Nghiên cứu động học và công nghệ của LASER rắn Cr3+LiSAF được bơm bằng LASER bán dẫn

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

















3+






LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ


VIỆN VẬT LÝ







NGUYỄN VĂN HẢO






NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN
Cr
3+
:LiSAF

ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN

 













Hà Nội - 2015









- 2014


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM















NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CỦA
LASER RẮN VỚI HOẠT CHẤT PHA TẠP Cr
3+
ĐƢỢC BƠM
BẰNG LASER BÁN DẪN




VIỆN VẬT LÝ


NGUYỄN VĂN HẢO






NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN
Cr
3+
:LiSAF

ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN





 


1 09






1. GS. TS. Nguyễn Đại Hƣng
2. PGS. TS. Nguyễn Thế Bình

Hà Nội - 2015




LỜI CAM ĐOAN





     



Tác giả luận án



Nguyễn Văn Hảo





Lêi c¶m ¬n

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Trung tâm Điện tử học
Lượng tử, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự
hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Đại Hưng và PGS.TS. Nguyễn Thế
Bình.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến hai Thày
hướng dẫn, đặc biệt là GS.TS. Nguyễn Đại Hưng, người Thày trực tiếp dẫn dắt,
chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời
gian thực hiện luận án này.
Tôi cũng xin cảm ơn Ban lãnh đạo và Phòng sau Đại học - Viện Vật lý đã
giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi thực hiện bản luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Khoa Vật lý & Công nghệ,
Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên và các đồng nghiệp trong
Khoa vì sự giúp đỡ nhiệt thành và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi.
Nếu không có sự giúp đỡ đó, chắc hẳn tôi khó có thể hoàn thành bản luận án
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Cô, các Chú, các Anh, các Chị và
các bạn ở Trung tâm Điện tử lượng tử, đặc biệt là các Anh, Em ở nhóm
Photonics vì sự cộng tác và giúp đỡ rất hiệu quả để tôi hoàn thành bản luận
án này. Tôi xin ghi nhớ lòng tốt, sự hợp tác và sự giúp đỡ của tất cả các Cô
Chú, các Anh Chị và các bạn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các cán bộ nghiên cứu, đặc biệt là GS.
Antonio Agnesi đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt
công việc của mình trong lần đi thực tập sinh tại Phòng thí nghiệm Các nguồn
laser, Khoa điện tử, Máy tính và Kỹ thuật Y - Sinh, Đại học Pavia, Italia.
Cuối cùng, tôi đặc biệt cảm ơn vợ, những người thân trong gia đình của
tôi vì sự yêu thương, tin tưởng và sự cổ vũ, động viên để tôi hoàn thành bản
luận án này.

i

MỤC LỤC


Li c
 iii
 vi
 1
:  6
 6
 9
 9
1.2.2. 
3+
trong colquiriite 10

3+
trong các colquiriite 11
 15
 15
 15
 21
1.4.1. 

 22
1.4.2.  22
 26
  27
2.1. H 28
  31
 33

 -  41
 44
 47
-SWITCHING 49
 49
- 51
 51
3.2.2. T -switching 52
  54

ii

- . 56
- - 56

a0
- 58
 60
 63
- 65
-- 65
3.4.2. Laser Cr:LiSAF Q- 67
 69
 71
ABCD 72
 72
 73
 74
CH laser Cr:LiSAF 75
 76

 78
 81
 85
 85
 86
 90
 94
4.4  97
 98
 100
 101
 103
 105
THAM 106
 108
 I


iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:
I
i
(

i
)
 laser  c sóng


i

[cm
-2
µs
-1
]

i


[nm]
N
g

M  trng thái kích thích cng laser
[cm
-3
]
N
M ion toàn phn cng laser
[cm
-3
]
N
0

M  trn cng laser
[cm

-3
]
R
p


[cm
-3
µs
-1
]
P
p


[W]

p


[nm]
r
p


[cm]

p



[µs]

g


[µs]

a


[µs]

c


[µs]
T
r


[µs]
l
g


[cm]
l
a



[cm]
L

[cm]
n
g

er

n
a








1



R
1

H s phn x c
1
 c sóng laser (R
1


= 1)

R
2

H s phn x c c sóng laser

r
Bán kính cong cu
[mm]
T
oc
 truyn qua c


iv


i



i
,

[cm.s
-2
]


gai
(

i
)


i

[cm
2
]

gei
(

i
)


i

[cm
2
]

p




p

[cm
2
]
N
a0


[cm
-3
]
T
0

[%]
N
a


[cm
-3
]
)(
i1

ia





i

[cm
2
]
)(
i2

ia


hòa 

i
(
ia2

=
ESA

)
[cm
2
]




p

[cm
-1
]
d

[mm]
n
0


n
e





[
o
]



[
o
]
T(

)






[
o
]
A

[
o
]
E
out

[µJ]
E
p

[µJ]
N
i
 
[cm
-3
]
N
f


[cm
-3
]


Bán kính chùm Gauss trong BCH
[m]
N
a

[cm
-3
]
N
ea

            hái kích
thích
[cm
-3
]

v

N
gt


[cm

-3
]

1

1
[
o
]

2

2
[
o
]

3

3
[
o
]
P
th

[mW]

p


[m]

c

Eo 
[m]

Các chữ viết tắt:
BCH 
BF 
Q-switching 
Colquiriite 
LD Laser diode
ESA Excited-State Absorption)
KLM          
Mode-locking)
SESAM       
Absorber Mirrors)

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Danh mục các Bảng biểu
Trang
Bảng 1.1














14
Bảng 1.2
laser diode
23
Bảng 2.1

32
Bảng 3.1
laser Cr:LiSAF
56

Danh mục các Hình vẽ
Hình 1.1

10
Hình 1.2

3+


11
Hình 1.3

3+
:LiSAF và Cr
3+
:LiCAF
12
Hình 1.4

3+
:LiSGAF
13
Hình 1.5

16
Hình 1.6

17
Hình 1.7

18
Hình 1.8
 
19
Hình 1.9

20
Hình 1.10


25
Hình 1.11

26
Hình 2.1

30
Hình 2.2
- Cr:LiSAF
33
Hình 2.3
C
35

vii

Hình 2.4
C
37
Hình 2.5

38
Hình 2.6

40
Hình 2.7
và (b) 
41
Hình 2.8


p

43
Hình 2.9

43
Hình 2.10

44
Hình 2.11

45
Hình 2.12

46
Hình 2.13

47
Hình 2.14


47
Hình 3.1
-
52
Hình 3.2

53
Hình 3.3


57
Hình 3.4

58
Hình 3.5
- 
60
Hình 3.6
(a) 
61
Hình 3.7

62
Hình 3.8

4
 Q-switching
63
Hình 3.9

64
Hình 3.10

65
Hình 3.11
-
66
Hình 3.12

67

viii

Hình 3.13

68
Hình 3.14
(a) 
69
Hình 4.1

73
Hình 4.2

75
Hình 4.3

1
và d
2

77
Hình 4.4

1
(a) và d
2

78
Hình 4.5


1

78
Hình 4.6
Chùm 
79
Hình 4.7

1
(a) và d
2

80
Hình 4.8

81
Hình 4.9
Chùm 
81
Hình 4.10

83
Hình 4.11

1
(a) và d
2

84

Hình 4.12

84
Hình 4.13
Chùm 
85
Hình 4.14

3

86
Hình 4.15

87
Hình 4.16

88
Hình 4.17

88
Hình 4.18

89
Hình 4.19

90
Hình 4.20

92
Hình 4.21


93

ix

Hình 4.22

94
Hình 4.23

95
Hình 4.24

96
Hình 4.25

96
Hình 4.26

97
Hình 4.27

97
Hình 4.28

98
Hình 4.29

99
Hình 4.30


100
Hình 4.31

102






1

MỞ ĐẦU


phát minh 
 
              
- 

Laser        phát
 18], [26], [38],
[72], [170], [186], [187], [190], [202], [205]. 

sau: (i)  
    Ce:colquiriite 
(ii)  



 
laser [42], [118], [119], [134]trong
Ngày nay, c phát
 
 33], [42], [91], [126], [147],
[149], [183].
Trong các môi laser tâm
 ion crôm (chromium)


      các tinh th     F
n Cr
3+

quang 11], [13], [21], [31], [32], [33], [34], [35],
[36], [42], [47], [49], [53], [62], [70], [99], [126], [129], [133], [134], [151], [152].

2


       

          [31], [42], [133], [134], [183]. Tuy
nhiên, các laser Cr:colquiriite 
              laser
diode trong vùng  
quang (322 × 10
-20
cm
2

    Ti:sapphire (130 × 10
-20
cm
2
µs) [26],
[75], [205]. T khá
, laser cao [33].
             

         
 10  80 


 


[7], [27], [31], [32], [36], [50],
[91], [139], [149].


laser  
h      (Q-switching) 
              
vibronic  
[45], [136]. 



3

 [132], [133], [134], [165], [155], [156], [157], [158],
161], [14], [15], [22], [23], [24], [114], [7], [62], [63], [83], [139], [148].
 quan
và [181], [182], [184], [188], [33], [34], [35], [36], [37],
[49], t 
- 

 


à c
               

1995 - 

-
 [3]. Tuy nhiên, các laser
  có
khá  [2], [3], [4].
 


3+

30-
100 MHz [7], [39], [124  
phát xung Q-switching 
SESAM) [125

3+



              
“Nghiên cứu động học và công nghệ của laser rắn Cr
3+
:LiSAF được bơm bằng
laser bán dẫn”.

4

Mục đch của đề tài:
+     a    n Cr:LiSAF  
.
+ 
 

+ 
Q-
laser diode   cho
laser Q-.
+ ng 
ser diode.  phát
              

án 4 
Chương 1   
;  laser Cr:LiSAF 
.
Chương 2 n       
 















  



. 

Cr:             
.
Chương 3 n      - 

 
-
 và

5

                 
Cr:LiSAF Q-
Chương 4 trình bày   
cho các trong 
 n chùm Gauss ABCD trong 
      

.


Vật lý của các hệ
laser toàn rắn, phát xung ngắn và có khả năng thay đổi tần số  
       

âm
- 


6

CHƢƠNG 1
LASER RẮN Cr
3+
:LiSrAlF
6
(Cr:LiSAF)



 

 
(Ti
3+
:Al
2
O
3
), alexandrite (Cr
3+
:BeAl
2
O
4
), Cr:colquiriite (Cr
3+
:LiSAF, Cr
3+
:LiCAF
và Cr
3+
:LiSGAF), Ce:colquiriite (Ce
3+
:LiSAF và Ce
3+
:LiCAF), Co:MgF và
forsterite (Cr
4+
:Mg
2
SiO

4
) [192]. Các tinh t   


132], [133], [134], [165]. Các 


 [192], [154], [193]c là tinh
             . Trong

diode.
1.1. Sự phát triển của laser rắn Cr:colquiriite
           

             
Livermore [13


ành viên
 


3+
:BeAl
2
O
4

3+



7

  -         

các xung 120 0  

               

Trong khi ong liên tc và Q-c thc
hiu tiên bi Scheps và cng s J  tn s lp
lc nh s dng b biu ch ng (chopper), ngoài ra các
ng hi ph gng [160].  công sut
 1,3 lng, các tác gi ng laser cách nhau 46
s khi s d phn x a,
ng hi phc trong các phát x c quan sát bi
Scheps và cng s    d    s bi laser diode
[157]. Tuy nhiên, trong các quan sát thc nghim này, các tác gi 
các nghiên cu chi tii thích cho hing hi phc
ca phát x laser.
--
-



                
         
--quang,



 10 Hz [54].
-

 

8

Cr:LiCAF Q-            



- 
-


         on krypton (Kr
+
), các

             
 q


ion Ar
+

khóa m






 laser ion Kr
+


MHz [104].
99, các laser Cr:LiSAF và Cr:LiCAF khóa
    KLM          
  
xung laser  [7], [62], [63],
[83], [139], [148], [181], [182], [184], [188].
n t 2008 - nay, các nhóm tác gi tp trung nghiên cu và phát trin
các laser Cr:colquiriite liên tc, hiu sut cao và có kh n/ cc

9

ngn nh khóa mode    bng cht hp th bão hòa da trên
SESAM/SBR hoc  u chc sóng trong mt
di ph rng (~ 105 nm) [11], [33], [34], [35], [36], [37], [49]trong
         

G


 


các quá



- r
     
t nghiên
các 
 laser 

Cr:LiSAF 
1.2. Tinh thể laser Cr:LiSAF
1.2.1. Cấu trúc tinh thể LiSAF
Các tinh 

colquiriite (LiSAF, LiCAF và LiSGAF) 
chung là LiMe
II
Me
III
F
6
   
II
      ; Me
III
là các
[84], [154]. Trong u c tinh 



i y, 


i cation
m 

t a bt 

n 

c bao quanh 

i 6 ion F
-
. Các ion Cr
3+

  ion Al
3+
           
colquiriite là
2
3
13
d
DcP 

[185là 
6
(Me: Li
+
, Ca

2+
, Sr
2+
và

10

Al
3+
97], [152]. 
.









Hình 1.1: LiSAF và LiCAF [84], [97], [152], [43].
1.2.2. Các mức năng lƣợng của ion Cr
3+
trong colquiriite
Khi các ion Cr
3+

 
3+


ion này 
  
 [193]  

 
các  cho các 
ser colquiriite [43], [86], [132], [142], 176],
[193].
       vibronic    
                
- 
              ], [56],
[136], [148], [193].  ion Cr
3+

(
4
T
1
,
4
T
2
,
2
E và
4
A
2
 4 mc này (phía bên

phi Hình 1.2) c xây dng mng ca hai n
Sr
2+
Al
3+
F
-
Li
+
Ca
2+
Sr
2+

11

t
4
T
2
và
4
A
2
 [142], [193
4
T
2




4
T
2

2

4
T
2

2
E.

là
4
T
2

2


4
T
2
và
4
A
2



3+

4
T
2

4
A
2
. Hình 1.2














Hình 1.2: c
3+
trong colquiriite
4 142], [193].

1.2.3. Các tính chất quang của ion Cr
3+
trong các colquiriite

3+

ion Cr
3+
khác , trong các col
3+

2
E

4
T
2

4
T
1

 
4
A
2
và 
2
E 
4

T
1
(
4
A
2

2

4
A
2

4
T
1
)
4
A
2

2
E ccác laser
 thái
2


H

Q

~ ps
~ ps
~ µs
1
2
3
4
4
T
1

12


4
T
2

 



3+

E 
c c ).

Hình 1.3: 
3+
:LiSAF và (b) Cr

3+
:LiCAF [133], [110].
N trình bày trên Hình 1.3, Cr:LiSAF và Cr:LiCAF có

 
 

 
.
 
 
 
