Chương 1 trình bày tổng quan về khuếch đại laser bao gồm nguyên lý khuếch đại và các vấn đề vật lý trong khuếch đại laser. Tổng hợp và phân tích đặc trưng của môi trường tinh thể cũng như các cấu hình khuếch đại đã được phát triển cho môi trường tinh thể Ce:LiCAF. Bên cạnh đó, một số ứng dụng của laser UV trong gia công vật liệu, vi cơ khí và trong nghiên cứu môi trường cũng đã được tìm hiểu và trình bày [40, 41]. Tổng quan về khuếch đại laser 1.
Nguyên lý khuếch đại laser Nguyên lý khuếch đại laser dựa trên hiện tượng phát xạ cưỡng bức, được chỉ ra trên Hình 1. Quá trình bơm sẽ kích thích các ion ở trạng thái cơ bản (E1) lên trạng thái kích thích (E2), các ion sau đó sẽ chuyển rời do va chạm về mức năng lượng thấp nhất của trạng thái E2. Phát xạ cưỡng bức xảy ra khi môi trường đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy và photon có năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng E2 và E1 đi qua môi trường khuếch đại. Các photon mới sinh ra và photon ban đầu có cùng phương truyền, cùng pha và cùng tần số hay nói cách khác quá trình khuếch đại laser được thực hiện [13, 14].
Nguyên lý khuếch đại laser [14]. Nhiệm vụ của một bộ khuếch đại laser là khuếch đại về mặt năng lượng xung laser tín hiệu. Về cấu tạo, một bộ khuếch đại laser gồm hai thành phần cơ bản có mối quan hệ mật thiết với nhau là môi trường khuếch đại và nguồn bơm (Hình 1.2), các 6 đặc trưng quang học của hai thành phần này sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng khuếch đại cũng như đặc trưng của xung laser sau khuếch đại [13]. Sơ đồ nguyên lý một bộ khuếch đại laser [14].
Môi trường khuếch đại hay môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại các bức xạ đi qua nó. Các môi trường khuếch đại laser có thể phân loại thành ba nhóm chính là các môi trường khí (CO2, N2, XeCl, XeF.), môi trường lỏng (các dung dịch hữu cơ, chất lỏng chelaste,.) và môi trường rắn (tinh thể Ti-sapphire, các tinh thể pha tạp ion đất hiếm Nd3+, Ce3+, Er3+,. ) hoặc phân loại dựa trên nguyên lý làm việc ba hay bốn mức năng lượng. Việc lựa chọn môi trường khuếch đại sẽ phụ thuộc vào thông số của laser tín hiệu cần khuếch đại [13].
Để cung cấp năng lượng cho các tâm hoạt chất là các điện tử, phân tử hay ion của môi trường khuếch đại chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích đòi hỏi phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài (nguồn bơm). Việc lựa chọn nguồn bơm sẽ phụ thuộc vào đặc trưng hấp thụ của môi trường khuếch đại. Quá trình bơm có thể thực hiện theo các cơ chế như bơm quang học, bơm nhờ va chạm không đàn hồi với điện tử tự do, bơm hóa học, bơm nhiệt,. Một số vấn đề vật lý trong khuếch đại laser Môi trường khuếch đại: các thông số tiết diện phát xạ và hấp thụ của môi trường khuếch đại sẽ xác định hệ số khuếch đại ban đầu và thông lượng bão hòa.
Nếu không có hiện tượng phát xạ tự phát (ASE), thời gian lưu giữ năng lượng trong môi trường khuếch đại được xác định bởi thời gian sống của ion ở trạng thái kích thích. 7 Tuy nhiên, khoảng thời gian này có thể rút ngắn đáng kể khi ASE xuất hiện. Do vậy, các thông số cần quan tâm đối với môi trường khuếch đại bao gồm: tiết diện khuếch đại và hấp thụ tại bước sóng laser tín hiệu; Thời gian sống huỳnh quang; Năng lượng bão hòa tại bước sóng laser bơm và bước sóng laser tín hiệu. Bên cạnh đó, ngưỡng phá hủy của môi trường khuếch đại ở bước sóng laser bơm và bước sóng laser tín hiệu cũng cần được đặc biệt quan tâm.
Một số môi trường khuếch đại phổ biến [13, 14]. Bước sóng Độ rộng Thời gian Môi trường Nguồn bơm (nm) phổ (nm) sống (s) XeCl 308 1,5 ~10-8 Phóng điện XeF 351 ≤2 ~10-8 Phóng điện KrF 249 ~2 ≤10-8 Phóng điện Rhodamine 6G ~578 ~ 50 5x10-9 Laser (532 nm) Fluorescein 550 ~ 30 4x10-9 Laser (532 nm) Coumarin 448 ~ 30 5x10-9 Laser (355 nm) Ti:sapphire 780 ~ 400 10-6 Laser (514-532 nm) Nd:thủy tinh 1064 ~ 21 3x10-4 Đèn flash Er:thủy tinh 1530 ~ 180 12x10-3 Laser (980 nm) Trên Bảng 1.1 là thông tin về một số môi trường khuếch đại laser phổ biến. Các môi trường laser khí Excimer như XeCl, XeF, KrF. có đặc điểm là tiết diện khuếch đại lớn, hoạt động được trong vùng bước sóng tử ngoại.
Các môi trường laser dạng lỏng phổ biến như Rhodamine 6G, Fluorescein, Coumarin. đặc điểm chung của các môi trường này là tiết diện phát xạ lớn, phổ phát xạ rộng (≥ 30 nm) và hoạt động chủ yếu ở vùng bước sóng nhìn thấy. Tuy nhiên, các môi trường này có nhược điểm là thời gian sống huỳnh quang ngắn (≤ 10 ns), thông lượng bão hòa thấp nên năng lượng đạt được là không cao. Hơn nữa, chất màu thường độc hại cho người sử dụng và môi trường.
Các môi trường laser rắn (Ti-sapphire, các tinh thể pha tạp ion đất hiếm Nd3+, Er3+,.) có đặc điểm là tiết diện phát xạ lớn, thông lượng bão hòa cao, tuy nhiên các nguồn laser rắn chủ yếu hoạt động ở vùng hồng ngoại gần. 8 Nguồn bơm và cấu hình bơm: nguồn bơm có nhiệm vụ cung cấp năng lượng từ bên ngoài cho môi trường hoạt chất, phần năng lượng được hấp thụ giúp các tâm hoạt chất là các điện tử, phân tử hay ion của môi trường hoạt chất chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích và tạo ra nghịch đảo mật độ độ tích lũy. Việc lựa chọn nguồn bơm sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm của môi trường hoạt chất, phần lớn các môi trường laser dạng khí được bơm bằng điện, trong khi đó các laser màu được bơm quang học bằng các laser khí hoặc các laser rắn biến đổi tần số sang vùng bước sóng UV hoặc nhìn thấy. Các laser rắn chủ yếu được bơm quang học bằng đèn flash phát bức xạ phổ rộng.
Tuy nhiên, môi trường rắn thường chỉ hấp thụ ở một hoặc một vài bước sóng cụ thể. Do đó, phần lớn năng lượng từ đèn flash sẽ chuyển thành nhiệt, điều này đòi hỏi các hệ thống làm mát cho tinh thể cũng như hạn chế hiệu suất chuyển đổi laser. Để giảm thiểu các vấn đề nhiệt trong quá trình bơm cho tinh thể, các nguồn laser diode có bước sóng phát xạ phù hợp với phổ hấp thụ của môi trường hoạt chất đang dần được thay thế cho đèn flash. Trong quá trình bơm cho môi trường khuếch đại, xung laser bơm cần được đồng bộ với xung laser tín hiệu để quá trình khuếch đại được ổn định và hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm sang năng lượng laser sau khuếch đại đạt được là lớn nhất.
Hơn nữa, sự chồng chập giữa chùm laser tín hiệu và chùm laser bơm cũng như phân phối năng lượng bơm trong môi trường khuếch đại sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng không gian của chùm laser sau khuếch đại cũng như hiệu suất của quá trình khuếch đại.3 chỉ ra hai cấu hình bơm cơ bản cho khuếch đại laser trạng thái rắn. Với cấu hình bơm ngang (Hình 1.a), chùm laser bơm gần như vuông góc với hướng của chùm laser tín hiệu. Ưu điểm chính của bơm ngang là cho phép sử dụng các 9 nguồn bơm có độ kết hợp không gian không cao như các đèn flash, có thể dễ dàng kết hợp nhiều nguồn bơm và công suất bơm có thể được phân bố đều dọc theo môi trường hoạt chất. Do vậy, bơm ngang thường được sử dụng cho khuếch đại các laser trạng thái rắn công suất cao.
Tuy nhiên, cấu hình bơm ngang cũng có những hạn chế như hiệu suất chuyển đổi laser không cao, chất lượng chùm tia không tốt và cơ chế làm mát cho tinh thể phức tạp. Cấu hình bơm dọc được chỉ ra trên Hình 1.b, chùm bơm cùng với chùm laser tín hiệu sẽ đi dọc theo trục quang học của môi trường hoạt chất. Cấu hình này cho phép đạt được sự chồng chập tốt về không gian giữa chùm laser bơm và laser tín hiệu giúp tăng hiệu suất chuyển đổi laser cũng như chất lượng chùm laser lối ra tốt hơn. Phân lớn các laser trạng thái rắn được bơm bằng laser đi-ốt đều sử dụng cấu hình bơm dọc.
Tuy nhiên, cấu hình bơm dọc có nhược điểm là chỉ cho phép tối đa bơm từ hai hướng dẫn tới hạn chế tổng công suất bơm, hơn nữa bơm dọc không áp dụng được cho đèn flash. Khuếch đại phát xạ tự phát (ASE): là quá trình mà bức xạ phát xạ tự phát (thường là huỳnh quang) có thể được khuếch đại lên một mức đáng kể trong môi trường khuếch đại. ASE là hiện tượng không mong muốn trong khuếch đại laser, hiện tượng này làm giảm nghịch đảo độ tích lũy, tăng tín hiệu nhiễu hoặc thậm chí dập tắt laser. Môi trường có độ khuếch đại cao hoặc chiều dài khuếch đại lớn là những điều kiện thuận lợi cho hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra, hiện tượng này còn có thể được tăng cường khi được phản xạ bởi gương và (hoặc) trên bề mặt tinh thể khuếch đại.
Phân bố năng lượng của chùm laser sau khuếch đại: sau quá trình khuếch đại, phân bố năng lượng của chùm laser lối ra có thể bị biến dạng so với laser tín hiệu, phân bố năng lượng cao cục bộ có thể phá hủy tinh thể hoặc các hiện tượng quang phi tuyến không mong muốn. Nguyên nhân phổ biến của hiện tượng này là nồng độ pha tạp trong tinh thể không đồng nhất, tinh thể lẫn tạp chất hoặc hiệu ứng nhiệt trong tinh thể.4 là ví dụ về ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt đến phân bố năng lượng trong tinh thể khuếch đại. Trong đó, đường màu đỏ biểu diễn phân bố năng lượng của chùm laser bơm, đường màu xanh lam biểu diễn biên dạng nhiệt bên trong tinh thể Nd:YAG. Do biên dạng nhiệt gần tâm tinh thể có dạng parabol dẫn tới chùm laser lối ra có những quang sai nhất định [40, 41].
Biên dạng cường độ của chùm laser tới (màu đỏ) và biên dạng nhiệt (màu xanh lam) trong tinh thể Nd:YAG [42]. Biến dạng xung laser tín hiệu: biến dạng xung laser tín hiệu trong quá trình khuếch đại là hệ quả của khuếch đại bão hòa, hiện tượng xảy ra khi khuếch đại các xung laser cực ngắn, công suất cao. Trong quá trình khuếch đại, phần trước của xung laser tín hiệu đi vào môi trường khuếch đại khi môi trường có nghịch đảo độ tích lũy lớn nhất, phần sau của xung đi vào khi nghịch đảo độ tích lũy đã suy giảm một phần. Do đó, năng lượng khuếch đại được thêm vào phần trước của xung là nhiều hơn so với phần sau.