Tải bản đầy đủ
Trong đó: bộ tản nhiệt (1) ; tấm Peltier (3) ; giá gắn laser diode (4); mũ bảo vệ laser diode (6); giắc nối với nguồn LDD-10 (7); Quạt gió (8). Bộ làm mát ATC - 03H có các thông số kĩ thuật được trình bày trong bảng 2.2 phần phụ lục.

Trong đó: bộ tản nhiệt (1) ; tấm Peltier (3) ; giá gắn laser diode (4); mũ bảo vệ laser diode (6); giắc nối với nguồn LDD-10 (7); Quạt gió (8). Bộ làm mát ATC - 03H có các thông số kĩ thuật được trình bày trong bảng 2.2 phần phụ lục.

Tải bản đầy đủ

√ Bán kính cong: r1 = ∞; r2 = -10 cm
√ Hệ số phản xạ: R ≈ 100% (λ = 1064 nm), R < 5 % (λ = 808 nm).
● Tinh thể Nd3+: YAG:
Tinh thể Nd: YAG (nồng độ pha tạp là 1 %) được sử dụng để xây dựng hệ
thống laser này do hãng Casix, Trung Quốc chế tạo. Tinh thể có dạng thanh,
đường kính 3 mm và dài 3 mm. Hai mặt tinh thể đã được gia công màng chống
phản xạ cho bước sóng laser 1064 nm và bước sóng của laser bơm 808 nm.
● Gương laser đầu M2 (TL, Đức):
√ Bán kính cong: r1 = r2 = ∞.
√ Hệ số phản xạ: 77 % và 94 % (λ = 1064 nm) , R < 5 % (λ = 808 nm).
● Các giá đỡ gương (Thorlabs, Mỹ):
Yêu cầu: Giá đỡ phải có khả năng điều
chỉnh chính xác hai chiều x-y. Do vậy,
chúng tôi đã sử dụng các giá gương là loại
Ultra-stable Kinematic.
√ Góc quay điều chỉnh ± 4,75 độ.

Hình 2.4. Giá đỡ gương.

√ Độ phân giải góc 27’/vòng.
● Giá đỡ tinh thể :
Giá đỡ tinh thể phải dẫn nhiệt tốt nhất cho tinh thể, do vậy vật liệu chế
tạo giá đỡ được chọn bằng đồng. Trong khi gia công phải đảm bảo độ chính
xác để bề mặt giá đỡ có khả năng tiếp xúc cao nhất với tinh thể Nd:YAG, như
vậy sẽ dẫn nhiệt tốt cho tinh thể khi laser hoạt động.


Tinh thể Cr4+: YAG (CASIX- China) – chất hấp thụ bão hòa:
* Mức độ pha tạp : 1 %.
* Ngưỡng hư hỏng : 500 MW/cm2

* Phủ chống phản xạ : R < 0,2% ở 1064 nm
* Hệ số truyền qua ban đầu T0 là 80 % hoặc 90%.
2.3. Sơ đồ khảo sát công suất laser diode theo dòng bơm

(5)

Để khảo sát đặc trưng dòng-công suất của laser diode chúng tôi sử dụng
đầu đo năng lượng 13PME001 của hãng Melles Griot, Mỹ. Độ phân giải của
đầu đo công suất là 10 µW. Nhiệt độ của laser được giữ ở 25 0C và nhiệt độ
phòng là 25 0C. Dòng bơm cho(3)laser diode được tăng từ 400 đến 2000 mA.
(2)

(4)

(1)
Hình 2.5: Sơ đồ hệ đo công suất của laser diode
(1) Nguồn nuôi laser diode LDD-10
(4) Đầu đo năng lượng (Melles
Đường chuẩn
(2)
Laser
diode
2.4. Thiết kế hệ laser Nd:YAG được bơm bằng laser
diode
Griot 13PME001)
(3) Thấu kính hội tụ
(5) Bộ phận hiển thị công suất

2.4.1. Thiết kế hệ laser Nd:YAG
phát
Chùm
Laserliên tục D1
D2
L
M1

Tiến hành thiết
M2 kế hệ laser Nd: YAG được bơm bằng laser diode công
Laser He-Ne

suất cao ATC, sử dụng cấu hình bơm dọc, với buồng cộng hưởng thẳng.
Chùm bơm
Nd: YAG

Đầu bơm
Laser diode

Hình 2.6. Sơ đồ khối kỹ thuật lắp ráp hệ laser rắn Nd: YAG bơm bằng laser diode

Sơ đồ khối của hệ laser lắp ráp được sử dụng cho việc xây dựng cấu hình
laser được trình bày trên hình 2.6.

Với quá trình căn chỉnh, đề nghị nên có:
• Định hướng bằng laser He-Ne hoặc 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 căn chỉnh được nêu ra dưới đây:
- Cố định laser diode xuống mặt bàn quang học.
- Nối đầu diode laser với bộ điều khiển laser và bật công tắc. Điều chỉnh
để bức xạ từ laser diode phát ra song song với mặt bàn quang học.
- Lắp laser He-Ne cho tia laser chiếu thẳng đến đầu phát của laser diode
sao cho hai chùm tia trùng nhau và cùng song song với mặt bàn quang học.
- Dùng hai diaphram D1 và D2 (đường kính lỗ 1 mm) để đánh dấu đường
chuẩn.
- Dùng thấu kính bơm L để hội tụ chùm bơm của laser diode sao 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 và cố định khối xuống bàn sao
cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2 (rộng cỡ 1 mm).
- Lắp tinh thể laser vào giá đỡ tinh thể và cố định xuống bàn quang học
sao cho điểm hội tụ của vết bơm đi vào tâm của tinh thể.
- Lắp gương cuối M2 vào giá đỡ gương và cố định khối xuống bàn sao
cho tia phản xạ của laser He-Ne đi qua D1 và D2.
Thực hiện các tinh chỉnh của việc xoay tinh thể bằng cách nghiêng giá
đỡ tương ứng và nghiêng giá đỡ gương M 2 bằng cách xoay các vít vi chỉnh 2
chiều để có được sự phù hợp cần thiết.

Để công suất bơm ở một giá trị khá cao sau đó tinh chỉnh sự đồng trục
của quang hệ nhằm mục đích phát laser.
Kiểm tra đầu ra của laser bằng card hồng ngoại. Đặt mặt trắng của card ở
đầu ra của laser. Nếu có ánh sáng laser, ta sẽ thấy chấm sáng ở trên card.
Khi có chấm sáng trên card hồng ngoại thì chứng tỏ laser đã hoạt động.

Các yếu tố cơ-quang của hệ phải đáp ứng được một số chức năng và đặc
tính kỹ thuật sau:
● Nguồn bơm laser để đạt được hiệu suất bơm quang học tốt nhất phải có:
√ Phổ phát xạ của laser bơm phải trùng với phổ hấp thụ của ion Nd3+.
√ Công suất laser bơm phải đủ lớn, đảm bảo cho hoạt động ổn định của
laser Nd:YAG (nhiều lần trên ngưỡng).
√ Ổn định cao về cường độ và phổ trong quá trình làm việc hay nói các
khác laser diode phải được ổn định dòng bơm và nhiệt độ trong quá trình
làm việc.
● Thấu kính bơm: để đảm bảo đạt được mật độ bơm quang học lớn thì
khả năng hội tụ của thấu kính này phải cao, điều này đòi hỏi thấu kính sử
dụng phải có khẩu độ số NA lớn và tiêu cự ngắn.
● Gương cuối (gương vào) của buồng cộng hưởng laser Nd: YAG phải là
gương có độ truyền qua cao (từ 94 % đến 100 %) ở bước sóng bơm 808 nm
nhưng có độ phản xạ cao ở bước sóng laser 1064 nm.
● Các yếu tố quang học phải có khả năng vi chỉnh chính xác, đáp ứng
cho việc bố trí và điều chỉnh buồng cộng hưởng quang học của laser.
2.4.2 Thiết kế hệ laser Nd: YAG phát xung ngắn nano giây bằng phương
pháp Q-switching
Để laser Nd: YAG phát xung ngắn chúng tôi sử dụng phương pháp điều
biến độ phẩm chất thụ động, tinh thể hấp thụ bão hòa Cr 4+: YAG được sử

Laser ra

M1

dụng để làm khóa

M2
phẩm

Nd3+
Cr4+

chất buồng cộng hưởng. Đặc Thấu
tínhkính
của vật liệu hấp thụ

GRINtăng. Khi hệ số hấp
bão hòa là có hệ số hấp thụ giảm khi cường độ bức xạ tới

thụ bằng không tương ứng với một giá trị cường độ ánh sáng tới nào đó thì
lúc này hấp thụ trở thành bão hòa (còn được gọi là bị tẩy trắng). Thực nghiệm
tiến hành khảo sát các đặc trưng của laser Nd: YAG trong trường hợp laser
phát xung Q-switching tương tự khi laser phát liên tục. Với cấu hình thực
nghiệm như trên hình 2.7, gương vào là gương cầu M 2 có f = - 5 cm, hệ số
phản xạ R = 100 % tại bước sóng 1064 nm; gương ra M 1 là gương phẳng có
hệ số phản xạ 94 % tại bước sóng 1064 nm; hệ số truyền qua ban đầu T0 của
Cr4+: YAG là 80 %. Laser diode được thay đổi dòng bơm từ 1200 mA đến
2000 mA và đo các giá trị công suất trung bình, độ rộng xung.

Ở đây, tinh thể hấp thụ bão hòa Cr 4+: YAG do hãng Casix – Trung Quốc
cung cấp, với các thông số như sau:
● Nồng độ tạp Cr4+: 1%
● Ngưỡng hư hỏng: 500 MW/cm2
● Phủ chống phản xạ: R < 0,2 % ở bước sóng 1064 nm
● Hệ số truyền qua ban đầu T0 là 80%.
2.5. Sơ đồ hệ đo các đặc trưng hoạt động của laser Nd : YAG

(2)

(4)

(6)

Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm hệ đo các đặc trưng hoạt động của
1. Laser diode ATC.

7. Photodiode.
hệ laser Nd: YAG

2. Hệ thấu kính hội tụ

8. Máy quang phổ cách tử DFS-8
(Nga):

3. Các gương của BCH
4. Tinh thể Nd:YAG
5.

Độ phân giải 3 A0/mm.

0
Các gương chia chùm (R = 50 • Dải phổ làm việc: 2000÷10000 A

%).
6.



9. Photodiode Array BP-2048 (Mỹ).

Đầu đo năng lượng (Melles • Số photodiode: 2048; khoảng cách giữa
Griot 13PME001), độ phân
hai photodiode liên tiếp là 14 µm.
giải 10 µW.
10. Dao động kí số Tektronix
TDS7154B, 1,5 GHz, 20 GS/s.
11. Máy tính

Với cấu hình thí nghiệm như trên hình 2.8, chúng tôi tiến hành khảo sát đặc
trưng hoạt động của Nd: YAG được bơm bằng laser diode.
Đầu tiên, bức xạ của laser Nd: YAG phát ra một phần phản xạ được dẫn tới
đầu đo năng lượng (6) để khảo sát đặc trưng công suất của laser diode. Phần
truyền qua được dẫn tới hệ thống đo các đặc trưng xung và khảo sát phổ bao gồm:
Photodiode nhanh (7) và máy quang phổ DFS-8 (8), tín hiệu ra của photodiode và
máy quang phổ được thu qua photodiode array (9) và dẫn tới dao động kí
Tektronix TDS7154B, 1,5 GHz, 20 GS/s (10) được đồng bộ bởi tín hiệu thu từ

photodiode (7). Kết quả thu được có thể hiển thị trực tiếp trên dao động kí hoặc
thông qua kết nối với máy tính (11).

CHƯƠNG 3 : CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong chương trước, chúng tôi đã giới thiệu về các đặc tính kỹ thuật
của các bộ phận cấu thành của laser Nd : YAG cũng như cách lắp ráp hệ laser
Nd : YAG phát xung ngắn bằng phương pháp Q-Switching. Trong chương
này, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả thu được từ việc thiết kế, lắp ráp và
cho hoạt động của hệ laser này.
3.1. Kết quả đo công suất của nguồn bơm laser diode
Với mục đích sử dụng laser diode như là nguồn bơm quang học cho laser
rắn Nd3+, chúng ta phải khảo sát các đặc trưng, thông số của laser diode theo
nhiệt độ và dòng bơm của laser diode. Đồng thời việc khảo sát các đặc trưng
của laser diode giúp chúng ta làm chủ điều khiển sự hoạt động và kiểm tra lại
các thông số của laser diode mà nhà sản xuất đưa ra. Từ sơ đồ khảo sát công
suất laser diode theo dòng bơm ở hình 2.5 chúng tôi thu được kết quả khảo sát
được mô tả trong hình 3.1. Với số liệu khảo sát được trình bày chi tiết trong
phần phụ lục ở bảng 3.1.

Hình 3.1. Đặc trưng công suất của laser diode theo dòng bơm
 Nhận xét: Từ kết quả khảo sát hình 3.1 cho thấy, công suất laser diode

tăng tuyến tính với dòng bơm và dòng ngưỡng của laser diode nằm ở
khoảng 450 mA. Khảo sát này rất phù hợp với các đặc trưng công suất
mà nhà sản xuất đưa ra.

3.2 Kết quả đo đặc trưng công suất của hệ laser Nd: YAG phát liên tục
Từ sơ đồ thiết kế hệ laser Nd:YAG phát liên tục được bơm bằng laser
diode công suất cao ATC, sử dụng cấu hình bơm dọc, với buồng cộng hưởng
thẳng chúng tôi thu được một số kết quả bước đầu được mô tả trong hình 3.2.

Hình 3.2. Đặc trưng công suất của laser Nd: YAG phát liên tục theo công suất bơm

Từ đồ thị hình 3.2 ta có thể tính được hiệu suất quang và hiệu suất dốc
của laser Nd:YAG liên tục như sau:
Hiệu suất quang của laser Nd: YAG liên tục:
H=

(3.2)

Hiệu suất dốc của laser Nd: YAG liên tục:

H’ =

0,31 = 31 %

(3.3)

Với là công suất laser bơm (laser diode ATC)
 Kết quả thực nghiệm cho thấy:

- Đối với laser Nd3+:YAG (khi R = 94 %) là: Pngưỡng ≈ 600 mW.
- Khi công suất bơm Pbơm < Pngưỡng thì công suất laser ra: Pout = 0
- Khi công suất laser bơm Pbơm > Pngưỡng thì công suất laser Nd :YAG ra Pout
tăng tuyến tính theo công suất bơm (trong vùng khảo sát).
- Hiệu suất quang và hiệu suất dốc của laser Nd: YAG liên tục khi được bơm
bằng laser diode là khá cao (so với việc bơm bằng đèn flash- H ≈ 2 ÷ 5 %).