Ảnh hưởng của phân bố năng lượng bơm lên cấu trúc chùm tia phát Laser rắn bơm ngang bằng Laser bán dẫn

Trong bài viết này dẫn ra biểu thức mô tả sự phụ thuộc của tiêu cự thấu kính nhiệt vào các tham số của nguồn bơm trong laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn. Từ đó, đưa ra các biểu thức đặc trưng cho cấu hình buồng cộng hưởng và cấu trúc chùm tia laser phát ra. Trong một mô hình cụ thể làm ví dụ, ảnh hưởng của bán kính vết chùm bơm lên tiêu cự thấu kính, bán kính mặt thắt không gian mode cơ bản và bán kính vết chùm tia, cũng như góc phân kỳ của chùm tia đã được mô phỏng và bình luận.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của phân bố năng lượng bơm lên cấu trúc chùm tia phát Laser rắn bơm ngang bằng Laser bán dẫnVËt lý ¶nh hëng cña ph©n bè n¨ng lîng b¬m lªn cÊu tróc chïm tia ph¸t laser r¾n b¬m ngang b»ng laser b¸n dÉn MAI VĂN LƯU Tóm tắt: Trong bài viết này chúng tôi dẫn ra biểu thức mô tả sự phụ thuộc của tiêu cự thấu kính nhiệt vào các tham số của nguồn bơm trong laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn. Từ đó, đưa ra các biểu thức đặc trưng cho cấu hình buồng cộng hưởng và cấu trúc chùm tia laser phát ra. Trong một mô hình cụ thể làm ví dụ, ảnh hưởng của bán kính vết chùm bơm lên tiêu cự thấu kính, bán kính mặt thắt không gian mode cơ bản và bán kính vết chùm tia, cũng như góc phân kỳ của chùm tia đã được mô phỏng và bình luận.Từ khóa: Laser rắn, Cấu trúc chùm tia, Phân bố năng lượng 1. MỞ ĐẦU Laser rắn bơm bằng nguồn không kết hợp luôn luôn cần làm lạnh để giảm bớt ảnhhưởng của hiệu ứng nhiệt vào chất lượng của chùm tia tạo ra [1,10]. Để giảm hiệu ứngnhiệt, việc sử dụng nguồn laser kết hợp là một lựa chọn tối ưu. Do bơm ngang bằng haihoặc bốn laser bán dẫn, hơn nữa, phân bố năng lượng của chùm bơm laser có dạng Gauss,nên năng lượng bơm phân bố không đều theo tiết diện ngang[2,3,4]. Điều đó nghĩa là, quátrình nhiệt xuất hiện không đồng nhất trong hoạt chất laser. Đây là một nguyên nhân tạo rahệ thấu kính nhiệt trong buồng cộng hưởng laser [5]. Với hệ thấu kính nhiệt, cấu trúcquang học của BCH sẽ thay đổi và do đó, cấu trúc chùm tia laser sẽ được thay đổi [11]. Trong bài viết này, chúng tôi trình bày các biểu thức của thấu kính nhiệt, chiều dàibuồng cộng hưởng và bán kính cong của gương khi tính đến ảnh hưởng của hiệu ứngnhiệt. Sử dụng các biểu thức dẫn ra chúng tôi khảo sát và bình luận ảnh hưởng của phânbố năng lượng bơm vào cấu trúc buồng cộng hưởng và cấu trúc chùm tia laser phát ra. 2. THẤU KÍNH NHIỆT GÂY RA DO NGUỒN BƠM Thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi chiết suất tại một điểm của hoạt chất được biễu diễnbởi công thức [6]: n  T   n  0   (dn / dT )T (1)trong đó, n(0) là chiết suất khi T  0 , dn / dT là “hệ số nhiệt” của chiết suất phụthuộc nhiệt độ. Trong trường hợp nhiệt độ thay đổi dạng Gradient theo bán kính hướng tâm của hoạtchất, chiết suất được biễu diễn bởi công thức: 2 n     n(0)  n2 (  ) (2) 2trong đó, n2 là hệ số thay đổi chiết suất do nhiệt năng,  là bán kính hướng tâm tronghoạt chất. Với phân bố chiết suất theo (2), tiêu cự thấu kính nhiệt gây ra do thay đổi chiếtsuất được tính[11]:  n  1/ f  n2 n0 sin  2 d  (3)  n0 trong đó, d là chiều dài hoạt chất. Từ (1) và (2) ta có:128 M. V. Lưu, Ảnh hưởng phân bố năng lượng bơm … bơm ngang bằng laser bán dẫn.Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ  dn / dT  T  n2  2 / 2 (4)Hay: n2  2(dn / dT )(T /  2 ) (5) Nếu gọi T là độ chênh lệnh nhiệt giữa tâm và biên của hoạt chất có bán kính a , tacó: dn T n2  2 (6) dT a 2 Đối với hoạt chất laser rắn, thông thường thoả mãn điều kiện d n2  1 , do đó, từ (3)có thể tính tiêu cự thấu kính nhiệt f  1/ n2 d , hay: 1 a 2  dn  f   T  (7) 2d  dT  Giả thiết môi trường hoạt chất là đồng nhất về mặt vĩ mô (về phương diện vi mô hoạtchất laser rắn không đồng nhất), khi đó thay đổi chiết suất trong môi trường hoạt chất laserđược cho bởi [12]: T (  ) n(  )  n(0)  n(  )  (n0  1) (8) T0trong đó, T0 là nhiệt độ tại tâm, n0 là chiết suất tại tâm, T (  ) là chênh lệch nhiệt độ tạivị trí  so với tâm. Trong cấu hình laser rắn bơm ngang bằng laser bán dẫn, phân bố nănglượng của laser bơm có dạng tựa Gauss. Giả sử phân bố cường độ bơm trong hoạt chấtsau khi đi qua hệ thấu kính được viết theo công thức sau[9]: 2  Win 0   2x2  I in ( x, y )  I 0   exp   2  (9)  Win ( y )   Win ( y )  Cũng trong cấu hình này, giả sử bốn thanh laser bán dẫn được thiết kế sao cho cácthông số I 0 , y0 và W0 như nhau, khi đó phân bố cường độ tổng trong hoạt chất có thể môtả bởi công thức sau (với các biến số vị trí x và y thay đổi vai trò cho nhau):  1  2  2 x2   1  2 ...