BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘTRƯỜNG GIẢO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠIVÀ HỌC VINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CAO THỊ THANH TÂM LUẬN VĂN THẠC sĩ VẬT L LUẬN VÃN THẠC sĩ VẬT LÝ LÒĨ CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu Trường Đại học Vinh, với bề dày truyền thống 50 năm xây dựng trưởng thành, tiếp thu nhiều kiến thức phong phú bổ ích nhờ giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy giáo, Cô giáo cán khác Trường Đại học Vinh Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy tận tâm có trách nhiệm thầy, cô giáo đặc biệt Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn Thầy giúp định hướng đề tài, dẫn tận tình chu đáo, dành nhiều công sức ưu cho suốt trình hoàn thành luận văn Đồng thòi xin cảm ơn PGS TS Vũ Ngọc Sáu TS Nguyễn Văn Phú cho nhiều lời góp ý quý báu TÔI xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý tạo cho môi trường học tập nghiên cứu thuận lợi Xin cảm ơn tập thể lớp CH 19 - Quang học san sẻ vui, buồn vượt qua khó khăn học tập Và cuối cùng, xin gửi cảm ơn tới gia đình, người thân yêu bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu MỤC LỤC Trang Danh mục bảng, hình vẽ Mở đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÈ LASER Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HỒI PHỤC TRONG PHÁT XẠ LASER 1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF 1.1.1 cấu trúc tinh thê 3+ 1.1.2 Cẩu trúc hrợng ion Cr ỉ ỉ Nguyên lỷ điều kiện hoạt động laser Cr:LiSAF 10 1.2 Dao động hồi phục phát xạ laser 14 1.2.1 ạt động hồi phục laser 1.2.2 Dao động hồi phục phát xạ ỉaser 1.2.3 Điều kiện đế có dao động hồi phục phát xạ laser 1.3 Hệ phương trình tốc độ cho hoạt động laser Cr:LiSAF Ho 14 18 21 23 Ket luận chương 26 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XƯNG NGẮN LASER Cr:LiSAF ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE KÉT QUA VÀ THẢO LUẬN 2.1 Ánh hưởng thông số bơm lên xung dao động hồi phục 2.1.1 Anh hưỏng độ rộng xung bom 27 28 28 CÁC KÝ HIỆU VIÉT TẮT TRONG LUẬN VĂN Laser: Light Ampliũcation by Stimulated Emission of Radiation BCH Buồng cộng hưởng DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Trang A- Bảng bước sóng Bảng 2.1 Đặc trưng hoạt chất Cr:LiSAF 38 Bảng 2.2 Đặc trưng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO 39 B- Hình vẽ Hình 1.3 Cấu trúc lượng dịch chuyên quang học ion Cr3^ quang học Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động laser chế độ bốn mức x 10 lượng bơm giảm dần với chiều dài buồng chứa chất màu cm Hình 1.8 Sơ đồ laser Cr:LiSAF bơm laser diode 24 Hình 2.1 Anhhưởng độ rộng xung bơm Hình 2.2 Ảnhhưởng mức bơm 29 31 38 MỞ ĐÀU Sự đời LASER (Light Ampỉification by Stimuỉated Emission of Radiation) thành tựu khoa học quan trọng kỷ XX Từ đời nay, laser không ngừng nghiên cứu phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực nghiên cứu khoa học ứng dụng, với tiến lĩnh vực khoa học vật liệu quang lượng tử, laser ngày phát triển đa dạng chủng loại, đồng thời kỹ thuật phát laser ngày hoàn thiện Những thành tựu vật lý, công nghệ laser quang học phi tuyến cho phép phát xung laser cực ngắn toàn miền phố (vùng cực tím - vùng khả kiến - vùng hồng ngoại) Các loại laser rắn mà laser Chromium nguồn kích thích quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phòng thí nghiệm quang học - quang phổ Năm 1989, Payne cộng người phát môi trường laser rắn mới, tinh thê thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF, ) pha tạp ion Chromium [4] Đây môi trường laser rắn lý tưởng quan tâm đặc biệt có phổ phát xạ băng rộng (~200YiYìi) tạo cho khả điều chỉnh bước sóng vùng hồng ngoại gần phát xung laser cực ngắn với thời gian sống huỳnh quang dài laser trở nên gọn Vói cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đối lượng bơm laser diode đạt từ 10% -ỉ- 80% Một yêu cầu đòi hỏi ngày cao ứng dụng, nghiên cứu đào tạo nhu cầu sử dụng hệ thống laser cực nhanh Ví dụ, việc sử dụng laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất trung bình lớn đế nghiên cứu trình động học tượng xảy nhanh nhiều quan khoa học mong muốn Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu hệ laser Chromium xung ngắn bơm laser diode Việt Nam việc có ý nghĩa mặt khoa học công nghệ ứng dụng thực tiễn Laser Cr:LiSAF (Chromium pha tạp Lithium, Stronti, Nhôm Florua) loại laser pha tạp ion Cr 3+ tinh thể LiSAF có hiệu suất cao bơm laser diode Tinh thể LiSAF có ưu điểm như: ngưỡng hư hỏng cao, bền mặt vật lý, hóa học Điều làm cho laser Cr3+:LiSAF sử dụng rộng rãi Khi so sánh laser Cr3+:LiSrAlF6 (Cr:LiSAF) với laser Cr3+:LiCaAlF6 (Cr:LiCAF) bơm laser diode, laser Cr:LiSAF có nhiều lợi điểm dao động hồi phục phát xạ laser Chromium tinh thể LiSAF bơm laser diode; khảo sát ảnh hưởng thông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên xung dao động hồi phục phát Nội dung luận văn phần mở đầu kết luận gồm có hai chương: Chương 1: Tong quan laser Cr:LiSAF dao động hoi phục phát xạ laser Chương trình bày tổng quan cấu trúc lượng, phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF Đồng thời trình bày rõ điều kiện để có dao động hồi phục, yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng dao động hồi phục phân tích phương trình tốc độ cho hoạt động độ laser Cr:LiSAF Chương 2: Khao sát đặc trung phát xung ngan Laser Cr:LiSAF bơm bang ỉaser diode Kết thảo luận Chương TỔNG QUAN VÈ LASER Cr:LiSAF VÀ DAO ĐỘNG HÒI PHỤC Các laser rắn băng rộng, điều chỉnh bước sóng sử dụng hoạt chất tinh thể rắn hay vô định hình, có dịch chuyển laser dịch chuyển pha tạp (hầu hết ion đất hay ion kim loại chuyển tiếp) Trong việc nghiên cứu môi trường khuếch đại điều chỉnh bước sóng, ion kim loại chuyển tiếp khám phá sử dụng rộng rãi Chromium Điều chủ yếu ổn định hóa học trạng thái ion mạng tinh thể tồn dải bơm rộng Các laser thuộc họ Colquiriite (LiSAF, LiCAF, LiSGaF) pha tạp ion Cr3- laser rắn có khả điều chỉnh liên tục bước sóng, gọi laser vibronic vai trò liên kết điện tử - phonon mở rộng đám phát xạ hấp thụ Chúng bao phủ toàn vùng phổ từ 170nm đến 360nm, phát xạ phù hợp với yêu cầu nhiều ứng dụng khác Ngày nay, chúng có tầm quan trọng thương mại laser tính hấp dẫn như: kết cấu gọn nhẹ, an toàn, dễ sử dụng, độ tin cậy cao đặc biệt giá thành thấp 850nm Ngoài ra, laser Cr:LiSAF có khả phát xung laser đơn, ngắn thang nano giây (ns) bơm gần ngưỡng 1.1 Laser tinh thể Cr:LiSAF Đặc điểm bật laser Cr 3+ phổ phát xạ rộng, thích hợp cho phát xung ngắn có thê xây dựng hệ laser điều chỉnh bước sóng khoảng phố rộng Trong chương này, tìm hiểu mức lượng, cấu trúc phổ nguyên tắc hoạt động laser Cr:LiSAF 1.1.1 Cấu trúc tinh Các tinh thể laser thuộc loại Colquiriite (gồm tinh thể LiSAF, LiCAF LiSGaF pha tạp ion Cr3+) có công thức hoá học chung LiMnMinF6 Trong đó: Mn nguyên tố: Ca, Sr, Cd, Pd M111 nguyên tố: Al, Ga, Ti, Cr Trong cấu trúc tinh thể Colquiriite cation chiếm vị trí bát diện biến dạng lục diện bị méo bao quanh ion Flo Nhóm đối xứng không gian Colquiriite P31c - Dịd 26 KÉT LUẬN CHƯƠNG Trong chương I, trình bày tổng quan thông tin vật lý công nghệ hệ thống laser rắn Cr:LiSAF Qua việc tìm hiểu mức lượng dịch chuyển chủ yếu laser Cr:LiSAF cho thấy loại laser hoạt động theo chế bốn mức lượng Các dịch chuyên hấp thụ chủ yếu 4A2 —>• 4TJ 4A2 -» 2E tương ứng với bước sóng hấp thụ 450nm 650nm Dịch chuyến phát xạ laser chủ yếu 4T2 —^ A2 với bước sóng trung tâm 850nm Mặt khác, sở tìm hiểu phổ hấp thụ phố phát xạ, cho thấy laser Cr:LiSAF có hai vùng hấp thụ mạnh tương ứng với hai bước sóng hấp thụ trung tâm 450nm 650nm Phổ phát xạ laser Cr:LiSAF trải dài dải bước sóng từ 780w72 đến Ì O Ì O n m Đồng thời mô tả sơ lược hoạt động laser kiểu hồi phục, trình bày đặc điểm dao động hồi phục laser điều kiện để có dao động hồi phục phát xạ laser Các kết cho thấy điều kiện cần để có dao động hồi phục thời gian sống photon mức laser phải lớn thời gian sống photon buồng cộng hưởng Khi hệ số phản xạ gương cao, dao động hồi phục xuất Khi có dao động hồi phục, mức bơm giảm làm giảm số đỉnh dao động làm tăng khoảng cách hai đỉnh, R pth 27 CHƯƠNG KHẲO SÁT ĐẶC TRƯNG PHÁT XUNG NGẮN CỦA LASER Cr:LiSAF Được BƠM BẰNG LASER DIODE KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các kết chương cho thấy: điều kiện cần để quan sát dao động hồi phục thời gian sống photon buồng cộng hưởng tc nhỏ thời gian huỳnh quang kéo dài tâm hoạt chất Do dao động hồi phục quan sát thường quan sát laser rắn laser rắn, thời gian huỳnh quang kéo dài tâm hoạt chất lớn Trong chương này, để nghiên cứu đặc trưng phát xung ngắn laser Cr:LiSAF bơm laser diode làm sáng tỏ số trình vật lý độ xảy ra, sử dụng hệ phương trình tốc độ đế tính toán, khảo sát ảnh hưởng thông số môi trường hoạt chất, thông số bơm, thông số buồng cộng hưởng lên tượng dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF đồng thời ứng dụng tượng đẻ chế tạo laser phát xung ngắn 28 thu đươc trình bày phần 2.1 Ảnh hưởng thông số bơm lên dao động hồi phục Dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF bơm laser diode phụ thuộc vào tốc độ tích thoát mật độ tích lũy trạng thái kích thích, thay đổi mật độ photon buồng cộng hưởng điều kiện định Trong thông số bơm có ảnh hưởng trực tiếp đến yếu tố [10] Do vậy, tính toán, nghiên cứu ảnh hưởng độ rộng xung bơm mức bơm lên tượng dao động hồi phục phát xạ laser Cr:LiSAF bơm laser diode Các kết nghiên cứu với laser Cr:LiSAF bước sóng 850nm, bơm laser diode bước sóng 610nm Tinh thể Cr:LiSAF hình lập phương kích thước 3x3x3( m m ) , pha tạp 1%CY3+, hai mặt cuối gia công chống phản xạ 850nm 2.1.1 Anh hưởng độ rộng xung bơm Trong phần giải hệ phương trình tốc độ (1.33) yOI Cườiia độ laser chuẩn hóa _ ooooooo oo ooooooo oo o H 4* Ui ooooooo oo o M kí 4» u I 30 Các kết tính toán cho thấy, tăng độ rộng xung bơm số lần dao động xảy nhiều, laser xuất sớm khoảng cách xung bị hẹp lại Khi độ rộng xung bơm lỏn, xung laser lặp lại hình dạng xung bơm Các kết giải thích lưu ý hoạt động laser xảy thời gian có nghịch đảo mật độ tích lũy cao mật độ ngưỡng Khi độ dài xung bơm nhỏ để so sánh với thời gian sống huỳnh quang tâm hoạt chất trình bơm đủ để hoạt động laser thực một vài dao động Ngược lại, trường hợp độ dài xung bơm lớn thời gian sống huỳnh quang tâm hoạt chất trình bơm tiếp tục trì đế laser tiếp tục xảy sau lần xuất dao động Do có tích thoát nhanh mật độ tích lũy mức kích thích, nên số dao dộng tăng lên (Hình 2.1 b - c - d) Trong trường hợp độ dài xung bơm lớn, trình laser trình tích lũy đạt đến trạng thái dừng nên xung laser có dạng xung bơm (Hình le) 2.1.2 Anh hưởng mức bơm 31 a) r = 1.5 b) r= 1.8 « ‘ O V) 4Ả2 với bước sóng trung tâm 850nm Phổ hấp thụ phổ phát xạ laser Cr:LiSAF có hai vùng hấp thụ mạnh tương ứng với hai bước sóng hấp thụ trung tâm 45072772 650nm Phố phát xạ laser Cr:LiSAF trải dài dải bước sóng từ 78072772 đến 1010nm * Độ rộng xung laser phụ thuộc vào thông số bơm, 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đại Hưng, “Vật lý kỹ thuật laser”, NXB ĐHQG, 2004 [2] Đỉnh Văn Hoàng & Trịnh Đình Chiến, “Vật lý laser ứng dụng”, ĐH Khoa học tự nhiên, 1999 [3] Lê Đức Sửu, “Dao động hồi phục laser Cr:LiSAFphát xung ngan bơm laser diode ”, ĐII Vinh, 2009 [4] Phạm Văn Thiều, “Vật lý laser”, ĐHQG Hà Nội, 2001 [5] Chỉnlon Lin, “Studies of relaxation oscillations in Organic dye lasers, IEEE J Quantum elecừonics”, Vol QE-11, No.8, 1975 [6] L.v Tarasov, “Laser Physics”, MIR Publishers Moscow, 1983 [7] Miyazoe and Maeda, “On the spiking phenomenon in organic dye lasers”, IEEJ Quantum electronics, Vol QE-7, No.8, 1971 [8] Nguyên Van Hao and et al, “Spectro-temporal evolution and tran Sỉ en t [...]... nghĩa: m =ílte= WữBtcr là tỷ số của mức bơm thực tế cho tốc ĩ m => Thấu kính bơm Hình 1.8 Sơ đồ laser Cr: LiSAF được bom bằng laser diode [8] / 4 (m -1) T (1.32) Như vậy, điều kiện cần và đủ để có dao động hồi phục là thời gian 1.3 Hệ phương trình tốc độ cho hoạt động của laser Cr: liSAF Chúng tôi khảo sát động học phát xung ngắn của laser Cr: LiSAF ỏ 850nm được bơm bởi các xung laser diode ở 610nm... dài xung bơm quá lớn, quá trình laser và quá trình tích lũy có thể đạt đến trạng thái dừng nên xung laser ra có dạng của xung bơm (Hình 2 le) 2.1.2 Anh hưởng của mức bơm 31 a) r = 1.5 b) r= 1.8 « ‘ O V) ... laser Cr3 +:LiSrAlF6 (Cr: LiSAF) với laser Cr3 +:LiCaAlF6 (Cr: LiCAF) bơm laser diode, laser Cr: LiSAF có nhiều lợi điểm dao động hồi phục phát xạ laser Chromium tinh thể LiSAF bơm laser diode; khảo sát. .. Ngoài ra, laser Cr: LiSAF có khả phát xung laser đơn, ngắn thang nano giây (ns) bơm gần ngưỡng 1.1 Laser tinh thể Cr: LiSAF Đặc điểm bật laser Cr 3+ phổ phát xạ rộng, thích hợp cho phát xung ngắn... laser tăng đồng thời laser xuất sớm khoảng cách xung bị hẹp lại Xung laser lặp lại hình dạng xung bom mức bơm cao ngưỡng KÉT LUẬN CHUNG 41 Luận văn Khảo sát đặc trưng phát xung ngắn Laser Cr: LiSAF