Tải bản đầy đủ - 45 (trang)
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 - 45trang

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



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

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

Tải bản đầy đủ ngay(45 tr)

×