LASER CHROMIUM PHA TẠP TRONG LiSAF

Lêi c¶m ¬n
Trước tiên, em xin phép được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo,
Thạc sỹ Nguyễn Văn Hảo, người đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ, hướng dẫn em
trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này.
Đồng thời em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Vật lý –
Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, những người đã giảng
dạy, hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và
những người thân của mình đã luôn hỗ trợ về vật chất, động viên tinh thần và
tạo điều kiện tốt cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 05 năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Thị Xiêm


MỤC LỤC
Lêi c¶m ¬n.........................................................................................................1
1.1.3.1. Chất lượng chùm laser........................................................................11
1.1.3.2. Sợi quang học.....................................................................................13
1.1.3.3. Các đặc điểm của các laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang.............15
2.1. Khảo cứu các bộ phận của nguồn bơm laser diode..................................24
2.1.1. Nguồn nuôi laser diode (LDD-10M)..................................................................24

2.1.2. Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H)..............................................26
2.1.3. Laser diode ATC-S8-F200.....................................................................26
2.2. Nghiên cứu và chế tạo các bộ phận của hệ laser......................................27
2.2.1. Thiết kế các giá đỡ.............................................................................................27
Giá đỡ sợi quang...........................................................................................................32
2.2.2. Các thành phần của hệ laser Nd:YVO4..............................................................32

2.3. Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 bơm bằng laser diode..................................33
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ laser....................................................................................34
3.1. Các kết quả khảo sát nguồn bơm laser diode 8W.................................................37
3.1.1. Đặc trưng công suất – dòng bơm của laser diode 8 W.......................................38

3.1.2. Đặc trưng phổ của laser diode...............................................................39
3.2. Kết quả khảo sát các đặc trưng hoạt động của hệ laser Nd: YVO4 liên tục
bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W.............................................40
3.2.1. Đặc trưng công suất của hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm bằng laser
diode công suất cao lên tới 8 W......................................................................40


LỜI MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
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 và cùng những tiến bộ trong lĩnh vực khoa
học vật liệu, quang phổ học và quang lượng tử, laser ngày càng được
nghiên cứu sâu hơn, phát triển đa dạng về chủng loại và kĩ thuật laser dần
được hoàn thiện hơn.
Laser có rất nhiều loại, trong đó các laser rắn, cụ thể là các laser rắn
Neodymium đang là nguồn kích thích quang quan trọng trong các phòng thí
nghiệm quang học và quang phổ hiện nay. Các laser rắn Neodymium chủ yếu
được bơm bằng đèn flash nhưng hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp từ 1 ÷
2 % [3, 4]. Điều này là do phổ phát xạ của đèn rộng, còn tinh thể Neodymium
thì phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp. Mặt khác, năng
lượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, gây ra những hiệu
ứng không mong muốn cho môi trường hoạt chất – vì vậy các laser này đòi

hỏi phải có các hệ thống làm nguội phức tạp và cồng kềnh.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser diode, công suất
phát của laser diode có thể đạt tới hàng trăm oát (W) [6, 7, 9, 11], với phổ
phát xạ tập trung trong một khoảng phổ hẹp (2 ÷ 3 nm) có thể phù hợp với
phổ hấp thụ của tinh thể laser. Do vậy, phương pháp bơm quang học bằng
laser diode cho laser rắn đã sớm được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp
bơm quang học bằng laser diode cho laser rắn làm hiệu suất chuyển đổi
năng lượng được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng trở nên
gọn hơn. Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng
lượng khi bơm bằng laser diode có thể đạt từ 10 ÷ 80 %. Ngoài ra, việc
bơm bằng laser diode cũng hạn chế được những nhược điểm cố hữu của
phương pháp bơm bằng đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh
1


hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định, tăng độ phân kỳ của chùm tia
và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá huỷ thanh hoạt chất. Chính nhờ
những ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser diode mà hiện nay việc
nghiên cứu và sử dụng laser bán dẫn để làm nguồn bơm quang học cho các
laser rắn đang được phát triển rất mạnh. Đây là xu hướng phát triển của vật
lý và công nghệ laser hiện đại.
Laser Nd3+:YVO4 là một loại laser có hiệu suất cao khi được bơm bằng
laser diode. Tinh thể Nd3+:YVO4 có ưu điểm như : ngưỡng hư hỏng cao,
bền về mặt vật lý, hóa học. Điều này làm cho tinh thể Nd 3+:YVO4 được sử
dụng rộng rãi. Khi so sánh laser Nd 3+:YVO4 với laser Nd3+:YAG khi được
bơm bằng laser diode, laser Nd3+:YVO4 có nhiều lợi thế hơn. Nó ít bị phụ
thuộc vào bước sóng bơm, phổ hấp thụ rộng, hiệu suất cao, ngưỡng phát
laser thấp hơn, phát xạ phân cực thẳng, đơn mode [5]. Điều này làm cho
tinh thể Nd3+:YVO4 được sử dụng rộng rãi. Vì vậy, việc tiến hành nghiên
cứu và xây dựng một hệ laser rắn Nd:YVO 4 được bơm bằng laser diode

công suất cao là một việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ, đào
tạo cũng như ứng dụng thực tiễn.
Dựa vào các tìm hiểu đó, em đã lựa chọn khóa luận: “Nghiên cứu và
xây dựng một hệ laser rắn Nd:YVO 4 liên tục được bơm bằng laser diode
công suất cao lên tới 8 W”.
2. Mục đích của khóa luận
- Nhằm trang bị những kiến thức cở bản về laser, đặc biệt là laser bán
dẫn và laser rắn.
- Nghiên cứu, lắp ráp và cho hoạt động 01 hệ laser rắn Nd:YVO 4 liên
tục được bơm bằng laser diode công suất cao lên tới 8 W: Có hiệu suất
chuyển đổi quang học > 20 %; Công suất trung bình > 1,5 W ở bước sóng
1064 nm.
3. Nội dung của khóa luận
- Tìm hiểu kỹ thuật làm nguội cho tinh thể laser Nd3+:YVO4.
2


- Nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của laser diode công suất cao
dùng làm nguồn bơm cho laser rắn Nd3+:YVO4.
- Nghiên cứu, lắp ráp và cho hoạt động hệ laser rắn Nd 3+:YVO4 liên
tục được bơm bằng laser diode công suất cao được.
- Nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser rắn này.
Khóa luận ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo
gồm có hai phần chính sau:
Phần I: Lý thuyết
Chương 1: Tổng quan về laser bán dẫn và laser rắn Neodymium.
Phần II: Thực nghiệm
Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, lắp ráp và cho hoạt động hệ laser
rắn Nd:YVO4 liên tục được bơm bằng laser diode công suất cao.
Chương 3: Các kết quả và thảo luận.

4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của khóa luận là phương pháp thực
nghiệm.
5. Giải pháp thực hiện
+ Do laser Nd3+:YVO4 được bơm bằng laser diode công suất cao nên
vấn đề làm nguội cho tinh thể là rất quan trọng. Sử dụng các giá đỡ tinh thể
có độ tải nhiệt cao (như đồng, vàng…). Ngoài ra, cần thiết kế thêm bộ phận
cho dòng nước lạnh chảy qua liên tục. Sử dụng laser diode công suất cao
đóng vai trò như một nguồn bơm quang học để bơm cho laser Nd:YVO4.
+ Thực hiện việc thiết kế các thành phần (cơ khí, quang học) của hệ
laser. Xây dựng và lắp ráp hệ laser Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode:
sử dụng laser He - Ne để là đường chuẩn, card hồng ngoại để hiển thị tín
hiệu hồng ngoại (do mắt không nhận biết được).

3


+ Thực hiện các phép đo đặc trưng hoạt động của laser: dùng đầu đo
công suất có độ phân giải cao (10 µW); máy quang phổ kết hợp với bộ
chuyển đổi quang – điện (Photodiode Array) để đo đặc trưng phổ của laser.

4


PHẦN 1: LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN VÀ LASER RẮN
NEODYMIUM
1.1 Laser bán dẫn
1.1.1. Cấu tạo của laser bán dẫn

1.1.1.1. Môi trường hoạt chất
Hoạt chất là các chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe,… đây là những
chất phát quang. Vật liệu dùng làm hoạt chất của laser bán dẫn thường dựa
trên một trong bốn loại vật liệu khác nhau, phụ thuộc vào vùng bước sóng
ta mong muốn. Ba loại vật liệu thường được dùng là vật liệu bán dẫn
AIIIBV, bao gồm các vật liệu trong cột III và V của bảng tuần hoàn. Các
nguyên tố trong cột thứ III khi kết tinh thành tinh thể bị thiếu một điện tử
và các nguyên tố ở cột V lại thừa một điện tử. Do đó chúng sẽ cân bằng
điện tích khi được kết hợp với nhau thành hợp chất. Các nguyên tố ở cột
thứ III gồm có Al, Ga, In, Tl và vột thứ V gồm có N, P, As, Sb.
Một số loại vật liệu khác cũng được sử dụng đó là hợp chất A IIBVI,
gồm các nguyên tố cột thứ II thiếu hai điện tử và các nguyên tố thuộc cột
VI thừa hai điện tử. Các nguyên tố nằm trong cột II gồm có Zn và Cd, các
nguyên tố nằm trong cột VI gồm có S, Se và Te.
1.1.1.2. Bơm (bộ phận kích thích)
Laser bán dẫn có thể kích thích bằng nhiều phương pháp khác nhau
để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy. Sau đây là một số phương pháp :
• Phương pháp kích thích bằng điện trường

5


Phương pháp này thích hợp với chất bán dẫn có vùng cấm hẹp, có độ linh
động lớn và có khối lượng hiệu dụng của các hạt tải nhỏ như ở GaAs, InSb,….
Khi đặt điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nên
các điện tử và lỗ trống không cân bằng trong vùng dẫn cũng như vùng hóa
trị. Do sự đẩy trực tiếp các điện tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùng
dẫn và để lại các lỗ trống.
• Phương pháp kích thích quang
Phương pháp này khá phổ biến với những chất có khả năng phát

quang. Sự nghịch đảo tích lũy thu được nhờ các dịch chuyển gián tiếp và
do đó đồng thời với bức xạ photon còn có bức xạ phonon. Xác suất của quá
trình nói chung là nhỏ. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp này thì khả
năng hấp thụ photon sóng ngắn sẽ dẫn tới sự mất mát năng lượng lớn, do sự
tích thoát của các hạt tải trên các mức thấp, còn sự hấp thụ sóng photon
sóng dài không dẫn đến sự kích thích cho nên hiệu suất sẽ thấp.
• Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích
Phương pháp này áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng
(có được các bức xạ rất ngắn). Người ta phải dùng chùm điện tử có năng
lượng lớn sẽ tạo nên các khuyết tật trong bán dẫn và làm tăng các dịch
chuyển không bức xạ. Đó cũng là nhược điểm của phương pháp này.
•

Phương pháp phun các hạt điện tử không cân bằng qua lớp tiếp xúc p-n.
Phương pháp này nhờ đặt trong một điện trường bên ngoài bán dẫn và

tạo được dòng dịch chuyển p-n theo chiều thuận. Thế chặn bị giảm vì sự có
mặt của các điện tích không gian, do đó dễ dàng hơn sự dịch chuyển của điện
tử và lỗ trống qua lớp tiếp xúc này và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy.
Phương pháp này không đòi hỏi điện trường cao và có thể làm việc ở
chế độ liên tục. Hiệu suất của phương pháp có thể đạt tới gần bằng 100%.

6


1.1.1.3. Buồng cộng hưởng
Trong laser bán dẫn, người ta thường sử dụng buồng cộng hưởng
Febry – Perot với chiều dài L thỏa mãn điều kiện:

L=m

λ
2n

(1.1)

trong đó, L là chiều dài buồng cộng hưởng, λ là bước sóng phát laser, m là
số nguyên, n là chiết suất của vật liệu làm bán dẫn.
Buồng cộng hưởng này có thể được tạo ra bằng cách làm bóng hai
mặt cuối của lớp chuyển tiếp diode để có tác dụng như các gương phản xạ.
Hai mặt gương phản xạ này giam photon trong miền tích cực để photon
không thoát hết ra ngoài được mà được phản xạ lại làm nhiệm vụ nhân
photon (khuếch đại). Buồng cộng hưởng chỉ giữ lại một phần lượng photon
sinh ra, phần còn lại thoát ra ngoài trở thành tia laser. Buồng cộng hưởng
Febry – Perot có hai vai trò:
- Lọc lựa theo hướng của quá trình bức xạ cưỡng bức (chỉ có những
photon truyền dọc theo trục của nó mới phản xạ ngược lại và đi về
phía trước).
-

Đảm bảo độ dài của bước sóng (chỉ có những sóng thỏa mãn biểu
thức (1.1) mới được giữ lại trong buồng cộng hưởng và được khuếch
đại) [1].

1.1.2. Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn
Trong các loại laser như laser khí, laser lỏng và laser rắn, bức xạ
laser phát ra do chuyển dời của hệ lượng tử giữa các mức năng lượng điện
tử, các mức năng lượng quay hay các mức năng lượng dao động. Nguyên
tắc hoạt động của laser bán dẫn có điểm khác, nó hoạt động dựa trên việc
kết hợp hai loại vật liệu bán dẫn khác nhau đó là bán dẫn loại n và bán dẫn

loại p, cho bức xạ phát ra tại lớp tiếp xúc p - n. Dịch chuyển laser xảy ra
7


giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong miền chuyển tiếp p – n. Ở điều kiện
bình thường, miền chuyển tiếp p – n ở trạng thái cân bằng nhiệt. Khi dòng
phân cực thuận chạy qua chuyển tiếp p – n sẽ kích thích các điện tử từ mức
thấp lên mức cao (từ vùng hóa trị hoặc các mức tạp lên vùng dẫn). Sau thời
gian rất ngắn tồn tại ở các mức cao, các điện tử trở về mức thấp và phát
sinh ra các photon.

Hìn
h 1.1.
Sự
biến
đổi
năng

lượng tại lớp tiếp xúc p – n [6].
a) Khi chưa có trường ngoài; b) Khi đặt trường ngoài theo phân cực thuận

1.1.3. Laser diode công suất cao
Trong thực tế không có một định nghĩa chính xác cho khái niệm
“laser diode công suất cao”. Các laser diode công suất cao có cấu trúc dị
thể giếng lượng tử. Trong chuyển tiếp dị thể, bán dẫn loại p được kẹp
giữa hai lớp bán dẫn loại p và n của hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấm
lớn hơn. Hạt tải bơm từ phía p sang phía n được giam trong lớp bán dẫn
vùng cấm hẹp. Tại lớp bán dẫn này, quá trình tái hợp bức xạ xảy ra. Độ
rộng vùng cấm của bán dẫn khe hẹp (vùng tích cực) này sẽ xác định bước
sóng phát xạ của laser. Để đạt được sự đảo mật độ trạng thái cần thiết để

phát bức xạ cưỡng bức, mật độ hạt tải tự do trong miền tích cực phải cao
8


hay nói cách khác là phải đạt đến trạng thái suy biến. Điều này có thể
thực hiện được bằng cách làm mỏng lớp tích cực của bán dẫn vùng cấm
hẹp. Độ dày này thông thường của các laser dị thể là nhỏ hơn. Cấu trúc dị
thể được xây dựng trên cơ sở các vật liệu có hằng số mạng tương đồng để
giảm ảnh hưởng của biến dạng giữa các lớp khác nhau, yếu tố này giới
hạn các vật liệu có thể sử dụng cho cấu trúc dị thể của laser bán dẫn.
Hình 1.2 mô tả cấu trúc của một laser diode công suất cao cấu
trúc dị thể có lớp tích cực là một giếng lượng tử.

Hình 1.2. Cấu trúc của một laser bán dẫn đơn công suất cao cấu trúc
dị thể có lớp tích cực là một giếng lượng tử:a) giản đồ năng lượng;
b) trình tự các lớp epitaxy; và c) cấu trúc hình học

Các laser diode công suất cao hoạt động trong các điều kiện cường
độ làm việc cao; để tạo ra các linh kiện tin cậy một số tính chất của laser

9


phải tương đương với các linh kiện công suất thấp làm việc trong điều
kiện dòng bơm nhỏ hơn nhiều. Do đó các cấu trúc tối ưu cho phát xạ công
suất cao phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:
• Hệ số giam giữ quang học phải cao để giảm tối đa dòng ngưỡng.
• Độ rộng trường gần phải lớn để giảm góc mở của chùm tia phát ra.
• Mất mát tán xạ thấp và các mặt tiếp xúc được nâng cao chất lượng.
• Pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp.

• Các hàng rào thế giam giữ cao để đạt được giam giữ điện hạt tải tối
ưu.
Cách đơn giản nhất để tăng công suất phát của chip laser là tăng độ
rộng miền tích cực hay độ mở phát xạ. Để đạt công suất cao, ngoài việc
tăng chiều dài buồng cộng hưởng, số dải tích cực thì hai mặt buồng cộng
hưởng của chúng còn được phủ hai loại màng khác nhau. Mặt buồng cộng
hưởng sau được phủ màng phản xạ sao cho hệ số phản xạ càng cao càng tốt
(hệ số phản xạ này thường ≥ 90%), mặt buồng cộng hưởng trước được phủ
lớp màng chống phản xạ sao cho hệ số phản xạ tại mặt này còn 10%. Laser
công suất cao hoạt động ở các chế độ dòng bơm lớn và mật độ công suất
quang trên bề mặt chip laser rất lớn. Vì vậy, nếu không tuân thủ đúng các
quy định hoạt động tuổi thọ laser sẽ không đảm bảo. Thông thường, để
laser diode công suất cao hoạt động được cả ở chế độ xung và liên tục, phía
bán dẫn loại p (gần các dải tích cực) được hàn xuống đế toả nhiệt (heat
sink). Đế tản nhiệt được đánh bóng và được phủ In trong chân không. Các
vật liệu hàn chip laser với đế tỏa nhiệt phải dẫn nhiệt, dẫn điện và có công
tắc ohmic tốt. Để đảm bảo sự tản nhiệt, lớp vật liệu hàn chip laser và đế tản
nhiệt phải rất mỏng (< 10µm).

10


Trong khóa luận này, tôi sử dụng laser diode công suất cao làm
nguồn bơm quang học cho laser rắn Nd:YVO4. Laser diode này được lấy ra
bằng sợi quang, vì vậy vấn đề ta cần quan tâm là chất lượng của chùm laser
bơm, sợi quang học, đặc điểm của laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang,…
1.1.3.1. Chất lượng chùm laser
Trong số các tính chất quang lối ra của laser diode, chất lượng chùm
tia là một thông số rất quan trọng cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt cho
bơm quang học. Chất lượng chùm tia càng cao, kích thước điểm hội tụ của

chùm laser càng nhỏ và do vậy mật độ cường độ bơm của chùm laser
diode càng lớn.
Chất lượng chùm tia được đánh giá qua thông số tích tham số chùm tia
Q được tính bằng cách nhân bán kính eo chùm w0 với nửa góc phân kỳ trong
phân bố trường xa θo của chùm laser diode. Tích tham số chùm tia Q càng
lớn, chất lượng chùm tia càng kém. Trong trường hợp lư tưởng khi không có
bất kỳ quang sai nào, thông số này không đổi khi chùm tia sáng được biến
đổi qua một linh kiện quang thụ động như thấu kính hay gương [10].
Q = woθo/2 = constant

(1.2)

Chất lượng chùm tia là lý tưởng khi chùm tia laser có giới hạn nhiễu
xạ, nghĩa là ta có khả năng hội tụ chùm tia thành điểm nhỏ nhất có thể đối
với một bước sóng laser cho trước. Một cách chính xác hơn, chất lượng
chùm tia cao nhất được xác định bởi bán kính chỗ thắt chùm tia với một
chùm tia cho trước tạo bởi sự hội tụ chùm tia (ví dụ bằng gương cầu hay
thấu kính) kết hợp với sự phân kỳ tối thiểu có thể của chùm. Như vậy,
thông số tích của chùm tia Q có giá trị tối thiểu cho một chùm Gauss
(không chỉ có phân bố Gauss về cường độ) mà còn có mặt pha phẳng ở
chỗ thắt chùm tia.

11


Do các thông tin về kết cấu và chế tạo của laser bán dẫn, các tính
chất không gian của chùm laser bán dẫn không giống như các laser thông
thường. Ở trong mặt phẳng tiếp giáp, sự phân kỳ của chùm laser là thấp và
thường cỡ khoảng 10 độ, tuy nhiên nó vẫn lớn gấp nhiều lần giới hạn nhiễu
xạ. Do vậy, chúng ta không đạt được một vết hội tụ (vết bơm) có giới hạn

nhiễu xạ ở trong mặt phẳng này và chỉ tạo được một mật độ công suất bơm
thấp trên môi trường hoạt chất. Ngược lại, sự phân kỳ của chùm laser bán
dẫn ở trong mặt phẳng vuông góc với mặt tiếp giáp thường rất cao cỡ
khoảng 35 - 40 độ, tuy nhiên nó lại rất gần với giới hạn nhiễu xạ. Do vậy,
chúng ta có thể đạt được một vết hội tụ (vết bơm) ở giới hạn nhiễu xạ ở
trong mặt phẳng này và tạo được một mật độ công suất bơm cao trên môi
trường laser rắn.
Đối với laser bán dẫn, khi tính toán chất lượng chùm tia phải tính
đến sự bất đối xứng của chùm tia theo hai hướng song song và vuông góc
với chuyển tiếp p-n. Đồng thời, trong laser bán dẫn công suất cao (laser
gồm nhiều dải phát xạ trên một đơn chip hoặc laser dải rộng) phân bố của
chùm tia theo chiều ngang thường là đa mode và còn gọi là dạng sợi do độ
rộng vùng bức xạ lớn từ vài chục tới vài trăm micromet, trong khi phân bố
theo chiều vuông góc với lớp chuyển tiếp p-n (chiều x) là đơn mode vì độ
rộng vùng bức xạ theo chiều này (độ dày lớp tích cực) chỉ cỡ micromet.
Laser bán dẫn công suất cao trong ứng dụng làm nguồn bơm quang
cho laser rắn, thường được thực hiện ở dạng thanh với phân bố chùm tia
như trình bày trên hình 1.3. Các laser đơn được bố trí song song trên thanh
laser. Mỗi cấu trúc laser đơn riêng lẻ có thể chứa nhiều phát xạ dải (stripe
emitter) hoặc được làm ở dạng phát xạ dải rộng (wide stripe emitter).
Như ta đã biết, trong hướng vuông góc với chuyển tiếp p-n (trục x)
chất lượng chùm tia nói chung gần với giới hạn nhiễu xạ vì chùm tia bức
xạ từ vùng có độ rộng x nhỏ (trong dải μm).

12


Hình 1.3. Sự phân bố chùm tia của một thanh laser bán dẫn dài 1 cm.

Góc phân kỳ theo trục x rất lớn và có thể có khẩu độ số NA = 0.8

nghĩa là góc mở có thể lên tới 100 o. Vì chùm tia phân kỳ rất nhanh theo
hướng này nên trục x trong hình 1.3 thường được gọi là “trục nhanh”.
Ngược lại với “trục nhanh”, kích thước theo hướng y của cấu trúc laser
đơn dải vùng phát xạ thường lớn, có thể lên tới vài trăm μm. Chất lượng
chùm tia thấp hơn nhiều so với “trục nhanh” và thường kém hơn từ vài lần
đến vài chục lần so với giới hạn nhiễu xạ. Góc phân kỳ điển hình vào
khoảng vài độ, chùm tia phân kỳ chậm theo hướng này nên trục y còn gọi
là “trục chậm”.
1.1.3.2. Sợi quang học
Khi sử dụng laser diode để bơm cho laser rắn chúng ta cũng cần
quan tâm tới vấn đề tiện lợi trong việc điều chỉnh hệ thống laser được dễ
dàng hơn (so với khi sử dụng các linh kiện quang học rời rạc), bởi vậy việc
sử dụng sợi quang là cần thiết. Sợi quang học được sử dụng rất phổ biến
trong truyền dẫn quang nói chung và đặc biệt trong các kỹ thuật bơm quang
học có sử dụng laser diode như một nguồn bơm. Sau đây tôi xin trình bày
ngắn gọn một số thông tin của sợi quang.
13


Sợi quang là ống dẫn sóng, nó cấu tạo bởi một lõi (core) và được bao
xung quanh bởi một lớp vật liệu cladding. Vật liệu cladding có chiết suất
nhỏ hơn vật liệu của lõi, do vậy ánh sáng có thể bị giam trong lõi vì hiện
tượng phản xạ nội toàn phần.
Khẩu độ số
Khẩu độ số NA của sợi quang thể hiện góc tới cực đại của tia sáng đi
vào sợi quang còn bị hiện tượng phản xạ nội toàn phần (giữa mặt tiếp giáp
của lõi và cladding). Khẩu độ số càng cao thì góc tới càng lớn. Như vậy,
khẩu độ số NA phải được chú ý tới khi thiết kế và xây dựng hệ quang học
cho chùm sáng vào và nó cũng quyết định đến góc nón của chùm sáng đi ra
khỏi sợi quang.

Khẩu độ số NA của sợi quang được xác định bởi định luật Snell và
hình học lượng giác là:
 n
NA = n0 sinαm = n1 1 −  2
  n1





2





1/ 2

(1.3)

Ở đây, n0, n1 và n2 là chiết suất của không khí, của vật liệu lõi và của
vật liệu cladding. αm là góc tới cực đại của tia sáng đi vào sợi quang còn bị
hiện tượng phản xạ nội toàn phần (Hình 1.4a).
Với một vật ở vô cùng, tiêu cự f của một thấu kính liên hệ với khẩu
độ số NA theo biểu thức :
NA = 0,5 / f

(1.4)

14

Kích thước của lõi :

Hình 1.4. a) Hình học để biểu diễn khẩu độ số NA cuả sợi quang
(trong lõi); b) cấu trúc sợi quang (1. Lõi, 2. Cladding và 3. Vỏ)

Phần lớn các sợi quang được chế tạo từ silic nung chảy bao gồm một
lõi ở giữa tâm, nó được bao quanh bởi vật liệu cladding có chiết xuất thấp
hơn chiết xuất của vật liệu lõi khoảng 1%. Một lớp vỏ bảo vệ thường là vật
liệu mềm có thể bao quanh lớp cladding. Các sợi quang được sử dụng để
dẫn truyền ánh sáng từ các laser bán dẫn công suất cao thường có đường
kính lõi lớn từ 50 - 100 μm hay có thể lớn hơn. Các sợi này được gọi là các
sợi quang đa mode.
1.1.3.3. Các đặc điểm của các laser bán dẫn có đầu ra với sợi quang
Sau khi truyền qua sợi quang đủ dài, chùm tia laser bán dẫn đi ra sẽ
có tiết diện trở thành tròn và có độ phân kỳ phụ thuộc vào hệ số NA của sợi
quang θout = θf (θout là độ phân kỳ của chùm ra và θf là độ phân kỳ được
quyết định bởi khẩu độ số NA của sợi quang). Trong quá trình truyền qua
sợi quang, độ phân kỳ của chùm theo ‘‘trục chậm’’ tăng lên từ θin = θ// đến
θout = θf = θ⊥. Để làm giảm độ phân kỳ của chùm tia, ta có thể sử dụng một
thấu kính trụ có tiêu cự rất ngắn đặt giữa sợi quang và dãy laser bán dẫn để
chuẩn trực chùm tia theo chiều của “trục nhanh” bằng với đường kính sợi
quang (hình 1.5). Ta cũng có thể sử dụng những sợi quang mà hệ số NA
15


của nó xấp xỉ với độ phân kỳ của trục chậm: θf = θ//. Trong trường hợp này
chùm tia từ dãy diode rộng 200 µm có thể được hội tụ vào sợi quang đường
kính lõi từ 250 – 300 µm và hệ số NA cỡ 0,1.

θ

//

θ⊥

La

Dãy LD

f

Thấu kính trụ

Sợi quang đa mode

Hình 1.5. Sử dụng thấu kính trụ để ghép nối dãy laser bán dẫn với
sợi quang đa mode

Khi dùng thanh laser bán dẫn 1 cm làm nguồn bơm, ta có thể sử
dụng những thấu kính trụ rất nhỏ để hội tụ mỗi mảng diode trên thanh vào
từng sợi quang riêng biệt. Do mỗi dãy laser bán dẫn dài cỡ 100 µm nên có
thể dùng các sợi quang đường kính lõi 200 µm và hệ số NA = 0,1 (hình
1.5). Theo cách này, ta có thể truyền chùm tia laser bơm trong một bó 20
sợi quang đường kính 1 – 1,5 mm với độ phân kỳ toàn bộ bằng NA (0,1)
của sợi quang. Chùm tia bơm sau khi đi qua bó sợi quang sẽ được hội tụ và
bơm dọc vào một đầu thanh hoạt chất hoặc theo 2 đầu chiều dọc của thanh.
Với cấu hình bơm này, khi sử dụng các thanh laser bán dẫn để bơm thanh
Nd: YVO4, hiệu suất truyền tải có thể lên tới 85 %, công suất laser rắn ra

khoảng 15 W ở mode TEM00 và hiệu suất biến đổi quang – quang cỡ 50 %.
• Ưu điểm của các hệ laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn có sử
dụng sợi quang :
- Nhiệt sinh ra của laser bán dẫn sẵn sàng được giải thoát vì các laser
bán dẫn không ở cạnh đầu laser rắn.

16


- Đầu laser rắn có thể được kết cấu gọn hơn vì laser bơm bán dẫn và
các điện tử liên quan có thể được kết cấu tách rời xa khỏi đầu laser
rắn.
- Dễ dàng thay thế laser bơm bán dẫn nếu chúng bị hỏng mà không
cần mở đầu laser rắn (như khi sử dụng bơm bằng đèn chớp).
- Việc chỉnh hệ thống laser dễ dàng hơn nhiều (so với khi sử dụng các
linh kiện quang học rời rạc).
• Nhược điểm của các laser bán dẫn có đầu ra bằng sợi quang :
- Có mất mát năng lượng của laser bán dẫn khi lấy ra với sợi quang.
- Đắt hơn do công chế tạo các lối ra quang sợi và khi phải thay thế
laser bán dẫn.
- Bơm quang học kém hiệu quả hơn vì mật độ công suất bơm thấp hơn
(do không tạo được vết bơm nhỏ từ các laser bán dẫn có lối ra là sợi
quang như khi dùng yếu tố quang học rời rạc có NA cao).
- Ngoài ra, khi bức xạ laser đi qua sợi quang thì nó không còn tính
phân cực nữa, do đó làm giảm hiệu suất bơm đối với các môi trường
laser rắn.
1.2. Laser rắn Neodymium
Laser Neodymium là loại laser chiếm một tỉ phần lớn trong các loại
laser rắn, là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được
sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ hiện

nay [3, 4]. Laser Neodymium là loại laser rắn trong đó chất kích hoạt (tâm
hoạt chất) là nguyên tố Nd 3+ đóng vai trò là tạp chất trên nền tinh thể YAG,
YVO4, YLF hoặc thủy tinh (glass). Nồng độ pha tạp ion Nd 3+ trong tinh thể
thông thường cỡ 0,5 ÷ 2 % [3, 10]. Nếu nồng độ pha tạp cao hơn có thể
dẫn đến hiện tượng dập tắt mức laser trên hoặc gây biến dạng cấu trúc tinh

17


thể. Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức năng
lượng, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các
mức năng lượng của ion Nd3+. Các thông số quang học chính của các laser
Neodymium được trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [10].
Nd:YAG

Nd:YVO4

Nd:YLF

Nd:glass

λ = 1064 nm

λ = 1064 nm

λ = 1053 nm

λ = 1054 nm

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

no = 1,82

no = 1,4481

ne = 2,168

ne = 1,4704

Nồng độ pha tạp
ion Nd (%)

Chiết suất

n = 1,82

n = 1,54

trong đó: Nt là mật độ của ion Neodymium; τ là thời gian sống mức laser
trên; ∆ν là độ rộng phổ laser; σe là tiết diện phát xạ cưỡng bức. Tuy nhiên,
trong khóa luận này tôi chủ yếu nghiên cứu về laser Nd: YVO4.
1.2.1. Laser Nd: YVO4
Môi trường laser Nd: YVO4 là môi trường laser đang được phát triển
rất mạnh trong những năm gần đây. 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.
Mật độ của pha tạp các ion Nd3+ vào khoảng (0,5 ÷ 2) %.

18


Theo lý thuyết laser, ta biết rằng laser có thể hoạt động theo chế độ hai
mức rộng, ba mức hoặc bốn mức hẹp. Laser hoạt động ở chế độ bốn mức
năng lượng có ưu điểm nổi bật đó là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt được
nghịch đảo độ tích luỹ. Laser tinh thể Nd 3+: YVO4 là một laser điển hình
hoạt động ở chế độ bốn mức năng lượng. Nguyên lý hoạt động của laser ở
chế độ 4 mức năng lượng được biểu diễn trên hình 1.6.
4
Hồi phục không phát xạ

3
Phát xạ cưỡng bức

Phát xạ tự phát
Hấp thụ

2
Hồi phục

1

Hình 1.6. Nguyên lý hoạt động 4 mức của laser [7].

Dưới bức xạ của một nguồn bơm, xuất hiện sự dịch chuyển từ trạng
thái cơ bản 1 lên trạng thái kích thích 4. Do thời gian sống của nguyên tử
trên mức 4 rất ngắn (τ ≈ 10-15 s) nên chúng hồi phục không phát xạ rất
nhanh từ trạng thái 4 về trạng thái 3, mức 3 là mức siêu bền (τ ≈ 10-7 ÷ 1014

s) nên nghịch đảo độ tích luỹ 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 [2]. Các dịch
chuyển quang học khi bơm bằng laser bán dẫn được mô tả trên hình 1.7.
4

F7/2

4

F5/2
F3/2

11,502 cm

1,06 µm

0,8 µm

0,7 µm

-1

4

-1
11,414 cm
-1
2,526 cm

4

I11/2

4

I9/2

3

-1

ν = 2.10 cm

-1
2,001 cm

19


Hình 1.7. Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền YVO4 [9, tr. 370].

Laser Nd:YVO4 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
4

I11/2. 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.
Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd 3+ trong nền YVO4 thu được ở

Cường độ phổ (a.u)

nhiệt độ 3000K biểu diễn trên hình 1.8.

Hình 1.8. Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4 [8].

Từ phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO 4 chúng ta thấy rằng, phát
xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở vùng bước sóng 1,06 µm. Vì vậy,
hầu hết các laser Nd:YVO4 được chế tạo hoạt động ở vùng bước sóng này.

Phổ hấp thụ của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 3000K
được biểu diễn trên hình 1.9.
Bước sóng (nm)
20


Trên hình 1.9, chúng ta thấy phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO 4
nằm trong một vùng khá rộng từ 300nm đến 1600nm, nhưng mạnh nhất là
dải ứng với bước sóng trung tâm 808 nm. Vì vậy, các laser Nd:YVO4 thích

Hệ số truyền qua (%)

hợp cho việc bơm quang học bằng laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm.

Hình 1.9. Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4 đo ở nhiệt độ 300 0K [8].

1.2.2. Neodymium trong các vật liệu nền khác
Ngoài YVO4, Neodymium còn được pha vào nhiều loại vật liệu nền
khác để làm môi trường hoạt tính cho laser, dưới đây ta xét ba loại vật liệu
nền phổ biến khác, đó là thủy tinh, YAG và YLiF4 (YLF).
Bước sóng (nm)

1.2.2.1. Laser Neodymium thủy tinh (Nd: glass)
Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ trong nền thủy tinh cũng
tương tự như các dịch chuyển quang học của ion Nd 3+ trong nền YVO4.
Chuyển dời bức xạ mạnh nhất cũng ứng với giá trị bước sóng gần với λ ≅
1054 nm. 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:YVO 4, đặc biệt ở bước
sóng 1054 nm phổ phát xạ laser rộng hơn tới 16 lần so với môi trường
Nd:YVO4 (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, khi bơm bằng laser
21


diode laser Nd: glass hoạt động ở chế độ khóa mode có thể phát xung có độ
lớn cỡ 100 fs.
1.2.2.2. Laser Nd:YAG
So với laser Nd:YVO4 thì laser Nd:YAG có tiết diện chuyển dời phát
xạ cưỡng bức nhỏ hơn (do đó độ khuyếch đại sẽ nhỏ hơn) và tiết diện
chuyển dời hấp thụ nhỏ hơn, do đó khi được bơm bằng laser diode hiệu
suất laser phát nhỏ hơn khi tinh thể có cùng kích thước.

1,064 μm

0,8 μm

[4F5/2,2H9/2]

0,73 μm

[4S3/2,4F7/2]
4

F3/2

I11/2

I9/2

-1

11414 cm

T1
T2

2526 cm-1

4

4

11502 cm-1

= 2000 cm-1

2001 cm-1

Hình 1.10. Sơ đồ mức năng lượng của Nd:YAG [9, 10]

Laser Nd:YAG hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức năng lượng với
mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2. 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 (sử dụng nguồn kích thích là laser diode) 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 picô giây (τ ≈ 10-7s)
[9], vì vậy đây còn gọi là trạng thái siêu bền. Mức 4F3/2 bị tách thành hai

mức con, được kí hiệu là T1 và T2, thành phần T2 được gọi là mức laser
trên. Khoảng cách năng lượng giữa hai mức T 1 và T2 có độ lớn gần 0,011

22


eV. Nghịch đảo độ tích lũy được tạo ra giữa mức laser trên T 2 và các mức
laser dưới là 4I11/2, 4I9/2. Bức xạ laser phát ra dựa trên chuyển dời 4F3/2 về 4I11/2
với bước sóng trung tâm là 1064 nm.
1.2.2.3. Laser Nd:YLF
Neodymium pha vào nền Lithium Yttrium Fluoride (LiYF4) còn
được viết dưới dạng Nd:YLF. Laser Nd:YLF hoạt động trên nguyên lý laser
4 mức năng lượng với mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2 . Quá trình
bơm sẽ làm các ion Nd3+chuyển dời từ mức 4I9/2 lên mức 4F5/2 như trong
trường hợp laser Nd:YVO4. Sau đó hệ sẽ nhanh chóng chuyển dời từ mức
4

F5/2 về mức laser trên 4F3/2, các chuyển dời có thể xảy ra từ mức 4F3/2 về

mức 4I11/2 cho bước sóng phát ra là 1047 nm hay 1053 nm và từ mức 4F3/2 về
mức 4I13/2 cho bước sóng phát ra là 1314 nm hay 1321 nm [11].
Khi được bơm bằng laser diode môi trường hoạt tính là Nd:YLF có
nhiều ưu điểm hơn so với Nd:YVO 4 do thời gian sống mức laser trên của
laser Nd:YLF lớn hơn khoảng bốn lần so với laser Nd:YVO 4 nên laser
Nd:YLF phát xung có năng lượng gấp bốn lần laser Nd:YVO 4, đồng thời
do tiết diện chuyển dời phát xạ cưỡng bức nhỏ hơn nên năng lượng tích lũy
của laser Nd:YLF cũng lớn hơn. Laser Nd:YLF thường hoạt động ở chế độ
liên tục, và cho công suất phát laser lớn.

23