Laser rắn Nd: YVO4 biến điệu độ phẩm chất thụ động phát xung ngắn nano-Giây với tần số lặp lại cao

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