Tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG nhỏ gọn điều biến phẩm chất thụ động dùng cho máy đo xa laser đơn xung

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày về kết quả nghiên cứu tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG bơm bằng đèn flash nhằm đáp ứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung (

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG nhỏ gọn điều biến phẩm chất thụ động dùng cho máy đo xa laser đơn xung

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường TỐI ƯU HÓA BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER Nd:YAG NHỎ GỌN ĐIỀU BIẾN PHẨM CHẤT THỤ ĐỘNG DÙNG CHO MÁY ĐO XA LASER ĐƠN XUNG Mai Nguyệt Công1*, Nguyễn Văn Thương1, Phan Nguyên Nhuệ2, Dương Chí Dũng2 Tóm tắt: Bài báo trình bày về kết quả nghiên cứu tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG bơm bằng đèn flash nhằm đáp ứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung ( 20 mJ, độ rộng xung ra ~ 8 ns, đáp ứng yêu cầu của đầu phát cho máy đo xa laser. Từ khóa: Đo xa laser; Laser Nd:YAG; Điều biến phẩm chất thụ động; Tinh thể bão hòa Cr4+:YAG. 1. MỞ ĐẦU Gần đây, các laser rắn điều biến phẩm chất thụ động được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi với vai trò là nguồn phát bức xạ nhỏ gọn, công suất tương đối cao, độ rộng xung cỡ nano giây cho các nhu cầu khác nhau, như cảm biến khoảng cách, gia công vật liệu, các thiết bị y tế,… [1]. Một laser như vậy bao gồm tinh thể hoạt chất (thường là Nd:YAG) kết hợp với lớp hấp thụ bão hòa Cr4+ :YAG và hệ hai gương tạo thành buồng cộng hưởng (BCH) laser điều biến phẩm chất thụ động. Kỹ thuật điều biến phẩm chất thụ động có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, kết cấu nhỏ gọn, đơn giản trong chế tạo do chỉ sử dụng một chất hấp thụ bão hòa để điều biến phẩm chất BCH. Chất hấp thụ bão hòa có thể ở trạng thái rắn, lỏng, chất hữu cơ hoặc tinh thể,… Những năm gần đây, tinh thể hấp thụ bão hòa được nghiên cứu chế tạo và sử dụng ngày càng nhiều. Sự phát hiện ra các tinh thể pha tạp các ion hấp thụ hoặc chứa các tâm màu đã nâng cao đáng kể độ bền và độ tin cậy của khóa phẩm chất thụ động. Trong số đó, tinh thể Cr4+:YAG [2-5] đã được sử dụng nhiều để điều biến phẩm chất cho các laser rắn sử dụng hoạt chất pha tạp ion Nd3+. Điều này là nhờ tiết diện hấp thụ lớn của ion Cr4+ và các đặc tính hóa học, cơ học, chịu nhiệt tốt của tinh thể nền YAG. Thời gian qua, nhiều công bố khoa học đã trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nhiệm về laser sử dụng môi trường pha tạp Nd, được điều biến bằng tinh thể Cr:YAG. Xuất phát từ việc lập và giải hệ phương trình tốc độ, các tác giả đã xác định được mối quan hệ giữa các tham số BCH với các đặc trưng phát xạ của laser làm cơ sở để tính toán tối ưu hóa thông số BCH [5-10]. Tuy nhiên, trong các công trình nghiên cứu này, các tác giả đã xấp xỷ một số giá trị thực nghiệm để đưa vào trong tính toán lựa chọn thông số tối ưu và chưa có sự khảo soát thực nghiệm cho nhiều cấu hình BCH khác nhau. Một số nghiên cứu chỉ tập trung vào việc nâng cao công suất, giảm độ rộng xung laser mà chưa chú ý đến việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng bơm hay giảm ngưỡng phát laser mà vẫn đảm bảo phát được bức xạ laser như yêu cầu của từng ứng dụng. 222 M. N. Công, …, D. C. Dũng, “Tối ưu hóa buồng cộng hưởng … đo xa laser đơn xung.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu tối ưu cấu hình BCH laser Nd:YAG để ứng dụng vào máy đo xa laser cầm tay đơn xung. Laser phát ra cần đáp ứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung (
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường mật độ tích lũy được thiết lập giữa mức am2 và am3. Trạng thái laser dưới am3 có thời gian sống rất bé, các hạt nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản am0 và không phát bức xạ. Hình 2. Sơ đồ các mức năng lượng của laser Nd:YAG, Q-switch thụ động bằng Cr4+:YAG. Hình 2 cũng mô tả các mức năng lượng của chất hấp thụ bão hòa, quá trình hấp thụ dịch chuyển từ trạng thái cơ bản as1 lên trạng thái kích thích trên sa3 là quan trọng nhất đối với quá trình Q-switch thụ động dựa trên sự thay đổi phi tuyến của hệ số hấp thụ theo cường độ bức xạ bơm. Thời gian sống của trạng thái kích thích sa 3 đủ lớn để lưu giữ các hạt ở trạng thái này đồng thời làm giảm mật độ các hạt ở trạng thái cơ bản một cách nhanh chóng. Lúc đó, chất hấp thụ bão hòa gần như trong suốt đối với bức xạ bước sóng laser, tức là cho phép bức xạ laser truyền trong BCH. Khi đạt được điều kiện ngưỡng phát cùng với nghịch đảo mật độ lớn trong môi trường hoạt chất sẽ tạo được xung laser ngắn với năng lượng cao. Ngoài ra, trong chất hấp thụ bão hòa còn xảy ra quá trình hấp thụ từ trạng thái kích thích sa2 lên trạng thái sa4 gây ra sự mất mát năng lượng không tránh khỏi trong chất hấp thụ bão hòa. 2.2. Phương trình tốc độ Từ nguyên lý hoạt động của laser Nd:YAG được Q-switch thụ động ta lập hệ phương trình tốc độ mô tả sự tiến triển của xung laser (1), (2), (3) [5, 9]. Ba phương trình này mô tả sự thay đổi theo thời gian của mật độ photon (∅), mật độ nghịch đảo laser (n), và mật độ nguyên tử mức cơ bản của chất hấp thụ bão hòa (ns1). (1) (2) (3) trong đó, là mật độ photon trong BCH; là tỷ số tiết diện tương tác hiệu dụng của môi trường khuếch đại và của chất hấp thụ bão hòa; là mật độ nghịch đảo độ tích lũy tức thời của laser; là mật độ ở trạng thái cơ bản của chất hấp thụ bão hòa; là tổng mật độ của chất hấp thụ bão hòa; là tiết diện phát xạ kích thích; là tiết diện hấp thụ dịch chuyển từ trạng thái cơ bản và là tiết diện hấp thụ dịch chuyển từ trạng thái kính thích của chất hấp thụ bão hòa; và tương ứng là chiều dài của thanh hoạt chất và chất hấp thụ bão hoà; là thời gian ánh sáng truyền một vòng trong BCH, với là chiều dài 224 M. N. Công, …, D. C. Dũng, “Tối ưu hóa buồng cộng hưởng … đo xa laser đơn xung.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ quang học của BCH laser; là mất mát photon do các quá trình nhiễu xạ, hấp thụ, tán xạ,... trên một vòng truyền trong BCH; là nhân tố giảm nghịch đảo laser; là tốc độ ánh sáng trong chân không; là hệ số phản xạ của gương ra BCH; Trong hệ phương trình trên, đã bỏ qua ảnh hưởng của tốc độ bơm và sự thay đổi mật độ của môi trường hoạt chất và chất hấp thụ bão hòa, do xung laser phát ra rất ngắn so với thời gian sống của ion Nd (cỡ 230 μs) và Cr (cỡ 4 μs) ở trạng thái kích thích [1] và rất ngắn so với xung bơm của đèn flash (hàng chục ms) Hệ phương trình trên là cơ sở toán học để khảo sát các đặc trưng phát xạ của laser. Từ hệ phương trình trên, JJ Degman [6], X Zhang và cộng sự đã dẫn ra biểu thức tính toán năng lượng, công suất và động rộng xung như sau [8]: (4) (5) Trong đó: các tham số khác của hệ thống như kích thước tinh thể Nd:YAG, chiều dài quang học BCH, các hằng số được xác định trước. Các giá trị được tính thông qua các giá trị và R, bao gồm: , với T0 là hệ số truyền qua ban đầu của chất hấp thụ bão hòa; là mật độ nghịch đảo ngưỡng, tại đó, độ khuếch đại bằng độ tổn hao; T0 là độ truyền qua ban đầu của chất hấp thụ; , với biểu thị vai trò của sự hấp thụ từ trạng thái kích thích so với hấp thụ từ trạng thái cơ bản và ; trong đó, nt là mật độ nghịch đảo tại thời điểm xung đạt cực đại; , với nf là mật độ nghịch đảo cuối cùng, ngay sau khi kết thúc xung laser. Độ rộng xung (W) được xấp xỉ hoá bằng cách sử dụng các đại lượng được dẫn ra trước đây là năng lượng (E) và công suất đỉnh (P) (6) Các biểu thức trên cho phép khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng xung laser và độ dài xung vào các thông số quang học của BCH (mà quan trọng nhất là 2 thông số: hệ số truyền qua ban đầu T0 của chất hấp thụ; và hệ số phản xạ R của gương ra) để từ đó tính toán giá trị cụ thể của các thông số đó. Các tác giả [9, 10] đã có những tính toán với các cấu hình BCH cụ thể và đã rút ra mối quan hệ giữa năng lượng xung laser ra theo T0 và theo độ phản xạ của gương ra R. Trong tính toán này, một số thông số của BCH được xác định trước bao gồm: Kích thước thanh tinh thể Nd:YAG (Φ4×50mm), chiều dài quang học BCH (l’=100 mm). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 225
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Các đồ thị này cho phép ta lựa chọn giá trị T0 và R của BCH theo yêu cầu cho trước về năng lượng xung laser ra. Đa số các công bố khoa học thời gian qua chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa tham số T0 và R để thu được năng lượng xung laser ra lớn nhất. Tuy nhiên, hình 3 (a) mới chỉ thể hiện được sự phụ thuộc của năng lượng xung ra vào các giá trị T0 và R mà dựa vào đó chúng ta có thể lựa chọn được bộ tham số tối ưu cho laser để năng lượng ra là lớn nhất, chưa chú ý đến độ rộng xung và ngưỡng phát của laser. Mối quan hệ giữ độ rộng xung laser với T0 và R cũng đã được thiết lập trên mô hình lý thuyết thông qua giải hệ phương trình tốc độ (1)-(3) (hình 3). (a) (b) Hình 3. Kết quả khảo sát lý thuyết Laser Nd:YAG, điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể Cr: YAG. (a) Sự phụ thuộc của năng lượng xung ra theo R theo các giá trị T0; (b) Độ rộng xung theo R và theo T0 với l’=100 mm. Các đường cong trên hình 3 (a) cho phép lựa chọn tối ưu các giá trịnh R và T0 để đạt được xung laser ra có năng lượng và độ rộng xung mong muốn. Rõ ràng không thể đồng thời đạt được năng lượng cực đại và độ rộng xung ra cực tiểu. Như vậy, để đáp ứng được các yêu cầu nhất định về năng lượng xung ra và độ rộng xung, chúng ta cần tìm ra giá trị R và T0 thích hợp. Trong ứng dụng cụ thể của chúng tôi, yêu cầu về năng lượng xung > 15 mJ và độ rộng xung < 10 ns, dựa vào kết quả tính toán lý thuyết (hình 3) ta thấy T0 < 0,5. Hơn nữa, với một giá trị T0, để độ rộng xung thu được Rmax (với Rmax là hệ số phản xạ ứng với giá trị cực đại của năng lượng laser ra). Căn cứ trên các đường cong ở hình 3, chúng tôi đã lựa chọn được ba giá trị T0 khác nhau (30%, 40% và 50%) và tương ứng lựa chọn các giá trị R (từ các gương sẵn có) để khảo soát lần lượt là 50%, 65%, 73% để thiết lập thực nghiệm 6 cấu hình BCH mà theo tính toán lý thuyết, laser ra có các đặc trưng năng lượng và độ rộng xung đảm bảo yêu cầu. 3. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC CẤU HÌNH BCH LASER Với các thông số BCH đã lựa chọn, chúng tôi đã thiết lập hệ thí nghiệm laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG bơm bằng đèn xenon. Thanh hoạt chất và đèn được đặt song song nhau trong khoang phản xạ gương tiết diện elip. Tinh thể hấp thụ bão hòa được đặt giữa thanh tinh thể Nd:YAG và gương phản xạ 100%. BCH được thiết kế theo dạng Fabry-Perot có hai gương phẳng phẳng đặt cách nhau 100 mm. Trong thực nghiệm, các cấu hình BCH đều sử dụng cùng một đèn bơm, khoang phản xạ, chỉ thay đổi các giá trị R và T0. Một tụ điện có điện dung 20 μF được sử dụng để tích trữ năng lượng bơm cho đèn flash trong tất cả các cấu hình BCH. Ngưỡng phát laser của các cấu hình BCH được khảo sát thông qua điện áp nạp vào tụ. Hình 4 là ảnh chụp hệ thống 226 M. N. Công, …, D. C. Dũng, “Tối ưu hóa buồng cộng hưởng … đo xa laser đơn xung.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ thực nghiệm khảo sát hoạt động của laser được chúng tôi thiết lập trên bàn quang học. Hệ thống thí nghiệm bao gồm đầu phát laser (1), mạch nguồn bơm và các thiết bị đo. Mạch điều khiển đèn bơm (2) có nhiệm vụ tích điện vào tụ, tạo xung mồi để kích hoạt đèn bơm. Máy đo năng lượng 13PEM001 của Melles Griot (5) kết hợp với đầu thu năng lượng (3) để đo năng lượng của xung laser. Đầu thu photodiode nhanh S5971 của Hamamatsu (tần số cắt 100MHz) (4) kết hợp với dao động ký TDS 2022C 200MHz (6) để khảo sát đặc trưng thời gian của xung laser. Photodiode này được đặt để thu nhận xung laser phản xạ tán xạ từ mặt của đầu thu năng lượng (3). 6 2 3 5 1 4 Hình 4. Ảnh chụp hệ thống thực nghiệm khảo sát hoạt động của laser 1- Đầu phát laser; 2- Mạch điểu khiển đèn bơm; 3- Đầu thu năng lượng xung laser; 4- Photodiode nhanh; 5- Máy đo năng lượng; 6- Dao động ký. Sau khi hiệu chỉnh các cấu hình BCH, chúng tôi tăng dần điện áp nạp cho tụ và kích hoạt đèn bơm để khảo sát ngưỡng phát laser đồng thời ghi lại thông tin năng lượng xung từ máy đo năng lượng, độ rộng xung từ dao động ký. Kết quả khảo sát các cấu hình BCH được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Kết quả khảo sát hoạt động của các cấu hình BCH laser Nd:YAG. T0 R 50% 65% 73% 30% Cấu hình 1 - - E= 32,9 mJ W = 6 ns Up = 845 V 40% Cấu hình 2 Cấu hình 3 - E = 32,3 mJ E = 19,9 mJ W = 9,7 ns W = 8,7 ns Up = 785 V Up = 735 V 50% Cấu hình 4 Cấu hình 5 Cấu hình 6 E = 21,3 mJ E = 25,3 mJ E = 18 mJ W = 8,6 ns W = 6,7 ns W = 7,4 ns Up = 750 V Up = 660 V Up = 800 V Kết quả khảo sát cho thấy, tất cả các cấu hình BCH đã lựa chọn khảo sát đều có đặc trưng phát xạ laser đảm bảo các yêu cầu về năng lượng xung ra và độ rộng xung. Kết quả này phù hợp với các tính toán lý thuyết trước đó. Tuy nhiên, các cấu hình BCH cho giá trị Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 227
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường năng lượng xung laser khác nhau. Có cấu hình BCH cho năng lượng xung ra cao (cấu hình 1, cấu hình 2), nhưng ngưỡng bơm laser lại lớn, có cấu hình BCH cho xung laser năng lượng thấp hơn nhưng lại có ngưỡng bơm thấp. Từ kết quả khảo sát, ta nhận thấy cấu hình 5 (R = 65%, T0 = 50%) là cấu hình có ngưỡng phát laser nhỏ nhất, tiếp đến là cấu hình 3, và cấu hình 4. Kết quả khảo sát trên cho ta các bước để xác định cấu hình BCH tối ưu theo năng lượng xung ra và độ rộng xung và đảm bảo năng lượng bơm nhỏ nhất. Đầu tiên, xác định định hệ số truyền qua ban đầu cực đại của chất hấp thụ bão hòa từ yêu cầu về năng lượng xung ra. Tiếp theo, xác định hệ số phản xạ của gương ra, tương ứng với hệ số truyền qua ban đầu đảm bảo yêu cầu về độ rộng xung. (Giá trị R được chọn gần với Rmax nhất). Dựa vào kết quả tối ưu này, chúng tôi đã chế tạo thành công đầu phát laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động có các đặc trưng bức xạ laser đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng trong máy đo xa laser cầm tay. 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày những tính toán lý thuyết và khảo sát thực nghiệm các cấu hình BCH laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG. Với mục đích tối ưu các thông số BCH đáp ứng yêu cầu về năng lượng và độ rộng xung ứng dụng trong máy đo xa laser cầm tay. Trên cơ sở đó, bài báo đã đưa ra cách chọn các giá trị tối ưu cho BCH không những đáp ứng yêu cầu về năng lượng, độ rộng xung mà còn tận dụng tối đa năng lượng bơm cho các hệ laser này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Koechner, W., “Solid-State Laser Engineering”. 2006. 1. [2]. Shimony, Y., Z. Burshtein, and Y. Kalisky, “Cr4+:YAG as passive Q-switch and Brewster plate in a pulsed Nd:YAG laser”. Quantum Electronics, IEEE Journal of, 1995. 31: p. 1738-1741. [3]. Jazi, M., et al., “Pulsed Nd:YAG passive Q-switched laser using Cr4+:YAG crystal.” Optics & Laser Technology, 2012. 44: p. 522–527. [4]. Zhang, X., et al., “Optimization of Cr4+-doped saturable-absorber Q-switched lasers”. Quantum Electronics, IEEE Journal of, 1998. 33: p. 2286-2294. [5]. Swiderski, J., et al., “Numerical analysis of a passively Q-switched Nd: YAG laser with a Cr 4+: YAG exhibiting ESA”. Opto-electronics Review, 2005. 13: p. 43-50. [6]. Degnan, J., “Optimization of Passively Q-Switched Lasers”. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1995. 31: p. 1890-1901. [7]. Zhang, X., et al., “Modeling of passively Q-switched lasers”. JOSA B, 2000. 17: p. 1166-1175. [8]. Chen, Y.-F., Y.P. Lan, and H.L. Chang, “Analytical model for design criteria of passively Q-switched lasers”. Quantum Electronics, IEEE Journal of, 2001. 37: p. 462-468. [9]. Nhue, P.N., D.C. Dung, and L.H. Hai, “Temporal characteristics of ﬂash-lamp pumped Nd:YAG lasers and passively Q-switched with a Cr:YAG saturable absorber”. Journal of Science and Technique - Le Quy Don Technical University, 2014. 162: p. 70-78. [10]. Nhuệ, P.N., D.C. Dũng, and L.H. Hải. “Một số kết quả nghiên cứu laser Nd:YAG Q- Switch thụ động bằng tinh thể Cr:YAG, Bơm bằng đèn Flash” in Advances in Optics Photonics Spectroscopy & Applications VIII. 2014. Đà Nẵng. 228 M. N. Công, …, D. C. Dũng, “Tối ưu hóa buồng cộng hưởng … đo xa laser đơn xung.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT OPTIMIZATION OF THE RESONATOR FOR COMPACT PASSIVE Q-SWITCHED ND:YAG LASER USED IN SINGLE-PULSE LASER RANGEFINDER The paper presents the results of our research on optimization of flash pumped compact Q-Switched Nd:YAG laser resonator using Cr4+:YAG saturable absorber passively Q-switched crystal, to meet the requirements such as output energy (>15 mJ), pulse-width (