KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LỜI MỞ ĐẦU Trong phát triển khoa học kĩ thuật, ngày nhiều thành tựu khoa học vật lý nhanh chóng ứng dụng vào ngành khoa học khác (khoa học vật liệu, hoá học, sinh học, công nghệ nano, điện tử viễn thông…) tạo kỉ nguyên – kỉ nguyên công nghệ Sự truyền xử lý tín hiệu dòng điện hay sóng điện từ vô tuyến mà ánh sáng phát từ nguồn sáng ổn định – laser Điều có vai trò quan trọng phát triển quốc gia, dân tộc toàn nhân loại Sự đời laser thành tựu khoa học bật Với tính chất bật mà nguồn quang có được: độ đơn sắc cao, độ kết hợp lớn, độ định hướng cao tập trung cao vào xạ đơn sắc Do vậy, mở bước phát triển ngành kĩ thuật, khoa học ứng dụng công nghệ Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vức nghiên cứu khoa học, với tiến lĩnh vức khoa học vật liệu, quang phổ học quang lượng tử, laser nghiên cứu sâu hơn, phát triển đa dạng với nhiều chủng loại, kĩ thuật laser dần hoàn thiện Lí chọn đề tài Laser có nhiều loại, laser rắn – cụ thể laser rắn Neodym nguồn kích thích quang quan trọng phòng thí nghiệm quang học quang phổ Các laser rắn Neodyum chủ yếu bơm đèn flash hiệu suất chuyển đổi lượng thấp từ 1% - 2% [8] Điều phổ phát xạ đèn rộng, tinh thể Neodym phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp Mặt khác, lượng đèn bị mát gradien nhiệt, làm tâm hoạt chất nóng lên gây hiệu ứng thấu kính nhiệt, phải có hệ thống làm mát phức tạp LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tuy nhiên, công nghệ bán dẫn phát triển, laser bán dẫn đời phát triển mạnh Laser bán dẫn có tuổi thọ độ ổn định cao, kích thước nhỏ gọn, không cần dùng nguồn điện cao hệ thống làm mát phức tạp Với công suất phát lên tới hàng chục oát (W), phổ phát xạ tập trung khoảng hẹp nên phù hợp với phổ hấp thụ tinh thể laser, tạo hiệu suất chuyển đổi lượng cao Chính vậy, phương pháp bơm lượng cho laser rắn – cụ thể laser rắn Neodym laser bán dẫn nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Phương pháp cho hiệu suất chuyển đổi lượng cao từ 10% - 80%, đồng thời khắc phục hạn chế có bơm đèn flash: hiệu ứng thấu kính nhiệt gây phát laser không ổn định, làm nóng tâm hoạt chất, làm tăng độ phân kỳ chùm tia [8]…Ngoài hệ laser khuếch đại laser bơm laser bán dẫn chế tạo nhỏ, gọn Với ưu điểm này, phương pháp bơm laser bán dẫn phát triển mạnh Một yêu cầu đòi hỏi ngày cao ứng dụng nghiên cứu nhu cầu sử dụng hệ thống laser cực nhanh Ví dụ, sử dụng laser rắn xung ngắn, tần số lặp lại cao, công suất tập trung bình lớn để nghiên cứu trình động học tượng nhanh nhiều quan khoa học mong muốn nghiên cứu như: Viện Vật lý điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hóa học, Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, Đại học Sư phạm Hà Nội, Trung tâm KH – CN kỹ thuật quân sự…Trước đây, laser xung ngắn xây dựng phát triển dựa kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q – switching), dumping – cavity, kĩ thuật mode – locking…Việc tiến hành nghiên cứu xây dựng hệ laser Neodym bơm laser bán dẫn Việt Nam việc có ý nghĩa khoa học công nghệ ứng dụng LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Mục đích chọn đề tài Hệ laser Nd: YVO4 phát liên tục bơm laser bán dẫn với buồng cộng hưởng dạng thẳng nghiên cứu phát triển thành công Việt Nam, phát xạ laser 1064 nm với công suất hàng trăm mW, có hiệu suất chất lượng chùm khác Tuy nhiên, nghiên cứu hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạng thẳng tăng chiều dài lên, ng việc đưa thêm gương cầu gương phản xạ vào buồng cộng hưởng tạo nên buồng cộng hưởng mớibuồng cộng hưởng gấp khúc Tôi mong muốn với hệ laser Nd: YVO phát liên tục laser diode với buồng cộng huởng gấp khúc cải thiện chất lượng chùm laser buồng cộng hưởng có chiều dài đáng kể Phương pháp nghiên cứu Ở đây, tiến hành phương pháp nghiên cứu tài liệu nghiên cứu thực nghiệm + Về lý thuyết: Tham khảo tài liệu, báo cáo hội nghị + Về thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm đặc trưng hoạt động hệ laser đánh giá hiệu suất laser Nội dung đề tài Nội dung khóa luận tiến hành tìm hiểu, khảo sát đặc trưng hệ laser Nd: YVO4 phát liên tục bơm laser bán dẫn với buồng cộng hưởng dạng thẳng (tuyến tính) Từ đó, đưa hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạng gấp khúc, tiến hành khảo sát đặc trưng hoạt động Qua đánh giá cụ thể hiệu suất hai hệ laser nói Nội dung khóa luận bao gồm hai chương sau: Chương 1: Tổng quan laser rắn laser Neodym • Tổng quan laser rắn • Laser Neodym – cụ thể laser Nd: YVO4 Chương 2: Nghiên cứu khảo sát đặc trưng hệ laser Nd: YVO4 LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • Khảo sát hệ laser Nd: YVO4 với buồng cộng hưởng dạng thẳng tuyến tính Cụ thể khảo sát phụ thuộc ngưỡng bơm, hiệu suất laser vào hệ số phản xạ gương chiều dài buồng cộng hưởng • Khảo sát đặc trưng hoạt động hệ laser Nd: YVO phát liên tục, bơm laser diode với buồng cộng hưởng gấp khúc với chiều dài 500 mm So sánh ngưỡng bơm hiệu suất laser với buồng cộng hưởng dạng thẳng Ngoài ra, khảo sát mode ngang dao động, phân bố lượng chùm laser CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN VÀ LASER NEODYM Trong lịch sử, nghiên cứu laser bắt đầu việc mở rộng phương pháp khuếch đại vùng sóng điện từ Năm 1917, Albert Einstein phát mở đường cho việc sử dụng xạ cưỡng thuyết photon Năm 1954, máy MASER C.Tower chế tạo cách tạo nghịch đảo độ tích lũy hai mức nguyên tử phân tử để tạo xạ cưỡng với bước sóng 1,25 cm MASER máy dao động vùng sóng vi ba, viết tắt chữ đầu cụm từ tiếng anh: Microwave Amplification by Stimulated Emssion of Radiotion, nghĩa khuếch đại sóng vi ba nhờ xạ cưỡng Năm 1955, mô hình kích thích quang học cho máy MASER đề xuất độc lập, đồng thời N Bloemberger, A.M Prokorov N.G Basov Vài năm sau đó, máy MASER hầu hết tạo cách bơm quang học cho tinh thể Ruby Năm 1958, A Schawlow C Tower đề xuất mở rộng thuyết “MASER” tới tần số quang học sử dụng buồng cộng hưởng Fabry – Perot tạo phản hồi Tuy nhiên, họ chưa tìm vật chất thích hợp để tạo nghịch đảo mật độ tích lũy Điều hoàn thiện T Maiman, người tạo laser vào năm 1960 Đây laser với tinh thể hồng ngọc – Ruby (sapphire pha thêm ion Cr3+) bơm đèn xung Xenon xoắn xung quanh tinh thể Ruby hình lăng trụ Hai đầu tinh thể Ruby mạ có lỗ nhỏ để xạ Hai mặt phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng, với bước sóng 694 nm Khi đó, T Maiman lấy tên LASER, viết tắt chữ đầu cụm từ tiếng anh: Light Amplification by Stimulated Emssion of Radiation, nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng Năm 1961, R.W.Hellwarth đưa chế độ gọi Q – switch tức chế độ điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng, cho tập trung chùm LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC laser Ruby thành xung đơn Ban đầu, Hellwarth gọi tế bào Kerr, thiết bị dùng để phân cực ánh sáng có điện đặt vào Q – switch gồm tế bào lấp đầy Nitrobenzene, yêu cầu phải có điện lớn đặt vào Trong khoảng 15 năm gần đây, laser Ruby trở thành nguồn xạ chuẩn với công suất lớn vùng khả kiến cho việc nghiên cứu trường đại học, hệ điều khiển, phòng thí nghiệm Sau đó, thay laser Nd: YAG Loại laser Neodym calcium tungstate doped with Nd +3 Loại laser tạo năm 1961 sử dụng thiết bị khảo sát vài năm gần yttrium aluminate garnet (YAG) làm cho Nd+3 tạo Năm 1961, K Snitzer mô tả loại laser Nd:glass Loại laser chế tạo với kích thước lớn với chất lượng tốt laser ruby, hứa hẹn cung cấp nguồn lượng cao Năm 1964, chất tốt cho ion Nd+3 yttrium aluminate garnet (YAG) J Geusic phát minh Từ đó, Nd:YAG sử dụng phổ biến làm môi trường hoạt chất cho laser rắn Laser Nd: YAG có ngưỡng thấp cho phép hoạt động chế độ liên tục, chất tỏa nhiệt tốt, độ bền học cao tính quang học tốt Laser Ti:sapphire khám phá năm 1980 với bước sóng từ 660nm đến 980 nm, dùng để bơm cho laser khác Loại laser như: Yb: YAG Nd:YVO4 không phù hợp với bơm đèn lại thích hợp bơm laser diode Trong trình phát triển lịch sử, laser rắn ngày phổ biến phát triển mạnh mẽ Ngày nay, thấy laser dùng công nghệ như: thiết bị nhiều qui trình chế tạo, bệnh viện nguồn xạ để trị liệu, thẩm mỹ, thiết bị điều khiển xác vật bay… 1.1 Laser rắn LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Vào năm 1958, nhà bác học Nga Mĩ, nghiên cứu độc lập với nhau, chế tạo thành công laser Vài năm sau đó, laser rắn chế tạo laser Ruby Ngày nay, người ta chế tạo hàng chục loại laser rắn khác với công suất lớn Tương tự loại laser khác, laser rắn có cấu tạo gồm ba phận là: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng bơm lượng 1.1.1 Môi trường hoạt chất: Laser rắn loại laser mà môi trường hoạt chất chất rắn Hoạt chất thể rắn bao gồm hai thành phần: chất chất kích hoạt (hoạt chất) • Chất chất không tham gia trực tiếp vào trình tạo xạ laser Chất thủy tinh tinh thể • Chất kích hoạt (hoạt chất) thường đưa vào chất dạng tạp chất, có tỉ lệ nhỏ khoảng vài phần trăm so với chất Trong chất nền, ion chất kích hoạt thực chuyển dịch cảm ứng tham gia trực tiếp vào trình tạo xạ laser Nghiên cứu phổ hấp thụ tinh thể thủy tinh cách điện có khả dùng làm hoạt chất laser, người ta thấy chúng phải có số yêu cầu sau [6] • Trong phổ phải có mức siêu bền, có hiệu suất lượng tử cao, nghĩa nguyên tử trạng thái dời từ mức siêu bền xuống mức thấp phải chuyển dời có phát xạ • Các dải phổ liên tục đủ rộng phía mức siêu bền, để đạt hiệu bơm quang học cao dùng xạ bơm đơn sắc • Tinh thể có độ phẩm chất quang học đủ cao để tổn hao tán xạ thấp Cho đến nay, hiệu ứng xạ cưỡng quan sát thấy 250 tinh thể điện môi kích hoạt cách cấy vào nhóm tạp chất ion LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thông dụng tinh thể oxit có cấu trúc trật tự như: tinh thể Al 2O3 với tạp chất ion Cr3+, tinh thể Y3Al5O12 (YAG ) YVO4 với tạp chất ion Nd3+, tinh thể phát quang CaF với tạp chất ion Dy3+ 1.1.2 Bơm lượng: Để tạo nghịch đảo độ tích lũy cho laser hoạt động, cần bơm lượng cho môi trường hoạt chất Tùy theo loại laser khác mà ta có nhiều phương pháp bơm khác như: bơm quang học, bơm hóa học, bơm nhiệt, bơm điện…Nhưng chủ yếu bơm điện bơm quang học ♦ Bơm điện: Bơm điện cho phóng điện qua môi trường hoạt chất (thường dùng môi trường hoạt chất chất khí trạng thái dẫn điện – ion hóa) cho dòng điện chạy qua môi trường hoạt chất (thường dùng cho laser bán dẫn) Những laser hoạt động chế độ liên tục gần liên tục xung tuỳ theo chế độ phóng điện sử dụng Sự phóng điện liên tục phân làm loại: phóng điện kích thích xoay chiều (A.C) phóng điện kích thích chiều (D.C) Phóng điện xoay chiều kích thích dòng xoay chiều tần số từ 10 đến 50 MHz với điện cực nằm ống Phóng điện kích thích trực tiếp dòng chiều với điện cực nằm ống phóng điện Yêu cầu phải có điện áp cao, dòng điện có cường độ đủ lớn Quá trình tạo nghịch đảo mật độ tích luỹ phức tạp hơn, hiêụ suất thấp Do cần phải thay nguồn bơm hiệu ♦ Bơm quang học: Kích thích ánh sáng hay gọi bơm quang học, loại kích thích phổ biến Bơm quang học dùng nguồn sáng khác có bước sóng thích hợp chiếu vào môi trường hoạt chất Nguồn sáng dạng liên tục xung, phát từ đèn thông thường, đèn flash, laser bán dẫn Cách thường dùng môi trường hoạt chất chất rắn chất lỏng Hoạt chất thu lượng bơm qua trình hấp thụ LÊ THỊ THU HƯƠNG CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hiệu bơm quang học phụ thuộc hai yếu tố [1] • Bức xạ bơm phải hấp thụ mạnh tâm hoạt chất không bị chất hấp thụ Tức cho phổ xạ nguồn bơm phải trùng với phổ hấp thụ hoạt chất • Hiệu suất bơm phải cao gần tất tâm hoạt chất sau đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển mức laser Các nguồn bơm quang học nguồn sáng không kết hợp đèn xung (phóng điện chất khí), diode phát quang (hay đèn LED), đèn hồ quang liên tục, lửa…Hay nguồn sáng kết hợp laser Hiện nay, bơm quang học laser bán dẫn cho laser rắn sử dụng rộng rãi như: laser Nd:YVO4 laser Nd:YAG bơm laser bán dẫn λ = 808 nm, laser Cr:LiSAF bơm laser bán dẫn λ = 670 nm 650 nm ♦ Cơ chế bơm: Ánh sáng từ nguồn bơm môi trường hoạt chất hấp thụ, nguyên tử bơm lên mức lượng cao (mức kích thích), từ mức kích thích nguyên tử chuyển xuống mức siêu bền bị cưỡng phát xạ ánh sáng Do laser có nhiều mức kích thích (có thể chế mở rộng vạch chất rắn chất lỏng) Sau nguyên tử chuyển lên mức kích thích xảy chuyển dịch không xạ xuống mức siêu bền nên ánh sáng không cần đơn sắc sử dụng Hiện có hai cấu hình bơm sử dụng, cấu hình bơm ngang cấu hình bơm dọc 1.1.3 Các chế độ hoạt động laser Laser rắn làm việc chế độ phát xung phát liên tục Chế độ xung hay liên tục trước hết phụ thuộc vào hoạt chất sử dụng sau chế độ bơm ♦ Chế độ phát xung LÊ THỊ THU HƯƠNG 10 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tại nhiệt độ hoạt động laser T = 26,5 0C ứng với sơ đồ hệ laser ta có kết tương ứng với hai giá trị hệ số phản xạ R = 94% R = 80%, ta có bảng kết giá trị (bảng 2.1) Đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 theo công suất bơm với hai giá trị hệ số phản xạ gương thể hình 2.3 C«ng suÊt laser Nd:Y VO4 (mW) 140 120 100 80 60 40 20 B: R = 94 % C: R = 80 % -20 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 C«ng suÊt laser b¬m (mW) Hình 2.3 Đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 theo hệ số phản xạ Từ đường đặc trưng công suất hệ laser, đánh giá hiệu suất hệ laser (bảng 2.2) Bảng 2.2: Hiệu suất hệ laser ứng với hệ số phản xạ gương Rra (%) Ngưỡng phát laser Hiệu suất laser Công suất laser* 94% 80% (mW) 370 420 (%) 11 12 (mW) 120 140 *Ứng với bước sóng 1064 nm, công suất bơm 2000 mW Nhận xét kết thu được: - Khi tăng hệ số phản xạ gương laser ngưỡng laser giảm - Khi Pout > Pth công suất laser Nd: YVO4 tăng tuyến tính theo công suất bơm (trong vùng khảo sát) - Hiệu suất quang thấp, nhỏ 15% LÊ THỊ THU HƯƠNG 28 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Việc thay đổi hệ số phản xạ gương có tác động rõ tới ngưỡng phát hiệu suất laser Các kết thu giải thích sau: Theo lý thuyết laser, mát buồng cộng hưởng laser: α = α0 + αi (2.1) Trong đó, α0 mát hệ số phản xạ gương αi mát khác Mất mát chu trình laser hệ số phản xạ gương R xác định theo biểu thức: α0 = - ln(R1.R2) (2.2) Trong đó, R1 ≈ hệ số phản xạ gương đầu R2 hệ số phản xạ gương Khi hệ số phản xạ gương tăng lên mát α0 giảm dẫn đến mát tổng cộng giảm Vì ngưỡng phát laser giảm hệ số phản xạ gương tăng lên + Laser rắn Nd: YVO4 laser hoạt động chế độ bốn mức lượng công suất phát xạ Pa laser biểu diễn theo biểu thức: Pa = η E32 T ( Pp − Pth ) E41 T +α (2.3) Trong đó, Pa: công suất phát xạ laser η: hiệu suất bơm E32: lượng trạng thái trạng thái ( mức laser mức laser ) E41: lượng trạng thái trạng thái (năng lượng bơm) Pp : công suất bơm Pth : công suất bơm ngưỡng T : độ truyền qua gương LÊ THỊ THU HƯƠNG 29 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC α: mát BCH tán xạ Nếu công suất bơm Pp lớn công suất bơm ngưỡng P th công suất phát xạ laser Pa tăng tuyến tính theo công suất bơm P p Còn công Công suất laser (mW) suất bơm Ppum < Pth công suất laser P = Hình 2.4 Công suất laser Nd3+ theo công suất laser bơm Độ dốc αs đường biểu diễn hình 2.4 thông số quan trọng laser gọi hiệu suất dốc Khi đó, ta có: P=P th αs =η Công suất bơm (mW) E32 T E14 T + α (2.4) Đại lượng E32/E14 gọi hiệu suất lượng tử, tỉ số lượng photon laser phát photon bơm vào 2.1.2 Khảo sát công suất laser Nd: YVO4 theo độ dài buồng cộng hưởng Với sơ đồ hình 2.1 hình 2.2, sử dụng gương đầu với R = 100%, gương với R = 94%, ta thay đổi độ dài buồng cộng hưởng laser cách thay đổi vị trí gương Với giá trị chiều dài L buồng cộng hưởng, thay đổi công suất bơm đo giá trị công suất laser Nd: YVO tương ứng, thu đặc trưng công suất laser Nd: YVO theo công suất laser diode Ta thu bảng kết với thay đổi buồng cộng hưởng dạng thẳng Bảng 2.3 Số liệu đo đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 theo độ dài LÊ THỊ THU HƯƠNG 30 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC buồng cộng hưởng L = 54 mm L = 110 mm L = 220 mm Công suất Công suất laser Công suất Công suất laser Công suất Công suất laser bơm (mW) Nd: YVO4 (mW) bơm (mW) Nd: YVO4 (mW) bơm (mW) Nd: YVO4 (mW) 515 0.1 670 0.12 955 0.12 520 0.2 680 0.16 965 0.22 527 0.4 690 0.2 975 0.32 530 0.65 700 0.3 995 0.41 535 0.75 710 0.33 1005 0.52 545 1.1 720 0.4 1025 0.65 555 730 0.47 1035 0.75 570 3.05 740 0.5 1055 0.9 580 4.05 760 0.65 1075 1.15 590 4.8 780 0.82 1095 1.35 600 5.9 800 1115 1.55 610 7.2 820 1.25 1125 1.72 620 8.5 840 1.47 1135 1.81 630 10 860 1.76 640 11.75 880 2.02 650 14 930 2.76 660 15.6 980 3.6 670 17 1080 5.4 680 19 700 22.4 720 25 740 27.8 760 33 780 36.5 830 47.6 880 59 930 70 980 82 1030 96 1080 106 Đặc trưng công suất laser Nd: YVO bơm laser diode theo công suất bơm với chiều dài buồng cộng hưởng khác biểu diễn hình 2.5 LÊ THỊ THU HƯƠNG 31 CN LÝ K3 Công suất bơm (mW) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 10 B: L=54mm C: L=110mm D: L=220mm Công suất bơm (mW) C«ng suÊt Laser Nd (mW) 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 C«ng suÊt b¬m (mW) Hình 2.5 Đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 bơm laser diode theo chiều dài buồng cộng hưởng dạng thẳng Từ đường đặc trưng công suất hệ laser, đánh giá Công suất bơm (mW) hiệu suất hệ laser (bảng 2.4) Bảng 2.2: Hiệu suất hệ laser ứng với hệ số phản xạ gương Chiều dài buồng Ngưỡng phát laser cộng hưởng L (mW) (mm) 54 110 220 510 650 950 Hiệu suất laser (%) Công suất laser (mW) 0.05 0.02 12 5.5 1.8 Nhận xét kết thu được: Ta thấy kéo dài buồng cộng hưởng, ngưỡng phát tăng nhanh hiệu suất lại giảm nhanh Do đó, cần chiều dài buồng cộng hưởng lớn, cấu hình buồng cộng hưởng thẳng gây mát nhiễu xạ lớn LÊ THỊ THU HƯƠNG 32 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Khi xạ laser truyền buồng từ gương tới gương kia, lần phản xạ gương với hệ số phản xạ R, lượng mát giảm hệ số (1- R) Nếu xạ qua lại quãng đường ∆z buồng có độ dài L có ∆z/2L lần phản xạ gương Hệ số mát gương buồng cộng hưởng là: (1 – R)/2L [9] Với α đại lượng đăc trưng cho mát buồng cộng hưởng ta có: α = 4πL/( λ – Rλ) (2.4) Khi L tăng α tăng tức mát buồng cộng hưởng tăng lên chiều dài buồng cồng hưởng dài công suất phát giảm Như vậy, tăng chiều dài lên đáng kể buồng cộng hưởng dạng thẳng gây mát lớn hiệu suất quang thấp Do vậy, đưa hệ laser có cấu tạo buồng cộng hưởng dạng thẳng thay dạng gấp khúc để mong muốn hạn chế điều Cụ thể xét phần 2.2 2.2 Hệ laser rắn Nd3+: YVO4 phát liên tục bơm laser diode với buồng cộng hưởng dạng gấp khúc Hệ laser mà khảo sát hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode ATC công suất cao (~ 2000 mW) theo cấu hình bơm dọc thiết kế chế tạo Trung tâm điện tử-lượng tử, Viện Vật lý - Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam Tuy nhiên, để mong muốn làm giảm mát, đặt thêm gương cầu điện môi có tiêu cự 160 mm gương phẳng phản xạ Các gương phản xạ cao 1064 nm truyền qua cao 808 nm Buồng cộng hưởng dạng gấp khúc tăng chiều dài lên dễ dàng Sơ đồ khối hình ảnh chụp hệ laser Nd: YVO thể qua hình 2.6 hình 2.7 LÊ THỊ THU HƯƠNG 33 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hình 2.6 Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 với buồng cộng hưởng dạng gấp khúc Hình 2.7 Hình ảnh chụp hệ laser Nd:YVO4 dạng đường gấp khúc Như trình bày, ta quan tâm tới ngưỡng phát, hiệu suất quang buồng cộng hưởng có chiều dài đáng kể Do vậy, khảo sát buồng cộng hưởng có chiều dài 500 mm Với sơ đồ thực nghiệm hình 2.6, giữ nguyên vị trí thấu kính bơm, gương laser M1, gương cầu M3 gương M4, thay đổi hệ số phản xạ gương laser M2, độ dài buồng cộng hưởng không thay đổi Với hệ số phản xạ khác nhau, ta thay đổi công suất laser diode (bằng cách thay đổi dòng bơm cho laser diode) đo lại giá trị công suất tương ứng laser Nd: YVO4 để thu đặc trưng công suất laser Nd:YVO Tại nhiệt độ hoạt động laser T = 26,5 0C ứng với sơ đồ hệ laser ta có kết tương ứng với giá trị hệ số phản xạ gương R = 94%, R = 80% R = 55% (bảng 2.3) LÊ THỊ THU HƯƠNG 34 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Bảng 2.5 Số liệu khảo sát công suất laser Nd: YVO4 buồng cộng hưởng gấp khúc theo hệ số phản xạ gương Pin (mW) 79.7 128.8 226 314 406 583 860 1130 1310 1805 2090 Pout với R= 94% 15 33 68 106 141 222 340 482 562 804 945 Pout với R = 80% 6.7 26 69 115 159 256 425 590 694 980 1150 Pout với R = 55% 0 11.4 50.8 92.5 192 355 510 612 905 1056 Đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 theo công suất bơm với hệ số phản xạ gương biểu diễn hình 2.8 Power characteristics of the cw Nd:YVO4 using concave mirror (L =50 cm) Công suất bơm Laser power (mW) (mW) 1200 1000 800 600 400 R=94% R=80% R=55% 200 0 500 1000 1500 2000 2500 Pumping Power (mW) Hình 2.8 Đặc trưng công suất laser Nd: YVO4 bơm laser diode theo hệ số phản xạ gương với buồng cộng hưởng gấp khúc (L = 50 cm) Công suất bơm (mW) Từ đường đặc trưng công suất hệ laser, đánh giá hiệu suất hệ laser (bảng 2.6) LÊ THỊ THU HƯƠNG 35 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Bảng 2.6 Hiệu suất laser ứng với chiều dài buồng cộng hưởng Rra (%) Ngưỡng phát Hiệu suất laser Công suất laser 55 80 94 laser (mW) 180 80 60 (%) 50 55 45 (mW) 1012 1150 906 Nhận xét kết thu được: Với laser Nd: YVO4 liên tục với buồng cộng hưởng dạng gấp khúc: - Khi tăng hệ số phản xạ gương ngưỡng laser giảm - Khi Pth < Ppum công suất laser Nd: YVO4 tăng tuyến tính theo công suất bơm (trong vùng khảo sát) - Hiệu suất laser tương đối cao Việc thay đổi hệ số phản xạ gương có tác động rõ tới ngưỡng phát hiệu suất laser Đặc biệt, hiệu suất tăng cao khoảng 40% đến 60% Điều chứng tỏ mát buồng cộng hưởng giảm rõ rệt, hệ laser nghiên cứu đạt chất lượng tốt 2.3 Đặc trưng phân bố lượng chùm laser Sau khảo sát ngưỡng phát, hiệu suất laser khảo sát xem phân bố lượng chùm laser Bằng việc sử dụng thiết bị phân tích chùm laser [9] bố trí hình 2.9 Trong sơ đồ này, ta dùng đầu thu webcam (web camera) dạng đơn giản để thu chùm laser tạo hệ laser Nd:YVO4 với buồng cộng hưởng gấp khúc sau qua kính lọc Đầu thu kết nối với máy tính, với phần mềm cài sẵn để phân tích lượng chùm laser phát Laser Nd:YVO4 Kính lọc trung tính LÊ THỊ THU HƯƠNG 36 Đầu thu Máy tính CN LÝ K3 Hình 2.9 Sơ đồ hệ đo phân bố lượng chùm laser Nd: YVO4 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chúng phân tích phân bố lượng chùm laser Nd: YVO biểu diễn hình 2.10 Khi sử dụng diaphragm đường kính 1,5 mm gần gương chất lượng chùm laser Nd: YVO hoàn thiện hơn, chùm laser có phân bố lượng dạng gần Gauss tương ứng với xạ có mode ngang thấp (TEM00) Kết thu biểu diễn hình 2.10 2.11 b a Hình 2.10 Phân bố lượng chùm Nd: YVO4 liên tục laser diode: Có diaphram (a) diaphram (b) buồng cộng hưởng 2.4 Quan sát mode ngang buồng cộng hưởng hệ laser Nd:YVO4 LÊ THỊ THU HƯƠNG 37 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Vẫn với sơ đồ phân tích hệ laser trên, lúc máy tính cài sẵn phần mềm dùng để phân tích mode dao động ngang Kết thu thể qua hình 2.11 Hình 2.11 Các mode ngang hệ laser Nd:YVO4 bước sóng 1064 nm Hình 2.11 Các mode ngang hệ laser Nd: YVO4 Nhận xét: Vì buồng cộng hưởng ổn định, nên chùm tia laser ló giữ nguyên tính chất phân bố Gauss (TEM00) Đây tính chất không gian tia laser Năng lượng tập trung bề mặt góc Chùm laser phát hệ laser có nhiều ứng dụng có tập trung lượng chùm laser bề mặt chùm tia có góc mở nhỏ: • Trong nghiên cứu bản, đặc biêt quang học phi tuyến LÊ THỊ THU HƯƠNG 38 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • Trong nghiên cứu ứng dụng sử lý rộng rãi gia công khí (cắt, khoan, bốc hơi, hàn…) xử lí nhiệt vật liệu • Trong nghiên cứu hật nhân (phản ứng hạt nhân có điều khiển) • Trong công nghệ phát tia X, laser điện tử tự do… • Trong ứng dụng quân KẾT LUẬN LÊ THỊ THU HƯƠNG 39 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Trên sở tìm hiểu lý thuyết laser rắn laser Neodym, tiến hành tìm hiểu, khảo sát hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm laser diode với buồng cộng hưởng gấp khúc Những kết thu khóa luận này: • Tìm hiểu cấu tạo chung laser rắn laser Neodym bơm laser diode • Tìm hiểu cấu trúc lượng phân bố sơ đồ hoạt động mức lượng • Khảo sát ảnh hưởng chiều dài buồng cộng hưởng, hệ số phản xạ gương lên công suất phát hệ Nd: YVO4 • Đánh giá hiệu suất laser hai hệ laser Nd: YVO với buồng cộng hưởng dạng thẳng buồng cộng hưởng dạng gấp khúc • Khảo sát phân bố lượng chùm laser mode dao động ngang hệ laser Các kết nghiên cứu thu cho thấy cấu hình laser Nd:YVO bơm dọc laser bán dẫn, sử dụng buồng cộng hưởng gấp khúc với gương cầu giải pháp đơn giản, hiệu để phát triển hệ thống laser Nd:YVO4 TEM00 phát liên tục công suất cao, hiệu suất cao, hoạt động ổn định, với chiều dài buồng cộng hưởng lên tới vài mét Những kết tiền đề quan trọng để phát triển hệ laser mode-locking Nd:YVO bơm liên tục laser bán dẫn, phát xung laser cực ngắn tần số cao Đây lần tham gia nghiên cứu thực nghiệm việc khảo sát đặc trưng hoạt động hệ laser rắn (laser Neodym) bơm laser diode, làm quen với số phép đo quang phổ phương pháp điều chỉnh hệ laser Tuy nhiên, thời gian kiến thức giới hạn nên khóa luận không tránh thiếu sót, mong nhận đóng góp thầy, cô giáo bạn để khóa luận hoàn thiện LÊ THỊ THU HƯƠNG 40 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hướng phát triển tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu tối ưu thông số hoạt động laser Neodym bơm laser bán dẫn - Tìm hiểu phương pháp kĩ thuât phát xung laser để tạo laser xung ngắn cực ngắn cỡ ns ps - Triển khai đưa vào ứng dụng nghiên cứu khoa học y học… TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt LÊ THỊ THU HƯƠNG 41 CN LÝ K3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Nguyễn Thế Bình, “Kỹ thuật laser”, NXB ĐHQG, 2004 Trịnh Đình Chiến & Đinh Văn Hoàng, “Vật lý laser ứng dụng”, NXB ĐHQG, 2004 Đỗ Thị Thuỳ Dương, Luận văn thạc sĩ vật lý, “Tìm hiểu xây dựng hệ laser Nd:YAG khắc vật liệu”, 2004 Ngyễn Đại Hưng, “Vật lý laser”, NXB ĐHQG, 2004 Đỗ Quốc Khánh, Luận văn thạc sĩ vật lý, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode”, 2004 Nguyễn Trọng Nghĩa, Đỗ Quốc Khánh, Trần Việt Phương, Phạm Long, Nguyễn Đại Hưng “Các đặc trưng laser Nd3+: YVO4 phát liên tục, hiệu suất cao, bơm laser diode.” Báo cáo hội nghị toàn quốc lần thứ 6, 23 – 25/11/ 2005 Đỗ Quốc Khánh, “Quan sát mode buồng cộng hưởng Laser với thiết bị Web/Camera đơn giản “, Báo cáo hội nghị Quang học – Quang phổ lần thứ 5, Nha Trang – 2008 Hồ Quang Quý, “Laser rắn – công nghệ ứng dụng”, NXB Đại học Quốc gia – Hà nội, 2006 Tiếng Anh Walter Koechner, ”Solid state laser Engineering”, Springer – Verlag, NewYork, 1999 10 Orazio & David C Hanna, “Principles of Laser”, Plenumpress, NewYork & London, 2000 11 William T Slilfvast, “Laser”, University of central Florida Orlando, Florida, 1999 LÊ THỊ THU HƯƠNG 42 CN LÝ K3 ... chớnh nh sau: Chng 1: Tng quan v laser rn v laser Neodym Tng quan v laser rn Laser Neodym c th l laser Nd: YVO4 Chng 2: Nghiờn cu v kho sỏt cỏc c trng ca h laser Nd: YVO4 Lấ TH THU HNG CN Lí... nay, bm quang hc bng laser bỏn dn cho cỏc laser rn ang c s dng rng rói nh: laser Nd:YVO4 hoc laser Nd:YAG cú th c bm bng laser bỏn dn = 808 nm, laser Cr:LiSAF cú th bm bng laser bỏn dn = 670... ch to thnh cụng laser u tiờn Vi nm sau ú, laser rn u tiờn c ch to l laser Ruby Ngy nay, ngi ta ó ch to c hng chc loi laser rn khỏc vi cụng sut ln Tng t nh cỏc loi laser khỏc, laser rn cng cú