Tải bản đầy đủ
2 Phương pháp phát xung ngắn nano giây nhờ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching)

2 Phương pháp phát xung ngắn nano giây nhờ biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Q-switching)

Tải bản đầy đủ

lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương.
Muốn tăng độ phẩm chất buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài của
buồng, tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương.
Có nhiều nguyên nhân làm giảm độ phẩm chất buồng cộng hưởng
quang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song của
gương, độ nhám của mặt gương... Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìm
Dòng đèn bơm

cách khắc phục được những nhược điểm đó.
1.2.2 Nguyên tắc của phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng
hưởng

(a)

Tên gọi của phương pháp xuất phát từ thực tế là độ phẩm chất buồng
cộng hưởng (Q) được biến đổi trong quá trình laser hoạt động.
Mất mát BCH

max

t

Q thấp
Q cao

min

(b)

Nghịch đảo

t

ni
(c)

ns
Thông lượng photon

nf

t

Φmax

Δtp

(d)

Φmin
t0

t
Hình 1.6: Tiến trình phát xung laser ngắn bằng phương pháp Q - Switching.

Hình 1.6 biểu diễn nguyên tắc hoạt động điều biến độ phẩm chất buồng
cộng hưởng. Thoạt đầu sự phát xạ laser là không thể do độ phẩm chất của
buồng cộng hưởng được giữ ở mức thấp nhất (tức là mất mát buồng cộng
hưởng cao nhất) (hình 1.6b). Thời gian cuối của xung bơm (bằng đèn flash
hoặc laser diode) (hình 1.6c), khi nghịch đảo độ tích luỹ đã đạt tới giá trị cực
đại, độ phẩm chất Q được chuyển sang giá trị cao (tương ứng với giá trị mất
mát buồng cộng hưởng thấp nhất). Tại thời điểm này, thông lượng photon bắt
đầu tăng lên trong buồng cộng hưởng và xung laser được hình thành (hình
1.6d). Như ta thấy trên hình vẽ, sự phát xung laser ở chế độ điều biến độ
phẩm chất xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định so với thời điểm mở
“khoá” độ phẩm chất .
1.2.3. Các kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng
Có nhiều kỹ thuật điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Người ta
thường phân chia thành hai nhóm chính:
* Phương pháp chủ động, trong đó việc điều khiển quá trình điều biến độ
phẩm chất được thực hiện nhờ một nguồn tín hiệu bên ngoài.
* Phương pháp thụ động, là phương pháp mà việc điều biến độ phẩm
chất hoàn toàn không có sự can thiệp từ bên ngoài.
1.2.3.1. Phương pháp điều biến độ phẩm chất chủ động

Các bộ điều biến phẩm chất chủ động có thể hoạt động dựa trên một
trong các nguyên lý sau: cơ-quang, điện-quang, âm-quang.
● Trong buồng cộng hưởng được điều biến cơ-quang, gương cuối (hoặc
nó được thay thế bằng một lăng kính 90 0 phản xạ toàn phần) quay rất nhanh
quanh một trục vuông góc với quang trục của buồng cộng hưởng laser. Độ
phẩm chất của buồng cộng hưởng một cách tuần hoàn đạt được giá trị cực đại
sau mỗi vòng quay của lăng kính, ứng khi mặt cạnh huyền của lăng kính
vuông góc với trục buồng cộng hưởng.
● Việc điều biến điện-quang thường được thực hiện bằng cách làm thay
đổi tính phân cực của môi trường do tác dụng của một điện trường ngoài. Hai
hiệu ứng điện-quang thường được áp dụng là hiệu ứng Kerr và hiệu ứng
Pockels.
● Bộ điều biến âm-quang làm việc trên nguyên lý nhiễu xạ siêu âm. Một
sóng siêu âm lan truyền trong môi trường tạo ra trong đó một ứng suất, ứng suất
này làm cho chiết suất của các lớp khác nhau của môi trường thay đổi tuần hoàn
theo không gian với chu kỳ bằng bước sóng của sóng âm và lan truyền trong môi
trường với vận tốc âm thanh. Cấu trúc có chiết suất thay đổi tuần hoàn này sẽ làm
nhiễu xạ sóng ánh sáng khi nó truyền qua [4].
Bộ điều biến điện-quang có độ tổn hao (khi mở) lớn hơn một bậc so với độ
tổn hao của bộ điều biến âm-quang (cỡ 0,1 %). Tuy nhiên, điều biến điện-quang
có thể đạt mất mát 100 % (khi đóng) trong khi điều biến âm-quang lại không thể.
Hơn nữa, quán tính của bộ điều biến điện-quang nhỏ hơn hai thậm chí là ba bậc so
với bộ điều biến âm-quang. Đây là một lý do khiến bộ điều biến âm-quang thường
được dùng với laser bơm liên tục trong khi điều biến điện-quang thường dùng cho
các laser xung [4].
1.2.3.2. Điều biến độ phẩm chất bằng phương pháp thụ động
Thông thường, bộ điều biến phẩm chất loại thụ động là một cuvet đựng
dung dịch chất màu hữu cơ hoặc là một tinh thể bán dẫn hoặc Cr 4+: YAG được

pha tạp nhất định mà có độ hấp thụ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng tới
theo biểu thức:

(1.2)
Trong đó, α0: hệ số hấp thụ
α : độ hấp thụ (hay năng suất hấp thụ)
, với

là tiết diện hấp thụ của chuyển dời. Với vật liệu

như vậy, độ truyền qua của nó có dạng:

(1.3)
Trong đó, To là độ truyền qua ban đầu,

;

l là độ dày của vật liệu.
Đặc tính truyền qua của vật liệu hấp thụ bão hoà được minh hoạ trên hình 1.7:
0.90
0.85

Độ truyền qua

0.80

0.75

0.70
0.65
0.60

0.01

0.1

1

10

Huỳnh quang chuẩn hoá E/Es

100

Hình 1.7: Độ truyền qua của vật liệu thay đổi theo thông lượng tới

Vật liệu hấp thụ được sử dụng làm khoá phẩm chất có độ truyền qua
tăng khi thông lượng ánh sáng tăng và ở mức thông lượng cao, vật liệu hầu
như trở lên trong suốt. Lúc này, ta nói rằng vật liệu đã hấp thụ bão hoà (hay

còn gọi là bị tẩy trắng). Ví dụ, nó trở nên trong suốt - không hấp thụ khi
cường độ ánh sáng tới có công suất đủ lớn- như các dung dịch màu hữu cơ:
chất màu cyanine thường được dùng để biến điệu trong laser Ruby, chất màu
polymethine thường dùng trong laser Nd... Ngoài ra, người ta còn sử dụng các
bộ biến điệu phi tuyến dựa trên hiệu ứng tán xạ cưỡng bức Brilloun, hoặc các
gương bán dẫn (SESAM - semiconductor saturable absorber mirror) có hệ số
phản xạ phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng tới [2].
Cần chú ý rằng, thời gian sống của phân tử hay nguyên tử của vật liệu
hấp thụ phải rất ngắn so với thời gian sống của mức năng lượng laser trên.
Ban đầu, các bộ hấp thụ bão hoà dùng để điều biến độ phẩm chất thường là
các chất màu hữu cơ được pha loãng trong dung môi hữu cơ (thời gian sống
của các phân tử màu cỡ nano giây). Tuy nhiên, loại vật liệu điều biến này có
tuổi thọ thấp do sự thoái hoá phân tử màu và khả năng chịu nhiệt thấp, do vậy
ứng dụng của chúng bị hạn chế. Sự phát hiện ra các tinh thể pha tạp các ion
hấp thụ hoặc chứa các tâm màu đã cải thiện đáng kể tuổi thọ và độ tin cậy của
các khoá phẩm chất thụ động.
Do khoá phẩm chất loại thụ động được điều biến do chính bản thân
trường bức xạ trong buồng cộng hưởng nên không đòi hỏi nguồn cao áp hay
các bộ điều khiển quang – điện như trong các phương pháp điều biến độ phẩm
chất buồng cộng hưởng nói trên.


Ưu, nhược điểm của phương pháp điều biến độ phẩm chất buồng
cộng hưởng
Ưu điểm:

- Gần như không có mất mát trong thiết bị biến điệu.
-

Có thể đạt được độ mất mát cực đại (100 %) khi đóng.
Thiết bị điện tử điều khiển hoạt động đơn giản.
Độ tin cậy cao.
Thiết kế đơn giản, rẻ tiền, gọn nhẹ.

Nhược điểm: - Tốc độ biến điệu còn chậm, do đó các xung tạo ra còn dài.
-

Tần số lặp lại và độ rộng xung cố định, không điều
chỉnh được.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ Nd: YAG
BIẾN ĐIỆU THỤ ĐỘNG ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

Mục đích của khóa luận là thiết kế hệ laser rắn Nd: YAG biến điệu thụ động
bơm bằng laser diode. Laser diode dùng trong trường hợp này là một laser diode
công suất cao. Do vậy, tiến hành nghiên cứu, khảo sát các đặc tính hoạt động của
nguồn bơm laser diode này để làm chủ, điều khiển sự hoạt động của laser diode là
một việc rất quan trọng. Ngoài ra, trong chương này chúng tôi cũng giới thiệu các
kỹ thuật thiết kế và xây dựng hệ laser Nd: YAG bơm bằng laser diode trong cả hai
chế độ hoạt động liên tục và xung ngắn nano giây nhờ phương pháp biến điệu thụ
động (Q-Switching) bằng chất hấp thụ bão hòa.
2.1 Nghiên cứu các bộ phận của nguồn bơm laser diode
2.1.1 Nguồn nuôi laser diode (LDD-10)

Hình 2.1. Nguồn nuôi LDD-10 (kích thước: 28 × 23 × 10 cm3).

Nguồn nuôi LDD-10 (ATC, Nga) được thiết kế cho các chức năng sau:
● Cung cấp dòng điện ổn định cho laser diode hoạt động ở chế độ liên
tục và chế độ xung.
● Điều khiển dòng cấp cho laser diode.
● Ổn định và điều khiển nhiệt độ của laser diode.
● Điều khiển công suất quang của laser diode với photodiode phản hồi
được gắn bên trong.
● Bảo vệ laser diode khỏi những nguy hiểm về điện và nhiễu.
Các thông số kĩ thuật của nguồn nuôi được trình bày chi tiết trong bảng
2.1 trong phần phụ lục.
2.1.2. Bộ làm mát cho laser diode (ATC - 03H)
Các laser diode khi hoạt động ở chế độ liên tục hay ở chế độ xung
với độ lặp lại của xung lớn hơn 500 ms thì ta cần phải làm lạnh cho laser
diode.
Chúng tôi sử dụng bộ phận làm mát được mô tả như trong hình 2.2

Bộ tỏa nhiệt

Quạt gió

Đầu laser diode

Mũ bảo vệ
laser diode
Hình 2.2. Bộ làm mát cho lase diode và đầu laser