Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd:YVO4

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài nghiên cứu ưu thế của laser rắn Nd bơm bằng laser bán dẫn. Nghiên cứu kỹ thuật phát xung laser khóa mode thụ động sử dụng SESAM, cụ thể trên hệ laser Nd:YVO4 được bơm liên tục bằng laser bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd:YVO4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- LÊ THỊ KIM CƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG LASER NGẮN BẰNG KHÓA-MODE THỤ ĐỘNG CỦA LASER Nd:YVO4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- LÊ THỊ KIM CƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG LASER NGẮN BẰNG KHÓA-MODE THỤ ĐỘNG CỦA LASER Nd:YVO4 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG HÀ NỘI – 2011
MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt và tiếng Anh Danh mục các đồ thị, hình vẽ và bảng biểu MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chương 1: Tổng quan về laser rắn Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn 1.1. Tổng quan về laser rắn ........................................................................... 5 1.1.1. Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn ............................... 6 1.1.2. Môi trường laser Nd:YVO4 ........................................................ 7 1.2. Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn ................ 10 1.2.1. Cấu tạo laser bán dẫn .................................................................. 12 1.2.2. Lớp chuyển tiếp p – n ................................................................. 13 1.2.3. Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức........................ 14 1.2.4. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy ................................................ 15 1.2.5. Điều kiện ngưỡng........................................................................ 16 Kết luận chương 1 Chương 2: Kỹ thuật phát xung ngắn bằng khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 2.1. Điều kiện và nguyên lý khóa pha các mode dọc trong BCH ................. 20 2.1.1. Mode dao động............................................................................ 20 2.1.2. Điều kiện khóa mode buồng cộng hưởng ................................... 21 2.1.3. Nguyên tắc chung của phương pháp khóa mode trong buồng cộng hưởng............................................................................................ 21
2.2. Phương pháp khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM) ................................................................................................ 23 2.2.1. Cấu trúc điển hình của SESAM .................................................. 23 2.2.2. Các chế độ hoạt động của laser với SESAM .............................. 25 2.3. Các thông số cơ bản của SESAM dùng trong hệ laser Nd:YVO4 ......... 27 Kết luận chương 2 Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa mode thụ động của laser Nd:YVO4 3.1. Khảo sát các đặc trưng của laser bơm .................................................... 29 3.1.1. Đặc trưng công suất .................................................................... 29 3.1.2. Tính chất phân cực ...................................................................... 30 3.2. Cấu tạo hệ laser Nd:YVO4 khóa mode bị động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa ............................................................................................ 31 3.2.1. Yêu cầu kỹ thuật của hệ laser Nd:YVO4 .................................... 31 3.2.2.Cấu tạo hệ laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn, phát xung ở chế độ khóa mode thụ động sử dụng SESAM .......................... 31 3.3. Sơ đồ hệ đo dùng khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO4 phát xung ở chế độ khóa mode thụ động ....................................................................... 34 3.4. Các kết quả khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO4 khóa mode thụ động ............................................................................................................... 36 3.4.1. Các chế độ phát xung của laser Nd:YVO4 .................................. 36 3.4.2. Độ rộng phổ của laser Nd:YVO4 ................................................ 38 3.4.3. Tính chất phân kì và phân cực của chùm tia laser Nd:YVO4 .... 44 Kết luận chương 3
KẾT LUẬN .................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
Danh mục chữ viết tắt và tiếng Anh Ký hiệu Nguyên bản tiếng Anh và tiếng Việt BCH Buồng cộng hưởng SESAM Semiconductor Saturable Absorber Mirror (Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa) TEM Transverse Electromagnetic Modes (Mode điện từ trường ngang) YAG Yttrium Aluminium Garnet YVO4 Yttrium Orthovanadate
Danh mục các đồ thị và hình vẽ Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd3+ tham gia vào quá trình laser............... 8 Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ tạp chất khác nhau .. 8 Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1,1%............... 10 Hình 1.4: Phổ bức xạ của laser bán dẫn ........................................................ 13 Hình 1.5: Điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị ở nhiệt độ 0K ...... 12 Hình 1.6: Đồ thị hàm phân bố Fermi-Dirac .................................................. 14 Hình 1.7: Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức.......................... 14 Hình 2.1: Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch của các mode dọc .... 21 Hình 2.2: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của sự tương hợp pha giữa các mode với cường độ laser phát ra ............................................................................... 22 Hình 2.3: Cấu trúc của một SESAM điển hình dùng để phát tại bước sóng 1064 nm. ....................................................................................................... 23 Hình 2.4: Phổ phản xạ của gương Bragg với các lớp AlAs/GaAs cách nhau ¼ bước sóng với số lượng các cặp lớp vật liệu khác nhau, ở bước sóng thiết kế 1064 nm ...................................................................................................... 24 Hình 2.5: Các chế độ hoạt động với gương SESAM .................................... 26 Hình 3.1: Đặc trưng công suất của laser bán dẫn ATC-C2000 .................... 30 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định sự phân cực của laser bơm ....... 30 Hình 3.3: Cấu hình buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn, khóa mode thụ động sử dụng SESAM ............................................. 32 Hình 3.4: Sơ đồ bố trí hệ khảo sát các đặc tính của laser Nd:YVO 4 khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa ............................... 35
Hình 3.5: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động Q – Switch khóa mode khi công suất bơm đạt 900 mW ............................................................ 37 Hình 3.6: Đặc trưng công suất của laser khóa mode .................................... 38 Hình 3.7: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động khóa mode liên tục ................. ....................................................................................................... 39 Hình 3.8: Tần số lặp lại xung ở chế độ khóa mode liên tục ......................... 40 Hình 3.9: Vết tự tương quan của xung laser khóa mode thụ động .............. 41 Hình 3.10: Sự phụ thuộc năng lượng của xung laser khóa mode vào công suất bơm của laser bán dẫn ..................................................................................... 43 Hình 3.11: Sự phụ thuộc công suất đỉnh xung laser khóa mode vào công suất bơm của laser bán dẫn ..................................................................................... 43 Hình 3.12: Độ rộng phổ của laser khóa mode ................................................ 44 Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1: Các tham số vật liệu Nd:YVO4 ..................................................... 9 Bảng 2.1: Các thông số của gương SESAM .................................................. 27 Bảng 3.1: Quan hệ giữa độ rộng tương quan và độ rộng xung vào với dạng xung Gauss và Sech2 ....................................................................................... 41 Bảng 3.2. Giá trị độ rộng xung, độ rộng phổ của một số vật liệu ................... 42
Mở đầu MỞ ĐẦU Từ sau khi ra đời, công nghệ laser đã liên tục phát triển như vũ bão. Đặc biệt, sự phát triển laser đã kéo theo sự ra đời của nhiều ngành khoa học mới và thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khoa học và ứng dụng. Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và cho tới cả những ngành ít liên quan như nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học… Cùng với việc ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng của laser là những tiến bộ trong việc tạo ra các laser xung cực ngắn. Bằng việc tạo ra các xung quang học cực ngắn cỡ femto giây (10-15 s) và Atto giây (10-18 s), chúng ta có thể nắm bắt được sự chuyển động của các electron trong nguyên tử, có thể đo được khoảng thời gian của từng bước phản ứng của quá trình quang hợp, thậm chí có thể nhờ các xung laser để điều khiển các phản ứng hóa học một cách có định hướng để tổng hợp các hợp chất mà bằng các phương pháp khác rất khó đạt được. Trong điện tử, viễn thông, các xung laser cực ngắn cho phép tạo ra các cảm biến siêu nhạy và thực hiện lấy mẫu quang điện trong các mạch điện tử có tốc độ cao… Trên thế giới, vào những năm 1970, cấu hình laser mới đã cho phép phát những xung cỡ pi-cô giây với công suất lên đến 1010 W [9], [26] giúp quan sát được nhiều hiệu ứng phi tuyến. Đến cuối những năm 90 của thế kỷ XX, xung laser cực ngắn với độ rộng xung cỡ 10 fem-to giây đã ra đời và đến ngày nay chúng vào khoảng hàng trăm atto giây [7], [9]. Các laser phát xung ngắn, trong đó laser Neodymium (Nd) chiếm một phần lớn, là nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học quang phổ. Trước đây, các laser Nd chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng 1
Mở đầu lượng thấp khoảng 1% - 2% do phổ phát xạ của đèn flash rộng, trong khi phổ hấp thụ của Nd hẹp [20], [13]. Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn đạt đến hàng trăm oat với phổ phát xạ hẹp phù hợp với phổ hấp thụ của Nd. Do vậy, việc sử dụng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn Nd được phát triển mạnh mẽ. Với các cấu hình buồng cộng hưởng (BCH) khác nhau, ta thu được hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi bơm laser rắn bằng laser bán dẫn lên đến 10% - 80% [24]. Để phát xung laser ngắn, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất, chiết tách năng lượng BCH và khóa mode BCH,… Gần đây (năm 2000), một kỹ thuật rất hiệu quả để phát xung ngắn từ laser rắn bơm bằng laser bán dẫn là sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM). Ở Việt Nam, nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng laser rắn phát xung ngắn tại phòng thí nghiệm quang học, quang phổ của các trường đại học, viện nghiên cứu về vật lý, viện khoa học vật liệu, viện kỹ thuật quân sự, và các bệnh viện,… là rất lớn. Tuy nhiên, những hệ laser nhập từ nước ngoài với giá thành khá cao [7]. Xuất phát từ tình hình thực tiễn đó, viện Vật lý – viện KH & CN Việt Nam đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 được bơm liên tục bằng laser bán dẫn, phát xung ngắn với kỹ thuật khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM). Cho đến nay, kỹ thuật này tại Việt Nam là khá mới mẻ, do đó việc làm chủ công nghệ này để tạo tiền đề cho sự phát triển các phương pháp quang phổ hiện đại là cần thiết. Chính vì lý do đó nên luận văn này được thực hiện có nội dung sau: “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd:YVO4”. Mục đích của luận văn: Nghiên cứu ưu thế của laser rắn Nd bơm bằng laser bán dẫn. Nghiên cứu kỹ thuật phát xung laser khóa mode thụ động sử 2
Mở đầu dụng SESAM, cụ thể trên hệ laser Nd:YVO4 được bơm liên tục bằng laser bán dẫn. Đối tượng nghiên cứu: Môi trường laser rắn, đặc biệt là Nd:YVO4, laser bán dẫn, các kỹ thuật phát xung laser ngắn và hệ laser rắn Nd:YVO4. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Trên cơ sở đó nội dung luận văn được chia làm ba chương như sau: Chương 1: Tổng quan về môi trường laser rắn Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn Trong chương này, chúng tôi trình bày những tính chất vật lý, hóa học của môi trường hoạt chất Nd:YVO4. Bên cạnh đó sơ lược về nguyên lý của nguồn bơm – laser bán dẫn. Chương 2: Kỹ thuật phát xung ngắn bằng khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa Điều kiện khóa mode, phương pháp khóa mode sử dụng SESAM là nội dung chính của chương này. Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa mode thụ động của laser Nd:YVO4 Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ laser rắn Nd:YVO4 khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa, được bơm liên tục bằng laser bán dẫn. Bao gồm các chế độ phát xung của hệ laser khóa mode và tính chất thời gian, không gian của chùm tia. Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của GS. TS. Nguyễn Đại Hưng, cùng các anh chị tại phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử 3
Mở đầu học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy nhiên, do còn những hạn chế về sự hiểu biết cũng như những sơ suất trong quá trình thực hiện, nên luận văn không tránh khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô và anh chị góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn. 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG LASER RẮN Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN 1.1. Tổng quan về laser rắn Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) là một nguồn sáng trong đó bức xạ cưỡng bức được khuếch đại và phát ra với sự định hướng cao. Đặc tính của laser đó là ánh sáng kết hợp, có tính định hướng cao trong không gian, độ đơn sắc rất lớn, cường độ tập trung mạnh vào một vùng phổ rất hẹp của bức xạ. Với những đặc tính như vậy nên ngay từ khi mới ra đời, laser đã được dùng làm nguồn sáng trong quang phổ và dần dần thay thế cho các nguồn sáng truyền thống. Kỹ thuật laser ngày càng phát triển và hiện nay laser có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau (chế độ phát liên tục, chế độ phát xung từ micro giây đến xung cực ngắn femto giây…), bước sóng phát ra phủ gần toàn bộ thang sóng quang học (từ hồng ngoại, khả kiến đến tử ngoại) và còn có thể điều hưởng được bước sóng trong một vùng rộng. Laser có thể được phân loại theo nhiều cách. Nếu dựa vào môi trường khuếch đại thì laser có thể được phân thành bốn loại cơ bản: laser khí, laser rắn, laser màu và laser bán dẫn. Lase rắn là loại laser cổ nhất. Laser rắn đầu tiên do Maiman lắp đặt năm 1960 có môi trường laser là một tinh thể Rubi nhân tạo (Aluymin Al2O3 chứa 0.1% đến 1% ion Cr3+), phát liên tục, được bơm quang học bằng các đèn xung chớp sáng xenon bao quanh thanh Rubi. Trước đây, các laser rắn được bán trên thị trường phát xạ các bước sóng cố định. Ngày nay, với những thành tựu của khoa học vật liệu, người ta đã 5
phát triển các laser mới có bước sóng có thể thay đổi trong các vùng phổ rộng o khoảng 3500 A [4]. Hơn nữa, laser rắn cho phép phát xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn. 1.1.1. Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn Vật liệu để phát laser phải có vạch huỳnh quang sắc nét (sharp ﬂuorescent lines), dải hấp thụ mạnh, và hiệu suất lượng tử cao đối với dịch chuyển huỳnh quang ta cần. Những đặc tính này thường được tìm thấy ở laser rắn pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc các kim loại chuyển tiếp, các nguyên tố đất hiếm và họ actinide. Vật liệu nền của laser rắn có thể là tinh thể rắn hoặc thủy tinh. Vật liệu nền phải có các thuộc tính quang học, động học và nhiệt học tốt để chịu được các điều kiện phát khắc nghiệt của laser Điều kiện tương quan giữa tinh thể nền và ion kích hoạt gồm sự chênh lệch kích thước, hóa trị và đặc tính phổ. Trong trường hợp lý tưởng, kích thước và hóa trị của ion kích hoạt nên bằng với ion nền mà nó thay thế. Vì thế một tinh thể phù hợp để làm vật liệu nền cho laser phải xem xét những điều kiện sau [25]: (a) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính quang học tốt. Vì sự thay đổi chiết suất khúc xạ sẽ dẫn đến sự truyền không đồng nhất của ánh sáng khi đi qua tinh thể gây ra chất lượng chùm kém. (b) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính động học và nhiệt học tốt, điều này cho phép công suất phát trung bình cao. Các tham số quan trọng về nhiệt như: suất dẫn điện, độ cứng, độ bền chống nứt gãy. (c) Mạng tinh thể phải có khả năng tiếp nhận các ion pha tạp và có trường 6
tinh thể địa phương với tính đối xứng và chiều dài cần để gây ra những thuộc tính về phổ. Thông thường các ion pha tạp vào chất nền nên có thời gian sống bức xạ với tiết diện phát xạ khoảng 10 -20 cm2. (d) Nó phải có thể có cùng tỷ lệ với tinh thể tạp chất pha tạp, trong khi vẫn duy trì hiệu suất và chất lượng quang cao. Ion đất hiếm là một trong những thành phần tự nhiên dùng làm ion kích hoạt trong vật liệu laser rắn vì dịch chuyển huỳnh quang bao phủ hầu như toàn bộ từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần trên thang sóng điện từ, ngoài ra các vạch phát xạ tương đối hẹp và sự khác nhau về cấu trúc các mức năng lượng là không đáng kể giữa các chất nền khác nhau. 1.1.2. Môi trường laser Nd:YVO4 Nd3+ là ion đất hiếm hóa trị ba đầu tiên được sử dụng trong laser và nó đóng vai trò quan trọng nhất trong nhóm này. Bức xạ cưỡng bức thu được từ sự kết hợp của ion này với ít nhất 100 vật liệu nền khác nhau, kết quả là công suất thu được từ laser Neodyminum cao hơn bất kỳ vật liệu bốn mức năng lượng nào khác. Hồi phục không phát xạ 4 F5/2 4 F3/2 804 808 812 1064 946 4 I11/2 4 I9/2 Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd3+ tham gia vào quá trình laser [6]. 7
Các laser Neodyminum hoạt động trên nguyên lý laser bốn mức, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+. Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến. Bảng 1.1: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd3+[7] Dịch chuyển Bước sóng huỳnh quang (µm) Tỷ lệ cường độ (%) 4 I3/2 – 4I9/2 0,8910 25 0,8999 0,9385 0,9460 4 F3/2 – 4I11/2 1,0521 60 1,0615 1,0642 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 4 F3/2 – 4I13/2 1,3184 14 1,3331 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 4 F3/2 – 4I15/2 1,8330 1 Mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2, mức laser trên là 4F3/2 và mức laser dưới là 4I11/2. Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch chuyển từ mức laser trên xuống mức laser dưới cho ta một loạt các bức xạ. Ta 8
thấy dịch chuyển từ mức 4F3/2 – 4F11/2 chiếm 60% tỷ lệ cường độ (theo số liệu bảng 1.1), do đó laser Nd:YVO4 chủ yếu được chế tạo để phát bức xạ laser ở bước sóng trung tâm 1064 nm. Hình 1.2 biểu diễn phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ pha tạp khác nhau. Ta thấy rằng nó có ba vùng hấp thụ chính là 600 nm, 750 nm và 800 nm. Mà phổ phát xạ của laser bán dẫn lại có một peak ở vùng bước sóng 808 nm. Vì vậy, nó rất thích hợp để bơm quang học bằng laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm. Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với nồng độ pha Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với nồng độ pha tạp 0.5%, độ dày mẫu 1mm tạp 3%, độ dày mẫu 1mm Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ pha tạp khác nhau [32]. Nd3+ pha tạp trên nền Yttrium orthovanadate (YVO4) được biết đến là một vật liệu có ngưỡng phát thấp. Với nguồn bơm là laser diode thì Nd:YVO4 trở thành một laser rắn quan trọng vì có hai đặc tính nổi bật nhất đó là tiết diện phát xạ cưỡng bức rộng gấp năm lần Nd:YAG và hấp thụ mạnh ở bước sóng bơm 808 nm. Bảng 1.2 trình bày những tham số vật liệu quang trọng của Nd:YVO4. Hai đặc tính nổi bật của vật liệu này như đã được đề cập là tiết diện phát xạ 9
cưỡng bức cao và hệ số hấp thụ rộng bức xạ bơm ở bước sóng 808 nm. Thiếu sót lớn là độ dẫn nhiệt tương đối thấp và thời gian sống huỳnh quang ngắn. Độ dẫn nhiệt thấp (khoảng một : ba so với Nd:YAG) ngăn cản sự tản nhiệt và các nứt gãy do nhiệt của tinh thể gây cản trở nghiêm trọng đến việc tăng công suất phát. Bảng 1.2: Các tham số vật liệu Nd:YVO4 [24, tr 71] Tiết diện laser 15.6×10-19cm2 Bước sóng laser 1064 nm Độ rộng phổ 0.8 nm Thời gian sống huỳnh quang 100 µs Bước sóng bơm 808 nm Nồng độ Nd 1% (nguyên tử Nd) Thời gian sống huỳnh quang tương đối ngắn, cụ thể là thời gian sống τf ở trạng thái kích thích ngắn hơn Nd:YAG 2.7 lần [25]. Thời gian sống huỳnh quang cũng là một thước đo khả năng lưu trữ năng lượng trong chế độ Q- switched. Dự trữ năng lượng lớn đòi hỏi thời gian sống huỳnh quang dài. Do vậy so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO4 có thể phát xung ngắn hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đại laser cao hơn [25]. Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 3000K với cả hai phân cực p và s biểu diễn trên hình 1.3. Từ phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 ta thấy rằng, phát xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở bước sóng 1064 nm. Vì vậy, hầu hết các laser Nd:YVO4 pha tạp ở các nồng độ khác nhau được chế tạo để hoạt động ở vùng bước sóng này. 10
Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực p nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực s Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1.1% [32]. 1.2. Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn Các laser rắn được kích thích bằng bơm quang học. Hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố: - Thứ nhất, bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời không bị chất nền hấp thụ. - Thứ hai, hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên. Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta có thể dùng các biện pháp sau: - Chọn hoạt chất có mức kích thích là một băng rộng và đảm bảo sự trùng khớp giữa các tần số dịch chuyển trong kênh kích thích với cực đại trong phổ bức xạ bơm. - Sử dụng phương pháp nhạy hóa: bên cạnh những ion cơ bản, các loại ion khác (ion nhạy hóa) được đưa vào chất nền. Những ion 11
nhạy hóa sẽ hấp thụ hầu như toàn bộ bức xạ bơm rồi sau đó chuyển năng lượng đã hấp thụ sang các ion hoạt chất. - Thay cho sử dụng chất nền với các thành phần đơn giản trong tinh thể người ta dùng các hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ được mở rộng đáng kể. Trước khi có laser, các nguồn sáng mà nhà vật lý sử dụng chủ yếu là các đèn phóng điện bức xạ theo mọi phương của không gian, diện tích của mặt bức xạ vào khoảng cm2. Hoạt động của các nguồn này khi dùng để kích thích trạng thái phải chú ý đến một thực tế là muốn có độ sáng lớn, đèn cần phóng điện mạnh khiến cho phổ bị mở rộng và như vậy làm một phần lớn photon bức xạ không thể tham gia vào quá trình kích thích. Do những trở ngại này, giá trị lớn nhất đạt được của một đèn cổ điển đối với thông lượng photon hữu ích là vào khoảng 1016 photon trong một giây và trên một cm2 (tương ứng với công suất hữu ích P/S vào khoảng 10 mW/cm2) [5]. Bây giờ sử dụng một laser làm nguồn bơm quang học. Ngoài trường hợp đặc biệt thì công suất do laser bức xạ sẽ vào khoảng công suất do một đèn phóng điện bức xạ, tuy nhiên do những đặc trưng hình học của chùm (tính chất định hướng và tính chất hội tụ) và chất lượng phổ cho phép thu được đối với thông lượng của photon hữu ích tối thiểu cũng là 103. Ngoài ra, các laser có thể điều chỉnh bước sóng từ trong một vùng phổ rộng từ tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại (hình 1.4). Như vậy việc sử dụng laser mở rộng đáng kể khả năng kích thích quang học. Tâm hoạt chất Nd3+ có dải hấp thụ mạnh trong vùng đỏ và hồng ngoại, trong đó có một cực đại hấp thụ ở bước sóng của bức xạ laser diode. Vì vậy laser bán dẫn rất thích hợp làm nguồn bơm quang học cho các laser rắn Nd 3+ nhờ đó hiệu suất bơm được nâng lên đáng kể so với phương pháp bơm quang 12