Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
96(08): 55 - 58<br />
<br />
LASER RẮN Nd: YVO4 BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT THỤ ĐỘNG<br />
PHÁT XUNG NGẮN NANO-GIÂY VỚI TẦN SỐ LẶP LẠI CAO<br />
Nguyễn Văn Hảo*, Hà Thị Thùy<br />
Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các đặc trưng hoạt động của laser rắn Nd:YVO4 trong chế<br />
độ biến điệu độ phẩm chất (Q-switching) thụ động tại bước sóng 1064 nm, được bơm bằng laser<br />
diode có công suất cao. Laser rắn Nd:YVO4 Q-switching thụ động có thể phát xung ngắn 61 ns<br />
tương ứng với tần số xung lên tới 700 kHz nhờ tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG (độ truyền qua<br />
ban đầu 90 %) đặt trong buồng cộng hưởng. Sự phụ thuộc của công suất đỉnh, độ rộng xung và tần<br />
số lặp lại vào công suất bơm trung bình cũng được đưa ra.<br />
Từ khóa: Laser rắn Nd:YVO4, laser diode công suất cao, Q-switch thụ động, Tần số lặp lại cao<br />
<br />
MỞ ĐẦU*<br />
Các laser toàn rắn biến điệu độ phẩm chất có<br />
nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như viễn<br />
thám, đo xa, y học .... Trong các môi trường<br />
hoạt chất ở 1064 nm, tinh thể Nd:YVO4 được<br />
xem như là một môi trường hứa hẹn của các<br />
laser rắn được bơm bằng laser bán dẫn bởi vì<br />
nhiều lợi thế, như sự hấp thụ mạnh trên một<br />
dải bước sóng bơm rộng, tiết diện phát xạ<br />
cưỡng bức hiệu dụng lớn, mức pha tạp cho<br />
phép cao... Tinh thể Nd:YVO4 a-cut có tiết<br />
diện phát xạ cưỡng bức hiệu dụng ở 1064 nm<br />
(25.10-19 cm2) cao hơn cỡ 5 lần so với tinh thể<br />
Nd:YAG (6.10-19 cm2), tuy nhiên nó lại có hệ<br />
số dẫn nhiệt kém hơn đáng kể so với<br />
Nd:YAG [1]. Khi bơm ở công suất cao (sử<br />
dụng các laser bán dẫn công suất lớn), công<br />
suất của laser rắn bị giới hạn bởi sự hình<br />
thành hiệu ứng thấu kính nhiệt trong môi<br />
trường hoạt chất [2]. Ngoài ra, năng lượng<br />
bơm tối đa cũng bị giới hạn bởi hiện tượng<br />
nứt gãy do nhiệt của tinh thể laser [3]. Do đó,<br />
việc tránh các hiệu ứng do nhiệt là một<br />
nguyên tắc cực kỳ quan trọng khi thiết kế hệ<br />
laser [4-12].<br />
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết<br />
quả nghiên cứu và phát triển hệ laser<br />
Nd:YVO4 phát tại bước sóng 1064 nm, được<br />
bơm bằng laser diode công suất cao ở bước<br />
sóng 808 nm và được biến điệu độ phẩm chất<br />
thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG (với độ<br />
truyền qua ban đầu T0 = 90 %). Các kết quả<br />
*<br />
<br />
Email: haonv08@gmail.com<br />
<br />
cho thấy, laser Nd:YVO4 Q-switching có thể<br />
đạt độ rộng xung ngắn nhất 61 ns và tần số<br />
cao nhất là 700 kHz.<br />
THỰC NGHIỆM<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 Q-switching thụ<br />
động được bơm bằng laser diode<br />
<br />
Hình 1 chỉ ra sơ đồ hệ laser Nd:YVO4 bơm<br />
bằng laser diode. Nguồn bơm là laser diode<br />
(ATC- Semiconductor Devices) phát ở bước<br />
sóng 808 nm với công suất cực đại ở chế độ<br />
liên tục là 8W. Bước sóng phát của laser<br />
diode có thể được thay đổi bằng nhiệt độ<br />
nhằm chồng chập với cực đại phổ hấp thụ của<br />
tinh thể Nd:YVO4. Phân cực của chùm laser<br />
diode là phân cực ngang. Tuy nhiên, laser<br />
diode này được lấy ra bằng sợi quang (fibercoupled diode) có khẩu độ số 0,22, đường<br />
kính lõi sợi quang 200 µm, khi truyền qua sợi<br />
có độ dài 2 m thì ánh sáng laser diode không<br />
còn phân cực nữa. Điều này sẽ làm giảm<br />
đáng kể hiệu suất bơm quang học và hiệu<br />
suất laser Nd:YVO4.<br />
55<br />
<br />
Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Chúng tôi đã sử dụng 02 thấu kính có tiêu cự 20<br />
mm cho quang học bơm. Tinh thể Nd:YVO4<br />
(pha tạp 1 % atm., 3×3×3 mm) với bề mặt được<br />
phủ chống phản xạ AR ở 1 064 nm và được giữ<br />
cố định trong giá đỡ bằng đồng. Giá này (và<br />
tinh thể) được làm mát nhờ dòng nước luân<br />
chuyển qua ở nhiệt độ phòng. Chùm laser diode<br />
được hội tụ vào tinh thể với đường kính chùm<br />
khoảng 100 µm. Buồng cộng hưởng (BCH)<br />
được sử dụng ở đây là một BCH ổn định với hai<br />
gương M1 (gương ra; phẳng) và M2 (gương<br />
cuối, cầu lõm với f = - 50 mm).<br />
Một photodiode nhanh (rise time < 0.3 ns)<br />
được kết nối với dao động ký số (TD 7154B;<br />
1,5 GHz, Tektronix, USA) để thu nhận độ<br />
rộng xung của laser. Năng lượng laser được<br />
đo bởi đầu đo năng lượng (13 PME 001,<br />
Melles Griot, USA). Tất cả các thành phần<br />
quang học, tinh thể laser và chất hấp thụ bão<br />
hòa được cung cấp từ CASIX [13].<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
<br />
96(08): 55 - 58<br />
<br />
Hình 2 chỉ ra đặc trưng công suất đỉnh và độ<br />
rộng xung laser Nd: YVO4 Q-switching thụ<br />
động với Cr4+:YAG khi được bơm liên tục<br />
bằng laser diode. Kết quả cho thấy, hệ laser<br />
Nd: YVO4 Q-switching thụ động với gương<br />
ra có độ truyền qua 6 % (hình 2a) cho công<br />
suất đỉnh xung cực đại ~ 9,2 W, độ rộng xung<br />
ngắn nhất 61 ns và hiệu suất chuyển đổi<br />
quang là ~ 7 % , trong khi đó khi gương ra có<br />
độ truyền qua 30 % (hình 2b) hệ laser này cho<br />
công suất đỉnh xung cực đại lên đến ~ 17 W,<br />
nhưng độ rộng xung ngắn nhất chỉ 81 ns và<br />
hiệu suất chuyển đổi quang là 10,6 % ứng<br />
với cùng một công suất bơm trung bình<br />
7175 mW.<br />
a)<br />
<br />
Cong suat dinh xung (W)<br />
<br />
300<br />
<br />
T=6%<br />
<br />
8<br />
<br />
250<br />
<br />
6<br />
<br />
200<br />
<br />
4<br />
<br />
150<br />
<br />
2<br />
<br />
100<br />
<br />
a)<br />
<br />
0<br />
<br />
Độ rộng xung laser (ns)<br />
<br />
10<br />
<br />
Do rong xung (ns)<br />
<br />
Công suất đỉnh xung (W)<br />
<br />
b)<br />
<br />
50<br />
<br />
1500 3000 4500 6000 7500<br />
(mW)<br />
CôngCong<br />
suấtsuat<br />
bơmbom<br />
trung<br />
bình (mW)<br />
<br />
200<br />
<br />
15<br />
<br />
175<br />
<br />
12<br />
<br />
150<br />
<br />
9<br />
<br />
125<br />
<br />
6<br />
<br />
1500<br />
<br />
100<br />
<br />
b)<br />
<br />
3<br />
3000<br />
<br />
4500<br />
<br />
Do rong xung (ns)<br />
<br />
Công suất đỉnh xung (W)<br />
<br />
225<br />
<br />
T = 30 %<br />
<br />
Độ rộng xung laser (ns)<br />
<br />
18<br />
<br />
75<br />
6000<br />
<br />
7500<br />
<br />
Cong suat bom (mW)<br />
<br />
Công suất bơm trung bình (mW)<br />
<br />
Hình 2. Công suất đỉnh xung và độ rộng xung<br />
laser Nd:YVO4 Q-switching thụ động phụ thuộc<br />
vào công suất bơm trung bình với các gương ra có<br />
độ truyền qua 6 % (a) và 30 % (b).<br />
<br />
56<br />
<br />
Hình 3. Dạng xung và chuỗi xung của laser<br />
Nd:YVO4<br />
<br />
Dạng xung và chuỗi xung phát từ laser Nd:<br />
YVO4 Q-switching thụ động ở công suất bơm<br />
3 434 mW (hình 4a) và 6 763 mW (hình 4b)<br />
với gương ra có độ truyền qua 6 % được trình<br />
bày trên Hình 3.<br />
Hình 4 trình bày độ rộng xung và tần số lặp<br />
lại của các xung laser Nd:YVO4 Q-switching<br />
như là một hàm của công suất bơm trung bình<br />
với các gương ra có độ truyền qua 6 % (hình<br />
4a) và 30 % (hình 4b). Khi công suất bơm<br />
tăng lên thì tần số xung laser cũng tăng theo,<br />
điều này có thể được giải thích là khi năng<br />
lượng bơm tăng làm cho quá trình bão hòa<br />
của Cr:YAG diễn ra nhanh hơn dẫn đến sự<br />
phát xung laser cũng diễn ra nhanh hơn, tuy<br />
nhiên, độ ổn định (jitter) của xung laser rắn<br />
thấp hơn. Việc tăng tần số xung laser<br />
Nd:YVO4 Q-switching làm tăng công suất<br />
trung bình của laser rắn, nhưng năng lượng<br />
xung laser rắn không thay đổi nhiều. Do vậy,<br />
<br />
Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
300<br />
<br />
700<br />
<br />
T=6%<br />
250<br />
<br />
600<br />
<br />
200<br />
<br />
500<br />
<br />
150<br />
<br />
400<br />
<br />
100<br />
<br />
300<br />
<br />
a)<br />
<br />
50<br />
<br />
200<br />
<br />
TầnTan<br />
số so<br />
lặplap<br />
lạilaixung<br />
xung(kHz)<br />
(kHz)<br />
<br />
ĐộDo<br />
rộng<br />
rongxung<br />
xunglaser<br />
(ns) (ns)<br />
<br />
việc phát xung laser Nd:YVO4 nano-giây Qswitching thụ động được bơm xung bằng<br />
laser diode có thể là một giải pháp để tăng<br />
năng lượng xung laser rắn và có độ ổn định<br />
cao [14].<br />
<br />
1500 3000 4500 6000 7500<br />
<br />
225<br />
700<br />
200<br />
<br />
T = 30 %<br />
600<br />
<br />
175<br />
150<br />
<br />
500<br />
<br />
125<br />
400<br />
<br />
100<br />
75<br />
1500<br />
<br />
b)<br />
3000<br />
<br />
4500<br />
<br />
6000<br />
<br />
7500<br />
<br />
300<br />
<br />
TầnTan<br />
số so<br />
lặplaplạilaixung<br />
xung (kHz)<br />
(kHz)<br />
<br />
ĐộDorộng<br />
rongxung<br />
xung laser<br />
(ns) (ns)<br />
<br />
Congbơm<br />
suat trung<br />
bom (mW)<br />
Công suất<br />
bình (mW)<br />
<br />
Cong<br />
suattrung<br />
bom (mW)<br />
Công suất<br />
bơm<br />
bình (mW)<br />
<br />
Hình 4. Độ rộng xung và tần số lặp lại của laser<br />
Nd: YVO4 Q-switching thụ động bằng tinh thể<br />
Cr:YAG như một hàm của công suất bơm với các<br />
gương ra có độ truyền qua 6 % (a) và 30 % (b)<br />
<br />
KẾT LUẬN<br />
Chúng tôi đã phát triển thành công một hệ<br />
laser rắn Nd:YVO4 Q-switching thụ động<br />
bằng tinh thể Cr4+:YAG được bơm bằng laser<br />
diode công suất cao. Hệ laser Nd:YVO4 có độ<br />
rộng xung ngắn nhất 61 ns ở tần số lặp lại cao<br />
~ 700 kHz ứng với gương ra có độ truyền qua<br />
<br />
96(08): 55 - 58<br />
<br />
6 %. Đây là hệ laser Nd:YVO4 Q-switching<br />
thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG có tần số<br />
lặp lại xung cao nhất trong các hệ laser mà<br />
chúng tôi đã thực hiện được trước đó [7-9].<br />
Các kết quả thu được chứng tỏ việc thiết kế<br />
các hệ laser rắn công suất cao đã đáp ứng<br />
được các yêu cầu hoạt động của laser rắn<br />
được bơm bằng các laser diode công suất cao.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. I. J. Miller, A.J. Alcock, J.E.Bernard,<br />
Advanced Solid State Lasers, OSA Proc, Wash DC<br />
13, 322 (1992).<br />
[2]. S. C. Tidwell, J. F. Seamans, et al., IEEE J.<br />
Quant. Electron., vol. 28, pp. 997–1009 (1992).<br />
[3]. M. Tsunekane, N. Taguchi, T. Kasamatsu, and<br />
H. Inaba, IEEE J. Select. Topics Quant. Electron.,<br />
vol. 3, pp. 9–18 (1997).<br />
[4]. K. Spariosu, W. Chen, et al., Opt. Lett. 18,<br />
814 (1993).<br />
[5]. H. Eilers, W. Dennis, et al., IEEE J Quant.<br />
Electron 29, 2508 (1993).<br />
[6]. S. H. Yim, D.R. Lee, B.K. Rhee, D. Kim,<br />
Appl. Phys. Lett. 30, 3193 (1998).<br />
[7]. N. T. Nghia, L. T. Nga et al., Advances in<br />
Natural Sciences (VAST) 7, No. 3-4 (2006) p.<br />
181-188.<br />
[8]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh, T D Huy et al.,<br />
ASEAN Journal of Science and Technology for<br />
Development, 24, 1-2 (2007) p.139-146.<br />
[9]. N. T. Nghia, Do Q. Khanh et al., Comm. in<br />
Phys. (VAST), 19, SI (2009) p.145-155<br />
[10]. A. I. Zagumennyi, V. G. Ostroumov, et al.,<br />
Sov. J. Quant. Electron. 22 1071 (1992).<br />
[11]. J. Liu, C. Wang, C. Du, L. Zhu, H. Zhang et<br />
al., Opt. Commun, 188, 155 (2001).<br />
[12]. H. Zhang, J. Liu, J. Wang, C. Wang, L. Zhu<br />
et al., J. Opt. Soc. Am. B 19,18 (2002).<br />
[13]. http://www.CASIX.com<br />
[14]. N. V. Hao, N. T. Nghia et al., Tạp chí Khoa<br />
học và Công nghệ của Đại học Thái Nguyên, 78<br />
(02), trang 35-38 (2011).<br />
<br />
57<br />
<br />
Nguyễn Văn Hảo và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
96(08): 55 - 58<br />
<br />
SUMMARY<br />
GENERATION OF NANO-SECOND LASER PULSES<br />
WITH HIGH REPETITION RATE FROM A PASSIVELY<br />
Q-SWITCHED SOLID-STATE Nd:YVO4 LASER<br />
Nguyen Van Hao*, Ha Thi Thuy<br />
College of Science - TNU<br />
In this paper, we present characteristics in passively Q-switched laser operations of solid-state<br />
Nd:YVO4 laser end-pumped by CW high power laser diodes. The passively Q-switched solid-state<br />
laser efficiently provide laser pulses of 61 ns at 1064 nm at the pulse repetition rate as high as 700<br />
kHz using a Cr: YAG crystal (90 % initial transmission) as a saturable absorber intra-cavity. The<br />
dependence of pulse peak power, pulse width and repetition rate on the average pump power are<br />
also presented.<br />
Key words: Solid state Nd:YVO4 laser, high power laser diode, passively Q-switched, high<br />
repetition rate<br />
<br />
*<br />
<br />
Email: haonv08@gmail.com<br />
<br />
58<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
