- Trong việc chế tạo laser mini Nd:YAG, vấn đề về buồng cộng hưởng quang học mini là yếu tố quan trọng bậc nhất. - Nhiệm vụ trọng tâm của luận văn này là tìm hiểu một số giải pháp đồng chỉnh gương mini đồng thời tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG được Q-switch thụ động. - Chương 1: Tổng quan về buồng cộng hưởng Chương 2: Cơ sở động học của laser rắn được Q-switch thụ động. - Chương 3: Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd: YAG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG 1.1. - Phân loại về buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng quang học là một bộ phận cấu thành quan trọng của laser. - Người ta có thể phân loại buồng cộng hưởng laser theo những tiêu chuẩn khác nhau. - Phân loại buồng cộng hưởng theo chủng loại laser. - Có ba loại buồng cộng hưởng điển hình là dạng khối, dẫn sóng và hỗn hợp. - Các buồng cộng hưởng quang học khối thường được sử dụng cho các laser rắn dạng khối. - Trong buồng cộng hưởng này, các tính chất của mode ngang phụ thuộc vào cấu trúc tổng thể của nó (kể cả độ dài của các khoảng không khí). - Kích thước của các mode có thể thay dổi đáng kể theo chiều dọc buồng cộng hưởng và trong một số trường hợp, các tính chất mode còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng thấu kính nhiệt. - Buồng cộng hưởng dẫn sóng thường được chế tạo hoặc dưới dạng các sợi quang hoặc dưới dạng quang tích hợp. - Các buồng cộng hưởng hỗn hợp được dùng trong các laser sợi quang.. - Phân loại buồng cộng hưởng theo nguyên lý lưu chuyển ánh sáng. - Hình 1.1: Các loại buồng cộng hưởng phổ biến.. - Buồng cộng hưởng tuyến tính sóng đứng: ánh sáng nẩy qua nẩy lại giữa hai gương (hình 1.1a). - Cấu hình buồng cộng hưởng tuyến tính thường được sử dụng trong công nghệ laser biểu thị trong hình 1.2. - Trong mỗi hình vẽ, phần diện tích tô đậm biểu diễn "thể tích mode", nghĩa là thể tích thực tế bên trong buồng cộng hưởng bị chùm tia laser chiếm chỗ. - Việc lựa chọn một cấu hình buồng cộng hưởng cho một laser cụ thể nào đó phụ thuộc vào ba yếu tố: Mất mát do nhiễu xạ, thể tích mode và độ dễ đồng chỉnh. - Buồng cộng hưởng song phẳng (hình 1.2a) là thành phần quan trọng trong các lasers rắn xung và một số lasers xung khác do thể tích mode lớn của nó cho phép sử dụng hiệu quả hoạt chất laser. - Cấu hình buồng cộng hưởng này có mất mát nhiễu xạ cao nhất, song trong các laser xung các mất mát này được khắc phục vì thể tích mode lớn sẽ làm tăng độ tăng ích. - Nhược điểm lớn nhất của cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng là rất khó đồng chỉnh. - Buồng cộng hưởng hình cầu (Hình 1.2 b) có tính năng "ngược hẳn" với buồng cộng hưởng song phẳng. - Hình 1.2: Các cấu hình buồng cộng hưởng 2. - Buồng cộng hưởng bán kính dài (Hình 1.2 c) cải thiện thể tích mode một chút, song lại trả giá cho việc khó căn chỉnh hơn nhiều và mất mát nhiễu xạ lớn hơn một chút so với trường hợp buồng cộng hưởng đồng tiêu. - Buồng cộng hưởng đồng tiêu (Hình 1.2 d) là cấu hình thỏa hiệp giữa cấu hình buồng cộng hưởng song phẳng và buồng cộng hưởng hình cầu. - Buồng cộng hưởng đồng tiêu kết hợp tính năng dễ căn chỉnh và mất mát nhiễu xạ thấp của buồng cộng hưởng hình cầu với thể tích mode tăng của buồng cộng hưởng song phẳng. - Cấu hình buồng cộng hưởng đồng tiêu có thể được sử dụng cho hầu hết laser liên tục, song cũng không phải thông dụng. - Buồng cộng hưởng bán cầu (Hình 1.2 e) trên thực tế là một nửa buồng cộng hưởng hình cầu, và đặc trưng của hai loại này giống nhau. - Ưu điểm của loại buồng cộng hưởng này là giá thành của các gương thấp hơn buồng cộng hưởng hình cầu. - Buồng cộng hưởng bán cầu thường được sử dụng cho các He-Ne lasers công suất thấp vì mất mát nhiễu xạ thấp, dễ căn chỉnh và giá thành thấp. - Buồng cộng hưởng bán cầu-bán kính dài (Hình 1.2 f) kết hợp ưu điểm về giá thành của buồng cộng hưởng bán cầu với thể tích mode được cải thiện của buồng cộng hưởng bán kính dài. - Đa số laser liên tục (trừ He-Ne lasers công suất thấp) sử dụng loại buồng cộng hưởng này. - Buồng cộng hưởng lồi-lõm (Hình 1.2 g) thường chỉ được sử dụng cho CW CO2 lasers công suất cao. - Buồng cộng hưởng vòng: ánh sáng có thể lưu chuyển theo hai hướng khác nhau. - Buồng cộng hưởng vòng không có gương đầu - cuối (hình 1.1b). - Các bộ phận chính trong buồng cộng hưởng 1.2.1. - Gương laser là bộ phận quan trọng cấu thành lên buồng cộng hưởng laser. - Người ta phân biệt các buồng cộng hưởng khác nhau tuỳ theo cấu hình các gương phản xạ tạo thành nó. - Tuy nhiên buồng cộng hưởng loại này có nhược điểm lớn nhất đó là rất khó đồng chỉnh. - Cái tên Q-switching được đặt tên cho nhân tố đóng ngắt độ phẩm chất Q trong buồng cộng hưởng. - Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có giá trị nhỏ, tức là mất mát lớn. - Với mất mát ban đầu trong buồng cộng hưởng cao, tăng ích tăng đến mức cao, mức có thể được xem như không mất mát nhiệt. - Các cơ chế hoạt động của Q-switch như cơ, quang điện và các loại quang âm được xem như thuộc loại Q-switch chủ động, Q-switch hoạt động dựa trên sự tích luỹ năng lượng trong buồng cộng hưởng của chất hấp thụ bão hoà được gọi là Q-switch thụ động. - Một trong những thiết bị ngăn chặn sự hoạt động của laser này là thông qua việc sử dụng các gương quay hoặc những dụng cụ đóng ngắt trong buồng cộng hưởng laser. - Bằng cách cẩn thận sử dụng đặc tính này, mất mát của buồng cộng hưởng laser có thể bị tăng lên bởi một cặp phát xạ qua lại trong buồng cộng hưởng làm cho độ phẩm chất của buồng cộng hưởng thấp đi. - Hình 1.5: Sử dụng điện điều biến đặc tính lưỡng chiết trong tế bào Kerr, dao động laser ngưng lại khi độ phẩm chất trong buồng cộng hưởng thấp và sự phát xạ trong buồng cộng hưởng được kết hợp (a). - Q-switching đạt được bởi sự thay đổi mất mát trong buồng cộng hưởng và tương ứng cho sự phát laser (b). - Như đã miêu tả trong hình 1.6, những trường hợp này tinh thể hoạt động như một cách tử nhiễu xạ, phần khúc xạ của chùm ra ngoài đường đi ánh sáng trong buồng cộng hưởng.. - Khi trường âm bị tắt, Q-switch cho phép chùm truyền bình thường, khi đó độ phẩm chất của buồng cộng hưởng cao. - Những trường hợp này vật liệu hoạt động như một cách tử nhiễu xạ và làm nhiễu xạ một phần chùm tia tới ra ngoài buồng cộng hưởng. - Độ phẩm chất buồng cộng hưởng cao được điều khiển khi thay đổi sóng âm. - b) Q-switching thụ động Q-switch thụ động là cơ chế hoạt động dựa trên sự thay đổi mất mát của buồng cộng hưởng laser tương ứng mật độ phôtôn bên trong laser. - Các vật liệu này sử dụng sự truyền hấp thụ ở bước sóng laser để gây ra mất mát trong buồng cộng hưởng laser. - Nếu thời gian sống của sự truyền hấp thụ này đủ dài để mật độ phôtôn trong buồng cộng hưởng có thể bị bão hoà, mất mát ban đầu của buồng cộng hưởng được giảm và cuối cùng sẽ cho phép có dao động laser trong buồng cộng hưởng. - Lý do là nó đã cho một thời gian xác định để chất hấp thụ bão hoà có độ bão hoà rất cao và do vậy tăng độ phẩm chất của buồng cộng hưởng. - Trong lúc ấy cường độ trong buồng cộng hưởng do ồn phát ra tạo ra các mode khác và nó lớn hơn các mode đó với mất mát thấp nhất ở mỗi lần qua. - Vật liệu trong buồng cộng hưởng laser Nd: YAG 1.2.4.1 Thanh hoạt chất Hoạt chất Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3A15O12 có pha tạp các iôn Nd3+ làm tâm của hoạt chất. - Tuy nhiên, nó có ý nghĩa mất mát cho buồng cộng hưởng trong suốt quá trình tạo xung Q-switch, liên quan đến sự hấp thụ của trạng thái kích thích. - Buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG. - Sơ đồ buồng cộng hưởng mini cho laser Nd:YAG. - Chùm tia bị khúc xạ ở các mặt đáy của các thành phần quang học khi nó truyền qua môi trường kích thích dẫn đến một sự giảm thiểu chiều dài buồng cộng hưởng. - Trong đó n là chiết xuất của môi trường và l là chiều dài của môi trường đó, độ dài hình học buồng cộng hưởng L0 bị ngắn đi một độ dài. - (1.6) Mode trong trong buồng cộng hưởng chủ động (đã có môi trường hoạt chất) với độ dài hình học L0 biểu hiện các bán kính chùm tia giống ở buồng cộng hưởng thụ động (khi chưa có môi trường hoạt chất) với chiều dài hiệu dụng. - Chiều dài hiệu dụng này phải được sử dụng để tính toán các mode riêng của buồng cộng hưởng. - Việc làm ngắn chiều dài buồng cộng hưởng là không đáng kể cho laser khí, nhưng đối với các laser rắn và các laser diode mà các chiết xuất nằm trong khoảng 1.5 và 3, độ dịch chuyển. - Hình 1.12: Môi trường kích thích được làm ngắn chiều dài cộng hưởng. - Bán kính chùm tia Gaussian ở gương của buồng cộng hưởng kích thích là giống vớI những phạm vi của bộ cộng hưởng thụ động được ngắn bởI độ dài denta. - Trong bất kỳ trường hợp nào, chiều dài buồng cộng hưởng hiệu dụng được cho bởi yếu tố B của ma trận truyền tia cho sự truyền trong buồng cộng hưởng.. - Người ta rất hay đặt môi trường kích thích trong buồng cộng hưởng ở góc Brewster để giảm tối đa sự mất mát phản xạ đối với phân cực P (hình 1.13). - sẽ trở nên khác với x (mặt phẳng tiếp tuyến) và hướng y (mặt phẳng đối xứng dọc) dẫn đến các bán kính chùm elip ở các gương buông cộng hưởng.. - Ba phương trình này mô tả sự phân giải theo thời gian của mật độ phôtôn cộng hưởng. - Sự mô tả này chứa các cơ chế khác nhau đóng góp vào mật độ phôtôn cộng hưởng.. - là sự mất có ích do liên kết đầu ra của chùm laser từ buồng cộng hưởng. - Thứ hai, L là sự mất còn lại do các quá trình cộng hưởng khác như sự tán xạ vật liệu. - Thông lượng phôtôn trong cộng hưởng. - Thời gian truyền một vòng của ánh sáng trong cộng hưởng. - Chiều dài quang học của buồng cộng hưởng laser. - Hệ số phản xạ của gương ra buồng cộng hưởng. - Mất mát trên toàn bộ vòng truyền trong cộng hưởng không tính đến các tham số khác.. - Vì điều này, có thể xem rằng phép đo trong phòng thí nghiệm về buồng cộng hưởng laser Gaussian các mode ngang có thể tạo ra một nhánh hệ thống từ sự mô tả trôi chảy của mô hình phương trình tốc độ. - CHƯƠNG 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VẬT LÝ TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG MINI CHO LASER Nd:YAG 3.1. - Vấn đề đồng chỉnh cho buồng cộng hưởng mini laser Nd:YAG. - Do vậy các gương phẳng của buồng cộng hưởng có thể được thay bằng lăng kính. - Buồng cộng hưởng khi đó có thể là: một lăng kính làm “gương” và một gương ra phẳng, hoặc cả hai gương laser được thay thế bằng cá lăng kính Porro, và phối ghép với một tấm giữ chậm kết hợp với một tấm phân cực.. - Hình 3.2: Các buồng cộng hưởng lăng kính Porro với một (a) và hai (b) lăng kính. - Trong trường hợp này, nếu độ tăng ích tín hiệu nhỏ đủ lớn thì hiệu suất chiết năng lượng ra cũng cao bằng trường hợp dùng một buồng cộng hưởng thông dụng.. - Hình 3.3: Truyền nan của chùm tia trong một buồng cộng hưởng lăng kính bị mất đồng chỉnh. - Nếu gương phẳng được thay bằng một lăng kính tam diện, chất lượng chùm tia và độ nhạy mất đồng chỉnh cũng giống như một buồng cộng hưởng dùng một lăng kính Porro. - Vấn đề mode trong các buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính Porro hoặc tam diện.. - Nó cũng đã được đưa vào các loại buồng cộng hưởng của laser bán dẫn và laser rắn. - Trong các buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính Porro hoặc tam diện có ba mode khác nhau dao động độc lập trong một buồng cộng hưởng lăng kính tam diện. - Vấn đề tối ưu hoá một số thông số vật lí trong buồng cộng hưởng laser được Q-switch thụ động. - Buồng cộng hưởng hai gương phẳng với chiều dài quang học (chiều dài hiệu dụng) là l. - Phương án cho cấu trúc buồng cộng hưởng Trong điều kiện cho phép thì cấu trúc buồng cộng hưởng tối ưu được chọn sẽ là. - Cấu trúc của buồng cộng hưởng chỉ bao gồm hai gương, một tinh thể laser và một Q-switch thụ động + Cr4+: YAG dùng làm Q-switch thụ động là lựa chọn lý tưởng. - Mất mát cộng hưởng. - Các gương buồng cộng hưởng. - Hốc cộng hưởng quang học (hốc cộng hưởng trước khi tích hợp).. - Hốc cộng hưởng được tích hợp với buồng bơm quang học tạo thành đầu phát laser.