Nghiên cứu động học khuếch đại laser nd YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THÀNH DÂN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER
Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ
DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN
QUA

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THÀNH DÂN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI LASER
Nd:YVO4 XUNG CỰC NGẮN CÔNG SUẤT CAO SỬ
DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỀU LẦN TRUYỀN
QUA
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Hồng Minh

THÁI NGUYÊN - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy
đủ. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam.

Người cam đoan

Nguyễn Thành Dân


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm
Hồng Minh đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn đến các anh chị em ở Trung tâm điện tử học lượng tử - Viện Vật lý đã
quan tâm, chỉ bảo tận tình cho tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy, các cô
trong khoa Vật lý & Công nghệ, cán bộ phòng Đào tạo trường Đại học Khoa học
- Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá
cũng như sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Tiên Lữ,
anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong quá trình làm việc, học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn
bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu
của mình.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 6 năm 2018

Nguyễn Thành Dân


Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực
ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền
qua

2018

MỤC LỤC
BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………………i DANH MỤC CÁC
HÌNH VẼ ............................................. ………………………..iv DANH MỤC CÁC BẢNG
BIỂU..............................................................................

vi

MỞ

ĐẦU

.................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG
KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4 ............................................................ 3
1.1. Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn ............................................... 3
1.1.1. Nguyên lý khuếch đại laser ...................................................................... 3
1.1.2. Các cấu hình khuếch đại .......................................................................... 6
1.1.3. Một số lưu ý khi khuếch đại xung laser cực ngắn ................................... 9

1.2. Môi trường tnh thể Nd:YVO4 .............................................................. 13
1.2.1. Các mức năng lượng của ion Nd3+ ......................................................... 14
1.2.2. Môi trường khuếch đại Nd:YVO4 .......................................................... 15
1.3. Nguồn bơm laser bán dẫn cho môi trường khuếch đại pha tạp Nd3+…..18
1.4. Một số ứng dụng của laser xung ngắn công suất cao ............................ 20
1.4.1. Ứng dụng trong khoa học ...................................................................... 20
1.4.2. Ứng dụng trong khoa học kĩ thuật ......................................................... 21
1.4.3. Ứng dụng trong các ngành khoa học khác............................................. 22
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ............................................................................. 23
CHƯƠNG II HỆ PHƯƠNG TRÌNH KHUẾCH ĐẠI ......................................... 24
2.1. Phương trình mô tả sự lan truyền xung laser cực ngắn qua môi trường
khuếch đại, phương trình khuếch đại .......................................................... 24
2.1.1. Phương trình cơ học lượng tử đối với toán tử mật độ ρ(r, t) ................ 25
2.1.2. Độ phân cực vĩ mô của môi trường ....................................................... 26
2.1.3. Phương trình sóng một chiều ................................................................. 26
2.2. Hệ phương trình khuếch đại laser ........................................................ 28
2.3. Các tham số sử dụng trong mô phỏng tính toán ................................... 32
2.3.1 Xung tín hiệu cần khuếch đại ................................................................. 32
2.3.2. Môi trường khuếch đại........................................................................... 33
2.3.3. Nguồn bơm ............................................................................................ 33
Học viên: Nguyễn Thành Dân

i


Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực
2018
ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ............................................................................ 35
qua

Học viên: Nguyễn Thành Dân

i


Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực
2018
ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền
qua
CHƯƠNG III ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN 1064 nm SỬ
DỤNG TINH THỂ Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN LIÊN
TỤC………………………………………………….……………………...36
3.1. Phân bố chùm laser bơm trong tnh thể ................................................ 36
3.2. Độ khuếch đại ban đầu của môi trường Nd:YVO4 ............................... 38
3.3. Động học khuếch đại một lần truyền qua ............................................. 39
3.3.1. Ảnh hưởng của cường độ laser bơm lên động học khuếch đại.............. 40
3.3.2. Ảnh hưởng của xung tín hiệu cần khuếch đại lên động học khuếch đại.41
3.4. Động học khuếch đại nhiều lần truyền qua ........................................... 43
3.4.1. Động học khuếch đại trong bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua........... 43
3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ laser bơm lên động học khuếch đại.............. 45
3.4.3. Ảnh hưởng của cường độ xung tín hiệu lên động học khuếch đại…….48
KẾT LUẬN CHƯƠNG III…………………………………………………….51
KẾT LUẬN CHUNG……….…………………………………………………….52
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 53

Học viên: Nguyễn Thành Dân

ii

Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực
ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền
qua

2018

BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Nd:YVO4 Môi trường Yttrium Vanadate pha tạp ion Nd3+
ASE

Phát xạ tự phát được khuếch đại

YAG

Môi trường Yttrium Aluminium Garnet (Y3Al15O12) YLF

Muối Flouride (YLiF4)
G0

Độ khuếch đại ban đầu

G(t)

Độ khuếch đại tại thời điểm t

K

Hệ số khuếch đại

c

Tốc độ ánh sáng trong chân không
Vận tốc ánh sáng trong môi trường khuếch đại

v
 es

Tiết diện phát xạ tại bước sóng tín hiệu

 as

Tiết diện hấp thụ tại bước sóng tín

 ep

hiệu Tiết diện phát xạ tại bước sóng

 ap

bơm
Tiết diện hấp thụ tại bước sóng
bơm

Q

Xác suất mà một photon bơm đóng góp vào quá trình khuếch đại

N

Nồng độ ion Nd3+

N1

Số phân tử ở trạng thái cơ bản

N2

Số phân tử ở trạng thái kích thích

n

Chiết suất môi trường

L

Chiều dài tinh thể
Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất


Iso

Cường độ đỉnh xung tín hiệu

Ipump

Cường độ bơm

Isat

Cường độ bão hòa của môi trường

Ivao

Cường xung tín hiệu vào môi trường

Wsat

Mật độ công suất bão hòa của môi trường

wpump

Mật độ công suất bơm

h

Hằng số Planck



Hệ số hấp thụ của môi trường tại bước sóng 

t

Độ rộng xung

Học viên: Nguyễn Thành Dân

iii

Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực
ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền
Hệ số mất mát tuyến tính giữa hai lần truyền qua liên tiếp
m
qua
GVD
Tán sắc tốc độ nhóm

Học viên: Nguyễn Thành Dân

2018

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang

Hình vẽ

Hình 1.1. Các quá trình dịch chuyển quang học trong khuếch đại ánh sáng

3

Hình 1.2. Cấu tạo của bộ khuếch đại laser

4

Hình 1.3. Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4 bằng laser KrF

5

Hình 1.4. Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire bằng hòa ba
bậc hai của laser Nd:YAG

5

Hình 1.5. Cấu hình bơm xiên bằng laser Diode

6

Hình 1.6. Bộ khuếch đại laser hai tầng một lần truyền qua

7

Hình 1.7. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua
Hình 1.8. Bộ khuếch đại tái phát

7
8

Hình 1.9. Gương khuếch đại được phủ bề mặt

13

Hình 1.10. Tinh thể Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1%

14

Hình 1.11. Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+

15

Hình 1.12. Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1%

17

Hình 1.13. Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd3+ pha tạp trong nền YVO4

18

Hình 2.1. Sự lan truyền xung laser qua môi trường
Hình 2.2. Xung laser tín hiệu

28
32

Hình 3.1. Phân bố năng lượng laser bơm trong tinh thể Nd:YVO4

37

Hình 3.2. Phân bố năng lượng laser bơm trong tinh thể với mật độ công suất
37
của laser bơm khác nhau
Hình 3.3. Độ khuếch đại ban đầu G0 của môi trường Nd:YVO4 với cường độ

38

bơm khác nhau
Hình 3.4. Động học khuếch đại một lần truyền qua

39

Hình 3.5. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) khi bơm yếu

40

Hình 3.6. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) khi bơm
mạnh
Hình 3.7. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) ứng với

40

cường độ laser tín hiệu nhỏ

42


Hình 3.8. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) ứng với cường
42
độ laser tín hiệu lớn
Hình 3.9. Bộ khuếch đại Nd:YVO4 nhiều lần truyền qua

43

Hình 3.10. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua

44

Hình 3.11. Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua

45

Hình 3.12. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump = 2Isat 46
Hình 3.13. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump =
46
10Isat
Hình 3.14. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump =
47
20Isat
Hình 3.15. a) Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua. b) Tỷ số giữa cường 47
độ laser sau từng lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso
Hình 3.16. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
49
tín hiệu vào bộ khuếch đại Iso
Hình 3.17. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
49
tín hiệu vào bộ khuếch đại 10Iso
Hình 3.18. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
50
tín hiệu vào bộ khuếch đại 100Iso
Hình 3.19. a) Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua. b) Tỷ số giữa cường
độ laser sau từng lần khuếch đại so với cường độ tín hiệu vào Iso 50
khi cường độ xung tín hiệu thay đổi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng

Trang

Bảng 1.1. Thông số quang học của một số môi trường khuếch đại.

10

Bảng 1.2. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Nd3+

15

Bảng 1.3. Các thông số của các môi trường laser Neodymium

16

Bảng 1.4. Một vài thông số chính của tinh thể pha tạp ion Nd3+

18

Bảng 1.5. Các môi trường laser rắn và nguồn bơm laser diode

20

Bảng 2.1. Giá trị điển hình của T1 và T2 đối với một số môi trường quang học

26

Bảng 2.2. Các tham số của môi trường Nd:YVO4 sử dụng trong hệ khuếch đại
laser xung cực ngắn nhiều lần truyền qua

33

Bảng 2.3. Các tham số của nguồn bơm cho môi trường Nd:YVO4

34

Bảng 3.1. Hệ số khuếch đại trong từng lần truyền qua

44


MỞ ĐẦU
Các laser xung cực ngắn có ứng dụng rất lớn trong nghiên cứu khoa học và công
nghệ, đặc biệt trong các nghiên cứu quang phổ phân giải thời gian, nghiên cứu các
quá trình vật lí cực nhanh và các quá trình quang phi tuyến [2, 4, 8, 19]. Laser xung
cực ngắn pico-giây (ps), femto-giây (fs) thường được tạo ra bằng kỹ thuật khóa
mode (mode- locked) thường có năng lượng khá thấp (vài nJ) và tần số lặp lại rất cao
(vài chục MHz) [9, 11, 12, 13]. Do năng lượng xung thấp nên việc ứng dụng các laser
này còn nhiều hạn chế. Như, để mở rộng các ứng dụng của quang phổ laser, người ta
mong muốn biến đổi hiệu quả bước sóng laser của xung cực ngắn (thu được các bước
sóng laser khác nhau, trong các vùng phổ mong muốn) nhờ sử dụng các hiệu ứng
quang phi tuyến (nhân tần hoặc/và trộn tần số của các laser xung cực ngắn modelocking) tuy nhiên, hiệu ứng biến đổi quang phi tuyến lại phụ thuộc quan trọng vào
công suất đỉnh của xung laser cực ngắn [7]. Vì vậy, để mở rộng khả năng ứng dụng của
các laser trên, các xung laser cần phải được khuếch đại về năng lượng.
Laser rắn Neodymium (môi trường laser được pha tạp các ion Nd3+) phát xung
ngắn chiếm một tỉ phần lớn - 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. Nhờ sự phát
triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của laser bán dẫn có thể đạt tới
hàng vài chục oát (W) 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 Nd:YVO4 [5]. Do vậy, phương pháp

bơm quang học bằng laser bán dẫn cho laser rắn đã sớm được phát triển mạnh mẽ.
Với việc bơm quang học cho laser Neodymium bằng laser bán dẫn, hiệu suất chuyển
đổi năng lượng được tăng 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 bán dẫn có thể đạt từ 10% đến 80%. Ngoài ra, việc bơm bằng laser bán dẫn cũng
hạn chế được những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn flash như:
Hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định;
Tăng độ phân kỳ của chùm tia và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá huỷ thanh hoạt
chất [5].
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về vật lí và công nghệ laser rắn, xung ngắn đã và
đang được phát triển ở một số Viện nghiên cứu, các trường Đại học. Các nghiên cứu
này không chỉ hạn chế trong nghiên cứu cơ bản mà thực sự đã gắn liền với những yêu
cầu cấp thiết của xã hội cũng như việc phát triển của công nghệ laser và các phương
1
Học viên: Nguyễn Thành Dân


pháp quang phổ laser hiện đại. Hiện nay ở Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam
đã

Học viên: Nguyễn Thành Dân

2


phát triển thành công những nguồn laser xung cực ngắn dựa trên kĩ thuật khóa mode
trong buồng cộng hưởng ở bước sóng 1064 nm, độ rộng xung laser có thể xuống tới
10 ps [5, 11, 13]. Tuy nhiên, các xung laser này có công suất thấp khoảng một vài
trăm mW, chưa đáp ứng được các nhu cầu về ứng dụng. Do vậy, để có thể mở rộng
được các ứng dụng của hệ laser xung ngắn này thì việc khuếch đại năng lượng xung

của chúng lên vài chục đến hàng trăm lần là vô cùng cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Hiện nay, Trung tâm Điện tử học Lượng tử, Viện Vật lý được trang bị các laser bán dẫn
công suất lớn, đây là tiền đề để có thể phát triển các bộ khuếch đại nhiều lần truyền
qua cho laser xung ngắn này bằng thực nghiệm.
Yêu cầu chung cho một bộ khuếch đại laser xung cực ngắn là hiệu suất chuyển
đổi và độ khuếch đại phải lớn nhất. Trong thực tế, khi các xung laser cần khuếch đại đi
qua môi trường khuếch đại thì dạng xung thường bị biến dạng, đặc biệt là các xung
laser cực ngắn, đó là điều không mong muốn. Vì vậy, việc nghiên cứu bằng lí thuyết
các ảnh hưởng của các tham số như năng lượng laser bơm, năng lượng của xung laser
cần khuếch đại, cấu hình khuếch đại lên độ khuếch đại cũng như sự biến dạng xung
laser lối ra là rất cần thiết trước khi tiến hành làm thực nghiệm.
Với những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu động học khuếch
đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần
truyền qua” làm đề tài nghiên cứu của luận văn.
Mục đích của luận văn: Bằng nghiên cứu lí thuyết, quá trình khuếch đại xung
laser cực ngắn sử dụng môi trường khuếch đại Nd:YVO4 toàn rắn được bơm bằng
laser bán dẫn sẽ được nghiên cứu tường minh. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số
như năng lượng của laser bơm, cấu hình khuếch đại, các thông số của laser tín hiệu
đến đặc trưng của hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua.
Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện bằng nghiên cứu lý thuyết,
mô phỏng tính toán.
Nội dung luận văn được chia thành 3 chương:
Chương I Tổng quan về khuếch đại xung laser cực ngắn, môi trường khuếch đại
Nd:YVO4.
Chương II Hệ phương trình khuếch đại.
Chương III Động học khuếch đại laser xung cực ngắn 1064 nm sử dụng tinh thể
Nd:YVO4 được bơm bằng laser bán dẫn liên tục.

Học viên: Nguyễn Thành Dân

3


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN,
MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4
Trong chương này tôi sẽ tìm hiểu và phân tích về lí thuyết khuếch đại laser nói
chung và khuếch đại xung laser cực ngắn nói riêng. Các đặc trưng quang học của môi
trường Nd nói chung và môi trường Nd:YVO4 nói riêng sẽ được phân tích chi tiết trong
chương này. Đồng thời tôi cũng tìm hiểu về một số ứng dụng của laser công suất cao
trong nghiên cứu khoa học, trong khoa học kĩ thuật và trong cuộc sống.
1.1. Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn
1.1.1. Nguyên lý khuếch đại laser
Nguyên lý khuếch đại laser trong các bộ khuếch đại cũng giống như nguyên tắc
phát laser, đó là dựa trên hiện tượng phát xạ cưỡng bức.
Bình thường các nguyên tử ở trạng thái cơ bản, dưới bức xạ của một nguồn
bơm, một số nguyên tử hấp thụ photon bơm và chuyển từ trạng thái cơ bản lên các
trạng thái kích thích. Khi xảy ra nghịch đảo độ tích lũy, nếu có một photon tín hiệu có
năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng hai mức trên đi qua môi trường hoạt chất thì
xảy ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức, số photon phát ra có thể là hai hoặc nhiều
photon (photon ban đầu và các photon mới được tạo ra). Photon ban đầu và photon
mới được tạo ra có cùng phương truyền, cùng pha và cùng tần số... Nói cách khác,
quá trình khuếch đại laser
được thực hiện như Hình 1.1 [4, 19].

Hình 1.1. Các quá trình dịch chuyển quang học trong khuếch đại ánh sáng.
Theo nguyên lý ở trên ta nhận thấy, một bộ khuếch đại gồm ba bộ phận: Laser
tín hiệu cần khuếch đại; Môi trường khuếch đại; Nguồn bơm cung cấp năng lượng cho
môi trường khuếch đại. Bộ khuếch đại laser được biểu diễn như Hình 1.2 [1].
Học viên: Nguyễn Thành Dân

4


Hình 1.2. Cấu tạo của bộ khuếch đại laser.
Trong đó:
*Laser cần khuếch đại: Laser cần khuếch đại là các laser có năng lượng thấp.
*Môi trường khuếch đại: Môi trường khuếch đại (hay môi trường hoạt chất) là các
môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Có nhiều môi trường có khả
năng này:
+ Môi trường dạng khí: Các khí phân tử (CO2, CO, N2…); Các hỗn hợp khí phân tử
(CO2-N2-He, CO-N2-H2O…); Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử (He, Ne…).
+ Môi trường dạng rắn: Các tinh thể rubi, Ti-Sapphire, các môi trường pha tạp
ion đất hiếm như Nd3+, Ce3+, Er3+, Eu3+, Sm3+… trong các nền rắn khác nhau
(thủy tinh, Al2O3, YAG, LiSAF, LiCAF…).
+ Môi trường lỏng: Các dung dịch laser màu hữu cơ, chất lỏng Chelaste…
Tùy vào các thông số của laser cần khuếch đại mà người ta có thể chọn môi
trường khuếch đại sao cho phù hợp với yêu cầu.
*Nguồn bơm: Để cung cấp năng lượng cho các tâm hoạt chất (có thể là các điện tử,
phân tử hoặc ion) của môi trường khuếch đại chuyển từ mức cơ bản lên mức kích
thích, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài (gọi là nguồn bơm). Tùy vào
thông số của môi trường khuếch đại mà ta chọn nguồn bơm sao cho phù hợp. Có rất
nhiều phương pháp bơm khác nhau. Nhưng với các môi trường hoạt chất là rắn thì
phương pháp bơm quang học là chủ yếu. Trong phương pháp bơm quang học, người
ta sử dụng các đèn hay chính laser để bơm cho môi trường khuếch đại. Các nguồn
bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết hợp (các đèn xung, các diode phát
quang, đèn hồ quang...) hoặc kết hợp (dùng laser để bơm).
Có ba cấu hình bơm cơ bản là bơm dọc, bơm ngang và bơm xiên.
Bơm ngang: Chùm tia laser bơm được hội tụ bởi thấu kính nhằm tạo mật độ
quang

Học viên: Nguyễn Thành Dân

5


cao, chùm laser bơm có phương vuông góc với trục của môi trường khuếch đại. Đây là

Học viên: Nguyễn Thành Dân

6


cấu hình bơm được sử dụng rất rộng rãi vì dễ thực hiện. Hạn chế của cấu hình bơm
này là tạo nên một vùng khuếch đại trải rộng và ở mép của tinh thể. Cấu hình bơm
ngang được biểu diễn như Hình 1.3 [16].

Hình 1.3. Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4
bằng laser KrF [ 16].
Bơm dọc: Trong khuếch đại laser, cấu hình bơm dọc thường được sử dụng. Cấu
hình bơm này tạo nên sự kích thích khá đồng đều của bức xạ bơm trên toàn bộ môi
trường hoạt chất. Với cấu hình bơm dọc sự chồng chập không gian giữa chùm laser
bơm và laser khuếch đại trong tinh thể cũng lớn hơn. Cấu hình bơm dọc được biểu
diễn như Hình 1.4.

Hình 1.4. Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire
bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG [6 ].


Bơm xiên: Chùm tia laser bơm đến hợp với pháp tuyến mặt tinh thể một góc .
Để sự chồng chập giữa chùm laser bơm và chùm laser khuếch đại trong tinh thể là lớn

nhất người ta luôn cố gắng chỉnh góc  là nhỏ nhất. Với cấu hình bơm xiên, người ta
thường sử dụng cho việc bơm bằng laser diode. Cấu hình bơm xiên được biểu diễn
như Hình
1.5.

Hình 1.5. Cấu hình bơm xiên bằng laser Diode [15].
1.1.2. Các cấu hình khuếch đại
1.1.2.1. Cấu hình khuếch đại một lần truyền qua
Bộ khuếch đại một lần truyền qua là bộ khuếch đại cơ bản nhất, xung laser
được khuếch đại bằng cách cho truyền qua môi trường khuếch đại một lần. Bộ
khuếch đại một lần truyền qua có nhược điểm là khả năng khuếch đại xung không
cao. Để khắc phục nhược điểm này, các bộ khuếch đại một lần truyền qua được ghép
nối tiếp tạo thành bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua. Ưu điểm của bộ
khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua là mỗi tầng có thể điều chỉnh được một
cách riêng rẽ để đạt độ khuếch đại cao nhất, tương ứng với năng lượng xung tín hiệu
vào tầng đó. Việc phân phối năng lượng bơm cho các tầng, tiết diện vùng bơm ở các
tầng cần được tối ưu. Phát xạ tự phát được khuếch đại phát ra từ mỗi tầng có thể
được hạn chế hoặc loại trừ bằng các phin lọc (các bộ hấp thụ bão hòa, phin lọc không


gian …) đặt giữa các tầng kế tiếp nhau. Tuy nhiên, bộ khuếch đại nhiều tầng một lần
truyền qua cũng có những nhược


điểm như: Khó hiệu chỉnh; Kích thước lớn; Chất lượng chùm tia không cao; Hiệu suất
khuếch đại thấp. Đặc biệt với các môi trường hoạt chất có giá thành cao là không phù
hợp. Bộ khuếch đại hai tầng một lần truyền qua được biểu diễn như Hình 1.6.

Hình 1.6. Bộ khuếch đại laser hai tầng một lần truyền qua [20].
1.1.2.2. Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua

Các môi trường khuếch đại rắn thường có thời gian sống huỳnh quang dài, để
tận dụng năng lượng của xung laser bơm ta có thể cho xung tín hiệu truyền qua lại
môi trường khuếch đại nhiều lần (khuếch đại nhiều lần truyền qua) hoặc hệ khuếch
đại tái phát. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua được chỉ ra trên Hình 1.7.

Hình 1.7. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua [6, 23 ].


Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua khắc phục được nhược điểm của cấu
hình khuếch đại một lần truyền qua là chỉ một phần nhỏ năng lượng bơm được dùng
cho việc khuếch đại xung tín hiệu, nói cách khác cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền
qua sử dụng tối ưu năng lượng bơm cho khuếch đại. Tùy vào thời gian duy trì độ
khuếch đại của môi trường hoạt chất mà ta thiết kế bộ khuếch đại với số lần khuếch
đại khác nhau. Bằng cách đó ta có thể nâng cao hiệu suất khuếch đại. So với bộ
khuếch đại tái phát, độ khuếch đại ở mỗi lần truyền qua của bộ khuếch đại nhiều lần
truyền qua cao hơn, ASE (phát xạ tự phát được khuếch đại) có thể được khống chế ở
mức thấp hơn. Hơn nữa, do quang trình của tín hiệu trong bộ khuếch đại nhiều lần
truyền qua ngắn hơn nên sự thay đổi pha của xung nhỏ hơn, do vậy dễ đạt được xung
ngắn hơn khi nén xung bằng các bộ nén dùng cách tử hoặc lăng kính.
1.1.2.3. Cấu hình khuếch đại tái phát
Cấu hình khuếch đại tái phát cũng thường được sử dụng trong khuếch đại xung
laser cực ngắn, tuy nhiên các bộ khuếch đại tái phát thường đòi hỏi nhiều linh kiện
quang học đắt tiền. Cấu hình khuếch đại tái phát được thể hiện như Hình 1.8.

Hình 1.8. Bộ khuếch đại tái phát [22].
Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại tái phát: Xung tới sau khi được kéo dãn
có độ phân cực p đi qua bản phân cực PBS (truyền qua ánh sáng phân cực p, phản xạ
phân cực s) đến bản nửa sóng /2 phương phân cực bị quay 45o. Sau khi qua Faraday
rotator phương phân cực laser lại bị quay 45 o nữa để thành phân cực s. Tia sáng
phân cực s bị phản xạ bởi PBS trong buồng cộng hưởng đi về phía tế bào Pockels, ở

giai đoạn
1 tế bào Pockels ở trạng thái không hoạt động. Do phản xạ gương ở bên phải tế bào
Pockels, laser đi qua bản /4 lần thứ 2 biến phân cực s thành p và truyền qua PBS để


tới tinh thể laser và được khuếch đại.


Sau khi bị phản xạ bởi gương bên phải buồng cộng hưởng, laser trở lại PBS, tế
bào Pockels chuyển sang giai đoạn 2, được kích hoạt để trở thành bản /4. Laser có
độ phân cực p đi qua PBS vẫn giữ nguyên độ phân cực khi quay trở lại do đi qua bản
/4 bốn lần. Xung laser bị giữ lại trong buồng cộng hưởng và được khuếch đại lên
nhiều lần. Sau khi đạt được năng lượng cần thiết, tế bào Pockels chuyển sang giai
đoạn 3 trở thành /2, laser sau khi qua bản /4 và Pockels hai lần trở thành phân cực
s và bị phản xạ bởi PBS tới Faraday rotator. Tại đây phương phân cực bị quay 45o rồi
tới bản /2 và bị quay ngược lại trở về phân cực s và bị phản xạ bởi PBS ở bên ngoài
buồng cộng hưởng để ra khỏi bộ khuếch đại.
1.1.3. Một số lưu ý khi khuếch đại xung laser cực ngắn
Bộ khuếch đại lý tưởng là bộ khuếch đại mà: Độ khuếch đại lớn nhất; Xung laser
ra khỏi bộ khuếch đại giữ nguyên các đặc tính thời gian (độ rộng xung, dạng xung ...)
và không gian (phân bố cường độ theo không gian...) của xung tín hiệu vào. Tuy nhiên,
bộ khuếch đại xung laser cực ngắn thực sự là một thiết bị quang phi tuyến phức tạp.
Điều đó là do có sự tương tác xung laser công suất lớn với môi trường vật chất ở
trạng thái không cân bằng. Với thang thời gian cực ngắn, việc khuếch đại xung laser có
những điểm riêng biệt, chủ yếu liên quan tới việc hạn chế sự giãn rộng xung và tránh
các hiệu ứng quang phi tuyến không mong muốn [1, 6, 18].
Thông thường, các bộ khuếch đại xung laser cực ngắn cần phải thoả mãn một số
yêu cầu nhất định để đảm bảo các tham số cần thiết của xung laser ra khỏi bộ khuếch
đại. Nói chung, các vấn đề sau đây cần phải được chú ý khi thiết kế bộ khuếch đại
xung laser cực ngắn.

1.1.3.1. Đối với môi trường khuếch đại
Với một thể tích khuếch đại nhất định, các tham số tiết diện phát xạ và hấp thụ
của môi trường xác định độ khuếch đại ban đầu và năng lượng cực đại trên một đơn
vị diện tích mà có thể thu được từ hệ. Năng lượng cực đại này bị giới hạn bởi sự bão
hoà khuếch đại. Nếu không có ASE, thời gian lưu giữ năng lượng trong môi trường
khuếch đại được xác định bởi thời gian sống của phân tử ở trạng thái kích thích.
Khoảng thời gian này quyết định: Độ khuếch đại được giữ bao lâu sau sự kích thích
bởi xung bơm (trong trường hợp độ rộng xung bơm ngắn hơn thời gian hồi phục của
môi trường); Độ khuếch đại dừng đạt được nhanh đến mức nào nếu độ rộng xung
bơm lớn hơn thời gian hồi phục của môi trường. Các khoảng thời gian này có thể rút