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
Yttrium Orthovanadate YVO4
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:YVO4 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
khoảng 3500 [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
4F5/2
4F3/2
804 808 812
946
1064
4I11/2
4I9/2
Phát xạ
Hấp thụ
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 (%)
0,8910
25
4I3/2 – 4I9/2
0,8999
0,9385
0,9460
1,0521
60
4F3/2 – 4I11/2
1,0615
1,0642
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225
1,3184
14
4F3/2 – 4I13/2
1,3331
1,3351
1,3381
1,3533
1,3572
1,8330
1
4F3/2 – 4I15/2
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 nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực p
Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 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 Nd3+
nhờ đó hiệu suất bơm được nâng lên đáng kể so với phương pháp bơm quang
12
truyền thống đồng thời cấu hình laser được thu gọn đáng kể.
)
W
( t ấ u s
g n ô C
Bước sóng (nm)
Hình 1.4: Phổ bức xạ của laser diode [29].
1.2.1. Cấu tạo laser bán dẫn
Các laser bán dẫn được chế tạo phổ biến nhất theo cấu hình buồng cộng
hưởng kiểu Fabry-Perot đặc biệt là cho các laser công suất cao. Trong thực tế,
hai gương laser (các mặt tách theo định hướng tinh thể) được tạo ra ở hai đầu
của buồng cộng hưởng. Các gương này được phủ bề mặt để kết hợp cả hệ số
phản xạ cao và hệ số phản xạ thấp với mục đích tối ưu hóa chất lượng buồng
cộng hưởng. Các lớp phủ bề mặt gương này được xử lý để loại trừ khả năng
hấp thụ. Sự đảo mật độ tích lũy của bức xạ cưỡng bức được tạo ra bởi các hạt
tải bơm chạy qua chuyển tiếp p-n (thông thường đảo mật độ tích lũy xảy ra ở nồng độ trên 1018 cm-3). Khi mật độ hạt tải vượt qua giá trị ngưỡng, laser bán
dẫn bắt đầu phát bức xạ laser. Giá trị dòng ngưỡng xác định điểm cân bằng
giữa mất mát và khuếch đại.
13
1.2.2. Lớp chuyển tiếp p – n
Một tinh thể bán dẫn không chứa tạp chất hoặc không có sai hỏng mạng
được gọi là bán dẫn riêng. Cấu trúc năng lượng của một chất bán dẫn riêng
được minh họa trên hình 1.5, trong đó vùng hóa trị và vùng dẫn được phân
cách bởi độ rộng vùng cấm Eg, độ rộng này thay đổi với những vật liệu khác
Vùng dẫn
Điện tử
Lỗ trống
Năng lượng vùng cấm Eg
Vùng hóa trị
nhau.
Hình 1.5: Điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị ở nhiệt độ 0K.
Ở nhiệt độ trên không độ tuyệt đối, sự kích thích nhiệt đẩy một số điện tử
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại những trạng thái trống trong vùng hóa trị.
Những điện tử được kích thích nhiệt này ở trong vùng dẫn và những lỗ trống
trong vùng hóa trị được gọi là các hạt tải và làm cho vật liệu có tính dẫn điện.
Đối với một chất bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự chiếm chỗ các mức
năng lượng được mô tả bởi hàm phân bố Fermi- Dirac [10].
(1.1)
ở đây, k là hằng số Boltzmann và Ef là năng lượng Fermi hay mức Fermi.
Để tạo ra nhiều hạt tải hơn, vật liệu được pha tạp với các nguyên tử tạp
chất. Tạp chất tạo ra nhiều các điện tử tự do gọi là tạp chất cho (donor), tạp
chất tạo ra nhiều lỗ trống gọi là tạp chất nhận (acceptor). Tương ứng với
14
chúng là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.
Hình 1.6: Đồ thị hàm phân bố Fermi-Dirac [10].
Khi có hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, chúng ta sẽ tạo
được một lớp tiếp xúc p-n và trong đó có sự cân bằng mức Fermi. Khi mức
Fermi dịch chuyển vào vùng hóa trị hay vùng dẫn thì chất bán dẫn được gọi là
suy biến.
1.4.2. Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức
Hình 1.7: Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức.
Dưới tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hóa trị sẽ hấp
thụ năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thụ lớn hơn
năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hóa trị sẽ xuất hiện lỗ trống tạo
nên sự di chuyển mức Fermi.
Sau một thời gian sống nhất định, điện tử ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống
ở vùng hóa trị và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và
15
hướng lan truyền khác nhau) - đó là bức xạ tự phát.
Bức xạ cưỡng bức là quá trình mà ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ
cưỡng bức của điện tử ở trạng thái khích thích. Bức xạ phát ra có cùng bước
sóng, pha và hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới, vì vậy nó có tính đơn
sắc, kết hợp và định hướng cao. Laser bán dẫn là linh kiện điện tử hoạt động
trong điều kiện bức xạ cưỡng bức.
1.4.3. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy
Khi chất bán dẫn được pha tạp thì ngoài các vùng năng lượng còn xuất
hiện các mức năng lượng tạp chất nằm trong vùng cấm. Mức tạp chất ở gần
đáy vùng dẫn được gọi là mức donor còn mức tạp chất ở gần đỉnh vùng hóa
trị gọi là mức acceptor. Do đó, quá trình dịch chuyển của điện tử trong chất
bán dẫn phân thành dịch chuyển giữa các vùng, dịch chuyển vùng và mức tạp
chất và dịch chuyển giữa các mức tạp chất.
- Dịch chuyển giữa các vùng
Để có nghịch đảo độ tích lũy cần tạo ra nồng độ không cân bằng của
các điện tử và lỗ trống, nói cách khác các dịch chuyển điện tử từ vùng dẫn
xuống vùng hóa trị phải lớn hơn các dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng
dẫn, nghĩa là quá trình bức xạ lớn hơn quá trình hấp thụ.
Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải tỷ lệ với xác
suất có trạng thái năng lượng E2 ở vùng dẫn bị chiếm, xác suất có trạng thái
năng lượng E1 ở vùng hóa trị để trống fc(E2)[1 - fv(E1)] , hệ số Einstein về bức
nghĩa là tỷ lệ với đại xạ cưỡng bức B21 và mật độ năng lượng bức xạ
lượng: B21 fc(E2)[1 - fv(E1)]. Tương tự, quá trình dịch chuyển từ vùng hóa trị
lên vùng dẫn sẽ tỷ lệ với đại lượng: B12 fv(E1)[1 - fc(E2)].
Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy đòi hỏi [2]:
16
(1.2) B21 fc(E2)[1 - fv(E1)] > B12 fv(E1)[1 - fc(E2)]
Tức là (1.3) Fc - Fv > E2 - E1
Đây là điều kiện nghịch đảo độ tích lũy khi có dịch chuyển giữa các
vùng, với Fc là mức giả Fermi của vùng dẫn, Fc là mức giả Fermi của vùng
hóa trị.
Với bán dẫn vùng cấm thẳng E2 - E1 = Δ (độ rộng vùng cấm). Điều kiện
nghịch đảo độ tích lũy trở thành [2]:
(1.4) Fc - Fv > Δ
Với bán dẫn vùng cấm nghiêng do có sự tham gia của phonon nên
(1.5) Fc - Fv > Δ
Với là năng lượng của phonon.
- Dịch chuyển giữa vùng và mức tạp chất
Do mức tạp chất thường ở gần các vùng nên luôn xảy ra sự tích thoát
nhanh điện tử và lỗ trống giữa các mức và các vùng. Vì vậy mà sự lấp đầy các
mức tạp chất cũng sẽ được xác định bởi mức chuẩn Fermi của các hạt tải ở
trong các vùng tương ứng. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy có dạng đơn giản
như sau
(1.6) Fc - Fv > Δ - |Ei|
ở đây Ei là năng lượng liên kết của hạt tải trên các mức tạp chất.
1.4.4. Điều kiện ngưỡng
Như đã trình bày ở trên, các điều kiện nghịch đảo độ tích lũy chỉ là điều
kiện cần nhưng chưa đủ. Bức xạ cảm ứng tái hợp cần được khuếch đại trong
buồng cộng hưởng laser để hệ số khuếch đại phải lớn hơn mất mát.
17
1.4.4.1. Hệ số khuếch đại
Bỏ qua quá trình thiết lập ta đưa ra biểu thức hệ số khuếch đại [10]:
ρ(υ) (1.7)
Trong đó: λ, υ là bước sóng và tần số của ánh sáng đến, là thừa số
nghịch đảo Fermi, phụ thuộc vào mức tựa Fermi và nhiệt độ, ρ(υ) là hàm mật
độ trạng thái.
1.4.4.2. Những mất mát trong buồng cộng hưởng
Nguyên nhân chính của mất mát trong buồng cộng hưởng là do sự phản
xạ một phần tại bề mặt của tinh thể. Mất mát này quy định chất lượng của
laser phát ra. Với một buồng cộng hưởng có độ dài d thì hệ số mất mát do
phản xạ là [10]:
(1.8)
. Nếu hai mặt có hệ số phản xạ như nhau R1 = R2 = R thì
Hệ số mất mát tổng là:
(1.9)
Trong đó là những mất mát khác bao gồm sự mất mát do sự hấp thụ
của những hạt tải trong vật liệu bán dẫn và sự tán xạ do môi trường quang học
không đồng nhất,…
Những mất mát gây ra bởi sự mở rộng quang học có thể được tính toán
bằng cách đưa vào hệ số giam giữ để mô tả phân bố năng lượng quang bên
ngoài môi trường hoạt chất. Khi ấy hệ số mất mát tổng cộng có thể được viết
lại [10]:
18
(1.10)
Điều kiện phát laser là khuếch đại phải lớn hơn mất mát, tức
(1.11)
Tại giá trị ngưỡng thì mật độ dòng ngưỡng Jt được cho bởi [10]:
(1.12)
Trong đó mật độ dòng trong suốt [10] , hệ số giam giữ [10]
và I(x) là hàm phân bố mật độ quang.
19
Kết luận chương 1
Trong chương này, chúng tôi đã giới thiệu tổng quát về những tính chất
của môi trường laser Neodymium được bơm bằng laser bán dẫn ở bước sóng
808 nm.
1. Môi trường laser Nd:YVO4 thích hợp cho việc phát xung Q – switching
và khả năng phát xung khóa mode lên tới 1,3 ps [20] được sử dụng khá
rộng rãi bởi có nhiều đặc điểm ưu việt như: hệ số dẫn nhiệt tốt, độ bền
cơ học cao, tiết diện phát xạ cưỡng bức rộng vì vậy ngưỡng phát của
laser thấp và hệ số khuếch đại của laser cao.
2. Laser bán dẫn đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công nghệ chế
tạo laser rắn, là nguồn bơm quang học cực kì hiệu quả. Với phổ phát xạ
của laser bán dẫn phù hợp với phổ hấp thụ của một số laser rắn đã thúc
đẩy sự phát triển laser bán dẫn lên tầm cao mới.
20
Chương 2
KỸ THUẬT PHÁT XUNG NGẮN BẰNG MODE-LOCKING
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày nguyên tắc chung của phương
pháp phát xung ngắn khóa mode, sau đó sẽ đề cập tới một số kỹ thuật để
khóa pha các mode buồng cộng hưởng, tập trung chi tiết vào phương pháp
khóa mode thụ động với gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM –
Semiconductor Saturable Absorber Mirror).
2.1. Mode dao động
Buồng cộng hưởng laser ảnh hưởng đáng kể đến công suất bức xạ laser
cũng như đặc tính phổ của nó. Buồng cộng hưởng tạo nên những trạng thái
xác định của trường bức xạ được gọi là mode dao động của buồng cộng
hưởng.
Mỗi mode riêng lẻ được kí hiệu là TEMmnq (TEM - Transverse
Electromagnetic Mode - sóng điện từ trong buồng cộng hưởng quang học có
thể xem là sóng ngang; m, n là các chỉ số ngang còn q là chỉ số dọc của
mode).
Mỗi mode có một không gian trường (biên độ và pha) xác định trong
hướng vuông góc với buồng cộng hưởng và biểu hiện rõ trên mặt gương của
buồng cộng hưởng. Đặc trưng của cấu hình này được xác định nhờ các chỉ số
của mode ngang m, n.
Ngoài ra mỗi mode còn được đặc trưng bởi một độ dịch pha 2πq trên trục
buồng cộng hưởng sau một lượt đi lại, với q là chỉ số mode dọc. Một cách
chặc chẽ thì mode không phải là sóng phẳng nên độ dịch pha được xét trên
trục của buồng cộng hưởng.
Mỗi một tổ hợp xác định của các chỉ số m, n phản ánh một cấu hình
21
trường ngang xác định được ứng với một số lớn mode dọc (mode trục) với
các giá trị khác nhau của q. Mỗi một mode dọc này có một tần số ứng với một
vạch hẹp trong phổ phát.
Tập hợp các mode dọc ứng với một tổ hợp các chỉ số m, n cho trước gọi
là một mode ngang. Một mode ngang đặc trưng nhờ các chỉ số ngang TEMmn.
Mỗi một mode ngang có một cấu trúc vết sáng xác định trên mặt gương
Khoảng cách giữa hai mode
dọc liên tiếp
Độ rộng vạch của một mode dọc
buồng cộng hưởng.
Hình 2.1: Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch của các mode dọc[12].
Trong buồng cộng hưởng, laser sẽ phát bức xạ cưỡng bức đồng thời ở
nhiều tần số mà độ khuếch đại tương ứng của chúng G (νm) > 0. Trong khi đi
lại trong buồng cộng hưởng chỉ các sóng thỏa mãn điều kiện sóng dừng, tức
νm = qc/2L (với q là một số nguyên, c là vận tốc ánh sáng, L là chiều dài
buồng cộng hưởng) thì mới có thể dao động và phát ra ngoài được. Mỗi một
tần số nói trên gắn với một mode dọc của buồng cộng hưởng. Thông thường
22
bức xạ laser là đa mode. Số mode càng nhiều nếu phổ bức xạ của hoạt chất
laser rộng.
2.2. Điều kiện khóa mode buồng cộng hưởng
Điều kiện để tiến hành phương pháp khóa mode:
- Hiệu số pha giữa hai tần số (mode dọc) liên tiếp là không đổi.
- Môi trường khuếch đại phải có độ rộng phổ khuếch đại rộng, buồng
cộng hưởng cho phép có nhiều tần số dao động nằm trong phổ
khuếch đại của môi trường hoạt chất.
2.3. Nguyên tắc chung của khóa mode trong buồng cộng hưởng
Để tạo ra những xung laser cực ngắn (cỡ femto giây) người ta sử dụng
phương pháp khóa pha các mode của laser. Trong chế độ đa mode, cường độ
trường tạo thành trong buồng cộng hưởng là [1]:
(2.1)
Với N là số mode, là pha thứ i.
Pha của các mode là hoàn toàn ngẫu nhiên, không có mối liên hệ nào giữa pha của các mode dọc khác nhau. Vì vậy, cường độ laser I tỷ lệ với E2 sẽ
thăng giáng theo thời gian. Tuy nhiên, khi có một sự liên hệ về pha nào đó
được thiết lập giữa các mode dao động cưỡng bức có thể tạo ra sự chồng chập
kết hợp của biên độ các mode và dẫn đến khả năng phát các xung cực ngắn từ
ps đến fs. Vậy thay vì cường độ đầu ra không đổi hoặc ngẫu nhiên, tất cả các
mode của laser sẽ giao thoa tăng cường một cách tuần hoàn với nhau, tạo ra
23
một xung ánh sáng. Một laser như thế được gọi là bị khóa mode hoặc khóa
pha. Để đơn giản ta giả sử bằng cách nào đó ở thời điểm t = 0 các mode có
pha = 0 và biên độ là A0 thì [1]:
(2.2) Ei = A0sin(ωit)
với ωi = 2πνi = 2πcq/2L; ∆ω = πc/L.
Khi t = 0, cường độ trường tổng hợp E = NA0 và định hướng theo trục x
của giản đồ vectơ ( hình 2.2a).
Sau một thời gian ∆t vectơ biểu diễn mode thứ i sẽ quay một góc ∆t.ωi.
Hiệu số góc giữa hai vectơ đại diện cho hai mode liên tiếp là = ∆t.∆ω với
t = 0,
= 0
∆ω = πc/L (hình 2.2b).
x
NA0
a)
b)
x
NA0
c)
d)
Hình 2.2: Nguyên lý khóa pha các mode laser [1].
Khi = 2π/N thì cường độ trường tổng hợp của các mode sẽ bằng không
24
(hình 2.2c). Từ (1.3) suy ra
∆t = /∆ω = 2π/N.∆ω = 2L/N.c (2.3)
Số mode N càng nhiều thì khoảng thời gian ∆t để cường độ trường từ giá
trị cực đại giảm về không càng ngắn. Đồng thời mỗi khi = k2π thì cường độ
tổng hợp cực đại và bằng NA0 (hình 2.2d) tương ứng với chu kỳ là
Đơn mode
ộ đ
g n ờ ư C
Đa mode
ộ đ
g n ờ ư C
8 mode, pha ngẫu
nhiên
ộ đ
g n ờ ư C
8 mode, pha bằng không tại t=0
ộ đ
g n ờ ư C
Thời gian
[1].
Hình 2.3: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của sự tương hợp pha giữa các mode với cường
độ laser phát ra. (a) đơn mode, (b) hai mode đồng pha, (c) 8 mode với phase ngẫu
nhiên, (d) 8 mode đồng pha [12].
25
Như vậy, khi các mode đồng pha, cường độ laser gồm một dãy các xung
với chu kỳ 2L/c (đúng bằng thời gian ánh sáng đi lại trong buồng cộng
hưởng).
Vậy khi phát ở chế độ đa mode, cường độ của tia laser ra không còn nhất
thiết bất biến với thời gian. Độ phân giải thời gian phụ thuộc mối quan hệ về
pha tồn tại giữa các mode khác nhau, như được minh họa trên hình 2.3.
2.4. Các phương pháp khóa mode thụ động sử dụng chất hấp thụ bão
hòa
Để thực hiện sự đồng pha các mode có nhiều cách khác nhau, có thể chia
thành ba phương pháp chính như sau: khóa mode chủ động, khóa mode thụ
động và tự khóa mode. Phương pháp chủ động thông thường liên quan đến
việc dùng một tín hiệu bên ngoài để cảm ứng một sự điều biến của ánh sáng
trong buồng cộng hưởng. Phương pháp thụ động không dùng tín hiệu bên
ngoài, mà lệ thuộc vào việc đặt một yếu tố nào đó vào trong buồng cộng
hưởng để gây ra sự tự điều biến ánh sáng. Phương pháp tự khóa mode có
phần tương tự như phương pháp khóa mode thụ động là đưa vào buồng cộng
hưởng một môi trường hấp thụ bão hòa, nhờ hiệu ứng quang học phi tuyến
(hiệu ứng Kerr quang học) mà có thể tạo ra sự hội tụ ánh sáng truyền qua hoạt
chất.Trong giới hạn luận văn, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp khóa mode
thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hòa, đặc biệt là gương bán dẫn hấp thụ bão
hòa (SESAM).
Theo H. Hauss, phương trình động học tổng quát mô tả quá trình đi lại
nhiều lần trong buồng cộng hưởng của xung laser được khóa mode bằng bộ
hấp thụ bão hòa được đưa ra như sau [16,17].
26
(2.4)
trong đó: g là độ khuếch đại của môi trường laser; l là mất mát trong buồng
cộng hưởng; a(T, t) là xung laser trong buồng cộng hưởng; g là độ rộng của
phổ khuếch đại laser; s(t) là mất mát của bộ hấp thụ bão hòa, TR là chu kỳ
BCH laser.
Như vậy, tùy thuộc vào các bộ hấp thụ bão hòa khác nhau mà ta có đóng
góp của s(t) là khác nhau.
2.4.1. Khóa mode sử dụng bộ hấp thụ bão hòa nhanh
Bộ hấp thụ bão hoà nhanh (SA nhanh) là trường hợp đơn giản nhất khi
một thành phần trong buồng cộng hưởng có độ truyền qua/phản xạ phụ thuộc
cường độ với hằng số thời gian ngắn hơn độ rộng xung và cường độ bão hòa
đủ thấp để SA có thể bị mất màu (bleached) bởi các xung năng lượng thấp.
Laser ban đầu dao động với pha không bị khóa mode và bao gồm các
chớp sáng bùng lên liên tiếp ngẫu nhiên với cường độ khác nhau, như hình
2.3c. Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại công suất bão hoà trong một
chu kỳ buồng cộng hưởng g0 xấp xỉ mất mát không bão hoà của buồng cộng
hưởng trong một chu kỳ buồng cộng hưởng.
Chớp sáng bùng lên với cường độ cao nhất sẽ chịu mất mát hấp thụ ít
hơn và do đó phát triển nhanh hơn so với những chớp khác, làm giảm độ
khuếch đại trung bình xuống g0'. Do đó, sau một số chu kỳ buồng cộng
hưởng, trạng thái như hình 2.4 được thiết lập: một cửa sổ thời gian t1 - t2 của
độ khuếch đại khi xung truyền qua và cửa số mất mát nằm ngoài khoảng đó.
Trạng thái này dẫn đến việc các xung liên tục bị làm ngắn vì mất mát của
hai đuôi xung lớn hơn so với đỉnh xung. Thực tế, tỉ lệ làm ngắn xung (PSR),
27
Mất mát
Khuếch đại
Xung laser
t1 t2
Thời gian
Hình 2.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa nhanh[15].
xác định hiệu suất làm ngắn xung trên mỗi lần truyền, sẽ tăng lên khi xung trở
nên ngắn hơn [15]:
(2.5) PSR = p/p = Ep/2p
với p là mức làm ngắn xung một lần truyền qua, là hệ số tự điều chế biên
độ của bộ hấp thụ, và Ep là năng lượng xung.
Buồng cộng hưởng đơn giản sử dụng bộ SA nhanh và quá trình hình
Môi trường
bộ hấp thụ
khuếch đại
bão hòa
thời gan
mất mát
khuếch đại
thành xung laser được biểu diễn trên hình 2.5:
Hình 2.5: BCH laser và quá trình phát xung mode-locking với bộ SA nhanh [15].
Với bộ hấp thụ bão hòa nhanh, mất mát trong quá trình xung laser trong
quá trình truyền qua bộ hấp thụ bão hòa có dạng [15]:
28
(2.6)
Khi đó, phương trình động học cho laser mode-locking bằng hấp thụ bão hòa
nhanh sẽ là [15]:
(2.7)
Nghiệm của (2.13) ở trạng thái dừng có dạng:
(2.8)
với và
Các bộ hấp thụ bão hòa nhanh thường sử dụng để phát các xung laser cực
ngắn (vùng fem-tô-giây), vì vậy, trong các trường hợp này phải tính đến cả
hiệu ứng tán sắc tốc độ nhóm và hiệu ứng thấu kính Kerr. Khi đó, phương
trình tổng quát cho trường hợp mode-locking bằng hấp thụ bão hòa nhanh có
tính đến các hiệu ứng phi tuyến này có dạng [15]:
(2.9)
trong đó: D – là thông số tán sắc vận tốc nhóm; - hệ số Kerr
( = (2/)n2d/Aeff) với n2 là chiết suất phi tuyến của môi trường laser và Aeff
là tiết diện hiệu dụng của mode phát xạ laser.
Khi đó, nghiệm của (2.9) ở trạng thái dừng có dạng [15]:
(2.10)
29
ở đây, - gọi là hệ số chirp xung (” = 2D/d) với d là chiều dài môi trường
hoạt chất.
Tất nhiên, khi xung trở nên rất ngắn, số mode laser bị khóa pha và do đó
độ rộng phổ của nó tăng lên và tiến tới cỡ độ rộng phổ của hoạt chất laser. Do
đó, nếu độ tán sắc có thể bỏ qua, trạng thái ổn định của độ dài xung có thể
được thiết lập bởi sự cân bằng của hoạt động làm ngắn xung của bộ hấp thụ
và khuếch đại trong bộ khuếch đại.
Lưu ý rằng, trong trường hợp hoạt chất laser có độ rộng phổ cho phép
tạo ra xung femto giây, chúng ta không thể bỏ qua sự tán sắc và các hiệu ứng
phi tuyến khác, trong trường hợp đó khóa mode được xét như là khóa mode
"soliton".
2.4.2. Khóa mode sử dụng bộ hấp thụ bão hoà chậm
Bộ hấp thụ bão hoà chậm (SA chậm) có hằng số thời gian hồi phục của
nó lớn hơn độ dài xung ở trạng thái ổn định và ngắn hơn chu kỳ buồng cộng
hưởng.
Cơ chế tạo mode-locking qua bộ hấp thụ bão hoà SA chậm, yêu cầu thời
gian hồi phục khuếch đại laser có cỡ chu kỳ (buồng cộng hưởng), nhưng lớn
hơn một chút so với thời gian hồi phục của bộ hấp thụ. Thêm vào đó, thông
lượng bão hòa của môi trường khuếch đại phải lớn hơn thông lượng bão hòa
của SA và vẫn đủ thấp để nó có thể bị bão hòa bởi thông lượng laser trong
buồng cộng hưởng. Trạng thái ban đầu tương tự với trạng thái đã mô tả ở trên
với SA nhanh: dao động mạnh ban đầu sẽ có mất mát thấp hơn một chút và sẽ
tạo ra sự thay đổi mất mát hay khuếch đại của buồng cộng hưởng.
Sau một số chu kỳ đi lại trong buồng cộng hưởng, thông lượng của xung
có thể đủ lớn để làm mất màu (bleach) bộ hấp thụ và sơ đồ khuếch đại/mất
mát sẽ tương tự với trường hợp biểu diễn trong hình 2.6.
30
Mất mát
Khuếch đại
Xung laser
Thời gian
Hình 2.6: Quá trình phát xung khóa mode với bộ hấp thụ bão hòa chậm [15].
Vì sự hồi phục khuếch đại chậm hơn, sườn trước của xung sẽ bị mất mát,
trong khi ở thời điểm t > t1 sẽ xuất hiện khuếch đại. Với các tham số khuếch
đại được chọn đúng đắn, sự bão hòa sẽ đạt được ở thời điểm nào đó ở sườn
sau xung, khuếch đại sẽ bắt đầu giảm cho tới thời điểm t2 khi nó đạt giá trị
nhỏ hơn mất mát trong buồng cộng hưởng. Do đó, sẽ có cửa sổ thời gian t1- t2
của độ khuếch đại và xung liên tiếp được làm ngắn trong mỗi vòng đi quanh
buồng cộng hưởng. Tỷ số nén xung được xác định theo công thức sau [15]:
(2.11) PSR = p/p = ms/2
với ms là độ sâu điều chế (hằng số) của SA. Như vậy, chúng ta thấy rằng tỉ lệ
làm ngắn xung trong laser khóa mode với bộ hấp thụ bão hòa chậm không
phụ thuộc vào thông số nguồn bơm và buồng cộng hưởng mà chỉ phụ thuộc
vào bản chất của bộ hấp thụ bão hòa.
Quá trình hình thành chuỗi xung mode-locking với buồng cộng hưởng
laser sử dụng bộ hấp thụ bão hòa chậm được mô tả trên hình 2.7. Trong quá
trình mode-locking với bộ SA chậm, cả độ khuếch đại g(t) của môi trường
hoạt chất và mất mát s(t) trong bộ hấp thụ đều thay đổi theo thời gian và được
biểu diễn như trên (2.12) [15]:
31
(2.12)
Môi trường khuếch đại
Môi trường hấp thụ
Mất mát
Vùng được khuếch đại
Thời gian
Khuếch đại
Hình 2.7: Nguyên lý laser khóa mode với bộ hấp thụ bão hòa chậm [27].
Khi đó, phương trình tổng quát cho cho laser phát xung mode-locking
bằng bộ hấp thụ bão hòa chậm được biểu diễn bởi (2.13):
(2.13)
trong đó Ws,g – tương ứng là năng lượng hấp thụ bão hòa của bộ hấp thụ và
năng lượng khuếch đại bão hòa của môi trường khuếch đại.
32
Nghiệm của phương trình (2.13) ở trạng thái dừng có dạng:
(2.14)
2.4.3. Khóa mode sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)
Các thiết bị SESAM hiện nay đã được sử dụng rộng rãi và trở thành linh
kiện quan trọng không thể thiếu trong các nguồn laser xung cực ngắn khóa
mode thụ động. Trước đây, bộ hấp thụ bão hòa thường sử dụng là các chất
màu nhưng do nó có nhược điểm là tuổi thọ ngắn, độc và quá trình điều khiển
phức tạp, nên sau đó người ta sử dụng các bộ hấp thụ bão hòa ở trạng thái rắn.
Tuy nhiên, bộ hấp thụ bão hòa rắn cũng chỉ hoạt động trong vùng bước sóng
nhất định, thời gian hồi phục và các mức bão hòa giới hạn. Khi phát minh ra
chất bán dẫn, người ta đã thấy rằng việc chế tạo bộ hấp thụ bão hòa bằng vật
liệu bán dẫn có thể khắc phục được nhược điểm của bộ hấp thụ bão hòa rắn vì
vật liệu bán dẫn có thể hấp thụ ở một vùng bước sóng tương đối rộng (từ vùng
khả kiến cho tới vùng hồng ngoại) và chúng ta có thể điều chỉnh các thông số
của chúng như thời gian hồi phục và thông lượng bão hòa bằng cách thay đổi
các thiết kế của thiết bị và các thông số chế tạo.
Năm 1966, De Maria và các đồng nghiệp đã tạo ra những xung ngắn cỡ
pico giây đầu tiên bằng việc sử dụng laser thủy tinh Nd khóa mode thụ động.
Tuy nhiên, họ không đo được chuỗi xung đều mà chỉ đo được các chuỗi xung
đã được biến điệu biên độ, được gọi là Q-switch mode-locking, với tốc độ lặp
lại thấp. Năm 1990, các laser rắn đã được khóa mode hoàn toàn bằng việc sử
dụng bộ hấp thụ bão hòa bên trong buồng cộng hưởng phi tuyến.
Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm và lý thuyết đã chỉ ra rằng các laser rắn
được bơm bằng laser diode khóa mode thụ động hầu như không hoạt động
trong chế độ khóa mode hoàn toàn (không có Q-Switch), việc này đã giới hạn
các ứng dụng thực tế của chúng. Vấn đề này đã được giải quyết khi phát minh
33
ra gương SESAM đầu tiên vào năm 1992, còn được gọi là bộ hấp thụ bão hòa
Fabry-Perot khử cộng hưởng. Việc phát minh ra SESAM này là bước nhảy
vọt quan trọng để chế tạo ra laser Nd:YAG và ND:YLF khóa mode hoàn toàn.
Cũng với phương pháp này người ta đã nâng cao các thông số quan trọng của
laser như: độ rộng xung, công suất, tần số lặp lại xung…
Ngày nay, cấu trúc thiết kế của SESAM ngày càng được hoàn thiện giúp
cho việc chế tạo các hệ laser phát xung ngắn với tần số lặp lại cao, công suất
lớn và độ ổn định cao.
2.4.3.1. Cấu trúc của một SESAM
Xung laser
a. Cấu trúc điển hình của SESAM
s A a G n ề n t ấ h c
Lớp hấp thụ giếng
gương Bragg GaAs/AlGaAs
lượng tử InGaAs
Hình 2.8: Cấu trúc của một A-FPSA điển hình dùng để phát tại bước sóng 1064nm. Trên
chất nền GaAs là một gương Bragg GaAs/AlGaAs, trên cùng là một lớp hấp thụ giếng
lượng tử InGaAs có bề dày khoảng 10nm [31].
Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa là một cấu trúc gương kết hợp với bộ
hấp thụ bão hòa, tất cả đều làm bằng công nghệ bán dẫn. Thông thường, thiết
bị này gồm có một gương Bragg, một lớp hấp thụ bão hòa đơn giếng lượng tử
ở gần bề mặt và lớp chống phản xạ phủ lên trên.
Gương Bragg
Gương Bragg (còn được gọi là gương 1/4 bước sóng) là một cấu trúc
34
gồm một chuỗi các lớp xen kẽ với hai loại vật liệu quang học khác nhau, độ
dày quang học của mỗi lớp tương ứng với 1/4 bước sóng thiết kế của gương.
Điều kiện sau đúng với tia tới vuông góc; nếu gương được thiết kế cho góc tới
lớn hơn thì các lớp cần phải dày hơn.
Nguyên lý hoạt động có thể được hiểu như sau: Mỗi mặt phân cách giữa
hai vật liệu tạo thành một phản xạ Fresnel. Đối với bước sóng thiết kế, chiều
dài đường đi quang học khác nhau giữa sự phản xạ từ các mặt phân cách là
1/2 bước sóng, hơn nữa hệ số phản xạ đối với các mặt phân cách có các dấu
xen kẽ. Do đó, tất cả các thành phần đã phản xạ từ mặt phân cách giao thoa
với nhau, dẫn tới sự phản xạ mạnh. Hệ số phản xạ đạt được xác định bằng số
các cặp và chiết suất tỉ đối giữa các lớp vật liệu. Độ rộng phổ phản xạ xác
27 cặp 18 cặp 10 cặp
định chủ yếu bởi chiết suất tỉ đối.
ạ x n ả h p ố s ệ H
Bước sóng (nm)
Hình 2.9 : Phổ phản xạ của gương Bragg với các lớp AlAs/GaAs cách nhau ¼ bước
sóng với số lượng các cặp khác nhau, ở bước sóng thiết kế 1064 nm [28].
Trễ tán sắc nhóm của gương Bragg triệt tiêu tại bước sóng thiết kế và
nhỏ trong phần lớn phổ phát xạ. Tuy nhiên, tán sắc xảy ra tại biên của vùng
bước sóng này thì đáng kể.
35
Hệ số phản xạ R của gương Bragg được tính theo công thức [15]:
với
trong đó (2p+1) là số các lớp có chiết suất cao và thấp.
Bảng 2.1 tính toán hệ số phản xạ của gương tại bước sóng 1064 nm sử
dụng vật liệu GaAs và AlAs có chiết suất tương ứng là n(GaAs) = 3,49 và
n(AlAs) = 2,95, đế là GaAs theo công thức trên.
Bảng 2.1: Hệ số phản xạ của gương Bragg [15]
Số p của các cặp GaAs và AlAs Hệ số phản xạ R
5 0,80766
10 0,96104
15 0,99262
20 0,99862
25 0,99974
27 0,99987
Các lớp chống phản xạ
Một lớp chống phản xạ được phủ lên bề mặt quang học để giảm hệ số
phản xạ quang học của bề mặt này trong vùng bước sóng nào đó. Nguyên lý
hoạt động cơ bản của nó giống nguyên lý hoạt động của gương điện môi. Nó
đưa thêm một hay nhiều mặt phân cách quang học để các sóng phản xạ từ mọi
mặt phân cách hầu hết triệt tiêu lẫn nhau bằng giao thoa.
Các lớp chống phản xạ thường được sử dụng trong các thành phần quang
học để giảm tổn hao quang (và đôi khi cả các ảnh hưởng bất lợi của chùm
36
phản xạ). Sự phản xạ dư với một bước sóng và góc tới cho trước thường đạt
được 0,2 % hay nhỏ hơn khi tối ưu [15].
b. Các cấu trúc khác nhau của SESAM
SESAM có các vùng thông số hoạt động riêng biệt. Chúng ta có thể sử
dụng các thiết kế đa dạng của SESAM để tạo ra các đặc tính mong muốn của
hệ laser xung ngắn. Hình 2.13 mô tả các thiết kế SESAM khác nhau.
A-FPSA độ nét cao
R = 95%
SESAM có phủ lớp chống phản xạ
A-FPSA độ nét thấp
R = 0%
(SBR)
Hấp thụ bão hòa
R 30% Hấp thụ bão hòa
Hấp thụ bão hòa
R > 99,5%
R > 98%
R > 99,5%
a)
c)
b)
Hình 2.10. Một số cấu trúc SESAM khác nhau [31]
a) A-FPSA độ nét cao b) SESAM có phủ lớp chống phản xạ c) A-FPSA độ nét thấp
Trước đây, SESAM đã được sử dụng trong các buồng cộng hưởng
khóa mode thụ động của các laser rắn nhưng các thiết kế này đã gây ra quá
nhiều mất mát trong buồng cộng hưởng. Vào năm 1992, việc giải quyết vấn
đề này đã tạo ra một gương hấp thụ bão hoà bên trong buồng cộng hưởng loại
mới, đó là thiết bị SESAM đầu tiên trong buồng cộng hưởng, gương hấp thụ
bão hoà Fabry-Perot khử cộng hưởng (A-FPSA) với lớp phản xạ phía trên
(top reflector) có hệ số phản xạ cao (R 95%). Thiết bị này còn được gọi là
37
A-FPSA độ nét cao (high-finesse A-FPSA). A-FPSA điển hình được tạo bởi
một gương bán dẫn Bragg ở phía dưới và gương điện môi ở phía trên, một
lớp hấp thụ và có thể có các lớp đệm (spacer layer) trong suốt ở giữa.
Rtop
Rbottom
Io
Ic < Io
d
R
Lớp hấp thụ bão hoà bằng bán dẫn
100
60
) s f (
80
40
khử cộng hưởng
d /
60
20
40
H ệ s ố p h ả n x ạ
(
0
%
20
)
d m ó h n ễ r T
0
-20
1,15
1,00
0,95
1,05
1,10
bước sóng (m)
Hình 2.14: Nguyên lý cơ bản của gương hấp thụ bão hoà Fabry-Perot khử cộng hưởng. Với lớp phản xạ phía trên, có thể điểu chỉnh được cường độ tới lớp hấp thụ bão hoà. Bề dày lớp hấp thụ được điểu chỉnh để khử cộng hưởng. Hệ số phản xạ thông thường (đường đứt nét) và độ trễ nhóm (đường liền nét) là hàm của bước sóng. Tại vùng khử cộng hưởng có hệ số phản xạ cao và tán sắc trễ nhóm nhỏ nhất [26, 31].
Chiều dày của tất cả các lớp hấp thụ và lớp đệm được điều chỉnh sao cho
gương Fabry-Perot hoạt động ở chế độ khử cộng hưởng. Hoạt động ở chế độ
này tạo được một thiết bị có phổ rộng và tán sắc vận tốc nhóm nhỏ nhất. Độ
rộng phổ của A-FPSA bị giới hạn do vùng phổ tự do của Fabry-Perot hoặc độ
rộng phổ của các gương. Gương phía trên của A-FPSA có hệ số phản xạ điều
chỉnh được, nó xác định cường độ tới lớp hấp thụ bão hoà bằng bán dẫn và
cường độ bão hoà đạt được hay tiết diện hấp thụ của thiết bị.
Khi thay thế gương phía trên bằng một lớp chống phản xạ đã tạo ra được
một thiết kế SESAM khác. Bằng việc sử dụng diện tích mode laser tới là
38
thông số có thể điều chỉnh được, ta có thể điều chỉnh mật độ năng lượng xung
tới với thông lượng bão hoà của thiết bị. Tuy nhiên để giảm các mất mát khi
chưa bão hoà của thiết bị, thông thường giảm chiều dày lớp hấp thụ.
Một thiết kế trung gian đặc biệt của hai loại trên, A-FPSA độ nét thấp
(low-finesse A-FPSA), được chế tạo không có lớp phủ phía trên, điều này tạo
ra lớp phản xạ phía trên do sự phản xạ Fresnel tạo lớp tiếp giáp giữa chất bán
dẫn và không khí, thường hệ số phản xạ là 30%.
c. Các thông số cơ bản của SESAM
Với mỗi ứng dụng khác nhau phải sử dụng các loại SESAM khác nhau
để có hiệu suất cao. Phần này giới thiệu các thông số quan trọng để thiết kế,
chế tạo SESAM. Một số thông số quan trọng của SESAM là
Thông lượng bão hòa
Cường độ bão hòa
Độ sâu biến điệu
Mất mát không bão hòa
Thời gian hồi phục
1. Thông lượng bão hòa
Thông lượng bão hòa là năng lượng cần thiết để bão hòa bộ hấp thụ
SESAM. Thông lượng bão hòa được định nghĩa [26, 31] là trong đó
là năng lượng của photon, là tiết diện hấp thụ. Hệ số hấp thụ của vật
liệu là với ND là mật độ của các phân tử hấp thụ hay là mật độ của
các trạng thái trong chất bán dẫn.
39
2. Cường độ bão hòa Isat
Cường độ bão hòa Isat được tính theo công thức [26, 31]:
: thời gian hồi phục của lớp hấp thụ.
3. Độ 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 khóa mode, 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 [26, 31]: R = Rns - Rlin
với Rns là hệ số phản xạ khi vật liệu hấp thụ đã bị bão hoà.
Rlin là hệ số phản xạ tuyến tính.
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%.
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
40
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 [26, 31].
Những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỉ 21, kỹ thuật khóa mode trong
BCH bằng gương SESAM được phát triển một cách mạnh mẽ [26]. Với kỹ
thuật này cho phép tạo các hệ laser xung cực ngắn với tần số lặp lại cao, công
suất trung bình lớn và cấu hình laser gọn hơn.
41
Kết luận chương 2
Trong chương này chúng tôi đã trình bày nguyên lý khóa mode thụ động
sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa, bao gồm điều kiện khóa mode và
nguyên lý khóa mode. Đây cũng là nguyên lý hoạt động của hệ laser
Nd:YVO4 phát xung mà chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát thực nghiệm ở
chương sau.
42
Chương 3
THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH PHÁT XUNG LASER BẰNG KHÓA
MODE THỤ ĐỘNG CỦA LASER Nd:YVO4
Từ nhiều năm nay, laser màu đã chiếm lĩnh lĩnh vực xung siêu ngắn.
Nhưng vì các chất màu già hóa rất nhanh nên khả năng ứng dụng của laser
màu trước đây chỉ hạn chế trong các lĩnh vực nghiên cứu thuần túy. Ngày
nay, người ta đã đạt tới các xung có độ dài hàng trăm atto-giây trực tiếp bằng
laser rắn[6]. Qua đó đã mở đường cho việc chế tạo những laser xung ngắn
nhỏ gọn, chắc chắn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Vì vậy, việc
nghiên cứu và phát triển các hệ laser phát xung cực ngắn là rất cần thiết đặc
biệt trong điều kiện Việt Nam.
Trong giới hạn luận văn, chương này sẽ chỉ trình bày cấu hình hệ laser
Nd:YVO4 khóa mode thụ động với gương bán dẫn hấp thụ bão hòa được bơm
bằng laser bán dẫn.
3.1. Các bước xây dựng buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 khóa mode bị
động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão
Yêu cầu kỹ thuật của hệ laser
Nguồn bơm laser bán dẫn để đạt hiệu suất bơm quang học tốt nhất phải
có:
Phổ phát xạ của laser bơm phải trùng với phổ hấp thụ của ion Nd3+.
Công suất laser phải đủ lớn để hoạt động của laser Nd3+ ổn định.
Ổn định cao về cường độ và phổ trong quá trình làm việc.
Thấu kính bơm: để đảm bảo đạt được mật độ bơm quang học cao thì
khả năng hội tụ của thấu kính này phải cao.
43
Gương cuối buồng cộng hưởng của laser Neodymium phải là gương
lưỡng chiết. Nó có độ truyền qua rất cao ở bước sóng bơm, đồng thời
lại có độ phản xạ rất cao ở bước sóng laser 1064 nm ( > 99% ).
Do công suất bơm cao nên cần phải chú ý đến việc làm mát cho tinh thể
Nd:YVO4 để tránh hiệu ứng thấu kính nhiệt.
Các yếu tố quang học của hệ phải có khả năng được vi chỉnh chính xác
đáp ứng cho việc bố trí và điều chỉnh quang học của buồng cộng hưởng
laser.
Để xây dựng được BCH laser Nd:YVO4 phát xung ở chế độ khóa mode
bị động sử dụng SESAM trước tiên chúng la phải thực hiện từ bước đơn giản,
bắt đầu bằng việc xây dựng laser Nd phát ở chế độ liên tục với BCH ngắn,
dài, sau đó thêm vào yếu tố khóa mode để laser phát ở chế độ xung.
3.1.1 Xây dựng hệ laser Nd:YVO4 phát liên tục với cấu hình BCH ngắn
a- Cấu hình BCH sử dụng hai gương phẳng
Laser ra
Laser diode
L
M1
M’1
BCH có cấu hình được mô tả như trên hình vẽ sau:
Hình 3.1: Cấu hình BCH ngắn sử dụng hai gương phẳng
1. Laser bán dẫn (ATC; LB. Nga)
Công suất trung bình cực đại (liên tục): 2.2 W.
Phổ phát xạ: 805 810 nm, trung tâm phổ phát xạ tại bước sóng
808 nm (ở nhiệt độ 300 0K).
44
Dòng ngưỡng: Ing 500 mA.
Độ rộng phổ phát xạ: 2 3 nm.
Độ phân kì chùm phát xạ (WxH): (10 x 40) độ.
2. Thấu kính bơm hội tụ L
Vật liệu thuỷ tinh BK7.
Đường kính d = 20 mm.
Độ dài tiêu cự f = 25 mm.
3. Gương cuối buồng cộng hưởng M1 (Casix, Trung Quốc)
Bán kính cong: r1, r2 = .
Hệ số phản xạ: R 99,7% ( = 1064 nm), R < 5% ( = 808 nm).
4. Tinh thể Nd3+:YVO4 (Casix, Trung Quốc)
Kích thước: hình lập phương 3 x 3 x 3 mm3. Nồng độ pha tạp ion Nd3+ là 1%.
Được cắt theo trục quang học a-cut, phù hợp với bơm quang học
phân cực thẳng theo cấu hình bơm dọc.
Hai mặt của tinh thể được phủ chống phản xạ tại 1064 nm
5. Gương laser ra M’1 (Casix, Trung Quốc)
Bán kính cong: r1, r2 = .
Hệ số phản xạ: R 94% ( = 1064 nm), R < 5% ( = 808 nm).
6. Các giá đỡ gương (Ultrastable Kinematic - Thorlabs, Mỹ).
Góc quang điều chỉnh 4,75 độ.
Độ phân giải góc 27’.
b- Các bước lắp đặt
Cố định laser bơm (LD) xuống bàn quang học, nối đất thiết bị và -
cắm điện vào thiết bị.
Thiết lập đường chuẩn bằng laser He-Ne (λ = 632,8 nm) song -
45
song với bàn quang học và cách bàn 5,4 cm, đánh dấu đường chuẩn
bằng hai diaphram sao cho đường chuẩn trùng với tâm của chùm laser
Diode.
- Lắp đặt các thiết bị quang học:
+ Lắp thấu kính bơm hội tụ L được đặt gần đầu ra của laser bơm sao
cho vết của chùm laser bơm trên mặt thấu kính nhỏ hơn đường kính của thấu
kính. Điều chỉnh thấu kính sao cho chùm laser sau khi qua thấu kính trùng với
đường chuẩn.
+ Lắp gương cuối M1, chú ý đặt vị trí M1 sao cho khoảng cách từ M1
đến điểm hội tụ đủ để đặt tinh thể.
+ Đặt tinh thể Nd:YVO4 tại vị trí hội tụ của chùm laser LD (tùy vào
năng lượng bơm mạnh mà ta điều chỉnh vị trí tinh thể để vết bơm hội tụ ở
giữa tinh thể). Và chú ý tinh thể phải đặt nghiêng so với phương thẳng đứng một góc bé hơn 40 để tránh hiện tượng xuất hiện BCH phụ.
+ Lắp gương ra M’1 song song với M1 (khoảng cách giữa hai gương
ngắn nhất có thể). Chiều dài BCH L = 10 cm.
Sau khi lắp xong hệ laser ta tiến hành tối ưu BCH bằng cách vi chỉnh vị
trí của gương ra M’1 để công suất laser ra là lớn nhất và chùm laser có dạng
Gauss.
c- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Đặc trưng công suất của laser Nd:YVO4 liên tục với BCH ngắn (L = 10
cm) được biểu diễn như trên hình 3.2.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng η được xác định như sau:
η = Pout / Pin
với Pin là công suất laser bơm, Pout là công suất laser Nd:YVO4.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất đối với hệ laser này là 10 %
46
đến 15 % [8]. Giá trị này là rất thấp, sở dĩ như vậy vì sau khi đi qua thấu kính
bơm chùm tia chưa phải là chùm song song, do đó khi phản xạ trên hai gương
phẳng sẽ phân kỳ rất nhanh, dẫn đến mất mát trong BCH là rất lớn, ngoài ra
năng lượng bơm bị mất mát do hấp thụ của các thành phần không phải tâm tạp Nd3+ trong tinh thể Nd:YVO4.
Hình 3.2: Đặc trưng công suất của laser Nd:YVO4 liên tục với BCH ngắn L = 10 cm[7].
3.1.2. Xây dựng hệ laser Nd:YVO4 phát liên tục với cấu hình BCH dài
Như vậy với BCH Fabry Perrot ngắn sử dụng hai gương phẳng hiệu suất
chuyển đổi năng lượng rất thấp. Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng
ta cải tiến BCH bằng cách đưa thêm vào các gương M2, M3 và M’3.
+ Gương cầu M2:
Bán kính cong r1 = - 15 cm, r2 = ∞.
Hệ số phản xạ R = 100% (λ = 1064 nm), R = 5% (λ = 808 nm).
47
+ Gương dẫn M3 là gương phẳng với hệ số phản xạ R = 99,7% (λ =
1064 nm), R = 5% (λ = 808 nm).
+ Đặt M2 sao cho khoảng cách từ tinh thể đến M2 xấp xỉ bằng tiêu cự f2
= 7,5 cm. Vai trò của M2 rất quan trọng vì nó có vai trò đảm bảo sự chồng
chập tốt giữa thể tích bơm và thể tích mode laser, giảm mất mát do nhiễu xạ
M’1
L
M1
M2
<40
Laser diode
Laser ra
M3
M’3
trong buồng cộng hưởng laser.
Hình 3.3: Cấu hình BCH sử dụng hai gương phẳng – cầu
+ Kéo dài BCH laser bằng cách đặt thêm vào các gương phẳng M3 và
M’3.
Sau đó rút gương M’2 ra và tối ưu lại hệ laser. Tiến hành đo hiệu suất
chuyển đổi năng lượng với gương ra M’3 có R = 94% (λ = 1064 nm) ta nhận
được kết quả đường đặc trưng công suất như trên hình 3.4.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ~ 24 %. Như vậy, ta thấy rằng bằng
việc sử dụng gương cầu M2 hiệu suất chuyển đổi năng lượng đã tăng lên đáng
kể so với cấu hình BCH phẳng – phẳng. Điều này có thể được giải thích là do
gương cầu M2 có vai trò đảm bảo tốt sự chồng chập giữa thể tích bơm và thể
tích mode laser, giảm mất mát do nhiễu xạ trong BCH.
48
)
W
(
a r r e s a l t ấ u s
g n ô C
Công suất laser bơm (W)
Hình 3.4 : Đặc trưng công suất của laser Nd:YVO4 ở chế độ phát liên tục với BCH dài.
3.1.3. Xây dựng hệ laser Nd:YVO4 khóa mode bị động sử dụng gương
bán dẫn hấp thụ bão hòa với cấu hình BCH dài
Buồng cộng hưởng trên đây chưa đủ dài để tiến hành khóa mode. Vì thế
ta tiếp tục kéo dài BCH và đưa vào môi trường hấp thụ bão hòa. Cấu hình
BCH được thiết kế như hình 3.5.
Các thông số của các yếu tố cơ – quang trong buồng cộng hưởng:
1. Nguồn bơm: laser bán dẫn (ATC – Semiconductor, LB Nga).
Công suất trung bình cực đại (liên tục): 2.2 W.
Phổ phát xạ: 805 ÷ 810 nm, trung tâm phổ phát xạ tại bước sóng
808 nm (ở nhiệt độ 3000K).
Dòng ngưỡng: Ing ≈ 500 mA.
Độ rộng phổ phát xạ: 2 nm ÷ 3 nm.
49
Laser bơm
Tinh thể
Thấu kính bơm
Nd:YVO4
M1
M2
M4
< 40
M3
Độ phân kì chùm phát xạ (W×H) : (10×40) độ.
M6
SESAM
M5
Hình 3.5: Cấu hình buồng cộng hưởng laser Nd:YVO4 khóa mode thụ động bằng gương
SESAM được bơm bằng laser bán dẫn.
2. Thấu kính bơm hội tụ
Vật liệu thủy tinh BK7 (Casix, Trung Quốc).
Đường kính d = 20 mm.
Độ dài tiêu cự f = 25 mm, độ dày ở tâm thấu kính là 4 mm.
3. Gương cuối buồng cộng hưởng M1 là gương lưỡng chiết (Casix,
Trung Quốc)
Bán kính cong: r1, r2 = ∞.
Hệ số phản xạ: R ≈ 99,7% (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm).
4. Tinh thể Nd:YVO4 (Casix, Trung Quốc)
Kích thước hình lập phương 3×3×3 mm3 được cắt theo trục
quang học a-cut và phù hợp cho bơm quang học phân cực thẳng
50
theo cấu hình bơm dọc. Hai mặt cuối đã được gia công chống phản xạ (< 0,1% ở 1064 nm). Nồng độ pha tạp ion Nd3+ 1%.
5. Gương cầu M2 (Casix, Trung Quốc)
Bán kính cong: r1 = - 15 cm , r2 = ∞.
Hệ số phản xạ: R = 100% (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm).
6. Gương dẫn M3, M4 (Casix, Trung Quốc)
Bán kính cong: r1, r2 = ∞.
Hệ số phản xạ: R ≈ 99,7% (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm).
7. Gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM)
Kích thước chíp: 5 × 5 × 0,35 mm3.
Thời gian đáp ứng: 20 ps.
Phổ phản xạ cao ở bước sóng 1020 ÷ 1110 nm, bước sóng trung
tâm 1064 nm.
Thông lượng bão hòa 70 μJ/m2.
Độ sâu điều chế A0 = 2%, mất mát không bão hòa Ans < 3%.
8. Gương laser M5 (Casix, Trung Quốc)
Bán kính cong: r1 = - 15 cm, r2 = ∞.
Hệ số phản xạ: R = 100% (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm).
9. Gương laser ra M6
Bán kính cong: r1, r2 = ∞.
Hệ số phản xạ: R = 85% (λ = 1064 nm).
51
3.2. Sơ đồ hệ đo dùng khảo sát các đặc trưng của laser khóa mode
Trong phần thực nghiệm, chúng tôi thiết kế hệ đo khảo sát đặc trưng về
năng lượng, công suất trung bình, độ rộng xung và độ rộng phổ của hệ. Hình
3.6 trình bày thiết kế tổng quát của hệ thí nghiệm đo dùng để đo các đặc trưng
này. Trên thực tế không thể tiến hành đồng thời tất cả các phép đo cùng lúc.
Nhưng thay vì trình bày riêng rẽ từng hệ đo, chúng tôi mô tả chung trên cùng
một sơ đồ để người đọc tiện theo dõi.
(5)
Máy Quang phổ
DFS-8
Hệ
(1)
autocorrelator
(3)
(3)
(2)
Hình 3.6 : Sơ đồ bố trí hệ khảo sát các đặc tính của laser Nd:YVO4 khóa mode bị động sử
dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa.
52
Các thông số của hệ khảo sát các đặc trưng của laser khóa mode:
- (1) Gương tách chùm tia.
- (2) Đầu đo năng lượng (Melles Griot 13PME001), độ phân giải 10
μW.
- (3) Photodiode nhanh (Hamamatsu) với thời gian đáp ứng 100 ps.
-
(4) Máy quang phổ cách tử DFS-8 (Nga) + Độ tán sắc: 3A0/mm.
+ Dải phổ làm việc: 2001200 nm.
- (5) Photodiode Array BP-2048 (Mỹ).
+ Số photodiode: 2048.
+ Khoảng cách giữa hai photodiode liên tiếp: 14 m.
- (6) PicoScope 3205 Osci Resolution
+ Độ rộng dải 100MHz.
+ Tốc độ lấy mẫu 100MS/s.
+ Độ phân giải 8 bit.
- (7) Dao động kí số LeCroy Waver runner LT342 500 MHz, tốc độ
lấy mẫu 500 MS/s.
3.3. Các chế độ hoạt động của laser khóa mode
Laser bắt đầu hoạt động ở công suất bơm 150 mW (ngưỡng). Khi tăng
dần công suất bơm (nhỏ hơn 540 mW), năng lượng laser trong BCH còn thấp
chưa đủ tạo ra sự biến điệu do hấp thụ bão hòa trên SESAM ở tần số cao thích
hợp (c/2L), tương ứng lúc này laser phát xung Q-switch khóa mode, trong
xung Q-switch có các xung laser khóa mode. Chu kỳ phát xung Q-switching
khóa mode phụ thuộc vào độ sâu biến điệu của SESAM và năng lượng laser
53
bơm. Hình 3.7 biểu diễn xung laser trong trường hợp Q-switching mode-
locking.
Kết quả thu được cho thấy, khi laser hoạt động ở chế độ Q-switch khóa
mode, trong chuỗi xung Q-switch có các xung laser khóa mode với chu kỳ
xung đúng bằng chu kỳ photon trong buồng cộng hưởng. Chu kỳ phát xung
Q-switch khóa mode và độ sâu biến điệu của nó phụ thuộc vào cường độ
bơm.
Hình 3.7: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động Q-switching, mode-locking.
Tiếp tục tăng công suất bơm, khi năng lượng laser trong BCH đủ mạnh
làm chu kỳ biến điệu do hấp thụ bão hòa của SESAM tăng lên và bằng chu kỳ
đi lại của photon trong BCH. Với một số điều chỉnh quang học thích hợp
chúng ta thu được hoạt động của laser ở chế độ khóa mode hoàn toàn và ổn
định. Đặc biệt, chế độ khóa mode vẫn ổn định khi cường độ bơm thay đổi đến
2200 mW. Sử dụng photodiode nhanh (Hamamatsu) thời gian đáp ứng 100ps,
chuỗi xung thu được từ laser khóa mode được hiển thị trên dao động ký số
Tektronik 1.5 GHz, 20 Gs/s. Dạng xung thu được tương ứng với các chế độ
54
hoạt động của laser khóa mode được mô tả trên hình 3.8.
Hình 3.8: Chuỗi xung laser thu được ở chế độ hoạt động khóa mode.
Khi laser hoạt động ở chế độ khóa mode hoàn toàn, chu kỳ lặp lại xung
laser khóa mode T 29.4 ns tương ứng với tần số lặp lại xung f 34 MHz và
chiều dài buồng cộng hưởng L 4.4 m.
Hình 3.9: Tần số lặp lại xung ở chế độ khóa mode hoàn toàn.
55
3.4. Đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng của laser
Việc khảo sát công suất laser được thực hiện bằng đầu đo năng lượng
(Melles Griot 13PME001), độ phân giải 10 W. Với kết quả thu được ta thấy
khi gương ra có hệ số phản xạ R = 85 % thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng
η ≈ 20 %. So sánh với kết quả thu được với trường sử dụng gương R ≈ 80%
thì η ≈ 43% và R ≈ 94% thì η ≈ 30% [5] ta thấy hiệu suất chuyển đổi năng
lượng chưa cao. Điều này có thể giải thích do sử dụng gương ra có hệ số
phản xạ chưa tối ưu (tối ưu với R = 80%), điều chỉnh gương chưa tối ưu, nếu
chỉnh tốt, kết quả hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi R = 85% có thể lên
đến 30%.
4 O V Y : d N r e s a l t ấ u s
)
W
(
g n ô C
Công suất laser bơm
(W)
Hình 3.10: Đặc trưng công suất của laser khóa mode.
3.5. Khảo sát đặc trưng phổ của laser khóa mode
Đặc trưng phổ của hệ laser khóa mode được đo nhờ sử dụng máy quang phổ (DFS-8, 3A0/mm) kết nối với bộ chỉ thị là photodiode Array (BP – 2048,
56
USA). Khi dòng bơm là 1800 mA thì ta thu được phổ như hình 3.11 . Độ rộng
0,54 nm
phổ (FWHM) của laser đo được ~ 0.54 nm.
Hình 3.9: Độ rộng phổ của laser khóa mode.
3.6. Độ rộng xung laser mode-locking thụ động
Do hạn chế dải tần số của hệ đo bằng dao động kí – photodiode nhanh ở
trên, việc xác định độ rộng xung laser mode-locking được thực hiện trên cấu
hình hệ đo tự tương quan giao thoa sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến. Sau khi
được phát triển, cấu hình của hệ đo gồm các bộ phận chính như sau:
(11)
(10)
(9)
(8)
(7)
(6)
(5)
(1)
(2)
(3)
(4) (4)
Hình 3.10: Sơ đồ cấu hình hệ tự tương quan sử dụng bộ dịch chuyển tịnh tiến
57
Hình 3.11: Phát triển hệ đo xung quang học cực ngắn dựa trên bộ dịch chuyển tịnh tiến
(1): Gương chia chùm, phản xạ 50% với bức xạ bước sóng 1064
nm dùng để tách chùm tia tới thành hai chùm giống hệt nhau truyền
theo hai kênh khác nhau.
(2): Gương phản xạ 100% với bức xạ có bước sóng 1064 nm, đặt
trên bộ dịch chuyển phản xạ chùm tia trên kênh làm trễ. Bộ dịch chuyển
sử dụng motor Monoch M25 của Pháp. Tốc độ dịch chuyển của motor
có thể thay đổi trong khoảng 0,1 mm/phút tới 10 mm/phút thông qua
điều khiển hộp số, với khoảng cách 1 mm/vòng, khoảng cách dịch
chuyển tối đo là 10cm.
(3): Gương phản xạ 100% (45 độ) với bức xạ có bước sóng 1064
nm để điều chỉnh hướng truyền của chùm tia.
58
(4): Gương phản xạ 100% bức xạ có bước sóng 1064 nm để phản
xạ chùm tia trên kênh cố định.
(5): Thấu kính hội tụ để hội tụ cả hai chùm tia vào tinh thể phi
tuyến.
(6):Tinh thể phi tuyến KDP để phát họa ba bậc hai.
(7): Phim lọc hồng ngoại dùng để loại bỏ chùm tia 1064 nm.
(8): Gương phản xạ 100% (45 độ) bức xạ có bước sóng 532 nm
dùng để phản xạ chùm tia sau khi đi qua tinh thể phi tuyến.
(9): Thấu kính hội tụ dùng để hội tụ chùn laser vào photodiode.
(10): Photodiode dùng để thu tín hiệu phát ra từ tinh thể phi tuyến.
(11): Máy vi tính sử dụng card PLC để điều khiển motor, hiển thị
vết tự tương quan.
Tính toán lý thuyết cho thấy profile của hàm tương quan rõ ràng phụ
thuộc vào profile cuả tín hiệu đến I(t). Hơn nữa, mối liên hệ giữa độ rộng
của hàm tự tương quan với độ rộng của xung laser cũng phụ thuộc vào
dạng xung. Bảng 3.1 trình bày quan hệ giữa và đối với một số dạng
xung.
Bảng 3.1: Quan hệ giữa độ rộng tương quan và độ rộng xung vào với
dạng xung Gauss và Sech2 như sau [12, 19].
Ta thấy kết quả tối ưu nhất có thể đạt được khi giả thiết xung đo được có dạng sech2. Đó là một trong những lý do khiến xung dạng sech2 được chọn
59
làm tiêu chuẩn trong đo lường xung laser ngắn, mà không kể đến dạng xung
thực [11, 22].
)
= 20ps
W m
(
ộ đ g n ờ ư C
Thời gian (ps)
Hình 3.10: Vết tự tương quan xung laser mode-locking thụ động [7].
Theo kết quả đo được, độ rộng của vết autocorelator là ∆τ = 20 ps. Với giả thiết dạng xung đo được có dạng sech2, độ rộng xung laser mode-locking
thực tế ∆τ /∆t = 1.543 nên ∆t ≈ 13 ps.
Bảng 3.2 trình bày một số vật liệu thông dụng dùng để phát xung pico
giây và femto giây với các giá trị tương ứng : ∆υ0: độ rộng dải khuếch đại, ϭ:
tiết diện phát xạ cưỡng bức, τ: thời gian sống ở mức laser trên, ∆τp: độ rộng
xung ngắn nhất đạt được cho đến thời điểm này và ∆τmp: độ rộng xung ngắn
nhất theo lý thuyết giới hạn Fourier [20, 13].
60
Như vậy có thể thấy rằng độ rộng xung của hệ lớn gấp 10 lần so với tính
toán lý thuyết. Tuy nhiên, giá trị 13 ps gần tương đương với giá trị mà thế
giới đạt được cho đến bây giờ. Sai lệch do việc vi chỉnh với độ chính xác
chưa cao, vì kỹ thuật đo tương quan giao thoa đòi hỏi việc điều khiển khoảng
cách với độ chính xác cao, cỡ 1/10 bước sóng ngắn nhất của phổ xung, tức ~
100 nm, trong khi bộ dịch chuyển được điều khiển bằng tay với sai số lớn.
61
Hình 3.11: Hệ laser Nd:YVO4 phát xung ở chế độ khóa mode bị động dùng SESAM ở phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử, Viện Vật lý.
62
Kết luận chương 3
Cấu tạo, kỹ thuật thiết kế và xây dựng hệ đo khảo sát các đặc tính của
xung được chúng tôi trình bày trong chương này. Sau khi tiến hành những
khảo sát thực nghiệm chúng tôi đã đo được hiệu suất chuyển đổi năng lượng
của hệ laser ở chế độ xung mode locking khoảng 20%, độ rộng phổ ~ 0.54
nm và độ rộng xung ~ 13 ps.
63
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tại Viện Vật lý,
tôi đã hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung
laser bằng khóa mode thụ động của laser Nd:YVO4” và đạt được một số
kết quả chính sau:
+ Phân tích các đặc điểm, tính chất của môi trường laser rắn Nd:YVO4
bơm bằng laser bán dẫn.
+ Nghiên cứu chi tiết các kỹ thuật phát xung laser, đặc biệt là kỹ thuật
khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa (SESAM).
+ Tiến hành xây dựng các thí nghiệm khảo sát các đặc trưng về hiệu
suất chuyển đổi năng lượng, độ rộng phổ, độ rộng xung và tần số lặp lại xung
của laser Nd:YVO4 khóa mode thụ động bằng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa
được bơm bằng laser bán dẫn.
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thế Bình (2004), Kỹ thuật Laser, NXB ĐHQG, Hà Nội.
2. Đinh Văn Hoàng & Trịnh Đình Chiến (1999), Vật lý laser và ứng dụng,
NXB ĐH Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.
3. Vương Văn Cường (2010), Nghiên cứu và phát triển hệ đo xung quang
học cực ngắn, Luận văn Thạc sĩ, ĐH Công nghệ.
4. Nguyễn Đại Hưng (2004), Vật lý và kỹ thuật Laser, NXB ĐHQG, Hà
Nội.
5. Nguyễn Đại Hưng & Nguyễn Văn Thích (2005), Thiết bị và linh kiện
quang học quang phổ Laser, NXB ĐHQG, Hà Nội.
6. Nguyễn Đình Hoàng (2007), Laser rắn Nd:YVO4 phát xung quang
nano giây bằng biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng với tinh
thể Cr:YAG, Khóa luận tốt nghiệp, ĐH Công Nghệ.
7. Đỗ Quốc Khánh (2010), Nghiên cứu vật lý và phát triển công nghệ
laser rắn Nd:YVO4 pi-cô giây biến điệu thụ động, bơm bằng laser bán
dẫn, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý.
8. Đỗ Quốc Khánh (2004), Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ laser
Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode, Luận văn Thạc sĩ, Viện Vật lý.
9. Ngụy Hữu Tâm (2005), Những ứng dụng mới nhất của laser, NXB
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
10. B. E.A. Saleh & M. C. Teich (2007), Fundamentals of Photonics, A
John Wiley & Sons Inc. Publication, Canada.
11. B. Wirnitzer (1983), “Measurement of ultrashort laser pulses”, Opt.
Comm. vol. 4(3), pp. 225 – 228.
12. Claude Rullière (1998), Femtosecond laser pulse, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, Germany.
13. Czichos, Saito, Smith and Editors (2006), Materials measurement
methods, Springer Science+Business Media Inc., USA.
14. D. Kopfet all ( 1996), “All-in-one dispersion-compensating saturable
absorber mirror for compact femtosecond laser sources”, Opt. Lett. 21,
pp 486 – 488.
15. F.Kartner et al (1998), “Slow and Fast Saturable Absorbers for
Modelocking of Solid-state Lasers – What’s the difference”, IEEE J
SEL. Topics QE, pp. 159 – 168.
16. H. A. Haus (1976), “Parameter ranges for CW passive modelocking”,
IEEE J Quantum Electron, 12, pp. 169 – 176.
17. H. A. Haus (2000), “Mode locking of laser”, IEEE Selected J Quantum
Electronic, vol. 6(6), pp. 1173 – 1184.
18. I. D. Jung, F.X.K ̈ rtner et al (1997), “Semiconductor saturable
absorber mirrors supporting sub-10 fs pulses” Appl. Phys. B, vol. 65,
pp. 137 – 150.
19. J. C. M. Diels et al (1985), “Control and measurement of ultrashort
pulse shapes (in amplitude and phase) with femtosecond accuracy”,
Appl. Opt., vol. 24(9), pp. 1270 – 1282.
20. Orazio Svelto (2010), Principles of lasers, 5th edn, Springer
Science+Business Media Inc., USA.
21. P. J. Conlon, Y. P. Tong, P. M. W. French, and J. R. Taylor (1994),
“Passive mode locking and dispersion measurement of a sub-100-fs Cr4+:YAG laser”, Optic letters, vol. 19, pp. 1468 – 1470.
22. Truong. T. A. Dao, Tran H. Nhung, P. Hong Minh, P. Brechignac, N.
Sanner, M. Canvar, Nguyen Dai Hung (2002), “Picosecond solid-state dye laser based on a Spectro-temporal selection”, 4th National
Conference on Optics and Spectroscopy, Nha Trang, Vietnam.
23. R. Paschotta, U. Keller (2001), “Passive mode locking with slow
saturable absorbers”, Appl.Phys.B, vol. 73, pp. 653 – 662.
24. Walter Koechner (2006), Solid-state laser engineering, 4th edn,
Springer Science+Business Media Inc., USA.
25. Walter Koechner & Michael Bass (2003), Solid-state lasers, Springer-
Verlag New York Inc., USA .
26. U. Keller, K.J.Weingarten et al (1996), “Semiconductor saturable
absorber mirrors for femtosecond to nanosecond pulse generation in
solid-state lasers”, IEEE J. Selected Topics in Quantum
Electronics(JSTQE), vol. 2, pp. 435 – 453.
Trang web
27. http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-
science/6-977-ultrafast-optics-spring-2005/lecture-notes/chapter6.pdf
28. http://www.batop.de/information/r_Bragg.html
29. http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volumn-46/issue-
9/features/tunable-semiconductor.html
30. http://www.olympusconfocal.com/theory/confocallaserintro.html
31. http://www.signallake.com/innovation/sesam0996.pdf
32. http://www.u-oplaz.com/crystals/crystals20-1.htm
