Lêi c¶m ¬n Trước tiên, em xin phép gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, Thạc sỹ Nguyễn Văn Hảo, người tận tình giúp đỡ, hỗ trợ, hướng dẫn em suốt trình thực hoàn thành khóa luận Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Bộ môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, người giảng dạy, hướng dẫn em suốt trình học tập vừa qua Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè người thân hỗ trợ vật chất, động viên tinh thần tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian thực khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 05 năm 2012 Sinh viên Nguyễn Thị Xiêm MỤC LỤC Lêi c¶m ¬n .1 1.1.3.1 Chất lượng chùm laser 11 1.1.3.2 Sợi quang học 13 1.1.3.3 Các đặc điểm laser bán dẫn có đầu với sợi quang 15 2.1 Khảo cứu phận nguồn bơm laser diode 24 2.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD-10M) 24 2.1.2 Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H) 26 2.1.3 Laser diode ATC-S8-F200 26 2.2 Nghiên cứu chế tạo phận hệ laser 27 2.2.1 Thiết kế giá đỡ 27 Giá đỡ sợi quang 32 2.2.2 Các thành phần hệ laser Nd:YVO4 32 2.3 Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode 33 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ laser 34 3.1 Các kết khảo sát nguồn bơm laser diode 8W .37 3.1.1 Đặc trưng công suất – dòng bơm laser diode W .38 3.1.2 Đặc trưng phổ laser diode .39 3.2 Kết khảo sát đặc trưng hoạt động hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W 40 3.2.1 Đặc trưng công suất hệ laser Nd: YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W 40 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Từ phát minh nay, laser không ngừng nghiên cứu phát triển Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực nghiên cứu khoa học tiến lĩnh vực khoa học vật liệu, quang phổ học quang lượng tử, laser ngày nghiên cứu sâu hơn, phát triển đa dạng chủng loại kĩ thuật laser dần hoàn thiện Laser có nhiều loại, laser rắn, cụ thể laser rắn Neodymium nguồn kích thích quang quan trọng phòng thí nghiệm quang học quang phổ Các laser rắn Neodymium chủ yếu bơm đèn flash hiệu suất chuyển đổi lượng thấp từ ÷ % [3, 4] Điều phổ phát xạ đèn rộng, tinh thể Neodymium phổ hấp thụ lại hẹp làm cho hiệu suất chuyển đổi thấp Mặt khác, lượng đèn bơm bị mát chủ yếu dạng nhiệt, gây hiệu ứng không mong muốn cho môi trường hoạt chất – laser đòi hỏi phải có hệ thống làm nguội phức tạp cồng kềnh Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ laser diode, công suất phát laser diode đạt tới hàng trăm oát (W) [6, 7, 9, 11], với phổ phát xạ tập trung khoảng phổ hẹp (2 ÷ nm) phù hợp với phổ hấp thụ tinh thể laser Do vậy, phương pháp bơm quang học laser diode cho laser rắn sớm phát triển mạnh mẽ Phương pháp bơm quang học laser diode cho laser rắn làm hiệu suất chuyển đổi lượng nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser trở nên gọn Với cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi lượng bơm laser diode đạt từ 10 ÷ 80 % Ngoài ra, việc bơm laser diode hạn chế nhược điểm cố hữu phương pháp bơm đèn flash như: hiệu ứng thấu kính nhiệt hoạt chất gây phát laser không ổn định, tăng độ phân kỳ chùm tia hấp thụ vùng tử ngoại làm phá huỷ hoạt chất Chính nhờ ưu điểm phương pháp bơm laser diode mà việc nghiên cứu sử dụng laser bán dẫn để làm nguồn bơm quang học cho laser rắn phát triển mạnh Đây xu hướng phát triển vật lý công nghệ laser đại Laser Nd3+:YVO4 loại laser có hiệu suất cao bơm laser diode Tinh thể Nd3+:YVO4 có ưu điểm : ngưỡng hư hỏng cao, bền mặt vật lý, hóa học Điều làm cho tinh thể Nd 3+:YVO4 sử dụng rộng rãi Khi so sánh laser Nd 3+:YVO4 với laser Nd3+:YAG bơm laser diode, laser Nd3+:YVO4 có nhiều lợi Nó bị phụ thuộc vào bước sóng bơm, phổ hấp thụ rộng, hiệu suất cao, ngưỡng phát laser thấp hơn, phát xạ phân cực thẳng, đơn mode [5] Điều làm cho tinh thể Nd3+:YVO4 sử dụng rộng rãi Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu xây dựng hệ laser rắn Nd:YVO bơm laser diode công suất cao việc có ý nghĩa khoa học công nghệ, đào tạo ứng dụng thực tiễn Dựa vào tìm hiểu đó, em lựa chọn khóa luận: “Nghiên cứu xây dựng hệ laser rắn Nd:YVO liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W” Mục đích khóa luận - Nhằm trang bị kiến thức cở laser, đặc biệt laser bán dẫn laser rắn - Nghiên cứu, lắp ráp cho hoạt động 01 hệ laser rắn Nd:YVO liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W: Có hiệu suất chuyển đổi quang học > 20 %; Công suất trung bình > 1,5 W bước sóng 1064 nm Nội dung khóa luận - Tìm hiểu kỹ thuật làm nguội cho tinh thể laser Nd3+:YVO4 - Nghiên cứu đặc trưng hoạt động laser diode công suất cao dùng làm nguồn bơm cho laser rắn Nd3+:YVO4 - Nghiên cứu, lắp ráp cho hoạt động hệ laser rắn Nd 3+:YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao - Nghiên cứu đặc trưng hoạt động hệ laser rắn Khóa luận phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo gồm có hai phần sau: Phần I: Lý thuyết Chương 1: Tổng quan laser bán dẫn laser rắn Neodymium Phần II: Thực nghiệm Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, lắp ráp cho hoạt động hệ laser rắn Nd:YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao Chương 3: Các kết thảo luận Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu khóa luận phương pháp thực nghiệm Giải pháp thực + Do laser Nd3+:YVO4 bơm laser diode công suất cao nên vấn đề làm nguội cho tinh thể quan trọng Sử dụng giá đỡ tinh thể có độ tải nhiệt cao (như đồng, vàng…) Ngoài ra, cần thiết kế thêm phận cho dòng nước lạnh chảy qua liên tục Sử dụng laser diode công suất cao đóng vai trò nguồn bơm quang học để bơm cho laser Nd:YVO4 + Thực việc thiết kế thành phần (cơ khí, quang học) hệ laser Xây dựng lắp ráp hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode: sử dụng laser He - Ne để đường chuẩn, card hồng ngoại để hiển thị tín hiệu hồng ngoại (do mắt không nhận biết được) + Thực phép đo đặc trưng hoạt động laser: dùng đầu đo công suất có độ phân giải cao (10 µW); máy quang phổ kết hợp với chuyển đổi quang – điện (Photodiode Array) để đo đặc trưng phổ laser PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN VÀ LASER RẮN NEODYMIUM 1.1 Laser bán dẫn 1.1.1 Cấu tạo laser bán dẫn 1.1.1.1 Môi trường hoạt chất Hoạt chất chất bán dẫn GaAs, PbS, PbTe,… chất phát quang Vật liệu dùng làm hoạt chất laser bán dẫn thường dựa bốn loại vật liệu khác nhau, phụ thuộc vào vùng bước sóng ta mong muốn Ba loại vật liệu thường dùng vật liệu bán dẫn AIIIBV, bao gồm vật liệu cột III V bảng tuần hoàn Các nguyên tố cột thứ III kết tinh thành tinh thể bị thiếu điện tử nguyên tố cột V lại thừa điện tử Do chúng cân điện tích kết hợp với thành hợp chất Các nguyên tố cột thứ III gồm có Al, Ga, In, Tl vột thứ V gồm có N, P, As, Sb Một số loại vật liệu khác sử dụng hợp chất A IIBVI, gồm nguyên tố cột thứ II thiếu hai điện tử nguyên tố thuộc cột VI thừa hai điện tử Các nguyên tố nằm cột II gồm có Zn Cd, nguyên tố nằm cột VI gồm có S, Se Te 1.1.1.2 Bơm (bộ phận kích thích) Laser bán dẫn kích thích nhiều phương pháp khác để tạo nghịch đảo độ tích lũy Sau số phương pháp : • Phương pháp kích thích điện trường Phương pháp thích hợp với chất bán dẫn có vùng cấm hẹp, có độ linh động lớn có khối lượng hiệu dụng hạt tải nhỏ GaAs, InSb,… Khi đặt điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường tạo nên điện tử lỗ trống không cân vùng dẫn vùng hóa trị Do đẩy trực tiếp điện tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống • Phương pháp kích thích quang Phương pháp phổ biến với chất có khả phát quang Sự nghịch đảo tích lũy thu nhờ dịch chuyển gián tiếp đồng thời với xạ photon có xạ phonon Xác suất trình nói chung nhỏ Tuy nhiên, sử dụng phương pháp khả hấp thụ photon sóng ngắn dẫn tới mát lượng lớn, tích thoát hạt tải mức thấp, hấp thụ sóng photon sóng dài không dẫn đến kích thích hiệu suất thấp • Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích Phương pháp áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng (có xạ ngắn) Người ta phải dùng chùm điện tử có lượng lớn tạo nên khuyết tật bán dẫn làm tăng dịch chuyển không xạ Đó nhược điểm phương pháp • Phương pháp phun hạt điện tử không cân qua lớp tiếp xúc p-n Phương pháp nhờ đặt điện trường bên bán dẫn tạo dòng dịch chuyển p-n theo chiều thuận Thế chặn bị giảm có mặt điện tích không gian, dễ dàng dịch chuyển điện tử lỗ trống qua lớp tiếp xúc tạo nghịch đảo độ tích lũy Phương pháp không đòi hỏi điện trường cao làm việc chế độ liên tục Hiệu suất phương pháp đạt tới gần 100% 1.1.1.3 Buồng cộng hưởng Trong laser bán dẫn, người ta thường sử dụng buồng cộng hưởng Febry – Perot với chiều dài L thỏa mãn điều kiện: L=m λ 2n (1.1) đó, L chiều dài buồng cộng hưởng, λ bước sóng phát laser, m số nguyên, n chiết suất vật liệu làm bán dẫn Buồng cộng hưởng tạo cách làm bóng hai mặt cuối lớp chuyển tiếp diode để có tác dụng gương phản xạ Hai mặt gương phản xạ giam photon miền tích cực để photon không thoát hết mà phản xạ lại làm nhiệm vụ nhân photon (khuếch đại) Buồng cộng hưởng giữ lại phần lượng photon sinh ra, phần lại thoát trở thành tia laser Buồng cộng hưởng Febry – Perot có hai vai trò: - Lọc lựa theo hướng trình xạ cưỡng (chỉ có photon truyền dọc theo trục phản xạ ngược lại phía trước) - Đảm bảo độ dài bước sóng (chỉ có sóng thỏa mãn biểu thức (1.1) giữ lại buồng cộng hưởng khuếch đại) [1] 1.1.2 Nguyên lý hoạt động laser bán dẫn Trong loại laser laser khí, laser lỏng laser rắn, xạ laser phát chuyển dời hệ lượng tử mức lượng điện tử, mức lượng quay hay mức lượng dao động Nguyên tắc hoạt động laser bán dẫn có điểm khác, hoạt động dựa việc kết hợp hai loại vật liệu bán dẫn khác bán dẫn loại n bán dẫn loại p, cho xạ phát lớp tiếp xúc p - n Dịch chuyển laser xảy vùng dẫn vùng hóa trị miền chuyển tiếp p – n Ở điều kiện bình thường, miền chuyển tiếp p – n trạng thái cân nhiệt Khi dòng phân cực thuận chạy qua chuyển tiếp p – n kích thích điện tử từ mức thấp lên mức cao (từ vùng hóa trị mức tạp lên vùng dẫn) Sau thời gian ngắn tồn mức cao, điện tử trở mức thấp phát sinh photon Hìn h 1.1 Sự biến đổi lượng lớp tiếp xúc p – n [6] a) Khi chưa có trường ngoài; b) Khi đặt trường theo phân cực thuận 1.1.3 Laser diode công suất cao Trong thực tế định nghĩa xác cho khái niệm “laser diode công suất cao” Các laser diode công suất cao có cấu trúc dị thể giếng lượng tử Trong chuyển tiếp dị thể, bán dẫn loại p kẹp hai lớp bán dẫn loại p n hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn Hạt tải bơm từ phía p sang phía n giam lớp bán dẫn vùng cấm hẹp Tại lớp bán dẫn này, trình tái hợp xạ xảy Độ rộng vùng cấm bán dẫn khe hẹp (vùng tích cực) xác định bước sóng phát xạ laser Để đạt đảo mật độ trạng thái cần thiết để phát xạ cưỡng bức, mật độ hạt tải tự miền tích cực phải cao • Giá đỡ sợi quang M4 M4 ∅ 8.5 65 ∅ 8.5 54 M3 ∅6 20 40 R3 20 12 40 Hình 2.10 Sơ đồ thiết kế khí giá đỡ sợi quang 2.2.2 Các thành phần hệ laser Nd:YVO4 ● Laser diode (ATC, Nga):  Công suất phát cực đại (liên tục): 8000 mW  Phổ phát xạ: 805 ÷ 811 nm, trung tâm phổ 808 nm (ở 300 K)  Dòng ngưỡng: Ith ≈ 700 mA  Độ rộng phổ phát xạ 1,7 nm 32  Độ phân kì chùm phát xạ (WxH): 12 x 45 độ  Laser diode lấy sợi quang có: + Khẩu độ số 0,22 + Đường kính lõi sợi quang 200 µm ● Thấu kính bơm hội tụ:  Chúng sử dụng thấu kính hội tụ có đường kính D = 2,5 cm, tiêu cự f = cm để hội tụ chùm bơm cho tinh thể laser ● Gương laser vào (TL, Đức):  Bán kính cong: r1 = ∞ ; r2 = -10 cm  Hệ số phản xạ: R ≈ 100 % (λ = 1064 nm), R < 5% (λ = 808 nm) ● Gương laser (TL, Đức):  Bán kính cong: r1 = r2 = ∞ (gương phẳng)  Hệ số phản xạ: R = 94 % (λ = 1064 nm) ● Tinh thể Nd3+:YVO4:  Tinh thể laser có dạng hình lập phương × × mm, cắt phù hợp cho việc bơm quang học laser, theo cấu hình bơm dọc  Hai mặt cuối gia công màng chống phản xạ cho bước sóng laser 1064 nm bước sóng laser bơm 808 nm 2.3 Thiết kế hệ laser Nd:YVO4 bơm laser diode Tiến hành thiết kế hệ laser Nd3+:YVO4 bơm laser diode công suất cao ATC, sử dụng cấu hình bơm dọc, với buồng cộng hưởng thẳng 33 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ laser Hình 2.11 Sơ đồ khối kỹ thuật lắp ráp hệ laser rắn Nd: YVO4 phát liên tục bơm laser diode công suất cao Trong đó: + L1 L2 hai thấu kính tiêu cự + M2 gương laser vào hay gọi gương cuối, gương cầu + M1 gương laser hay gọi gương đầu, gương phẳng + D1 D2 Diaphragm 2.3.2 Kỹ thuật lắp ráp hệ laser phát liên tục Các yếu tố cơ-quang hệ phải đáp ứng số chức đặc tính kỹ thuật sau: ● Nguồn bơm laser để đạt hiệu suất bơm quang học tốt phải có:  Phổ phát xạ laser bơm phải trùng với phổ hấp thụ ion Nd3+  Công suất laser bơm phải đủ lớn, đảm bảo cho hoạt động ổn định laser Nd:YVO4 (nhiều lần ngưỡng) 34  Ổn định cao cường độ phổ trình làm việc hay nói cách khác laser diode phải ổn định dòng bơm nhiệt độ trình làm việc ● Thấu kính bơm: để đảm bảo đạt mật độ bơm quang học lớn khả hội tụ thấu kính phải cao, điều đòi hỏi thấu kính sử dụng phải có tiêu cự ngắn ● Gương cuối (gương vào) buồng cộng hưởng laser Nd:YVO phải gương có độ truyền qua cao (từ 95 % đến 100 %) bước sóng bơm (808 nm) có độ phản xạ cao bước sóng laser (1064 nm) ● Các yếu tố quang học phải có khả vi chỉnh xác, đáp ứng cho việc bố trí điều chỉnh buồng cộng hưởng quang học laser Sơ đồ khối hệ laser lắp ráp sử dụng cho việc xây dựng cấu hình laser trình bày hình 2.11 Với trình chỉnh, đề nghị nên có: • Định hướng laser He-Ne laser diode đỏ • Kính nhìn hồng ngoại (hoặc card hồng ngoại) • Đồng hồ đo công suất laser • Kính bảo vệ mắt • Thước giấy cứng Thước bọt nước Qui trình chỉnh nêu đây: - Cố định laser diode xuống mặt bàn quang học - Cố định đầu sợi quang lên giá đỡ - Nối đầu diode laser với điều khiển laser bật công tắc Điều chỉnh để xạ từ laser diode phát song song với mặt bàn quang học 35 - Lắp laser He-Ne cho tia laser chiếu thẳng đến đầu phát laser diode cho hai chùm tia trùng song song với mặt bàn quang học - Dùng hai diaphram D1 D2 (đường kính lỗ mm) để đánh dấu đường chuẩn - Dùng thấu kính bơm L để hội tụ chùm bơm laser diode cho tâm thấu kính trùng với đường chuẩn Đồng thời điểm hội tụ trùng với đường chuẩn - Lắp gương đầu M1 vào giá đỡ gương cố định khối xuống bàn cho tia phản xạ laser He-Ne qua D1 D2 (rộng cỡ mm) - Lắp tinh thể laser vào giá đỡ tinh thể cố định xuống bàn quang học cho điểm hội tụ vết bơm vào tâm tinh thể - Lắp gương cuối M2 vào giá đỡ gương cố định khối xuống bàn cho tia phản xạ laser He-Ne qua D1 D2 Thực tinh chỉnh việc xoay tinh thể cách nghiêng giá đỡ tương ứng nghiêng giá đỡ gương M2 cách xoay vít vi chỉnh chiều để có phù hợp cần thiết Để công suất bơm giá trị cao, sau tinh chỉnh đồng trục quang hệ nhằm mục đích phát laser Kiểm tra đầu laser card hồng ngoại Nếu có ánh sáng laser, ta thấy chấm sáng card Khi có chấm sáng (chói) card hồng ngoại chứng tỏ laser hoạt động Khi hệ laser hoạt động, cần tối ưu đặc trưng hoạt động hệ công suất, hình dạng chùm laser cách tinh chỉnh vị trí gương tinh thể laser 36 CHƯƠNG III CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kết khảo sát nguồn bơm laser diode 8W Như biết, đặc trưng hoạt động laser diode phụ thuộc nhiều vào dòng bơm Với mục đích sử dụng laser diode nguồn bơm quang học cho laser Nd:YVO4, phải khảo sát đặc trưng hoạt động laser Hình 3.1 cấu hình thí nghiệm khảo sát đặc trưng hoạt động laser diode Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát đặc trưng hoạt động laser diode Laser diode Máy quang phổ cách tử DFS-8 (Nga): Sợi quang Hệ thấu kính hội tụ • Độ phân giải Å/mm Chia chùm (R = 50 %) • Dải phổ làm việc: 2000 ÷ 11000 Å Đầu đo lượng (Melles Photodiode Array BP-2048 (Mỹ) Griot 13PME001), độ phân giải • Số photodiode: 2048; khoảng cách 10 µW hai photodiode liên tiếp 14 µm Photodiode Máy tính 10 Dao động kí Picoscope 100 MHz 37 Đầu tiên, xạ laser diode (1) qua sợi quang (2), sau qua hệ thấu kính (3) tạo chùm tia laser chuẩn trực, qua kính chia chùm (R = 50 %) (4), phần phản xạ dẫn tới đầu đo lượng (5) để khảo sát đặc trưng công suất laser diode Phần truyền qua dẫn tới hệ thống khảo sát phổ bao gồm: máy quang phổ DFS-8 (8), tín hiệu máy quang phổ thu qua photodiode array (9) dẫn tới dao động kí Picoscope (10) đồng tín hiệu thu từ photodiode (6) Kết thu thu giữ, hiển thị trực tiếp dao động kí thông qua kết nối với máy tính (7) 3.1.1 Đặc trưng công suất – dòng bơm laser diode W Với cấu hình thí nghiệm hình 3.1, tiến hành khảo sát đặc trưng công suất – dòng bơm laser diode W thu kết khảo sát mô tả hình 3.2: Cong diode W(mW) (mW) Côngsuat suấtlaser laser diode 9000 7500 Cong suat LD W 6000 4500 3000 1500 0 1000 2000 3000 4000 5000 Dòng bơm(mA) (mA) Dong bom Hình 3.2 Đặc trưng công suất laser diode W theo dòng bơm 38 Kết thực nghiệm cho thấy: • Dòng ngưỡng laser diode nằm khoảng 790 mA So sánh với thông số nhà sản xuất đưa dòng ngưỡng phù hợp • Công suất laser diode tăng tuyến tính với dòng bơm Dải làm việc tuyến tính ứng với dòng bơm từ 890 ÷ 4590 mA 3.1.2 Đặc trưng phổ laser diode Đặc trưng phổ laser diode thực hệ đo hình 3.1 Tại nhiệt độ hoạt động T = 25 0C, với dòng bơm 1500 mA, phổ laser biểu diễn hình 3.3: ms/div ∆λ Hình 3.3 Phổ laser diode nhiệt độ 25 oC với dòng bơm 1500 mA Quan sát phổ laser diode ta thấy laser diode có phổ phát xạ đa mode dọc, cực đại trung tâm phổ ứng với bước sóng 808 nm Từ kết đo phổ hình 3.3, tính độ rộng phổ laser diode khoảng 1,75 nm 39 3.2 Kết khảo sát đặc trưng hoạt động hệ laser Nd: YVO liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W 3.2.1 Đặc trưng công suất hệ laser Nd: YVO liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W Hình 3.4 Ảnh chụp hệ laser Nd:YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao Hình 3.4 sơ đồ thực nghiệm xác định đặc trưng công suất phát laser Nd:YVO4 phụ thuộc vào công suất bơm laser diode Cong suat laser Nd:YVO4 lien tuc (mW) Công suất laser Nd: YVO4 liên tục (mW) Với cấu hình BCH laser trên, thu hoạt động laser chế độ liên tục, phát xạ bước sóng 1064nm Đặc trưng công suất laser theo hệ số phản xạ gương khác nhau, biểu diễn hình 3.5: 1600 R2 = 94 % R2 = 70 % R2 = 15 % 1200 800 Hình 3.5 Đặc trưng công 400 suất laser Nd:YVO theo hệ số phản xạ gương 0 1000 200040 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Cong suat bom (mW) Công suất bơm (mW) Kết thực nghiệm cho thấy: - Khi tăng hệ số phản xạ gương laser R2 ngưỡng phát laser giảm + Pngưỡng ≈ 3400 mW (R2 = 15%) + Pngưỡng ≈ 1200 mW (R2 = 70%) + Pngưỡng ≈ 520 mW (R2 = 94%) - Khi công suất bơm nhỏ công suất bơm ngưỡng công suất laser không (laser chưa phát) - Khi công suất bơm lớn công suất bơm ngưỡng công suất laser tăng tuyến tính theo công suất bơm (trong vùng khảo sát) - Khi công suất bơm cao (> 5,5 W), công suất laser có xu hướng bị suy giảm (hình 3.5) Các kết thu giải thích sau: • Theo lý thuyết laser, mát buồng cộng hưởng laser: α = α0 + αi đó: (3.1) 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(R1R2) (3.2) đó: R1 ≈ hệ số phản xạ gương laser trước R2 hệ số phản xạ gương laser + Khi hệ số phản xạ gương R2 tăng lên mát α0 giảm, dẫn đến mát tổng cộng α giảm, ngưỡng phát laser giảm hệ số phản xạ gương R2 tăng lên 41 • Laser rắn Nd:YVO4 laser hoạt động chế độ bốn mức lượng công suất phát xạ Pra biểu diễn theo biểu thức: Pra ~ η (Pbơm - Pngưỡng) đó, (3.3) Pra : công suất phát xạ laser Nd:YVO4 η : hiệu suất bơm Pbơm : công suất bơm Pngưỡng : công suất bơm ngưỡng (công suất ngưỡng) Dựa vào công thức (3.3), ta thấy: + Nếu công suất bơm Pbơm lớn công suất bơm ngưỡng Pngưỡng công suất phát xạ laser Pra tăng tuyến tính theo công suất bơm Pbơm + Còn công suất bơm Pbơm < Pngưỡng công suất laser Pra = Điều hoàn toàn phù hợp với kết thực nghiệm mà ta đo 3.2.2 Hiệu suất phát laser Nd:YVO4 Hệ số phản xạ gương R thay đổi không làm ảnh hưởng đến ngưỡng phát laser nêu phần trên, mà ảnh hưởng đến hiệu suất phát laser Hiệu suất có loại: hiệu suất dốc (nghĩa tính theo độ dốc đồ thị tan góc hợp trục hoành đường đặc trưng công suất) hiệu suất quang hiệu suất tính công thức: H= P P out in (max) (max) 100% Thông thường người ta quan tâm đến hiệu suất cao nên sử dụng công thức để tính hiệu suất laser ba trường hợp ứng với ba hệ số phản xạ R2 gương sau: Hệ số phản xạ Ngưỡng Hiệu suất laser 42 Công suất laser R2 (%) phát laser H (%) Pngưỡng (mW) cực đại Plaser (mW) 94 520 24,4 1750 70 1200 20,07 1440 15 3400 10,65 760 Hiệu suất laser Nd:YVO4 với hệ số phản xạ 94 %, 70 % 15 % công suất bơm 8000 mW chưa tốt cao Đúng hiệu suất laser lên tới 50%, hiệu suất bị giảm Điều giải thích xạ laser diode truyền qua sợi quang có độ dài m ánh sáng laser diode không phân cực làm cho hiệu suất bơm bị giảm mát phân cực Ngoài ra, công suất laser sau qua hệ bơm (các thấu kính L L2) không phủ lớp chống phản xạ bước sóng bơm (808 nm) nên làm mát mặt khoảng 10% Thực tế công suất laser diode tới tinh thể bị khoảng 50% Vì vậy, hiệu suất laser bị giảm nửa Tuy nhiên, so với bơm đèn flash hiệu suất bơm laser diode cao nhiều lần 3.2.3 Đặc trưng phổ laser Nd:YVO4 Bức xạ laser Nd:YVO4 dẫn vào hệ đo phổ (tương tự sơ đồ hệ đo hình 3.1) sử dụng máy quang phổ DFS-8 (Nga) có độ phân giải cao (3 Å/mm), dải làm việc rộng (2000 ÷ 11000 Å) Đầu thu quang điện dãy photodiode BP-2048 (Mỹ) nhạy, gồm 2048 photodiode, có khoảng cách hai photodiode liên tiếp 14 µm, kết hợp với dao động ký Picosscope 100 MHz (Anh) kết nối máy tính để hiển thị hình ảnh phổ Phổ laser Nd: YVO4 liên tục biểu diễn hình 3.6 43 ms/div Hình 3.6 Phổ laser Nd:YVO4 liên tục Từ hình 3.6, ta tính độ rộng phổ laser Nd:YVO4 ~ 0,21 nm Kết phù hợp với thông số nhà sản xuất khác đưa 44 KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu xây dựng hệ laser rắn Nd:YVO liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W, Khoá luận thu kết sau: • Tìm hiểu kiến thức laser bán dẫn laser diode công suất cao • Nghiên cứu, phân tích đặc điểm, tính chất tổng quan số môi trường laser rắn Neodymium bơm laser bán dẫn điển hình • Nghiên cứu khảo sát hoạt động, thông số, đặc trưng kỹ thuật laser diode công suất cao 8W • Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công hệ laser rắn Nd:YVO4 liên tục bơm laser diode công suất cao lên tới W với đặc trưng sau:  Công suất trung bình: 1750 mW với gương 94 %  Hiệu suất quang: 24,4 %  Độ rộng phổ: 0,21 nm Hướng phát triển đề tài:  Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện nâng cao hiệu suất hệ laser Nd:YVO4 phát liên tục  Phát triển hệ laser Nd:YVO4 phát xung ngắn sở hệ laser phát liên tục Do thời gian làm Khoá luận có hạn Mặt khác, việc nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ laser công việc phức tạp đòi hỏi nhiều kiến thức kỹ thuật sâu laser nói chung laser rắn nói riêng Đặc biệt, điều kiện nghiên cứu thực nghiệm nhiều hạn chế khó khăn, đó, khoá luận tránh thiếu sót, em mong nhận 45 đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn để Khoá luận thêm hoàn chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Hảo, “Bài giảng laser bán dẫn”, Thái Nguyên, 2007 [2] Nguyễn Đại Hưng, “Vật lý Kỹ thuật laser”, NXB ĐHQG, 2004 [3] Đỗ Quốc Khánh, “Nghiên cứu vật lý phát triển công nghệ laser rắn Nd: YVO4 xung ngắn (pico-giây) biến điệu thụ động bơm laser bán dẫn”, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Hà nội - 2010 [4] Hồ Quang Quý, “Laser rắn – công nghệ ứng dụng”, NXB Đại học Quốc gia – Hà nội, 2006 Tiếng Anh [5] Colin E Webb, Julian D C Jones, “Handbook of Laser Technology and Applications”, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, p 353-366, 2004 [6] Govind P.Agrawal, “Laser Semiconductor”, American Institute of Physics Press, 1995 [7] http://www.atcsd.ru [8] http://casix.com/product/prod - cry - ndyvo4.html [9] O.Svelto, (1998), “Principles of laser” 4th ed., New York, NY Plenium [10] Walter Koechner, “Solid-State Laser Engineering”, Springer, New York 2006 [11] William T.Silfvast (2004), “Laser Fundamentals”, Cambridge University Press, New York 46 ... hoạt động laser bán dẫn Trong loại laser laser khí, laser lỏng laser rắn, xạ laser phát chuyển dời hệ lượng tử mức lượng điện tử, mức lượng quay hay mức lượng dao động Nguyên tắc hoạt động laser. .. cho laser rắn Nd:YVO4 Laser diode lấy sợi quang, vấn đề ta cần quan tâm chất lượng chùm laser bơm, sợi quang học, đặc điểm laser bán dẫn có đầu với sợi quang,… 1.1.3.1 Chất lượng chùm laser Trong. .. Nhiệt sinh laser bán dẫn sẵn sàng giải thoát laser bán dẫn không cạnh đầu laser rắn 16 - Đầu laser rắn kết cấu gọn laser bơm bán dẫn điện tử liên quan kết cấu tách rời xa khỏi đầu laser rắn -