nuchuamario85
New Member
Download miễn phí Luận văn Một số vấn đề vật lí trong buồng cộng hưởng mini cho laser Nd: YAG
Hiện nay các loại laser rắn Q-switch thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa vẫn tiếp tục được phát triển nhờ những ưu điểm nổi bật như: kích thước nhỏ gọn, có thể cho xung ngắn cỡ nano giây với năng lượng khá cao, dễ dàng bố trí lắp đặt và giá thành hạ. Chúng đã được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị quang điện tử hiện đại, đặc biệt là các thiết bị cầm tay do những yêu cầu về giới hạn kích thước laser.
Tuy nhiên do chịu ảnh hưởng của rất nhiều tham số cấu thành nên hệ laser, nên trong quá trình chế tạo các loại laser Q-switch thụ động, trước tiên cần tiến hành một bước tiền thiết kế nhằm tối ưu hóa các thông số trên để đạt được hiệu suất hoạt động cao nhất. Cùng với đó, cơ sở mô hình lý tuyết của các laser Q-switch thụ động đã được hình thành và ngày càng hoàn thiện hơn nên việc tính toán, thiết kế tối ưu một hệ laser là hoàn toàn có thể tiến hành trước với độ tin cậy cao.
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Q-switch laser thụ động sẽ chỉ ra một vài độ lệch thời gian từ một chu kì truyền xung. Sự khác nhau này được xem như sự biến động thời gian [18, 19], nhưng chú ý phải chọn khi sử dụng hệ Q-switch laser thụ động cho ứng dụng yêu cầu thời điểm chính xác. Mặc dù có những giới hạn này, do hệ Q-switch thụ động có cấu tạo đơn giản làm cho chúng có thể được thay thế sử dụng trong nhiều ứng dụng.Mặc dù nhiều phương pháp thụ động khác đã được đưa ra, như Q-switch màng mỏng dùng công cụ là chất hoạt động theo mật độ phôtôn bên trong laser, cơ chế hoạt động của nó được chỉ ra trong [20, 21], nhưng hầu hết các Q-switch thụ động sử dụng chất hấp thụ bão hoà. Các vật liệu này sử dụng sự truyền hấp thụ ở bước sóng laser để gây ra mất mát trong buồng cộng hưởng laser. Các vật liệu này sẽ ngăn cản sự dao động laser ban đầu do bản thân khả năng của chúng hay năng lượng hấp thụ ở bước sóng 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. Điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần 1.2.4.2.
Ban đầu, hấp thụ bão hoà được dựa trên cơ sở chất màu hữu cơ. Người ta đã gặp phải những khó khăn để làm việc với nó và bị giảm chất lượng do sự suy giảm tốc độ cao. Vì vấn đề này mà hầu hết các Q-switch thụ động phổ biến có hấp thụ bão hoà trạng thái rắn như Cr4+:YAG. Những Q-switch thụ động trạng thái rắn này mạnh so với các vật liệu Q-switch thụ động khác, làm cho chúng trở nên tốt và thích hợp cho cấu trúc nhỏ với năng lượng laser cao.
Các vật liệu hấp thụ bão hòa cũng gây nên hiện tượng hấp thụ còn dư. Điều này sẽ làm tăng them những mất mát cho hoạt động laser khi Q-switch đã được đóng ngắt. Hiện tượng này có nguyên nhân từ những sự hấp thụ thứ cấp không được bão hòa tại bước sóng laser. Các tính chất đặc trưng của quá trình hấp thụ trong trạng thái kích thích của vật liệu Q-switch thụ động Cr4+:YAG sẽ được thảo luận chi tiết trong phần 2.4.2.[14,16]
Sử dụng chất hấp thụ bão hoà để Q-switching được gọi là Phương pháp biến điệu độ phẩm chất thụ động. Ngược với phương pháp cơ học và quang điện và quang âm đã trình bày ở trên, Q-switching ở trên cần thiết bị phụ trợ nhiều hơn và thêm vào đó Q-swicthing thụ động còn có ưu điểm là nó thường cho một xung ra tập trung hầu hết vào một mode đơn. 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. Vì thông thường một phôtôn có thể tạo ra vài ngàn chu trình trước khi chất hấp thụ được bão hoà nên thậm chí một sự khác biệt nhỏ của các mode khác nhau cũng trở nên đáng kể. Kết quả là chỉ có một mode hay vài mode mất mát thấp nhất xuất hiện trong xung Q-swicthing.
1.2.4. 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. Đây là vật liệu có nhiều đặc tính quang và cơ thuận lợi như độ dẫn nhiệt không đáng kể và tiết diện ngang của phát xạ kích thích nhỏ, rất hữu dụng khi sử dụng bơm bằng đèn flash trong laser chế độ Q-switch. Độ dẫn nhiệt thấp hơn không có ý nghĩa quyết định công suất thấp hơn hay không trong một chu trình laser. Tuy nhiên, giảm yếu tố tiết diện ngang của phát xạ kích thích là hữu ích vì nó làm giảm khuếch đại phát xạ tự phát (ASE), và do đó nó cho phép năng lượng được tích trữ lớn hơn trong môi trường tăng ích trước khi có sự ảnh hưởng đáng kể trở lại của (ASE). Điều này có nghĩa là vật liệu Nd: YAG cho hiệu quả Q-switch tốt hơn.
Sơ đồ năng lượng của iôn Neodymium như sau:
Hình 1.7: a. Sơ đồ mức năng lượng của Nd trong tinh thể Nd: YAG
b. Ba nhóm phổ hấp thụ của iôn Nd
c. Phổ bức xạ của iôn Nd
Mỗi dải năng lượng ứng với một nhóm các mức rất gần nhau xuất hiện do sự tách mức trong điện trường mạng tinh thể garnet (hiệu ứng stark), nhờ bơm các iôn Nd chuyển từ trạng thái cơ bản ứng với một năng lượng 4I9/2 lên ba nhóm mức A, B, C.
Nhóm A ứng với các mức năng lượng 4S3/2 4F7/2
Nhóm B ứng với các mức năng lượng 4H9/2 4F5/2
Nhóm C ứng với các mức năng lượng 4F3/2
Những nhóm phổ này ứng với ba đám phổ hấp thụ của iôn Nd trong Garnet. Cấu trúc phổ hấp thụ phản ánh sự tách mức năng lượng bởi hiệu ứng Stack.
Mức năng lượng 4F3/2 là mức laser trên, các iôn Nd có thể dịch chuyển bức xạ từ mức này về các mức 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2 , 4I9/2 và giải phóng năng lượng. Phần lớn năng lượng này (60%) tập trung vào dịch chuyển 4F3/2->4I11/2 và mức 4I11/2 được gọi là mức laser dưới. Trên hình chúng ta có các vạch phổ phát xạ của Nd trong Garnet đối với dịch chuyển 4F3/2 -> 4I11/2. Phổ này gồm bẩy vạch trong đó vạch ứng với và là sáng nhất. Nếu kể tới dịch chuyển khác tổng cộng có tới 18 vạch phát. Yếu nhất là vạch ứng với dịch chuyển 4F3/2 -> 4I15/2.
Để đơn giản có thể xem laser Nd: YAG hoạt động theo sơ đồ bốn mức trong đó mức cơ bản là mức 4I9/2 và mức kích thích là các mức 4F7/2 , 4F5/2. Ta biết dịch chuyển FI bị cấm theo gần đúng lưỡng cực vì số lượng tử quỹ đạo thay đổi là 3 trong dịch chuyển này. Như vậy, các trạng thái ứng với mức năng lượng F có thể được xem là siêu bền. Đèn Kryton thường được dùng để bơm cho laser Nd: YAG. Trong một số trường hợp, iôn Chromium được đưa vào mạng tinh thể Garnet làm chất nhạy hoá và khi đó đèn xenon được dùng để làm bơm vì iôn Cr trong Ganet có các dải hấp thụ và trùng hợp với phổ bức xạ của đèn Xenon. Các iôn Cr được kích thích sẽ truyền năng lượng kích thích của nó cho các tâm hoạt chất Nd. Thời gian truyền năng lượng từ Cr sang Nd khá dài (cỡ 6ms) nên việc ứng dụng dải pháp này để làm tăng hiệu quả bơm chỉ thích hợp đối với chế độ hoạt động liên tục. Chúng ta có thể hình dung chi tiết sơ đồ chuyển mức năng lượng của hoạt chất Nd: YAG như sau:
Hình 1.8: Sơ đồ chi tiết các mứcnăng lượng của Nd: YAG
1.2.4.2 Môi trường Q-switch
Chromium được pha trong tinh thể Yttrium Aluminum Garnet (Cr4+:YAG) đã được sử dụng như là một vật liệu Q-switch thụ động cho laser Nd: YAG. Nó là một vật liệu Q-switch phổ biến bởi vì nó có sự thuận lợi về nhiệt và các đặc tính cơ. Nó cũng có ngưỡng tổn hao lớn hơn nhiều so với các Q-switch thụ động hữu cơ đã được phổ biến trước khi laser trạng thái rắn phát triển đa dạng. Vật liệu này hấp thụ mạnh trong khoảng tiết diện ngang của sự truyền laser Nd:YAG ở bước sóng .
Các mức năng lượng của Cr4+:YAG Q-switch thụ động có thể được biểu diễn như hệ bốn mức. Có một vài điểm khác trong cấu trúc chính xác của bốn mức năng lượng liên quan đến quá trình hấp thụ bão hoà. [23] Tuy nhiên, mô hình phương trình tốc đ...