Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học bằng laser bán dẫn công suất cao cho laser rắn

6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC -----------o0o----------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUỒN BƠM QUANG HỌC BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CHO LASER RẮN Mã số: B2008-TN08-05 Chủ nhiệm Đề tài: ThS. Nguyễn Văn Hảo Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 MỞ ĐẦU 1958, . . , laser rắn với môi trường laser được pha tạp các ion Nd3+, Cr3+,… chiếm một tỉ phần lớn - là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Hiện nay, các laser rắn này vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển đổi năng lượng khá thấp chỉ khoảng 1 ÷ 2%. Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser thấp đó là do đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng trong khi đó tinh thể Neodium (Chromium) chỉ có thể hấp thụ trong một dải phổ hấp thụ hẹp (2 3 nm). Năng lượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, vì vậy các laser này đòi hỏi phải có các hệ thống làm mát phức tạp dẫn đến cấu hình laser cồng kềnh. Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong laser Neodium (Chromium) cũng như các phương pháp nhằm cải tiến đèn flash đều không mang lại hiệu quả. Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 3 nm) phù hợp với phổ hấp thụ của các tinh thể laser. Do vậy, ngay lập tức phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ. Với phương pháp này hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng được thu gọn hơn. Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser khi bơm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 10 ÷ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 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… Chính những ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser bán dẫn mà hiện nay xu hướng sử dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho các laser rắn đang được phát triển rất mạnh. Trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ ở nước ta hiện nay (Các Trường Đại học, các Viện nghiên cứu, Trung tâm Kỹ thuật Quân sự, Bệnh viện, …) nhu cầu sử dụng laser Neodium trong nghiên cứu khoa học là rất lớn. Tuy nhiên, các laser Neodium (Chromium) chủ yếu được bơm bằng đèn flash và phải mua từ nước ngoài với giá thành khá cao (30.000 100.000 U$D) nên chỉ có một số ít các phòng thí nghiệm được trang bị các nguồn laser này. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu và ứng dụng các laser bán dẫn để xây dựng một hệ laser rắn Neodium (Chromium) là một việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ, đào tạo cũng như ứng dụng thực tiễn. Hơn nữa, đây sẽ là cơ sở để phát triển vật lý và công nghệ của các nguồn laser rắn phát xung ngắn được bơm bằng laser bán dẫn - đang được đòi hỏi ngày càng cao trong ứng dụng, nghiên cứu và đào tạo hiện nay. Cùng với sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, chúng tôi thấy rằng hoàn toàn có thể xây dựng một hệ laser rắn xung ngắn bơm bằng laser bán dẫn tại Việt Nam. Với tầm quan trọng và ý nghĩa về khoa học công nghệ, đào tạo, đề tài này được thực hiện với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học bằng laser bán dẫn công suất cao cho laser rắn”. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu, phân tích các môi trường laser rắn thông dụng bơm bằng laser bán dẫn. Nghiên cứu xây dựng một hệ laser rắn phát liên tục và phát xung ngắn, được bơm bằng laser bán dẫn. Đối tượng nghiên cứu: Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển một hệ laser rắn bơm bằng laser diode, các đối tượng sau sẽ lần lượt được nghiên cứu: Các môi trường laser rắn đặc biệt là môi trường laser Neodium. Các đặc trưng hoạt động của hệ laser rắn Neodium được bơm bằng laser bán dẫn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Đề tài này có nội dung vật lý quang tử và laser mới và bắt đầu được nghiên cứu Việt Nam trong một vài năm gần đây. Do vậy, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu có đặc điểm sau:  Tiếp thu đầy đủ, có hệ thống các thông tin về những kết quả KH-CN của các vấn đề vật lý liên quan.  Tiến hành thu thập các nguồn cung cấp linh kiện, vật tư và thiết bị (có khả năng cạnh tranh) và phù hợp với các điều kiện nghiên cứu và khai thác ở Việt Nam trong công nghệ và ứng dụng laser bán dẫn này.  Phương pháp nghiên cứu là vật lý thực nghiệm. - Khảo sát các đặc tính, thông số hoạt động: đặc trưng công suất, phổ của laser bán dẫn công suất cao theo dòng bơm và nhiệt độ. - Thiết kế và xây dựng hệ laser Neodium phát liên tục và xung ngắn khi bơm bằng laser bán dẫn công suất cao. - Nghiên cứu sự hoạt động của laser Neodium khi bơm bằng laser bán dẫn này. Nội dung của đề tài là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp một hệ laser rắn Neodium được bơm bằng laser bán dẫn, đồng thời nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ thống laser này. Đề tài được chia làm 3 chương chính như sau: Chương 1: Môi trƣờng laser rắn đƣợc bơm bằng laser bán dẫn. Trong chương này, chúng tôi trình bày các tính chất của các môi trường laser rắn phổ biến được bơm bằng laser bán dẫn. Tập trung phân tích các đặc điểm của môi trường laser Neodium và nguyên lý hoạt động của hệ laser bốn mức năng lượng. Chương 2: Các cơ chế bơm cho laser rắn và các chế độ hoạt động của nó. Trong chương này, chúng tôi trình bày các cơ chế bơm cho các laser nói chung và laser rắn nói riêng. Đặc biệt là cơ chế bơm cho laser rắn bằng laser bán dẫn theo cấu hình bơm dọc. Với cấu hình này laser cho hiệu suất cao hơn so với các cấu hình khác. Ngoài ra, trong chương này chúng tôi cũng giới thiệu một vài chế độ hoạt động của laser rắn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Chương 3: Các kết quả và thảo luận Trong chương này, chúng tôi trình bày các kết quả khảo sát nguồn bơm laser bán dẫn, nghiên cứu lắp ráp hệ laser rắn phát liên tục công suất cao và phát xung ngắn (nano giây) được bơm bằng laser bán dẫn. Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Vật lý, trường Đại học Khoa học và Phòng Quang tử Phân tử - Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 Chƣơng 1 MÔI TRƢỜNG LASER RẮN BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN Các laser rắn đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm về vật lý, hóa học, sinh học... Trước đây, hầu hết các laser rắn được bơm bằng đèn phóng điện như: đèn flash, đèn xenon, đèn krypton... Gần đây, nhờ sự phát triển trong công nghệ chế tạo laser bán dẫn cho phép chế tạo các laser bán dẫn công suất cao (tới hàng chục W), phổ phát xạ trong một vùng hẹp (cỡ 2 3 nm) rất phù hợp với phổ hấp thụ của một số môi trường laser rắn, vì vậy, kỹ thuật bơm quang học cho các laser rắn bằng laser bán dẫn đã và đang được phát triển rất mạnh. Các môi trường laser rắn phổ biến có thể bơm bằng laser bán dẫn như: các ion Nd3+ pha trong các nền quang học (YAG, YLF, YVO4, glass...), các ion đất hiếm pha trong các nền quang học (Er: YLF, Tm: YAG, Yb: YAG...) và Cr3+: LiSAF, Cr3+: LiCAF... Dưới đây chúng ta sẽ đi xét cụ thể một số tính chất quang của một vài môi trường laser rắn điển hình. 1.1. Môi trƣờng laser Neodium. Môi trường laser Neodium là môi trường laser được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Môi trường nền chủ yếu thường là tinh thể Y3Al5O12 (gọi tắt là YAG), trong đó các ion Y3+ được thay thế bởi các ion Nd3+. Bên cạnh đó, một số môi trường nền khác cũng thường được sử dụng như: một số loại muối flouride (ví dụ: YLiF4 - viết tắt YLF), vanadate (YVO4), và một số loại muối phốt phát hoặc thủy tinh silicate… Nồng độ pha tạp ion Nd3+ trong tinh thể thông thường cỡ 1%. Nếu nồng độ pha tạp cao hơn có thể dẫn đến hiện tượng dập tắt huỳnh quang hoặc gây biến dạng cấu trúc tinh thể. Các thông số quang học chính của một số môi trường laser Neodium được trình bày trong bảng 1.1: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodium [19 p.372]. Nd: YAG = 1064 nm Nd: YVO4 = 1064 nm Nd: YLF Nd: glass = 1053 nm = 1054 nm Nồng độ pha tạp ion Nd (atom %) 1 1 1 3,8 Nt (1020 ion/cm3) 1,38 1,5 1,3 3,2 230 98 450 300 4,5 11,3 13 180 2,8 7,6 1,9 0,4 n0 = 1,82 n0 = 1,4481 ne = 2,168 ne = 1,4704 ( s) o e (cm-1) (10-19 cm2) Chiết suất n = 1,82 trong đó: Nt là mật độ của ion Neodium; 0 là độ rộng phổ laser; e n = 1,54 là thời gian sống huỳnh quang; là tiết diện phát xạ cưỡng bức. Các laser Neodium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức năng lượng, các chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là các chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+. Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các môi trường YAG và YVO4 chuyển dịch quang học có xác suất lớn nhất ứng với bước sóng 1064 nm và trong các môi trường YLF và thủy tinh chuyển dịch quang học lớn nhất ứng với bước sóng 1053 nm và 1054 nm (bảng 1.1). 1.1.1. Môi trƣờng laser Nd:YAG Dịch chuyển không phát xạ Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [7 p.5] . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 13 Đây là môi trường laser đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay, cấu trúc năng lượng và chuyển dịch quang học cho bức xạ laser được mô tả trên hình 1.1. Trên hình 1.2 chúng ta thấy rằng phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh của ion Nd3+ ở quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm và 800 nm. Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng laser bán dẫn loại AlGaAs phát xạ laser ở vùng bước sóng 808 nm để bơm Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2) cho laser Nd:YAG. Bước sóng (nm) Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 K [19 p.208]. (đường liền nét cho Nd3+ trong nền YAG; đường đứt nét cho Cr3+ trong nền Alexandrite. Trục tung bên phải cho Nd3+, bên trái cho Cr3+) Trên giản đồ mức năng lượng hình 1.1 chúng ta thấy rằng, laser Nd:YAG hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức, các dịch chuyển quang học và quá trình hình thành laser được mô tả như sau: Ở nhiệt độ thấp các nguyên tử tập trung chủ yếu ở mức cơ bản là 4I9/2. Khi chiếu ánh sáng kích thích vào tinh thể Neodium (trên hình 1.1 sử dụng nguồn kích thích là laser diode vùng 808 nm), các nguyên tử được kích thích lên trạng thái kích thích 4F5/2, do thời gian sống của nguyên tử trên mức này rất ngắn ( 10-15 s) nên chúng hồi phục không phát xạ rất nhanh từ trạng thái 4F5/2 về trạng thái 4F3/2 – đây là mức laser trên, thời gian sống của nguyên tử trên trạng thái này với ion Neodium cỡ ( 10-7s), vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền. Nghịch đảo độ tích luỹ được tạo ra giữa mức laser trên 4F3/2 và các mức laser dưới là 4I13/2, 4I11/2 , 4I9/2. Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra từ mức laser trên 4F3/2 tới mức laser dưới 4I13/2, 4I11/2 , 4I9/2 [19 p.371]. Các dịch chuyển quang học có thể và xác suất của các dịch chuyển tương ứng cho trên bảng 1.2: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 Bảng 1.2: Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ và xác suất tương ứng [7 p.4]. Chúng ta thấy rằng, xác suất dịch chuyển cao nhất từ mức laser trên 4F3/2 về mức laser dưới 4I11/2 khoảng 60% và bước sóng trung tâm là 1064 nm. Vì vậy, các laser Nd:YAG chủ yếu được chế tạo để cho phát xạ laser ở bước sóng này. Phổ phát xạ Cường độ (a.u) huỳnh quang của Nd:YAG được biểu diễn trên hình 1.3: Bước sóng (Å) Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YAG thu ở 300 0K [7 p.7]. Với thời gian sống của ion Nd3+ ở mức laser trên ( 230 s) rất thích hợp cho việc phát các xung Q-switch. Trên bảng 1.1, độ rộng phổ laser Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN = 4,5 cm-1 tại bước http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 sóng 1064 nm đo ở nhiệt độ 300 0K, có nghĩa rằng khả năng phát xung ngắn thu được ở chế độ hoạt động mode-locking có thể đạt tới độ rộng xung laser là 5 ps [19 p.371]. 1.1.2. Môi trƣờng laser laser Nd:YVO4 a: Nồng độ pha tạp Nd3+ 0,5% trong nền YVO4 (độ dày mẫu: 1mm) b: Nồng độ pha tạp Nd3+ 3% trong nền YVO4 (độ dày mẫu: 1mm) Hình 1.4: Phổ truyền qua của môi trường Nd:YVO4 đo ở nhiệt độ 300 K [13]. Môi trường laser Nd:YVO4 là môi trường laser đang được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây [11], [15]. Sở dĩ môi trường Nd:YVO4 được sử dụng rộng rãi là vì nó có những đặc điểm nổi bật như: 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 pha tạp các ion Nd3+ vào khoảng 0,5 ÷ 2 %. Phổ truyền qua của ion Neodium trải dài từ vùng nhìn thấy cho tới vùng hồng ngoại như trên hình 1.4. 4 F7/2 4 F5/2 -1 11,502 cm F3/2 4 4 -1 11,414 cm 1,06 m 0,8 m 0,7 m 4 I11/2 I9/2 -1 2,526 cm 3 -1 = 2.10 cm -1 2,001 cm Hình 1.5: Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền YVO4 [19 p.370]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Từ hình 1.4, chúng ta thấy phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4 cũng tương tự như môi trường laser Nd:YAG gồm có 03 vùng hấp thụ chính là 600 nm, 730 nm và 800 nm. Vì vậy, các Nd:YVO4 thích hợp cho việc bơm quang học bằng laser bán dẫn 808 nm. Các dịch chuyển quang học khi bơm bằng laser bán dấn được mô tả trên hình 1.5. Tương tự như với laser Nd:YAG, laser Nd:YVO4 hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức với mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 (khi bơm quanh vùng 800 nm) và 4F7/2 (khi bơm quanh vùng 700 nm), mức laser trên là 4F3/2 và mức laser dưới là 4 I11/2. Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch chuyển từ mức laser trên về các mức laser dưới sẽ cho ta một loạt các bước xạ laser với bước sóng khác nhau và xác suất dịch chuyển khác nhau. Xác suất dịch chuyển cho bức xạ laser mạnh nhất là quanh vùng 1,06 m. Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 300K với cả hai phân cực p và s trên hình 1.6. Từ phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 chúng ta thấy rằng, phát xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở vùng bước sóng 1,06 m, vì vậy, hầu hết các laser Nd:YVO4 được chế tạo hoạt động ở vùng bước I (a.u) I (a.u) sóng này. a: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4 nồng độ pha tạp 1.1% (phân cực p) b: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4 nồng độ pha tạp 1.1% (phân cực s) Hình 1.6: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4 [13]. So sánh các thông số giữa môi trường Nd:YAG và Nd:YVO4 trên bảng 1.1 chúng ta thấy rằng: môi trường Nd:YVO4 có thời gian sống huỳnh quang ngắn hơn, phổ phát xạ laser rộng hơn (hơn 2 lần), tiết diện phát xạ cưỡng bức lớn hơn (cỡ 3 lần), Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 vì vậy, so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO4 có thể phát được xung ngắn hơn và cho công suất laser cao hơn. 1.1.3. Môi trƣờng laser Nd:glass Đây cũng là một môi trường laser được sử dụng khá rộng rãi đặc biệt trong chế tạo, khuếch đại laser công suất cao và trong các thí nghiệm sử dụng các kỹ thuật bốc bay bằng laser. Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền thủy tinh cũng tương tự như các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền YAG, dịch chuyển quang học cho bức xạ laser mạnh nhất tương ứng với bước sóng 1,05 m. Do tiết diện phát xạ cưỡng bức nhỏ (kém 7 lần so với Nd:YAG) nên thông thường mật độ pha tạp ion Nd3+ trong thủy tinh lớn hơn vài lần so với trong YAG và năng lượng bơm cho laser Nd:glass thường lớn gấp 1,6 lần so với laser Nd:YAG cùng kích cỡ môi trường hoạt chất [19 p.373]. Tuy nhiên, do hiện tượng mở rộng không đồng nhất trong nền thủy tinh nên phổ phát xạ laser Nd:glass rộng hơn so với laser Nd:YAG, đặc biệt ở bước sóng 1,05 m phổ phát xạ laser rộng hơn tới 40 lần so với môi trường Nd:YAG (bảng 1.1). Với phổ phát xạ laser rộng, môi trường Nd:glass thích hợp cho việc phát các xung ở chế độ mode-locking, thực tế người ta đã xây dựng thành công các laser Nd:glass bơm bằng laser bán dẫn theo cấu hình bơm dọc, phát các xung laser cực ngắn (tới 100 fs) [19 p.373]. Một trong những ưu điểm rất quan trọng của môi trường Nd:glass đó là khả năng chế tạo được các tinh thể khổ lớn. Với ưu điểm này, cho phép chế tạo các tinh thể laser khổ lớn sử dụng trong các hệ khuếch đại laser công suất cực cao. Nhược điểm lớn nhất của môi trường laser Nd:glass đó là hệ số dẫn nhiệt của nền thủy tinh kém (kém hơn khoảng 10 lần so với YAG), vì vậy, các laser Nd:glass chỉ hoạt động được ở tần số thấp (< 5 Hz) [10]. 1.2. Môi trƣờng laser Chromium Môi trường laser Chromium là môi trường laser đang được phát triển khá rộng rãi hiện nay. Môi trường laser Chromium chủ yếu được phát triển trên hai nền quang học là: LiSrAlF6 (viết tắt là: Cr:LiSAF) và LiCaAlF6 (Cr:LiCAF). Trong các nền quang học này các ion Cr3+ thay thế một vài ion Al3+ trong mạng tinh thể. Các chuyển dịch quang học cho phát xạ laser là các chuyển dịch quang học của ion Cr3+. Cấu trúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 18 mức năng lượng và các chuyển dịch quang học của ion Cr3+ trong nền LiSAF và LiCAF tương tự nhau và được biểu diễn trên hình 1.8. Đặc điểm nổi bật của môi trường laser Chromium đó là phổ phát xạ rất rộng (bảng 1.3), thích hợp cho việc phát các xung laser cực ngắn và có thể xây dựng các hệ laser điều chỉnh bước sóng trong một khoảng phổ khá rộng. Các thông số chính của một số môi trường laser có thể điều chỉnh bước sóng được cho trên bảng 1.3: Bảng 1.3: Các thông số của một số môi trường laser điều chỉnh bước sóng [19 p. 383]. Phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang được biểu diễn trên hình 1.7: Trên phổ hấp thụ hình 1.7, chúng ta thấy rằng môi trường laser Cr3+ có hai vùng phổ hấp thụ mạnh: vùng thứ nhất trung tâm là bước sóng 450 nm; vùng thứ hai xung quanh bước sóng 650 nm tương ứng với dịch chuyển hấp thụ 4A2 4 T1 và 4A2 E2 . Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng các đèn flash để bơm cho các laser này hoặc sử dụng các nguồn phát laser bán dẫn loại GaInP/AlGaInP phát xạ ở bước sóng 670 nm để bơm cho laser Chromium với hiệu suất bơm khá cao. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học liên quan đến quá trình hấp thụ và phát xạ của laser Chromium được biểu diễn trên hình 1.8. Khác với cấu trúc năng lượng của ion Cr3+ trong môi trường laser Alexandrite (BeAl2O4: Cr3+), trong laser Cr:LiSAF trạng thái 4T2 nằm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 19 trong dải hấp thụ từ 4A2 2 E, mức dao động thấp nhất của 4T2 nằm xấp xỉ dưới trạng Hấp thụ Phát xạ Tiết diện phát xạ Tiết diện hấp thụ thái 2E. Do hồi phục nhanh giữa 2 trạng thái này, trạng thái được tích luỹ nhiều nhất Bước sóng (nm) Hình 1.7: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Cr:LiSAF và Cr:LiCAF [19 p.386]. giờ đây là 4T2. Do vậy, trạng thái 2E không đóng vai trò tích trữ năng lượng như đối với laser Alexandrite. Điều này được chứng tỏ rằng thời gian sống đo được của trạng thái 4T2 (cỡ s) gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy, nghịch đảo độ tích lũy xảy ra giữa trạng thái 4T2 và trạng thái cơ bản 4A2 [17]. 3. Các mức năng lƣợng của Cr3+ Năng lượng Năng lượng Các dịch chuyển quang học như hình vẽ tương ứng với thời gian hồi phục (a) Trục tọa độ (b) Trục tọa độ Hình 2. Các mức năng lượng của Cr3+ và sơ đồ 4 mức Hình 1.8: Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học của ion Cr3+ trong các nền quang học: (a) - Alexandrite; (b) - Cr:LiSAF [12 p.75],[21 p.327]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 20 Dịch chuyển cho phát xạ laser thu được khi các ion Cr3+ hồi phục từ trạng thái 4 T2 4 A2. Tùy thuộc vào trạng thái cuối cùng của quá trình hồi phục (các trạng thái dao động của mức 4A2) chúng ta có phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF trải rộng trong dải bước sóng từ 780 1010 nm và phát xạ mạnh nhất tương ứng với bước sóng khoảng 850 nm. Trên thực tế, môi trường laser Cr:LiSAF được sử dụng rộng rãi hơn môi trường Cr:LiCAF bởi nó có tiết diện phát xạ lớn hơn đồng thời dải điều chỉnh bước sóng cũng rộng hơn (bảng 1.3). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 21 Chƣơng 2. CÁC CƠ CHẾ BƠM CHO LASER RẮN NÓ . 2.1. Các cơ chế bơm cho laser. Để tạo nghịch đảo độ tích luỹ cho laser hoạt động, chúng ta cần bơm năng lượng cho môi trường hoạt chất. Có rất nhiều phương pháp bơm năng lượng cho môi trường hoạt chất: Bơm quang học, bơm điện, bơm hoá học, bơm nhiệt,....Nhưng chủ yếu vẫn là hai phương pháp bơm sau: bơm quang học và bơm điện. 2.1.1. Bơm quang học. Bơm quang học là dùng một nguồn sáng khác có 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 có 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 [19]. Các nguồn bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết hợp như: các đèn xung (phóng điện trong chất khí), các diode phát quang (LED), đèn hồ quang liên tục, ngọn lửa,... 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). 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+: YVO4 có thể được bơm bằng các laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm. Laser Cr3+: LiSAF có thể được bơm bằng các laser bán dẫn ở bước sóng 650 nm hoặc 670 nm [19]... 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). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 22 Bơm quang học bằng laser được đặc trưng bởi khả năng bơm lọc lựa rất cao, ta có thể kích thích một số mức đặc biệt hay kích thích chỉ mức đơn. Hơn nữa, bơm bằng laser cho phép kết cấu laser gọn, ngưỡng bơm thấp và hiệu suất laser cao [4]. Chúng ta sẽ xét cụ thể cơ chế bơm quang học bằng laser bán dẫn cho laser rắn ở phần 2.2 của báo cáo 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 của 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 [19]. 2.2. 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 sẽ 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 với phổ điện tử băng hẹp: các laser khác. 2.2.1. Bơm bằng nguồn sáng không kết hợp. * Đèn bơm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 23 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 [19]. 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, chúng ta có thể sử dụng đèn phóng khí (hay đèn flash – flash lamp) để bơm cho laser rắn (hình 2.1). Bức xạ của đèn phóng khí là ánh sáng trắng, do quá trình phát xạ huỳnh quang của các hỗn hợp khí trong đèn. Ưu điểm của đèn flash là có hiệu suất biến đổi năng lượng điện thành năng lượng quang lớn nhất. Hình 2.1. Đèn flash dùng để bơm cho laser rắn [10]. 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 Cường độ (tỉ đối) nó cần đến điện áp ion hoá thấp hơn và khối lượng riêng lớn hơn so với tất cả các loại đèn khí khác. 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 Bước sóng (nm) Hình 2.2. Đặc trưng phổ phát xạ của đèn Xenon [5]. 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 ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 24 chế độ liên tục, cần sử dụng đèn hồ quang liên tục. Do trong laser liên tục sử dụng hoạt chất với ngưỡng phát thấp, nên cường độ bức xạ của đèn hồ quang chỉ cần thấp hơn các đèn xung khác. Đèn xung có nhiều dạng cấu trúc khác nhau: dạng ống xoắn ốc, dạng ống trụ (hình 2.1), dạng gấp khúc (hình 2.3)… 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 từ một vài mm đến vài chục mm, chiều dài từ vài cm đến vài chục cm [19]. * 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. Hộp phản xạ Đèn (a) Môi trường hoạt tính Hộp phản xạ Môi trường hoạt tính (b) Đèn Hộp phản xạ Môi trường hoạt tính (c) Đèn Hình 2.3. Các cấu hình bơm khác nhau [4, 5]. 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 chỉ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 25 cộng hưởng thông thường từ 30 chỉ đạt 0,1 70 %. Tất cả các yếu tố trên dẫn đến hiệu suất laser 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 [5]. Trong các trường hợp 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). 1: Thanh hoạt chất 2: Gương ra 3: Gương 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 Thanh laser Nd3+ Hình 2.5. Ảnh của một hộp đèn bơm elíp [16] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/