Luận văn Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung Laser ngắn bằng khóa-Mode thụ động của laser Nd:YVO₄

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung Laser ngắn bằng khóa-Mode thụ động của laser Nd:YVO₄

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. KẾT LUẬN .................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
6. 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 YVO4 Yttrium Orthovanadate
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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