Tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd-YAG

MỞ ĐẦU
Từ khi ra đời đến nay, kĩ thuật laser đã không ngừng phát triển với tốc
độ rất nhanh. Các loại laser đã ngày càng chứng tỏ được những ưu thế vượt
trội trong nhiều lĩnh vực như: khoa học công nghệ, vũ trụ học, y học, thẩm
mỹ, địa chất… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser đã được phát triển đa
dạng về chủng loại đồng thời kĩ thuật chế tạo laser cũng ngày càng hoàn thiện
hơn.
Trong thực tế hiện nay, các laser rắn – mà điển hình trong số đó là laser
Nd:YAG được kích thích bằng phương pháp bơm quang học – vẫn đã và đang
được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ.
Tuy nhiên, nhu cầu ứng dụng không chỉ dừng lại ở đó, người ta mong muốn
chế tạo những loại laser có kích thước nhỏ gọn, có thể cầm tay mang theo
người để dễ dàng sử dụng mà công suất vẫn đủ lớn để có thể ứng dụng được
trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, đặc biệt là trong quân sự, y học và
thẩm mỹ.
Vì lí do này, trong những năm gần đây thuật ngữ laser mini đã xuất
hiện để chỉ những loại laser rắn xách tay. Các nhà khoa học và nhà công nghệ
trên thế giới ở Mỹ và Trung Quốc đã chế tạo thành công loại laser này. Song
vì đây là vấn đề công nghệ nhạy cảm nên hầu như không có công bố. Ngay cả
việc mua các dòng laser này cũng gặp nhiều khó khăn. Trong nỗ lực tạo ra
các sản phẩm quang điện tử xách tay, Viện Ứng Dụng Công Nghệ đặt vấn đề
nghiên cứu nội dung này để thăm dò khả năng tiếp cận trình độ khoa học
công nghệ quốc tế và tạo cơ sở để khẳng định hướng chế tạo các loại laser
mini nói chung.
Trong việc chế tạo laser mini Nd:YAG, vấn đề về buồng cộng hưởng
quang học mini là yếu tố quan trọng bậc nhất. Nhiệm vụ trọng tâm của luận
1
văn này là tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu
hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG
được Q-switch thụ động.
Luận văn này gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về buồng cộng hưởng
Chương 2: Cơ sở động học của laser rắn được Q-switch thụ động
Chương 3: Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser
Nd: YAG


2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG
1.1. Phân loại về buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng quang học là một bộ phận cấu thành quan trọng của
laser. Đó là một cấu trúc cơ – quang trong đó các thành phần quang học được
bố trí sao cho một chùm ánh sáng có thể lưu chuyển theo một hành trình khép
kín. Người ta có thể phân loại buồng cộng hưởng laser theo những tiêu chuẩn
khác nhau. Ở đây chúng tôi phân loại theo chủng loại laser và theo nguyên lý
lưu chuyển ánh sáng.
1.1.1. Phân loại buồng cộng hưởng theo chủng loại laser.
Có ba loại buồng cộng hưởng điển hình là dạng khối, dẫn sóng và hỗn hợp.
+ Các buồng cộng hưởng quang học khối thường được sử dụng cho các
laser rắn dạng khối. Trong buồng cộng hưởng này, các tính chất của mode
ngang phụ thuộc vào cấu trúc tổng thể của nó (kể cả độ dài của các khoảng
không khí). Kích thước của các mode có thể thay dổi đáng kể theo chiều dọc
buồng cộng hưởng và trong một số trường hợp, các tính chất mode còn bị ảnh
hưởng bởi các hiệu ứng thấu kính nhiệt.
+ Buồng cộng hưởng dẫn sóng thường được chế tạo hoặc dưới dạng các
sợi quang hoặc dưới dạng quang tích hợp. Các tính chất của mode ngang
được xác định bởi các tính chất dẫn sóng.
+ Các buồng cộng hưởng hỗn hợp được dùng trong các laser sợi quang.
1.1.2. Phân loại buồng cộng hưởng theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng
Nguyên lý lưu chuyển ánh sáng có thể là tuyến tính hoặc vòng.

Hình 1.1: Các loại buồng cộng hưởng phổ biến.
3
(a): Buồng cộng hưởng ánh sáng nẩy qua nẩy lại
giữa hai gương đầu – cuối
(b): Buồng cộng hưởng vòng không có gương
đầu – cuối
+ Buồng cộng hưởng tuyến tính sóng đứng: ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữa
hai gương (hình 1.1a).
Cấu hình buồng cộng hưởng tuyến tính thường được sử dụng trong công
nghệ laser biểu thị trong hình 1.2.
Trong mỗi hình vẽ, phần diện tích tô đậm biểu diễn "thể tích mode",
nghĩa là thể tích thực tế bên trong buồng cộng hưởng bị chùm tia laser chiếm
chỗ. Phát xạ kích thích chỉ sinh ra bên trong thể tích này. Phần hoạt chất nằm
ngoài thể tích mode không đóng góp vào phát laser vì không có chùm tia để
kích thích phát xạ photons. Việc lựa chọn một cấu hình buồng cộng hưởng
cho một laser cụ thể nào đó phụ thuộc vào ba yếu tố: Mất mát do nhiễu xạ, thể
tích mode và độ dễ đồng chỉnh.
1. Buồng cộng hưởng song phẳng (hình 1.2a) là thành phần quan trọng
trong các lasers rắn xung và một số lasers xung khác do thể tích mode lớn của
nó cho phép sử dụng hiệu quả hoạt chất laser. Cấu hình buồng cộng hưởng
này có mất mát nhiễu xạ cao nhất, song trong các laser xung các mất mát này
được khắc phục vì thể tích mode lớn sẽ làm tăng độ tăng ích. Một ưu điểm
khác là không hội tụ chùm tia laser bên trong môi trường hoạt chất bởi vì các
gương phẳng không "hội tụ" nên sẽ không gây hư hại cho thanh laser. Nhược
điểm lớn nhất của cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng là rất khó đồng
chỉnh. Một độ nghiêng nhỏ của các gương song phẳng sẽ làm cho chùm tia
"đi ra khỏi" buồng cộng hưởng, tức là không còn hiệu ứng laser.
Buồng cộng hưởng hình cầu (Hình 1.2 b) có tính năng "ngược hẳn" với buồng
cộng hưởng song phẳng. Nó là loại cấu hình dễ căn chỉnh nhất, có mất mát
nhiễu xạ thấp nhất, nhưng lại có thể tích mode nhỏ nhất. buồng cộng hưởng

hình cầu thường không được dùng cho bất kỳ loại laser nào khác ngoại trừ
laser màu liên tục do ở đây cần một chùm tia được hội tụ để tạo ra hiệu suất
phát xạ kích thích cao của các lasers này.
4

Hình 1.2: Các cấu hình buồng cộng hưởng
L
(a)
(b)
(c)
Song phẳng
Bán kính gương r
1
= ∞
r
2
= ∞
r
2
= L/2
r
2
> L
r
2
= ∞
r
2
= L
r

2
= ∞
r
2
= – (r
1
– L)
r
1
= L/2
r
1
> L
r
1
= L
r
1
> L
r
1
= L
r
1
> L
Hình cầu
Bán kính dài
Đồng tiêu
Bán cầu
(d)

(e)
(f)
(g)
Bán cầu - bán kính dài
Gương cầu lồi – lõm
5
2. Buồng cộng hưởng bán kính dài (Hình 1.2 c) cải thiện thể tích mode
một chút, song lại trả giá cho việc khó căn chỉnh hơn nhiều và mất mát nhiễu
xạ lớn hơn một chút so với trường hợp buồng cộng hưởng đồng tiêu. Loại
buồng cộng hưởng này phù hợp với bất kỳ ứng dụng laser liên tục nào, song
cũng chỉ có số ít thiết bị thương mại dùng loại buồng cộng hưởng này.
3. Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) là cấu hình thỏa hiệp giữa
cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng và buồng cộng hưởng hình cầu.
Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính năng dễ căn chỉnh và mất mát
nhiễu xạ thấp của buồng cộng hưởng hình cầu với thể tích mode tăng của
buồng cộng hưởng song phẳng. Cấu hình buồng cộng hưởng đồng tiêu có thể
được sử dụng cho hầu hết laser liên tục, song cũng không phải thông dụng.
4. Buồng cộng hưởng bán cầu (Hình 1.2 e) trên thực tế là một nửa buồng
cộng hưởng hình cầu, và đặc trưng của hai loại này giống nhau. Ưu điểm của
loại buồng cộng hưởng này là giá thành của các gương thấp hơn buồng cộng
hưởng hình cầu. Buồng cộng hưởng bán cầu thường được sử dụng cho các
He-Ne lasers công suất thấp vì mất mát nhiễu xạ thấp, dễ căn chỉnh và giá
thành thấp.
5. Buồng cộng hưởng bán cầu-bán kính dài (Hình 1.2 f) kết hợp ưu điểm
về giá thành của buồng cộng hưởng bán cầu với thể tích mode được cải thiện
của buồng cộng hưởng bán kính dài. Đa số laser liên tục (trừ He-Ne lasers
công suất thấp) sử dụng loại buồng cộng hưởng này. Trong đa số trường hợp,
r
1
> 2L.

6. Buồng cộng hưởng lồi-lõm (Hình 1.2 g) thường chỉ được sử dụng cho
CW CO
2
lasers công suất cao. Trong thực tế, đường kính của gương lồi nhỏ
hơn đường kính của chùm tia. Chùm tia ra được tạo bởi phần của chùm tia đi
qua xung quanh gương và do vậy, chùm tia có dạng "bánh rán". Chùm tia
6
phải đi qua vành ngoài của gương bởi vì không thể chế tạo được các gương
dùng để truyền các chùm cường độ mạnh của các lasers công suất cao.
+ Buồng cộng hưởng vòng: ánh sáng có thể lưu chuyển theo hai hướng
khác nhau. Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu - cuối (hình 1.1b).
1. 2. Các bộ phận chính trong buồng cộng hưởng
1.2.1. Gương laser
Gương laser là bộ phận quan trọng cấu thành lên buồng cộng hưởng
laser. Các gương này có hệ số phản xạ khác nhau trong đó một gương có hệ
số phản xạ gần như toàn phần còn một gương có thể có hệ số phản xạ thấp
hơn. Trừ laser bán dẫn trong đó, hai gương laser là hai mặt của thanh hoạt
chất được cắt song phẳng và phủ hệ số phản xạ khác nhau lên đó, thì trong
các laser khí và laser rắn các gương laser được lắp rời ở hai phía so với thanh
hoạt chất. Người ta phân biệt các buồng cộng hưởng khác nhau tuỳ theo cấu
hình các gương phản xạ tạo thành nó. Gương ở đây có thể là gương phẳng,
gương cầu, lăng kính porro và tam diện. Buồng cộng hưởng song phẳng khi
hai gương phản xạ là gương phẳng, buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu khi hai
gương phản xạ là hai gương cầu có cùng bán kính cong và cùng tiêu điểm
v.v…
Trong các laser rắn xung và một số laser xung khác buồng cộng hưởng
song phẳng là thành phần quan trọng do tính chất thể tích mode và ưu điểm
không hội tụ chùm sáng của nó. Tuy nhiên buồng cộng hưởng loại này có
nhược điểm lớn nhất đó là rất khó đồng chỉnh. Một độ nghiêng nhỏ của
gương cũng làm cho chùm tia đi ra khỏi buồng cộng hưởng, tức là không còn

hiệu ứng laser.
Chính vì vậy việc nghiên cứu thay thế gương phẳng bằng một tam diện
hay một lăng kính porro với các tính chất làm giảm độ nhạy mất đồng chỉnh
7
đáng kể là một hướng đi thích hợp mà luận văn này sẽ đề cập đến trong phần
sau.
1.2.2. Đèn bơm
Các laser rắn được kích thích bằng bơm quang học. 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.
Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta có thể dùng các biện pháp
sau:
- Chọn hoạt chất có mức kích thích là một nhóm các mức hoặc là một
băng rộng và đảm bảo sự trùng khớp giữa các tần số dịch chuyển trong kênh
kích thích với cực đại trong phổ bức xạ bơm.
- Sử dụng phương pháp nhạy hoá : Bên cạnh những ion cơ bản, các loại
ion khác (ion nhạy hoá) được đưa vào chất nền. Những ion nhạy hoá sẽ hấp
thụ hầu như hoàn toàn bức xạ bơm rồi sau đó chuyển năng lượng đã hấp thụ
sang các ion hoạt chất.
- Thay cho sử dụng chất nền với các thành phần đơn giản trong tinh thể
người ta dùng các hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ được mở
rộng đáng kể.
Phương pháp bơm quang học cho laser rắn được chia làm 2 loại chính:
bơm bằng đèn (bơm không kết hợp) và bơm bằng laser (bơm kết hợp). Trong
phạm vi luận văn chúng tôi chỉ xét phương pháp bơm bằng đèn.
Với phương pháp bơm bằng đèn, đòi hỏi cơ bản đối với các đèn bơm

quang học là phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất và có
8
năng lượng bơm đủ lớn. Đó là các đèn phóng điện qua các chất khí khác nhau
đòi hỏi điện áp cao, dòng điện cường độ lớn.
Các đèn này thường có dạng ống thẳng hoặc xoắn và được bố trí như sau:
Hình 1.3: Cấu hình bơm laser rắn sử dụng 1 hoặc nhiều đèn bơm.
Đèn kích cho laser rắn thường là đèn Xenon hoặc Krypton. Các đèn phải
chọn sao cho phổ bức xạ của nó phải phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất.
Trong trường hợp mặt phản xạ có dạng trụ-elip thì thanh hoạt chất và đèn
được đặt ở các tiêu điểm của elip.
Mặc dù ngày nay việc sử dụng các laser diode làm nguồn bơm laser rắn
đã trở nên rất phổ biến nhờ những ưu điểm rất lớn của chúng, nhưng các loại
laser rắn bơm bằng đèn vẫn sẽ tiếp tục được sử dụng trong thời gian dài do
những ưu điểm sau:
- Có thể bơm với công suất rất cao (đặc biệt là công suất đỉnh).
- Giá thành cho mỗi watt công suất tạo ra từ đèn bơm là rẻ hơn nhiều
so với laser diode.
- Các loại đèn bơm khá bền, có thể chịu được các đỉnh thế và dòng
lớn.
Tuy nhiên chúng cũng có nhiều nhược điểm như:
- Thời gian sống của đèn bơm chế độ xung thường rất hạn chế, trong
khoảng vài nghìn đến triệu xung phát.
9
- Hiệu suất biến đổi điện-quang của laser bơm bằng đèn là rất thấp
(chỉ khoảng một vài phần trăm). Hậu quả là không chỉ tiêu thụ điện
năng cao mà còn làm phát sinh một nhiệt lượng lớn. Do đó sẽ cần
một hệ thống làm mát ổn định, và khi đó khó đạt được chùm tia
laser chất lượng cao.
- Các đèn bơm laser thường sử dụng nguồn điện cao thế nên phải đảm
bảo an toàn cao.

- Độ chói bơm thấp (khi so sánh với laser diode) và phổ bức xạ rộng
của đèn bơm sẽ loại trừ rất nhiều môi trường khuếch đại.
Tuy nhiên, thời gian sống, hiệu suất bơm, hệ thống làm lạnh,… không
phải là vấn đề quan trọng khi một đèn flash chỉ hoạt động với tần số lặp lại
thấp (một vài chục Hz) và công suất trung bình. Lúc này một đèn flash với giá
thành hạ sẽ là lựa chọn hàng đầu.
* Hiệu suất bơm và tốc độ bơm:
Xét trường hợp laser rắn được bơm bằng đèn liên tục; ta định nghĩa hiệu
suất bơm η
p
là tỷ số giữa công suất nhỏ nhất P
m
của đèn để tạo ra tốc độ tích
lũy R
p
cho môi trường hoạt chất và công suất điện P
p
cung cấp cho đèn:

m
p
p
P
P
η
=
(1.1)
Do tốc độ tích lũy trong mối trường hoạt chất phân bố không đồng nhất,
nên công suất nhỏ nhất của đèn bơm có thể viết dưới dạng:
2

m mp p mp
dN
P Vh R Vh
dt
ν ν
 
= =
 ÷
 
Trong đó:

2
dN
dt
: là số lượng nguyên tử trên mỗi đơn vị thể tích chuyển lên mức laser
trên trong quá trình bơm.
V : thể tích môi trường hoạt chất.
10

mp
ν
: tần số của dịch chuyển giữa mức năng lượng cơ bản và mức laser trên.
Giả sử quá trình bơm là đồng nhất, ta có thể viết:
m mp p mp p
a
P h R dV h R V
ν ν
= =
∫
(1.2)

Tích phân được lấy theo toàn bộ thể tích hoạt chất, còn
p
R
là giá trị trung
bình của R
p
Từ (1.1), (1.2)
→

( )
mp p
p
p
h R V
P
ν
η
=
(1.3)
Còn đối với trường hợp laser được bơm bằng đèn flash; hiệu suất bơm
cũng được tính tương tự:
( )
mp p
p
p
h R dVdt
E
ν
η
=

∫
(1.4)
Tích phân lấy theo toàn bộ thể tích hoạt chất và thời gian xung; E
p
là điện
năng cung cấp cho đèn flash.
Để tính hiệu suất bơm laser, ta có thể chia quá trình bơm làm 4 bước
riêng biệt:
(1): Quá trình bức xạ của đèn bơm.
(2): Quá trình truyền bức xạ đến môi trường hoạt chất.
(3): Quá trình hấp thụ bức xạ của môi trường hoạt chất.
(4): Quá trình chuyển năng lượng được hấp thụ để tích lũy cho mức
laser trên.
Khi đó hiệu suất bơm có thể được biểu diễn thành tích của 4 thừa số:

p r t a pq
η η ηη η
=
(1.5)
Trong đó:
η
r
: hiệu suất bức xạ (radiative efficiency) đó là hiệu suất chuyển đổi
giữa năng lượng điện cung cấp cho đèn thành năng lượng ánh sáng
trong vùng bước sóng phù hợp với vùng bơm của môi trường laser.
11
η
t
: hiệu suất truyền năng lượng (transfer efficiency) : tỷ lệ giữa phần
năng lượng thực sự đi vào hoạt chất và năng lượng của đèn bơm

trong vùng phổ phù hợp.
η
a
: hiệu suất hấp thụ (absorption efficiency) : phần ánh sáng đi vào
hoạt chất bị hấp thụ thực sự.
η
pq
: hiệu suất lượng tử năng lượng (energy quantum efficiency) : phần
năng lượng được hấp thụ để tích lũy cho mức laser trên:
p mp
pq
a
R Vh
P
ν
η
=
; P
a
là công suát được hấp thụ.
Các hiệu suất bơm trên có thể được tính toán khi ta biết được: phổ bức
xạ của đèn bơm, dạng hình học của đèn, hiệu suất hấp thụ và kích thước của
môi trường hoạt chất.
1.2.3. Q-switching
1.2.3.1. Phương pháp Q-switching
Phương pháp Q-switching lần đầu tiên được Hellwarth thực hiện với
laser Ruby. Đây là phương pháp điều khiển một hệ laser nhằm tạo laser có
xung ngắn với năng lượng cao. Cái tên Q-switching được đặt tên cho nhân tố
đóng ngắt độ phẩm chất Q trong buồng cộng hưởng. Ý tưởng của phương
pháp này là: Đặt một khe đóng mở trước một gương phản xạ. Khi đóng màn

này bơm có thể tạo được hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngưỡng rất nhiều
nhưng laser không phát. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có
giá trị nhỏ, tức là mất mát lớn. Chỉ khi đột ngột mở màn chắn thì độ phẩm
chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột biến, các nguyên tử ở trạng thái
kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới, hiệu độ tích luỹ giảm rất
nhanh và cho phát một năng lượng lớn dưới dạng một xung có thời gian ngắn,
đó là một xung cực lớn so với xung phát thông thường.
12
Hình 1.4: Độ phân giải thời gian của tăng ích, độ mất mát và xung ra trong
một Q-switched laser. n
i
: Mật độ đảo ban đầu. n
t
: Mật độ phôtôn tại nơi mật
độ đảo của laser có thể vượt ngưỡng với mức mất mát thấp. Tại điểm này có
công suất đỉnh, mật độ phôtôn chuyển hoàn toàn từ mật độ đảo đến giá trị cuối
cùng (n
f
), được xác định bởi tỉ số của n
i
/n
t
.
Hình 1.4 biểu thị mối quan hệ giữa độ tăng ích laser và độ mất mát xem
xét dựa trên xung ra của laser được Q-switches. Với mất mát ban đầu trong
buồng cộng hưởng cao, tăng ích tăng đến mức cao, mức có thể được xem như
không mất mát nhiệt. Khi độ phẩm chất được ngắt ở tăng ích cao, sự đảo
ngược tăng ích rất nhanh dẫn đến sự dao động laser tạo ra một sự tăng theo
cấp số nhân mật độ phôtôn trong buồng cộng hưởng, do đó phát xung laser.
Mật độ phôtôn tăng lên cho đến khi mật độ đảo giảm tới điểm ở đó laser có

thể vượt ngưỡng với mức mất mát thấp hơn (n
t
). Sau điểm có mật độ phôtôn ở
đỉnh, xung ra giảm tới điểm ở đó độ tăng ích được xả hết ra bởi xung laser.
Mật độ đảo ban đầu (n
i
) là mật độ nghịch đảo độ tích lũy của trường
laser tại điểm Q-switching bắt đầu hoạt động. Giá trị cụ thể được xác định bởi
mức mất mát nhiệt được sinh ra từ quá trình Q-switching. Nó cũng là đối
tượng để xác định giới hạn trên bằng năng lượng mất mát do phát xạ tự phát
13
Mất mát cộng hưởng
Mật độ đảo
laser
Khoảng thời
gian bơm
Khoảng thời gian
xung ra
Xung laser
của mức năng lượng trên của môi trường laser. Đây cũng là nguyên nhân làm
thêm mất mát khi quá trình phát xạ tự phát được khuếch đại bởi mật độ đảo.
Những ảnh hưởng này tạo ra một lượng năng lượng giới hạn có thể được dự
trữ trong mật độ đảo của laser.
Mật độ đảo ở mật độ phôtôn cực đại (n
t
) được xác định bởi mức mất mát
thấp của quá trình Q-switching. Mật độ phôtôn tăng từ khi bắt đầu quá trình
Q-switch và đạt các đỉnh ở điểm với tăng ích vượt ngưỡng với mức mất mát
thấp.
Mật độ đảo suy yếu ở mức cuối (n

f
) là một hàm theo thời gian của mật độ
đảo lúc bắt đầu Q-switch (n
i
) và ở công suất đỉnh (n
t
). Tỉ số của hai giá trị
(n
i
/n
t
) xác định lượng mật độ đảo suy yếu. Nếu n
i
gần với mật độ ở ngưỡng
phát laser tức là gần n
t
thì n
f
sẽ được suy hao một lượng xấp xỉ bằng n
t
giảm
xuống n
i
. Tuy nhiên, nếu n
i
lớn hơn rất nhiều so với n
t
, thì xung Q-switch sẽ
suy giảm gần như hoàn toàn mật độ đảo, khi đó n
f

xấp xỉ bằng không. [14-16]
1.2.3.2. Các cơ chế hoạt động của Q-switching
Có bốn loại cơ chế hoạt động cho Q-switching: Cơ, quang điện, quang
âm và sự hấp thụ thụ động. Các cơ chế hoạt động của Q-switch như cơ, quang
điện và các loại quang âm được xem như thuộc loại Q-switch chủ động, Q-
switch hoạt động dựa trên sự tích luỹ năng lượng trong buồng cộng hưởng
của chất hấp thụ bão hoà được gọi là Q-switch thụ động.
a) Q-switching chủ động
Các loại Q-switch cơ học thường được sử dụng nhiều trong các ứng
dụng Q-switching là do sự đơn giản của nó. Một trong những thiết bị ngăn
chặn sự hoạt động của laser này là thông qua việc sử dụng các gương quay
hoặc những dụng cụ đóng ngắt trong buồng cộng hưởng laser. Những cơ chế
cơ học khá đơn giản đã giúp Q-switch hoạt động tốt bởi vì chúng không
những gây ra mất mát ở độ phẩm chất Q thấp, mà còn làm cho sự truyền toàn
14
bộ ở mức độ phẩm chất Q cao. Tuy nhiên, hầu hết chúng đã được thay thế
bằng các thiết bị quang điện hoặc quang âm do cơ học làm quay bị hạn chế
nên phương pháp này không thể cho xung cực lớn theo ý muốn và do đó
phương pháp này không được sử dụng rộng rãi.
Một trong những ví dụ đầu tiên của Q-switching sử dụng mô hình
quang điện. [9,11] Các thiết bị này cho ta trung bình của đặc tính quang điện
bị giới hạn bởi một vài vật liệu, chúng mang tính lưỡng chiết khi bị ảnh
hưởng của điện trường truyền qua. Trả giá cho điều này là việc thêm vào một
bộ phận điện phức tạp cần thiết để điều khiển ứng dụng của điện trường, các
thiết bị này giúp bộ Q-switching hoạt động rất nhanh nhưng bị giới hạn bởi
khả năng đóng ngắt của hiệu điện thế. Một trong những ví dụ phổ biến nhất
của các thiết bị này là tế bào Pockel và tế bào Kerr. Sự khác nhau giữa hai
loại này là tính lưỡng chiết trong các vật liệu được sử dụng cho tế bào Kerr
phụ thuộc bậc hai vào điện trường trong khi với tế bào Pockel thì phụ thuộc
tuyến tính vào điện trường. Các tế bào Pockel thường được ưu ái sử dụng hơn

do đối với tế bào Kerr điện trường tác dụng ứng với hiệu điện thế khoảng 10-
20KV còn với tế bào Pockel ở điều kiện tương tự chỉ cần điện trường ứng với
hiệu điện thế khoảng 1-5KV.
Trong hình 1.5 biểu diễn một Q-switch quang điện sử dụng tính lưỡng
chiết, sự truyền bức xạ phân cực tuyến tính qua tế bào Kerr có thể được quay.
Bằng cách cẩn thận sử dụng đặc tính này, mất mát của buồng cộng hưởng
laser có thể bị tăng lên bởi một cặp phát xạ qua lại trong buồng cộng hưởng
làm cho độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thấp đi. Khi năng lượng đủ
được tích luỹ trong vật liệu laser, ánh sáng phân cực tuyến tính được tạo ra
bởi laser được quay 90
0
trong tế bào Kerr. Sự thay đổi này trong tế bào Kerr
đóng ngắt mất mát thấp và cho phép laser hoạt động.
15
Hình 1.5: Sử dụng điện điều biến đặc tính lưỡng chiết trong tế bào Kerr,
dao động laser ngưng lại khi độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng thấp và
sự phát xạ trong buồng cộng hưởng được kết hợp (a). Q-switching đạt được
bởi sự thay đổi mất mát trong buồng cộng hưởng và tương ứng cho sự phát
laser (b).
Mô hình quang âm sử dụng đặc tính quang âm hoặc sự thay đổi chiết xuất
của vật liệu do tác dụng cơ học. Tác dụng cơ học vào tinh thể theo chu kỳ
tuần hoàn thông qua sử dụng sóng âm, thời gian thay đổi trong chiết xuất của
khúc xạ được tạo ra khi qua tinh thể. Như đã miêu tả trong hình 1.6, những
trường hợp này tinh thể hoạt động như một cách tử nhiễu xạ, phần khúc xạ
của chùm ra ngoài đường đi ánh sáng trong buồng cộng hưởng.
Khi trường âm bị tắt, Q-switch cho phép chùm truyền bình thường, khi đó
độ phẩm chất của buồng cộng hưởng cao. Tốc độ hoạt động của Q-switch là
thấp hơn Q-switch quang điện, bị hạn chế bởi tốc độ truyền của sóng âm qua
tinh thể và đường kính chùm.
16

Các gương buồng
cộng hưởng
Vật liệu laser Tế bào
Kerr
Kính phân tích
(a)
Các gương buồng
cộng hưởng
Vật liệu laser Tế bào
Kerr
Kính phân tích
(b)
Hình 1.6: Q-switch quang âm tạo mất mát độ phẩm chât Q bằng tác dụng sóng
âm qua tinh thể. Sức căng gây ra trong những trường hợp này rất khác nhau,
với tần số và biên độ xác định bởi tác dụng sóng âm khi khúc xạ qua tinh thể.
Những trường hợp này vật liệu hoạt động như một cách tử nhiễu xạ và làm
nhiễu xạ một phần chùm tia tới ra ngoài buồng cộng hưởng. Độ phẩm chất
buồng cộng hưởng cao được điều khiển khi thay đổi sóng âm. [14, 17]
Tuy nhiên, vật liệu với chất lượng quang học cao có thể cho ta ứng dụng tạo
ra thiết bị quang âm với mất mát quang học thấp.
b) Q-switching thụ động
Q-switch thụ động là cơ chế hoạt động dựa trên sự thay đổi mất mát của
buồng cộng hưởng laser tương ứng mật độ phôtôn bên trong laser. Khi Q-
switch hoạt động nó tự đóng ngắt không cần hiệu điện thế cao, chọn thời điểm
cho các điện tử, máy biến âm hoặc một số các điều kiện phức tạp cần thiết
khác cho quá trình Q-switch. Điều này cho phép cấu trúc có thể đơn giản và
nhỏ gọn vẫn cho xung laser năng lượng cao.
17
Chỉ số
khúc xạ

Chùm tới
Chùm không
bị lệch
Chùm
nhiễu xạ
Phương truyền sóng âm
Máy biến năng
Đây là một sự thuận lợi đáng kể, nhưng hệ tự đóng ngắt có những điều
kiện phức tạp. Bởi vì nó không có điều khiển đóng ngắt bên ngoài, hệ thiếu
cái có thể xác định thời điểm xung Q-switch từ bên ngoài. Thêm vào đó,
chuỗi các xung từ một Q-switch laser thụ động sẽ chỉ ra một vài độ lệch thời
gian từ một chu kì truyền xung. Sự khác nhau này được xem như sự biến
động thời gian [18, 19], nhưng chú ý phải chọn khi sử dụng hệ Q-switch laser
thụ động cho ứng dụng yêu cầu thời điểm chính xác. Mặc dù có những giới
hạn này, do hệ Q-switch thụ động có cấu tạo đơn giản làm cho chúng có thể
được thay thế sử dụng trong nhiều ứng dụng.
Mặc dù nhiều phương pháp thụ động khác đã được đưa ra, như Q-switch
màng mỏng dùng công cụ là chất hoạt động theo mật độ phôtôn bên trong
laser, cơ chế hoạt động của nó được chỉ ra trong [20, 21], nhưng hầu hết các
Q-switch thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hoà. Các vật liệu này sử dụng sự
truyền hấp thụ ở bước sóng laser để gây ra mất mát trong buồng cộng hưởng
laser. Các vật liệu này sẽ ngăn cản sự dao động laser ban đầu do bản thân khả
năng của chúng hoặc năng lượng hấp thụ ở bước sóng laser. Nếu thời gian
sống của sự truyền hấp thụ này đủ dài để mật độ phôtôn trong buồng cộng
hưởng có thể bị bão hoà, mất mát ban đầu của buồng cộng hưởng được giảm
và cuối cùng sẽ cho phép có dao động laser trong buồng cộng hưởng. Điều
này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần 1.2.4.2.
Ban đầu, hấp thụ bão hoà được dựa trên cơ sở chất màu hữu cơ. Người ta
đã gặp phải những khó khăn để làm việc với nó và bị giảm chất lượng do sự
suy giảm tốc độ cao. Vì vấn đề này mà hầu hết các Q-switch thụ động phổ

biến có hấp thụ bão hoà trạng thái rắn như Cr
4+
:YAG. Những Q-switch thụ
động trạng thái rắn này mạnh so với các vật liệu Q-switch thụ động khác, làm
cho chúng trở nên tốt và thích hợp cho cấu trúc nhỏ với năng lượng laser cao.
18
Các vật liệu hấp thụ bão hòa cũng gây nên hiện tượng hấp thụ còn dư.
Điều này sẽ làm tăng them những mất mát cho hoạt động laser khi Q-switch
đã được đóng ngắt. Hiện tượng này có nguyên nhân từ những sự hấp thụ thứ
cấp không được bão hòa tại bước sóng laser. Các tính chất đặc trưng của quá
trình hấp thụ trong trạng thái kích thích của vật liệu Q-switch thụ động
Cr
4+
:YAG sẽ được thảo luận chi tiết trong phần 2.4.2.[14,16]
Sử dụng chất hấp thụ bão hoà để Q-switching được gọi là Phương pháp
biến điệu độ phẩm chất thụ động. Ngược với phương pháp cơ học và quang
điện và quang âm đã trình bày ở trên, Q-switching ở trên cần thiết bị phụ trợ
nhiều hơn và thêm vào đó Q-swicthing thụ động còn có ưu điểm là nó thường
cho một xung ra tập trung hầu hết vào một mode đơn. Lý do là nó đã cho một
thời gian xác định để chất hấp thụ bão hoà có độ bão hoà rất cao và do vậy
tăng độ phẩm chất của buồng cộng hưởng. Trong lúc ấy cường độ trong
buồng cộng hưởng do ồn phát ra tạo ra các mode khác và nó lớn hơn các
mode đó với mất mát thấp nhất ở mỗi lần qua. Vì thông thường một phôtôn
có thể tạo ra vài ngàn chu trình trước khi chất hấp thụ được bão hoà nên thậm
chí một sự khác biệt nhỏ của các mode khác nhau cũng trở nên đáng kể. Kết
quả là chỉ có một mode hoặc vài mode mất mát thấp nhất xuất hiện trong
xung Q-swicthing.
1.2.4. Vật liệu trong buồng cộng hưởng laser Nd: YAG
1.2.4.1 Thanh hoạt chất
Hoạt chất Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y

3
A
15
O
12
có
pha tạp các iôn Nd
3+
làm tâm của hoạt chất. Đây là vật liệu có nhiều đặc tính
quang và cơ thuận lợi như độ dẫn nhiệt không đáng kể và tiết diện ngang của
phát xạ kích thích nhỏ, rất hữu dụng khi sử dụng bơm bằng đèn flash trong
laser chế độ Q-switch. Độ dẫn nhiệt thấp hơn không có ý nghĩa quyết định
công suất thấp hơn hay không trong một chu trình laser. Tuy nhiên, giảm yếu
19
tố tiết diện ngang của phát xạ kích thích là hữu ích vì nó làm giảm khuếch đại
phát xạ tự phát (ASE), và do đó nó cho phép năng lượng được tích trữ lớn
hơn trong môi trường tăng ích trước khi có sự ảnh hưởng đáng kể trở lại của
(ASE). Điều này có nghĩa là vật liệu Nd: YAG cho hiệu quả Q-switch tốt hơn.
Sơ đồ năng lượng của iôn Neodymium như sau:
Hình 1.7: a. Sơ đồ mức năng lượng của Nd trong tinh thể Nd: YAG
b. Ba nhóm phổ hấp thụ của iôn Nd
c. Phổ bức xạ của iôn Nd
Mỗi dải năng lượng ứng với một nhóm các mức rất gần nhau xuất hiện
do sự tách mức trong điện trường mạng tinh thể garnet (hiệu ứng stark), nhờ
bơm các iôn Nd chuyển từ trạng thái cơ bản ứng với một năng lượng
4
I
9/2
lên
ba nhóm mức A, B, C.

- Nhóm A ứng với các mức năng lượng
4
S
3/2

4
F
7/2
- Nhóm B ứng với các mức năng lượng
4
H
9/2

4
F
5/2
- Nhóm C ứng với các mức năng lượng
4
F
3/2
20
Những nhóm phổ này ứng với ba đám phổ hấp thụ của iôn Nd trong
Garnet. Cấu trúc phổ hấp thụ phản ánh sự tách mức năng lượng bởi hiệu ứng
Stack.
Mức năng lượng
4
F
3/2
là mức laser trên, các iôn Nd có thể dịch chuyển
bức xạ từ mức này về các mức

4
I
15/2
,
4
I
13/2
,
4
I
11/2
,
4
I
9/2
và giải phóng năng
lượng. Phần lớn năng lượng này (60%) tập trung vào dịch chuyển
4
F
3/2
->
4
I
11/2
và mức
4
I
11/2
được gọi là mức laser dưới. Trên hình chúng ta có các vạch phổ
phát xạ của Nd trong Garnet đối với dịch chuyển

4
F
3/2
->
4
I
11/2
. Phổ này gồm
bẩy vạch trong đó vạch ứng với
1,0615 m
µ
và
1,0642 m
µ
là sáng nhất. Nếu kể
tới dịch chuyển khác tổng cộng có tới 18 vạch phát. Yếu nhất là vạch
1,833 m
µ

ứng với dịch chuyển
4
F
3/2
->
4
I
15/2
.
Để đơn giản có thể xem laser Nd: YAG hoạt động theo sơ đồ bốn mức
trong đó mức cơ bản là mức

4
I
9/2
và mức kích thích là các mức
4
F
7/2
,
4
F
5/2
. Ta
biết dịch chuyển F
→
I bị cấm theo gần đúng lưỡng cực vì số lượng tử quỹ đạo
thay đổi là 3 trong dịch chuyển này. Như vậy, các trạng thái ứng với mức
năng lượng F có thể được xem là siêu bền. Đèn Kryton thường được dùng để
bơm cho laser Nd: YAG. Trong một số trường hợp, iôn Chromium được đưa
vào mạng tinh thể Garnet làm chất nhạy hoá và khi đó đèn xenon được dùng
để làm bơm vì iôn Cr trong Ganet có các dải hấp thụ
0,43 m
µ
và
0,59 m
µ
trùng
hợp với phổ bức xạ của đèn Xenon. Các iôn Cr được kích thích sẽ truyền
năng lượng kích thích của nó cho các tâm hoạt chất Nd. Thời gian truyền
năng lượng từ Cr sang Nd khá dài (cỡ 6ms) nên việc ứng dụng dải pháp này
để làm tăng hiệu quả bơm chỉ thích hợp đối với chế độ hoạt động liên tục.

Chúng ta có thể hình dung chi tiết sơ đồ chuyển mức năng lượng của hoạt
chất Nd: YAG như sau:
21
Hình 1.8: Sơ đồ chi tiết các mứcnăng lượng của Nd: YAG
1.2.4.2 Môi trường Q-switch
Chromium được pha trong tinh thể Yttrium Aluminum Garnet
(Cr
4+
:YAG) đã được sử dụng như là một vật liệu Q-switch thụ động cho laser
Nd: YAG. Nó là một vật liệu Q-switch phổ biến bởi vì nó có sự thuận lợi về
nhiệt và các đặc tính cơ. Nó cũng có ngưỡng tổn hao lớn hơn nhiều so với các
Q-switch thụ động hữu cơ đã được phổ biến trước khi laser trạng thái rắn phát
triển đa dạng. Vật liệu này hấp thụ mạnh trong khoảng tiết diện ngang của sự
truyền laser Nd:YAG ở bước sóng
1064nm
λ
=
.
Các mức năng lượng của Cr
4+
:YAG Q-switch thụ động có thể được biểu
diễn như hệ bốn mức. Có một vài điểm khác trong cấu trúc chính xác của bốn
mức năng lượng liên quan đến quá trình hấp thụ bão hoà. [23] Tuy nhiên, mô
hình phương trình tốc độ không phụ thuộc vào các chi tiết của biểu đồ mức
năng lượng. Nó là mô hình trong đó có N trạng thái hấp thụ bão hoà cơ bản và
trạng thái bị kích thích không hấp thụ bão hoà, như trường hợp của Cr
4+
:
22
YAG. [22, 24-26] Mô hình mức năng lượng đã đơn giản hoá biểu diễn những

dịch chuyển quan trọng cho Q-switch thụ động trong Cr
4+
:YAG được chỉ ra
trong hình 1.9.
Hình 1.9: Sơ đồ bốn mức năng lượng của Q-switch thụ động Cr
4+
:YAG. Các
chuyển dịch có thể cho Q-swicth thụ động hoạt động được biểu diễn trên hình.
Năng lượng được hấp thụ bởi sự chuyển dịch trạng thái nền (1-3) và ngay lập
tức tích thoát xuống mức 2. Mức năng lượng này có thời gian sống dài, cho
phép Q-switch đạt được bão hoà. Sự dịch chuyển hấp thụ trạng thái kích thích
(2-4) có thời gian sống ngắn (thực tế không bão hoà) chứa mất mát có thể
trong Q-switch bão hoà cái mà phải được tính đến trong các mô hìh phương
trình tốc độ. [27-28]
Dịch chuyển 1-3 là dịch chuyển bão hoà. Khi một phôtôn ở bước sóng
laser được hấp thụ bởi trạng thái cơ bản, mức năng lượng 3 ngay lập tức dịch
chuyển xuống mức 2. Mức này có thời gian sống dài (τ
2
=4 µs), cho phép dịch
chuyển 1-3 trở nên bị bão hoà khi mật độ ở mức 1 bị suy giảm. Trái lại, mức
năng lượng 4 có thời gian sống rất ngắn (τ
4
= 0.5 ns) do đó mức này có mật
độ không đáng kể. Vì vậy, dịch chuyển 2-4 không bão hoà. Tuy nhiên, nó có
23
ý nghĩa mất mát cho buồng cộng hưởng trong suốt quá trình tạo xung Q-
switch, liên quan đến sự hấp thụ của trạng thái kích thích. Ảnh hưởng này trở
nên rõ ràng hơn khi Q-switch trở thành bão hoà và mật độ phôtôn nhiều hơn ở
mức 2. Do đó, ảnh hưởng này mang ý nghĩa quan trọng, nó được tính đến
trong nhiều mô hình phương trình tốc độ cái mô tả một Q-switch thụ động. [7,

3, 14, 29]
Thông số thiết kế quan trọng thứ hai của laser được sử dụng trong phần
này đó là thông số truyền qua ban đầu của hấp thụ bão hoà (T
0
), xuất hiện từ
trạng thái hấp thụ cơ bản của Q-switch. Nó là sự truyền tín hiệu rất nhỏ của
Q-switch và có thể được coi như mất mát khi Q-switch chậm lại. Giá trị đặc
trưng của T
0
cho một Q-switch thụ động là một hàm của phần vật liệu truyền
qua (σ
13
= 8.7x10
-19
cm
2
cho Cr
4+
: YAG) giống như chiều dài của hấp thụ bão
hoà. [7, 14, 23]
1.3. Buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG
1.3.1. Sơ đồ buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG

Hình 1.10: Sơ đồ laser rắn Q-switch thụ động được bơm bằng đèn flash
Buồng cộng hưởng thường và buồng cộng hưởng mini có cấu hình cơ
bản giống nhau nhưng khác là độ dài hiệu dụng của buồng cộng hưởng mini
ngắn hơn nhiều so với độ dài hiệu dụng buồng cộng hưởng thường. Thuật ngữ
mini mới xuất hiện gần đây và cũng chưa có một định nghĩa rõ ràng. Các nhà
nghiên cứu và các nhà sản xuất dùng thuật ngữ này khi nói về những laser rắn
xách tay.

1.3.2. Độ dài hiệu dụng của buồng cộng hưởng
Sự thêm vào trong cấu trúc buồng cộng hưởng các thành phần quang
học khác ngoài môi trường hoạt chất sẽ thay đổi đường truyền chùm tia bên
24
Đèn flash
Gương
laser ra
Gương phản xạ
toàn phần
Chất hấp thụ bão hòa
Cr
4+
:YAG
Thanh laser
Nd:YAG
trong buồng cộng hưởng ngay cả khi môi trường không thể hiện bất kỳ sự
tăng ích nào. Chùm tia bị khúc xạ ở các mặt đáy của các thành phần quang
học khi nó truyền qua môi trường kích thích dẫn đến một sự giảm thiểu chiều
dài buồng cộng hưởng. Nguồn sóng cầu được di chuyển về phía môi trường
kích thích do sự phản xạ chùm tia như được chỉ ra trong hình 1.12. Trong đó
n là chiết xuất của môi trường và l là chiều dài của môi trường đó, độ dài hình
học buồng cộng hưởng L
0
bị ngắn đi một độ dài ∆. Độ dịch chuyển
∆
có thể
được tính bằng việc xác định rõ yếu tố B trong ma trận đường truyền tia của
môi trường ( hình 1.12):

( 1)n

l
n
−
∆ =
(1.6)
Mode trong trong buồng cộng hưởng chủ động (đã có môi trường hoạt
chất) với độ dài hình học L
0
biểu hiện các bán kính chùm tia giống ở buồng
cộng hưởng thụ động (khi chưa có môi trường hoạt chất) với chiều dài hiệu
dụng
0eff
L L= − ∆
. Chiều dài hiệu dụng này phải được sử dụng để tính toán
các mode riêng của buồng cộng hưởng. Tuy nhiên, càng xa rời các điều kiện
cộng hưởng, chiều dài quang học
0
( 1)
opt
L L n l= + −
phải được sử dụng để xác
định các các tần số riêng.
Việc làm ngắn chiều dài buồng cộng hưởng là không đáng kể cho laser
khí, nhưng đối với các laser rắn và các laser diode mà các chiết xuất nằm
trong khoảng 1.5 và 3, độ dịch chuyển
∆
có thể có ảnh hưởng đáng kể lên các
đặc tính mode.
25