của các tinh thể hoặc thuỷ tinh cách điện có khả năng dùng làm hoạt chất laser, người ta thấy chúng phải có một số yêu cầu sau đây: +) Trong phổ phải có mức siêu bền, có hiệu suất lượng tử cao, nghĩa là khi nguyên tử có trạng thái dời từ mức siêu bền này xuống các mức ở thấp hơn phải là các chuyển dời có phát bức xạ (phát ra phôtôn). +) Các dải phổ liên tục đủ rộng ở phía trên gần mức siêu bền, để có thể đạt hiệu quả bơm quang học cao và không phải dùng bức xạ bơm là đon sắc. +) Tinh thể có phẩm chất quang học đủ cao (đồng nhất quang học cao) để tổn hao do tán xạ là thấp nhất [3], Cho đến nay, hiệu ứng bức xạ cưỡng bức đã được quan sát thấy ở hơn 250 tinh thể điện môi được kích hoạt bằng cách cấy vào các nhóm tạp chất ion. Thông dụng nhất là các tinh thể oxít có cấu trúc trật tự, ví dụ, tinh thể A120 3 với tạp chất ion Cr3+ hoặc Y3AI5O 12 (Yttrium Aluminium Gamet, kí hiệu là YAG), YVO 4 (Yttrium Vanadate) với tạp chất ion Nd3+ hoặc tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất ion Dy2+(Dyplozi) [1]. Việc nghiên cứu và tìm hiểu về laser rẳn đã được rất nhiều tác giả trong và ngoài nước trình bày chi tiết trong các tài liệu và sách chuyên khảo. Sau đây chúng ta sẽ đi xét cụ thể một số laser rắn điển hình nhất hiện nay. 1.2.1. Laser Ruby Năm 1960: Laser đầu tiên ra đời bời Theodore Maiman và Nikolai Bassow: Laser Ruby, sử dụng nguồn bơm năng lượng là đèn xung Xenon hình xoắn (hình 1.5, hình 1.6). Qrưtìnạ O hị Aiẩễ)rn - JtáfL m i Mụ X 2 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.5. Laser đầu tiên - laser ruby [7]. Đèn flash Gương bán mạ Thanh R uby Nguồn điện Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cùa laser Ruby đầu tiên [7]. Laser Ruby làm việc theo chế độ 3 mức năng lượng. Do có độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt nên laser Ruby được sử dụng rộng rãi cho đến nay. Ruby là tinh thể oxít AI2O 3 (chất nền) được cấy các ion Cr3+ (tâm hoạt chất). Thông thường, hoạt chất laser Ruby là tinh thể Ruby màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr3+ (khoảng 1,6.1019 ion/cm3) [1]. &KtờHạ &kị Muụỉn - Máfi &n Jấụ X2 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
MsÁ lựậ* xu +ị£Uf-Ĩ>AÍ l*c 1.2.2. Laser Neodym Loại laser rắn trong đó chất kích hoạt là nguyên tố Nd3+ đóng vai trò là tạp chất trong nền tỉnh thể YAG, YVO4 hoặc thuỷ tinh (glass) hiện nay là loại laser khá thông dụng, chiếm một ti phần lớn - là một nguồn kích thích quan trọng và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Tuy nhiên, trong khóa luận này tôi chủ yếu nghiên cứu về laser Nd3+ trên nền rắn YVO4. * Cẩu trúc năng lượng của iôn Neodym Tinh thể Nd3+: YVO4 là loại tinh thể khá phổ biến hiện nay. Sờ dĩ nền YVO4 được sử dụng khá rộng rãi là vì nó có sự kết hợp giữa các đặc tính mong muốn để làm nền cho các iôn Nd3+ như là: độ dẫn nhiệt rất cao, cho phép tiêu tán nhiệt xuất hiện trong quá trình bơm quang học, độ bền cơ học cao và có thể nuôi tinh thể khổ lớn với các đặc tính quang học rất tốt. Mật độ của iôn Nd3+ vào khoảng 0,5 -ỉ- 2 %. Dịch chuyển quang học cho phát xạ laser là dịch chuyển giữa các mức năng lượng của iôn Nd3+ [8 ]. 2 uG 7/2 E > (4) 4 0 9/2 I I 2 CM I I I I 15 3/2 4F f 3/2 (3) Bơm Phát xạ Laser 4Iii/2 ■ (2) 41 9/2 ■ ( 1) Hình 1.7. Sơ đồ năng lượng của Nd3+ trong nền rắn [ 13]. &kịjíuẳụỉít ■Mép &H£ặX2 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
KlcÁíựf% tứ lạc Sơ đồ mức năng lượng của ion Nd3+ trong một nền rắn được trình bày trong hình 1.7ằMỗi mức năng lượng gồm một nhóm các mức con nằm rất gần nhau, các mức con bị tách ra do nhiễu loạn của điện trường trong mạng (Sự tách mức Stark) [13]. Khi được bơm, các ion Nd3+ chuyển dời từ mức cơ bản 4I9/2 lên mức kích thích (là nhóm các mức năng lượng cao từ 2S3/2 đến 2S9/2). Tuy nhiên, ion Nd3+ trên các mức năng lượng cao này nhanh chóng hồi phục không bức xạ về mức 4F 3/2 - là mức laser trên. Trong các chuyển dời khả dĩ từ mức này xuống các mức thấp hơn, chuyển dời 4F 3/2 đến 4Ij 1/2 có xác suất lớn nhất. Từ đây, các ion Nd3+ hồi phục về trạng thái cơ bản cho tới khi quá trình bơm được lặp lại. Do vậy, trạng thái ứng với mức năng lượng 4In /2 đóng vai trò là các mức laser dưới (mức cơ bản là m ứ c 4I9/2) [13]. * Sơ đồ năng lượng hoạt động 4 mức và phổ của Neodym. Nghịch đảo nồng độ trong ion Nd3+ được thực hiện theo hệ sơ đồ 4 mức (hình 1.8). Do đó, loại laser này có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được nghịch đảo độ tích lũy. 4 Hồi phục không phát xạ Hấp thụ 1 Hình 1.8. Sơ đồ laser Nd3+ 4 mức [8]. ơrưđttạ (7/ụ £uụin - Móp. & ìl Mụ X 2 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
KtoÁlựt%tứ |Uí icc Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Neodym được cho trong bảng 1 Ệ1 : Bảng 1.1. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của N eodym : D ịch chuyển Bước sóng huỳnh quang N d3+ (ịim) Tỉ lệ cường độ (%) 0.8910 0.8999 41*3/2 - 25 0.9385 0.9460 1.0521 1.0615 1.0642 4F3/2 - 4In/2 1.0737 60 1.1119 1.1158 1.1225 1.3184 1.3331 1.3351 4F3/2 - 4Il3 /2 14 1.3381 1.3533 1.3572 4F 3/ 2 - 4Il5 /2 1.833 1 Trong điều kiện hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng, laser Nd3+ cho phát xạ mạnh nhất tương ứng với vạch 4F3/2 - 4In /2 ở bước sóng 1064,2 nm. Hình 1.9 và hình 1.10 tương ứng biểu diễn phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ của ion Neodym thu được ờ nhiệt độ 300 K [13]. QruờHỊỊ
&OÁ Lìm2* tứ Ccc Hình 1.10. Phổ hấp thụ của Nd3+ Hình 1.9. Phổ huỳnh quang của Nd3+ Nhìn vào phổ hấp thụ của iôn Nd3+ chúng ta nhận thấy có 3 dải hấp thụ mạnh, nhưng mạnh nhất là dải ứng với bước sóng trung tâm 0,8 ụm. Vì vậy, việc sử dụng các laser bán dẫn có bước sóng 0 ,8 um để bơm cho laser Neodym là rất phù hợp và cho hiệu suất laser cao. Q rưtínạ Q k í M uụin - M óp & ìl £ jị X 2 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn