Tải bản đầy đủ - 45 (trang)
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ Nd: YAG BIẾN ĐIỆU THỤ ĐỘNG ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE

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

Tải bản đầy đủ - 45trang

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



Chi tiết các bộ phận của bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode được

chỉ ra trong sơ đồ hình 2.3.

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.



Hình 2.3. Chi tiết bộ làm mát ATC – 03H và đầu laser diode



2.1.3. Laser diode (ATC - C2000-200-AMO-808-3)

Các thông số danh định của laser diode được trình bày trong bảng 2.3

trong phần phụ lục.



2.2. Nghiên cứu các bộ phận khác của hệ laser

● Thấu kính bơm (thấu kính hội tụ):

Chúng tôi đã sử dụng 1 thấu kính hội tụ có đường kính D = 2,5 cm, tiêu

cự f = 2 cm để hội tụ chùm bơm cho tinh thể laser.

● Gương laser cuối M1 (TL, Đức):



√ 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.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

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

Tải bản đầy đủ ngay(45 tr)

×