laser rắn và laser Neodym

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LÊ THỊ THU HƯƠNG

1

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngày càng nhiều thành tựu
khoa học vật lý được nhanh chóng ứng dụng vào các ngành khoa học khác
(khoa học vật liệu, hoá học, sinh học, công nghệ nano, điện tử viễn thông…)
tạo ra một kỉ nguyên mới – kỉ nguyên công nghệ.
Sự truyền và xử lý tín hiệu không phải bằng dòng điện hay sóng điện
từ vô tuyến mà bằng ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng ổn định – laser.
Điều này có vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia, mỗi dân
tộc và toàn nhân loại. Sự ra đời của laser là một trong những thành tựu khoa
học nổi bật. Với những tính chất nổi bật mà không phải bất kì một nguồn
quang nào có thể có được: độ đơn sắc cao, độ kết hợp lớn, độ định hướng
cao và nhất là sự tập trung rất cao vào một bức xạ đơn sắc. Do vậy, nó mở ra
một bước phát triển mới trong các ngành kĩ thuật, khoa học ứng dụng và
công nghệ. Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vức nghiên
cứu khoa học, cùng với những tiến bộ trong lĩnh vức khoa học vật liệu,
quang phổ học và quang lượng tử, laser càng được nghiên cứu sâu hơn, phát
triển đa dạng với nhiều chủng loại, kĩ thuật laser dần được hoàn thiện hơn.
1. Lí do chọn đề tài
Laser có nhiều loại, trong đó các laser rắn – cụ thể là các laser rắn

Neodym đang là nguồn kích thích quang quan trọng trong các phòng thí
nghiệm quang học và quang phổ hiện nay. Các laser rắn Neodyum chủ yếu
được bơm bằng đèn flash nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp từ
1% - 2% [8]. Điều này là do phổ phát xạ của đèn rộng, còn tinh thể Neodym
thì phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp. Mặt khác, năng
lượng của đèn còn bị mất mát do gradien nhiệt, làm tâm hoạt chất nóng lên
gây ra hiệu ứng thấu kính nhiệt, do vậy phải có hệ thống làm mát phức tạp.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

2

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tuy nhiên, khi công nghệ bán dẫn phát triển, laser bán dẫn ra đời và
phát triển mạnh. Laser bán dẫn có tuổi thọ và độ ổn định cao, kích thước
nhỏ gọn, không cần dùng nguồn điện thế cao và hệ thống làm mát phức tạp.
Với công suất phát có thể lên tới hàng chục oát (W), phổ phát xạ tập trung
trong một khoảng hẹp nên phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser, tạo ra
hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Chính vì vậy, phương pháp bơm năng
lượng cho các laser rắn – cụ thể là các laser rắn Neodym bằng laser bán dẫn
đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Phương pháp này cho hiệu suất
chuyển đổi năng lượng cao từ 10% - 80%, đồng thời khắc phục những hạn
chế có trong bơm bằng đèn flash: hiệu ứng thấu kính nhiệt gây ra sự phát
laser không ổn định, làm nóng tâm hoạt chất, làm tăng độ phân kỳ của chùm
tia [8]…Ngoài ra các hệ laser và khuếch đại laser được bơm bằng laser bán
dẫn có thể được chế tạo rất nhỏ, gọn. Với những ưu điểm này, phương pháp

bơm bằng laser bán dẫn hiện nay đang phát triển mạnh.
Một yêu cầu đang được đòi hỏi ngày càng cao trong ứng dụng nghiên
cứu hiện nay là nhu cầu sử dụng các hệ thống laser cực nhanh. Ví dụ, sử
dụng các laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất tập trung bình lớn
để nghiên cứu các quá trình động học và các hiện tượng nhanh đang được
nhiều cơ quan khoa học mong muốn nghiên cứu như: Viện Vật lý và điện tử,
Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hóa học, Đại học
Khoa học tự nhiên Hà Nội, Đại học Sư phạm 1 Hà Nội, Trung tâm KH – CN
và kỹ thuật quân sự…Trước đây, laser xung ngắn có thể xây dựng và phát
triển dựa trên các kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng
(Q – switching), dumping – cavity, kĩ thuật mode – locking…Việc tiến hành
nghiên cứu và xây dựng một hệ laser Neodym bơm bằng laser bán dẫn tại
Việt Nam là một việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ cũng như
ứng dụng.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

3

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

2. Mục đích chọn đề tài
Hệ laser Nd: YVO4 phát liên tục được bơm bằng laser bán dẫn với
buồng cộng hưởng dạng thẳng đã được nghiên cứu và phát triển thành công
ở Việt Nam, phát bức xạ laser ở 1064 nm với công suất hàng trăm mW, có
các hiệu suất và chất lượng chùm khác nhau.
Tuy nhiên, khi nghiên cứu hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng

dạng thẳng khi tăng chiều dài lên, ng việc đưa thêm một gương cầu và một
gương phản xạ vào buồng cộng hưởng trên tạo nên buồng cộng hưởng mớibuồng cộng hưởng gấp khúc. Tôi mong muốn với hệ laser Nd: YVO 4 phát
liên tục bằng laser diode với buồng cộng huởng gấp khúc có thể cải thiện
chất lượng chùm laser khi buồng cộng hưởng có chiều dài đáng kể.
3. Phương pháp nghiên cứu
Ở đây, tôi tiến hành phương pháp nghiên cứu tài liệu và nghiên cứu
thực nghiệm.
+ Về lý thuyết: Tham khảo các tài liệu, các bài báo cáo hội nghị.
+ Về thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm các đặc trưng hoạt động của
hệ laser và đánh giá hiệu suất laser.
4. Nội dung đề tài
Nội dung khóa luận này là tiến hành tìm hiểu, khảo sát các đặc trưng
của hệ laser Nd: YVO4 phát liên tục được bơm bằng laser bán dẫn với buồng
cộng hưởng dạng thẳng (tuyến tính). Từ đó, đưa ra hệ laser Nd: YVO4 với
buồng cộng hưởng dạng gấp khúc, tiến hành bằng khảo sát các đặc trưng
hoạt động. Qua đó có thể đánh giá cụ thể hiệu suất hai hệ laser nói trên.
Nội dung của khóa luận bao gồm hai chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về laser rắn và laser Neodym
•

Tổng quan về laser rắn.

•

Laser Neodym – cụ thể là laser Nd: YVO4

Chương 2: Nghiên cứu và khảo sát các đặc trưng của hệ laser
Nd: YVO4
LÊ THỊ THU HƯƠNG

4

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

• Khảo sát hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạng
thẳng tuyến tính. Cụ thể là khảo sát sự phụ thuộc ngưỡng
bơm, hiệu suất laser vào hệ số phản xạ gương và chiều dài
buồng cộng hưởng.
• Khảo sát các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd: YVO 4 phát
liên tục, được bơm bằng laser diode với buồng cộng hưởng
gấp khúc với chiều dài 500 mm. So sánh ngưỡng bơm. hiệu
suất laser với buồng cộng hưởng dạng thẳng. Ngoài ra, còn
khảo sát mode ngang dao động, phân bố năng lượng trong
chùm laser.

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT

LÊ THỊ THU HƯƠNG

5

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN VÀ LASER NEODYM

Trong lịch sử, sự nghiên cứu về laser bắt đầu bằng việc mở rộng phương
pháp khuếch đại trong vùng sóng điện từ. Năm 1917, Albert Einstein đã phát
hiện và mở đường cho việc sử dụng bức xạ cưỡng bức và thuyết photon.
Năm 1954, máy MASER đầu tiên được C.Tower chế tạo bằng cách tạo
ra nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức nguyên tử của phân tử để tạo ra bức
xạ cưỡng bức với bước sóng 1,25 cm. MASER là máy dao động trong vùng
sóng vi ba, nó được viết tắt bởi các chữ cái đầu của cụm từ tiếng anh:
Microwave Amplification by Stimulated Emssion of Radiotion, nghĩa là sự
khuếch đại sóng vi ba nhờ bức xạ cưỡng bức.
Năm 1955, mô hình kích thích quang học cho máy MASER đã được đề
xuất độc lập, đồng thời bởi N. Bloemberger, A.M. Prokorov và N.G. Basov.
Vài năm sau đó, các máy MASER hầu hết được tạo ra bằng cách bơm quang
học cho tinh thể Ruby.
Năm 1958, A. Schawlow và C. Tower đã đề xuất mở rộng thuyết
“MASER” tới tần số quang học và sử dụng buồng cộng hưởng Fabry – Perot
tạo phản hồi. Tuy nhiên, họ chưa tìm ra được vật chất thích hợp để tạo ra
nghịch đảo mật độ tích lũy. Điều này đã được hoàn thiện bởi T. Maiman,
người đã tạo ra laser đầu tiên vào năm 1960. Đây là laser với tinh thể hồng
ngọc – Ruby (sapphire được pha thêm ion Cr3+) được bơm bằng đèn xung
Xenon xoắn xung quanh tinh thể Ruby hình lăng trụ. Hai đầu của tinh thể
Ruby được mạ có lỗ nhỏ để bức xạ đi ra. Hai mặt phản xạ tạo thành buồng
cộng hưởng, với bước sóng ra là 694 nm. Khi đó, T. Maiman đã lấy tên là
LASER, được viết tắt bởi các chữ cái đầu của cụm từ tiếng anh: Light
Amplification by Stimulated Emssion of Radiation, nghĩa là sự khuếch đại
ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức.
Năm 1961, R.W.Hellwarth đã đưa ra chế độ gọi là Q – switch tức chế độ
điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng, cho sự tập trung chùm ra của
LÊ THỊ THU HƯƠNG

6

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

laser Ruby thành xung đơn. Ban đầu, Hellwarth gọi là tế bào Kerr, là một
thiết bị dùng để phân cực ánh sáng khi có điện thế đặt vào. Q – switch gồm
tế bào được lấp đầy Nitrobenzene, yêu cầu phải có một điện thế rất lớn đặt
vào.
Trong khoảng 15 năm gần đây, laser Ruby trở thành nguồn bức xạ
chuẩn với công suất lớn trong vùng khả kiến cho việc nghiên cứu trong các
trường đại học, hệ điều khiển, các phòng thí nghiệm. Sau đó, nó được thay
thế bởi laser Nd: YAG.
Loại laser Neodym đầu tiên là calcium tungstate doped with Nd +3. Loại
laser này được tạo ra năm 1961 và được sử dụng trong các thiết bị khảo sát
vài năm gần đây cho đến khi yttrium aluminate garnet (YAG) làm nền cho
Nd+3 được tạo ra. Năm 1961, K. Snitzer đã mô tả loại laser Nd:glass đầu
tiên. Loại laser này có thể chế tạo với kích thước lớn với chất lượng tốt hơn
laser ruby, hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng cao. Năm 1964, chất nền tốt
nhất cho ion Nd+3 là yttrium aluminate garnet (YAG) được J. Geusic phát
minh ra. Từ đó, Nd:YAG được sử dụng phổ biến làm môi trường hoạt chất
cho các laser rắn. Laser Nd: YAG có ngưỡng thấp cho phép hoạt động ở chế
độ liên tục, chất nền tỏa nhiệt tốt, độ bền cơ học cao và tính quang học tốt.
Laser Ti:sapphire được khám phá giữa năm 1980 với bước sóng từ
660nm đến 980 nm, được dùng để bơm cho các laser khác. Loại laser mới
như: Yb: YAG và Nd:YVO4 tuy không phù hợp với bơm đèn nhưng lại rất
thích hợp bơm bằng laser diode.
Trong quá trình phát triển của lịch sử, laser rắn ngày càng phổ biến và
phát triển mạnh mẽ. Ngày nay, chúng ta có thể thấy laser dùng trong công

nghệ như: thiết bị trong nhiều qui trình chế tạo, trong bệnh viện như một
nguồn bức xạ để trị liệu, thẩm mỹ, thiết bị điều khiển chính xác vật bay…
1.1 Laser rắn

LÊ THỊ THU HƯƠNG

7

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vào năm 1958, các nhà bác học Nga và Mĩ, nghiên cứu độc lập với
nhau, đã chế tạo thành công laser đầu tiên. Vài năm sau đó, laser rắn đầu
tiên được chế tạo là laser Ruby. Ngày nay, người ta đã chế tạo được hàng
chục loại laser rắn khác nhau với công suất lớn. Tương tự như các loại laser
khác, laser rắn cũng có cấu tạo gồm ba bộ phận chính là: môi trường hoạt
chất, buồng cộng hưởng và bơm năng lượng.
1.1.1 Môi trường hoạt chất:
Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn. Hoạt chất thể
rắn bao gồm hai thành phần: chất nền và chất kích hoạt (hoạt chất).
• Chất nền là chất cơ bản không tham gia trực tiếp vào những quá
trình tạo bức xạ laser. Chất nền có thể là thủy tinh hoặc tinh thể.
• Chất kích hoạt (hoạt chất) thường được đưa vào chất nền dưới
dạng tạp chất, có tỉ lệ nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất
nền. Trong chất nền, các ion chất kích hoạt sẽ thực hiện những
chuyển dịch cảm ứng tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ
laser.
Nghiên cứu phổ hấp thụ của các tinh thể hoặc thủy tinh cách điện có khả

năng dùng làm hoạt chất laser, người ta thấy chúng phải có một số yêu cầu
sau [6]
•

Trong phổ phải có mức siêu bền, có hiệu suất lượng tử cao, nghĩa
là khi nguyên tử ở trạng thái dời từ mức siêu bền này xuống các
mức ở thấp hơn phải là các chuyển dời có phát bức xạ.

•

Các dải phổ liên tục đủ rộng ở phía trên mức siêu bền, để có thể
đạt hiệu quả bơm quang học cao và không phải dùng bức xạ bơm
là đơn sắc.

•

Tinh thể có độ phẩm chất quang học đủ cao để tổn hao do tán xạ
là thấp nhất.

Cho đến nay, hiệu ứng bức xạ cưỡng bức đã được quan sát thấy ở hơn
250 tinh thể điện môi kích hoạt bằng cách cấy vào các nhóm tạp chất ion.
LÊ THỊ THU HƯƠNG

8

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thông dụng nhất là các tinh thể oxit có cấu trúc trật tự như: tinh thể Al 2O3
với tạp chất ion Cr3+, tinh thể Y3Al5O12 (YAG ) hoặc YVO4 với tạp chất ion
Nd3+, tinh thể phát quang CaF với tạp chất ion Dy3+.
1.1.2 Bơm năng lượng:
Để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy cho laser hoạt động, chúng ta cần bơm
năng lượng cho môi trường hoạt chất. Tùy theo các loại laser khác nhau mà
ta có nhiều phương pháp bơm khác nhau như: bơm quang học, bơm hóa học,
bơm nhiệt, bơm điện…Nhưng chủ yếu vẫn là bơm điện và bơm quang học.
♦ 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 hóa) hoặc cho
dòng điện chạy qua môi trường hoạt chất (thường dùng cho laser bán dẫn).
Những laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục hoặc gần liên tục hoặc
xung tuỳ theo chế độ phóng điện được sử dụng. Sự phóng điện liên tục được
phân làm 2 loại: phóng điện kích thích xoay chiều (A.C) và phóng điện kích
thích một chiều (D.C). Phóng điện xoay chiều được kích thích bằng dòng
xoay chiều tần số từ 10 đến 50 MHz với các điện cực nằm ngoài ống. Phóng
điện một được kích thích trực tiếp bằng dòng một chiều với các điện cực
nằm trong ống phóng điện. Yêu cầu cơ bản là phải có điện áp cao, dòng điện
có cường độ đủ lớn. Quá trình tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ phức tạp
hơn, hiêụ suất thấp. Do vậy cần phải thay thế bằng nguồn bơm hiệu quả hơn.
♦ Bơm quang học:
Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học, đây là loại kích
thích phổ biến. Bơm quang học là dùng một nguồn sáng khác có bước sóng
thích hợp chiếu vào môi trường hoạt chất. Nguồn sáng có thể ở dạng liên tục
hoặc xung, được phát ra từ đèn thông thường, đèn flash, laser bán dẫn. Cách
này thường được dùng khi môi trường hoạt chất là chất rắn hoặc chất lỏng.
Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ.
LÊ THỊ THU HƯƠNG

9

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hiệu quả bơm quang học phụ thuộc hai yếu tố [1]
• Bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và
không bị chất nền hấp thụ. Tức là sao cho phổ bức xạ của nguồn
bơm phải trùng với phổ hấp thụ của hoạt chất.
• Hiệu suất 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.
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 (hay đèn LED),
đèn hồ quang liên tục, ngọn lửa…Hay là nguồn sáng kết hợp như các laser.
Hiện nay, bơm quang học bằng laser bán dẫn cho các laser rắn đang
được sử dụng rộng rãi như: laser Nd:YVO4 hoặc laser Nd:YAG có thể được
bơm bằng laser bán dẫn ở λ = 808 nm, laser Cr:LiSAF có thể bơm bằng
laser bán dẫn ở λ = 670 nm hoặc 650 nm.
♦ Cơ chế bơm:
Ánh sáng từ nguồn bơm được môi trường hoạt chất hấp thụ, nguyên tử
được bơm lên các mức năng lượng cao (mức kích thích), từ các mức kích
thích đó nguyên tử chuyển xuống mức siêu bền và bị cưỡng bức phát xạ ra
ánh sáng. 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 chuyển dịch không bức xạ xuống mức siêu bền
nên ánh sáng không cần đơn sắc cũng có thể sử dụng. Hiện nay có hai cấu
hình bơm được sử dụng, đó là cấu hình bơm ngang và cấu hình bơm dọc.

1.1.3 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.
♦ Chế độ phát xung
LÊ THỊ THU HƯƠNG

10

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

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 µs, Nd: glass là 200 µs, và tinh thể Nd: YAG là 50 µs.
* 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, điệnquang, 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 rất cao
(10 ÷ 1000 MW).

* 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 những khoảng cách đều đặn. Phương pháp này gọi
là sự khóa mode theo pha (mode locking).
Để thưc 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.
LÊ THỊ THU HƯƠNG

11

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

+ 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.
♦ Chế độ phát liên tục
Chế độ bức xạ liên tục hoặc gần như liên tục ở laser rắn chỉ có thể thực
hiện được trên một số môi trường hoạt chất như : tinh thể Nd: YAG, Nd:

YLF, Nd:YVO4 hoặc Ti: sapphire. Đây là những môi trường hoạt chất có
khả năng dẫn nhiệt tốt cho phép bơm quang học liên tục với cường độ mạnh.
1.1.3 Buồng cộng hưởng (BCH):
♦ Vai trò của BCH
BCH là một bộ phận quan trọng trong cấu tạo của laser. BCH gồm hai
gương phản xạ, thường sử dụng gương đầu có hệ số phản xạ cao ở bước
sóng laser, còn gương khác có hệ số phản xạ thấp với hệ số truyền qua nhất
định T đóng vai trò như gương ra, tức là cho bức xạ laser ra khỏi BCH.
Những gương này được chế tạo đặc biệt bằng cách phủ lớp điện môi lên trên
đế thủy tinh quang học hoặc thạch anh. Môi trường hoạt chất được đặt trong
BCH quang học cộng hưởng với tần số ν. Hai gương của BCH phản hồi
phát xạ cưỡng bức trong môi trường hoạt chất và làm cho nó đi lại trong môi
trường nhiều lần, tạo ra sự khuếch đại cao hơn của phát xạ.
Ngoài vai trò khuếch đại nhiều lần bức xạ cưỡng bức thì BCH còn có vai
trò của BCH nữa là tạo nên các trạng thái xác định của trường bức xạ hay
các mode của BCH. Để thu được sóng kết hợp có độ đơn sắc cao thì về
nguyên tắc BCH chỉ dao động một mode nghĩa là chỉ có một tần số trong dải
khuếch đại của hoạt chất được dao động và phát ra. Tuy nhiên điều này là
khó khăn trong việc chế tạo. Với BCH thực, kích thước lớn hơn nhiều lần

LÊ THỊ THU HƯƠNG

12

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

sóng quang học nên sẽ cho dao động nhiều mode và BCH thực sẽ phát đa

mode.
Tùy theo cấu hình các gương phản xạ mà ta có các loại BCH khác nhau.

Hình 1.1. Một số loại buồng cộng hưởng [7]

♦ Các loại buồng cộng hưởng

∗ BCH mở :
Có hai thành bên chính là hai gương đối diện nhau, cố định trục BCH
trong không gian. Kích thước BCH lớn hơn rất nhiều bước sóng bức xạ.

∗ BCH bị động và BCH chủ động :
- Nếu không có môi trường hoạt chất bên trong BCH thì BCH được
gọi là BCH bị động.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

13

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

- Nếu có môi trường hoạt chất bên trong BCH thì BCH gọi là BCH
chủ động.

∗ BCH dẫn sóng :
Trong BCH dẫn sóng, phần lớn bức xạ đi trong một ống dẫn sóng. Đòi
hỏi phải có những cấu hình đặc biệt đảm bảo ánh sáng sau phản xạ trên

gương được quay trở lại ghép nối tốt với ống dẫn sóng.

∗ BCH lọc lựa :
Là BCH trong đó có chứa các yếu tố lọc lựa phổ như : kính lọc phổ, giao
thoa kế Farby – Perot, lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ...
♦ Mất mát trong BCH
Trong BCH không thể tránh khỏi những mất mát.
+ Mất mát bắt buộc là do sử dụng các gương phản xạ.
+ Mất mát không mong muốn như tán xạ, nhiễu xạ, hấp thụ của các
tâm hoạt chất, phản xạ của bề mặt các linh kiện quang học...
Điều kiện làm việc ổn định của BCH :
Trong BCH luôn xảy ra mất mát do nhiễu xạ, ta xét BCH gồm hai gương
(phẳng hoặc cầu) đồng trục
Ta đặt g1 = 1 −

L
r1

g 2 =1 −

L
r2

(1.1)

trong đó, L là khoảng cách giữa hai gương dọc theo quang trục
r1, r2 là bán kính cong của hai gương
Nếu các bức xạ chỉ đi theo hướng rất gần trục BCH thì khi đó mất mát
nhiễu xạ là nhỏ và BCH được gọi là ổn định.
Điều kiện ổn định cho BCH theo lý thuyết về BCH là:

0 < g1.g2 < 1
hay

L
L
0 < (1 − ).(1 − ) < 1
r1
r2

(1.2)

♦ Mode dao động

LÊ THỊ THU HƯƠNG

14

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

BCH tuy có cấu tạo đơn giản nhưng quá trình xảy ra trong đó lại khá
phức tạp. Nó ảnh hưởng quan trọng tới công suất và các tính chất phổ của
laser. Thực tế, ảnh hưởng của buồng lên các tính chất của bức xạ laser ngày
càng quan trọng và cơ bản hơn. BCH tạo ra những trạng thái xác định của
trường bức xạ, các trạng thái này được gọi là các mode dao động. Trong gần
đúng bậc nhất, các mode này có thể xem như là kết quả giao thoa của các
sóng phẳng lan truyền theo các hướng ngược chiều nhau giữa hai gương
phản xạ.

Mỗi mode riêng được đặc trưng bằng cấu hình tương ứng của trường
trên bề mặt các gương, người ta kí hiệu các mode bằng TEM nmq. TEM chỉ
các mode điện từ ngang tức là sóng điện từ mà thành phần vectơ E và H
nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng; m, n là các chỉ số
ngang của của mode và q là chỉ số dọc. Bản chất riêng của mỗi một cấu hình
đặc trưng bởi chỉ số mode ngang m và n. Mode ngang đặc trưng bởi các chỉ
số ngang và được kí hiệu là TEMmn.

∗ Mode dọc
Các mode dọc đặc trưng cho cấu trúc phổ. Cấu trúc phổ cho thấy bước
sóng phát ra của một laser thường được nói là bước sóng trung tâm của phổ
laser (bước sóng có cường độ mạnh nhất). Thông thường contua khuếch đại
của một phổ laser có độ rộng từ vài A 0 đến vài chục A0. Đối với trường hợp
laser phát đa tần số, khoảng cách giữa các mode dọc tính theo công thức:
∆ν = c/2L

(1.3)

trong đó, L là chiều dài buồng cộng hưởng
Cấu trúc phổ laser phát ra phụ thuộc nhiều yếu tố: chiều dài buồng cộng
hưởng, dòng kích thích, nhiệt độ...Cho nên vấn đề ổn định mode laser phát
ra và tăng độ đơn sắc của phổ là rất cần thiết.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

15

CN LÝ K3

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hình 1.2. Số mode dọc nằm trong đường cong khuếch đại của laser[10]

∗ Mode ngang
Các mode ngang của BCH sẽ cho biết sự phân bố năng lượng của bức xạ
theo tiết diện ngang hay sự phân bố không gian của bức xạ laser. Giá trị của
chỉ số ngang càng thấp thì thường tập trung vào gần tâm gương.
Khi thiết kế những laser cho công suất lớn, hoạt động ở một hoặc nhiều
mode dao động bậc cao, người ta thường muốn loại bỏ những dao động này.
Các mode bậc thấp thường là mode được chọn vì chùm tia trải rộng do sự
nhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cực tiểu.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

16

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hình 1.3. Một vài mode ngang cơ bản trong BCH[]

Mode ngang TEM00 gọi là mode ngang thấp nhất. Nó đặc trưng bởi một
cấu trúc phân bố cường độ bức xạ đơn giản. Nếu xét buồng cộng hưởng là
gương cầu, khi đó chùm tia cơ bản TEM 00 có cường độ cắt ngang chùm sẽ
có phân bố theo hàm Gauss [10]. Chùm Gauss là một chùm sáng có công
suất tập chung trong một hình trụ nhỏ bao quanh chùm tia phân bố cường độ
trong bất kì tiết diện ngang là một chùm Gauss đối xứng tròn, có tâm ở trục

chùm tia. Do đó sự phân bố năng lượng của chùm laser ra cũng là dạng
chùm Gauss.
Chùm Gauss có một số đặc trưng rất đặc biệt sau:
* Cường độ chùm Gauss: Cường độ chùm Gauss trong buồng cộng
hưởng laser thay đổi dọc theo trục z và theo bán kính của chùm có dạng:
2r 2
I (r, z) = I0 exp(- 2
)
w ( z)

(1.4)

với I0 là cường độ trên trục của BCH .
I(r, z) là hàm của khoảng cách trục z và bán kính r2 = (x2 + y2)1/2

LÊ THỊ THU HƯƠNG

17

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

* Bán kính chùm Gauss:
Trên mặt phẳng tiết diện ngang bất kì ở vị trí z nào đó, cường độ
chùm tia theo (1.4) nhận giá trị I o/e2 ở khoảng cách r = w(z). Hơn nữa, như
đã thấy ở trên 86 % công suất được tải đi trong hình tròn bán kính r = w(z).
Vì thế người ta xem w(z) là độ rộng chùm Gauss hay còn gọi là bán kính
chùm Gauss.

  λz  2 
w( z ) = w0 1 +  2  
  πw0  

12

(1.5)

Khi z = 0, w = w0 là giá trị cực tiểu của bán kính chùm tia. Vì vậy,
mặt phẳng z = 0 là chỗ thắt chùm Gauss và wo là bán kính chỗ thắt (hình
1.4).
* Độ phân kì chùm Gauss:
Các sóng là gần đúng là phẳng ở chỗ thắt của chùm tia, cong dần khi
xa về hai phía và trở thành sóng cầu ở xa chỗ thắt. Ở khoảng cách xa bán
kính chùm tăng tuyến tính dần theo z. Do đó, nó tạo ra độ phân kì của chùm
θ dưới dạng
θ =

2 λ
π w0

(1.6)

Hình 1.4. Sơ đồ mô tả thông số của chùm tia laser dạng Gauss (TEM00 mode)

LÊ THỊ THU HƯƠNG

18

CN LÝ K3

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Khi buồng cộng hưởng là ổn định, chùm tia laser ló ra sẽ giữ nguyên tính
chất phân bố Gauss. Đây là một trong những tính chất không gian của tia
laser. Toàn bộ năng lượng do sóng Gauss truyền tải có thể được tập trung
trên bề mặt hoặc trong một góc chùm tia có góc mở nhỏ. Khi đó chùm laser
sẽ có năng lượng lớn. Do vậy, khi chế tạo laser người ta cố gắng điều chỉnh
để laser phát ra có sự phân bố cường độ theo chùm Gauss.
1.2 Laser Neodym
1.2.1 Hệ laser bốn mức
Một môi trường laser hiệu suất cao là môi trường có các vạch chuyển
mức bức xạ hoặc huỳnh quang hẹp lí tưởng, có hiệu suất chuyển mức cao
(đo bằng số photon phát ra chia cho số photon được hấp thụ), có dải phổ hấp
thụ của các bước sóng bơm quang mạnh. Các laser rắn pha tạp các ion đất
hiếm thỏa mãn các tính chất trên. Một sơ đồ laser tối ưu được cấu tạo bởi
bốn mức năng lượng.
Laser tinh thể Nd 3+ hay laser rắn Nd 3+ là khi các tinh thể làm chất nền
được trộn thêm ion Nd 3+ dưới dạng Nd2O3 có thể làm hoạt chất laser rắn như
CaWO4, Ca(NbO3)2, YAG, YVO4... Trong các laser với hoạt chất Nd 3+, laser
Nd: YAG và Nd: YVO4 là loại điển hình và đang được sử dụng rộng rãi hiện
nay. Laser tinh thể Nd 3+ là một laser hoạt động ở chế độ bốn mức. Laser
hoạt động ở chế độ bốn mức có ưu điểm nổi bật là ngưỡng bơm thấp, dễ
dàng đạt được nghịch đảo độ tích lũy.
Dưới bức xạ của nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển từ trạng thái cơ
bản 1 tới trạng thái 4. Do thời gian sống của nguyên tử trên mức 4 rất ngắn
(τ = 10 -15 s) nên chúng phục hồi không phát rất nhanh từ trạng thái 4 về
trạng thái 3, mức 3 là mức siêu bền ( τ = 10-7 ÷ 10-14 s ) nên nghịch đảo độ
tích lũy được tạo ra giữa mức 3 và mức 2. Sự dịch chuyển cho phát xạ laser

xảy ra từ mức laser trên 3 tới mức laser dưới 2. Từ mức 2, những nguyên tử
hồi phục nhanh về trạng thái cơ bản 1 (hình 1.5).

LÊ THỊ THU HƯƠNG

19

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

4
Håi phôc kh«ng ph¸t x¹
3
Ph¸t x¹ tù ph¸t

Ph¸t x¹ cìng bøc

HÊp thô
2
Håi phôc

1

Hình 1.5: Nguyên lý laser hoạt động ở chế độ 4 mức

1.2.2 Cấu trúc năng lượng của Neodym
Khi được bơm, các ion Nd 3+ chuyển dời từ mức cơ bản 4I9/2 lên mức kích
thích (là nhóm các mức năng lượng cao từ 2S3/2 đến 2S9/2) (hình 1.6). Tuy

nhiên, ion Nd3+ trên các mức năng lượng cao này nhanh chóng hồi phục
không bức xạ về mức 2S3/2 và rồi về mức 4F3/2 – đây là mức laser trên. Trong
các chuyển dời khả dĩ từ mức này xuống các mức thấp hơn, chuyển dời từ
mức laser trên 4F3/2 đến mức laser dưới 4I11/2 có xác suất lớn nhất và cho phát
xạ laser ứng với bước sóng 1064 nm. Từ mức 4I9/2, ion Nd3+ hồi phục không
bức xạ về mức cơ bản.
∗ Phổ của Nd: YVO4
Hình 1.7 biểu diễn phổ hấp thụ của ion Neodym trong nền YVO 4, thu
được ở nhiệt độ 300 K. Phổ hấp thụ của iôn Nd 3+ có 3 dải hấp thụ mạnh,
nhưng mạnh nhất là dải ứng với bước sóng trung tâm 0,8 µm. Vì vậy, việc
sử dụng các laser bán dẫn có bước sóng 0,8 µm để bơm cho laser Neodym là
rất phù hợp và cho hiệu suất laser cao.

LÊ THỊ THU HƯƠNG

20

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2

S 9/2

2

G 7/2

4

G 9/2

4

S 3/2

2

S 3/2

(4)

4

F 3/2

(3)

Bơm
Phát xạ Laser
(2)
(1)

4

I 11/2

4

I 9/2

Hình 1.6: Sơ đồ năng lượng của Nd3+ trong nền rắn

Cường độ phổ (a.u)

(Số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số hạng của phổ nguyên tử)

Bước sóng (µm)
LÊ THỊ THU HƯƠNG

21

Hình 1.7. Phổ hấp thụ của Nd3+

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hình 1.8 biểu diễn phổ huỳnh quang của Nd:YVO4 bao trùm vùng
bước sóng laser tương ứng với các mức năng lượng đối với các chuyển dời

Cường độ phổ (a.u)

khác nhau.

Bước sóng (Ao)

Hình 1.8. Phổ huỳnh quang của Nd3+

Các dịch chuyển năng lượng của ion Nd3+ tham gia vào quá trình laser:
Håi phôc kh«ng ph¸t x¹
4

I5/2

4

F3/2

1064

804 808 812

946

4

I11/2

4

I9/2
Ph¸t x¹

HÊp thô

Hình 1.9: Các mức năng lượng Nd3+ tham gia vào quá trình laser

LÊ THỊ THU HƯƠNG

22

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

1.2.3 Laser rắn Nd: YVO4
Laser rắn Nd: YVO4 là loại laser rắn Neodyum,cấu tạo gồm môi trường
hoạt chất, buồng cộng hưởng và bơm quang học.
+ Môi trường hoạt chất:
Hoạt chất là Nd: YVO4 trong đó mật độ của ion Nd

3+

vào khoảng

0,5%÷ 2%. Neodym được đưa vào trong mạng nền yttrium orthovanadate
(YVO4) với sự liên kết phù hợp các tính chất vật lý, hóa học và co học có ưu
điểm cho hoạt động của laser. Nền YVO4 được sử dụng khá rộng rãi là do có
sự kết hợp các đặc tính mong muốn để làm nền cho các ion Nd

3+

như: độ

dẫn nhiệt rất cao cho phép tiêu tán nhiệt xuất hiện trong quá trình bơm
quang học, độ bền cơ học cao, có thể nuôi tinh thể khổ lớn với các đặc tính

quang học rất tốt.
+ Buồng cộng hưởng:
BCH của laser Nd: YVO4 có thể là dạng thẳng tuyến tính hoặc là dạng
gấp khúc. Tuỳ vào mục đích thiết kế và sử dụng mà ta có thể chế tạo hệ laser
này nhằm đạt hiệu suất cao khác nhau.
+ Bơm quang học:
Laser Nd: YVO4 không phù hợp bơm điện nhưng rất thích hợp bơm bằng
laser diode.
Laser diode là nguồn bơm quang học lí tưởng trong công nghệ laser.
Chúng có ưu điểm so với bơm bằng đèn flash như: có tuổi thọ cao và độ ổn
định cao hơn. Do phổ phát xạ rất hẹp so với phổ đèn flash làm cho hiệu suất
bơm cao, môi trường hoạt chất không bị nóng và tiêu tán các hiệu ứng nhiệt
trên nó đơn giản. Bên cạnh đó, nó có kích thước nhỏ gọn, không dùng nguồn
điện cao thế và hệ làm lạnh phức tạp.
Dưới đây là bảng thông số của laser Nd: YVO4

LÊ THỊ THU HƯƠNG

23

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Bảng 1.1. Các thông số của laser Nd:YVO4 [7].

Tiết diện bức xạ:
Bước sóng
Độ rộng vạch

Thời gian sống huỳnh quang
Đỉnh bơm cực đại
Hệ số hấp thụ lớn nhất ở 808 nm

15,6 x 10-19 cm-2
1064,3 nm
0,8 nm
100 µs
808,5 nm
37 (Phân cực theo phương π)

α (cm-1)
Mật độ ion Nd+3

10 (phân cực theo phương σ)
1%

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

LÊ THỊ THU HƯƠNG

24

CN LÝ K3


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐẶC TRƯNG HOẠT ĐỘNG CỦA LASER Nd: YVO4
BUỒNG CỘNG HƯỞNG GẤP KHÚC

BƠM BẰNG LASER DIODE
Khi xét một hệ laser, chúng ta không chỉ quan tâm đến bước sóng laser
phát ra mà còn quan tâm đến các đặc trưng hoạt động khác như: ngưỡng
bơm, hiệu suất laser, phân bố chùm năng lượng, chế độ hoạt động ổn định
của buồng cộng hưởng… Trong bài khoá luận này, tôi đi khảo sát một số đặc
trưng hoạt động của laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạng thẳng và
dạng gấp khúc. Từ đó, mong muốn tạo ra được loại laser có hiệu suất và độ
đơn sắc cao, năng lượng của chùm laser lớn.
2.1. Hệ laser rắn Nd3+: YVO4 phát liên tục bơm bằng laser diode với
buồng cộng hưởng dạng thẳng (tuyến tính).
Hệ laser mà chúng tôi khảo sát là hệ laser Nd:YVO 4 được bơm bằng
laser diode ATC công suất cao (~ 2000 mW) theo cấu hình bơm dọc được
thiết kế và chế tạo tại Trung tâm điện tử-lượng tử, Viện Vật lý - Viện Khoa
học & Công nghệ Việt Nam. Ở đây, tôi khảo sát sơ đồ khối của hệ laser Nd:
YVO4 và hình chụp hệ laser thể hiện qua hình 2.1 và hình 2.2 dưới đây.

Hình 2.1. Hệ laser Nd:YVO4 với buồng cộng hưởng dạng thẳng

LÊ THỊ THU HƯƠNG

25

CN LÝ K3