Nghiên cứu và phát triển hệ laser rắn nd: yvo4 được bơm bằng laser diode công suất cao - Nguyễn Văn Hảo

Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 13 - 16 13 NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN Nd: YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Nguyễn Văn Hảo1, 2,*, Nguyễn Thị Khánh Vân1, Hà Thị Thùy1, Lê Thị Kim Cương2 1Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên 2 Trung tâm Điện tử Lượng tử – Viện Vật lý (VAST) TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các đặc trưng hoạt động của laser rắn Nd:YVO4 tại bước sóng 1064 nm, được bơm bằng laser diode có công suất cao. Trong chế độ phát liên tục, laser rắn Nd:YVO4 có thể đạt được một vài Oát (W), với hiệu suất chuyển đổi quang ~ 20,5 % và trong chế độ 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, với hiệu suất trên 6 %. Sự phụ thuộc của công suất trung bình, độ rộng xung và tần số lặp lại vào công suất bơm trung bình cũng được đưa ra trong cả hai chế độ hoạt động. Từ khóa: Laser rắn Nd:YVO4, laser diode công suất cao, Q-switch thụ động, Tần số lặp lại cao. MỞ ĐẦU* 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 trong cả hai chế độ hoạt động * Tel: 0989348258; Email: haonv08@gmail.com liên tục và biến điệu độ phẩm chất thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG (với độ truyền qua ban đầu T0 = 90 %). Các kết quả cho thấy, laser Nd:YVO4 có thể đạt được công suất trung bình lên tới 1,63 W trong chế độ liên tục và có thể đạt độ rộng xung ngắn nhất 61 ns và tần số cao nhất ~ 700 kHz trong chế độ Q-switching. 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 8 W. Bước sóng phát của laser diode có thể được thay đổi bằng nhiệt độ nhằm chồng chập với cực đại phổ hấp thụ của Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 13 - 16 14 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. Chúng tôi đã sử dụng 02 thấu kính có tiêu cự 20 mm cho hệ bơm. Tinh thể Nd:YVO4 (pha tạp 1 % atm., 3×3×3 mm) với bề mặt được phủ chống phản xạ AR ở 1064 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 được sử dụng ở đây là một BCH ổn định với hai gương M1 (gương ra; phẳng) và M2 (gương cuối, cầu lõm với R = -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 Chúng tôi đã khảo sát các đặc trưng hoạt động liên tục và xung ngắn với tinh thể hấp thụ bão hòa Cr:YAG của laser rắn sử dụng tinh thể Nd:YVO4 ở bước sóng 1064 nm được bơm bằng laser diode công suất cực đại ~ 8 W ở bước sóng 808 nm. Đặc trưng công suất trung bình của laser Nd:YVO4 trong chế độ liên tục được trình bày trên Hình 2a. Kết quả cho thấy, công suất laser Nd: YVO4 như một hàm tuyến tính của công suất laser bơm. Ngưỡng laser đạt được là ~ 900 mA tương ứng với gương ra có độ truyền qua 6 %. Công suất cực đại 1630 mW đạt được ở công suất bơm 7951 mW (ứng với hiệu suất chuyển đổi quang là ~ 20.5%) với gương ra có độ truyền qua 6 %. Tuy nhiên, cần chú ý rằng do chùm laser diode sau khi ra khỏi sợi quang không còn phân cực và các thấu kính bơm trong phòng thí nghiệm không được phủ chống phản xạ nên công suất bơm của laser diode có thể đã bị mất mát đến 47 % trước khi tới tinh thể laser. Do vậy, đã làm cho hiệu suất chuyển đổi quang của laser Nd:YVO4 giảm đi đáng kể so với các laser Nd: YVO4 có cấu hình tương tự nhưng được bơm bằng laser diode đơn sọc (single-stripe diode) [7 - 9]. Trên hình 2b là đường khảo sát đặc trưng công suất của hệ laser tinh thể 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 % cho công suất cực đại 510 mW ở tần số xung lặp ~ 700 kHz (ứng với công suất bơm 7951 mW) và độ rộng xung 61s ns. Hình 2. Công suất trung bình của laser Nd:YVO4 phụ thuộc vào công suất bơm với gương ra có độ truyền qua 6 %. (a) ở chế độ liên tục; (b) ở chế độ Q-switching thụ động bằng chất hấp thụ bão hòa Cr4+:YAG Cô n g su ấ t l as er ra (m W ) Công suất bơm trung bình (mW) b) a) Cô n g su ấ t l as er ra (m W ) Công suất bơm trung bình (mW) Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 13 - 16 15 Hình 3 trình bày độ rộng xung (a) và tần số lặp lại (b) của các xung laser Nd:YVO4 Q- switching bằng chất hấp thụ bão hòa Cr:YAG có độ truyền qua ban đầu T0 = 90 % như là một hàm của công suất bơm trung bình với gương ra có độ truyền qua 6 %. 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, 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 3. Độ rộng xung (a) và tần số lặp lại xung (b) của laser Nd: YVO4 Q-switching thụ động bằng tinh thể Cr:YAG như một hàm của công suất bơm với gương ra có độ truyền qua 6 % KẾT LUẬN Hệ laser rắn Nd:YVO4 hoạt động ở chế độ liên tục và xung Q-switching thụ động bằng tinh thể Cr4+:YAG được bơm bằng laser diode công suất cao đã được nghiên cứu. Trong chế độ hoạt động liên tục, hệ laser Nd:YVO4 có công suất trung bình lên tới 1,63 W ứng với hiệu suất chuyển đổi quang cỡ 20,5 % và trong chế độ Q-switching, 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 %. Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cám ơn sự tài trợ kinh phí từ đề tài KHCN cấp Đại học của Đại học Thái Nguyên (mã số ĐH2012-TN07-13) và Đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ Phát triển Khoa học & Công nghệ Quốc gia NAFOSTED (mã số 103.06.89.09). 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). 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 50 100 150 200 250 300 D o ro n g xu n g la se r (ns ) Cong suat bom trung binh (mW) 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 200 300 400 500 600 700 Ta n so la p la i x u n g la se r (kH z) Cong suat bom trung binh (mW) a) b) Tầ n số lặ p lạ i x u n g la se r (kH z) Công suất bơ trung bình (mW) Đ ộ rộ n g xu n g la se r (ns ) Công suất bơ trung bình (mW) Nguyễn Văn Hảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 13 - 16 16 SUMMARY RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A HIGH POWER DIODE-PUMPED SOLID-STATE Nd: YVO4 LASER SYSTEM Nguyen Van Hao1, 2,*, Ha Thi Thuy1, Nguyen Thi Khanh Van1, Le Thi Kim Cuong2 1College of Science – TNU, 2Center for Quantum Electronics – Institute of Physics (VAST) In this paper, we present characteristics in CW and passively Q-switched laser operations of solid- state Nd:YVO4 laser at 1064 nm pumped by CW high power laser diodes. In CW laser operation, the output average power of Nd:YVO4 laser of a few W, corresponding to an optical conversion effciency of 20.5 % and 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 average power, pulse width and repetition rate on the average pump power are also presented in the both operating mode. Keywords: Solid state Nd:YVO4 laser, high power laser diode, passively Q-switched, high repetition rate. Ngày nhận bài: 19/8/2013; Ngày phản biện:24/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa – Trường ĐH Khoa học – ĐHTN * Tel: 0989348258; Email: haonv08@gmail.com