Nghiên cứu và phát triển hệ laser rắn Nd: YVO4 được bơm bằng laser diode công suất cao

Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 113(13): 13 - 16<br /> <br /> NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN Nd: YVO4<br /> ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO<br /> Nguyễn Văn Hảo1, 2,*, Nguyễn Thị Khánh Vân1,<br /> Hà Thị Thùy1, Lê Thị Kim Cương2<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên<br /> Trung tâm Điện tử Lượng tử – Viện Vật lý (VAST)<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các đặc trưng hoạt động của laser rắn Nd:YVO4 tại bước<br /> sóng 1064 nm, được bơm bằng laser diode có công suất cao. Trong chế độ phát liên tục, laser rắn<br /> Nd:YVO4 có thể đạt được một vài Oát (W), với hiệu suất chuyển đổi quang ~ 20,5 % và trong chế<br /> độ Q-switching thụ động có thể phát xung ngắn 61 ns tương ứng với tần số xung lên tới 700 kHz<br /> nhờ tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG (độ truyền qua ban đầu 90 %) đặt trong buồng cộng<br /> hưởng, với hiệu suất trên 6 %. Sự phụ thuộc của công suất trung bình, độ rộng xung và tần số lặp<br /> lại vào công suất bơm trung bình cũng được đưa ra trong cả hai chế độ hoạt động.<br /> Từ khóa: Laser rắn Nd:YVO4, laser diode công suất cao, Q-switch thụ động, Tần số lặp lại cao.<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Trong các môi trường hoạt chất ở 1064 nm,<br /> tinh thể Nd:YVO4 được xem như là một môi<br /> trường hứa hẹn của các laser rắn được bơm<br /> bằng laser bán dẫn bởi vì nhiều lợi thế, như<br /> sự hấp thụ mạnh trên một dải bước sóng bơm<br /> rộng, tiết diện phát xạ cưỡng bức hiệu dụng<br /> lớn, mức pha tạp cho phép cao... Tinh thể<br /> Nd:YVO4 a-cut có tiết diện phát xạ cưỡng<br /> bức hiệu dụng ở 1064 nm (25.10-19 cm2) cao<br /> hơn cỡ 5 lần so với tinh thể Nd:YAG (6.10-19<br /> cm2), tuy nhiên nó lại có hệ số dẫn nhiệt kém<br /> hơn đáng kể so với Nd:YAG [1]. Khi bơm ở<br /> công suất cao (sử dụng các laser bán dẫn công<br /> suất lớn), công suất của laser rắn bị giới hạn<br /> bởi sự hình thành hiệu ứng thấu kính nhiệt<br /> trong môi trường hoạt chất [2]. Ngoài ra,<br /> năng lượng bơm tối đa cũng bị giới hạn bởi<br /> hiện tượng nứt gãy do nhiệt của tinh thể laser<br /> [3]. Do đó, việc tránh các hiệu ứng do nhiệt là<br /> một nguyên tắc cực kỳ quan trọng khi thiết kế<br /> hệ laser [4-12].<br /> Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết<br /> quả nghiên cứu và phát triển hệ laser<br /> Nd:YVO4 phát tại bước sóng 1064 nm, được<br /> bơm bằng laser diode công suất cao ở bước<br /> sóng 808 nm trong cả hai chế độ hoạt động<br /> *<br /> <br /> Tel: 0989348258; Email: haonv08@gmail.com<br /> <br /> liên tục và biến điệu độ phẩm chất thụ động<br /> bằng tinh thể Cr4+:YAG (với độ truyền qua<br /> ban đầu T0 = 90 %). Các kết quả cho thấy,<br /> laser Nd:YVO4 có thể đạt được công suất<br /> trung bình lên tới 1,63 W trong chế độ liên<br /> tục và có thể đạt độ rộng xung ngắn nhất 61<br /> ns và tần số cao nhất ~ 700 kHz trong chế độ<br /> Q-switching.<br /> THỰC NGHIỆM<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 Q-switching<br /> thụ động được bơm bằng laser diode<br /> <br /> Hình 1 chỉ ra sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 bơm<br /> bằng laser diode. Nguồn bơm là laser diode<br /> (ATC- Semiconductor Devices) phát ở bước<br /> sóng 808 nm với công suất cực đại ở chế độ<br /> liên tục là 8 W. Bước sóng phát của laser<br /> diode có thể được thay đổi bằng nhiệt độ<br /> nhằm chồng chập với cực đại phổ hấp thụ của<br /> 13<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 14<br /> <br /> 113(13): 13 - 16<br /> <br /> laser diode sau khi ra khỏi sợi quang không<br /> còn phân cực và các thấu kính bơm trong<br /> phòng thí nghiệm không được phủ chống<br /> phản xạ nên công suất bơm của laser diode có<br /> thể đã bị mất mát đến 47 % trước khi tới tinh<br /> thể laser. Do vậy, đã làm cho hiệu suất<br /> chuyển đổi quang của laser Nd:YVO4 giảm đi<br /> đáng kể so với các laser Nd: YVO4 có cấu<br /> hình tương tự nhưng được bơm bằng laser<br /> diode đơn sọc (single-stripe diode) [7 - 9].<br /> Trên hình 2b là đường khảo sát đặc trưng<br /> công suất của hệ laser tinh thể Nd: YVO4 Qswitching thụ động với Cr4+:YAG khi được<br /> bơm liên tục bằng laser diode. Kết quả cho<br /> thấy, hệ laser Nd:YVO4 Q-switching thụ động<br /> với gương ra có độ truyền qua 6 % cho công<br /> suất cực đại 510 mW ở tần số xung lặp ~ 700<br /> kHz (ứng với công suất bơm 7951 mW) và độ<br /> rộng xung 61s ns.<br /> Công suất laser ra (mW)<br /> <br /> tinh thể Nd:YVO4. Phân cực của chùm laser<br /> diode là phân cực ngang. Tuy nhiên, laser<br /> diode này được lấy ra bằng sợi quang (fibercoupled diode) có khẩu độ số 0,22, đường<br /> kính lõi sợi quang 200 µm, khi truyền qua sợi<br /> có độ dài 2 m thì ánh sáng laser diode không<br /> còn phân cực nữa. Điều này sẽ làm giảm đáng<br /> kể hiệu suất bơm quang học và hiệu suất laser<br /> Nd:YVO4.<br /> Chúng tôi đã sử dụng 02 thấu kính có tiêu cự<br /> 20 mm cho hệ bơm. Tinh thể Nd:YVO4 (pha<br /> tạp 1 % atm., 3×3×3 mm) với bề mặt được<br /> phủ chống phản xạ AR ở 1064 nm và được<br /> giữ cố định trong giá đỡ bằng đồng. Giá này<br /> (và tinh thể) được làm mát nhờ dòng nước<br /> luân chuyển qua ở nhiệt độ phòng. Chùm<br /> laser diode được hội tụ vào tinh thể với đường<br /> kính chùm khoảng 100 µm. Buồng cộng<br /> hưởng được sử dụng ở đây là một BCH ổn<br /> định với hai gương M1 (gương ra; phẳng) và<br /> M2 (gương cuối, cầu lõm với R = -50 mm).<br /> Một photodiode nhanh (rise time < 0.3 ns)<br /> được kết nối với dao động ký số (TD 7154B;<br /> 1,5 GHz, Tektronix, USA) để thu nhận độ<br /> rộng xung của laser. Năng lượng laser được<br /> đo bởi đầu đo năng lượng (13 PME 001,<br /> Melles Griot, USA). Tất cả các thành phần<br /> quang học, tinh thể laser và chất hấp thụ bão<br /> hòa được cung cấp từ CASIX [13].<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Chúng tôi đã khảo sát các đặc trưng hoạt<br /> động liên tục và xung ngắn với tinh thể hấp<br /> thụ bão hòa Cr:YAG của laser rắn sử dụng<br /> tinh thể Nd:YVO4 ở bước sóng 1064 nm được<br /> bơm bằng laser diode công suất cực đại ~ 8 W<br /> ở bước sóng 808 nm. Đặc trưng công suất<br /> trung bình của laser Nd:YVO4 trong chế độ<br /> liên tục được trình bày trên Hình 2a. Kết quả<br /> cho thấy, công suất laser Nd: YVO4 như một<br /> hàm tuyến tính của công suất laser bơm.<br /> Ngưỡng laser đạt được là ~ 900 mA tương<br /> ứng với gương ra có độ truyền qua 6 %. Công<br /> suất cực đại 1630 mW đạt được ở công suất<br /> bơm 7951 mW (ứng với hiệu suất chuyển đổi<br /> quang là ~ 20.5%) với gương ra có độ truyền<br /> qua 6 %. Tuy nhiên, cần chú ý rằng do chùm<br /> <br /> a)<br /> <br /> Công suất bơm trung bình (mW)<br /> <br /> Công suất laser ra (mW)<br /> <br /> Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br /> <br /> b)<br /> <br /> Công suất bơm trung bình (mW)<br /> <br /> Hình 2. Công suất trung bình của laser Nd:YVO4<br /> phụ thuộc vào công suất bơm với gương ra có độ<br /> truyền qua 6 %. (a) ở chế độ liên tục; (b) ở chế độ<br /> Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa<br /> Cr4+:YAG<br /> <br /> Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hình 3 trình bày độ rộng xung (a) và tần số<br /> lặp lại (b) của các xung laser Nd:YVO4 Qswitching bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YAG<br /> có độ truyền qua ban đầu T0 = 90 % như là<br /> một hàm của công suất bơm trung bình với<br /> gương ra có độ truyền qua 6 %. Khi công suất<br /> bơm tăng lên thì tần số xung laser cũng tăng<br /> theo, điều này có thể được giải thích là khi<br /> năng lượng bơm tăng làm cho quá trình bão<br /> hòa của Cr:YAG diễn ra nhanh hơn dẫn đến<br /> sự phát xung laser cũng diễn ra nhanh hơn,<br /> tuy nhiên, độ ổn định (jitter) của xung laser<br /> rắn thấp hơn. Việc tăng tần số xung laser<br /> Nd:YVO4 Q-switching làm tăng công suất<br /> trung bình của laser rắn, nhưng năng lượng<br /> xung laser rắn không thay đổi nhiều. Do vậy,<br /> việc phát xung laser Nd:YVO4 nano-giây Qswitching thụ động được bơm xung bằng<br /> laser diode có thể là một giải pháp để tăng<br /> năng lượng xung laser rắn và có độ ổn định<br /> cao [14].<br /> <br /> Dorộng<br /> rong xung<br /> (ns) (ns)<br /> Độ<br /> xunglaser<br /> laser<br /> <br /> 300<br /> <br /> a)<br /> 250<br /> 200<br /> 150<br /> 100<br /> 50<br /> 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000<br /> <br /> Tần<br /> lạixung<br /> xung<br /> laser<br /> Tansố<br /> solặp<br /> lap lai<br /> laser<br /> (kHz)(kHz)<br /> <br /> Cong<br /> suatbơm<br /> bom trung<br /> binh<br /> (mW)<br /> Công<br /> suất<br /> trung<br /> bình<br /> (mW)<br /> <br /> 700<br /> <br /> b)<br /> 600<br /> 500<br /> 400<br /> 300<br /> 200<br /> 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000<br /> Cong<br /> suatbơm<br /> bom trung<br /> binh<br /> (mW)<br /> Công<br /> suất<br /> trung<br /> bình<br /> (mW)<br /> <br /> Hình 3. Độ rộng xung (a) và tần số lặp lại xung<br /> (b) của laser Nd: YVO4 Q-switching thụ động<br /> bằng tinh thể Cr:YAG như một hàm của công suất<br /> bơm với gương ra có độ truyền qua 6 %<br /> <br /> 113(13): 13 - 16<br /> <br /> KẾT LUẬN<br /> Hệ laser rắn Nd:YVO4 hoạt động ở chế độ<br /> liên tục và xung Q-switching thụ động bằng<br /> tinh thể Cr4+:YAG được bơm bằng laser diode<br /> công suất cao đã được nghiên cứu. Trong chế<br /> độ hoạt động liên tục, hệ laser Nd:YVO4 có<br /> công suất trung bình lên tới 1,63 W ứng với<br /> hiệu suất chuyển đổi quang cỡ 20,5 % và<br /> trong chế độ Q-switching, hệ laser Nd:YVO4<br /> có độ rộng xung ngắn nhất 61 ns ở tần số lặp<br /> lại cao ~ 700 kHz ứng với gương ra có độ<br /> truyền qua 6 %.<br /> Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cám ơn sự tài<br /> trợ kinh phí từ đề tài KHCN cấp Đại học của Đại<br /> học Thái Nguyên (mã số ĐH2012-TN07-13) và<br /> Đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ Phát triển Khoa<br /> học & Công nghệ Quốc gia NAFOSTED (mã số<br /> 103.06.89.09).<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. I. J. Miller, A.J. Alcock, J.E.Bernard,<br /> Advanced Solid State Lasers, OSA Proc, Wash DC<br /> 13, 322 (1992).<br /> [2]. S. C. Tidwell, J. F. Seamans, et al., IEEE J.<br /> Quant. Electron., vol. 28, pp. 997–1009 (1992).<br /> [3]. M. Tsunekane, N. Taguchi, T. Kasamatsu, and<br /> H. Inaba, IEEE J. Select. Topics Quant. Electron.,<br /> vol. 3, pp. 9–18 (1997).<br /> [4]. K. Spariosu, W. Chen, et al., Opt. Lett. 18,<br /> 814 (1993).<br /> [5]. H. Eilers, W. Dennis, et al., IEEE J Quant.<br /> Electron 29, 2508 (1993).<br /> [6]. S. H. Yim, D.R. Lee, B.K. Rhee, D. Kim,<br /> Appl. Phys. Lett. 30, 3193 (1998).<br /> [7]. N. T. Nghia, L. T. Nga et al., Advances in<br /> Natural Sciences (VAST) 7, No. 3-4 (2006) p.<br /> 181-188.<br /> [8]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh, T D Huy et al.,<br /> ASEAN Journal of Science and Technology for<br /> Development, 24, 1-2 (2007) p.139-146.<br /> [9]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh et al., Comm. in<br /> Phys. (VAST), 19, SI (2009) p.145-155<br /> [10]. A. I. Zagumennyi, V. G. Ostroumov, et al.,<br /> Sov. J. Quant. Electron. 22 1071 (1992).<br /> [11]. J. Liu, C. Wang, C. Du, L. Zhu, H. Zhang et<br /> al., Opt. Commun, 188, 155 (2001).<br /> [12]. H. Zhang, J. Liu, J. Wang, C. Wang, L. Zhu<br /> et al., J. Opt. Soc. Am. B 19,18 (2002).<br /> [13]. http://www.CASIX.com<br /> [14]. N. V. Hao, N. T. Nghia et al., Tạp chí Khoa<br /> học và Công nghệ của Đại học Thái Nguyên, 78<br /> (02), trang 35-38 (2011).<br /> 15<br /> <br /> Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 113(13): 13 - 16<br /> <br /> SUMMARY<br /> RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A HIGH POWER DIODE-PUMPED<br /> SOLID-STATE Nd: YVO4 LASER SYSTEM<br /> Nguyen Van Hao1, 2,*, Ha Thi Thuy1,<br /> Nguyen Thi Khanh Van1, Le Thi Kim Cuong2<br /> 1<br /> <br /> College of Science – TNU, 2Center for Quantum Electronics – Institute of Physics (VAST)<br /> <br /> In this paper, we present characteristics in CW and passively Q-switched laser operations of solidstate Nd:YVO4 laser at 1064 nm pumped by CW high power laser diodes. In CW laser operation,<br /> the output average power of Nd:YVO4 laser of a few W, corresponding to an optical conversion<br /> effciency of 20.5 % and the passively Q-switched solid-state laser efficiently provide laser pulses<br /> of 61 ns at 1064 nm at the pulse repetition rate as high as 700 kHz using a Cr: YAG crystal (90 %<br /> initial transmission) as a saturable absorber intra-cavity. The dependence of average power, pulse<br /> width and repetition rate on the average pump power are also presented in the both operating<br /> mode.<br /> Keywords: Solid state Nd:YVO4 laser, high power laser diode, passively Q-switched, high<br /> repetition rate.<br /> <br /> Ngày nhận bài: 19/8/2013; Ngày phản biện:24/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013<br /> Phản biện khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa – Trường ĐH Khoa học – ĐHTN<br /> <br /> *<br /> <br /> Tel: 0989348258; Email: haonv08@gmail.com<br /> <br /> 16<br /> <br />