Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học bằng laser bán dẫn công suất cao cho laser rắn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


7
MỞ ĐẦU

1958,
.
.
, laser rắn với môi trường laser được pha tạp các ion
Nd
3+
, Cr
3+
, chiếm một tỉ phần lớn - là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã
và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ.
Hiện nay, các laser rắn này vẫn chủ yếu được bơm bằng đèn flash với hiệu suất chuyển
đổi năng lượng khá thấp chỉ khoảng 1 ư 2%. Nguyên nhân làm hiệu suất chuyển đổi
năng lượng laser thấp đó là do đèn flash có phổ phát xạ phân bố rộng trong khi đó tinh
thể Neodium (Chromium) chỉ có thể hấp thụ trong một dải phổ hấp thụ hẹp (2 3 nm).
Năng lượng của đèn bơm bị mất mát chủ yếu dưới dạng nhiệt, vì vậy các laser này đòi
hỏi phải có các hệ thống làm mát phức tạp dẫn đến cấu hình laser cồng kềnh. Các
nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong laser Neodium
(Chromium) cũng như các phương pháp nhằm cải tiến đèn flash đều không mang lại
hiệu quả.
Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của
laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung trong một
khoảng phổ hẹp (2 3 nm) phù hợp với phổ hấp thụ của các tinh thể laser. Do vậy,
ngay lập tức phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn để bơm cho laser rắn đã
được phát triển mạnh mẽ. Với phương pháp này hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser
được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng được thu gọn hơn. Với các cấu
hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng lượng laser khi bơm bằng laser bán
dẫn có thể đạt từ 10 ư 80%. Ngoài ra, việc bơm bằng laser bán dẫn cũng hạn chế được
những nhược điểm cố hữu của phương pháp bơm bằng đèn flash như: hiệu ứng thấu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


8
kính nhiệt trong thanh hoạt chất gây ra sự phát laser không ổn định, tăng độ phân kỳ
của chùm tia và sự hấp thụ ở vùng tử ngoại làm phá huỷ thanh hoạt chất Chính
những ưu điểm của phương pháp bơm bằng laser bán dẫn mà hiện nay xu hướng sử
dụng nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho các laser rắn đang được phát triển rất
mạnh.
Trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ ở nước ta hiện nay (Các
Trường Đại học, các Viện nghiên cứu, Trung tâm Kỹ thuật Quân sự, Bệnh viện, )
nhu cầu sử dụng laser Neodium trong nghiên cứu khoa học là rất lớn. Tuy nhiên, các
laser Neodium (Chromium) chủ yếu được bơm bằng đèn flash và phải mua từ nước
ngoài với giá thành khá cao (30.000 100.000 U$D) nên chỉ có một số ít các phòng
thí nghiệm được trang bị các nguồn laser này. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu và
ứng dụng các laser bán dẫn để xây dựng một hệ laser rắn Neodium (Chromium) là một
việc hết sức có ý nghĩa về khoa học và công nghệ, đào tạo cũng như ứng dụng thực
tiễn. Hơn nữa, đây sẽ là cơ sở để phát triển vật lý và công nghệ của các nguồn laser rắn
phát xung ngắn được bơm bằng laser bán dẫn - đang được đòi hỏi ngày càng cao trong
ứng dụng, nghiên cứu và đào tạo hiện nay.
Cùng với sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, chúng tôi thấy rằng hoàn
toàn có thể xây dựng một hệ laser rắn xung ngắn bơm bằng laser bán dẫn tại Việt
Nam. Với tầm quan trọng và ý nghĩa về khoa học công nghệ, đào tạo, đề tài này được
thực hiện với tiêu đề: “Nghiên cứu ứng dụng nguồn bơm quang học bằng laser bán
dẫn công suất cao cho laser rắn”.
Mục đích của đề tài: Nghiên cứu, phân tích các môi trường laser rắn thông dụng
bơm bằng laser bán dẫn. Nghiên cứu xây dựng một hệ laser rắn phát liên tục và phát
xung ngắn, được bơm bằng laser bán dẫn.
Đối tượng nghiên cứu: Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển một hệ laser rắn
bơm bằng laser diode, các đối tượng sau sẽ lần lượt được nghiên cứu: Các môi trường
laser rắn đặc biệt là môi trường laser Neodium. Các đặc trưng hoạt động của hệ laser
rắn Neodium được bơm bằng laser bán dẫn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


9
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Đề tài này có
nội dung vật lý quang tử và laser mới và bắt đầu được nghiên cứu Việt Nam trong một
vài năm gần đây. Do vậy, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu có đặc điểm sau:
 Tiếp thu đầy đủ, có hệ thống các thông tin về những kết quả KH-CN của các
vấn đề vật lý liên quan.
 Tiến hành thu thập các nguồn cung cấp linh kiện, vật tư và thiết bị (có khả năng
cạnh tranh) và phù hợp với các điều kiện nghiên cứu và khai thác ở Việt Nam trong
công nghệ và ứng dụng laser bán dẫn này.
 Phương pháp nghiên cứu là vật lý thực nghiệm.
- Khảo sát các đặc tính, thông số hoạt động: đặc trưng công suất, phổ
của laser bán dẫn công suất cao theo dòng bơm và nhiệt độ.
- Thiết kế và xây dựng hệ laser Neodium phát liên tục và xung ngắn
khi bơm bằng laser bán dẫn công suất cao.
- Nghiên cứu sự hoạt động của laser Neodium khi bơm bằng laser bán
dẫn này.
Nội dung của đề tài là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp một hệ laser rắn
Neodium được bơm bằng laser bán dẫn, đồng thời nghiên cứu các đặc trưng hoạt động
của hệ thống laser này. Đề tài được chia làm 3 chương chính như sau:
Chương 1: Môi trường laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn.
Trong chương này, chúng tôi trình bày các tính chất của các môi trường laser
rắn phổ biến được bơm bằng laser bán dẫn. Tập trung phân tích các đặc điểm của môi
trường laser Neodium và nguyên lý hoạt động của hệ laser bốn mức năng lượng.
Chương 2: Các cơ chế bơm cho laser rắn và các chế độ hoạt động của nó.
Trong chương này, chúng tôi trình bày các cơ chế bơm cho các laser nói chung
và laser rắn nói riêng. Đặc biệt là cơ chế bơm cho laser rắn bằng laser bán dẫn theo cấu
hình bơm dọc. Với cấu hình này laser cho hiệu suất cao hơn so với các cấu hình khác.
Ngoài ra, trong chương này chúng tôi cũng giới thiệu một vài chế độ hoạt động của
laser rắn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


10

Chương 3: Các kết quả và thảo luận
Trong chương này, chúng tôi trình bày các kết quả khảo sát nguồn bơm laser
bán dẫn, nghiên cứu lắp ráp hệ laser rắn phát liên tục công suất cao và phát xung ngắn
(nano giây) được bơm bằng laser bán dẫn.
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Vật lý, trường Đại học Khoa học và Phòng
Quang tử Phân tử - Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.