Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa-mode thụ động của laser Nd YVO4

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:YVO
4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC







HÀ NỘI – 2011

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:YVO
4




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


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:YVO
4
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:YVO
4
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
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:YVO
4
27

Kết luận chương 2
Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa mode
thụ động của laser Nd:YVO
4

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:YVO
4
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:YVO
4
31
3.2.2.Cấu tạo hệ laser Nd:YVO
4
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:YVO
4
phát xung
ở chế độ khóa mode thụ động 34
3.4. Các kết quả khảo sát các đặc trưng của laser Nd:YVO
4
khóa mode thụ
động 36
3.4.1. Các chế độ phát xung của laser Nd:YVO
4
36

3.4.2. Độ rộng phổ của laser Nd:YVO
4
38
3.4.3. Tính chất phân kì và phân cực của chùm tia laser Nd:YVO
4
44
Kết luận chương 3
KẾT LUẬN 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


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
YVO
4
Yttrium Orthovanadate

Danh mục các đồ thị và hình vẽ

Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd
3+
tham gia vào quá trình laser 8
Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO
4
với các nồng độ tạp chất khác nhau 8
Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO
4
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:YVO
4
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:YVO
4
khóa
mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa 35


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:YVO
4

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 Sech
2
41
Bảng 3.2. Giá trị độ rộng xung, độ rộng phổ của một số vật liệu 42




1

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 10
10
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

2

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:YVO
4

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:YVO
4
”.
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

3

Mở đầu
dụng SESAM, cụ thể trên hệ laser Nd:YVO
4
được bơm liên tục bằng laser
bán dẫn.
Đối tượng nghiên cứu: Môi trường laser rắn, đặc biệt là Nd:YVO
4

,
laser bán dẫn, các kỹ thuật phát xung laser ngắn và hệ laser rắn Nd:YVO
4
.
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
Trên cơ sở đó nội dung luận văn được chia làm ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về môi trường laser rắn Nd:YVO
4
được bơm
bằng laser bán dẫn
Trong chương này, chúng tôi trình bày những tính chất vật lý, hóa học
của môi trường hoạt chất Nd:YVO
4
. Bên cạnh đó sơ lược về nguyên lý của
nguồn bơm – laser bán dẫn.
Chương 2: Kỹ thuật phát xung ngắn bằng khóa mode thụ động sử
dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa
Điều kiện khóa mode, phương pháp khóa mode sử dụng SESAM là nội
dung chính của chương này.
Chương 3: Thực nghiệm quá trình phát xung laser ngắn bằng khóa
mode thụ động của laser Nd:YVO
4

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên hệ laser
rắn Nd:YVO
4
khóa mode thụ động sử dụng gương bán dẫn hấp thụ bão hòa,
được bơm liên tục bằng laser bán dẫn. Bao gồm các chế độ phát xung của hệ
laser khóa mode và tính chất thời gian, không gian của chùm tia.
Luận văn này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của GS. TS.

Nguyễn Đại Hưng, cùng các anh chị tại phòng Quang tử, Trung tâm Điện tử

4

Mở đầu
học lượng tử, Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy
nhiên, do còn những hạn chế về sự hiểu biết cũng như những sơ suất trong
quá trình thực hiện, nên luận văn không tránh khỏi những sai sót. Kính mong
quý thầy cô và anh chị góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG LASER RẮN Nd:YVO
4
ĐƯỢC BƠM
BẰNG LASER BÁN DẪN
1.1. Tổng quan về laser rắn
Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) là một
nguồn sáng trong đó bức xạ cưỡng bức được khuếch đại và phát ra với sự
định hướng cao.
Đặc tính của laser đó là ánh sáng kết hợp, có tính định hướng cao trong
không gian, độ đơn sắc rất lớn, cường độ tập trung mạnh vào một vùng phổ
rất hẹp của bức xạ. Với những đặc tính như vậy nên ngay từ khi mới ra đời,
laser đã được dùng làm nguồn sáng trong quang phổ và dần dần thay thế cho
các nguồn sáng truyền thống. Kỹ thuật laser ngày càng phát triển và hiện nay
laser có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau (chế độ phát liên tục, chế độ
phát xung từ micro giây đến xung cực ngắn femto giây…), bước sóng phát ra
phủ gần toàn bộ thang sóng quang học (từ hồng ngoại, khả kiến đến tử ngoại)
và còn có thể điều hưởng được bước sóng trong một vùng rộng.
Laser có thể được phân loại theo nhiều cách. Nếu dựa vào môi trường

khuếch đại thì laser có thể được phân thành bốn loại cơ bản: laser khí, laser
rắn, laser màu và laser bán dẫn.
Lase rắn là loại laser cổ nhất. Laser rắn đầu tiên do Maiman lắp đặt
năm 1960 có môi trường laser là một tinh thể Rubi nhân tạo (Aluymin Al
2
O
3

chứa 0.1% đến 1% ion Cr
3+
), phát liên tục, được bơm quang học bằng các đèn
xung chớp sáng xenon bao quanh thanh Rubi.
Trước đây, các laser rắn được bán trên thị trường phát xạ các bước sóng
cố định. Ngày nay, với những thành tựu của khoa học vật liệu, người ta đã
6

phát triển các laser mới có bước sóng có thể thay đổi trong các vùng phổ rộng
khoảng 3500
A
o
[4]. Hơn nữa, laser rắn cho phép phát xung có năng lượng lớn
nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn
trong ứng dụng thực tiễn.
1.1.1. Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn
Vật liệu để phát laser phải có vạch huỳnh quang sắc nét (sharp
fluorescent lines), dải hấp thụ mạnh, và hiệu suất lượng tử cao đối với dịch
chuyển huỳnh quang ta cần. Những đặc tính này thường được tìm thấy ở laser
rắn pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc các kim loại chuyển tiếp, các
nguyên tố đất hiếm và họ actinide.
Vật liệu nền của laser rắn có thể là tinh thể rắn hoặc thủy tinh. Vật liệu

nền phải có các thuộc tính quang học, động học và nhiệt học tốt để chịu được
các điều kiện phát khắc nghiệt của laser
Điều kiện tương quan giữa tinh thể nền và ion kích hoạt gồm sự chênh
lệch kích thước, hóa trị và đặc tính phổ. Trong trường hợp lý tưởng, kích
thước và hóa trị của ion kích hoạt nên bằng với ion nền mà nó thay thế. Vì thế
một tinh thể phù hợp để làm vật liệu nền cho laser phải xem xét những điều
kiện sau [25]:
(a) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính quang học tốt. Vì sự thay đổi chiết suất
khúc xạ sẽ dẫn đến sự truyền không đồng nhất của ánh sáng khi đi qua
tinh thể gây ra chất lượng chùm kém.
(b) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính động học và nhiệt học tốt, điều này cho
phép công suất phát trung bình cao. Các tham số quan trọng về nhiệt
như: suất dẫn điện, độ cứng, độ bền chống nứt gãy.
(c) Mạng tinh thể phải có khả năng tiếp nhận các ion pha tạp và có trường
7

tinh thể địa phương với tính đối xứng và chiều dài cần để gây ra những
thuộc tính về phổ. Thông thường các ion pha tạp vào chất nền nên có
thời gian sống bức xạ với tiết diện phát xạ khoảng 10
-20
cm
2
.
(d) Nó phải có thể có cùng tỷ lệ với tinh thể tạp chất pha tạp, trong khi vẫn
duy trì hiệu suất và chất lượng quang cao.
Ion đất hiếm là một trong những thành phần tự nhiên dùng làm ion kích
hoạt trong vật liệu laser rắn vì dịch chuyển huỳnh quang bao phủ hầu như
toàn bộ từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần trên thang sóng điện từ, ngoài ra
các vạch phát xạ tương đối hẹp và sự khác nhau về cấu trúc các mức năng
lượng là không đáng kể giữa các chất nền khác nhau.

1.1.2. Môi trường laser Nd:YVO
4
Nd
3+
là ion đất hiếm hóa trị ba đầu tiên được sử dụng trong laser và nó
đóng vai trò quan trọng nhất trong nhóm này. Bức xạ cưỡng bức thu được từ
sự kết hợp của ion này với ít nhất 100 vật liệu nền khác nhau, kết quả là công
suất thu được từ laser Neodyminum cao hơn bất kỳ vật liệu bốn mức năng
lượng nào khác.







804
808
812
1064
946
4
F
5/2
4
I
11/2
4
F
3/2

4
I
9/2
Hồi phục không phát xạ
Hấp thụ
Phát xạ
Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd
3+
tham gia vào quá trình laser [6].
8

Các laser Neodyminum hoạt động trên nguyên lý laser bốn mức, chuyển
dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của
ion Nd
3+
. 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.
Bảng 1.1: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd
3+
[7]
Dịch chuyển
Bước sóng huỳnh quang (µm)
Tỷ lệ cường độ (%)
4
I
3/2
–
4
I
9/2

0,8910
0,8999
0,9385
0,9460
25


4
F
3/2
–
4
I
11/2
1,0521
1,0615
1,0642
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225
60
4
F
3/2
–
4
I
13/2
1,3184

1,3331
1,3351
1,3381
1,3533
1,3572
14
4
F
3/2
–
4
I
15/2
1,8330
1
Mức cơ bản là
4
I
9/2
, mức kích thích là
4
F
5/2
, mức laser trên là
4
F
3/2
và
mức laser dưới là
4

I
11/2
. Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch
chuyển từ mức laser trên xuống mức laser dưới cho ta một loạt các bức xạ. Ta
9

thấy dịch chuyển từ mức
4
F
3/2
–
4
F
11/2
chiếm 60% tỷ lệ cường độ (theo số liệu
bảng 1.1), do đó laser Nd:YVO
4
chủ yếu được chế tạo để phát bức xạ laser ở
bước sóng trung tâm 1064 nm.
Hình 1.2 biểu diễn phổ hấp thụ của Nd:YVO
4
với các nồng độ pha tạp
khác nhau. Ta thấy rằng nó có ba vùng hấp thụ chính là 600 nm, 750 nm và
800 nm. Mà phổ phát xạ của laser bán dẫn lại có một peak ở vùng bước sóng
808 nm. Vì vậy, nó rất thích hợp để bơm quang học bằng laser bán dẫn ở
bước sóng 808 nm.


Phổ hấp thụ của Nd:YVO
4

với nồng độ pha
tạp 0.5%, độ dày mẫu 1mm
Phổ hấp thụ của Nd:YVO
4
với nồng độ pha
tạp 3%, độ dày mẫu 1mm

Nd
3+
pha tạp trên nền Yttrium orthovanadate (YVO
4
) được biết đến là
một vật liệu có ngưỡng phát thấp. Với nguồn bơm là laser diode thì Nd:YVO
4

trở thành một laser rắn quan trọng vì có hai đặc tính nổi bật nhất đó là tiết
diện phát xạ cưỡng bức rộng gấp năm lần Nd:YAG và hấp thụ mạnh ở bước
sóng bơm 808 nm.
Bảng 1.2 trình bày những tham số vật liệu quang trọng của Nd:YVO
4
.
Hai đặc tính nổi bật của vật liệu này như đã được đề cập là tiết diện phát xạ
Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO
4
với các nồng độ pha tạp khác nhau [32].
10

cưỡng bức cao và hệ số hấp thụ rộng bức xạ bơm ở bước sóng 808 nm. Thiếu
sót lớn là độ dẫn nhiệt tương đối thấp và thời gian sống huỳnh quang ngắn.
Độ dẫn nhiệt thấp (khoảng một : ba so với Nd:YAG) ngăn cản sự tản nhiệt và

các nứt gãy do nhiệt của tinh thể gây cản trở nghiêm trọng đến việc tăng công
suất phát.
Bảng 1.2: Các tham số vật liệu Nd:YVO
4
[24, tr 71]

Tiết diện laser 15.6×10
-19
cm
2

Bước sóng laser 1064 nm
Độ rộng phổ 0.8 nm
Thời gian sống huỳnh quang 100 µs
Bước sóng bơm 808 nm
Nồng độ Nd 1% (nguyên tử Nd)

Thời gian sống huỳnh quang tương đối ngắn, cụ thể là thời gian sống τ
f

ở trạng thái kích thích ngắn hơn Nd:YAG 2.7 lần [25]. Thời gian sống huỳnh
quang cũng là một thước đo khả năng lưu trữ năng lượng trong chế độ Q-
switched. Dự trữ năng lượng lớn đòi hỏi thời gian sống huỳnh quang dài. Do
vậy so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO
4
có thể phát xung ngắn
hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đại laser cao hơn [25].
Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd
3+
trong nền YVO

4
thu được ở
nhiệt độ 300
0
K với cả hai phân cực p và s biểu diễn trên hình 1.3. Từ phổ phát
xạ huỳnh quang của Nd:YVO
4
ta thấy rằng, phát xạ huỳnh quang mạnh nhất
thu được ở bước sóng 1064 nm. Vì vậy, hầu hết các laser Nd:YVO
4
pha tạp ở
các nồng độ khác nhau được chế tạo để hoạt động ở vùng bước sóng này.
11



Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO
4

nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực p

Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO
4

nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực s
Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO
4
nồng độ 1.1% [32].
1.2. Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn
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 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 hóa: bên cạnh những ion cơ bản, các
loại ion khác (ion nhạy hóa) được đưa vào chất nền. Những ion
12

nhạy hóa sẽ hấp thụ hầu như toàn bộ 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.
Trước khi có laser, các nguồn sáng mà nhà vật lý sử dụng chủ yếu là
các đèn phóng điện bức xạ theo mọi phương của không gian, diện tích của
mặt bức xạ vào khoảng cm
2
. Hoạt động của các nguồn này khi dùng để kích
thích trạng thái phải chú ý đến một thực tế là muốn có độ sáng lớn, đèn cần
phóng điện mạnh khiến cho phổ bị mở rộng và như vậy làm một phần lớn
photon bức xạ không thể tham gia vào quá trình kích thích. Do những trở ngại
này, giá trị lớn nhất đạt được của một đèn cổ điển đối với thông lượng photon
hữu ích là vào khoảng 10

16
photon trong một giây và trên một cm
2
(tương ứng
với công suất hữu ích P/S vào khoảng 10 mW/cm
2
) [5]. Bây giờ sử dụng một
laser làm nguồn bơm quang học. Ngoài trường hợp đặc biệt thì công suất do
laser bức xạ sẽ vào khoảng công suất do một đèn phóng điện bức xạ, tuy
nhiên do những đặc trưng hình học của chùm (tính chất định hướng và tính
chất hội tụ) và chất lượng phổ cho phép thu được đối với thông lượng của
photon hữu ích tối thiểu cũng là 10
3
. Ngoài ra, các laser có thể điều chỉnh
bước sóng từ trong một vùng phổ rộng từ tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại
(hình 1.4). Như vậy việc sử dụng laser mở rộng đáng kể khả năng kích thích
quang học.
Tâm hoạt chất Nd
3+
có dải hấp thụ mạnh trong vùng đỏ và hồng ngoại,
trong đó có một cực đại hấp thụ ở bước sóng của bức xạ laser diode. Vì vậy
laser bán dẫn rất thích hợp làm nguồn bơm quang học cho các laser rắn Nd
3+
nhờ đó hiệu suất bơm được nâng lên đáng kể so với phương pháp bơm quang

13

truyền thống đồng thời cấu hình laser được thu gọn đáng kể.

1.2.1. Cấu tạo laser bán dẫn
Các laser bán dẫn được chế tạo phổ biến nhất theo cấu hình buồng cộng
hưởng kiểu Fabry-Perot đặc biệt là cho các laser công suất cao. Trong thực tế,
hai gương laser (các mặt tách theo định hướng tinh thể) được tạo ra ở hai đầu
của buồng cộng hưởng. Các gương này được phủ bề mặt để kết hợp cả hệ số
phản xạ cao và hệ số phản xạ thấp với mục đích tối ưu hóa chất lượng buồng
cộng hưởng. Các lớp phủ bề mặt gương này được xử lý để loại trừ khả năng
hấp thụ. Sự đảo mật độ tích lũy của bức xạ cưỡng bức được tạo ra bởi các hạt
tải bơm chạy qua chuyển tiếp p-n (thông thường đảo mật độ tích lũy xảy ra ở
nồng độ trên 10
18
cm
-3
). Khi mật độ hạt tải vượt qua giá trị ngưỡng, laser bán
dẫn bắt đầu phát bức xạ laser. Giá trị dòng ngưỡng xác định điểm cân bằng
giữa mất mát và khuếch đại.

Công suất (W)
Bước sóng (nm)
Hình 1.4: Phổ bức xạ của laser diode [29].
14

1.2.2. Lớp chuyển tiếp p – n
Một tinh thể bán dẫn không chứa tạp chất hoặc không có sai hỏng mạng
được gọi là bán dẫn riêng. Cấu trúc năng lượng của một chất bán dẫn riêng
được minh họa trên hình 1.5, trong đó vùng hóa trị và vùng dẫn được phân
cách bởi độ rộng vùng cấm E
g
, độ rộng này thay đổi với những vật liệu khác
nhau.


Ở nhiệt độ trên không độ tuyệt đối, sự kích thích nhiệt đẩy một số điện tử
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại những trạng thái trống trong vùng hóa trị.
Những điện tử được kích thích nhiệt này ở trong vùng dẫn và những lỗ trống
trong vùng hóa trị được gọi là các hạt tải và làm cho vật liệu có tính dẫn điện.
Đối với một chất bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự chiếm chỗ các mức
năng lượng được mô tả bởi hàm phân bố Fermi- Dirac [10].

ở đây, k là hằng số Boltzmann và E
f
là năng lượng Fermi hay mức Fermi.
Để tạo ra nhiều hạt tải hơn, vật liệu được pha tạp với các nguyên tử tạp
chất. Tạp chất tạo ra nhiều các điện tử tự do gọi là tạp chất cho (donor), tạp
chất tạo ra nhiều lỗ trống gọi là tạp chất nhận (acceptor). Tương ứng với
Hình 1.5: Điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị ở nhiệt độ 0K.

Điện tử
Lỗ trống
Vùng hóa trị
Vùng dẫn

Năng lượng
vùng cấm E
g
(1.1)
15

chúng là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.

Hình 1.6: Đồ thị hàm phân bố Fermi-Dirac [10].
Khi có hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, chúng ta sẽ tạo
được một lớp tiếp xúc p-n và trong đó có sự cân bằng mức Fermi. Khi mức
Fermi dịch chuyển vào vùng hóa trị hay vùng dẫn thì chất bán dẫn được gọi là
suy biến.
1.4.2. Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

Hình 1.7: Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức.
Dưới tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hóa trị sẽ hấp
thụ năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thụ lớn hơn
năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hóa trị sẽ xuất hiện lỗ trống tạo
nên sự di chuyển mức Fermi.
Sau một thời gian sống nhất định, điện tử ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống
ở vùng hóa trị và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và
16

hướng lan truyền khác nhau) - đó là bức xạ tự phát.
Bức xạ cưỡng bức là quá trình mà ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ
cưỡng bức của điện tử ở trạng thái khích thích. Bức xạ phát ra có cùng bước
sóng, pha và hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới, vì vậy nó có tính đơn
sắc, kết hợp và định hướng cao. Laser bán dẫn là linh kiện điện tử hoạt động
trong điều kiện bức xạ cưỡng bức.

1.4.3. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy
Khi chất bán dẫn được pha tạp thì ngoài các vùng năng lượng còn xuất
hiện các mức năng lượng tạp chất nằm trong vùng cấm. Mức tạp chất ở gần
đáy vùng dẫn được gọi là mức donor còn mức tạp chất ở gần đỉnh vùng hóa
trị gọi là mức acceptor. Do đó, quá trình dịch chuyển của điện tử trong chất
bán dẫn phân thành dịch chuyển giữa các vùng, dịch chuyển vùng và mức tạp
chất và dịch chuyển giữa các mức tạp chất.
- Dịch chuyển giữa các vùng
Để có nghịch đảo độ tích lũy cần tạo ra nồng độ không cân bằng của
các điện tử và lỗ trống, nói cách khác các dịch chuyển điện tử từ vùng dẫn
xuống vùng hóa trị phải lớn hơn các dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng
dẫn, nghĩa là quá trình bức xạ lớn hơn quá trình hấp thụ.
Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải tỷ lệ với xác
suất có trạng thái năng lượng E
2
ở vùng dẫn bị chiếm, xác suất có trạng thái
năng lượng E
1
ở vùng hóa trị để trống f
c
(E
2
)[1 - f
v
(E
1
)] , hệ số Einstein về bức
xạ cưỡng bức B
21
và mật độ năng lượng bức xạ

V

nghĩa là tỷ lệ với đại
lượng: B
21
c

f
c
(E
2
)[1 - f
v
(E
1
)]. Tương tự, quá trình dịch chuyển từ vùng hóa trị
lên vùng dẫn sẽ tỷ lệ với đại lượng: B
12
V

f
v
(E
1
)[1 - f
c
(E
2
)].
Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy đòi hỏi [2]:

17

B
21
V

f
c
(E
2
)[1 - f
v
(E
1
)] > B
12
V

f
v
(E
1
)[1 - f
c
(E
2
)] (1.2)
Tức là F
c
- F

v
> E
2
- E
1
(1.3)
Đây là điều kiện nghịch đảo độ tích lũy khi có dịch chuyển giữa các
vùng, với F
c
là mức giả Fermi của vùng dẫn, F
c
là mức giả Fermi của vùng
hóa trị.
Với bán dẫn vùng cấm thẳng E
2
- E
1
= Δ (độ rộng vùng cấm). Điều kiện
nghịch đảo độ tích lũy trở thành [2]:
F
c
- F
v
> Δ (1.4)
Với bán dẫn vùng cấm nghiêng do có sự tham gia của phonon nên
F
c
- F
v
> Δ




(1.5)
Với


là năng lượng của phonon.
- Dịch chuyển giữa vùng và mức tạp chất
Do mức tạp chất thường ở gần các vùng nên luôn xảy ra sự tích thoát
nhanh điện tử và lỗ trống giữa các mức và các vùng. Vì vậy mà sự lấp đầy các
mức tạp chất cũng sẽ được xác định bởi mức chuẩn Fermi của các hạt tải ở
trong các vùng tương ứng. Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy có dạng đơn giản
như sau
F
c
- F
v
> Δ - |E
i
| (1.6)
ở đây E
i
là năng lượng liên kết của hạt tải trên các mức tạp chất.
1.4.4. Điều kiện ngưỡng
Như đã trình bày ở trên, các điều kiện nghịch đảo độ tích lũy chỉ là điều
kiện cần nhưng chưa đủ. Bức xạ cảm ứng tái hợp cần được khuếch đại trong
buồng cộng hưởng laser để hệ số khuếch đại phải lớn hơn mất mát.