Tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd: YAG nhỏ gọn điều biến phẩm chất thụ động dùng cho máy đo xa laser đơn xung

Bài viết trình bày về kết quả nghiên cứu tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG bơm bằng đèn flash nhằm đáp ứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung (
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG nhỏ gọn điều biến phẩm chất thụ động dùng cho máy đo xa laser đơn xung Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường TỐI ƯU HÓA BUỒNG CỘNG HƯỞNG LASER Nd:YAG NHỎ GỌN ĐIỀU BIẾN PHẨM CHẤT THỤ ĐỘNG DÙNG CHO MÁY ĐO XA LASER ĐƠN XUNG Mai Nguyệt Công1*, Nguyễn Văn Thương1, Phan Nguyên Nhuệ2, Dương Chí Dũng2 Tóm tắt: Bài báo trình bày về kết quả nghiên cứu tối ưu hóa buồng cộng hưởng Laser Nd:YAG điều biến phẩm chất thụ động bằng tinh thể hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG bơm bằng đèn flash nhằm đáp ứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung ( 20 mJ, độ rộng xung ra ~ 8 ns, đáp ứng yêu cầu của đầu phát cho máy đo xa laser.Từ khóa: Đo xa laser; Laser Nd:YAG; Điều biến phẩm chất thụ động; Tinh thể bão hòa Cr4+:YAG. 1. MỞ ĐẦU Gần đây, các laser rắn điều biến phẩm chất thụ động được nghiên cứu và sử dụng rộngrãi với vai trò là nguồn phát bức xạ nhỏ gọn, công suất tương đối cao, độ rộng xung cỡnano giây cho các nhu cầu khác nhau, như cảm biến khoảng cách, gia công vật liệu, cácthiết bị y tế,… [1]. Một laser như vậy bao gồm tinh thể hoạt chất (thường là Nd:YAG) kếthợp với lớp hấp thụ bão hòa Cr4+ :YAG và hệ hai gương tạo thành buồng cộng hưởng(BCH) laser điều biến phẩm chất thụ động. Kỹ thuật điều biến phẩm chất thụ động cónhiều ưu điểm như giá thành rẻ, kết cấu nhỏ gọn, đơn giản trong chế tạo do chỉ sử dụngmột chất hấp thụ bão hòa để điều biến phẩm chất BCH. Chất hấp thụ bão hòa có thể ởtrạng thái rắn, lỏng, chất hữu cơ hoặc tinh thể,… Những năm gần đây, tinh thể hấp thụ bãohòa được nghiên cứu chế tạo và sử dụng ngày càng nhiều. Sự phát hiện ra các tinh thể phatạp các ion hấp thụ hoặc chứa các tâm màu đã nâng cao đáng kể độ bền và độ tin cậy củakhóa phẩm chất thụ động. Trong số đó, tinh thể Cr4+:YAG [2-5] đã được sử dụng nhiều đểđiều biến phẩm chất cho các laser rắn sử dụng hoạt chất pha tạp ion Nd3+. Điều này là nhờtiết diện hấp thụ lớn của ion Cr4+ và các đặc tính hóa học, cơ học, chịu nhiệt tốt của tinhthể nền YAG. Thời gian qua, nhiều công bố khoa học đã trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết vàthực nhiệm về laser sử dụng môi trường pha tạp Nd, được điều biến bằng tinh thểCr:YAG. Xuất phát từ việc lập và giải hệ phương trình tốc độ, các tác giả đã xác địnhđược mối quan hệ giữa các tham số BCH với các đặc trưng phát xạ của laser làm cơ sở đểtính toán tối ưu hóa thông số BCH [5-10]. Tuy nhiên, trong các công trình nghiên cứu này,các tác giả đã xấp xỷ một số giá trị thực nghiệm để đưa vào trong tính toán lựa chọn thôngsố tối ưu và chưa có sự khảo soát thực nghiệm cho nhiều cấu hình BCH khác nhau. Một sốnghiên cứu chỉ tập trung vào việc nâng cao công suất, giảm độ rộng xung laser mà chưachú ý đến việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng bơm hay giảm ngưỡng phát laser màvẫn đảm bảo phát được bức xạ laser như yêu cầu của từng ứng dụng.222 M. N. Công, …, D. C. Dũng, “Tối ưu hóa buồng cộng hưởng … đo xa laser đơn xung.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu tối ưu cấu hình BCHlaser Nd:YAG để ứng dụng vào máy đo xa laser cầm tay đơn xung. Laser phát ra cần đápứng các yêu cầu về năng lượng xung (>15 mJ), độ rộng xung ( Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lườngmật độ tích lũy được thiết lập giữa mức am2 và am3. Trạng thái laser dưới am3 có thời giansống rất bé, các hạt nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản am0 và không phát bức xạ.Hình 2. Sơ đồ các mức năng lượng của laser Nd:YAG, Q-switch thụ động bằng Cr4+:YAG. Hình 2 cũng mô tả các mức năng lượng của chất hấp thụ bão hòa, quá trình hấp thụdịch chuyển từ trạng thái cơ bản as1 lên trạng thái kích thích trên sa3 là quan trọng nhất đốivới quá trình Q-switch thụ động dựa trên sự thay đổi phi tuyến của hệ số hấp thụ theocường độ bức xạ bơm. Thời gian sống của trạng thái kích thích sa 3 đủ lớn để lưu giữ cáchạt ở trạng thái này đồng thời làm giảm mật độ các hạt ở trạng thái cơ bản một cách nhanhchóng. Lúc đó, chất hấp thụ bão hòa gần như trong suốt đối với bức xạ bước sóng laser,tức là cho phép bức xạ laser truyền trong BCH. Khi đạt được điều kiện ngưỡng phát cùngvới nghịch đảo mật độ lớn trong môi trường hoạt chất sẽ tạo được xung laser ngắn vớinăng lượng cao. Ngoài ra, trong chất hấp thụ bão hòa còn xảy ra quá trình hấp thụ từ trạngthái kích thích sa2 lên trạng thái sa4 gây ra sự mất mát năng lượng không tránh khỏi trongchất hấp thụ bão hòa.2.2. Phương trình tốc độ Từ nguyên lý hoạt động của laser Nd:YAG được Q-switch thụ động ta lập hệ phươngtrình tốc độ mô tả sự tiến triển của xung laser (1), (2), (3) [5, 9]. Ba phương trình này môtả sự thay đổi theo thời gian của mật độ photon (∅), mật độ nghịch đảo laser (n), và mật ...