Tìm hiểu cơ chế bơm laser rắn bằng laser bán dẫn

ng cộng hưởng và độ khuếch đại cần phải lớn hơn mất mát trong buồng cộng hưởng. Theo lý thuyết khuếch đại ánh sáng trong buồng cộng hưởng ta có điều k iện : r.e«-a)L>\ ( l ằ13) trong đó: r là hệ số phản xạ; K là hệ số khuếch đại; a là hệ số mất mát;/, là chiều dài buồng cộng hường. Như vây, điều kiện nghịch đảo độ tích lũy là : K >a (1.14) với a = a0+Ỵjai (1-15) í trong đó: a0 là mất mát do hấp thụ; a, là mất mát do nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ trên các khuyết tật của bán dẫn v.v..ẻ Với laser bán dẫn, mất mát chủ yếu là do hấp thụ. Grươnụ Q kịM u ụiit- £éfL X 2 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Uni loir, t t ì ữếíl (se 1.1.6. Đặc trưng của laser bán dẫn Nếu điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ không xảy ra thì các photon sẽ phát xạ tự phát. Các photon này sẽ phát ngẫu nhiên theo mọi hướng, đó chính là cơ sở hoạt động của các đèn LED (Light emitting diode) [11]. Vậy, điều kiện nghịch đảo độ tích lũy phụ thuộc vào bơm năng lượng. Bằng cách tăng dòng bơm vào vùng hoạt tính, chúng ta đạt được một giá trị tới hạn mà ờ đó các bức xạ cưỡng bức bắt đầu xảy ra - đó chính là ngưỡng phát của laser. Khi đó, công suất laser ra như một hàm của dòng bơm P(I) (hình 1.4). Từ hình 1.4 ta thấy rằng độ dốc của đường bức xạ cưỡng bức (laser) lớn hơn độ dốc của đường bức xạ tự phát (LED) rất nhiều. 1.2. Laser rắn. Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn. Hoạt chất thường có hai thành phần : chất nền và chất kích hoạt (tâm hoạt chất). Chất nền là chất cơ bản sẽ không tham gia trục tiếp vào những quá trình tạo bức xạ laser. Chất nền có thể là tinh thể hoặc thuỷ tinh (glass)... --------------► Dòng bơm I(mA) Hình 1.4. Công suất laser ra như là một hàm của dòng bơm Dòng ngưỡng Bức xạ cưỡng bức (Diode laser) ựrưKnạ Qhị Ẩluụttt £ /tp m i 3L2 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Kl*Ắ luẨ*s tứ ĨĨĂÌ lẹc Chất kích hoạt được đưa vào chất nền dưới dạng tạp chất, thường có tỉ lệ rất nhỏ, chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Trong chất nền các ỉon chất kích hoạt sẽ thực hiện những dịch chuyển cảm ứng, tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ ỉaser [5]. Nghiên cứu phổ hấp thụ của các tinh thể hoặc thuỷ tinh cách điện có khả năng dùng làm hoạt chất laser, người ta thấy chúng phải có một số yêu cầu sau đây: +) Trong phổ phải có mức siêu bền, có hiệu suất lượng tử cao, nghĩa là khi nguyên tử có trạng thái dời từ mức siêu bền này xuống các mức ở thấp hơn phải là các chuyển dời có phát bức xạ (phát ra phôtôn). +) Các dải phổ liên tục đủ rộng ở phía trên gần mức siêu bền, để có thể đạt hiệu quả bơm quang học cao và không phải dùng bức xạ bơm là đon sắc. +) Tinh thể có phẩm chất quang học đủ cao (đồng nhất quang học cao) để tổn hao do tán xạ là thấp nhất [3], Cho đến nay, hiệu ứng bức xạ cưỡng bức đã được quan sát thấy ở hơn 250 tinh thể điện môi được kích hoạt bằng cách cấy vào các nhóm tạp chất ion. Thông dụng nhất là các tinh thể oxít có cấu trúc trật tự, ví dụ, tinh thể A120 3 với tạp chất ion Cr3+ hoặc Y3AI5O12 (Yttrium Aluminium Gamet, kí hiệu là YAG), YVO4 (Yttrium Vanadate) với tạp chất ion Nd3+ hoặc tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất ion Dy2+ (Dyplozi) [1]. Việc nghiên cứu và tìm hiểu về laser rẳn đã được rất nhiều tác giả trong và ngoài nước trình bày chi tiết trong các tài liệu và sách chuyên khảo. Sau đây chúng ta sẽ đi xét cụ thể một số laser rắn điển hình nhất hiện nay. 1.2.1. Laser Ruby Năm 1960: Laser đầu tiên ra đời bời Theodore Maiman và Nikolai Bassow: Laser Ruby, sử dụng nguồn bơm năng lượng là đèn xung Xenon hình xoắn (hình 1.5, hình 1.6). Qrưtìnạ Ohị Aiẩễ)rn - JtáfL m i Mụ X 2 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Hình 1.5. Laser đầu tiên - laser ruby [7]. Nguồn điện Thanh R uby Đèn flash Gương bán mạ Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cùa laser Ruby đầu tiên [7]. Laser Ruby làm việc theo chế độ 3 mức năng lượng. Do có độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt nên laser Ruby được sử dụng rộng rãi cho đến nay. Ruby là tinh thể oxít AI2O3 (chất nền) được cấy các ion Cr3+ (tâm hoạt chất). Thông thường, hoạt chất laser Ruby là tinh thể Ruby màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr3+ (khoảng 1,6.1019 ion/cm3) [1]. &KtờHạ &kị Muụỉn - Máfi &n Jấụ X2 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN MsÁ lựậ* xu +ị£Uf-Ĩ>AÍ l*c 1.2.2. Laser Neodym Loại laser rắn trong đó chất kích hoạt là nguyên tố Nd3+ đóng vai trò là tạp chất trong nền tỉnh thể YAG, YVO4 hoặc thuỷ tinh (glass) hiện nay là loại laser khá thông dụng, chiếm một ti phần lớn - là một nguồn kích thích quan trọng và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Tuy nhiên, trong khóa luận này tôi chủ yếu nghiên cứu về laser Nd3+ trên nền rắn YVO4. * Cẩu trúc năng lượng của iôn Neodym Tinh thể Nd3+: YVO4 là loại tinh thể khá phổ biến hiện nay. Sờ dĩ nền YVO4 được sử dụng khá rộng rãi là vì nó có sự kết hợp giữa các đặc tính mong muốn để làm nền cho các iôn Nd3+ như là: độ dẫn nhiệt rất cao, cho phép tiêu tán nhiệt xuất hiện trong quá trình bơm quang học, độ bền cơ học cao và có thể nuôi tinh thể khổ lớn với các đặc tính quang học rất tốt. Mật độ của iôn Nd3+ vào khoảng 0,5 -ỉ- 2 %. Dịch chuyển quang học cho phát xạ laser là dịch chuyển giữa các mức năng lượng của iôn Nd3+ [8 ]. 2 G Eu 7/2 9/2 4 0 2 CM 15 3/2 4 Ff 3/2 Bơm 4Iii/2 ■ 41 9/2 ■ I I I I I Phát xạ Laser > I (4) (3) (2) ( 1) Hình 1.7. Sơ đồ năng lượng của Nd3+ trong nền rắn [ 13]. &kịjíuẳụỉít ■ Mép &H£ặX2 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KlcÁ íựf% tứ lạc Sơ đồ mức năng lượng của ion Nd3+ trong một nền rắn được trình bày trong hình 1.7ằ Mỗi mức năng lượng gồm một nhóm các mức con nằm rất gần nhau, các mức con bị tách ra do nhiễu loạn của điện trường trong mạng (Sự tách mức Stark) [13]. Khi được bơm, các ion Nd3+ chuyển dời từ mức cơ bản 4I9/2 lên mức kích thích (là nhóm các mức năng lượng cao từ 2S3/2 đến 2S9/2). Tuy nhiên, ion Nd3+ trên các mức năng lượng cao này nhanh chóng hồi phục không bức xạ về mức 4F3/2 - là mức laser trên. Trong các chuyển dời khả dĩ từ mức này xuống các mức thấp hơn, chuyển dời 4F3/2 đến 4Ij 1/2 có xác suất lớn nhất. Từ đây, các ion Nd3+ hồi phục về trạng thái cơ bản cho tới khi quá trình bơm được lặp lại. Do vậy, trạng thái ứng với mức năng lượng 4In /2 đóng vai trò là các mức laser dưới (mức cơ bản làm ức4I9/2) [13]. * Sơ đồ năng lượng hoạt động 4 mức và phổ của Neodym. Nghịch đảo nồng độ trong ion Nd3+ được thực hiện theo hệ sơ đồ 4 mức (hình 1.8). Do đó, loại laser này có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được nghịch đảo độ tích lũy. 4 Hồi phục không phát xạ Hấp thụ 1 Hình 1.8. Sơ đồ laser Nd3+ 4 mức [8]. ơrưđttạ (7/ụ £uụin - Móp. &ìl Mụ X 2 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KtoÁ lựt% tứ |Uí icc Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Neodym được cho trong bảng 1Ệ1 : Bảng 1.1. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Neodym: Dịch chuyển Bước sóng huỳnh quang Nd3+ (ịim) Tỉ lệ cường độ (%) 0.8910 41*3/2 - 0.8999 0.9385 0.9460 25 1.0521 1.0615 1.0642 4F3/2 - 4In/2 1.0737 1.1119 1.1158 1.1225 60 1.3184 1.3331 4F3/2 - 4Il3 /2 1.3351 1.3381 1.3533 1.3572 14 4F 3/ 2 - 4Il5 /2 1.833 1 Trong điều kiện hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng, laser Nd3+ cho phát xạ mạnh nhất tương ứng với vạch 4F3/2 - 4In /2 ở bước sóng 1064,2 nm. Hình 1.9 và hình 1.10 tương ứng biểu diễn phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ của ion Neodym thu được ờ nhiệt độ 300 K [13]. QruờHỊỊ <Jhị Mitụỉn - Xíéìạ & ìl Jbị D d 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN &OÁ Lìm2* tứ Ccc Hình 1.10. Phổ hấp thụ của Nd3+ Hình 1.9. Phổ huỳnh quang của Nd3+ Nhìn vào phổ hấp thụ của iôn Nd3+ chúng ta nhận thấy có 3 dải hấp thụ mạnh, nhưng mạnh nhất là dải ứng với bước sóng trung tâm 0,8 ụm. Vì vậy, việc sử dụng các laser bán dẫn có bước sóng 0 ,8 um để bơm cho laser Neodym là rất phù hợp và cho hiệu suất laser cao. Q rưtínạ Q k í M uụin - M óp & ìl £ jị X 2 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN L ạ * , ư t + $¿1+ ItỊc CHƯƠNG II. c ơ CHÉ BOHVI CHO LASER RẮN. 2ẽl. Các Cff chế bơm cho laser. Đe tạo nghịch đảo độ tích luỹ cho laser hoạt động, chúng ta càn bơm năng lượng cho môi truờng hoạt chất. Có rất nhiều phương pháp bơm năng lượng cho môi trường hoạt chất: Bơm quang học, bơm điện, bơm hoá học, bom nhiệt,....Nhưng chủ yếu vẫn là hai phương pháp bơm sau: bơm quang học và bơm điện. OẠI HỌC THẢI NGUỴỊỄN KHOA KHOA HỌC Tự NHIÊN VÀ XẢ HỘI2.1.1. Bơm quang học. Bơm quang học là dùng một n g u ồ n * lJmc^c(^bước sóng thích hợp chiếu vào môi trường hoạt chất. Nguồn sáng đó có thể ở dạng liên tục hoặc xung, được phát ra từ đèn thông thường hoặc laser. Cách này thường được dùng khi môi trường hoạt chất là chất rắn hoặc chất lỏng. Trong phương pháp này, ánh sáng từ nguồn bơm được môi trường hoạt chất hấp thụ, nguyên tử được bơm lên các mức năng lượng cao (gọi là các mức kích thích), từ các mức đó nguyên tử chuyển xuống mức siêu bền và bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng. Thực tế, do laser có thể cỏ nhiều mức kích thích (có thể do cơ chế mở rộng vạch ở trong chất rắn và chất lỏng), sau khi nguyên tử được chuyển lên các mức kích thích, sẽ xảy ra sự dịch chuyển không bức xạ xuống mức siêu bền nên ánh sáng nguồn bơm không cần quá đơn sắc cũng có thể sử dụng được, như đèn nóng sáng hay đèn flash [11]. Các nguồn bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết họp như: các đèn xung (phóng điện trong chất khí), các diode phát quang (LED), đèn hồ quang liên tục, ngọn lừa,... Hay có thể là nguồn sáng kết hợp như các laser (trong trường hợp này, laser được bơm có thể coi như một bộ khuếch đại hay biến đổi tần số quang học). Ợrưetnạ Qhị Mitụén - JlSfL &ÌL Mụ DC2 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KẶ+Á Lụ* tít l+c Hiện nay, phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn cho các laser rắn đang được sử dụng rộng rãi. Ví dụ, laser Nd3+:YV04 có thể được bơm bằng các laser bán dẫn ờ bước sóng 808 nm. Laser Cr3+:LiSAF có thể được bơm bằng các laser bán dẫn ở bước sóng 650 nm hoặc 670 nm [11]... Bức xạ bơm thường được đưa vào một đầu của thanh hoạt chất (theo hướng đồng trục hay gần đồng trục của buồng cộng hưởng laser), đi qua gương cuối (nó phản xạ toàn phần bức xạ laser nhưng lại phản xạ rất thấp ở bước sóng laser bơm). Bơm quang học bằng laser được đặc trưng bời khả năng bơm lọc lựa rất cao, ta có thể kích thích một số mức đặc biệt hay kích thích chi mức đơn. Hơn nữa, bơm bằng laser cho phép kết cấu laser gọn, ngưỡng bơm thấp và hiệu suất laser cao [7]. Chúng ta sẽ xét cụ thể cơ chế bơm quang học bằng laser bán dẫn cho laser rắn ở các phần 2.2 và 2.3 của khoá luận này. 2.1.2. Bơm điện. Bơm điện là cho phóng điện qua môi trường hoạt chất (thường dùng khi môi trường hoạt chất là chất khí ở trạng thái dẫn điện - ion hoá) hoặc cho dòng điện chạy qua môi trường khuếch đại (thường dùng cho laser bán dẫn). Các laser khí thường không thích hợp đối với phương pháp bơm bằng đèn bởi vì các vạch hấp thụ của chúng thường hẹp hơn rất nhiều so với rải rộng phát xạ của đèn. Trong số các laser khí, chỉ có laser Cs được bơm bằng đèn. Ở đây, hơi Cs được bơm bằng đèn He liên tục, áp suất thấp. Trong trường hợp này, khá thuận lợi cho bơm quang khi vạch phát xạ cùa He mạnh ở bước sóng ~ 390 nm. Vạch phát xạ của He (khá sắc nét vì sử dụng áp suất thấp) trùng với vạch hấp thụ của Cs [11]. &ẩHítìnạ OTụề UUềvỈH - &HMặX2 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN \U+Á iuị+. t í t &AÍ tạc 2.2ẽ Cơ chế bơm cho laser rắn. Để tạo nghịch đảo độ tích luỹ trong laser rắn, người ta dùng bơm quang học. Khi các photon từ nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất sê truyền năng lượng kích thích cho các tâm hoạt chất và chuyển chúng lên trạng thái kích thích. 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 [1]. Hai loại nguồn sáng phổ biến trong bơm quang học laser rắn gồm: +) Nguồn sáng không kết hợp (incoherent light source), tương ứng với phổ điện tử băng rộng: đèn flash, đèn hồ quang,... +) Nguồn sáng kết hợp (nguồn sáng laser) ứng vói phổ điện tử băng hẹp: các laser khác. 2.2.1. Bơm bằng nguồn sảng không kết hợp. * Đèn bơm. Trong trường hợp bơm quang học bằng nguồn sáng không kết hợp, ánh sáng bơm được phát ra theo mọi phương, thông thường là trong một phạm vi rộng [11]. Trong vùng quang học, các mức năng lượng của ion Neodym tạo thành hệ lượng tử 4 mức. Phổ hấp thụ của hệ laser Neodym nằm trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần. Trong các vùng này, chủng ta có thể sử dụng đèn phóng khí (hay đèn flash - flash lamp) để bơm cho laser rắn (hình 2.1)Ể Bức xạ của đèn phóng khí là ánh sáng trắng, do quá trình phát xạ huỳnh quang của Q ruV nạ G h ì M u ụ iít - M éạ. & ỈÍ Jttý X 2 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KtaÁ L*J+S tứ, &AÍ t+c các hỗn hợp khí trong đèn. ư u điểm của đèn flash là có hiệu suất biến đổi năng lượng điện thành năng lượng quang lớn nhất. F la sh Tube Hình 2.1. Đèn flash dùng để bơm cho laser rắn [13]. Laser hoạt động ở chế độ xung được bơm bằng đèn xung. Đèn xung được ứng dụng rộng rãi nhất là đèn khí Xenon, vì nó phát sáng hơn và mật độ bức xạ cao hơn do nó cần đến điện áp ion hoá thấp hơn và khối lượng riêng lớn hơn so với tất cả các loại đèn khí khác. Bước sóng (n m ) Hình 2.2. Đặc trưng phổ phát xạ của đèn Xenon [9]. Mặc dù, hiệu suất của đèn xung rất lớn, phổ phát xạ của chúng rộng, nằm trong vùng từ cực tím đến hồng ngoại gần (hình 2.2) song khoảng 25% năng lượng quang của nó ứng với vạch hấp thụ của hoạt chất laser là có ích. Đối với laser hoạt động ờ chế độ liên tục, cần sử dụng đèn hồ quang liên tục. Do Qrưtínạ €7hị £uụi'n - Móp. Mụ JC2 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Lụ. tứ í-ọc trong laser liên tục sử dụng hoạt chất với ngưỡng phát thấp, nên cường độ bức xạ của đèn hồ quang chỉ cần thấp hon các đèn xung khác. Đèn xung có nhiều dạng cấu trúc khác nhau: dạng ống xoắn ốc (hình 1.5- chương 1), dạng ống trụ (hình 2.1), dạng gấp khúc..ề Để làm nguồn bơm cho laser rắn thì thông dụng nhất là đèn dạng ống trụ. Trong trường hợp môi trường hoạt chất có dạng hình trụ thì chiều dài và đường kính của nó bằng với của đèn. Đường kính thường nằm trong khoảng tò một vài mm đến vài chục mm, chiều dài từ vài cm đến vài chục cm [11]. * Hộp phản xạ. Để nâng cao hiệu suất bơm, đèn và hoạt chất được đặt trong một hộp phản xạ. Hộp này được thiết kế sao cho toàn bộ ánh sáng phát ra từ đèn được tập chung chiếu vào mặt xung quanh hoạt chất. © b) c) 1 o Hình 2.3. Mặt cắt ngang một số hộp phản xạ cho laser rắn [9], ỉ- Mặt phán xạ; 2-Hoạt chất; 3-Đèn bơm Cĩrườnụ QUỊ Muụiìi - MAp &ÌL Jiụ X 2 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KlõÁ vu ( m Việc tập trung 100 % năng lượng của đèn vào hoạt chất là không thực tế. Trước tiên, năng lượng điện biến đổi thành năng lượng ánh sáng chi đạt trong khoảng 35 + 50 %. Năng lượng ánh sáng đó cũng không được hoạt chất hấp thụ hết, vì phổ hấp thụ của hoạt chất chỉ chiếm 6 + 15 % phổ của ánh sáng đèn. Ngoài ra, mất mát của hộp cộng hưởng thông thường từ 30 -ỉ- 70 %. Tất cả các yếu tố trên dẫn đến hiệu suất laser chỉ đạt 0,1 -r 5 %. Việc chọn hộp phản xạ phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Trên hình 2.3 là một số cấu trúc hộp phản xạ dùng cho laser rắn. Đối với laser rắn thì hộp phản xạ elíp là thông dụng nhất [9]. Trong hình 2.3a, đèn được đặt dọc theo trục qua tiêu điểm Fi, trục qua tiêu điểm F2 đặt thanh hoạt chất. Ánh sáng xuất phát từ đèn bơm phản xạ từ thành elip sẽ tập trung hầu như toàn bộ ánh sáng vào thanh hoạt chất. Trong hình 2.3b là cấu hình liên kết gần (close - coupled configuration). Hoạt chất và đèn được đặt gần nhau và được bao quanh bởi mặt trụ phản xạ. Hiệu suất của cấu hình liên kết gần thường nhỏ hơn nhiều so với dạng mặt trụ elip. Tuy nhiên, cấu hình này dễ chế tạo (có thể chế tạo bằng ống thuỷ tinh hoặc thạch anh mạ nhôm xung quanh mặt trong). Hình 2.3c-d chỉ ra hai hộp bơm sử dụng hai đèn và 4 đèn bơm. Trong hình 2.3c, mặt trụ phản xạ gương gồm 2 mặt trụ elip có chung trục giữa. Thanh laser được đặt dọc theo trục này, hai đèn bơm nằm trên hai tiêu điểm của các elip. Hình 2.3d chỉ ra 4 đèn bơm được đặt ở 4 tiêu điểm riêng, còn tiêu điểm chung đặt thanh laser. Khi đó năng lượng đèn sẽ tập trung hom vào hoạt chất, song hiệu suất có phần giảm đi. Trong các trường họrp sử dụng một hay nhiều đèn bơm, thanh laser luôn phải được làm lạnh. Phương pháp làm lạnh ở đây là dùng nước nối với máy bơm để nước chảy liên tục nhằm lấy đi nhiệt lượng trong thanh laser (hình 2.4). Qnỉtìnạ Qhị Miiạin - &HjẼặX2 2 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN 1: Thanh hoạt chất 2: Gương ra 3: Gưcmg cuối 4: Hai đèn flash 5: Ánh sáng bơm 6: Nước làm lạnh 7: Hộp phản xạ elíp 8: Bức xạ cưỡng bức 9: Tia laser Hình 2.4. Cấu hình bơm laser rắn bằng đèn Flash khi sử dụng hộp phản xạ elíp có 2 đèn bơm Hình 2.5 là ảnh một hộp hình chữ nhật chứa hộp bơm đơn hình elip với một đèn flash được đặt tại một tiêu điểm và một thanh laser tại tiêu điểm còn lại, hoặc khoang elip kép với đèn flash được đặt tại tiêu điểm của mỗi khoang và thanh laser được đạt tại tiêu điểm chung của hai khoang. Đèn flash Hình 2.5. Ảnh của một hộp đèn bơm elíp [12] Tuy nhiên, việc bơm các laser rắn bằng đèn flash thường có hiệu suất rất thấp (~ 2 %), tuổi thọ thấp, thường phải làm mát, nguồn nuôi phức tạp, kinh phí cao... đã đòi hỏi việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp bơm khác Qnit '7kỊJẼắầụ iii - UUi p & H £ i X 2 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN cho laser rắn. Đó chính là phương pháp bơm bằng nguồn sáng kết hợp (born bằng laser bán dẫn). 2.2.2. Bơm bằng nguồn sáng kết hợp. Từ đặc trưng phổ hấp thụ của các hoạt chất laser rắn, thấy rằng, nếu dùng đèn phóng khí để bơm thì hiệu suất rất thấp (2 %). Phần lớn ánh sáng của đèn gây ra nhiệt trong hoạt chất. Sự đốt nóng hoạt chất sẽ tạo nên gradien nhiệt, gây ra hiệu ứng thấu kính nhiệt,... Để tránh đuợc các vấn đề đó, thay vì dùng đèn phóng khí người ta đã cố gắng tìm ra các nguồn quang học có phổ trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất laser rắn. Phát triển cùng công nghệ chế tạo laser rắn là công nghệ chế tạo laser bán dẫn. Laser bán dẫn có nguồn ánh sáng kết hợp, đặc biệt có phổ phát xạ rất hẹp và có thể thay đổi được trong vùng phổ rộng. Hiện nay, các laser bán dẫn đã được chế tạo với công suất lớn, kích thước nhỏ. Sử dụng laser bán dẫn có công suất lớn, hoặc nhiều laser có công suất nhỏ, có bước sóng trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất làm nguồn bơm cho laser rắn là một trong những phát triển của công nghệ laser rắn. Các laser bán dẫn được sử dụng nhiều nhất cho laser rắn là các laser có bước sóng nằm trong khoảng từ 800 nm đến 900 nm. Với việc sử dụng nguồn bơm kết hợp, hiệu suất laser có thể nâng lên đến 80 % [9]. Ngoài ra, nếu sử dụng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn thì nó có một số ưu điểm sau: +) Thứ nhất, thời gian sống của laser diode lớn hem nhiều so với thời gian sống của các đèn phóng điện, điều này đóng góp rất lớn vào độ tin cậy và sự thuận lợi trong hoạt động của laser, dẫn đến việc tăng tuổi thọ và giảm giá thành bảo dưỡng. Ợntờnạ QhỊ £ iẾụ ik - & ilM ặ X 2 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN tứ ĨĨẢÍ tẹ t +) Thứ hai, là các laser bơm bằng diode có hiệu suất cao hơn các laser bơm bằng đèn flash. Các nguồn bơm khí phóng điện phát xạ băng rộng, các băng này có sự chồng chập nhỏ với các băng hấp thụ gián đoạn của các ion pha tạp trong tinh thể. Do đó khoảng 90 % năng lượng bơm không đóng góp vào hoạt động của laser và tạo ra hao phí nhiệt. Ngược lại, có thể chọn các laser diode để phổ phát xạ của nó phù hợp tốt nhất với các băng hấp thụ của môi trường laser. Các laser diode thường nhỏ gọn, vì nó không đòi hỏi các hệ làm nguội phức tạp và các nguồn điện nuôi cao. Ngoài ra, các laser bơm bằng diode nói chung là có độ ồn thấp do tính ổn định của các diode bơm và có thể cho các xung ra ngắn hom các laser bơm bằng đèn chớp do chiều dài buồng cộng hưởng của chúng ngắn hơn. 2ế3. Cơ chế bơm cho laser rắn bằng laser bán dẫn. 2.3.1. Nguồn bơm bằng laser bán dẫn. Chúng ta nhận thấy rằng: sử đụng laser bán dẫn để bơm cho laser không những có hiệu suất laser cao mà còn phát ở bất ki tần số nào, phụ thuộc vào tần số của laser bán dẫn [9]. Tần số của laser bán dẫn (hay bước sóng bơm cho laser rắn) thay đổi phụ thuộc vào một số yếu tố như nhiệt độ, dòng bơm,... Vì vậy, việc tìm hiểu sự phụ thuộc của bước sóng phát của laser bán dẫn vào các yếu tố đó là cần thiết và quan trọng. * Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ. Khi độ rộng vùng cấm thay đổi, bước sóng phát của laser cũng thay đổi theo. Từ quá trình thực nghiệm đã đưa ra được biểu thức mô tả sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào nhiệt độ. E , Ợ ) = E , - ệ ^ (2.1) Q rưtíttạ Q k ì UUtạih - Jlfift & K Mặ X 2 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN ?.2ẽ Ca« Aì/iA éơíM. Hiện nay có hai phương pháp sử dụng diode để bơm cho các hoạt chất iser rắn. Đó là cấu hình bơm ngang và bơm dọc. * Cẩu hình bơm ngang. Với cấu hình bơm ngang, đầu ra của laser diode bơm được ghép sát vào lành của tinh thể và chỉ sử dụng ít (thậm chí không sử dụng) linh kiện quang ọc. Cấu hình bơm này tương tự với cấu hình bơm bằng đèn flash. Phương háp này đơn giản và cho phép đạt được công suất bơm cao vì hệ ma trận các iode (multiple diode arrays) có thể dễ dàng ghép nối (hình 2.8). Tuy nhiên, ác laser này có hiệu suất biến đổi chỉ khoảng 10% do sự chồng chập giữa thể ch bơm và mode laser rất ít. i i i i i i i n r r r m Hình 2.8. Thanh 14 laser dán dẫn [9] Laser bán d ln Hoạt chất ----------------------------------------------------1 Laser bán dẫn a) b) Hình 2.9. Sơ đồ bố trí đầu laser bom bằng laser bán dẫn.[9] a) Mặt cắt dọc; b) Mặt cắt ngang. Jnùfnç. ÇJhiMuụin - Móp &K£ụ.X2 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Kts* i^ ụ . t t ì ĩ>Ại tạc Năng lượng của các laser này ổn định và phân bố đều trên toàn bộ chiều dài hoạt chất laser rắn. Các thanh này được đặt song song với hoạt chất (hình 2.9a) giống như một đèn flash. Bức xạ phát ra của laser bán dẫn sẽ chiếu thẳng vào hoạt chất mà không phải sử dụng hộp phản xạ như trong trường hợp bơm quang học không kết hợp. Thông thường người ta sử dụng từ bốn thanh đến sáu thanh laser, đặt xung quanh hoạt chất (hình 2.9b). * Cẩu hình bơm dọc. Đối với các hoạt chất laser rắn có kích thước bé và yêu cầu phát công suất thấp có thể sử dụng một laser bán dẫn có công suất lớn bơm dọc theo chiều dài của hoạt chất, cấu hình bơm dọc được chỉ ra trên hình 2 .1 0 . Diode laser M2 (Output) Hình 2.10. Cấu hlnh bơm dọc bằng laser diode L - Thấu kinh, Mi - Gương lưỡng chiết, M2 - Gương ra. Chùm tia laser bán dẫn công suất lớn được phân bố lại năng lượng tương đối đều trên tiết diện ngang bằng một hệ quang. Hệ quang sử dụng được thiết kế sao cho vết chùm tia laser bơm bằng hoặc lớn hơn một ít so với tiết diện ngang của hoạt chất. Chùm tỉa bơm phân bố đều sẽ chiếu vào hoạt chất laser rắn dọc theo trục buồng cộng hưởng theo hướng từ gương lưỡng chiết, phản xạ 100 % với bức xạ laser rắn nhưng lại cho bức xạ bơm đi qua. Gương này đồng thời cũng chính là gương cuối của buồng cộng hường laser. Chúng ta sẽ xét chi tiết cấu hình bơm này trong phần thực nghiệm được trình bày trong chương III (phần 2) của khóa luận. <7,tăónạ <JhỊ JUẼụi'n . Xtíp &ĨIMÚX2 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN KU í.U Ị-ưt*ụụị.ì)^tỵc PH À N 2: THƯC NGH IÊM CHƯƠNG III. KẾT QUẢ THựC NGHIỆM 3Ế1. Thiết kế, khảo sát hệ laser rắn Nd3+: YVO4 bơm bằng laser diode Bằng việc sử dụng cấu hình bơm dọc, chúng tôi tiến hành thiết kế và xây dựng hệ laser Nd3+: YVO4 bơm bằng laser diode công suất cao ATC. Sơ đồ khối hệ laser Nd3+:YVC>4 được trình bày như hình 3.1. ( 1) (2) (3) (4) (5) Hình 3.1. Sơ đồ hệ laser Nd3+:YV04 có buồng cộng hưởng thẳng được bơm dọc bằng laser diode. Các yếu tố cơ - quang của hệ bao gồm: 1. Laser diode (ATC; LB. Nga): - Công suất phát liên tục: 2 0 0 0 mW. - Phổ phát xạ: 805 -ỉ- 810 nm, trung tâm phổ là 808 nm ( ở 300 K). - Dòng ngưỡng: Ing « 720 mA. - Độ rộng phổ phát xạ: 2 -i- 3 nm. - Độ rộng phân kì chùm phát xạ (WxH): 10 X 40 độ. 2. Thấu kính bom hội tụ: Chúng tôi đã sử dụng một thấu kính vật kính của kính hiển vi quang học có thông số như sau: Vật liệu thuỷ tinh BK7; Đường kính d = 10 mm; Độ dài tiêu cự f = 15 mm; Độ dày ở tâm thấu kính là ~ 4 mm. Q nM h v < 7 h ị£ u ụ in - MéfL m i M ú X 2 29 Số hóa bởi Trung tâm Học