intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST
Báo xấu
48
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bằng nghiên cứu lí thuyết, quá trình khuếch đại xung laser cực ngắn sử dụng môi trường khuếch đại Nd:YVO4 toàn rắn được bơm bằng laser bán dẫn sẽ được nghiên cứu tường minh. Đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số như năng lượng của laser bơm, cấu hình khuếch đại, các thông số của laser tín hiệu đến đặc trưng của hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THÀNH DÂN NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN QUA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2018
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THÀNH DÂN NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN QUA Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Hồng Minh THÁI NGUYÊN - 2018
  3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Người cam đoan Nguyễn Thành Dân
  4. LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Hồng Minh đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em ở Trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý đã quan tâm, chỉ bảo tận tình cho tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy, các cô trong khoa Vật lý & Công nghệ, cán bộ phòng Đào tạo trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá cũng như sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Tiên Lữ, anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc, học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 6 năm 2018 Nguyễn Thành Dân
  5. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua MỤC LỤC BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………………i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................. ………………………..iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4 ............................................................ 3 1.1. Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn ............................................... 3 1.1.1. Nguyên lý khuếch đại laser ...................................................................... 3 1.1.2. Các cấu hình khuếch đại .......................................................................... 6 1.1.3. Một số lưu ý khi khuếch đại xung laser cực ngắn ................................... 9 1.2. Môi trường tinh thể Nd:YVO4 .............................................................. 13 1.2.1. Các mức năng lượng của ion Nd3+ ......................................................... 14 1.2.2. Môi trường khuếch đại Nd:YVO4 .......................................................... 15 1.3. Nguồn bơm laser bán dẫn cho môi trường khuếch đại pha tạp Nd3+…..18 1.4. Một số ứng dụng của laser xung ngắn công suất cao ............................ 20 1.4.1. Ứng dụng trong khoa học ...................................................................... 20 1.4.2. Ứng dụng trong khoa học kĩ thuật ......................................................... 21 1.4.3. Ứng dụng trong các ngành khoa học khác ............................................. 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG I ............................................................................. 23 CHƯƠNG II HỆ PHƯƠNG TRÌNH KHUẾCH ĐẠI ......................................... 24 2.1. Phương trình mô tả sự lan truyền xung laser cực ngắn qua môi trường khuếch đại, phương trình khuếch đại .......................................................... 24 2.1.1. Phương trình cơ học lượng tử đối với toán tử mật độ ρ(r, t) ................ 25 2.1.2. Độ phân cực vĩ mô của môi trường ....................................................... 26 2.1.3. Phương trình sóng một chiều ................................................................. 26 2.2. Hệ phương trình khuếch đại laser ........................................................ 28 2.3. Các tham số sử dụng trong mô phỏng tính toán ................................... 32 2.3.1 Xung tín hiệu cần khuếch đại ................................................................. 32 2.3.2. Môi trường khuếch đại ........................................................................... 33 2.3.3. Nguồn bơm ............................................................................................ 33 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ............................................................................ 35 Học viên: Nguyễn Thành Dân i
  6. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN 1064 nm SỬ DỤNG TINH THỂ Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN LIÊN TỤC………………………………………………….……………………...36 3.1. Phân bố chùm laser bơm trong tinh thể ................................................ 36 3.2. Độ khuếch đại ban đầu của môi trường Nd:YVO4 ............................... 38 3.3. Động học khuếch đại một lần truyền qua ............................................. 39 3.3.1. Ảnh hưởng của cường độ laser bơm lên động học khuếch đại.............. 40 3.3.2. Ảnh hưởng của xung tín hiệu cần khuếch đại lên động học khuếch đại.41 3.4. Động học khuếch đại nhiều lần truyền qua ........................................... 43 3.4.1. Động học khuếch đại trong bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua........... 43 3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ laser bơm lên động học khuếch đại.............. 45 3.4.3. Ảnh hưởng của cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại…….48 KẾT LUẬN CHƯƠNG III…………………………………………………….51 KẾT LUẬN CHUNG……….…………………………………………………….52 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 53 Học viên: Nguyễn Thành Dân ii
  7. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Nd:YVO4 Môi trường Yttrium Vanadate pha tạp ion Nd3+ ASE Phát xạ tự phát được khuếch đại YAG Môi trường Yttrium Aluminium Garnet (Y3Al15O12) YLF Muối Flouride (YLiF4) G0 Độ khuếch đại ban đầu G(t) Độ khuếch đại tại thời điểm t K Hệ số khuếch đại c Tốc độ ánh sáng trong chân không v Vận tốc ánh sáng trong môi trường khuếch đại  es Tiết diện phát xạ tại bước sóng tín hiệu  as Tiết diện hấp thụ tại bước sóng tín hiệu  ep Tiết diện phát xạ tại bước sóng bơm  ap Tiết diện hấp thụ tại bước sóng bơm Q Xác suất mà một photon bơm đóng góp vào quá trình khuếch đại N Nồng độ ion Nd3+ N1 Số phân tử ở trạng thái cơ bản N2 Số phân tử ở trạng thái kích thích n Chiết suất môi trường L Chiều dài tinh thể  Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất Iso Cường độ đỉnh xung tín hiệu Ipump Cường độ bơm Isat Cường độ bão hòa của môi trường Ivao Cường xung tín hiệu vào môi trường Wsat Mật độ công suất bão hòa của môi trường wpump Mật độ công suất bơm h Hằng số Planck  Hệ số hấp thụ của môi trường tại bước sóng  t Độ rộng xung m Hệ số mất mát tuyến tính giữa hai lần truyền qua liên tiếp GVD Tán sắc tốc độ nhóm Học viên: Nguyễn Thành Dân iii
  8. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1. Các quá trình dịch chuyển quang học trong khuếch đại ánh sáng 3 Hình 1.2. Cấu tạo của bộ khuếch đại laser 4 Hình 1.3. Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4 bằng laser KrF 5 Hình 1.4. Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire bằng hòa ba 5 bậc hai của laser Nd:YAG Hình 1.5. Cấu hình bơm xiên bằng laser Diode 6 Hình 1.6. Bộ khuếch đại laser hai tầng một lần truyền qua 7 Hình 1.7. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua 7 Hình 1.8. Bộ khuếch đại tái phát 8 Hình 1.9. Gương khuếch đại được phủ bề mặt 13 Hình 1.10. Tinh thể Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1% 14 Hình 1.11. Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ 15 Hình 1.12. Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1% 17 Hình 1.13. Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4 18 Hình 2.1. Sự lan truyền xung laser qua môi trường 28 Hình 2.2. Xung laser tín hiệu 32 Hình 3.1. Phân bố năng lượng laser bơm trong tinh thể Nd:YVO4 37 Hình 3.2. Phân bố năng lượng laser bơm trong tinh thể với mật độ công suất 37 của laser bơm khác nhau Hình 3.3. Độ khuếch đại ban đầu G0 của môi trường Nd:YVO4 với cường độ 38 bơm khác nhau Hình 3.4. Động học khuếch đại một lần truyền qua 39 Hình 3.5. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) khi bơm yếu 40 Hình 3.6. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) khi bơm mạnh 40 Hình 3.7. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) ứng với 42 cường độ laser tín hiệu nhỏ Học viên: Nguyễn Thành Dân iv
  9. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Hình 3.8. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) ứng với cường 42 độ laser tín hiệu lớn Hình 3.9. Bộ khuếch đại Nd:YVO4 nhiều lần truyền qua 43 Hình 3.10. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua 44 Hình 3.11. Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua 45 Hình 3.12. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump = 2Isat 46 Hình 3.13. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump = 10Isat 46 Hình 3.14. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump = 20Isat 47 Hình 3.15. a) Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua. b) Tỷ số giữa cường 47 độ laser sau từng lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso Hình 3.16. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung 49 tín hiệu vào bộ khuếch đại Iso Hình 3.17. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung 49 tín hiệu vào bộ khuếch đại 10Iso Hình 3.18. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung 50 tín hiệu vào bộ khuếch đại 100Iso Hình 3.19. a) Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua. b) Tỷ số giữa cường độ laser sau từng lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso 50 khi cường độ xung tín hiệu thay đổi Học viên: Nguyễn Thành Dân v
  10. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 1.1. Thông số quang học của một số môi trường khuếch đại. 10 Bảng 1.2. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Nd3+ 15 Bảng 1.3. Các thông số của các môi trường laser Neodymium 16 Bảng 1.4. Một vài thông số chính của tinh thể pha tạp ion Nd3+ 18 Bảng 1.5. Các môi trường laser rắn và nguồn bơm laser diode 20 Bảng 2.1. Giá trị điển hình của T1 và T2 đối với một số môi trường quang học 26 Bảng 2.2. Các tham số của môi trường Nd:YVO4 sử dụng trong hệ khuếch đại laser xung cực ngắn nhiều lần truyền qua 33 Bảng 2.3. Các tham số của nguồn bơm cho môi trường Nd:YVO4 34 Bảng 3.1. Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua 44 Học viên: Nguyễn Thành Dân vi
  11. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua MỞ ĐẦU Các laser xung cực ngắn có ứng dụng rất lớn trong nghiên cứu khoa học và công nghệ, đặc biệt trong các nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian, nghiên cứu các quá trình vật lí cực nhanh và các quá trình quang phi tuyến [2, 4, 8, 19]. Laser xung cực ngắn pico-giây (ps), femto-giây (fs) thường được tạo ra bằng kỹ thuật khóa mode (mode- locked) thường có năng lượng khá thấp (vài nJ) và tần số lặp lại rất cao (vài chục MHz) [9, 11, 12, 13]. Do năng lượng xung thấp nên việc ứng dụng các laser này còn nhiều hạn chế. Như, để mở rộng các ứng dụng của quang phổ laser, người ta mong muốn biến đổi hiệu quả bước sóng laser của xung cực ngắn (thu được các bước sóng laser khác nhau, trong các vùng phổ mong muốn) nhờ sử dụng các hiệu ứng quang phi tuyến (nhân tần hoặc/và trộn tần số của các laser xung cực ngắn mode-locking) tuy nhiên, hiệu ứng biến đổi quang phi tuyến lại phụ thuộc quan trọng vào công suất đỉnh của xung laser cực ngắn [7]. Vì vậy, để mở rộng khả năng ứng dụng của các laser trên, các xung laser cần phải được khuếch đại về năng lượng. Laser rắn Neodymium (môi trường laser được pha tạp các ion Nd3+) phát xung ngắn chiếm một tỉ phần lớn - là một nguồn sáng kết hợp quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn có thể đạt tới hàng vài chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2  3 nm) có thể phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser Nd:YVO4 [5]. Do vậy, phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn cho laser rắn đã sớm được phát triển mạnh mẽ. Với việc bơm quang học cho laser Neodymium bằng laser bán dẫn, hiệu suất chuyển đổi năng lượng được tăng lên đáng kể, đồng thời cấu hình laser cũng trở nên gọn hơn. Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng khi bơm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 10% đến 80%. Ngoài ra, việc bơm bằng laser bán dẫn cũng hạn chế được những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn flash như: Hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định; Tăng độ phân kỳ của chùm tia và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá huỷ thanh hoạt chất [5]. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về vật lí và công nghệ laser rắn, xung ngắn đã và đang được phát triển ở một số Viện nghiên cứu, các trường Đại học. Các nghiên cứu này không chỉ hạn chế trong nghiên cứu cơ bản mà thực sự đã gắn liền với những yêu cầu cấp thiết của xã hội cũng như việc phát triển của công nghệ laser và các phương pháp quang phổ laser hiện đại. Hiện nay ở Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã Học viên: Nguyễn Thành Dân 1
  12. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua phát triển thành công những nguồn laser xung cực ngắn dựa trên kĩ thuật khóa mode trong buồng cộng hưởng ở bước sóng 1064 nm, độ rộng xung laser có thể xuống tới 10 ps [5, 11, 13]. Tuy nhiên, các xung laser này có công suất thấp khoảng một vài trăm mW, chưa đáp ứng được các nhu cầu về ứng dụng. Do vậy, để có thể mở rộng được các ứng dụng của hệ laser xung ngắn này thì việc khuếch đại năng lượng xung của chúng lên vài chục đến hàng trăm lần là vô cùng cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Hiện nay, Trung tâm Điện tử học Lượng tử, Viện Vật lý được trang bị các laser bán dẫn công suất lớn, đây là tiền đề để có thể phát triển các bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua cho laser xung ngắn này bằng thực nghiệm. Yêu cầu chung cho một bộ khuếch đại laser xung cực ngắn là hiệu suất chuyển đổi và độ khuếch đại phải lớn nhất. Trong thực tế, khi các xung laser cần khuếch đại đi qua môi trường khuếch đại thì dạng xung thường bị biến dạng, đặc biệt là các xung laser cực ngắn, đó là điều không mong muốn. Vì vậy, việc nghiên cứu bằng lí thuyết các ảnh hưởng của các tham số như năng lượng laser bơm, năng lượng của xung laser cần khuếch đại, cấu hình khuếch đại lên độ khuếch đại cũng như sự biến dạng xung laser lối ra là rất cần thiết trước khi tiến hành làm thực nghiệm. Với những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua” làm đề tài nghiên cứu của luận văn. Mục đích của luận văn: Bằng nghiên cứu lí thuyết, quá trình khuếch đại xung laser cực ngắn sử dụng môi trường khuếch đại Nd:YVO4 toàn rắn được bơm bằng laser bán dẫn sẽ được nghiên cứu tường minh. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số như năng lượng của laser bơm, cấu hình khuếch đại, các thông số của laser tín hiệu đến đặc trưng của hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua. Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện bằng nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng tính toán. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương: Chương I Tổng quan về khuếch đại xung laser cực ngắn, môi trường khuếch đại Nd:YVO4. Chương II Hệ phương trình khuếch đại. Chương III Động học khuếch đại laser xung cực ngắn 1064 nm sử dụng tinh thể Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn liên tục. Học viên: Nguyễn Thành Dân 2
  13. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4 Trong chương này tôi sẽ tìm hiểu và phân tích về lí thuyết khuếch đại laser nói chung và khuếch đại xung laser cực ngắn nói riêng. Các đặc trưng quang học của môi trường Nd nói chung và môi trường Nd:YVO4 nói riêng sẽ được phân tích chi tiết trong chương này. Đồng thời tôi cũng tìm hiểu về một số ứng dụng của laser công suất cao trong nghiên cứu khoa học, trong khoa học kĩ thuật và trong cuộc sống. 1.1. Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn 1.1.1. Nguyên lý khuếch đại laser Nguyên lý khuếch đại laser trong các bộ khuếch đại cũng giống như nguyên tắc phát laser, đó là dựa trên hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Bình thường các nguyên tử ở trạng thái cơ bản, dưới bức xạ của một nguồn bơm, một số nguyên tử hấp thụ photon bơm và chuyển từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích. Khi xảy ra nghịch đảo độ tích lũy, nếu có một photon tín hiệu có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng hai mức trên đi qua môi trường hoạt chất thì xảy ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức, số photon phát ra có thể là hai hoặc nhiều photon (photon ban đầu và các photon mới được tạo ra). Photon ban đầu và photon mới được tạo ra có cùng phương truyền, cùng pha và cùng tần số... Nói cách khác, quá trình khuếch đại laser được thực hiện như Hình 1.1 [4, 19]. Hình 1.1. Các quá trình dịch chuyển quang học trong khuếch đại ánh sáng. Theo nguyên lý ở trên ta nhận thấy, một bộ khuếch đại gồm ba bộ phận: Laser tín hiệu cần khuếch đại; Môi trường khuếch đại; Nguồn bơm cung cấp năng lượng cho môi trường khuếch đại. Bộ khuếch đại laser được biểu diễn như Hình 1.2 [1]. Học viên: Nguyễn Thành Dân 3
  14. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Hình 1.2. Cấu tạo của bộ khuếch đại laser. Trong đó: *Laser cần khuếch đại: Laser cần khuếch đại là các laser có năng lượng thấp. *Môi trường khuếch đại: Môi trường khuếch đại (hay môi trường hoạt chất) là các môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Có nhiều môi trường có khả năng này: + Môi trường dạng khí: Các khí phân tử (CO2, CO, N2…); Các hỗn hợp khí phân tử (CO2-N2-He, CO-N2-H2O…); Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử (He, Ne…). + Môi trường dạng rắn: Các tinh thể rubi, Ti-Sapphire, các môi trường pha tạp ion đất hiếm như Nd3+, Ce3+, Er3+, Eu3+, Sm3+… trong các nền rắn khác nhau (thủy tinh, Al2O3, YAG, LiSAF, LiCAF…). + Môi trường lỏng: Các dung dịch laser màu hữu cơ, chất lỏng Chelaste… Tùy vào các thông số của laser cần khuếch đại mà người ta có thể chọn môi trường khuếch đại sao cho phù hợp với yêu cầu. *Nguồn bơm: Để cung cấp năng lượng cho các tâm hoạt chất (có thể là các điện tử, phân tử hoặc ion) của môi trường khuếch đại chuyển từ mức cơ bản lên mức kích thích, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài (gọi là nguồn bơm). Tùy vào thông số của môi trường khuếch đại mà ta chọn nguồn bơm sao cho phù hợp. Có rất nhiều phương pháp bơm khác nhau. Nhưng với các môi trường hoạt chất là rắn thì phương pháp bơm quang học là chủ yếu. Trong phương pháp bơm quang học, người ta sử dụng các đèn hay chính laser để bơm cho môi trường khuếch đại. Các nguồn bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết hợp (các đèn xung, các diode phát quang, đèn hồ quang...) hoặc kết hợp (dùng laser để bơm). Có ba cấu hình bơm cơ bản là bơm dọc, bơm ngang và bơm xiên. Bơm ngang: Chùm tia laser bơm được hội tụ bởi thấu kính nhằm tạo mật độ quang cao, chùm laser bơm có phương vuông góc với trục của môi trường khuếch đại. Đây là Học viên: Nguyễn Thành Dân 4
  15. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua cấu hình bơm được sử dụng rất rộng rãi vì dễ thực hiện. Hạn chế của cấu hình bơm này là tạo nên một vùng khuếch đại trải rộng và ở mép của tinh thể. Cấu hình bơm ngang được biểu diễn như Hình 1.3 [16]. Hình 1.3. Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4 bằng laser KrF [ 16]. Bơm dọc: Trong khuếch đại laser, cấu hình bơm dọc thường được sử dụng. Cấu hình bơm này tạo nên sự kích thích khá đồng đều của bức xạ bơm trên toàn bộ môi trường hoạt chất. Với cấu hình bơm dọc sự chồng chập không gian giữa chùm laser bơm và laser khuếch đại trong tinh thể cũng lớn hơn. Cấu hình bơm dọc được biểu diễn như Hình 1.4. Hình 1.4. Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG [6 ]. Học viên: Nguyễn Thành Dân 5
  16. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Bơm xiên: Chùm tia laser bơm đến hợp với pháp tuyến mặt tinh thể một góc . Để sự chồng chập giữa chùm laser bơm và chùm laser khuếch đại trong tinh thể là lớn nhất người ta luôn cố gắng chỉnh góc  là nhỏ nhất. Với cấu hình bơm xiên, người ta thường sử dụng cho việc bơm bằng laser diode. Cấu hình bơm xiên được biểu diễn như Hình 1.5. Hình 1.5. Cấu hình bơm xiên bằng laser Diode [15]. 1.1.2. Các cấu hình khuếch đại 1.1.2.1. Cấu hình khuếch đại một lần truyền qua Bộ khuếch đại một lần truyền qua là bộ khuếch đại cơ bản nhất, xung laser được khuếch đại bằng cách cho truyền qua môi trường khuếch đại một lần. Bộ khuếch đại một lần truyền qua có nhược điểm là khả năng khuếch đại xung không cao. Để khắc phục nhược điểm này, các bộ khuếch đại một lần truyền qua được ghép nối tiếp tạo thành bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua. Ưu điểm của bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua là mỗi tầng có thể điều chỉnh được một cách riêng rẽ để đạt độ khuếch đại cao nhất, tương ứng với năng lượng xung tín hiệu vào tầng đó. Việc phân phối năng lượng bơm cho các tầng, tiết diện vùng bơm ở các tầng cần được tối ưu. Phát xạ tự phát được khuếch đại phát ra từ mỗi tầng có thể được hạn chế hoặc loại trừ bằng các phin lọc (các bộ hấp thụ bão hòa, phin lọc không gian …) đặt giữa các tầng kế tiếp nhau. Tuy nhiên, bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua cũng có những nhược Học viên: Nguyễn Thành Dân 6
  17. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua điểm như: Khó hiệu chỉnh; Kích thước lớn; Chất lượng chùm tia không cao; Hiệu suất khuếch đại thấp. Đặc biệt với các môi trường hoạt chất có giá thành cao là không phù hợp. Bộ khuếch đại hai tầng một lần truyền qua được biểu diễn như Hình 1.6. Hình 1.6. Bộ khuếch đại laser hai tầng một lần truyền qua [20]. 1.1.2.2. Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua Các môi trường khuếch đại rắn thường có thời gian sống huỳnh quang dài, để tận dụng năng lượng của xung laser bơm ta có thể cho xung tín hiệu truyền qua lại môi trường khuếch đại nhiều lần (khuếch đại nhiều lần truyền qua) hoặc hệ khuếch đại tái phát. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua được chỉ ra trên Hình 1.7. Hình 1.7. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua [6, 23 ]. Học viên: Nguyễn Thành Dân 7
  18. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua khắc phục được nhược điểm của cấu hình khuếch đại một lần truyền qua là chỉ một phần nhỏ năng lượng bơm được dùng cho việc khuếch đại xung tín hiệu, nói cách khác cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua sử dụng tối ưu năng lượng bơm cho khuếch đại. Tùy vào thời gian duy trì độ khuếch đại của môi trường hoạt chất mà ta thiết kế bộ khuếch đại với số lần khuếch đại khác nhau. Bằng cách đó ta có thể nâng cao hiệu suất khuếch đại. So với bộ khuếch đại tái phát, độ khuếch đại ở mỗi lần truyền qua của bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua cao hơn, ASE (phát xạ tự phát được khuếch đại) có thể được khống chế ở mức thấp hơn. Hơn nữa, do quang trình của tín hiệu trong bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua ngắn hơn nên sự thay đổi pha của xung nhỏ hơn, do vậy dễ đạt được xung ngắn hơn khi nén xung bằng các bộ nén dùng cách tử hoặc lăng kính. 1.1.2.3. Cấu hình khuếch đại tái phát Cấu hình khuếch đại tái phát cũng thường được sử dụng trong khuếch đại xung laser cực ngắn, tuy nhiên các bộ khuếch đại tái phát thường đòi hỏi nhiều linh kiện quang học đắt tiền. Cấu hình khuếch đại tái phát được thể hiện như Hình 1.8. Hình 1.8. Bộ khuếch đại tái phát [22]. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại tái phát: Xung tới sau khi được kéo dãn có độ phân cực p đi qua bản phân cực PBS (truyền qua ánh sáng phân cực p, phản xạ phân cực s) đến bản nửa sóng /2 phương phân cực bị quay 45o. Sau khi qua Faraday rotator phương phân cực laser lại bị quay 45o nữa để thành phân cực s. Tia sáng phân cực s bị phản xạ bởi PBS trong buồng cộng hưởng đi về phía tế bào Pockels, ở giai đoạn 1 tế bào Pockels ở trạng thái không hoạt động. Do phản xạ gương ở bên phải tế bào Pockels, laser đi qua bản /4 lần thứ 2 biến phân cực s thành p và truyền qua PBS để tới tinh thể laser và được khuếch đại. Học viên: Nguyễn Thành Dân 8
  19. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Sau khi bị phản xạ bởi gương bên phải buồng cộng hưởng, laser trở lại PBS, tế bào Pockels chuyển sang giai đoạn 2, được kích hoạt để trở thành bản /4. Laser có độ phân cực p đi qua PBS vẫn giữ nguyên độ phân cực khi quay trở lại do đi qua bản /4 bốn lần. Xung laser bị giữ lại trong buồng cộng hưởng và được khuếch đại lên nhiều lần. Sau khi đạt được năng lượng cần thiết, tế bào Pockels chuyển sang giai đoạn 3 trở thành /2, laser sau khi qua bản /4 và Pockels hai lần trở thành phân cực s và bị phản xạ bởi PBS tới Faraday rotator. Tại đây phương phân cực bị quay 45o rồi tới bản /2 và bị quay ngược lại trở về phân cực s và bị phản xạ bởi PBS ở bên ngoài buồng cộng hưởng để ra khỏi bộ khuếch đại. 1.1.3. Một số lưu ý khi khuếch đại xung laser cực ngắn Bộ khuếch đại lý tưởng là bộ khuếch đại mà: Độ khuếch đại lớn nhất; Xung laser ra khỏi bộ khuếch đại giữ nguyên các đặc tính thời gian (độ rộng xung, dạng xung ...) và không gian (phân bố cường độ theo không gian...) của xung tín hiệu vào. Tuy nhiên, bộ khuếch đại xung laser cực ngắn thực sự là một thiết bị quang phi tuyến phức tạp. Điều đó là do có sự tương tác xung laser công suất lớn với môi trường vật chất ở trạng thái không cân bằng. Với thang thời gian cực ngắn, việc khuếch đại xung laser có những điểm riêng biệt, chủ yếu liên quan tới việc hạn chế sự giãn rộng xung và tránh các hiệu ứng quang phi tuyến không mong muốn [1, 6, 18]. Thông thường, các bộ khuếch đại xung laser cực ngắn cần phải thoả mãn một số yêu cầu nhất định để đảm bảo các tham số cần thiết của xung laser ra khỏi bộ khuếch đại. Nói chung, các vấn đề sau đây cần phải được chú ý khi thiết kế bộ khuếch đại xung laser cực ngắn. 1.1.3.1. Đối với môi trường khuếch đại Với một thể tích khuếch đại nhất định, các tham số tiết diện phát xạ và hấp thụ của môi trường xác định độ khuếch đại ban đầu và năng lượng cực đại trên một đơn vị diện tích mà có thể thu được từ hệ. Năng lượng cực đại này bị giới hạn bởi sự bão hoà khuếch đại. Nếu không có ASE, thời gian lưu giữ năng lượng trong môi trường khuếch đại được xác định bởi thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích. Khoảng thời gian này quyết định: Độ khuếch đại được giữ bao lâu sau sự kích thích bởi xung bơm (trong trường hợp độ rộng xung bơm ngắn hơn thời gian hồi phục của môi trường); Độ khuếch đại dừng đạt được nhanh đến mức nào nếu độ rộng xung bơm lớn hơn thời gian hồi phục của môi trường. Các khoảng thời gian này có thể rút ngắn đáng kể khi ASE xuất hiện [6]. Học viên: Nguyễn Thành Dân 9
  20. Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Do sự ràng buộc bởi nguyên lý bất định giữa độ rộng xung và độ rộng phổ, xung laser ngắn chỉ có thể phát ra từ những môi trường có phổ khuếch đại rộng. Độ rộng xung ngắn nhất có thể đạt được phụ thuộc vào độ rộng phổ khuếch đại mà môi trường cung cấp. Bước sóng và độ rộng phổ của xung tín hiệu là thông số rất quan trọng khi lựa chọn môi trường khuếch đại. Hiện nay, có 3 loại môi trường khuếch đại được dùng phổ biến nhất trong kỹ thuật laser xung cực ngắn: Môi trường rắn (chẳng hạn Nd:Glass, alexandrite, Ti:Sapphire,...); Môi trường chất màu hữu cơ; Môi trường excimer. Bảng 1.1 trình bày các thông số quang học của một số môi trường khuếch đại laser thông dụng. Bảng 1.1. Thông số quang học của một số môi trường khuếch đại [1]. Môi Bước sóng Độ rộng σes Thời gian Nguồn bơm trường (nm) phổ (nm) (cm2) sống (s) thông dụng Chất màu 0,3 – 1 ≥ 30 ≥ 10-16 10-8–10-12 Laser XeCl 0,308 1,5 7.10-16 ~ 10-8 Phóng điện XeF 0,351 ≤2 3.10-16 ~ 10-8 Phóng điện KrF 0,295 2 3.10-16 ≤ 108 Phóng điện Alexandrite 0,75 100 7.10-21 2,6.10-4 Đèn flash Cr:LiSAF 0,83 205 5.10-20 6.10-5 Đèn flash Ti:sapphire 0,78 400 3.10-19 3.10-6 Laser Nd: Glass 1,05 21 3.10-20 3.10-4 Đèn flash Thực tế, môi trường rắn chủ yếu làm việc trong vùng hồng ngoại gần, môi trường chất màu hữu cơ có thể làm việc trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần, còn môi trường excimer dùng để khuếch đại xung trong vùng tử ngoại. Do vậy, chỉ trong vùng hồng ngoại gần mới cần có sự lựa chọn giữa các môi trường khác nhau để khuếch đại xung femtô-giây. Môi trường chất màu hữu cơ có tiết diện phát xạ lớn, phổ khuếch đại rộng (30 - 50 nm), nhưng thông lượng bão hoà thấp (~1 - 2 mJ/cm2) và thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích ngắn (≤ 10 ns). Môi trường này cung cấp độ khuếch đại lớn song Học viên: Nguyễn Thành Dân 10
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1253 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2