(Luận văn thạc sĩ) 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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 tơi 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, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm
Hồng Minh đã hướng dẫn tơi thực hiện nghiên cứu của mình. Tơi xin bày tỏ lịng
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 tơi trong q trình nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy, các cô
trong khoa Vật lý & Cơng nghệ, cán bộ phịng 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 q trình học tập và
nghiên cứu.
Tơi 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 tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã ln
bên tơi, động viên và khích lệ tơi trong q 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,
MƠI 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 tinh 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 mơ 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 mơ phỏng tính tốn ................................... 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
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ............................................................................ 35
Học viên: Nguyễn Thành Dân

i


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

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 tinh 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

v

Mơi trường Yttrium Vanadate pha tạp ion Nd3+
Phát xạ tự phát được khuếch đại
Môi trường Yttrium Aluminium Garnet (Y3Al15O12)
Muối Flouride (YLiF4)
Độ khuếch đại ban đầu
Độ khuếch đại tại thời điểm t

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

 es

Tiết diện phát xạ tại bước sóng tín hiệu

 as

Tiết diện hấp thụ tại bước sóng tín hiệu

 ep

Tiết diện phát xạ tại bước sóng bơm

 ap

Tiết diện hấp thụ tại bước sóng bơm

Q

wpump
h

Xác suất mà một photon bơm đóng góp vào q trình khuếch đại
Nồng độ ion Nd3+
Số phân tử ở trạng thái cơ bản
Số phân tử ở trạng thái kích thích
Chiết suất mơi trường

Chiều dài tinh thể
Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất
Cường độ đỉnh xung tín hiệu
Cường độ bơm
Cường độ bão hịa của mơi trường
Cường xung tín hiệu vào mơi trường
Mật độ cơng suất bão hịa của mơi trường
Mật độ công suất bơm
Hằng số Planck



Hệ số hấp thụ của môi trường tại bước sóng 

t

Độ rộng xung

m
GVD

Hệ số mất mát tuyến tính giữa hai lần truyền qua liên tiếp

Nd:YVO4
ASE
YAG
YLF
G0
G(t)
K

c

N
N1
N2
n

L

Iso
Ipump
Isat
Ivao
Wsat

Tán sắc tốc độ nhóm

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 qua

2018

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Các q 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 hịa 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

7

Hình 1.8. Bộ khuếch đại tái phát

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 mơi 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 mơi trường

28

Hình 2.2. Xung laser tín hiệu

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 cơng suất
của laser bơm khác nhau

37

Hình 3.3. Độ khuếch đại ban đầu G0 của môi trường Nd:YVO4 với cường độ
bơm khác nhau

38

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

40

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

cường độ laser tín hiệu nhỏ

42

Học viên: Nguyễn Thành Dân

iv


Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn
công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua
Hình 3.8. Xung laser sau khuếch đại (a) và hệ số khuếch đại (b) ứng với cường
độ laser tín hiệu lớn

2018

42

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 = 10Isat

46

Hình 3.14. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với Ipump = 20Isat

47

Hình 3.15. 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

47

Hình 3.16. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
tín hiệu vào bộ khuếch đại Iso

49

Hình 3.17. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
tín hiệu vào bộ khuếch đại 10Iso

49

Hình 3.18. Động học khuếch đại trong từng lần truyền qua với cường độ xung
tín hiệu vào bộ khuếch đại 100Iso

50

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
khi cường độ xung tín hiệu thay đổi

50

Học viên: Nguyễn Thành Dân

v


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

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 thơng 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

Học viên: Nguyễn Thành Dân

vi


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

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 q
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 (modelocked) 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 mode-locking) 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 phịng thí nghiệm quang học và quang phổ. Nhờ sự phát triển
của công nghệ laser bán dẫn, cơng 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%. Ngồi 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 cơng 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 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

1


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

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 cơng 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 vơ 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 cơng 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
mơi trường khuếch đại thì dạng xung thường bị biến dạng, đặc biệt là các xung laser cực
ngắn, đó là điều khơng 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, q trình khuếch đại xung
laser cực ngắn sử dụng mơi trường khuếch đại Nd:YVO4 tồn 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 thơng 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 tốn.
Nội dung luận văn được chia thành 3 chương:
Chương I Tổng quan về khuếch đại xung laser cực ngắn, mơi 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

2


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

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN,
MƠI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4
Trong chương này tơi 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 mơi
trường Nd nói chung và mơi trường Nd:YVO4 nói riêng sẽ được phân tích chi tiết trong
chương này. Đồng thời tơi 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 mơi 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, q 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

3


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

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.
*Mơi trường khuếch đại: Mơi trường khuếch đại (hay môi trường hoạt chất) là các môi
trường có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Có nhiều mơi trường có khả năng
này:
+ Mơi 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 mơi 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,
địi hỏi phải có nguồn năng lượng từ bên ngồi (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 mơi 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
cao, chùm laser bơm có phương vng góc với trục của môi trường khuếch đại. Đây là

Học viên: Nguyễn Thành Dân

4


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

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 mơi
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 ].

Học viên: Nguyễn Thành Dân

5


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

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

Học viên: Nguyễn Thành Dân

6


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

điểm như: Khó hiệu chỉnh; Kích thước lớn; Chất lượng chùm tia không cao; Hiệu suất
khuếch đại thấp. Đặc biệt với các mơi 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 mơi 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 ].

Học viên: Nguyễn Thành Dân

7

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

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 mơi 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 45o 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.

Học viên: Nguyễn Thành Dân

8


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

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 khơng 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 cơng 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 hồ khuếch
đại. Nếu khơng 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 ngắn đáng kể khi ASE xuất hiện
[6].

Học viên: Nguyễn Thành Dân

9


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

Do sự ràng buộc bởi nguyên lý bất định giữa độ rộng xung và độ rộng phổ, xung
laser ngắn chỉ có thể phát ra từ những mơi trường có phổ khuếch đại rộng. Độ rộng xung
ngắn nhất có thể đạt được phụ thuộc vào độ rộng phổ khuếch đại mà mơi trường cung
cấp. Bước sóng và độ rộng phổ của xung tín hiệu là thơng số rất quan trọng khi lựa chọn

mơi trường khuếch đại. Hiện nay, có 3 loại môi trường khuếch đại được dùng phổ biến
nhất trong kỹ thuật laser xung cực ngắn: Môi trường rắn (chẳng hạn Nd:Glass,
alexandrite, Ti:Sapphire,...); Môi trường chất màu hữu cơ; Môi trường excimer. Bảng
1.1 trình bày các thơng số quang học của một số môi trường khuếch đại laser thông
dụng.
Bảng 1.1. Thông số quang học của một số môi trường khuếch đại [1].
Mơi

Bước sóng

Độ rộng

σes

Thời gian

Nguồn bơm

trường

(nm)

phổ (nm)

(cm2)

sống (s)

thơng dụng

Chất màu

0,3 – 1

≥ 30

≥ 10-16

10-8–10-12

Laser

XeCl

0,308

1,5

7.10-16

~ 10-8

Phóng điện

XeF

0,351

≤2

3.10-16

~ 10-8

Phóng điện

KrF

0,295

2

3.10-16

≤ 108

Phóng điện

Alexandrite

0,75

100

7.10-21

2,6.10-4

Đèn flash

Cr:LiSAF

0,83

205

5.10-20

6.10-5

Đèn flash

Ti:sapphire

0,78

400

3.10-19

3.10-6

Laser

Nd: Glass

1,05

21

3.10-20

3.10-4

Đèn flash

Thực tế, môi trường rắn chủ yếu làm việc trong vùng hồng ngoại gần, môi trường
chất màu hữu cơ có thể làm việc trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần, cịn mơi trường
excimer dùng để khuếch đại xung trong vùng tử ngoại. Do vậy, chỉ trong vùng hồng
ngoại gần mới cần có sự lựa chọn giữa các môi trường khác nhau để khuếch đại xung
femtô-giây.
Môi trường chất màu hữu cơ có tiết diện phát xạ lớn, phổ khuếch đại rộng (30 - 50
nm), nhưng thông lượng bão hoà thấp (~1 - 2 mJ/cm2) và thời gian sống của phân tử ở
trạng thái kích thích ngắn (≤ 10 ns). Môi trường này cung cấp độ khuếch đại lớn song

Học viên: Nguyễn Thành Dân

10


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

không cho phép đạt được năng lượng xung cao và cũng không cho phép khuếch đại
xung ngắn hơn vài chục femtơ-giây.
Mơi trường excimer có tiết diện phát xạ khá lớn, hơn nữa, cho phép làm việc trong
vùng tử ngoại. Một ưu điểm khác của môi trường excimer so với môi trường rắn hoặc
lỏng là độ cảm điện môi nhỏ hơn, do vậy khó xảy ra các hiệu ứng phi tuyến không mong

muốn. Tuy vậy, độ rộng phổ khuếch đại khá hẹp của môi trường excimer hạn chế độ
rộng xung ngắn nhất có thể khuếch đại và khoảng điều chỉnh bước sóng. Các xung laser
ngắn hơn, có năng lượng cao hơn, có thể thu được từ các bộ khuếch đại dùng môi trường
rắn do độ rộng phổ khuếch đại lớn (đến hàng trăm nm), thơng lượng bão hồ cao (~1
J/cm2) và thời gian lưu giữ năng lượng dài (~ từ micrô-giây đến mili-giây). Thực tế, các
bộ khuếch đại như vậy (đặc biệt là môi trường Ti:Sapphire) đang được ứng dụng phổ
biến trong việc phát các xung laser femtơ-giây có cơng suất trong khoảng TW và PW.
Tuy nhiên các hệ thống đó hiện nay đang bị giới hạn ở vùng bước sóng đỏ và hồng ngoại
gần.
*Các tham số chủ yếu cần xem xét là:
+ Độ rộng phổ khuếch đại của môi trường, tiết diện khuếch đại và hấp thụ tại bước
sóng tín hiệu.
+ Thời gian lưu giữ năng lượng trong mơi trường khuếch đại hay thời gian sống
của điện tử trên mức kích thích.
+ u cầu về bước sóng, năng lượng xung ra sau khuếch đại ...
+ Ngưỡng phá hủy của mơi trường khuếch đại ở bước sóng bơm và bước
sóng laser.
+ Năng lượng bão hịa tại bước sóng bơm và bước sóng xung laser cần
khuếch đại.

1.1.3.2. Đối với nguồn bơm
Ngồi việc lựa chọn bước sóng bơm phù hợp với phổ hấp thụ của môi trường
khuếch đại, tần số lặp lại theo yêu cầu ứng dụng, hệ thống quang học để hội tụ chùm
bơm vào môi trường cũng phải được chú ý. Với bộ khuếch đại nhiều tầng, tiết diện vùng
được bơm cần phải được mở rộng từ tầng này qua tầng khác để tránh xảy ra các hiệu
ứng quang học phi tuyến hoặc sự phá hủy môi trường do công suất lớn của xung tín hiệu
được khuếch đại.

Học viên: Nguyễn Thành Dân

11


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

Thông thường, các laser bơm cần phải được đồng bộ với laser tín hiệu để q trình
khuếch đại được ổn định. Trong khoảng thời gian nanô-giây, sự đồng bộ này có thể được
thực hiện bằng điện tử.
Việc bơm một cách đồng đều cho tồn bộ thể tích khuếch đại là một vấn đề quan
trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng không gian của chùm tia sau khi khuếch đại.
Nói chung, cấu hình bơm dọc cho phép đạt được chất lượng khơng gian tốt hơn cấu hình
bơm ngang.
* Các tham số chính là:
+ Tần số lặp lại.
+ Yêu cầu về chất lượng không gian của chùm tia sau khi khuếch đại.
+ Thời gian đáp ứng của môi trường khuếch đại.
1.1.3.3. Đối với cấu hình và các thành phần của bộ khuếch đại
* Đối với cấu hình và các thành phần của bộ khuếch đại, cần chú ý
+ Loại trừ phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và sự phản hồi có thể dẫn tới sự
phát laser trong bản thân bộ khuếch đại.
+ Thời gian đáp ứng của môi trường khuếch đại.
+ Tránh sự phá huỷ môi trường khuếch đại.
+ Hạn chế sự méo mặt sóng, hạn chế sự giãn rộng xung và các hiệu ứng phi tuyến
không mong muốn như tự hội tụ.
- Phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE)
Một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến sự khuếch đại xung
laser nói chung, xung laser cực ngắn nói riêng là phát xạ tự phát được khuếch đại. ASE

là một thơng số chính giới hạn hiệu suất của bộ khuếch đại, nó làm giảm năng lượng
bơm được tích lũy trong mơi trường khuếch đại nên làm giảm độ khuếch đại. Hơn nữa,
nó làm giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu nền, thậm chí dẫn tới sự phát laser trong bản thân bộ
khuếch đại. Để hạn chế ASE, việc lựa chọn mật độ quang học của môi trường (nồng độ,
chiều dài), cường độ bơm cần phải được chú ý. Thực tế các tín hiệu ASE (cịn gọi là
siêu bức xạ) khác với xung tín hiệu cả về cường độ, bước sóng, độ rộng xung, tính chất
phân cực, độ phân kỳ. Do vậy ta thường dùng các chất hấp thụ bão hồ, phin lọc phổ,
phin lọc khơng gian, phin lọc phân cực … để hạn chế hoặc loại trừ ASE. Để tránh khuếch
đại bức xạ tự phát chúng ta cũng có thể sử dụng tờ bìa nhỏ phủ tồn bộ phần diện tích
của phần gương khơng sử dụng cho khuếch đại (Hình 1.9).

Học viên: Nguyễn Thành Dân

12


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

Hình 1.9. Gương khuếch đại được phủ bề mặt.
- Sự biến dạng xung khi xung laser ngắn lan truyền qua môi trường khuếch đại
Một vấn đề cần quan tâm trong khuếch đại laser xung cực ngắn là sự biến dạng
của các xung laser khi lan truyền qua môi trường khuếch đại. Ngoài nguyên nhân tán
sắc GVD là do sự tương tác phi tuyến giữa xung laser cực ngắn với phổ rộng với môi
trường khuếch đại. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng:
+ Do sự khuếch đại phi tuyến nên dạng của xung bị biến đổi (đặc biệt do hiệu ứng
tự điều biến pha).
+ Do hiệu ứng khuếch đại ưu tiên sườn trước của xung dẫn tới sự dịch chuyển dần

cực đại của xung về phía trước, mức độ dịch chuyển phụ thuộc vào tính chất sườn
trước của xung.
Đối với các xung tín hiệu nhỏ, khi qua các mơi trường khuếch đại thường chỉ xảy
ra tương tác tuyến tính. Xung tín hiệu được khuếch đại về năng lượng trong khi hầu như
khơng bị biến dạng. Với các xung tín hiệu có năng lượng lớn thường xảy ra hiện tượng
bão hịa khuếch đại, tương tác phi tuyến xảy ra, gây biến dạng xung. Hiện tượng này
xảy ra với các bộ khuếch đại công suất lớn với số lần truyền qua lớn. Sau mỗi lần truyền
qua cường độ xung tín hiệu được khuếch đại lên làm xuất hiện tương tác phi tuyến. Số
lần truyền qua càng nhiều thì xung càng biến dạng mạnh [1, 6].
1.2. Mơi trường tinh thể Nd:YVO4
Có rất nhiều ion đất hiếm (nhóm Lantan: Nd, Pr, Gd, Ho, Tm, Dy …) được sử
dụng làm mơi trường hoạt chất vì các ion đất hiếm trong vùng quang học tạo nên hệ
lượng tử 4 mức năng lượng. Theo lý thuyết, laser có thể hoạt động theo chế độ ba mức
hay 4 mức, nhưng ở chế độ 4 mức có ưu điểm nổi bật là ngưỡng bơm thấp, dễ dàng đạt
được nghịch đảo tích lũy. Việc pha tạp các ion hoạt tính vào tinh thể sẽ dễ dàng nếu kích
Học viên: Nguyễn Thành Dân

13


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

thước của ion được cấy vào gần với kích thước của ion bị thay thế từ mạng, vì nếu có
sự khác biệt q lớn sẽ làm mất tính đối xứng của mạng và gây ra những thay đổi về cấu
trúc mức năng lượng của các ion hoạt tính. Việc cấy các ion hoạt tính càng dễ dàng hơn
nữa nếu hóa trị của hai ion này gần nhau. Ion Neodymium (Nd3+) có thể được cấy dễ
dàng vào thủy tinh, chất lỏng, tinh thể và ngay cả mơi trường platstic.

Vì vậy, môi trường khuếch đại sử dụng ion Nd3+ là một trong những môi trường
được sử dụng rất rộng dãi. Dưới đây là những nét cơ bản về môi trường Neodymium và
môi trường tinh thể Nd:YVO4 [10, 17, 21].
1.2.1. Các mức năng lượng của ion Nd3+
Neodymium là một nguyên tố hóa học với ký hiệu Nd và số nguyên tử bằng 60.
Cấu hình điện tử của ion Nd3+: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f35s25p6.

Hình 1.10. Tinh thể Nd:YVO4 nồng độ pha tạp 1% .
Dịch chuyển điện tử được sử dụng trong laser rắn xảy ra trong quỹ đạo 4f mà
Neodymium có ba điện tử ở quỹ đạo này. Các điện tử trên lớp 4f bị che chắn bởi 8 điện
tử ở lớp ngoài 5s2 và 5p6 nên cấu trúc các mức năng lượng của điện tử 4f phụ thuộc rất
ít vào mạng tinh thể mà nó được pha vào trong đó.
Theo quy tắc Russell - Saunders, ta có thể biểu diễn mỗi mức năng lượng có dạng
LJ, trong đó S là số lượng tử spin tồn phần, J là số lượng tử từ momen xung lượng,
L là số lượng tử quỹ đạo nhận các giá trị L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9… tương ứng với
các ký hiệu S, P, D, F, G, H, I, L, M, N … Mức cơ bản 4I9/2 tương ứng với trạng thái mà
2S + 1 = 4 (S = 3/2), L = 6 và J = L - S = 9/2.
2S + 1

Mỗi mức sẽ suy biến 2J + 1, có các số lượng tử mJ nhận những giá trị từ -J đến J.
Những trạng thái có cùng giá trị |mJ| sẽ có cùng mức năng lượng và mỗi mức 2S + 1LJ sẽ
bị tách thành (2J + 1)/2 mức con suy biến khác nhau. Các mức 4I11/2 và 4F3/2 sẽ bị tách
tương ứng thành sáu và hai mức con [10]. Các dịch chuyển quang học, năng lượng và
huỳnh quang tương ứng của ion Nd3+ được thể hiện trong Hình 1.11 và Bảng 1.2.

Học viên: Nguyễn Thành Dân

14

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

Hình 1.11. Các dịch chuyển quang học của ion Nd3+ [10].
Bảng 1.2. Các dịch chuyển năng lượng và huỳnh quang tương ứng của Nd3+ [10].
Dịch chuyển

Bước sóng huỳnh quang (m)

F3/2 – 4I9/2

0,8910
0,8999
0,9385

4

Tỉ lệ cường độ (%)

25

0,9460
1,0521
1,0615
4

F3/2 – I11/2
4

1,0642
1,0737
1,1119
1,1158

60

1,1225
1,3184
1,3331
1,3351
4

F3/2 – 4I13/2

1,3381

14

1,3533
1,3572
4

F3/2 – 4I15/2

1,833

1

Khi hấp thụ bức xạ của một nguồn bơm, các ion Nd3+ chuyển dời từ mức cơ bản
lên các mức trên, từ các mức này sẽ chuyển dời không bức xạ rất nhanh về mức

4

I9/2

4

F3/2. Đây là mức siêu bền (  10-7 10-14s) nên nghịch đảo độ tích luỹ được tạo ra giữa

mức 4F3/24I11/2. Từ mức 4F3/2, các ion Nd3+ chuyển dời bức xạ về các mức dưới I. Sự
chuyển dời từ 4F3/24I11/2 là mạnh nhất và phát ra bức xạ laser có bước sóng 1064 nm.

Học viên: Nguyễn Thành Dân

15