CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER CỰC NGẮN, MÔI TRƯỜNG KHUẾCH ĐẠI Nd:YVO4 Trong chương này tôi sẽ tìm hiểu và phân tích về lí thuyết khuếch đại laser nói chung và khuếch đại xung laser cực ngắn nói riêng. Các đặc trưng quang học của môi trường Nd nói chung và môi trường Nd:YVO4 nói riêng sẽ được phân tích chi tiết trong chương này. Đồng thời tôi cũng tìm hiểu về một số ứng dụng của laser công suất cao trong nghiên cứu khoa học, trong khoa học kĩ thuật và trong cuộc sống. Lí thuyết khuếch đại xung laser cực ngắn 1.
Nguyên lý khuếch đại laser Nguyên lý khuếch đại laser trong các bộ khuếch đại cũng giống như nguyên tắc phát laser, đó là dựa trên hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Bình thường các nguyên tử ở trạng thái cơ bản, dưới bức xạ của một nguồn bơm, một số nguyên tử hấp thụ photon bơm và chuyển từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích. Khi xảy ra nghịch đảo độ tích lũy, nếu có một photon tín hiệu có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng hai mức trên đi qua môi trường hoạt chất thì xảy ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức, số photon phát ra có thể là hai hoặc nhiều photon (photon ban đầu và các photon mới được tạo ra). Photon ban đầu và photon mới được tạo ra có cùng phương truyền, cùng pha và cùng tần số.
Nói cách khác, quá trình khuếch đại laser được thực hiện như Hình 1. Các quá trình dịch chuyển quang học trong khuếch đại ánh sáng. Theo nguyên lý ở trên ta nhận thấy, một bộ khuếch đại gồm ba bộ phận: Laser tín hiệu cần khuếch đại; Môi trường khuếch đại; Nguồn bơm cung cấp năng lượng cho môi trường khuếch đại. Bộ khuếch đại laser được biểu diễn như Hình 1.
Học viên: Nguyễn Thành Dân 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Hình 1. Cấu tạo của bộ khuếch đại laser. Trong đó: *Laser cần khuếch đại: Laser cần khuếch đại là các laser có năng lượng thấp. *Môi trường khuếch đại: Môi trường khuếch đại (hay môi trường hoạt chất) là các môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.
Có nhiều môi trường có khả năng này: + Môi trường dạng khí: Các khí phân tử (CO2, CO, N2…); Các hỗn hợp khí phân tử (CO2-N2-He, CO-N2-H2O…); Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử (He, Ne…). + Môi trường dạng rắn: Các tinh thể rubi, Ti-Sapphire, các môi trường pha tạp ion đất hiếm như Nd3+, Ce3+, Er3+, Eu3+, Sm3+… trong các nền rắn khác nhau (thủy tinh, Al2O3, YAG, LiSAF, LiCAF…). + Môi trường lỏng: Các dung dịch laser màu hữu cơ, chất lỏng Chelaste… Tùy vào các thông số của laser cần khuếch đại mà người ta có thể chọn môi trường khuếch đại sao cho phù hợp với yêu cầu. *Nguồn bơm: Để cung cấp năng lượng cho các tâm hoạt chất (có thể là các điện tử, phân tử hoặc ion) của môi trường khuếch đại chuyển từ mức cơ bản lên mức kích thích, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài (gọi là nguồn bơm).
Tùy vào thông số của môi trường khuếch đại mà ta chọn nguồn bơm sao cho phù hợp. Có rất nhiều phương pháp bơm khác nhau. Nhưng với các môi trường hoạt chất là rắn thì phương pháp bơm quang học là chủ yếu. Trong phương pháp bơm quang học, người ta sử dụng các đèn hay chính laser để bơm cho môi trường khuếch đại.
Các nguồn bơm quang học có thể là nguồn sáng không kết hợp (các đèn xung, các diode phát quang, đèn hồ quang.) hoặc kết hợp (dùng laser để bơm). Có ba cấu hình bơm cơ bản là bơm dọc, bơm ngang và bơm xiên. Bơm ngang: Chùm tia laser bơm được hội tụ bởi thấu kính nhằm tạo mật độ quang cao, chùm laser bơm có phương vuông góc với trục của môi trường khuếch đại. Đây là Học viên: Nguyễn Thành Dân 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua cấu hình bơm được sử dụng rất rộng rãi vì dễ thực hiện.
Hạn chế của cấu hình bơm này là tạo nên một vùng khuếch đại trải rộng và ở mép của tinh thể. Cấu hình bơm ngang được biểu diễn như Hình 1. Cấu hình bơm ngang cho hệ khuếch đại Ce:LiLuF4 bằng laser KrF [ 16]. Bơm dọc: Trong khuếch đại laser, cấu hình bơm dọc thường được sử dụng.
Cấu hình bơm này tạo nên sự kích thích khá đồng đều của bức xạ bơm trên toàn bộ môi trường hoạt chất. Với cấu hình bơm dọc sự chồng chập không gian giữa chùm laser bơm và laser khuếch đại trong tinh thể cũng lớn hơn. Cấu hình bơm dọc được biểu diễn như Hình 1. Cấu hình bơm dọc cho hệ khuếch đại Ti:sapphire bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG [6 ].
Học viên: Nguyễn Thành Dân 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Bơm xiên: Chùm tia laser bơm đến hợp với pháp tuyến mặt tinh thể một góc . Để sự chồng chập giữa chùm laser bơm và chùm laser khuếch đại trong tinh thể là lớn nhất người ta luôn cố gắng chỉnh góc là nhỏ nhất. Với cấu hình bơm xiên, người ta thường sử dụng cho việc bơm bằng laser diode. Cấu hình bơm xiên được biểu diễn như Hình 1.
Cấu hình bơm xiên bằng laser Diode [15]. Các cấu hình khuếch đại 1. Cấu hình khuếch đại một lần truyền qua Bộ khuếch đại một lần truyền qua là bộ khuếch đại cơ bản nhất, xung laser được khuếch đại bằng cách cho truyền qua môi trường khuếch đại một lần. Bộ khuếch đại một lần truyền qua có nhược điểm là khả năng khuếch đại xung không cao.
Để khắc phục nhược điểm này, các bộ khuếch đại một lần truyền qua được ghép nối tiếp tạo thành bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua. Ưu điểm của bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua là mỗi tầng có thể điều chỉnh được một cách riêng rẽ để đạt độ khuếch đại cao nhất, tương ứng với năng lượng xung tín hiệu vào tầng đó. Việc phân phối năng lượng bơm cho các tầng, tiết diện vùng bơm ở các tầng cần được tối ưu. Phát xạ tự phát được khuếch đại phát ra từ mỗi tầng có thể được hạn chế hoặc loại trừ bằng các phin lọc (các bộ hấp thụ bão hòa, phin lọc không gian …) đặt giữa các tầng kế tiếp nhau.
Tuy nhiên, bộ khuếch đại nhiều tầng một lần truyền qua cũng có những nhược Học viên: Nguyễn Thành Dân 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua điểm như: Khó hiệu chỉnh; Kích thước lớn; Chất lượng chùm tia không cao; Hiệu suất khuếch đại thấp. Đặc biệt với các môi trường hoạt chất có giá thành cao là không phù hợp. Bộ khuếch đại hai tầng một lần truyền qua được biểu diễn như Hình 1. Bộ khuếch đại laser hai tầng một lần truyền qua [20].
Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua Các môi trường khuếch đại rắn thường có thời gian sống huỳnh quang dài, để tận dụng năng lượng của xung laser bơm ta có thể cho xung tín hiệu truyền qua lại môi trường khuếch đại nhiều lần (khuếch đại nhiều lần truyền qua) hoặc hệ khuếch đại tái phát. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua được chỉ ra trên Hình 1. Hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua [6, 23 ]. Học viên: Nguyễn Thành Dân 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua khắc phục được nhược điểm của cấu hình khuếch đại một lần truyền qua là chỉ một phần nhỏ năng lượng bơm được dùng cho việc khuếch đại xung tín hiệu, nói cách khác cấu hình khuếch đại nhiều lần truyền qua sử dụng tối ưu năng lượng bơm cho khuếch đại.
Tùy vào thời gian duy trì độ khuếch đại của môi trường hoạt chất mà ta thiết kế bộ khuếch đại với số lần khuếch đại khác nhau. Bằng cách đó ta có thể nâng cao hiệu suất khuếch đại. So với bộ khuếch đại tái phát, độ khuếch đại ở mỗi lần truyền qua của bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua cao hơn, ASE (phát xạ tự phát được khuếch đại) có thể được khống chế ở mức thấp hơn. Hơn nữa, do quang trình của tín hiệu trong bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua ngắn hơn nên sự thay đổi pha của xung nhỏ hơn, do vậy dễ đạt được xung ngắn hơn khi nén xung bằng các bộ nén dùng cách tử hoặc lăng kính.
Cấu hình khuếch đại tái phát Cấu hình khuếch đại tái phát cũng thường được sử dụng trong khuếch đại xung laser cực ngắn, tuy nhiên các bộ khuếch đại tái phát thường đòi hỏi nhiều linh kiện quang học đắt tiền. Cấu hình khuếch đại tái phát được thể hiện như Hình 1. Bộ khuếch đại tái phát [22]. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại tái phát: Xung tới sau khi được kéo dãn có độ phân cực p đi qua bản phân cực PBS (truyền qua ánh sáng phân cực p, phản xạ phân cực s) đến bản nửa sóng /2 phương phân cực bị quay 45o.
Sau khi qua Faraday rotator phương phân cực laser lại bị quay 45o nữa để thành phân cực s. Tia sáng phân cực s bị phản xạ bởi PBS trong buồng cộng hưởng đi về phía tế bào Pockels, ở giai đoạn 1 tế bào Pockels ở trạng thái không hoạt động. Do phản xạ gương ở bên phải tế bào Pockels, laser đi qua bản /4 lần thứ 2 biến phân cực s thành p và truyền qua PBS để tới tinh thể laser và được khuếch đại. Học viên: Nguyễn Thành Dân 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu động học khuếch đại laser Nd:YVO4 xung cực ngắn 2018 công suất cao sử dụng bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Sau khi bị phản xạ bởi gương bên phải buồng cộng hưởng, laser trở lại PBS, tế bào Pockels chuyển sang giai đoạn 2, được kích hoạt để trở thành bản /4.
Laser có độ phân cực p đi qua PBS vẫn giữ nguyên độ phân cực khi quay trở lại do đi qua bản /4 bốn lần. Xung laser bị giữ lại trong buồng cộng hưởng và được khuếch đại lên nhiều lần.