Tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd-YAG

Thông tin tài liệu

MỞ ĐẦU Từ khi ra đời đến nay, kĩ thuật laser đã không ngừng phát triển với tốc độ rất nhanh. Các loại laser đã ngày càng chứng tỏ được những ưu thế vượt trội trong nhiều lĩnh vực như: khoa học công nghệ, vũ trụ học, y học, thẩm mỹ, địa chất… Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser đã được phát triển đa dạng về chủng loại đồng thời kĩ thuật chế tạo laser cũng ngày càng hoàn thiện hơn. Trong thực tế hiện nay, các laser rắn – mà điển hình trong số đó là laser Nd:YAG được kích thích bằng phương pháp bơm quang học – vẫn đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ. Tuy nhiên, nhu cầu ứng dụng không chỉ dừng lại ở đó, người ta mong muốn chế tạo những loại laser có kích thước nhỏ gọn, có thể cầm tay mang theo người để dễ dàng sử dụng mà công suất vẫn đủ lớn để có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, đặc biệt là trong quân sự, y học và thẩm mỹ. Vì lí do này, trong những năm gần đây thuật ngữ laser mini đã xuất hiện để chỉ những loại laser rắn xách tay. Các nhà khoa học và nhà công nghệ trên thế giới ở Mỹ và Trung Quốc đã chế tạo thành công loại laser này. Song vì đây là vấn đề công nghệ nhạy cảm nên hầu như không có công bố. Ngay cả việc mua các dòng laser này cũng gặp nhiều khó khăn. Trong nỗ lực tạo ra các sản phẩm quang điện tử xách tay, Viện Ứng Dụng Công Nghệ đặt vấn đề nghiên cứu nội dung này để thăm dò khả năng tiếp cận trình độ khoa học công nghệ quốc tế và tạo cơ sở để khẳng định hướng chế tạo các loại laser mini nói chung. Trong việc chế tạo laser mini Nd:YAG, vấn đề về buồng cộng hưởng quang học mini là yếu tố quan trọng bậc nhất. Nhiệm vụ trọng tâm của luận 1 văn này là tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động. Luận văn này gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về buồng cộng hưởng Chương 2: Cơ sở động học của laser rắn được Q-switch thụ động Chương 3: Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd: YAG 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG 1.1. Phân loại về buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng quang học là một bộ phận cấu thành quan trọng của laser. Đó là một cấu trúc cơ – quang trong đó các thành phần quang học được bố trí sao cho một chùm ánh sáng có thể lưu chuyển theo một hành trình khép kín. Người ta có thể phân loại buồng cộng hưởng laser theo những tiêu chuẩn khác nhau. Ở đây chúng tôi phân loại theo chủng loại laser và theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng. 1.1.1. Phân loại buồng cộng hưởng theo chủng loại laser. Có ba loại buồng cộng hưởng điển hình là dạng khối, dẫn sóng và hỗn hợp. + Các buồng cộng hưởng quang học khối thường được sử dụng cho các laser rắn dạng khối. Trong buồng cộng hưởng này, các tính chất của mode ngang phụ thuộc vào cấu trúc tổng thể của nó (kể cả độ dài của các khoảng không khí). Kích thước của các mode có thể thay dổi đáng kể theo chiều dọc buồng cộng hưởng và trong một số trường hợp, các tính chất mode còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng thấu kính nhiệt. + Buồng cộng hưởng dẫn sóng thường được chế tạo hoặc dưới dạng các sợi quang hoặc dưới dạng quang tích hợp. Các tính chất của mode ngang được xác định bởi các tính chất dẫn sóng. + Các buồng cộng hưởng hỗn hợp được dùng trong các laser sợi quang. 1.1.2. Phân loại buồng cộng hưởng theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng Nguyên lý lưu chuyển ánh sáng có thể là tuyến tính hoặc vòng. Hình 1.1: Các loại buồng cộng hưởng phổ biến. 3 (a): Buồng cộng hưởng ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữa hai gương đầu – cuối (b): Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu – cuối + Buồng cộng hưởng tuyến tính sóng đứng: ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữa hai gương (hình 1.1a). Cấu hình buồng cộng hưởng tuyến tính thường được sử dụng trong công nghệ laser biểu thị trong hình 1.2. Trong mỗi hình vẽ, phần diện tích tô đậm biểu diễn "thể tích mode", nghĩa là thể tích thực tế bên trong buồng cộng hưởng bị chùm tia laser chiếm chỗ. Phát xạ kích thích chỉ sinh ra bên trong thể tích này. Phần hoạt chất nằm ngoài thể tích mode không đóng góp vào phát laser vì không có chùm tia để kích thích phát xạ photons. Việc lựa chọn một cấu hình buồng cộng hưởng cho một laser cụ thể nào đó phụ thuộc vào ba yếu tố: Mất mát do nhiễu xạ, thể tích mode và độ dễ đồng chỉnh. 1. Buồng cộng hưởng song phẳng (hình 1.2a) là thành phần quan trọng trong các lasers rắn xung và một số lasers xung khác do thể tích mode lớn của nó cho phép sử dụng hiệu quả hoạt chất laser. Cấu hình buồng cộng hưởng này có mất mát nhiễu xạ cao nhất, song trong các laser xung các mất mát này được khắc phục vì thể tích mode lớn sẽ làm tăng độ tăng ích. Một ưu điểm khác là không hội tụ chùm tia laser bên trong môi trường hoạt chất bởi vì các gương phẳng không "hội tụ" nên sẽ không gây hư hại cho thanh laser. Nhược điểm lớn nhất của cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng là rất khó đồng chỉnh. Một độ nghiêng nhỏ của các gương song phẳng sẽ làm cho chùm tia "đi ra khỏi" buồng cộng hưởng, tức là không còn hiệu ứng laser. Buồng cộng hưởng hình cầu (Hình 1.2 b) có tính năng "ngược hẳn" với buồng cộng hưởng song phẳng. Nó là loại cấu hình dễ căn chỉnh nhất, có mất mát nhiễu xạ thấp nhất, nhưng lại có thể tích mode nhỏ nhất. buồng cộng hưởng hình cầu thường không được dùng cho bất kỳ loại laser nào khác ngoại trừ laser màu liên tục do ở đây cần một chùm tia được hội tụ để tạo ra hiệu suất phát xạ kích thích cao của các lasers này. 4 Hình 1.2: Các cấu hình buồng cộng hưởng L (a) (b) (c) Song phẳng Bán kính gương r 1 = ∞ r 2 = ∞ r 2 = L/2 r 2 > L r 2 = ∞ r 2 = L r 2 = ∞ r 2 = – (r 1 – L) r 1 = L/2 r 1 > L r 1 = L r 1 > L r 1 = L r 1 > L Hình cầu Bán kính dài Đồng tiêu Bán cầu (d) (e) (f) (g) Bán cầu - bán kính dài Gương cầu lồi – lõm 5 2. Buồng cộng hưởng bán kính dài (Hình 1.2 c) cải thiện thể tích mode một chút, song lại trả giá cho việc khó căn chỉnh hơn nhiều và mất mát nhiễu xạ lớn hơn một chút so với trường hợp buồng cộng hưởng đồng tiêu. Loại buồng cộng hưởng này phù hợp với bất kỳ ứng dụng laser liên tục nào, song cũng chỉ có số ít thiết bị thương mại dùng loại buồng cộng hưởng này. 3. Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) là cấu hình thỏa hiệp giữa cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng và buồng cộng hưởng hình cầu. Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính năng dễ căn chỉnh và mất mát nhiễu xạ thấp của buồng cộng hưởng hình cầu với thể tích mode tăng của buồng cộng hưởng song phẳng. Cấu hình buồng cộng hưởng đồng tiêu có thể được sử dụng cho hầu hết laser liên tục, song cũng không phải thông dụng. 4. Buồng cộng hưởng bán cầu (Hình 1.2 e) trên thực tế là một nửa buồng cộng hưởng hình cầu, và đặc trưng của hai loại này giống nhau. Ưu điểm của loại buồng cộng hưởng này là giá thành của các gương thấp hơn buồng cộng hưởng hình cầu. Buồng cộng hưởng bán cầu thường được sử dụng cho các He-Ne lasers công suất thấp vì mất mát nhiễu xạ thấp, dễ căn chỉnh và giá thành thấp. 5. Buồng cộng hưởng bán cầu-bán kính dài (Hình 1.2 f) kết hợp ưu điểm về giá thành của buồng cộng hưởng bán cầu với thể tích mode được cải thiện của buồng cộng hưởng bán kính dài. Đa số laser liên tục (trừ He-Ne lasers công suất thấp) sử dụng loại buồng cộng hưởng này. Trong đa số trường hợp, r 1 > 2L. 6. Buồng cộng hưởng lồi-lõm (Hình 1.2 g) thường chỉ được sử dụng cho CW CO 2 lasers công suất cao. Trong thực tế, đường kính của gương lồi nhỏ hơn đường kính của chùm tia. Chùm tia ra được tạo bởi phần của chùm tia đi qua xung quanh gương và do vậy, chùm tia có dạng "bánh rán". Chùm tia 6 phải đi qua vành ngoài của gương bởi vì không thể chế tạo được các gương dùng để truyền các chùm cường độ mạnh của các lasers công suất cao. + Buồng cộng hưởng vòng: ánh sáng có thể lưu chuyển theo hai hướng khác nhau. Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu - cuối (hình 1.1b). 1. 2. Các bộ phận chính trong buồng cộng hưởng 1.2.1. Gương laser Gương laser là bộ phận quan trọng cấu thành lên buồng cộng hưởng laser. Các gương này có hệ số phản xạ khác nhau trong đó một gương có hệ số phản xạ gần như toàn phần còn một gương có thể có hệ số phản xạ thấp hơn. Trừ laser bán dẫn trong đó, hai gương laser là hai mặt của thanh hoạt chất được cắt song phẳng và phủ hệ số phản xạ khác nhau lên đó, thì trong các laser khí và laser rắn các gương laser được lắp rời ở hai phía so với thanh hoạt chất. Người ta phân biệt các buồng cộng hưởng khác nhau tuỳ theo cấu hình các gương phản xạ tạo thành nó. Gương ở đây có thể là gương phẳng, gương cầu, lăng kính porro và tam diện. Buồng cộng hưởng song phẳng khi hai gương phản xạ là gương phẳng, buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu khi hai gương phản xạ là hai gương cầu có cùng bán kính cong và cùng tiêu điểm v.v… Trong các laser rắn xung và một số laser xung khác buồng cộng hưởng song phẳng là thành phần quan trọng do tính chất thể tích mode và ưu điểm không hội tụ chùm sáng của nó. Tuy nhiên buồng cộng hưởng loại này có nhược điểm lớn nhất đó là rất khó đồng chỉnh. Một độ nghiêng nhỏ của gương cũng làm cho chùm tia đi ra khỏi buồng cộng hưởng, tức là không còn hiệu ứng laser. Chính vì vậy việc nghiên cứu thay thế gương phẳng bằng một tam diện hay một lăng kính porro với các tính chất làm giảm độ nhạy mất đồng chỉnh 7 đáng kể là một hướng đi thích hợp mà luận văn này sẽ đề cập đến trong phần sau. 1.2.2. Đèn bơm Các laser rắn được kích thích bằng bơm quang học. Hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố : Thứ nhất, bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời không bị chất nền hấp thụ. Thứ hai, hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên. Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta có thể dùng các biện pháp sau: - Chọn hoạt chất có mức kích thích là một nhóm các mức hoặc là một băng rộng và đảm bảo sự trùng khớp giữa các tần số dịch chuyển trong kênh kích thích với cực đại trong phổ bức xạ bơm. - Sử dụng phương pháp nhạy hoá : Bên cạnh những ion cơ bản, các loại ion khác (ion nhạy hoá) được đưa vào chất nền. Những ion nhạy hoá sẽ hấp thụ hầu như hoàn toàn bức xạ bơm rồi sau đó chuyển năng lượng đã hấp thụ sang các ion hoạt chất. - Thay cho sử dụng chất nền với các thành phần đơn giản trong tinh thể người ta dùng các hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ được mở rộng đáng kể. Phương pháp bơm quang học cho laser rắn được chia làm 2 loại chính: bơm bằng đèn (bơm không kết hợp) và bơm bằng laser (bơm kết hợp). Trong phạm vi luận văn chúng tôi chỉ xét phương pháp bơm bằng đèn. Với phương pháp bơm bằng đèn, đòi hỏi cơ bản đối với các đèn bơm quang học là phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất và có 8 năng lượng bơm đủ lớn. Đó là các đèn phóng điện qua các chất khí khác nhau đòi hỏi điện áp cao, dòng điện cường độ lớn. Các đèn này thường có dạng ống thẳng hoặc xoắn và được bố trí như sau: Hình 1.3: Cấu hình bơm laser rắn sử dụng 1 hoặc nhiều đèn bơm. Đèn kích cho laser rắn thường là đèn Xenon hoặc Krypton. Các đèn phải chọn sao cho phổ bức xạ của nó phải phù hợp với phổ hấp thụ của hoạt chất. Trong trường hợp mặt phản xạ có dạng trụ-elip thì thanh hoạt chất và đèn được đặt ở các tiêu điểm của elip. Mặc dù ngày nay việc sử dụng các laser diode làm nguồn bơm laser rắn đã trở nên rất phổ biến nhờ những ưu điểm rất lớn của chúng, nhưng các loại laser rắn bơm bằng đèn vẫn sẽ tiếp tục được sử dụng trong thời gian dài do những ưu điểm sau: - Có thể bơm với công suất rất cao (đặc biệt là công suất đỉnh). - Giá thành cho mỗi watt công suất tạo ra từ đèn bơm là rẻ hơn nhiều so với laser diode. - Các loại đèn bơm khá bền, có thể chịu được các đỉnh thế và dòng lớn. Tuy nhiên chúng cũng có nhiều nhược điểm như: - Thời gian sống của đèn bơm chế độ xung thường rất hạn chế, trong khoảng vài nghìn đến triệu xung phát. 9 - Hiệu suất biến đổi điện-quang của laser bơm bằng đèn là rất thấp (chỉ khoảng một vài phần trăm). Hậu quả là không chỉ tiêu thụ điện năng cao mà còn làm phát sinh một nhiệt lượng lớn. Do đó sẽ cần một hệ thống làm mát ổn định, và khi đó khó đạt được chùm tia laser chất lượng cao. - Các đèn bơm laser thường sử dụng nguồn điện cao thế nên phải đảm bảo an toàn cao. - Độ chói bơm thấp (khi so sánh với laser diode) và phổ bức xạ rộng của đèn bơm sẽ loại trừ rất nhiều môi trường khuếch đại. Tuy nhiên, thời gian sống, hiệu suất bơm, hệ thống làm lạnh,… không phải là vấn đề quan trọng khi một đèn flash chỉ hoạt động với tần số lặp lại thấp (một vài chục Hz) và công suất trung bình. Lúc này một đèn flash với giá thành hạ sẽ là lựa chọn hàng đầu. * Hiệu suất bơm và tốc độ bơm: Xét trường hợp laser rắn được bơm bằng đèn liên tục; ta định nghĩa hiệu suất bơm η p là tỷ số giữa công suất nhỏ nhất P m của đèn để tạo ra tốc độ tích lũy R p cho môi trường hoạt chất và công suất điện P p cung cấp cho đèn: m p p P P η = (1.1) Do tốc độ tích lũy trong mối trường hoạt chất phân bố không đồng nhất, nên công suất nhỏ nhất của đèn bơm có thể viết dưới dạng: 2 m mp p mp dN P Vh R Vh dt ν ν   = =  ÷   Trong đó: 2 dN dt : là số lượng nguyên tử trên mỗi đơn vị thể tích chuyển lên mức laser trên trong quá trình bơm. V : thể tích môi trường hoạt chất. 10 [...]... một Q-switch thụ động là một hàm của phần vật liệu truyền qua (σ13 = 8.7x10-19 cm2 cho Cr4+: YAG) giống như chiều dài của hấp thụ bão hoà [7, 14, 23] 1.3 Buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG 1.3.1 Sơ đồ buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG Gương phản xạ toàn phần Gương laser ra Đèn flash Hình 1.10: Sơ đồ laser rắn Q-switch thụ động được bơm bằng đèn flash Buồng cộng hưởng thường và buồng cộng hưởng. .. laser được quay 90 0 trong tế bào Kerr Sự thay đổi này trong tế bào Kerr đóng ngắt mất mát thấp và cho phép laser hoạt động 15 Các gương buồng cộng hưởng (a) Vật liệu laser Tế bào Kính phân tích Kerr Các gương buồng cộng hưởng (b) Vật liệu laser Tế bào Kerr Kính phân tích Hình 1.5: Sử dụng điện điều biến đặc tính lưỡng chiết trong tế bào Kerr, dao động laser ngưng lại khi độ phẩm chất trong buồng cộng. .. chất ls Chiều dài hấp thụ bão hoà tr Thời gian truyền một vòng của ánh sáng trong cộng hưởng l' Chiều dài quang học của buồng cộng hưởng laser R Hệ số phản xạ của gương ra buồng cộng hưởng T0 Độ truyền qua ban đầu của hấp thụ bão hoà L Mất mát trên toàn bộ vòng truyền trong cộng hưởng không tính đến các tham số khác γ Nhân tố giảm nghịch đảo laser c Tốc độ ánh sáng trong chân không hυ Năng lượng phôtôn... chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên đột biến, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển nhanh xuống mức laser dưới, hiệu độ tích luỹ giảm rất nhanh và cho phát một năng lượng lớn dưới dạng một xung có thời gian ngắn, đó là một xung cực lớn so với xung phát thông thường 12 Mất mát cộng hưởng Mật độ đảo laser Xung laser Khoảng thời gian bơm Khoảng thời gian xung ra Hình 1.4: Độ phân giải thời gian... hình 1.5 biểu diễn một Q-switch quang điện sử dụng tính lưỡng chiết, sự truyền bức xạ phân cực tuyến tính qua tế bào Kerr có thể được quay Bằng cách cẩn thận sử dụng đặc tính này, mất mát của buồng cộng hưởng laser có thể bị tăng lên bởi một cặp phát xạ qua lại trong buồng cộng hưởng làm cho độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thấp đi Khi năng lượng đủ được tích luỹ trong vật liệu laser, ánh sáng phân... do bản thân khả năng của chúng hoặc năng lượng hấp thụ ở bước sóng laser Nếu thời gian sống của sự truyền hấp thụ này đủ dài để mật độ phôtôn trong buồng cộng hưởng có thể bị bão hoà, mất mát ban đầu của buồng cộng hưởng được giảm và cuối cùng sẽ cho phép có dao động laser trong buồng cộng hưởng Điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần 1.2.4.2 Ban đầu, hấp thụ bão hoà được dựa trên cơ sở chất... của buồng cộng hưởng Sự thêm vào trong cấu trúc buồng cộng hưởng các thành phần quang học khác ngoài môi trường hoạt chất sẽ thay đổi đường truyền chùm tia bên 24 trong buồng cộng hưởng ngay cả khi môi trường không thể hiện bất kỳ sự tăng ích nào Chùm tia bị khúc xạ ở các mặt đáy của các thành phần quang học khi nó truyền qua môi trường kích thích dẫn đến một sự giảm thiểu chiều dài buồng cộng hưởng. .. còn có ưu điểm là nó thường cho một xung ra tập trung hầu hết vào một mode đơn Lý do là nó đã cho một thời gian xác định để chất hấp thụ bão hoà có độ bão hoà rất cao và do vậy tăng độ phẩm chất của buồng cộng hưởng Trong lúc ấy cường độ trong buồng cộng hưởng do ồn phát ra tạo ra các mode khác và nó lớn hơn các mode đó với mất mát thấp nhất ở mỗi lần qua Vì thông thường một phôtôn có thể tạo ra vài... sát ảnh hưởng của thông số này lên chế độ hoạt động tối ưu của laser Qswitch thụ động Mở rộng hơn nữa, khi nghiên cứu hệ laser rắn Q-switch thụ động được bơm bằng laser diode, Dechun Li [6], X Zhang [7] cũng đã tính đến tỷ số giữa bán kính của chùm laser ra và bán kính chùm laser bơm (ωL/ωP) – với giả thiết các chùm laser đều có dạng Gauss; từ đó có thể tìm được kích thước tối ưu chùm tia bơm Trong luận... điều khiển một hệ laser nhằm tạo laser có xung ngắn với năng lượng cao Cái tên Q-switching được đặt tên cho nhân tố đóng ngắt độ phẩm chất Q trong buồng cộng hưởng Ý tưởng của phương pháp này là: Đặt một khe đóng mở trước một gương phản xạ Khi đóng màn này bơm có thể tạo được hiệu độ tích luỹ cao hơn giá trị ngưỡng rất nhiều nhưng laser không phát Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có giá trị . văn này là tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG. quan về buồng cộng hưởng Chương 2: Cơ sở động học của laser rắn được Q-switch thụ động Chương 3: Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser

Ngày đăng: 18/03/2013, 13:40