VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ

----------

NGUYỄN VĂN HẢO

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỦA LASER RẮN

Cr3+

:LiSAF ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN

Chuyên ngành: QUANG HỌC

Mã số: 62 44 01 09

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học :

1. GS.TS. Nguyễn Đại Hƣng

2. PGS.TS. Nguyễn Thế Bình

Phản biện 1 : PGS.TS. Vũ Doãn Miên

Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam

Phản biện 2 : PGS.TS. Trần Thị Tâm

Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Phản biện 3 : TS. Lê Đình Nguyên

Viện Ứng dụng Công nghệ

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại

Viện Vật lý, số 10 – Đào Tấn, Ba Đình, Cầu Giấy, Hà Nội

vào hồi.....giờ.....ngày.....tháng.....năm 2015

Có thể tìm luận án tại: Thư viện Quốc gia Hà Nội

Thư viện Viện Vật lý

1

MỞ ĐẦU

Ngay sau khi laser ra đời năm 1960, laser rắn phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng đã được

chú ý phát triển vì đó là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu khoa học – công nghệ. Những năm

gần đây, các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh bước sóng đang được phát triển mạnh

nhờ các tiến bộ trong việc nuôi tinh thể, các tinh thể laser rắn mới chất lượng cao đã trở nên sẵn có,

chẳng hạn như Ti:saphire, Cr:colquiriite (Cr:LiSAF, Cr :LiCAF và Cr:LiSGAF), Cr:forsterite,

Ce:LiCAF, Ce:LYF… và nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn (sau đây gọi chung là laser

diode), công suất phát của laser diode có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung trong

một khoảng hẹp (2 3 nm) phù hợp với phổ hấp thụ của các tinh thể laser rắn. Do vậy, ngay lập tức

phương pháp bơm quang học bằng laser diode để bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ. Ngày

nay, việc phát triển các laser rắn phát xung ngắn và có khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng đã trở

thành hướng nghiên cứu sôi nổi trong nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới.

Trong các môi trường laser rắn Cr:colquiriite (LiCAF, LiSAF và LiSGaF pha tạp ion Cr3+

), tinh

thể Cr:LiSAF có phổ khuếch đại rộng tương tự như Ti:sapphire nên có khả năng phát được các xung

cực ngắn (< 10 fs) và điều chỉnh bước sóng. Tuy nhiên, laser Cr:LiSAF có những ưu điểm vượt trội so

với laser Ti:sapphire, đó là khả năng được bơm trực tiếp bằng đèn chớp hoặc laser diode trong vùng

sóng đỏ và tích số giữa tiết diện phát xạ và thời gian sống huỳnh quang (322 × 10-20

cm2µs) lớn hơn

Ti:sapphire (130 × 10-20

cm2µs). Tham số này sẽ giúp cho laser Cr:LiSAF có ngưỡng bơm khá thấp,

hiệu suất cao và thời gian làm việc dài. Hơn nữa, môi trường laser Cr:LiSAF có thời gian sống huỳnh

quang dài (67 µs) so với tinh thể laser Ti:sapphire (3,2 µs) nên nó cũng hoạt động rất hiệu quả ở chế độ

biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching) thụ động. Ngoài ra, môi trường laser

Cr:LiSAF là một môi trường vibronic (điện tử dao động) – được coi như một môi trường mở rộng

đồng nhất. Do vậy, môi trường laser Cr:LiSAF đã được chứng minh có thể hoạt động hiệu quả cả ở cả

chế độ liên tục điều chỉnh bước sóng và xung ngắn nhờ kỹ thuật Q-switching thụ động và khóa mode

buồng cộng hưởng.

Mặc dù, các laser Cr:LiSAF đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển trong rất nhiều phòng

thí nghiệm trên thế giới nhưng ở nước ta vẫn không có bất cứ một nghiên cứu nào. Ngoài ra, có nhiều

vấn đề vật lý trong các quá trình laser khác như các quá trình phổ - thời gian xảy ra trong phát xạ laser

khi được bơm xung và các đặc trưng laser phụ thuộc vào bước sóng vẫn chưa được nghiên cứu tường

minh cả trong lý thuyết cũng như thực nghiệm. Trong luận án này, tôi mong muốn góp phần vào

nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode ở cả chế độ hoạt động laser băng

rộng, băng hẹp và xung ngắn điều chỉnh bước sóng.

Mục đích của luận án là nghiên cứu động học của các quá trình laser khác nhau như các quá

trình phổ - thời gian xảy ra trong phát xạ laser Cr:LiSAF ở cả chế độ hoạt động laser băng rộng, băng

hẹp và xung ngắn điều chỉnh bước sóng được bơm bởi xung laser diode; nghiên cứu động học laser

Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser

diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng trên cơ sở thiết

lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa.

Đồng thời luận án cũng góp phần nghiên cứu thiết kế các buồng cộng hưởng (BCH) gấp 4 gương và

phát triển thực nghiệm hệ laser rắn Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode.

2

Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là các quá trình động học trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF

được bơm bằng xung laser diode. Các quá trình động học và đặc trưng hoạt động của laser Cr:LiSAF

Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode. Thiết kế

và phát triển các buồng cộng hưởng laser rắn Cr:LiSAF gấp, 4 gương cho hoạt động laser liên tục và

xung ngắn điều chỉnh bước sóng được bơm bằng laser diode.

Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp tính toán lý thuyết và thực nghiệm. Sử dụng hệ

phương trình tốc độ đa bước sóng để nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng xung

laser diode trong cả hai hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng. Trên cơ sở thiết

lập hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp

thụ bão hòa, nghiên cứu động học và các đặc trưng hoạt động của laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode. Thiết kế BCH dựa trên

mô hình sự lan truyền chùm Gauss ABCD trong BCH gấp 4 gương và xây dựng thực nghiệm hệ laser

rắn Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Luận án là công trình nghiên cứu cơ bản với định

hướng ứng dụng vào kỹ thuật và công nghệ laser rắn phát xung ngắn, điều chỉnh bước sóng. Các kết

quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ động học laser trong phát xạ laser Cr:LiSAF được

bơm bởi xung laser diode; động học xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão

hòa được bơm liên tục bởi laser diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều

chỉnh bước sóng. Hơn nữa, việc thực hiện bản luận án cũng đồng thời xây dựng và phát triển công

nghệ laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode, tạo tiền đề cho việc phát triển các hệ laser cực

nhanh ở nước ta.

Nội dung của luận án được trình bày trong 106 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận được chia

thành 4 chương, bao gồm 70 Hình vẽ và ảnh, 205 Tài liệu tham khảo. Nội dung chính của luận án liên

quan tới 6 bài báo được công bố trong các Tạp chí khoa học trong nước và quốc tế.

CHƢƠNG 1: LASER RẮN Cr:LiSAF

Chương 1 của luận án đã trình bày tổng quan một số kết quả nghiên cứu về các tính chất của vật

liệu laser rắn pha tạp ion Cr3+

, trong đó làm nổi bật các ưu điểm của môi trường laser rắn Cr:LiSAF:

đó là một môi trường laser có phổ khuếch đại rộng (tương tự như tinh thể Ti:sapphire), có thời gian

sống huỳnh quang dài, hoạt động laser dựa trên 2 trạng thái điện tử (tương đương hệ laser 4 mức năng

lượng), được coi như một môi trường mở rộng đồng nhất, có khả năng phát được các xung cực ngắn và

được bơm trực tiếp bằng đèn chớp hoặc laser diode trong vùng ánh sáng đỏ. Các đặc tính thú vị này

cho thấy đây là một môi trường laser hứa hẹn cho việc phát triển các hệ laser toàn rắn, nhỏ gọn và hiệu

quả, có thể thay thế cho các nguồn laser Ti:sapphire trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Chương 1 cũng đã trình bày các BCH laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước sóng của

laser rắn Cr:LiSAF, trong đó cho thấy hai phương pháp sử dụng lăng kính và phin lọc lưỡng chiết đặt

trong BCH có nhiều ưu điểm, được sử dụng rộng rãi và tính khả thi cao trong điều kiện nghiên cứu của

phòng thí nghiệm.

3

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF

ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Nghiên cứu quá trình động học laser trong các phát xạ laser ở các laser rắn băng rộng và băng

hẹp là một trong những công việc quan trọng, nhiều ý nghĩa, nhờ đó chúng ta có thể biết được toàn bộ

các quá trình laser (phổ - thời gian) cũng như các ảnh hưởng khác nhau của các thông số như thông số

bơm và BCH lên các đặc trưng phổ và xung laser.

2.1. Hệ phƣơng trình tốc độ đa bƣớc sóng

Các nghiên cứu lý thuyết về động học

laser nói chung và laser rắn nói riêng sử dụng

phương pháp truyền thống là dựa vào hệ phương

trình tốc độ. Như đã trình bày ở trên, môi trường

laser Cr :LiSAF là môi trường laser vibronic, có

phổ phát xạ băng rộng - coi như một môi trường

mở rộng đồng nhất. Do vậy, các hệ phương trình

tốc độ trước đây thường để mô tả các hoạt động

laser đơn tần số sẽ không cho phép chúng ta mô tả và nghiên cứu tường minh được động học laser rắn

băng rộng (phát trên một dải bước sóng rộng). Việc mở rộng các hệ phương trình tốc độ này cho các

bước sóng laser khác nhau của ion hoạt chất vibronic là rất cần thiết.

Mô hình toán học thích hợp để phân tích môi trường khuếch đại laser rắn được bơm quang học

và các quá trình laser là các phương trình tốc độ - diễn tả tiến trình và sự tương tác của quá trình hấp

thụ ánh sáng bơm và quá trình phát xạ photon trong BCH. Hình 2.1 trình bày mô hình laser rắn

Cr:LiSAF được bơm dọc bằng laser diode.

Hệ phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng, mô tả tốc độ biến đổi mật độ ion hoạt chất

ở trạng thái kích thích và tốc độ biến đổi cường độ photon trong môi trường mở rộng đồng nhất được

biểu diễn như sau :

g

k

i

iiigei

g

k

i

iiigaip

gNINIR

dt

dN

1

0

1

)()(1

)()(

(2.1)

gi

r

iiigaigigeig

ii NT

INNl

dt

dI

02 (2.2)

với 0NNN g ;

hclr

lPR

gp

pgp

p 2

)exp(1.

; Np ; = 21ln RR + 1 và

.

)1(2

c

nlLT

gg

r

Để nghiên cứu các đặc trưng động học của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF, tôi giải hệ phương trình

tốc độ (2.1) và (2.2) bằng số nhờ phần mềm Matlab 8.5. Các tham số sử dụng trong tính toán như sau:

thời gian sống huỳnh quang g = 67 s ; độ dài môi trường laser lg = 0,4 cm ; chiết suất của Cr:LiSAF

ng = 1,41 ; R1 = 1; Mật độ ion toàn phần của Cr :LiSAF N = 2,62.1020

cm-3

; độ rộng xung bơm p =

100 µs, bán kính vết bơm rp = 15 µm, bước sóng bơm p = 660 nm; tiết diện hấp thụ tại bước sóng

bơm p = 4,4.10-20

cm2 ; i = 10

-12 cm

2.s

-1 ; mất mát do hấp thụ và nhiễu xạ 1 1 % và bán kính eo

chùm laser trong môi trường laser được chọn là rl = 14 µm; các tiết diện hấp thụ gai và phát xạ gei của

môi trường laser phụ thuộc bước sóng được trích trong phổ hấp thụ và phát xạ của Cr:LiSAF.

Hình 2.1: Cấu hình của laser rắn Cr:LiSAF được bơm

bằng laser diode.

4

Hình 2.2. Tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng

được bơm bằng các xung laser diode. Các tham số của BCH, môi trường laser và

bơm: L = 50 cm; R1 = 1; R2 = 95 %; lg = 0,4 cm; N = 26,25.1019

cm-3

; độ rộng xung

bơm p = 100 µs, rp = 15 µm, p = 660 nm và Ep = 12 µJ.

Hình 2.3: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào năng

lượng xung bơm. a) Ep =11 µJ; b) Ep = 13 µJ; c) Ep = 25 µJ và d) Ep = 500 µJ.

2.2. Nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng rộng

Hình 2.2 chỉ ra tiến

trình phổ - thời gian của

các phát xạ laser rắn

Cr:LiSAF băng rộng được

bơm bằng các xung diode

100 µs. Kết quả cho thấy,

cường độ laser không

những là hàm của thời

gian mà còn là hàm của

bước sóng. Ngoài ra, các

dao động hồi phục xảy ra

rất mạnh và có cường độ

tắt dần. Sự dập tắt của các

dao động hồi phục của

laser phụ thuộc mạnh vào

bước sóng. Hình vẽ ở phía

trên Hình 2.2 biểu diễn

cường độ laser tích phân

I(t) (theo bước sóng), mật

độ nghịch đảo độ tích lũy Ng(t) và tốc độ bơm Rp(t) theo thời gian. Kết quả cho thấy rõ sự tương tác

giữa cường độ laser và mật độ nghịch đảo độ tích lũy theo thời gian.

2.2.1. Nghiên cứu dao động hồi phục và quá độ BCH của laser Cr:LiSAF băng rộng

2.2.1.1. Ảnh hƣởng của năng lƣợng xung bơm lên dao động hồi phục

Hình 2.3 chỉ ra cường

độ laser Cr:LiSAF phát ra

theo thời gian phụ thuộc vào

năng lượng xung bơm Ep khi

L = 50 cm, R2 = 0,8. Kết quả

cho thấy, tại mức bơm gần

ngưỡng, laser Cr:LiSAF

phát ra có một hoặc một vài

dao động, đặc biệt khi bơm

sát ngưỡng ta có thể thu

được một xung đơn (tp =

500 ns) (Hình 2.3 a-b). Khi

mức bơm càng tăng, số lần

dao động của cường độ laser

tăng đồng thời laser xuất

hiện cũng sớm hơn và

khoảng cách giữa các dao

5

động bị hẹp lại (Hình 2.3 c). Khi mức bơm quá cao trên ngưỡng, xung laser có dạng của xung bơm

(Hình 2.3 d).

2.2.1.2. Ảnh hƣởng của thông số BCH lên dao động hồi phục

Ảnh hƣởng của hệ số phản xạ của gƣơng ra R2

Hình 2.4 chỉ ra sự phụ

thuộc của cường độ laser

Cr:LiSAF phát ra theo thời

gian ứng với các hệ số phản

xạ của gương ra khác nhau ở

chiều dài BCH L = 50 cm và

năng lượng xung bơm trên

ngưỡng Ep = 25 µJ. Kết quả

thu được cho thấy, việc tăng

hệ số phản xạ gương ra R2 từ

0,6 đến 0,99, cường độ dao

động laser tăng dần tăng

đồng thời các dao động cũng

xuất hiện sớm hơn và mau

hơn. Các dao động hồi phục

trong trường hợp này cũng

có các đặc trưng tương tự

như khi tăng năng lượng xung bơm (Hình 2.3). Khi hệ số phản xạ của gương ra R2 = 0,6 thì ta có thể

thu được một xung đơn có độ dài chỉ 325 ns (Hình 2.4 a).

Ảnh hƣởng của chiều dài BCH lên dao động hồi phục

Hình 2.5 biểu diễn

cường độ laser Cr:LiSAF

phát ra theo thời gian ứng

phụ thuộc vào chiều dài

BCH khi R2 = 0,8 và năng

lượng xung bơm Ep = 13 μJ.

Kết quả cho thấy, khi chiều

dài BCH càng lớn (từ 5 cm

đến 100 cm) thì số dao đông

laser Cr :LiSAF xuât hiên

càng ít. Khi chiều dài BCH L

= 100 cm, ta thu được một

xung đơn có độ dài 607 ns

(Hình 2.5 d).

Kết quả trên có thể

được giải thích do khi chiều

dài BCH tăng, thời gian

photon đi lại trong một chu trình của BCH tăng lên, có nghĩa là số lần photon được khuếch đại trong

Hình 2.4: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào hệ số

phản xạ gương ra R2. a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 và d) R2 = 0,99.

Hình 2.5: Cường độ laser Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ thuộc vào chiều

dài BCH. a) L = 5 cm; b) L = 20 cm; c) L = 50 cm và d) L = 100 cm.

6

Hình 2.6: Cường độ laser theo thời gian phụ thuộc vào độ dài BCH

của laser Cr:LiSAF với R2 = 0,5 và Ep = 31,1 µJ. Độ rộng xung và

năng lượng xung đơn như là hàm của chiều dài BCH được chỉ ra ở

hình phía trên.

môi trường hoạt chất bị giảm xuống (độ khuếch đại giảm). Khi độ khuếch đại giảm tới khi nhỏ hơn

mất mát của BCH thì dao động laser không thể xuất hiện nữa.

Như vậy, từ các kết quả trên ta thấy rằng, các thông số bơm và thông số BCH ảnh hưởng trực

tiếp tới quá trình tích thoát của độ tích lũy ở trạng thái kích thích hay mật độ photon trong BCH, làm

ảnh hưởng lên dao động hồi phục của phát xạ laser rắn Cr:LiSAF. Đặc biệt, nếu ta lựa chọn các thông

số BCH và thông số bơm ở một giá trị thích hợp, ta có thể thu được một xung laser đơn (xem các Hình

2.3-a, 2.4-a và 2.5-d).

2.2.1.3. Phát các xung laser đơn và ngắn nhờ quá trình quá độ BCH

Những đặc điểm của dao động hồi phục trong phát xạ laser Cr:LiSAF được bơm ở gần ngưỡng

chính là cơ sở cho việc phát triển phương pháp sử dụng tiến trình quá độ của BCH để phát các xung

laser đơn. Để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số BCH lên việc phát các xung laser đơn bằng

phương pháp quá độ BCH, tôi giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Cr:LiSAF khi bơm ở

gần ngưỡng bằng xung bơm có độ rộng 100 μs. Các tham số khác như được trình bày trong Mục 2.1.

Ảnh hƣởng của chiều dài BCH

Hình 2.6 biểu diễn cường độ laser

Cr:LiSAF phát ra theo thời gian phụ

thuộc vào chiều dài BCH với hệ số

phản xạ của gương ra R2 = 0,5 và

năng lượng xung bơm gần ngưỡng Ep

= 31,1 µJ. Kết quả cho thấy, các xung

laser đơn xuất hiện ở các chiều dài

BCH khác nhau từ 2 cm đến 22 cm.

Khi tăng chiều dài BCH lên thì độ

rộng xung đơn cũng tăng lên và năng

lượng xung đơn đạt giá trị cực đại ~

0,45 J ở chiều dài BCH L = 15 cm

(xem hình phía trên của Hình 2.6). Độ

rộng xung đơn đạt giá trị nhỏ nhất ~

64 ns ở chiều dài BCH L = 2 cm. Tuy

nhiên, khi chiều dài BCH tăng lên >

22 cm thì dao động laser không còn

xuất hiện nữa. Điều này được giải

thích tương tự như Mục 2.2.1.2 (Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên dao động hồi phục).

Ảnh hƣởng của hệ số phản xạ của gƣơng ra

Hình 2.7 chỉ ra các đặc trưng của xung đơn của laser Cr:LiSAF phát ra theo hệ số phản xạ của

gương ra R2 ở các chiều dài BCH 2 cm, 5 cm và 10 cm khi bơm ở gần ngưỡng. Kết quả thu được cho

thấy, khi R2 tăng từ 0,2 đến 0,9, độ rộng xung đơn tăng lên và năng lượng xung laser giảm xuống. Độ

rộng xung đơn ngắn nhất đạt được cỡ 43 ns ở chiều dài BCH L = 2 cm và hệ số phản xạ của gương ra

R2 = 0,2 ứng với năng lượng xung bơm gần ngưỡng Ep = 70,5 J. Hiệu ứng này cũng có thể được giải

thích tương tự như trên: ta thấy, khi hệ số phản xạ của gương ra càng nhỏ (mất mát trong BCH càng

lớn) sẽ làm cho thời gian sống của photon trong BCH càng nhỏ, điều này làm cho độ dài xung phát ra

càng ngắn.

7

Hình 2.7: (a) Độ rộng xung đơn và (b) năng lượng xung đơn của laser rắn

Cr:LiSAF phụ thuộc vào R2 ở các độ dài BCH khác nhau.

Hình 2.8. Ảnh hưởng của năng lượng xung bơm Ep lên tiến trình phổ - thời gian của

phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L = 50 cm

và R2 = 0,8. a) Ep = 11 µJ; b) Ep = 13 µJ; c) Ep = 25 µJ và d) Ep = 500 µJ.

Sự xuất hiện các dao

động hồi phục và các kết quả

thu được về xung laser đơn

không chỉ được quan sát ở

riêng môi trường laser rắn

Cr:LiSAF mà nó xuất hiện ở

nhiều môi trường laser rắn

khác nhau, chẳng hạn như

Nd:YVO4 ...

Bằng chứng thực nghiệm

đối với hiện tượng dao động hồi phục và kết quả thu được các xung đơn của laser rắn Nd:YVO4 ở

bước sóng 1064 nm trong cùng điều kiện của BCH được bơm xung bằng laser diode nhờ phương pháp

quá độ BCH này đã được chúng tôi thực hiện. Các kết cho thấy, xung laser đơn phát ra có thể ngắn đến

93 ns ở tần số gần 3 kHz có thể đạt được bằng cách chọn các tham số BCH và mức bơm thích hợp.

Tuy nhiên, khi tần số xung bơm > 3 kHz, độ rộng xung đơn của laser phụ thuộc vào tần số của xung

bơm do ảnh hưởng của thời gian sống huỳnh quang của tâm hoạt chất (ion Nd3+

).

Như vậy, qua việc nghiên cứu về các dao động hồi phục tắt dần trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF

được bơm bằng các xung laser diode, chúng ta đã có một cái nhìn rõ ràng về những ảnh hưởng khác

nhau của các tham số bơm và tham số BCH lên cường độ laser theo thời gian. Nhờ việc lựa chọn các

tham số bơm và BCH thích hợp, người ta có thể tạo ra những xung laser đơn và ngắn, ngắn hơn hàng

nghìn lần so với độ rộng xung bơm.

2.2.2. Nghiên cứu tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng đƣợc

bơm bằng các xung laser diode

Trên đây chúng ta

mới chỉ nghiên cứu các đặc

trưng của laser theo thời

gian mà chưa để ý tới sự

biến đổi của phổ laser

(cường độ laser phụ thuộc

vào bước sóng), do đó để

có một cái nhìn rõ ràng hơn

về các quá trình động học

phổ-thời gian trong các

phát xạ laser Cr:LiSAF

băng rộng được bơm bằng

các xung laser diode, chúng

ta cần có những nghiên cứu

về tiến trình phổ - thời gian

trong phát xạ laser

Cr:LiSAF.

Các Hình từ 2.8 đến

2.10 biểu diễn tiến trình

8

Hình 2.9. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên tiến trình phổ - thời gian của

phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi L = 50 cm

và Ep = 25 µJ. a) R2 = 0,6; b) R2 = 0,7; c) R2 = 0,8 và d) R2 = 0,99.

Hình 2.9. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên tiến trình phổ - thời gian của phát xạ

laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng các xung diode khi R2 = 0,8 và Ep =

13 µJ. a) L = 5 cm; b) L = 10 cm; c) L = 50 cm và d) L = 100 cm.

phổ - thời gian trong phát xạ laser rắn Cr:LiSAF băng rộng được bơm bằng xung laser diode. Kết quả

cho thấy, cường độ laser Cr:LiSAF có các đặc điểm chung như đã trình bày ở phần trên, tuy nhiên,

động học phổ của phát xạ laser trong trường hợp này đã thể hiện rõ thêm các đặc điểm sau:

i) Cường độ laser là

hàm của bước sóng và

thời gian với các dao

động hồi phục tắt dần. Ở

năng lượng bơm cao hơn

ngưỡng nhiều lần, các

phát xạ laser xảy ra mạnh

và hẹp nhanh đồng thời

băng phổ cũng rộng hơn.

Kết quả đáng chú ý nhất

là các dao động hồi phục

tắt dần phụ thuộc mạnh

vào bước sóng. Ở bước

sóng trung tâm phổ phát

xạ (ứng với độ khuếch đại

lớn nhất), các dao động

xuất hiện mạnh nhất và có

thời gian dao động dài

nhất. Về phía sóng ngắn và sóng dài của phổ laser, sự dập tắt dao động xảy ra nhanh hơn trong khi ở

vùng phổ trung tâm dao động vẫn tiếp tục (Hình 2.8 c và 2.9 c). Ở năng lượng bơm gần ngưỡng, chỉ có

một hoặc một vài dao động laser xuất hiện (Hình 2.8 a-b và 2.9 a-b).

ii) Luôn luôn tồn tại

một xung đơn và ngắn ở cả

hai phía sóng ngắn và sóng

dài của phổ laser (so với

đỉnh phổ) ngay ở các mức

bơm cao trên ngưỡng.

Xung này có thể tách ra

bằng một sự lọc phổ (như

các Hình 2.8 c-d; Hình 2.9

c-d và Hình 2.10 b-c-d).

iii) Khi tăng hệ số

phản xạ của gương ra

chúng ta cũng nhận được

cùng hiện tượng với khi

tăng năng lượng bơm cho

laser Cr:LiSAF (Hình 2.9).

iv) Khi chiều dài

BCH ngắn, các dao động

9

Hình 2.11: Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF điều chỉnh liên tục

bước sóng nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH được bơm

bằng laser diode.

hồi phục chỉ xuất hiện mạnh ở những bước sóng gần đỉnh phổ khuếch đại của môi trường laser. Khi

tăng chiều dài BCH, độ rộng phổ laser cũng rộng hơn (Hình 2.10). Điều này được giải thích khi ta chú

ý tới hiệu ứng lọc phổ Fabry-Perot: khi tăng chiều dài BCH, thời gian để bức xạ truyền hết một chu

trình BCH cũng tăng lên, làm giảm số lần đi lại của bức xạ nên sự lọc lựa của bức xạ cũng giảm theo,

do vậy, khi đó phổ laser rộng hơn. Điều này chứng tỏ tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ laser

rắn Cr:LiSAF băng rộng phụ thuộc mạnh vào cả tham số BCH và bước sóng.

2.3. Động học phổ laser rắn Cr:LiSAF băng hẹp

Ưu điểm nổi bật của các laser vibronic là khả năng điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ

rộng. Rõ ràng việc ứng dụng của một hệ laser Cr:LiSAF sẽ được tăng lên nếu ta chứng tỏ được khả

năng phát được bức xạ laser đơn sắc và

điều chỉnh liên tục bước sóng. Trong phần

này chúng tôi trình bày việc nghiên cứu

động học laser Cr:LiSAF băng hẹp và điều

chỉnh bước sóng nhờ sử dụng các tấm

phin lọc lưỡng chiết BF đặt bên trong

BCH.

Hình 2.11 chỉ ra giản đồ BCH laser

Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng các tấm

BF đặt trong BCH được bơm bằng xung laser diode. Để nghiên cứu động học laser Cr:LiSAF băng

hẹp, chúng tôi đã giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng (2.3) và (2.4) trong dải phổ từ 780 – 920

nm bằng chương trình phần mềm viết trên ngôn ngữ Matlab 8.5. Các tham số đã được sử dụng trong

tính toán bằng số nhờ phần mềm Matlab trong hoạt động của laser Cr:LiSAF băng hẹp bao gồm: công

suất bơm Pp = 100 mW; chiều dài BCH L = 50 cm; hệ số phản xạ của gương ra R2 = 0,95; độ dày của

tấm BF thay đổi từ d = 0,1 - 1 mm; = 0o và góc điều chỉnh A = 28

o – 54

o. Các tham số khác sử dụng

trong tính toán này được lấy từ Mục 2.1.

Hình 2.12: Động học laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng 4 tấm BF đặt trong BCH (L = 50 cm; R2 = 0,95, Pp = 100 mW

và tấm BF có độ dày d = 0,3 mm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4 và A = 47,7o). (a) Tiến trình phổ - thời gian của các phát xạ

laser Cr:LiSAF băng hẹp; (b) Các dao động hồi phục tắt dần phụ thuộc thời gian và (c) Phổ laser tích phân của các phát xạ

laser Cr:LiSAF băng hẹp.

Hình 2.12 mô tả các quá trình động học trong phát xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp nhờ sử dụng 4

tấm BF theo tỉ lệ độ dày r = 1:2:3:4 (trong đó tấm đầu tiên có độ dày d = 0,3 mm) đặt trong BCH dưới

góc tới Brewster, được bơm bằng xung laser diode có độ rộng xung 100 s. Laser được điều chỉnh tới

bước sóng ~ 881,15 nm ứng với góc điều chỉnh A = 47,7o của các tấm BF. Kết quả cho thấy, các phát

10

xạ laser Cr:LiSAF băng hẹp vẫn có đầy đủ các đặc điểm của bức xạ laser Cr:LiSAF băng rộng. Laser

rắn Cr:LiSAF trong chế độ này có thể làm hẹp phổ tới ~ 0,17 nm khi sử dụng 4 tấm BF với tỉ lệ độ dày

r = 1:2:3:4, trong đó độ dày tấm đầu tiên là d = 0,3 mm.

Hình 2.13: (a) Phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày các tấm BF (với độ dày các tấm từ 0,2 – 1 mm ở tỷ lệ

độ dày r = 1:2:3:4) đặt trong BCH và (b) Dải phổ điều chỉnh liên tục bước sóng của laser Cr:LiSAF băng hẹp từ 780 – 920

nm nhờ sử dụng các tấm BF đặt trong BCH. (c) Độ rộng vạch phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp phụ thuộc vào độ dày của các

tấm BF (với độ dày các tấm thay đổi từ 0,1 – 1 mm ở tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4) đặt trong BCH.

Hình 2.13-a chỉ ra phổ laser Cr:LiSAF băng hẹp như là một hàm của độ dày các tấm BF khác

nhau thay đổi từ d = 0,2 - 1 mm ở tỷ lệ độ dày các tấm r = 1:2:3:4 và A = 47,7o đặt trong BCH và Hình

2.13-b biểu diễn dải điều chỉnh liên tục bước sóng trong dải phổ từ 780 – 920nm nhờ quay các tấm BF

ở các góc điều chỉnh A = 27,7o – 54

o. Hình 2.13-c là biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng phổ laser

Cr:LiSAF băng hẹp vào độ dày của các tấm BF khi sử dụng 4 tấm với tỷ lệ độ dày r = 1:2:3:4. Kết quả

cho thấy, độ rộng vạch phổ laser có thể được làm hẹp xuống 0,05 nm khi sử dụng 4 tấm BF với độ dày

tấm đầu tiên là 1 mm.

Tóm lại, qua việc nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp được bơm

bằng xung laser diode nhờ sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho thấy: tồn tại một tiến

trình phổ - thời gian trong phát xạ laser Cr:LiSAF, trong đó cường độ laser không những là hàm của

thời gian mà còn là hàm của bước sóng. Ngoài ra, các dao động hồi phục xảy ra rất mạnh và có cường

độ tắt dần đã lần đầu tiên được quan sát ở các bước sóng trong laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng

xung laser diode. Các kết quả nghiên cứu thu được chứng tỏ rằng: động học laser rắn Cr:LiSAF bị ảnh

hưởng rất mạnh bởi các thông số bơm và các thông số BCH. Khi ta lựa chọn các tham số bơm và BCH

ở một giá trị thích hợp, laser Cr:LiSAF có thể phát các xung đơn, ngắn (ngắn hơn hàng nghìn lần so

với xung bơm 100 µs) nhờ phương pháp quá độ BCH. Các kết quả nghiên cứu động học laser

Cr:LiSAF băng hẹp đã chỉ ra khả năng phát các bức xạ có độ đơn sắc cao (hàng GHz) và khả năng

điều chỉnh bước sóng trong một dải phổ rộng (hàng trăm nm).

CHƢƠNG 3

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER RẮN Cr:LiSAF Q-SWITCHING THỤ ĐỘNG

ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

3.1. Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, laser rắn Q-switching thụ động được bơm bằng laser diode đã thu hút

được rất nhiều sự quan tâm và nghiên cứu. Trong các laser rắn Q-witching thụ động được bơm bằng

c)

11

Hình 3.1: Giản đồ BCH laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr :YSO được bơm bằng

laser diode.

laser diode, laser Cr:LiSAF là một laser băng rộng, có thể hoạt động hiệu quả trong chế độ Q-

switching thụ động với chất hấp thụ bão hòa (HTBH) Cr:YSO. Các laser rắn Cr:LiSAF và Cr:LiCAF

Q-switching thụ động đã được nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm, tuy nhiên các nghiên cứu

này chỉ được thực hiện ở một tần số đơn và hầu hết các hệ laser này đều được bơm bằng đèn chớp.

Trong khi đó, phổ phát xạ của tinh thể Cr:LiSAF và Cr:LiCAF cũng như phổ hấp thụ của Cr:YSO là

các băng rộng. Trong thực tế, các phép đo thực nghiệm và tính toán bằng số các băng phổ của phát xạ

laser Cr:LiSAF (và Cr:LiCAF) Q-switching thụ động là khá rộng, lên tới 10 nm. Do vậy, các phân tích

lý thuyết ở một tần số sẽ không cho phép chúng ta có thể hiểu rõ ràng tiến trình phổ - thời gian và các

đặc trưng phụ thuộc bước sóng của các phát xạ laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động.

Trong chương này, tôi trình bày các nghiên cứu về động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng chất HTBH Cr:YSO được bơm liên tục bằng laser diode trên cơ sở thiết lập hệ phương trình

tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động trong hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều

chỉnh bước sóng.

3.2. Mô hình lý thuyết laser rắn Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa trong chế

độ băng rộng và băng hẹp

Mô hình hệ laser rắn Cr:LiSAF Q-

switching thụ động nhờ chất HTBH Cr:YSO

được bơm liên tục bằng laser diode như được

chỉ ra trong Hình 3.1. Buồng cộng hưởng

laser có dạng Fabry – Perot, bao gồm hai

gương phẳng M1và M2 đặt cách nhau một

khoảng L. Dựa trên mô hình 4 mức năng

lượng cho cả môi laser và chất HTBH, hệ

phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Q-switching thụ động bằng chất HTBH trong dải phổ phát

xạ của môi trường laser và phổ hấp thụ băng rộng của chất HTBH có thể được biểu diễn như sau:

gi

r

iieaiiaaiiaaigaigigeig

ii NT

INNlNNl

dt

dI

)()(2)()(2 210 (3.1)

g

k

i

iiigei

g

k

i

iiigaiP

gNINIR

dt

dN

1

0

1

)()(1

)()(

, với 0NNN g (3.2)

)()(1

1

10 i

k

i

iiiaa

a

aaa INNN

dt

dN

; với aaea NNN 0 (3.3)

010 )(exp)( aaiiai NlT ; hclr

lPR

gp

pgp

p 2

)exp(1.

; (3.4)

Np ; ;'2

c

LTr )1()1(' aagg nlnlLL (3.5)

trong đó, la là độ dày của chất HTBH ; na là chiết suất trung bình của chất HTBH;a là thời gian sống

huỳnh quang của chất HTBH; a1i (i) và a2i (i) là tiết diện hấp thụ ở trạng thái cơ bản và kích thích

của chất HTBH; Na là mật độ tích lũy ở trạng thái cơ bản của chất HTBH ; Na0 là mật độ tích lũy toàn

phần của chất HTBH; T0 (i) là độ truyền qua ban đầu của chất HTBH phụ thuộc vào bước sóng và các

tham số khác xem trong chú thích của Chương 2.

12

Hình 3.3: Phổ hấp thụ phân cực của chất HTBH Cr:YSO và

tiết diện phát xạ của môi trường laser Cr:LiSAF như là một

hàm của bước sóng trong dải phổ từ 780 - 920 nm.

Để nghiên cứu động học laser rắn

Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp trong chế

độ laser Q-switching thụ động sử dụng chất

HTBH Cr:YSO được bơm bằng laser diode,

chúng tôi đã giải hệ phương trình tốc độ

(3.1) – (3.3) bằng số nhờ phương pháp

Runge-Kutta sử dụng ngôn ngữ lập trình

Matlab 8.5. Các tham số đưa vào chương

trình như sau: bán kính vết bơm rp = 80 m;

p = 670 nm ; a1i và a2i được trích trong

phổ hấp thụ của Cr :YSO, với σa2i/σa1i =

0,33 ; la = 0,1 cm; na = 1,8; a = 0,7 µs. Các

tham số khác của Cr :LiSAF xem trong

Mục 2.1 (Chương 2). Hình 3.3 chỉ ra phổ hấp thụ phân cực của chất HTBH Cr:YSO dọc theo 3 trục

chính và tiết diện phát xạ của Cr:LiSAF trong dải phổ từ 780 – 920 nm.

3.3. Động học laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động trong chế độ băng rộng

Hình 3.4-a biểu diễn sự biến đổi nghịch đảo mật độ tích lũy Ng, mất mát Loss và cường độ laser I

của laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất HTBH Cr:YSO theo thời gian. Kết quả cho

thấy, khoảng thời gian cần thiết để hình thành xung laser Q-switching đầu tiên là ~ 13,78 µs sau khi

bắt đầu bơm. Khoảng cách giữa hai xung laser liên tiếp của chuỗi xung là 8,13 µs. Để hình thành xung

laser thứ 2 thì chỉ cần một khoảng thời gian ngắn hơn khá nhiều so với khoảng thời gian hình thành

xung laser đầu tiên. Điều này được giải thích do nghịch đảo mật độ tích lũy Ng không giảm về 0 sau sự

hình thành xung laser đầu tiên mà chỉ giảm tới giá trị nhỏ nhất Nf như trên.

Hình 3.4: a) Quá

trình thời gian của

các xung laser

Cr:LiSAF Q-

switching thụ động

bằng chất HTBH

Cr:YSO khi R2 =

0,98, Na0 = 8.1017

cm-3

, L = 5cm và

Pp = 3,5 W, b) Phổ

laser tích phân

theo thời gian; c)

Quá trình phổ -

thời gian (dạng

3D) và d) Tiến

trình phổ-thời gian

của một xung đơn

của laser Cr:LiSAF

Q-switching thụ

động bằng

Cr:YSO.

13

Hình 3.4-b chỉ ra phổ laser tích phân theo thời gian của laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động

bằng chất HTBH Cr:YSO. Hình 3.4-c biểu diễn chuỗi xung trong Hình 3.4-a theo từng bước sóng

trong dải phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất HTBH Cr:YSO. Tiến trình

phổ-thời gian của một xung laser Q-switching băng rộng được trình bày trên Hình 3.4-d. Kết quả cho

thấy, mỗi xung laser Q-switching băng rộng đều có một độ rộng 106 ns, một độ rộng phổ laser tích

phân là 5,1 nm và ở một năng lượng xung 485 µJ. Hình 3.4 d-cũng cho thấy, sự phụ thuộc mạnh của

cường độ laser vào cả thời gian và bước sóng.

Có nhiều thông số vật lý (độ hấp thụ ban đầu của chất HTBH, hệ số phản xạ của gương ra, công

suất bơm và chiều dài BCH) mà chúng ta sẽ phân tích chi tiết dưới đây có thể làm thay đổi các đặc

trưng xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất HTBH Cr:YSO.

3.3.2. Ảnh hƣởng của độ hấp thụ ban đầu Na0 của Cr:YSO lên tiến trình phổ-thời gian và

các đặc trƣng xung laser Cr:LiSAF Q-switching

Hình 3.5 biểu diễn tiến trình phổ-thời gian của các xung laser Cr:LiSAF băng rộng được Q-

switching thụ động ở các độ hấp thụ ban đầu Na0 khác nhau của chất HTBH Cr:YSO khi R2 = 0,98; L

= 5 cm; Pp = 3,5 W. Kết quả cho thấy, cường độ laser vẫn là một hàm của cả bước sóng và thời gian

tương tự như trên (Mục 3.3.1). Nhờ kết quả này, chúng ta có thể quan sát được sự thay đổi của cường

độ laser, độ rộng phổ và tần số xung laser khi Na0 thay đổi.

Hình 3.5: Tiến trình

phổ - thời gian của các

xung laser rắn

Cr:LiSAF băng rộng

được Q-switching thụ

động bằng chất hấp

thụ bão hòa Cr:YSO

theo các độ hấp thụ

ban đầu Na0 của chất

hấp thụ bão hòa (khi

chiều dài BCH L = 5

cm; R2 = 0,98 và Pp =

3,5 W).

a) Na0 = 2.1017

cm-3

;

b) Na0 = 6.1017

cm-3

;

c) Na0 = 1018

cm-3

và

d) Na0 = 1,4.1018

cm-3

.

Khi Na0 tăng lên, cường độ laser cũng tăng lên đồng thời đỉnh phổ có xu hướng dịch về phía

sóng dài (Hình 3.5). Sự dịch phổ này có thể giải thích khi chú ý đến Hình 3.3 như sau: việc tăng độ

hấp thụ ban đầu Na0 (giữ nguyên công suất bơm, hệ số phản xạ của gương ra và chiều dài BCH) làm

ngưỡng phát của laser tăng (do mất mát tăng), do đó hệ số khuếch đại ở phần sóng dài mới có thể có

giá trị lớn hơn ngưỡng, điều này làm cho đỉnh phổ laser sẽ dịch về phía sóng dài.

14

Khi Na0 tăng cũng làm

cho độ rộng xung laser giảm

xuống, năng lượng xung laser

tăng lên và tần số lặp lại xung

giảm xuống (xem Hình 3.6).

Điều này có thể được giải

thích tương tự trên như sau:

Khi Na0 tăng lên làm cho mất

mát BCH tăng lên, do đó

khoảng thời gian để cường độ

photon trong BCH tăng tới có

giá trị đủ lớn để làm cho chất

hấp thụ bị bão hòa sẽ tăng lên trong khi môi trường laser vẫn được bơm, dẫn tới độ tích lũy ở mức

laser trên đạt giá trị cao hơn, vì vậy độ rộng xung laser giảm xuống, năng lượng laser tăng lên và tần số

lặp lại xung giảm xuống.

3.3.3. Ảnh hƣởng của công suất bơm lên các đặc trƣng xung laser

Hình 3.7 biểu diễn đặc trưng hoạt động của laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất

HTBH Cr:YSO như là một hàm của công suất bơm ở các giá trị khác nhau của Na0 khi chiều dài BCH

L = 5 cm và hệ số phản xạ của gương ra R2 = 0,98. Kết quả cho thấy, khi công suất bơm Pp tăng lên thì

độ rộng xung giảm xuống, năng lượng và tần số lặp lại xung tăng lên.

Hình 3.7. a) Độ rộng xung, b) năng lượng xung và c) tần số lặp lại xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động như là

một hàm của công suất bơm Pp ở các giá trị khác nhau của Na0 khi L = 5 cm và R2 = 0,98.

Tần số lặp lại xung tăng khi tăng công suất bơm là do trường bức xạ trong BCH tăng làm cho thời

gian để chất hấp thụ bão hòa trở lên trong suốt (khóa Q-switch mở) giảm xuống, do đó tần số lặp lại

xung tăng lên và ngược lại thì tần số giảm xuống. Độ rộng xung laser giảm khi công suất bơm tăng.

Điều này được giải thích như sau: khi công suất bơm tăng lên làm mật độ nghịch đảo độ tích lũy cũng

tăng lên trong khi ngưỡng laser không thay đổi, do đó độ rộng xung laser giảm xuống.

Hiện tượng này xảy ra ở hầu hết các laser rắn khác nhau, chẳng hạn như Nd:YVO4,... trong hoạt

động Q-switching thụ động bằng chất HTBH. Một trong những bằng chứng thực nghiệm đối với laser

rắn Nd:YVO4 được Q-switching bằng tinh thể chất HTBH Cr:YAG và SESAM đã được chúng tôi thực

hiện. Kết quả trong thực nghiệm này đã cho thấy sự phụ thuộc mạnh của độ rộng xung, năng lượng xung

(công suất đỉnh xung) và tần số lặp lại xung vào công suất bơm. Khi công suất bơm tăng từ 100 mW đến

Hình 3.6: (a) Độ rộng xung và năng lượng xung; (b) tần số lặp lại xung laser rắn

Cr:LiSAF băng rộng được Q-switching thụ động bằng chất HTBH Cr:YSO phụ

thuộc vào Na0 khi L = 5 cm; R2 = 0,98 và Pp = 3,5 W.

15

1950 mW thì độ rộng xung laser giảm từ giá trị ~ 100 ns xuống tới 22 ns trong khi công suất đỉnh xung

tăng tới > 5 W và tần số lặp lại tăng lên tới 2,2 MHz (xem Hình 3.8).

Hình 3.8: Các đặc

trưng xung của laser

Nd:YVO4 được Q-

switching thụ động

bằng SESAM. (a) Độ

rộng xung và công

suất đỉnh xung; (b)

Công suất trung bình

và tần số lặp lại xung

phụ thuộc vào công

suất bơm.

3.3.4. Ảnh hƣởng của hệ số phản xạ gƣơng ra

Hình 3.9 chỉ ra các đặc trưng xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động phụ thuộc vào hệ số

phản xạ của gương ra R2 khi chiều dài BCH L = 5 cm và công suất bơm Pp = 6 W.

Hình 3.9: a) Độ rộng xung, b) năng lượng xung và c) tần số lặp lại xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động như là

một hàm của hệ số phản xạ của gương ra R2 ở các giá trị khác nhau của Na0 khi L = 5 cm và Pp = 6 W.

Kết quả cho thấy, khi R2 tăng từ 0,65 đến 0,99 thì độ rộng xung laser giảm, năng lượng laser tăng

dần tới giá trị lớn nhất và tần số lặp lại xung tăng. Tần số lặp lại xung tăng lên khi tăng hệ số phản xạ

của gương ra R2. Điều này có thể được giải thích như sau: khi tăng R2 sẽ làm cho độ phẩm chất BCH

tăng (mất mát giảm trong khi mức bơm vẫn được giữ nguyên), dẫn tới trường bức xạ trong BCH cũng

tăng theo, do đó thời gian để làm bão hòa chất hấp thụ sẽ ngắn hơn, bởi vậy tần số lặp lại xung sẽ tăng

lên.

3.4. Động học laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO

trong chế độ hoạt động laser băng hẹp

3.4.1. Tiến trình phổ-thời gian của xung laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất

hấp thụ bão hòa Cr:YSO trong chế độ laser băng hẹp

Hình 3.12-a là quá trình thời gian của xung laser Cr:LiSAF băng hẹp được Q-switching thụ động

bằng chất HTBH Cr:YSO khi Pp = 3,5 W; L = 5 cm; Na0 = 8.1017

cm-3

; R2 = 0,98 và tấm BF có độ dày

d = 0,3 mm; = 0o, góc điều chỉnh A = 41,5

o. Trong trường hợp này, khoảng cách giữa hai xung Q-

16

switching liên tiếp là ~ 11 µs (chu kỳ xung). Các xung laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp là một

chuỗi xung đều đặn được phát ra ở một tần số lặp lại ~ 91 kHz.

Hình 3.12: a) Quá

trình thời gian của

các xung laser

Cr:LiSAF Q-

switching thụ động

bằng Cr:YSO trong

chế độ laser băng

hẹp khi R2 = 0,98;

Na0 = 8.1017

cm-3

; L

= 5- cm; tấm BF: có

độ dày d = 0,3 mm;

A = 41,5 o và Pp =

3,5- W; b) Phổ laser

tích phân theo thời

gian; c) Quá trình

phổ - thời gian (dạng

3D) và d) Tiến trình

phổ-thời gian của

một xung đơn của

laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp.

Hình 3.12-b là phổ laser tích phân theo thời gian; Hình 3.12-c là biểu diễn 3 chiều của tiến trình

phổ-thời gian của các xung và Hình 3.12-d chỉ ra tiến trình phổ - thời gian của một xung laser đơn

trong hoạt động điều chỉnh bước sóng tại bước sóng ~ 850 nm của laser Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng chất HTBH Cr:YSO. Kết quả cho thấy, tồn tại một quá trình thời gian của một xung đơn ở

mỗi bước sóng trong dải phổ của laser Cr:LiSAF với một độ rộng phổ laser tích phân 1,3 nm, một độ

rộng xung 67 ns và năng lượng của mỗi xung là 0,592 mJ.

3.4.2. Laser Cr:LiSAF Q-switching băng hẹp và điều chỉnh bƣớc sóng

Hình 3.13-a chỉ ra dải phổ điều chỉnh liên tục bước sóng từ 780 – 920 nm của laser Cr:LiSAF

băng hẹp được Q-switching

thụ động bằng Cr:YSO khi

sử dụng một tấm phin lọc

lưỡng chiết có độ dày d =

0,3 mm và góc điều chỉnh A

thay đổi từ 28o đến 54

o khi

Pp = 5 W; L = 5 cm; Na0 =

1018

cm-3

và R2 = 0,98. Kết

quả cho thấy, laser

Cr:LiSAF Q-switching thụ

động có thể hoạt động

trong chế độ băng hẹp và

Hình 3.13: (a) Dải phổ điều chỉnh bước sóng; (b) Độ rộng xung và năng lượng xung

của laser Cr:LiSAF băng hẹp được Q-switching thụ động bằng Cr:YSO khi sử dụng

một tấm BF có độ dày d = 0,3 mm và góc điều chỉnh A thay đổi từ 28o đến 54

o.

17

điều chỉnh liên tục bước sóng trong một dải phổ rộng tùy thuộc vào các điều kiện bơm và BCH laser.

Hình 3.13-b biểu

diễn độ rộng xung, năng

lượng xung phụ thuộc vào

bước sóng trong dải phổ từ

780 – 920 nm của laser

Cr:LiSAF Q-switching thụ

động bằng Cr:YSO trong

chế độ băng hẹp nhờ sử

dụng một tấm BF có độ

dày 0,3 mm đặt trong BCH

ở góc điều chỉnh A biến đổi

từ 28o đến 54

o khi Pp = 5

W; L = 5 cm và R2 = 0,98.

Kết quả cho thấy, độ rộng xung và năng lượng xung laser phụ thuộc mạnh vào bước sóng. Năng lượng

xung đạt giá trị lớn nhất (~ 2,4 mJ) và độ rộng xung đạt giá trị nhỏ nhất (~ 24 ns) ở phía sóng ngắn

trong vùng sóng khảo sát (Hình 3.3). Điều này được giải thích do ở phía sóng ngắn tiết diện hấp thụ

của chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO có giá trị lớn hơn so với phía sóng dài. Các kết quả tính toán của

chúng tôi là phù hợp tốt với các báo cáo của Chen và Kuo. Độ rộng xung và năng lượng xung laser

Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng Cr:YSO trong chế độ hoạt động laser băng hẹp cũng bị ảnh

hưởng mạnh bởi độ hấp thụ ban đầu Na0 của chất HTBH Cr:YSO (xem Hình 3.14).

CHƢƠNG 4

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÁC BUỒNG CỘNG HƢỞNG GẤP, 4 GƢƠNG

CHO LASER RẮN Cr:LiSAF ĐƢỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Các kết quả nghiên cứu đặc trưng hoạt động của laser rắn Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp

bơm bằng laser diode được trình bày ở các chương trên cho thấy, laser Cr:LiSAF có thể hoạt động ở

chế độ laser băng rộng, băng hẹp cũng như phát xung ngắn và có thể được điều chỉnh liên tục bước

sóng trong một dải phổ rộng. Việc xây dựng các loại laser này đòi hỏi những nghiên cứu mở rộng hơn

nữa trong việc nghiên cứu thiết kế và xây dựng các BCH laser rắn Cr:LiSAF hoạt động trong các chế

độ liên tục, hiệu suất cao và xung ngắn nhờ khóa mode BCH.

4.1. Thiết kế BCH laser nhờ sử dụng mô hình chùm Gauss ABCD

Việc xây dựng các hệ laser rắn được bơm bằng laser diode yêu cầu cần thiết kế một cách chính

xác BCH laser. Các yêu cầu của BCH cho laser làm việc hiệu quả cao lại phụ thuộc vào chế độ hoạt

động của laser, chẳng hạn như chế độ liên tục hoặc xung ngắn. Trong trường hợp laser hoạt động liên

tục, tính ổn định trong hoạt động laser như là hàm của bán kính eo chùm trong môi trường laser, nhưng

trong hoạt động laser khóa mode thụ động, tính ổn định trong hoạt động laser như là hàm của bán kính

eo chùm trong cả môi trường laser và bộ hấp thụ bão hòa.

Hình 3.14: (a) Độ rộng xung và (b) năng lượng xung của laser Cr:LiSAF băng hẹp

được Q-switching thụ động bằng Cr:YSO ở các giá trị Na0 khác nhau của Cr:YSO.

18

Buồng cộng hưởng laser rắn Cr:LiSAF được bơm bằng laser diode ở bước sóng 660 nm mà

chúng tôi thiết kế gồm 4 gương theo cấu hình như được chỉ ra trong Hình 4.1, gồm hai gương cầu M1

(có bán kính cong r1 = -50 mm) và M2 (r2 = -100 mm) để hội tụ chùm laser vào trong tinh thể; hai

gương phẳng M3 (phản xạ cao) và M4 (gương ra). Tinh thể laser Cr:LiSAF có nồng độ pha tạp 3 %, dài

l = 4 mm và hai đầu được cắt theo góc Brewster. Vì tinh thể Cr:LiSAF có tiết diện phát xạ khá thấp

nên để có thể tối ưu công suất laser lối ra, cần thiết phải tính toán thiết kế BCH laser sao cho có sự

chồng chập tốt nhất giữa mode laser trong tinh thể và mode bơm. Tôi đã sử dụng mô hình ma trận

truyền chùm Gauss ABCD để tính toán vùng ổn định của BCH, eo chùm laser trong tinh thể và chất

hấp thụ bão hòa cho việc tối ưu vị trí của các gương laser.

4.2. Phân tích tính ổn định của BCH laser Cr:LiSAF

Hình 4.2 chỉ ra đồ thị vùng ổn định tương quan của các khoảng cách d1 và d2 của BCH laser

Cr:LiSAF 4 gương gấp dạng chữ X trong cả hai mặt phẳng T và S. Kết quả cho thấy, với mỗi một giá

trị của d1 đều tìm được hai giá trị của d2 trong dải ổn định, do đó có hai vùng ổn định của BCH trong

cả hai mặt phẳng T và S.

4.2.1. Vùng ổn định thứ nhất

Hình 4.6: Chùm Gauss đi trong BCH laser

Cr:LiSAF 4 gương gấp dạng chữ X trong cả hai

mặt phẳng T và S bắt đầu từ vị trí tại gương M4

ứng với các tham số BCH: d1 = 24,25 mm; d2 =

48,95 mm; tinh thể Cr:LiSAF (dài lg = 4 mm; chiết

suất ng = 1,41); các khoảng gấp L1 = 430 mm; L2 =

300 mm; hai gương cầu M1 và M2 có bán kính cong

lần lượt 50 mm và 100 mm; các góc tới của hai

gương cầu M1 và M2 tương ứng với 1 = 7,5o và 2

= 6o tại bước sóng laser ~ 870 nm. Các tính toán

này được thực hiện trong vùng ổn định thứ nhất

của BCH.

Hình 4.6 chỉ ra đường đi của chùm

Gauss trong BCH laser Cr:LiSAF 4 gương 0 200 400 600 8000

200

400

600

800

1000

1200

1400

Position of optical elements intracavity (mm)

Be

am

wa

ist

rad

ius (

um

)

T

S

M4M1

M3M2

Tinh thể laser

Vị trí trong buồng cộng hưởng (mm)

(µ

m)

455 456 457 45812141618202224262830

Hình 4.1: (a) Cấu hình BCH laser rắn Cr:LiSAF 4

gương gấp theo hình chữ X và (b) BCH tương đương

(dạng tuyến tính).

Hình 4.2: Giản đồ vùng ổn định giữa d1 và d2 trong

BCH laser Cr: LiSAF 4 gương khi 1 = 7,5°, 2 = 6°,

L1 = 430 mm; L2 = 300 mm and = 870 nm trong cả

hai mặt phẳng T và S.

19

gấp dạng chữ X trong cả hai mặt phẳng T và S bắt đầu từ gương M4 trong vùng ổn định thứ nhất. Kết

quả cho thấy, dựa vào đồ thị này ta có thể xác định được vị trí của các gương M1, M2, M3, M4 và tinh

thể laser trong BCH một cách chính xác khi ta chế tạo hệ laser trong thực nghiệm. Đồng thời đồ thị

cũng chỉ ra bán kính eo chùm Gauss trong tinh thể laser hoặc ở các vị trí bất kỳ trong BCH laser trong

cả hai mặt phẳng T và S. Bán kính eo chùm Gauss trong tinh thể ~ 14,2 µm trong cả hai mặt phẳng T

và S và hai chùm này khá đồng dạng với nhau. Điều này chứng tỏ mode laser trong hai mặt phẳng T và

S chồng chập khá tốt với nhau, do đó chúng ta có thể tối ưu công suất laser ra ứng với các tham số

buồng cộng hưởng này.

4.2.2. Vùng ổn định thứ hai

Hình 4.9 chỉ ra đường đi của chùm Gauss trong BCH laser Cr:LiSAF 4 gương gấp dạng chữ X

trong cả hai mặt phẳng T và S bắt đầu từ gương M4 trong vùng ổn định thứ hai của BCH. Kết quả cho

thấy, dựa vào đồ thị này ta có thể xác định được vị trí của các gương M1, M2, M3, M4 và tinh thể laser

trong BCH một cách chính xác khi ta thiết kế hệ laser. Bán kính eo chùm Gauss trong tinh thể laser

~11 µm trong cả hai mặt phẳng T và S và hai chùm này chồng chập khá tốt với nhau, thể hiện việc bù

trừ quang sai tốt hơn so với vùng ổn định thứ nhất (Hình 3.8). Quang sai gần như đã được loại bỏ

không chỉ ở bên trong tinh thể laser mà còn ở hai gương phẳng trong BCH. Hơn nữa, cánh gấp thứ hai

có độ hội tụ rất tốt, với bán kính eo chùm Gauss rất nhỏ ~ 40 µm (Hình 4.9 bên phải). Vị trí này (tại

gương M3) rất thích hợp để đưa vào một bộ hấp thụ bão hòa (SESAM) trong hoạt động khóa mode thụ

động bằng chất hấp thụ bão hòa. Chúng ta cũng có thể điều chỉnh kích thước bán kính eo chùm Gauss

trên SESAM (tại vị trí gương M3) nhờ thay đổi khoảng cách gấp L2 phù hợp trong dải ổn định của

BCH.

Hình 4.9: Chùm Gauss đi trong BCH

laser Cr:LiSAF 4 gương gấp dạng chữ

X trong cả hai mặt phẳng T và S bắt

đầu từ vị trí tại gương M4 ứng với các

tham số buồng cộng hưởng: d1 = 25,1-

mm, d2 = 63 mm, tinh thể Cr:LiSAF

(dài lg = 4 mm, chiết suất ng = 1,41),

các khoảng gấp L1 = 650 mm; L2 =

220mm, hai gương cầu M1 và M2 có

bán kính cong lần lượt 50 mm và 100

mm; các góc tới của hai gương cầu M1

và M2 tương ứng với 1 = 7,5o và 2 =

6o tại bước sóng laser ~ 870 nm. Các

tính toán được thực hiện trong vùng ổn

định thứ hai của BCH.

4.3. Nghiên cứu thực nghiệm hệ laser Cr: LiSAF liên tục bơm bằng laser diode

4.3.1. Tinh thể laser và gƣơng

Tinh thể Cr: LiSAF (cung cấp bởi VLOC inc., USA) được cắt dọc theo trục a và cắt theo góc

Brewster để giảm thiểu tối đa các mất mát do phản xạ Fresnel. Tinh thể có kích thước 3 × 4 × 3 mm

(trong đó chiều dài là 4 mm), nồng độ pha tạp ion Cr3+

trong LiSAF là 3 %.

Các gương laser được sử dụng trong việc xây dựng hệ laser này có R > 99,96 % @ 700 – 900 nm

và T > 95 % @ 640 – 680 nm). Các gương laser đều được cung cấp bởi Layertec (C. H Đức). Các

0 200 400 600 8000

500

1000

1500

2000

2500

Position of optical elements intracavity (mm)

Beam

wais

t ra

diu

s (

um

)

T

S

M4

M1

M3

(SESAM)

M2

Tinh thể laser

676 677 67810

20

30

Be

am

wa

ist

rad

ius

(µm

)B

ea

m r

ad

ius

(µm

)

Vị trí trong buồng cộng hưởng (mm)

(µ

m)

216 218 220 222 22435

36

37

38

39

L2 (mm)

w o

n M

3 (

um

)

T

S

tr

ên

M3

(µm

)

20

gương được sử dụng cho việc thiết kế BCH laser Cr:LiSAF ở chế độ liên tục bao gồm hai gương cầu

M1 (r1 = - 50 mm), M2 (r2 = - 100 mm). Cả hai gương này đều có hệ số phản xạ rất cao (> 99,96 %) ở

bước sóng laser (700 – 900 nm). Hai gương còn lại là hai gương phẳng, trong đó một gương M3 có độ

phản xạ rất cao (> 99,96 %) và gương M4 là gương ra có độ phản xạ < 100 %. Trong chế độ hoạt động

này, chúng tôi sử dụng các gương ra có độ truyền qua lần lượt là 0,46 %; 1 %; 2 % và 5 %.

4.3.2. Nguồn bơm và cấu hình bơm

Nguồn bơm được sử dụng cho hệ laser Cr:LiSAF này là một laser diode AlGaInP hiệu suất cao,

hoạt động ổn định, đơn mode không gian được cung cấp bởi Mitsubishi (101J27-01). Laser diode có

độ chói cao (brightness) với công suất cực đại ~ 120 mW khi bơm ở dòng 200 mA ở bước sóng ~ 660

nm. Laser bơm với phân cực ngang, có chất lượng chùm cao với một profile chùm gần giới hạn nhiễu

xạ (M2 ~ 1,1). Chùm laser diode được chuẩn trực bằng một thấu kính phi cầu có tiêu cự f = 6 mm.

BCH laser Cr:LiSAF trong chế độ liên tục được bơm bởi laser diode ở bước sóng 660 nm gồm 4

gương, có dạng chữ X như được chỉ ra trong Hình 4.18.

Tín hiệu huỳnh quang

và laser sau gương ra M4

dễ dàng được quan sát

nhờ sử dụng một đầu thu

photodiode Si nhạy cùng

với bộ khuếch đại lên tới

10 V (PDA36A-EC Si

Amplified Detector,

Thorlabs, Hoa Kỳ) và một

dao động ký số. Hoạt

động laser dễ dàng đạt

được và quan sát khi tất

cả các gương được định vị

một cách chính xác. Sau

khi thu được bức xạ laser,

chúng tôi đã tiếp tục tối

ưu công suất laser nhờ

một đầu thu công suất

(Ophir NOVA-OP Power

Meter, Max. 3 W; 50

W/cm2, Newport). Phổ laser được đo bằng một máy quang phổ nhạy, phân giải cao (Ando AQ6317B

Optical Spectrum Analyzer, 600 nm – 1750 nm, = 0,01 nm, Nhật Bản).

4.3.3. Đặc trƣng công suất, hiệu suất và phổ laser của laser Cr:LiSAF

Hoạt động liên tục của hệ laser Cr:LiSAF được khảo sát với 4 gương ra có độ truyền qua khác

nhau gồm 0,46 %; 1 %; 2 % và 5 % trong vùng ổn định thứ nhất của BCH. Công suất laser tốt nhất đạt

được (~ 31,8 mW) với gương ra có độ truyền qua là Toc = 2 % và ngưỡng laser đạt được thấp nhất (~

11,3 mW) ứng với gương ra có độ truyền qua Toc = 0,46 % (Hình 4.21-a).

Hình 4.18: (a) Cấu hình bơm và BCH laser Cr:LiSAF ở chế độ liên tục bơm bằng laser

diode được phát triển trong vùng ổn định thứ nhất ứng với các tham số BCH (L1 = 430

mm and L2 = 300 mm, d1 = 24,25 mm and d2 = 48,95 mm, 1 = 7,5°, 2 = 6°). (b) Ảnh

chụp hệ laser rắn Cr:LiSAF 4 gương gấp theo hình chữ X, được bơm bằng laser diode.

21

Phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF có đỉnh gần 869 nm với gương ra có độ truyền qua Toc = 1 % và

được bơm ở công suất Pp = 99 mW cũng được chỉ ra trong Hình 4.21-b. Kết quả đo eo chùm laser

Cr:LiSAF theo hai mặt phẳng x và y cũng đã được thực hiện và qua đây chúng tôi tính được chất lượng

chùm laser

Cr:LiSAF trong chế

độ liên tục là M2 ~

1,1.

Hình 4.22 là

kết quả về đặc trưng

công suất laser

Cr :LiSAF trong chế

độ liên tục được tính

toán nhờ sử dụng hệ

phương trình tốc độ

(2.1) & (2.2) với

cùng bộ tham số của

BCH và nguồn bơm

như phần thực

nghiệm ở trên.

Hình 4.22-a chỉ ra đặc trưng công suất của laser rắn Cr:LiSAF được bơm liên tục bằng laser

diode ở các độ truyền qua Toc của gương ra từ 0,1 % đến 10 %. Kết quả cho thấy, laser có thể đạt được

hiệu suất dốc khá cao, lên tới ~ 38,8 % và công suất cực đại ~ 65 mW và ngưỡng laser chỉ 49,6 mW

ứng với gương ra có độ truyền qua 5 % và ở công suất bơm 200 mW.

Hình 4.22-b

biểu diễn công

suất trung bình

của laser rắn

Cr:LiSAF phụ

thuộc vào độ

truyền qua Toc của

các gương ra ở các

công suất bơm

khác nhau. Kết

quả cho thấy, khi

công suất bơm

nhỏ công suất laser

Cr:LiSAF cực đại

đạt được ứng với

gương ra có độ truyền qua thấp và công suất lớn nhất dần dịch về phía độ truyền qua tăng khi tăng

công suất của laser bơm. Tuy nhiên, công suất laser Cr:LiSAF tối ưu ứng với các gương ra có độ

truyền qua nằm quanh giá trị từ 3 – 5 %. Công suất laser ra trung bình lớn nhất đạt giá trị cực đại ~ 65

Hình 4.21: (a) Công suất laser Cr:LiSAF phụ thuộc công suất bơm được hấp thụ ở các

gương ra có độ truyền qua khác nhau. (b) Phổ phát xạ của laser Cr:LiSAF có đỉnh gần 869

nm với gương ra có độ truyền qua Toc = 1 % và được bơm ở công suất Pp = 99 mW.

.

Hình 4.22: (a) Công suất laser rắn Cr:LiSAF như là hàm của công suất bơm ở Toc khác nhau.

(b) Công suất của laser rắn Cr:LiSAF như là một hàm của độ truyền qua của gương ra ở các

công suất bơm Pp khác nhau: 50 mW; 100 mW; 150 mW; 200 mW và 300 mW.

22

mW khi công suất bơm 200 mW tương ứng với giá trị độ truyền qua của gương ra xung quanh 5 % và

giảm dần khi tiếp tục tăng hoặc giảm độ truyền qua của gương ra.

4.3.4. Thực nghiệm và tính toán lý thuyết hệ laser Cr:LiSAF điều chỉnh bƣớc sóng

Hoạt động điều chỉnh bước sóng của laser Cr:LiSAF được thực hiện nhờ đưa vào BCH một lăng

kính được cắt theo góc Brewster (làm từ vật liệu Fused silica với iB = 60,6o

- Thorlabs, USA). Hình

4.24 chỉ ra cấu hình BCH laser Cr:LiSAF trong chế độ liên tục được điều chỉnh liên tục bước sóng.

Lăng kính được đặt cố định dưới một góc Brewster nhằm làm giảm tối đa các mất mát do phản xạ trên

mặt lăng kính. Laser Cr:LiSAF được điều chỉnh bước sóng nhờ quay gương ra M4 ở các góc thích hợp.

Hình 4.24: Giản đồ và ảnh chụp hệ laser Cr: LiSAF điều chỉnh bước sóng nhờ sử dụng một lăng kính P (Fused silica)

đặt trong BCH dưới một góc Brewster trong vùng ổn định thứ nhất của BCH.

Hình 4.26 (I) – kết

quả thực nghiệm và (II) –

kết quả tính toán lý thuyết

biểu diễn dải phổ điều

chỉnh liên tục bước sóng

(a) và độ rộng phổ tại

bước sóng gần 850 nm của

laser Cr:LiSAF nhờ sử

dụng một lăng kính P đặt

trong BCH, được bơm liên

tục bởi laser diode ở công

suất bơm Pp = 99 mW với

độ truyền qua của gương

ra Toc = 1 %. Kết quả cho

thấy, laser Cr:LiSAF có

độ rộng vạch phổ ~ 0,18

nm (thực nghiệm) và ~

0,15 nm (tính toán lý

thuyết) và có khả năng

điều chỉnh liên tục bước

sóng trong một khoảng phổ rộng hàng trăm nm. Kết quả tính toán này phù hợp tốt với kết quả thực

nghiệm.

Hình 4.26: (a) Dải phổ điều chỉnh bước sóng của laser Cr:LiSAF và (b) Phổ laser

Cr:LiSAF tại bước sóng gần 850 nm với gương ra có độ truyền qua Toc = 1 % được

bơm ở công suất Pp = 99 mW bởi một laser diode.

23

KẾT LUẬN

Luận án đã nghiên cứu những nội dung sau:

Nghiên cứu các tính chất của vật liệu laser rắn Cr:LiSAF. Phân tích những vấn đề vật lý trong

các nghiên cứu và phát triển của các laser thuộc họ colquiriite pha tạp ion Cr3+

.

Nghiên cứu động học laser rắn Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp được bơm bằng các xung

laser diode. Khảo sát những ảnh hưởng của các tham số bơm, tham số BCH (chiều dài BCH, hệ số

phản xạ gương ra...) lên các dao động hồi phục cũng như tiến trình phổ-thời gian nhờ sử dụng hệ

phương trình tốc độ đa bước sóng.

Nghiên cứu động học và các đặc trưng của laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp

thụ bão hòa Cr:YSO, được bơm liên tục bằng laser diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng

và băng hẹp điều chỉnh bước sóng trên cơ sở thiết lập được hệ phương trình đa bước sóng cho laser Q-

switching thụ động.

Nghiên cứu thiết kế các BCH cho laser Cr:LiSAF hoạt động ở hai chế độ liên tục và khóa mode

thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa, được bơm bằng laser diode. Phát triển thành công một hệ laser rắn

Cr:LiSAF liên tục, hiệu suất cao và ngưỡng laser thấp có khả năng điều chỉnh bước sóng, được bơm

bằng laser diode đơn mode không gian trên cơ sở các tính toán, thiết kế BCH.

Một số kết quả nghiên cứu mới của luận án:

Luận án đã góp phần phát triển nghiên cứu động học và công nghệ của laser rắn Cr:LiSAF được

bơm bằng laser diode. Những kết quả nghiên cứu mới của luận án có thể tóm tắt như sau:

1. Việc nghiên cứu động học trong quá trình phát xạ laser Cr:LiSAF băng rộng và băng hẹp dựa

trên hệ phương trình tốc độ mở rộng cho các bước sóng laser đã cho phép quan sát tường minh được

một tiến trình phổ - thời gian trong phát xạ laser của một môi trường laser có phổ khuếch đại băng

rộng, được coi là mở rộng đồng nhất như môi trường laser Cr:LiSAF. Động học laser Cr:LiSAF bị ảnh

hưởng rất mạnh bởi các thông số bơm và thông số buồng cộng hưởng.

2. Việc nghiên cứu quá trình quá độ của buồng cộng hưởng laser cho thấy: Khi bơm ở gần

ngưỡng, laser Cr:LiSAF có thể phát các xung đơn, ngắn cỡ vài chục ns, ngắn hơn hàng nghìn lần so

với xung bơm 100 µs. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong các môi trường laser rắn

khác như Nd:YVO4 ....

3. Xây dựng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho laser Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng

chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO có phổ hấp thụ băng rộng. Qua đó, chúng tôi đã nghiên cứu lần đầu tiên

động học của laser rắn Cr:LiSAF Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YSO, được bơm

liên tục bằng laser diode trong cả hai chế độ hoạt động laser băng rộng và băng hẹp điều chỉnh bước

sóng. Các đặc trưng hoạt động của laser này không chỉ phụ thuộc vào các tham số bơm, buồng cộng

hưởng và tham số chất hấp thụ bão hòa mà còn phụ thuộc mạnh vào bước sóng.

4. Việc nghiên cứu thiết kế các buồng cộng hưởng cho laser Cr:LiSAF hoạt động ở hai chế độ liên

tục và khóa mode thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa, được bơm bằng laser diode cho phép chọn được

các tham số buồng cộng hưởng tối ưu để phát triển thực nghiệm hệ laser Cr:LiSAF liên tục và xung

ngắn. Các kết quả thực nghiệm phù hợp tốt với các kết quả tính toán lý thuyết.

24

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

1. Nguyen Van Hao, Pham Van Duong, Pham Hong Minh, Do Quoc Khanh, and Antonio Agnesi

(2014), “Design and development of the folded 4-mirror resonators for diode end-pumped solid-

state Cr:LiSAF lasers”, Communication in Physics Vol. 24, No. 3S2, pp. 109-120.

2. Nguyen Van Hao, Pham Hong Minh, Pham Van Duong, Nguyen The Binh, and Nguyen Dai

Hung (2014), “Numerical investigations of laser diode end-pumped solid-state Cr:LiSAF lasers

passively Q-switched with Cr:YSO crystal”, Communication in Physics Vol. 24, No. 3S2 pp. 71-

84.

3. Nguyen T. Nghia, Nguyen V. Hao, Valentin A. Orlovich and Nguyen D. Hung (2011),

“Generation of nanosecond laser pulses at a 2.2-MHz repetition rate by a cw diode-pumped

passively Q-switched Nd3+

:YVO4 laser”, Quantum Electronics, 41 (9), pp. 790-793.

4. Nguyen Van Hao, Nguyen Trong Nghia, Ngo Khoa Quang and Nguyen Dai Hung (2010),

“Resonator transients of all solid-state Cr:LiSAF and Nd:YVO4 lasers - generation of single short

laser pulse.” Computational Methods in Science and Technology, Special Issue 2 (Scientific

Publishers own-Poznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp. 39-45.

5. Nguyen Van Hao, Nguyen Dinh Hoang, Ngo Khoa Quang, Dao Duy Thang, and Nguyen Dai

Hung (2010), “Characteristics of diode end-pumped passively Q-switched solid-state Cr3+

:LiSAF

laser”, Computational Methods in Science and Technology, Special Issue 2 (Scientific Publishers

own-Poznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp. 27-31.

6. Nguyen Van Hao, Nguyen Dinh Hoang, Phung Viet Tiep and Nguyen Dai Hung, “Spectro-

Temporal Evolution and Transient Resonator in Solid-State Cr3+

:LiSAF Laser Emissions”,

Computational Methods in Science and Technology, Special Issue 2 (Scientific Publishers own-

Poznan, PAN, Poland, ISSN 1505-0602), pp. 21-25.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

MÀ NCS THAM GIA

1. Nguyen Van Hao, Dam Trung Thong, Nguyen Dinh Hoang, Pham Van Duong and Pham Huy

Thong (2014), “Generation of 180 ps laser pulses from single-mode diode laser at 660 nm”, Proc.

3rd

Conf. Nat. Scie. for Master and PhD Students from ASEAN (Phnom Penh, 11 - 15 Nov. 2013),

pp. 504-508, ISBN-978-604-913-088-5.

2. Pham Van Thai, Nguyen Van Hao, Ngo Thi Huong và Lê Thị Kim Cương (2014), “Thiết kế, chế

tạo thiết bị khảo sát dạng chùm laser dựa trên CCD camera và webcam”, Những tiến bộ trong Vật

lý Kỹ thuật và Ứng dụng – Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia (Huế, 8-12/10/2013), tr. 71-77, ISBN- 978-

604-913-232-2.

25

3. Nguyen Dinh Hoang, Nguyen Thi My An, Nguyen Van Hao và Đỗ Quốc Khánh (2014), “Phát

triển một hệ đo độ rộng xung laser cực ngắn đơn giản”, Những tiến bộ trong Vật lý Kỹ thuật và

Ứng dụng – Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia (Huế, 8-12/10/2013), tr. 159-164, ISBN-978-604-913-232-

2.

4. Nguyễn Văn Hảo, Lê Thi Kim Cương, Liamorkamar Keryang, A. Grabtchikov, Phạm Long và

Nguyễn Đại Hưng (2013), “Một số đặc trưng của laser rắn Nd:YVO4 được bơm bằng laser diode

công suất cao”, Proc. Adv. in Opt., Photo., Spec. & Appl. VII, ISSN: 1859 – 4271, 523-528.

5. Pham Hong Minh, Nguyen Van Hao, Trinh Dinh Huy, Marylou Cadatal-Radubana and Nobuhiko

Sarukura (2011), “Ce:LiCAF crystal grown by the micro-pulling down method as femtosecond

ultraviolet laser materials”, Proc. 2nd

Acad. Conf. Nat. Scie. for Master and Ph.D Students From

Cambodia- Laos-Malaysia and Vietnam, VAST publisher, pp.148-151, ISBN-978-604-913-088-5.

6. Pham Hong Minh, Nguyen Van Hao, Le Thi Kim Cuong, and Pham Huy Thong (2011),

“Dynamics of all solid-state Nd:YVO4 picosecond laser amplifier”, Proc. 2nd

Acad. Conf. Nat.

Scie. for Master and Ph.D Students From Cambodia -Laos -Malaysia and Vietnam, VAST

publisher, pp.85-89, ISBN-978-604-913-088-5.

7. Nguyễn Văn Hảo, Nguyễn Trọng Nghĩa, Vương Văn Cường và Nguyễn Đại Hưng (2011), “Laser

rắn Nd:YAG biến điệu thụ động được bơm bằng các xung laser diode”, Adv. in Opt., Phot., Spec.

& Appl. VI (Ed. Philippe Brechignac et al., VAST publisher), pp.223 - 228, ISSN: 1859-4271.

8. Vương Văn Cường, Đỗ Quốc Khánh, Nguyễn Văn Hảo và Nguyễn Đại Hưng (2011), “Những

nghiên cứu và phát triển phép đo độ dài xung laser cực ngắn bằng thiết bị tự tương quan”, Adv. in

Opt., Phot., Spec. & Appl. VI (Ed. Philippe Brechignac et al., VAST publisher), pp.751-757, ISSN

1859-4271.

9. Đỗ Quốc Khánh, Nguyễn Trọng Nghĩa, Nguyễn Văn Hảo và Vương Văn Cường (2010), “Những

nghiên cứu và phát triển các thiết bị đo độ dài xung ánh sáng laser cực ngắn”, Tuyển tập các công

trình Hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (1975-

2010), tr. 102-108, ISBN: 987-604-913-009-0.