Chương 1, tôi trình bày tổng quan các nghiên cứu lý thuyết về mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng loại Fabry-Perot. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng 1. Tổng quan về laser rắn Laser, một phát minh vĩ đại của thế kỉ XX đã và đang chứng tỏ vai trò trong sự phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như trong các ứng dụng của nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Ngay từ khi laser mới xuất hiện, việc nghiên cứu laser phát xung ngắn đã được quan tâm.
Cuối những năm 1960, xuất hiện các laser biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng cho phép phát xung “khổng lồ” có độ rộng xung cỡ nano-giây. Sự phát triển các laser xung cực ngắn đã dẫn đến sự ra đời và phát triển các phương pháp quang phổ laser phân giải thời gian. Phương pháp này cho phép làm sáng tỏ các quá trình quá độ cực nhanh xảy ra trong vật lý, sinh học, hóa học. Đây là một lĩnh vực khoa học hiện đại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới mà điều kiện tiên quyết cho các nghiên cứu này là các nguồn laser xung cực ngắn.
Các laser rắn phát xung ngắn, trong các loại laser rắn thì laser Neodymium chiếm một tỉ phần lớn trên thị trường sử dụng - 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 trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam nhu cầu sử dụng laser rắn Neodymium trong nghiên cứu với các quá trình động học, các hiện tượng cực nhanh đang được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm và có nhu cầu sử dụng rộng rãi và cấp thiết. Để phát các xung laser ngắn chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất, chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng và các kỹ thuật khóa mode trong buồng cộng hưởng… Ở nước ta hiện nay, việc phát triển vật lý và công nghệ laser rắn xung ngắn có ý nghĩa khoa học công nghệ cao và có tính ứng dụng thực tiễn. Điều đó được thể hiện rõ hơn trong các lĩnh vực cụ thể như sau: c 5 Vấn đề thứ nhất, nó cho phép chúng ta làm chủ khoa học và công nghệ laser xung ngắn, tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển các phương pháp quang phổ hiện đại.
Vấn đề thứ hai, trực tiếp đào tạo những cán bộ khoa học đủ năng lực làm việc trong lĩnh vực khoa học công nghệ thuộc lĩnh vực quang học quang tử. Vấn đề thứ ba, việc tự xây dựng các hệ laser rắn phát xung cực ngắn tại Việt Nam sẽ cho phép tiết kiệm chi phí đáng kể vì các hệ laser xung cực ngắn thương mại rất đắt tiền và khó phù hợp với phần lớn các trung tâm, viện và trường đại học do còn nhiều khó khăn và ít có sự đầu tư thích đáng cho các nghiên cứu dài hơi. Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, khả năng chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng một hệ laser rắn (Neodymium) phát xung cực ngắn bơm bằng đèn flash tại Việt Nam. Môi trường laser Neodymium là môi trường laser tinh thể được sử dụng khá phổ biến hiện nay.
Môi trường nền chủ yếu thường là tinh thể Y3Al5O12 (viết tắt là YAG), trong đó các ion Y3+ được thay thế bởi các ion Nd3+. Các thông số quang học chính của các môi trường laser Neodymium được trình bày trong bảng 1.1 sau đây: Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [5 tr. Nd:YAG Nd:YVO4 Nd:YLF Nd:glass = 1064 nm = 1064 nm = 1053 nm = 1054 nm Nồng độ pha tạp 1 1 1 3,8 ion Nd (%) Nt (1020 ion/cm3) 1,38 1,5 1,3 3,2 (s) 230 98 450 300 (cm-1) 4,5 11,3 13 180 e (10-19 cm2) 2,8 7,6 1,9 0,4 Chiết suất n = 1,82 n1 = 1,82 n1 = 1,4481 n = 1,54 n2 = 2,168 n2 = 1,4704 c 6 Trong đó: Nt là mật độ của ion Neodymium; là thời gian sống huỳnh quang; là độ rộng phổ laser; e là tiết diện phát xạ cưỡng bức. Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+.
Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các môi trường YAG chuyển dịch quang học có xác suất lớn nhất ứng với bước sóng 1064 nm [3]. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu Với nhiều ưu điểm nổi bật của laser rắn như: a. Bền chắc về cấu trúc lý hóa, đảm bảo cho sức bền của buồng hoạt chất hoạt động ổn định trong thời gian làm việc lâu dài và trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt của hoạt chất cũng như môi trường làm việc của laser. Cấu trúc hoạt chất có thể là tinh thể nuôi cấy tự nhiên hoặc nhân tạo cũng có thể là môi trường vô định hình thuận lợi về mặt công nghệ và có khả năng sản xuất hàng loạt.
Tính đồng nhất quang học trong chế tạo công nghiệp đảm bảo tính đối xứng, tiêu hao năng lượng bơm cũng như độ phẩm chất BCH lớn. Thuận lợi cho điều kiện ngưỡng bơm của laser không cần quá cao, dẫn tới dễ vận hành và tính kén chọn phương pháp bơm dễ dàng hơn. Chất nền thường là thủy tinh, pha tạp ion đất hiếm với hàm lượng cỡ vài % do vậy môi trường hoạt chất gần như là trong suốt với bức xạ bơm quang và bức xạ phát laser. Do đặc tính đồng nhất và chịu nhiệt cao của nền hoạt chất mà laser loại rắn có thể hoạt động trong miền nhiệt độ rộng, tính ổn định tốt khi hoạt động trong thời gian dài.
Vì là dạng rắn nên hoạt chất thuận tiện hơn trong việc gia công bề mặt để tạo buồng cộng hưởng với nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các ứng dụng yêu cầu kích thước laser khác nhau và loại bơm khác nhau… [5, 3]. Ngoài các đặc tính về môi trường hoạt chất như trên. Các laser rắn mà cụ thể là laser Nd: YAG có đặc tính về công suất phát cao, vạch phổ phát xạ tại tần số cơ bản - 1064 nm, tần số hòa ba bậc hai – 532 nm, hòa ba bậc ba - 355 nm, hòa ba bậc bốn – 266 nm, cho công suất cao và bức xạ nằm trong toàn miền quang phổ từ hồng ngoại c 7 gần cho tới tử ngoại gần. Vì thế các bức xạ đó có thể ứng dụng làm nguồn bơm kích thích cho các quá trình quang phổ phân tử của nhiều chất khác nhau.
Với những đặc tính cơ bản trên đây là công suất cao, dễ chế tạo, hoạt động ổn định, miền phổ phù hợp, giá thành hợp lý. Do đó, laser Nd: YAG được ứng dụng từ rất lâu và là lựa chọn đầu tiên của nhóm nghiên cứu khi tiến vào lĩnh vực ứng dụng trong các hệ lidar phục vụ các kĩ thuật quan trắc từ xa các đối tượng của khí quyển. Mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot 1. Môi trường laser Nd:YAG Đây là môi trường laser đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay, cấu trúc năng lượng và chuyển dịch quang học cho bức xạ laser được mô tả trên hình 1.
Dịch chuyển không phát xạ Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [5 tr. Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2) Bước sóng (nm) Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. c 8 Đường liền nét ứng với Nd3+ trong nền YAG; đường đứt nét ứng với Cr3+ trong nền Alexandrite. Trục tung bên phải ứng với Nd3+, bên trái ứng với Cr3+.
Trên phổ hấp thụ hình 1.2 chúng ta thấy rằng, môi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm và 800 nm [5, 3]. Tính toán lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabry- perot. Như chúng ta đã biết, buồng cộng hưởng laser có ảnh hưởng quyết định tới các đặc điểm về công suất, phổ và xác định cấu trúc trường của bức xạ laser, hay còn gọi là các mode dao động của buồng cộng hưởng. Mỗi một mode được ký hiệu là TEMmnq (Transverse Electromagnetic Modes) các mode điện từ ngang (các dao động điện từ trong một BCH được coi là ngang) m và n là các chỉ số ngang, q là chỉ số dọc.
Mỗi một mode đều được đặc trưng bởi một cấu hình không gian trường xác định (có phân bố biên độ và pha xác định) theo hướng vuông góc với trục BCH. Đặc tính riêng của một cấu hình không gian của trường được xác định bởi các chỉ số m và n. Mỗi một tổ hợp các chỉ số m và n xác định một trường nhất định theo phương nằm ngang (trong BCH) lại có tương ứng một số các giá trị của chỉ số q khác nhau, chúng là các mode dọc [5, 3]. Các mode dọc Công tua khuếch Khoảng cách Độ khuếch đại trong BCH đại giữa hai mode dọc liên tiếp Ngưỡng laser Tần số Các mode dọc trong BCH Độ rộng vạch của một mode dọc Tần số Hình 1.
Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3]. c 9 Một buồng cộng hưởng Fabry-Perot gồm hai gương cách nhau một khoảng L và chứa một môi trường khuếch đại, chỉ tồn tại một số tần số dao động (mode cộng hưởng, mode dọc) nhất định. Nếu không có các thiết bị lọc lựa tần số đặt trong buồng cộng hưởng laser thì laser sẽ phát bức xạ cưỡng bức đồng thời ở nhiều tần số mà độ khuếch đại tương ứng với chúng G(m) > 0 (hình 1. Số mode dọc khả dĩ phát được phụ thuộc vào độ rộng phổ bức xạ của môi trường hoạt chất.
Trong khi đi lại trong buồng cộng hưởng, các sóng sẽ giao thoa với nhau và chỉ có những sóng mà đối với chúng hiệu quang trình d là một số nguyên (m) lần bước sóng (d = 2L = m) khi giao thoa với nhau sẽ tăng cường nhau. Do đó, các tần số m = mc/2L (c là vận tốc ánh sáng) thoả mãn điều kiện G(m) > 0 mới có thể dao động được trong buồng cộng hưởng và cuối cùng được phát ra.3, mô tả công-tua khuếch đại phổ và các mode dọc khả dĩ của một buồng cộng hưởng laser (trong đó mỗi tần số m là gắn với một mode dọc). Nếu giữa các mode dao động cưỡng bức không có quan hệ về pha thì cường độ trường bức xạ tổng cộng là các thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian.