LASER NEODYMIUM PHÁT XUNG NGẮN

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản Khóa luận này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới ThS. Nguyễn Văn Hảo – giảng viên Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa
học, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo mọi điều kiện
thuận lợi để em thực hiện bản Khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý –
Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên đã dạy dỗ và chỉ bảo nhiệt
tình cho em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành Khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị cán bộ nghiên
cứu viên tại Phòng thí nghiệm Quang tử Phân tử thuộc Trung tâm Điện tử
học Lượng tử, Viện Vật lý đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình tiến
hành thực nghiệm để có thể hoàn thành bản Khóa luận này.
Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động
viên tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó!

Thái Nguyên, ngày 29/04/2011
Sinh viên

Nguyễn Thị Như Hải


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài (Khóa luận)
Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên
cứu và phát triển. Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực
nghiên cứu khoa học, khoa học vật liệu và quang điện tử, laser ngày nay càng

được phát triển đa dạng về chủng loại và đồng thời kĩ thuật phát laser ngày
càng được hoàn thiện.
Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân chia thành
nhiều ngành khác nhau như: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí...
Trong đó laser rắn được phát minh đầu tiên và cho đến ngày nay nó vẫn có
nhiều ứng dụng vô cùng quan trọng. Trong các loại laser rắn, laser rắn
Neodymium (môi trường laser được pha tạp các ion Nd3+) chiếm một tỉ phần
lớn – nó là một nguồn sáng kết hợp quan trọng đã và đang được sử dụng rộng
rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ [5]. Hiện nay, các
laser Neodymium vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển
đổi năng lượng khá thấp chỉ khoảng 1 ÷ 2 % và phải mua từ nước ngoài với
giá thành khá cao. Do vậy, chỉ có một số ít các phòng thí nghiệm có khả năng
được trang bị các nguồn laser này.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn gần đây, công
suất phát laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ có
thể tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 ÷ 3 nm) và đặc biệt có thể phù hợp


tốt với phổ hấp thụ của các tinh thể laser. Do vậy, các phương pháp quang học
bằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ. Phương
pháp này làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser được nâng lên đáng
kể, đồng thời cấu hình – kích thước laser rắn được trở nên gọn hơn rất nhiều.
Nhìn chung, với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng
lượng khi bơm bằng laser bán dẫn có thể đạt từ 10 ÷ 60 %.
Tại Việt Nam, cho đến nay mới có phòng thí nghiệm trọng điểm về điện
tử học Lượng tử - Viện Vật lý thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
nghiên cứu và phát triển các hệ laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn. Vì
vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ laser này là rất cần thiết và có
nhiều ý nghĩa về khoa học 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 diode. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài này:
“Laser rắn phát xung ngắn nano giây bằng phương pháp biến điệu thụ động
độ phẩm chất buồng cộng hưởng, được bơm bằng laser diode.”
2. Mục đích của Khóa luận
Nhằm trang bị những kiến thức cở bản về laser, đặc biệt là laser rắn bơm
bằng laser diode, đồng thời cũng là tạo điều kiện cho việc học tập chuyên
ngành của tác giả.
Đây có thể là một tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên cũng như
những ai quan tâm đến hoạt động và ứng dụng của laser.
Khoá luận nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp một hệ laser rắn Nd 3+:YAG
phát xung ngắn dựa trên phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng
hưởng và được bơm bằng laser diode. Đây là một laser có nhiều ứng dụng
trong khoa học.
3. Nội dung của Khóa luận
Nội dung Khóa luận là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hệ laser
rắn Nd: YAG phát xung ngắn nano-giây bằng phương pháp biến điệu độ phẩm
chất buồng cộng hưởng, được bơm bằng laser diode dựa trên cơ sở tìm hiểu
về lý thuyết các phương pháp phát xung ngắn nano giây. Đồng thời qua đây


chúng tôi cũng nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser này. Do đó,
nội dung của khóa luận ngoài phần mở đầu và kết luận được chia làm ba
chương:
Chương 1: Tổng quan về laser rắn Neodymium phát xung ngắn nhờ biến
điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Trong chương này chúng tôi đã giới thiệu
và phân tích một cách ngắn gọn các đặc điểm đặc trưng hoạt động của các laser
Neodymium điển hình. Ngoài ra, chúng tôi cũng đưa ra nguyên tắc phát xung
laser rắn nhờ kỹ thuật Q-Switching (biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng).
Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG biến
điệu thụ động được bơm bằng laser diode. Trong chương này chúng tôi trình

bày các nghiên cứu các bộ phận của nguồn bơm và thiết kế các yếu tố cơ –
quang cho hệ laser này.
Chương 3: Các kết quả và thảo luận. Trong chương này chúng tôi trình
bày các kết quả thu được từ hệ laser chúng tôi đã lắp ráp cũng như các bàn
luận về chúng.
4. Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu tổng quan lý thuyết: Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích
tài liệu liên quan đến laser rắn Neodymium bơm bằng laser diode và
phương pháp phát xung laser ngắn Q-Switching.

-

Nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG phát xung
ngắn bằng chất hấp thụ bão hòa Cr 4+: YAG (phương pháp biến điệu độ
phẩm chất buồng cộng hưởng), được bơm dọc bằng các laser diode. Đo đạc
và đánh giá các thông số hoạt động của hệ laser đã lắp ráp.

5. Đóng góp mới của khoá luận
-

Khoá luận đã nghiên cứu, thiết kế và xây dựng thành công một hệ laser
rắn phát xung ngắn nano giây Nd3+: YAG bơm bằng laser diode (ở chế

-

độ liên tục) bằng kỹ thuật Q-Switching.
Các kết quả cho thấy, đây là hệ laser Nd:YAG cho phép phát các xung
nano ngắn nhất trong các hệ laser Q-Switching trước đây [5], [10 -12]

(τ ≈ 11 ns) và công suất đỉnh xung cao nhất [13].


Bản Khóa luận này được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý –
Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên và Phòng thí nghiệm
Photonic phân tử - Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của Th.S. Nguyễn
Văn Hảo.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER NEODYMIUM PHÁT XUNG
NGẮN NHỜ BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT (Q-SWITCH)

Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn. Chất rắn này là đơn
tinh thể, hoặc chất vô định hình [1]. Gần đây, nhờ sự phát triển trong công nghệ chế
tạo laser bán dẫn đã cho phép chế tạo các laser bán dẫn công suất cao (tới hàng trăm
W) [9], 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. Trong các laser rắn bơm
bằng laser diode, laser neodymium (Nd: YAG, Nd: YVO4, Nd: YLF, …) là một loại
laser rất phổ biến, nó cho phép hoạt động được ở cả hai chế độ liên tục và xung
ngắn. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về các loại laser này.
1.1. Laser Neodymium
Môi trường laser Neodymium là môi trường laser tinh thể được sử dụng
khá phổ biến hiện nay. Môi trường nền chủ yếu thường là tinh thể Y 3Al5O12
(viết tắt là YAG). Bên cạnh đó, một số môi trường nền khác cũng thường
được sử dụng như: muối flouride YLiF4 (viết tắt YLF), vanadate (YVO4), và
một số loại thủy tinh silicate....
Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [10, tr. 372].

Nồng độ pha tạp (%)

Nd:YAG

Nd:YVO4

Nd:YLF

Nd:glass

1

1

1

3,8


Nt (1020 ion/cm3)

1,38

1,5

1,3

3,2

τ (µs)

230

98

450

300

∆ν (cm-1)

4,5

11,3

13

180

σe (10-19 cm2)

2,8

7,6

1,9

0,4

n = 1,82

n1 = 1,82

n1 = 1,4481

n = 1,54

Chiết suất

Trong đó : Nt là mật độ của ion Neodymium; τ là thời gian sống huỳnh quang;
∆ν là độ rộng phổ laser; là tiết diện phát xạ cưỡng bức.
Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức, chuyển dịch
quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd 3+.
Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng
tham gia quá trình laser bị suy biến, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các môi
trường YAG và YVO4 chuyển dịch quang học có xác suất lớn nhất ứng với bước
sóng 1064 nm còn 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. Laser Nd:YAG
•

Môi trường hoạt chất (môi trường khuếch đại)
Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG, trong đó

Y3Al5O12 đóng vai trò là chất nền và ion Nd3+ đóng vai trò

Hình 1.1: Thanh Laser
Nd: YAG hình trụ chữ
nhật một đầu cắt nhọn

là tâm hoạt chất phát ra laser. Dùng Y3Al5O12 làm chất nền
vì phổ huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng bước sóng của Nd 3+. Nồng độ Nd3+

pha vào YAG thường khoảng 1 % (1,38.1026 ion/m3), nếu nồng độ lớn sẽ dẫn đến sự
dập tắt phát quang hay có thể làm thay đổi cấu trúc vật liệu YAG do bán kính của ion
Dịch chuyển không phát xạ

3+

3+

Nd lớn hơn so với ion Y (14 %). Cấu trúc năng lượng và chuyển dịch quang học
cho bức xạ laser được mô tả trên hình 1.2.

Hấp thụ

Phát xạ


Hình 1.3 cho thấy môi trường Nd: YAG có ba vùng hấp thụ mạnh quanh vùng
Hình 1.2: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [7, tr. 5]

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 bước sóng 808 nm để bơm cho laser Nd:YAG.
Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2)
Bước sóng (nm)

Hình 1.3: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 K [14, tr. 208].
(đường liền nét ứng với Nd3+ trong nền YAG; đường đứt nét ứng với Cr3+ trong nền
Alexandrite. Trục tung bên phải ứng với Nd3+, bên trái ứng với Cr3+)

Trên giản đồ mức năng lượng hình 1.2, 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 4I9/2. Khi chiếu ánh sáng kích thích vào
tinh thể Nd:YAG (trên hình 1.2 sử dụng nguồn kích thích là laser bán dẫn
vùng 808 nm) các nguyên tử được kích thích lên trạng thái kích thích 4F5/2 do
thời gian sống của nguyên tử trên mức này rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồi
phục không phát xạ rất nhanh từ trạng thái 4F5/2 về trạng thái 4F3/2 – thời gian
sống của nguyên tử trên trạng thái này với ion Nd 3+ cỡ vài trăm mi-cô giây (τ
≈ 10-7 s) [9, tr. 209], vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền. Nghịch đảo độ


tích lũy được tạo ra giữa mức laser trên 4F3/2 và các mức laser dưới là 4I13/2,
4

I11/2, 4I9/2. Sự dịch chuyển cho phát xạ laser xảy ra từ mức laser trên 4F3/2 tới

mức laser dưới 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2.
Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YAG được biểu diễn trên hình 1.4.

Cường độ phổ (a.u)
Bước sóng (Å)
Hình 1.4: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd: YAG thu ở 300 K [7, tr. 7].

Các dịch chuyển quang học có thể xảy ra và xác suất tương ứng của các
dịch chuyển đó được cho trên bảng 1.2.
Bảng 1.2: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd3+ [7, tr. 4].
Dịch chuyển

4

F3/2 – 4I9/2

Bước sóng huỳnh quang (µm)
0,8910

Tỉ lệ cường độ (%)

0,8999

25

0,9385
0,9460
1,0521
1,0615

4

F3/2 – 4I11/2

1,0642
1,0737

60

1,1119
4

F3/2 – 4I13/2

1,1158

1,3331
1,3351
1,3381

14


1,3533
4

F3/2 – 4I15/2

1,3572
1,8330

1

Chúng ta thấy rằng, xác suất dịch chuyển cao nhất từ mức laser trên
4

F3/2 về mức laser dưới 4I11/2 có tỉ lệ cường độ khoảng 60 % với bước sóng

trung tâm là 1064 nm. Vì vậy, các laser Nd: YAG chủ yếu được chế tạo để
phát xạ laser ở bước sóng này.
Với thời gian sống của ion Nd 3+ ở mức laser trên (τ ≈ 230 µs) rất thích
hợp cho việc phát các xung Q-switch. Trên bảng 1.1, độ rộng phổ laser ∆ν =
4,5 cm-1 tại bước sóng 1064 nm đo ở nhiệt độ 300 K, có nghĩa rằng khả năng
phát xung ngắn thu được ở chế độ hoạt động khóa mode có thể đạt tới độ rộng
xung laser là 5 ps [14, tr. 371].
•

Buồng cộng hưởng quang học


Tinh thể Nd: YAG
YAG:Nd

Gương vào


Buồng cộng hưởng quang học là một trong ba thành phần cơ bản của
laser. Buồng cộng hưởng có chức năng thứ nhất là thành phần chứa môi
trường hoạt tính của laser, thứ hai là thành phần để cho tia sáng đi lại nhiều
lần trong môi trường hoạt tính, nhờ thế mà tia sáng được khuếch đại lên.
Buồng cộng hưởng có nhiều loại, người ta dựa vào tính chất và hình dạng của
các gương cũng như cách bố trí các gương để phân loại buồng cộng hưởng.
Buồng cộng hưởng quang học của laser Nd:YAG cũng như các loại laser
khác, phổ biến và tương tự như buồng cộng hưởng Fabry – Perot.
•

Nguồn bơm
Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận từ 0,7

đến 0,9

nên laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm thích hợp nhất. Sự hấp thụ bức xạ
laser diode sẽ kích thích các ion Nd3+ lên các mức năng lượng nằm rất gần
mức laser trên. Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơn đèn quang học, có
thể hơn 10 %. Các laser rắn sử dụng nguồn bơm là laser diode (công suất cao)
có các ưu điểm vượt trội so với dùng đèn làm nguồn bơm như:

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, 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.


1.1.2. Laser Nd: YVO4
Môi trường laser Nd:YVO4 là môi trường laser đang được phát triển rất
mạnh trong những năm gần đây [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 cao cho
phép tiêu tán nhiệt nhanh trong quá trình bơm quang học, độ bền cơ học cao
và có thể nuôi tinh thể thể tích lớn với các đặc tính quang học rất tốt.
Tương tự như với laser Nd:YAG, laser Nd:YVO 4 hoạt động trên nguyên
lý laser 4 mức với mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 (khi bơm quanh
vùng 800 nm) và 4F7/2 (khi bơm quanh vùng 700 nm), mức laser trên là 4F3/2 và
mức laser dưới là 4I11/2. 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 µm.
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). Do vậy, so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO 4
có thể phát được xung ngắn hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đại
laser cao hơn.
1.1.3. Laser Neodymium thủy tinh (Nd: glass)
Môi trường laser này được sử dụng khá rộng rãi [6] 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 [14, tr. 372].
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 nhưng
dịch chuyển quang học cho bức xạ laser mạnh nhất tương ứng với bước sóng
1,05 µm. Do tiết diện phát xạ cưỡng bức nhỏ (kém 7 lần so với Nd:YAG –
bảng 1.1) nên thông thường mật độ pha tạp ion Nd 3+ trong thủy tinh lớn hơn


vài lần so với trong môi trường 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 [14, tr. 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 µm 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 khóa mode. 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) [14, tr. 373].
Một trong những ưu điểm rất quan trọng của môi trường Nd: glass đó là khả
năng chế tạo được các thanh hoạt chất laser kích thước lớn cho phép chế tạo
các thanh laser thể tích lớn sử dụng trong các hệ khuếch đại laser công suất
cực cao. Nhược điểm lớn nhất của môi trường laser Nd: glass 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) [15, tr. 367].
1.2

Phương pháp phát xung ngắn nano giây nhờ biến điệu độ phẩm

chất buồng cộng hưởng (Q-switching)
1.2.1 Độ phẩm chất buồng cộng hưởng
Một trong những đại lượng đặc trưng cho buồng cộng hưởng là phẩm
chất buồng cộng hưởng, được kí hiệu là Q. Độ phẩm chất buồng cộng hưởng
được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng được tích luỹ trong buồng cộng
hưởng và năng lượng bị mất đi trong một chu trình ánh sáng đi lại trong
buồng cộng hưởng.
Độ phẩm chất buồng cộng hưởng được tính theo công thức:

(1.1)
trong đó, L chiều dài buồng cộng hưởng,
là bước sóng của laser,


lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương.
Muốn tăng độ phẩm chất buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài của
buồng, tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương.
Có nhiều nguyên nhân làm giảm độ phẩm chất buồng cộng hưởng
quang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song của
gương, độ nhám của mặt gương... Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìm
Dòng đèn bơm

cách khắc phục được những nhược điểm đó.
1.2.2 Nguyên tắc của phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng
hưởng

(a)

Tên gọi của phương pháp xuất phát từ thực tế là độ phẩm chất buồng
cộng hưởng (Q) được biến đổi trong quá trình laser hoạt động.
Mất mát BCH

max

t

Q thấp
Q cao

min

(b)

Nghịch đảo

t

ni
(c)

ns
Thông lượng photon

nf

t

Φmax

Δtp

(d)

Φmin
t0

t
Hình 1.6: Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q - Switching.


Hình 1.6 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng
cộng hưởng. Thoạt đầu sự phát xạ laser là không thể do độ phẩm chất của
buồng cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộng
hưởng cao nhất) (hình 1.6b). Thời gian cuối của xung bơm (bằng đèn flash
hoặc laser diode) (hình 1.6c), khi nghịch đảo độ tích luỹ đã đạt tới giá trị cực
đại, độ phẩm chất Q được chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mất
mát buồng cộng hưởng thấp nhất). Tại thời điểm này, thông lượng photon bắt
đầu tăng lên trong buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình
1.6d). Như ta thấy trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến độ
phẩm chất xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở
“khoá” độ phẩm chất .
1.2.3. Các kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng
Có nhiều kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Người ta
thường phân chia thành hai nhóm chính:
* Phương pháp chủ động, trong đó việc điều khiển quá trình điều biến độ
phẩm chất được thực hiện nhờ một nguồn tín hiệu bên ngoài.
* Phương pháp thụ động, là phương pháp mà việc điều biến độ phẩm

chất hoàn toàn không có sự can thiệp từ bên ngoài.
1.2.3.1. Phương pháp điều biến độ phẩm chất chủ động


Các bộ điều biến phẩm chất chủ động có thể hoạt động dựa trên một
trong các nguyên lý sau: cơ-quang, điện-quang, âm-quang.
● Trong buồng cộng hưởng được điều biến cơ-quang, gương cuối (hoặc
nó được thay thế bằng một lăng kính 90 0 phản xạ toàn phần) quay rất nhanh
quanh một trục vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng laser. Độ
phẩm chất của buồng cộng hưởng một cách tuần hoàn đạt được giá trị cực đại
sau mỗi vòng quay của lăng kính, ứng khi mặt cạnh huyền của lăng kính
vuông góc với trục buồng cộng hưởng.
● Việc điều biến điện-quang thường được thực hiện bằng cách làm thay
đổi tính phân cực của môi trường do tác dụng của một điện trường ngoài. Hai
hiệu ứng điện-quang thường được áp dụng là hiệu ứng Kerr và hiệu ứng
Pockels.
● Bộ điều biến âm-quang làm việc trên nguyên lý nhiễu xạ siêu âm. Một
sóng siêu âm lan truyền trong môi trường tạo ra trong đó một ứng suất, ứng suất
này làm cho chiết suất của các lớp khác nhau của môi trường thay đổi tuần hoàn
theo không gian với chu kỳ bằng bước sóng của sóng âm và lan truyền trong môi
trường với vận tốc âm thanh. Cấu trúc có chiết suất thay đổi tuần hoàn này sẽ làm
nhiễu xạ sóng ánh sáng khi nó truyền qua [4].
Bộ điều biến điện-quang có độ tổn hao (khi mở) lớn hơn một bậc so với độ
tổn hao của bộ điều biến âm-quang (cỡ 0,1 %). Tuy nhiên, điều biến điện-quang
có thể đạt mất mát 100 % (khi đóng) trong khi điều biến âm-quang lại không thể.
Hơn nữa, quán tính của bộ điều biến điện-quang nhỏ hơn hai thậm chí là ba bậc so
với bộ điều biến âm-quang. Đây là một lý do khiến bộ điều biến âm-quang thường
được dùng với laser bơm liên tục trong khi điều biến điện-quang thường dùng cho
các laser xung [4].
1.2.3.2. Điều biến độ phẩm chất bằng phương pháp thụ động

Thông thường, bộ điều biến phẩm chất loại thụ động là một cuvet đựng
dung dịch chất màu hữu cơ hoặc là một tinh thể bán dẫn hoặc Cr 4+: YAG được


pha tạp nhất định mà có độ hấp thụ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng tới
theo biểu thức:

(1.2)
Trong đó, α0: hệ số hấp thụ
α : độ hấp thụ (hay năng suất hấp thụ)
, với

là tiết diện hấp thụ của chuyển dời. Với vật liệu

như vậy, độ truyền qua của nó có dạng:

(1.3)
Trong đó, To là độ truyền qua ban đầu,

;

l là độ dày của vật liệu.
Đặc tính truyền qua của vật liệu hấp thụ bão hoà được minh hoạ trên hình 1.7:
0.90
0.85

Độ truyền qua

0.80

0.75

0.70
0.65
0.60

0.01

0.1

1

10

Huỳnh quang chuẩn hoá E/Es

100

Hình 1.7: Độ truyền qua của vật liệu thay đổi theo thông lượng tới

Vật liệu hấp thụ được sử dụng làm khoá phẩm chất có độ truyền qua
tăng khi thông lượng ánh sáng tăng và ở mức thông lượng cao, vật liệu hầu
như trở lên trong suốt. Lúc này, ta nói rằng vật liệu đã hấp thụ bão hoà (hay


còn gọi là bị tẩy trắng). Ví dụ, nó trở nên trong suốt - không hấp thụ khi
cường độ ánh sáng tới có công suất đủ lớn- như các dung dịch màu hữu cơ:
chất màu cyanine thường được dùng để biến điệu trong laser Ruby, chất màu
polymethine thường dùng trong laser Nd... Ngoài ra, người ta còn sử dụng các
bộ biến điệu phi tuyến dựa trên hiệu ứng tán xạ cưỡng bức Brilloun, hoặc các

gương bán dẫn (SESAM - semiconductor saturable absorber mirror) có hệ số
phản xạ phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng tới [2].
Cần chú ý rằng, thời gian sống của phân tử hay nguyên tử của vật liệu
hấp thụ phải rất ngắn so với thời gian sống của mức năng lượng laser trên.
Ban đầu, các bộ hấp thụ bão hoà dùng để điều biến độ phẩm chất thường là
các chất màu hữu cơ được pha loãng trong dung môi hữu cơ (thời gian sống
của các phân tử màu cỡ nano giây). Tuy nhiên, loại vật liệu điều biến này có
tuổi thọ thấp do sự thoái hoá phân tử màu và khả năng chịu nhiệt thấp, do vậy
ứng dụng của chúng bị hạn chế. Sự phát hiện ra các tinh thể pha tạp các ion
hấp thụ hoặc chứa các tâm màu đã cải thiện đáng kể tuổi thọ và độ tin cậy của
các khoá phẩm chất thụ động.
Do khoá phẩm chất loại thụ động được điều biến do chính bản thân
trường bức xạ trong buồng cộng hưởng nên không đòi hỏi nguồn cao áp hay
các bộ điều khiển quang – điện như trong các phương pháp điều biến độ phẩm
chất buồng cộng hưởng nói trên.
•

Ưu, nhược điểm của phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng
cộng hưởng
Ưu điểm:

- Gần như không có mất mát trong thiết bị biến điệu.
-

Có thể đạt được độ mất mát cực đại (100 %) khi đóng.
Thiết bị điện tử điều khiển hoạt động đơn giản.
Độ tin cậy cao.
Thiết kế đơn giản, rẻ tiền, gọn nhẹ.

Nhược điểm: - Tốc độ biến điệu còn chậm, do đó các xung tạo ra còn dài.

-

Tần số lặp lại và độ rộng xung cố định, không điều
chỉnh được.


CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ Nd: YAG
BIẾN ĐIỆU THỤ ĐỘNG ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Mục đích của khóa luận là thiết kế hệ laser rắn Nd: YAG biến điệu thụ động
bơm bằng laser diode. Laser diode dùng trong trường hợp này là một laser diode
công suất cao. Do vậy, tiến hành nghiên cứu, khảo sát các đặc tính hoạt động của
nguồn bơm laser diode này để làm chủ, điều khiển sự hoạt động của laser diode là
một việc rất quan trọng. Ngoài ra, trong chương này chúng tôi cũng giới thiệu các
kỹ thuật thiết kế và xây dựng hệ laser Nd: YAG bơm bằng laser diode trong cả hai
chế độ hoạt động liên tục và xung ngắn nano giây nhờ phương pháp biến điệu thụ
động (Q-Switching) bằng chất hấp thụ bão hòa.
2.1 Nghiên cứu các bộ phận của nguồn bơm laser diode
2.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD-10)

Hình 2.1. Nguồn nuôi LDD-10 (kích thước: 28 × 23 × 10 cm3).


Nguồn nuôi LDD-10 (ATC, Nga) được thiết kế cho các chức năng sau:
● Cung cấp dòng điện ổn định cho laser diode hoạt động ở chế độ liên
tục và chế độ xung.
● Điều khiển dòng cấp cho laser diode.
● Ổn định và điều khiển nhiệt độ của laser diode.
● Điều khiển công suất quang của laser diode với photodiode phản hồi
được gắn bên trong.

● Bảo vệ laser diode khỏi những nguy hiểm về điện và nhiễu.
Các thông số kĩ thuật của nguồn nuôi được trình bày chi tiết trong bảng
2.1 trong phần phụ lục.
2.1.2. Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H)
Các laser diode khi hoạt động ở chế độ liên tục hay ở chế độ xung
với độ lặp lại của xung lớn hơn 500 ms thì ta cần phải làm lạnh cho laser
diode.
Chúng tôi sử dụng bộ phận làm mát được mô tả như trong hình 2.2

Bộ tỏa nhiệt

Quạt gió

Đầu laser diode

Mũ bảo vệ
laser diode
Hình 2.2. Bộ làm mát cho lase diode và đầu laser


Chi tiết các bộ phận của bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode được
chỉ ra trong sơ đồ hình 2.3.
Trong đó: bộ tản nhiệt (1) ; tấm Peltier (3) ; giá gắn laser diode (4); mũ
bảo vệ laser diode (6); giắc nối với nguồn LDD-10 (7); Quạt gió (8). Bộ làm
mát ATC - 03H có các thông số kĩ thuật được trình bày trong bảng 2.2 phần
phụ lục.

Hình 2.3. Chi tiết bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode

2.1.3. Laser diode (ATC - C2000-200-AMO-808-3)

Các thông số danh định của laser diode được trình bày trong bảng 2.3
trong phần phụ lục.

2.2. Nghiên cứu các bộ phận khác của hệ laser
● Thấu kính bơm (thấu kính hội tụ):
Chúng tôi đã sử dụng 1 thấu kính hội tụ có đường kính D = 2,5 cm, tiêu
cự f = 2 cm để hội tụ chùm bơm cho tinh thể laser.
● Gương laser cuối M1 (TL, Đức):


√ Bán kính cong: r1 = ∞; r2 = -10 cm
√ Hệ số phản xạ: R ≈ 100% (λ = 1064 nm), R < 5 % (λ = 808 nm).
● Tinh thể Nd3+: YAG:
Tinh thể Nd: YAG (nồng độ pha tạp là 1 %) được sử dụng để xây dựng hệ
thống laser này do hãng Casix, Trung Quốc chế tạo. Tinh thể có dạng thanh,
đường kính 3 mm và dài 3 mm. Hai mặt tinh thể đã được gia công màng chống
phản xạ cho bước sóng laser 1064 nm và bước sóng của laser bơm 808 nm.
● Gương laser đầu M2 (TL, Đức):
√ Bán kính cong: r1 = r2 = ∞.
√ Hệ số phản xạ: 77 % và 94 % (λ = 1064 nm) , R < 5 % (λ = 808 nm).
● Các giá đỡ gương (Thorlabs, Mỹ):
Yêu cầu: Giá đỡ phải có khả năng điều
chỉnh chính xác hai chiều x-y. Do vậy,
chúng tôi đã sử dụng các giá gương là loại
Ultra-stable Kinematic.
√ Góc quay điều chỉnh ± 4,75 độ.

Hình 2.4. Giá đỡ gương.

√ Độ phân giải góc 27’/vòng.

● Giá đỡ tinh thể :
Giá đỡ tinh thể phải dẫn nhiệt tốt nhất cho tinh thể, do vậy vật liệu chế
tạo giá đỡ được chọn bằng đồng. Trong khi gia công phải đảm bảo độ chính
xác để bề mặt giá đỡ có khả năng tiếp xúc cao nhất với tinh thể Nd:YAG, như
vậy sẽ dẫn nhiệt tốt cho tinh thể khi laser hoạt động.
•

Tinh thể Cr4+: YAG (CASIX- China) – chất hấp thụ bão hòa:
* Mức độ pha tạp : 1 %.
* Ngưỡng hư hỏng : 500 MW/cm2


* Phủ chống phản xạ : R < 0,2% ở 1064 nm
* Hệ số truyền qua ban đầu T0 là 80 % hoặc 90%.
2.3. Sơ đồ khảo sát công suất laser diode theo dòng bơm

(5)

Để khảo sát đặc trưng dòng-công suất của laser diode chúng tôi sử dụng
đầu đo năng lượng 13PME001 của hãng Melles Griot, Mỹ. Độ phân giải của
đầu đo công suất là 10 µW. Nhiệt độ của laser được giữ ở 25 0C và nhiệt độ
phòng là 25 0C. Dòng bơm cho(3)laser diode được tăng từ 400 đến 2000 mA.
(2)

(4)

(1)
Hình 2.5: Sơ đồ hệ đo công suất của laser diode
(1) Nguồn nuôi laser diode LDD-10
(4) Đầu đo năng lượng (Melles

Đường chuẩn
(2)
Laser
diode
2.4. Thiết kế hệ laser Nd:YAG được bơm bằng laser
diode
Griot 13PME001)
(3) Thấu kính hội tụ
(5) Bộ phận hiển thị công suất

2.4.1. Thiết kế hệ laser Nd:YAG
phát
Chùm
Laserliên tục D1
D2
L
M1

Tiến hành thiết
M2 kế hệ laser Nd: YAG được bơm bằng laser diode công
Laser He-Ne

suất cao ATC, sử dụng cấu hình bơm dọc, với buồng cộng hưởng thẳng.
Chùm bơm
Nd: YAG

Đầu bơm
Laser diode

Hình 2.6. Sơ đồ khối kỹ thuật lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG bơm bằng laser diode

Sơ đồ khối của hệ laser lắp ráp được sử dụng cho việc xây dựng cấu hình
laser được trình bày trên hình 2.6.


Với quá trình căn chỉnh, đề nghị nên có:
• Định hướng bằng laser He-Ne hoặc laser diode đỏ.
• Kính nhìn hồng ngoại (hoặc card hồng ngoại).
• Đồng hồ đo công suất laser.
• Kính bảo vệ mắt.
• Thước giấy cứng. Thước bọt nước.

Qui trình căn chỉnh được nêu ra dưới đây:
- Cố định laser diode xuống mặt bàn quang học.
- Nối đầu diode laser với bộ điều khiển laser và bật công tắc. Điều chỉnh
để bức xạ từ laser diode phát ra song song với mặt bàn quang học.
- Lắp laser He-Ne cho tia laser chiếu thẳng đến đầu phát của laser diode
sao cho hai chùm tia trùng nhau và cùng song song với mặt bàn quang học.
- Dùng hai diaphram D1 và D2 (đường kính lỗ 1 mm) để đánh dấu đường
chuẩn.
- Dùng thấu kính bơm L để hội tụ chùm bơm của laser diode sao cho tâm
thấu kính trùng với đường chuẩn. Đồng thời điểm hội tụ trùng với đường chuẩn.
- Lắp gương đầu M1 vào giá đỡ gương và cố định khối xuống bàn sao
cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2 (rộng cỡ 1 mm).
- Lắp tinh thể laser vào giá đỡ tinh thể và cố định xuống bàn quang học
sao cho điểm hội tụ của vết bơm đi vào tâm của tinh thể.
- Lắp gương cuối M2 vào giá đỡ gương và cố định khối xuống bàn sao
cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2.
Thực hiện các tinh chỉnh của việc xoay tinh thể bằng cách nghiêng giá
đỡ tương ứng và nghiêng giá đỡ gương M 2 bằng cách xoay các vít vi chỉnh 2

chiều để có được sự phù hợp cần thiết.


Để công suất bơm ở một giá trị khá cao sau đó tinh chỉnh sự đồng trục
của quang hệ nhằm mục đích phát laser.
Kiểm tra đầu ra của laser bằng card hồng ngoại. Đặt mặt trắng của card ở
đầu ra của laser. Nếu có ánh sáng laser, ta sẽ thấy chấm sáng ở trên card.
Khi có chấm sáng trên card hồng ngoại thì chứng tỏ laser đã hoạt động.

Các yếu tố cơ-quang của hệ phải đáp ứng được một số chức năng và đặc
tính kỹ thuật sau:
● Nguồn bơm laser để đạt được hiệu suất bơm quang học tốt nhất phải có:
√ Phổ phát xạ của laser bơm phải trùng với phổ hấp thụ của ion Nd3+.
√ Công suất laser bơm phải đủ lớn, đảm bảo cho hoạt động ổn định của
laser Nd:YAG (nhiều lần trên ngưỡng).
√ Ổn định cao về cường độ và phổ trong quá trình làm việc hay nói các
khác laser diode phải được ổn định dòng bơm và nhiệt độ trong quá trình
làm việc.
● Thấu kính bơm: để đảm bảo đạt được mật độ bơm quang học lớn thì
khả năng hội tụ của thấu kính này phải cao, điều này đòi hỏi thấu kính sử
dụng phải có khẩu độ số NA lớn và tiêu cự ngắn.
● Gương cuối (gương vào) của buồng cộng hưởng laser Nd: YAG phải là
gương có độ truyền qua cao (từ 94 % đến 100 %) ở bước sóng bơm 808 nm
nhưng có độ phản xạ cao ở bước sóng laser 1064 nm.
● Các yếu tố quang học phải có khả năng vi chỉnh chính xác, đáp ứng
cho việc bố trí và điều chỉnh buồng cộng hưởng quang học của laser.
2.4.2 Thiết kế hệ laser Nd: YAG phát xung ngắn nano giây bằng phương
pháp Q-switching
Để laser Nd: YAG phát xung ngắn chúng tôi sử dụng phương pháp điều
biến độ phẩm chất thụ động, tinh thể hấp thụ bão hòa Cr 4+: YAG được sử