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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


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


7
MỞ ĐẦU

1958,
.
.
, laser rắn với môi trường laser được pha tạp các ion
Nd
3+
, Cr
3+
,… 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


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


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


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


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 Nd
3+
pha trong các nền quang học
(YAG, YLF, YVO
4
, glass ), các ion đất hiếm pha trong các nền quang học (Er: YLF,

Tm: YAG, Yb: YAG ) và Cr
3+
: LiSAF, Cr
3+
: 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 Y
3
Al
5
O
12
(gọi tắt là YAG), trong đó
các ion Y
3+
được thay thế bởi các ion Nd
3+
. Bên cạnh đó, một số môi trường nền khác
cũng thường được sử dụng như: một số loại muối flouride (ví dụ: YLiF
4
- viết tắt
YLF), vanadate (YVO
4
), và một số loại muối phốt phát hoặc thủy tinh silicate… Nồng
độ pha tạp ion Nd
3+

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


12
Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodium [19 p.372].
trong đó: N
t
là mật độ của ion Neodium; là thời gian sống huỳnh quang;
0
là độ rộng phổ laser;
e
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 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, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các
môi trường YAG và YVO
4
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






Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [7 p.5] .

Nd: YAG
= 1064 nm
Nd: YVO
4
= 1064 nm
Nd: YLF
= 1053 nm
Nd: glass
= 1054 nm
Nồng độ pha tạp
ion Nd (atom %)
1
1
1
3,8
N
t
(10
20
ion/cm
3

)
1,38
1,5
1,3
3,2
( s)
230
98
450
300
o
(cm
-1
)
4,5
11,3
13
180
e
(10
-19
cm
2
)
2,8
7,6
1,9
0,4
Chiết suất
n = 1,82

n
0
= 1,82
n
e
= 2,168
n
0
= 1,4481
n
e
= 1,4704
n = 1,54

Dịch chuyển không phát xạ
Hấp thụ
Phát xạ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


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 Nd
3+
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
cho laser Nd:YAG.

Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 K [19 p.208].
(đường liền nét cho Nd
3+
trong nền YAG; đường đứt nét cho Cr
3+
trong nền Alexandrite.
Trục tung bên phải cho Nd
3+
, bên trái cho Cr
3+
)
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
4
I
9/2
. 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
4
F

5/2
,

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
4
F
5/2
về trạng thái
4
F
3/2
– đây
là mức laser trên, thời gian sống của nguyên tử trên trạng thái này với ion Neodium cỡ
( 10
-7
s), vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền. Nghịch đảo độ tích luỹ được tạo
ra giữa mức laser trên
4
F
3/2
và các mức laser dưới là
4
I
13/2
,

4

I
11/2
,
4
I
9/2
. Sự dịch chuyển
cho phát xạ laser xảy ra từ mức laser trên
4
F
3/2
tới mức laser dưới
4
I
13/2
,

4
I
11/2
,
4
I
9/2
[19
p.371]. Các dịch chuyển quang học có thể và xác suất của các dịch chuyển tương ứng
cho trên bảng 1.2:
Tiết diện hấp thụ (10
-20
cm

2
)
Bước sóng (nm)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


14
Bảng 1.2: Các dịch chuyển quang học của ion Nd
3+
và xác suất tương ứng [7 p.4].











Chúng ta thấy rằng, xác suất dịch chuyển cao nhất từ mức laser trên
4
F
3/2
về
mức laser dưới
4

I
11/2
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
huỳnh quang của Nd:YAG được biểu diễn trên hình 1.3:







Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YAG thu ở 300
0
K [7 p.7].
Với thời gian sống của ion Nd
3+
ở mức laser trên ( 230 s) rất thích hợp cho
việc phát các xung Q-switch. Trên bảng 1.1, độ rộng phổ laser = 4,5 cm
-1
tại bước




Bước sóng (Å)
Cường độ (a.u)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

15
sóng 1064 nm đo ở nhiệt độ 300
0
K, 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:YVO
4











Hình 1.4: Phổ truyền qua của môi trường Nd:YVO
4
đo ở nhiệt độ 300 K [13].
Môi trường laser Nd:YVO
4
là môi trường laser đang được phát triển rất mạnh
trong những năm gần đây [11], [15]. Sở dĩ môi trường Nd:YVO
4
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 Nd
3+
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.







Hình 1.5: Các dịch chuyển quang học của ion Nd
3+
trong nền YVO
4
[19 p.370].
4
I
9/2
4
I
11/2
4
F
3/2
4
F
5/2
4

F
7/2
2,526 cm
-1
2,001 cm
-1
11,414 cm
-1
11,502 cm
-1
0,8 m
0,7 m
1,06 m
= 2.10
3
cm
-1


a: Nồng độ pha tạp Nd
3+
0,5% trong nền YVO
4
(độ dày mẫu: 1mm)
b: Nồng độ pha tạp Nd
3+
3% trong nền YVO
4
(độ dày mẫu: 1mm)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


16
Từ hình 1.4, chúng ta thấy phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO
4
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:YVO
4
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:YVO
4
hoạt động trên nguyên lý laser
4 mức với mức cơ bản là
4
I
9/2
, mức kích thích là
4
F
5/2
(khi bơm quanh vùng 800 nm)
và
4
F
7/2

(khi bơm quanh vùng 700 nm), 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 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 Nd
3+
trong nền YVO
4
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:YVO
4
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:YVO
4
được chế tạo hoạt động ở vùng bước
sóng này.

Hình 1.6: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd
3+
pha tạp trong nền YVO
4
[13].
So sánh các thông số giữa môi trường Nd:YAG và Nd:YVO
4
trên bảng 1.1
chúng ta thấy rằng: môi trường Nd:YVO
4
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),


a: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd
3+
pha tạp
trong nền YVO
4


nồng độ pha tạp 1.1%
(phân cực p)
b: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd
3+
pha tạp
trong nền YVO

4


nồng độ pha tạp 1.1%
(phân cực s)
I (a.u)


I (a.u)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


17
vì vậy, so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO
4
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 Nd
3+
trong nền thủy tinh cũng tương tự như
các dịch chuyển quang học của ion Nd
3+
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 Nd

3+
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: LiSrAlF
6
(viết tắt là: Cr:LiSAF) và LiCaAlF
6
(Cr:LiCAF). Trong các nền
quang học này các ion Cr
3+
thay thế một vài ion Al
3+
trong mạng tinh thể. Các chuyển

dịch quang học cho phát xạ laser là các chuyển dịch quang học của ion Cr
3+
. Cấu trúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


18
mức năng lượng và các chuyển dịch quang học của ion Cr
3+
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 Cr
3+
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
4
A
2

4

T
1
và
4
A
2
E
2
.
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 Cr
3+
trong môi
trường laser Alexandrite (BeAl
2
O
4
: Cr
3+
), trong laser Cr:LiSAF trạng thái
4
T
2
nằm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

19
trong dải hấp thụ từ
4
A
2

2
E, mức dao động thấp nhất của
4
T
2
nằm xấp xỉ dưới trạng
thái
2
E. Do hồi phục nhanh giữa 2 trạng thái này, trạng thái được tích luỹ nhiều nhất

giờ đây là
4
T
2
. Do vậy, trạng thái
2
E 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
4
T
2
(cỡ s) gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy, nghịch đảo độ tích lũy
xảy ra giữa trạng thái
4
T
2
và trạng thái cơ bản
4
A
2
[17].

Tiết diện hấp thụ
Tiết diện phát xạ
Bước sóng (nm)
Hấp thụ
Phát xạ
Hình 1.7: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Cr:LiSAF và Cr:LiCAF [19 p.386].

Năng lượng
Trục tọa độ
Hình 1.8: Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học của ion Cr
3+
trong các nền
quang học: (a) - Alexandrite; (b) - Cr:LiSAF [12 p.75],[21 p.327].
Hình 2. Các mức năng lượng của Cr
3+
và sơ đồ 4 mức
Các dịch chuyển
quang học như
hình vẽ tương ứng
với thời gian hồi
phục
3. Các mức năng lƣợng của Cr
3+

Năng lượng
Trục tọa độ
(a)
(b)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


20
Dịch chuyển cho phát xạ laser thu được khi các ion Cr
3+
hồi phục từ trạng thái
4
T
2

4
A
2
. Tùy thuộc vào trạng thái cuối cùng của quá trình hồi phục (các trạng thái
dao động của mức
4
A
2
) 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


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 Nd
3+
: YVO
4
có thể được bơm bằng các laser bán
dẫn ở bước sóng 808 nm. Laser Cr
3+
: 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


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


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.







Laser hoạt động ở chế độ xung được bơm bằng đèn xung. Đèn xung được ứng
dụng rộng rãi nhất là đèn khí Xenon, vì nó phát sáng hơn và mật độ bức xạ cao hơn do
nó cần đến điện áp ion hoá thấp hơn và khối lượng riêng lớn hơn so với tất cả các loại
đèn khí khác.








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
0
20
40
60

500 1000 1500 2000
Bước sóng (nm)
Cường độ (tỉ đối)
0
20
40
60
500 1000 1500 2000
Bước sóng (nm)
Cường độ (tỉ đối)

Hình 2.2. Đặc trưng phổ phát xạ của đèn Xenon [5].

Hình 2.1. Đèn flash dùng để bơm cho laser rắn [10].


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


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.

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
Hình 2.3. Các cấu hình bơm khác nhau [4, 5].
(a)
Đèn
Môi trường hoạt tính
Hộp phản xạ
Hộp phản xạ
(c)
Môi
trường
hoạt tính
Đèn
(b)
Môi trường hoạt tính
Hộp phản xạ
Đèn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


25
cộng hưởng thông thường từ 30 70 %. Tất cả các yếu tố trên dẫn đến hiệu suất laser
chỉ đạt 0,1 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).










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.









Hình 2.4. Cấu hình bơm laser rắn bằng đèn Flash khi sử dụng
hộp phản xạ elíp có 2 đèn bơm
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 2.5. Ảnh của một hộp đèn bơm elíp [16]

Thanh laser
Nd
3+
Đèn flash

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


26
Tuy nhiên, việc bơm các laser rắn bằng đèn flash thường có hiệu suất rất thấp (~
2 %), tuổi thọ thấp, thường phải làm mát, nguồn nuôi phức tạp, kinh phí cao đã đòi
hỏi việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp bơm khác cho laser rắn. Đó chính
là phương pháp bơm bằng nguồn sáng kết hợp (bơm bằng laser bán dẫn).
2.2.2. Bơm bằng nguồn sáng kết hợp.
Từ đặc trưng phổ hấp thụ của các hoạt chất laser rắn, thấy rằng, nếu dùng đèn
phóng khí để bơm thì hiệu suất rất thấp (2 %). Phần lớn ánh sáng của đèn gây ra nhiệt
trong hoạt chất. Sự đốt nóng hoạt chất sẽ tạo nên gradien nhiệt, gây ra hiệu ứng thấu
kính nhiệt,… Để tránh được các vấn đề đó, thay vì dùng đèn phóng khí người ta đã cố
gắng tìm ra các nguồn quang học có phổ trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất laser rắn.
Phát triển cùng với công nghệ chế tạo laser rắn là công nghệ chế tạo laser bán

dẫn. Laser bán dẫn có nguồn ánh sáng kết hợp, đặc biệt có phổ phát xạ rất hẹp và có
thể thay đổi được trong vùng phổ rộng. Hiện nay, các laser bán dẫn đã được chế tạo
với công suất lớn, kích thước nhỏ. Sử dụng laser bán dẫn có công suất lớn, hoặc nhiều
laser có công suất nhỏ, có bước sóng trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất làm nguồn
bơm cho laser rắn là một trong những phát triển của công nghệ laser rắn.
Các laser bán dẫn được sử dụng nhiều nhất cho laser rắn là các laser có bước
sóng nằm trong khoảng từ 800 nm đến 900 nm. Với việc sử dụng nguồn bơm kết hợp,
hiệu suất laser có thể nâng lên đến 80 % [5].
Ngoài ra, nếu sử dụng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn thì nó có một số ưu
điểm sau:
+) Thứ nhất, thời gian sống của laser diode lớn hơn nhiều so với thời gian sống
của các đèn phóng điện, điều này đóng góp rất lớn vào độ tin cậy và sự thuận lợi trong
hoạt động của laser, dẫn đến việc tăng tuổi thọ và giảm giá thành bảo dưỡng.
+) Thứ hai, là các laser bơm bằng diode có hiệu suất cao hơn các laser bơm bằng
đèn flash. Các nguồn bơm khí phóng điện phát xạ băng rộng, các băng này có sự
chồng chập nhỏ với các băng hấp thụ gián đoạn của các ion pha tạp trong tinh thể. Do
đó khoảng 90 % năng lượng bơm không đóng góp vào hoạt động của laser và tạo ra
hao phí nhiệt. Ngược lại, có thể chọn các laser diode để phổ phát xạ của nó phù hợp tốt
nhất với các băng hấp thụ của môi trường laser. Các laser diode thường nhỏ gọn, vì nó
không đòi hỏi các hệ làm nguội phức tạp và các nguồn điện nuôi cao. Ngoài ra, các
laser bơm bằng diode nói chung là có độ ồn thấp do tính ổn định của các diode bơm và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


27
có thể cho các xung ra ngắn hơn các laser bơm bằng đèn chớp do chiều dài buồng
cộng hưởng của chúng ngắn hơn.
2.3. Cơ chế bơm cho laser rắn bằng laser bán dẫn.
2.3.1. Nguồn bơm bằng laser bán dẫn.

Chúng ta nhận thấy rằng: sử dụng laser bán dẫn để bơm cho laser không những
có hiệu suất laser cao mà còn phát ở bất kì tần số nào, phụ thuộc vào tần số của laser
bán dẫn [9]. Tần số của laser bán dẫn (hay bước sóng bơm cho laser rắn) thay đổi phụ
thuộc vào một số yếu tố như nhiệt độ, dòng bơm, Vì vậy, việc tìm hiểu sự phụ thuộc
của bước sóng phát của laser bán dẫn vào các yếu tố đó là cần thiết và quan trọng.
2.3.2. Cấu hình bơm.
Hiện nay có hai phương pháp sử dụng diode để bơm cho các hoạt chất laser rắn.
Đó là cấu hình bơm ngang và bơm dọc.
* Cấu hình bơm ngang.
Với cấu hình bơm ngang, đầu ra của laser diode bơm được ghép sát vào thành
của tinh thể và chỉ sử dụng ít (thậm chí không sử dụng) linh kiện quang học. Cấu hình
bơm này tương tự với cấu hình bơm bằng đèn flash. Phương pháp này đơn giản và cho
phép đạt được công suất bơm cao vì hệ ma trận các diode (multiple diode arrays) có
thể dễ dàng ghép nối (hình 2.6). Tuy nhiên, các laser này có hiệu suất biến đổi chỉ
khoảng 10% do sự chồng chập giữa thể tích bơm và mode laser rất ít.













Hình 2.6. Thanh 14 laser dán dẫn [5]
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí đầu laser bơm bằng laser bán dẫn [5].

a) Mặt cắt dọc; b) Mặt cắt ngang.

Laser bán dẫn
Laser bán dẫn
Hoạt chất
Laser bán dẫn
Laser bán dẫn
Hoạt chất

a)
b)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


28


Năng lượng của các laser này ổn định và phân bố đều trên toàn bộ chiều dài hoạt
chất laser rắn. Các thanh này được đặt song song với hoạt chất (hình 2.7a) giống như
một đèn flash. Bức xạ phát ra của laser bán dẫn sẽ chiếu thẳng vào hoạt chất mà không
phải sử dụng hộp phản xạ như trong trường hợp bơm quang học không kết hợp.
Thông thường người ta sử dụng từ bốn thanh đến sáu thanh laser, đặt xung quanh
hoạt chất (hình 2.7b).
* Cấu hình bơm dọc.
Đối với các hoạt chất laser rắn có kích thước bé và yêu cầu phát công suất thấp có
thể sử dụng một laser bán dẫn có công suất lớn bơm dọc theo chiều dài của hoạt chất.
Cấu hình bơm dọc được chỉ ra trên hình 2.8.

Chùm tia laser bán dẫn công suất lớn được phân bố lại năng lượng tương đối đều
trên tiết diện ngang bằng một hệ quang. Hệ quang sử dụng được thiết kế sao cho vết
chùm tia laser bơm bằng hoặc lớn hơn một ít so với tiết diện ngang của hoạt chất.
Chùm tia bơm phân bố đều sẽ chiếu vào hoạt chất laser rắn dọc theo trục buồng cộng
hưởng theo hướng từ gương lưỡng chiết, phản xạ 100 % với bức xạ laser rắn nhưng lại
cho bức xạ bơm đi qua. Gương này đồng thời cũng chính là gương cuối của buồng
cộng hưởng laser.
2.4. Các chế độ hoạt động của laser
Laser rắn có thể làm việc ở chế độ phát xung hoặc phát liên tục. Chế độ xung
hay liên tục trước hết phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng và sau đó là do chế độ bơm.
2.4.1. Chế độ phát xung
Hình 2.8. Cấu hình bơm dọc bằng laser diode
L – Thấu kính, M
1
– Gương lưỡng chiết, M
2
– Gương ra.

Laser
M2 (Output)
Nd
3+

Diode laser

L
M1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


29
Trong chế độ phát xung có ba chế độ: chế độ phát xung tự do, chế độ điều biến độ
phẩm chất buồng cộng hưởng (Q - switching) và chế độ khóa mode (mode locking).
* Chế độ phát xung tự do
Xung bức xạ laser được thực hiện trong thời gian tác dụng của xung bơm, trong đó
xung bức xạ trễ so với xung bơm một thời gian. Đó là thời gian cần thiết để tạo ra
nghịch đảo mật độ tích lũy giữa các mức năng lượng trong hoạt chất. Thời gian trễ này
tùy thuộc vào tính chất của hoạt chất, đối với ruby là gần 300 s, Nd: glass là 200 s,
và tinh thể Nd: YAG là 50 s.









2.9. Nd [1]

* Chế độ điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q – switching)
Người ta sử dụng hiệu ứng ngắt ánh sáng nhờ các van điện - cơ, điện - quang, từ -
quang, quang - hóa. Trong thời gian xung bơm tác dụng nếu độ phẩm chất của buồng

cộng hưởng kém (van đóng) thì không thể phát laser trước khi hoạt chất được bơm
đầy. Khi van mở, để độ phẩm chất của buồng cộng hưởng trở lại bình thường thì bức
xạ laser mới phát ra với năng lượng lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn (10
-7
10
-9
s) nên công suất đỉnh xung rất cao (10 1000 MW) [19].
* Chế độ khóa mode (mode locking)
Thông thường bức xạ laser là đa mode dọc. Số mode càng nhiều nếu phổ bức xạ
của hoạt chất laser rộng. Tuy nhiên, bằng cách nào đó ta làm cho tất cả các mode dọc
này đồng pha thì cường độ laser sẽ khác đi và thu được các xung cực ngắn phát ra ở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN


30
những khoảng cách đều đặn. Phương pháp này gọi là sự khóa mode theo pha (mode
locking).
c hiện sự đồng pha các mode có nhiều cách khác nhau, có thể chia làm ba
phương pháp chính :
+ Khóa pha chủ động: chủ động điều biến mất mát của buồng cộng hưởng bằng
các tác nhân bên ngoài.
+ Khóa pha bị động: Một môi trường hấp thụ bão hòa được đưa vào BCH để tự
khóa mode theo pha mà không cần có sự can hiệp bên ngoài.
+ Tự khóa mode (Self locking) : Nhờ hiệu ứng quang học phi tuyến (hiệu ứng Kerr
quang học) mà có thể tạo ra tự hội tụ của ánh sáng truyền qua hoạt chất. Sự hội tụ này
chỉ xảy ra với peak (đỉnh) có cường độ mạnh. Kết hợp với việc đưa vào BCH một khe
hẹp ta có thể tạo ra một bộ lọc không gian mà chỉ có những peak có cường độ mạnh
mới được truyền qua và được khuếch đại trong quá trình đi lại trong BCH.
Ngoài các chế độ phát xung cơ bản như trên, chúng ta còn có một kĩ thuật phát

xung ngắn khác nữa, đó là sự phát xung ngắn dựa trên quá trình quá độ của buồng
cộng hưởng (transient-cavity). Quá trình này dựa trên hiện tượng dao động hồi phục
trong quá trình bức xạ của laser xảy ra trong các môi trường laser màu rắn và laser rắn
khi được bơm xung đã được quan sát từ rất sớm [8], [9], [14]. [18], [20]. Dao động hồi
phục là hiện tượng do sự tương tác giữa năng lượng photon của laser với sự nghịch đảo
độ tích lũy của môi trường hoạt chất bên trong buồng cộng hưởng. Các đặc trưng của
các dao động hồi phục trong laser được bơm bằng laser diode phụ thuộc vào tốc độ tích
thoát của mật độ tích lũy của trạng thái khích thích do bơm, sự thay đổi mật độ của
photon trong buồng cộng hưởng ở điều kiện nhất định do bức xạ cưỡng bức và các cơ
chế mất mát khác nhau cũng như sự truyền qua gương ra và sự hấp thụ. Điều đó có
nghĩa là thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng có vai trò quan trọng đối
với hiện tượng dao động hồi phục trong laser. Do vậy, tốc độ bơm, hệ số phản xạ của
gương ra và chiều dài buồng cộng hưởng sẽ ảnh hưởng đến hiện tượng dao động hồi
phục trong phát xạ laser. Trước đây, các laser thường được bơm bằng đèn flash hay các
xung đơn, do đó, các dao động hồi phục một cách ngẫu nhiên và các xung có khoảng
cách và biên độ không lặp lại đã được quan sát. Các dao động hồi phục tắt dần đều đặn
như vậy đã được chứng tỏ từ các phân tích lý thuyết sử dụng các phương trình tốc độ
[8], [9], [14]. [18], [20].
2.4.2. Chế độ phát liên tục