BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THÙY TRANG

KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN SỰ
BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09

Nghệ An, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THÙY TRANG

KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN SỰ
BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Mai Văn Lƣu

Nghệ An, 2015




2

Danh mục các hình vẽ

4

MỞ ĐẦU

5

1. Lý do chọn đề tài

5

2. Mục đích nghiên cứu

6

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

6

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

6

4.1. Đối tượng nghiên cứu

6


9

1.1.3. Hoạt chất

12

1.2. Cơ chế nghịch đảo nồng độ trong laser rắn

13

1.3. Quá trình hình thành trƣờng nhiệt trong hoạt chất laser

15

1.4. Gradient nhiệt trong hoạt chất laser

16

1.5. Kết luận chƣơng 1

18

Chƣơng 2. ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THÔNG SỐ LÊN HỆ
SỐ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER

19


3


2.2.2. Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia

31

2.2.3. Ảnh hưởng của độ rộng xung

32

2.3. Kết luận chƣơng 2

34

KẾT LUẬN CHUNG

35

TÀI LIỆU THAM KHẢO

36


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
1

Hình 1.1. Cấu tạo laser rắn


17

7

Hình 1.7. Quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất

17

8

Hình 2.1. Buồng cộng hưởng

20

9

Hình 2.2. Sự phụ thuộc trường nhiệt vào tần số phát

23

10 Hình 2.3. Độ dịch pha

28

11 Hình 2.4. Ảnh hưởng của bán kính mặt thắt chùm tia đến sự biến

31

đổi quang nhiệt
12 Hình 2.5. Ảnh hưởng của độ rộng xung đến sự biến đổi quang

ứng thấu kính nhiệt sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc chùm tia, ảnh hưởng đến tần số
làm việc của laser.
Như vậy, vấn đề đặt ra là trong công nghệ chế tạo laser, làm sao có thể hạn
chế tối đa ảnh hưởng không tốt của hiệu ứng nhiệt đến chất lượng chùm tia
phát? Một trong những phương án được lựa chọn đó là hạn chế tối đa phần năng
lượng bơm chuyển hóa thành năng lượng nhiệt trong hoạt chất. Hay nói cách
khác, bằng cách nào đó có thể điều khiển được hệ số biết đổi quang nhiệt trong
quá trình hoạt động của laser.


6

Đề góp phần giải quyết vấn đề trên chúng tôi chọn đề tài : “Khảo sát ảnh
hưởng của một vài tham số lên sự biến đổi quang nhiệt trong hoạt chất laser
rắn” làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình.
2. Mục tiêu của đề tài luận văn
Tìm hiểu tổng quan về laser rắn, trong đó chú trọng đến cấu hình, hoạt
chất và hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser rắn.
Đề xuất miền giá trị của một số tham số ảnh hưởng đến quá trình biến đổi
quang nhiệt trong hoạt chất laser.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng
- Hiệu ứng nhiệt trong laser rắn;
- Biểu thức mô tả hệ số chuyển đổi quang nhiệt trong môi trường hoạt;
- Các tham số ảnh hưởng đến hệ số biến đổi quang nhiệt.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ chế hình thành trường nhiệt trong hoạt chất laser;
- Khảo sát ảnh hưởng của một vài tham số đến quá trình biến đổi quang
nhiệt trong hoạt chất laser.
4. Nhiệm vụ nghiên cƣ́u

TỔNG QUAN VỀ LASER RẮN

1.1. Đặc điểm, cấu hình và hoạt chất của laser rắn
1.1.1. Đặc điểm
Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn. Chất rắn có thể
là đơn tinh thể, hoặc chất vô định hình. Trong laser rắn nghịch đảo nồng độ
thường được thực hiện ở những mức năng lượng của nguyên tử, hoặc của ion
tạp chất.
Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn thường rất lớn, khoảng 10 17 đến 1020/cm3
tức là lớn hơn khoảng 100 ÷ 1000 [1] lần so với chất khí, lúc đầu người ta đã
cho rằng chỉ có laser rắn mới cho công suất lớn. Do nồng độ hạt lớn nên hệ số
khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí, do đó với công suất bằng
nhau thì thanh hoạt chất nhỏ hơn nhiều.
Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn nhiều so với chất khí. Do đó
tiêu hao do tán xạ sẽ lớn và hệ số phẩm chất của nó sẽ nhỏ. Thanh hoạt chất có
chiều dài chỉ khoảng 10 ÷60 cm [1]. Do độ đồng nhất quang học của thanh hoạt
chất nhỏ nên góc mở của tia Laser do nhiễu xạ sẽ rất lớn, thường hàng chục
phút, trong khi góc mở của laser khí chỉ vài chục giây.
Trong laser rắn các hạt sẽ tương tác với nhau do đó các mức năng lượng
thường có độ rộng lớn vì vậy vạch bức xạ tự phát và vạch bức xạ laser thường
có dải phổ khá rộng. Độ rộng vạch bức xạ tự phát của chất vô định hình khoảng
vài chục A0, của chất đơn tinh thể khoảng vài A0, còn độ rộng của bức xạ laser
khí chỉ vài phần mười A0 [1].
Để tạo nghịch đảo trong laser rắn người ta dùng bơm quang học tức là
chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích lũy chủ
yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo nồng độ.


9


Chùm tia phát

(4)

Hình 1.1. Cấu hình laser rắn bơm dọc[4]
(1): tia laser bơm

(3): gương phản xạ 100% (đối với sóng bơm)

(2): thấu kính

(4): gương phản xạ 50%


10

Chùm tia laser bán dẫn công suất lớn được phân bố lại năng lượng tương
đối đều trên tiết diện ngang bằng một hệ quang. Hệ quang sử dụng được thiết kế
sao cho vết chùm tia bơm bằng hoặc lớn hơn một ít so với tiết diện ngang của
hoạt chất. Vì phân bố chùm tia laser bán dẫn không đều nên thường phải sử
dụng tích hợp một thấu kính trụ và một số thấu kính cầu nhằm mục đích tái phân
bố năng lượng chùm bơm. Chùm tia bơm có phân bố đều sẽ chiếu vào hoạt chất
laser rắn dọc theo trục buồng cộng hưởng từ gương phản xạ 100%.
Khác với cấu hình bơm dọc, thường có một số hạn chế như đã nói ở trên,
để khắc phục những hạn chế trên, phương pháp bơm ngang được sử dụng. Với
phương pháp này người ta có thể sử dụng một hay nhiều thanh laser bán dẫn
dùng làm nguồn bơm đặt xung quanh hoạt chất.
Khi sử dụng nguồn bơm là các laser bán dẫn, đèn bơm đặt song song với
thanh hoạt chất - gọi là cấu hình laser rắn bơm ngang (hình 1.2). Các laser bán
dẫn được sử dụng nhiều nhất để làm nguồn bơm cho laser rắn là các laser có bước

Với việc sử dụng nguồn bơm kết hợp, hiệu suất laser có thể đạt tới 80%.
Ngoài ra, nếu sử dụng laser bán dẫn không những sẽ nâng cao hiệu suất phát laser
mà còn có thể phát laser ở bất kỳ tần số nào, phụ thuộc vào tần số của laser bán
dẫn. Hơn nữa, vì không có năng lượng dư thừa đốt nóng hoạt chất, nên không cần
hệ thống làm lạnh, tránh được một công nghệ phức tạp trong chế tạo laser rắn tần
số lặp cao. Với các ưu điểm trên của nguồn bơm quang học kết hợp, laser rắn
đang được phát triển trên cơ sở sử dụng nguồn bơm laser bán dẫn và nâng cao tần
số lặp lên đến hàng trăm Hz [4].


12

1.1.3. Hoạt chất
Hoạt chất của laser rắn thường là điện môi dạng tinh thể hoặc vô định hình
có dạng hình trụ tròn. Lớp phản xạ thường được phủ ở ngay đầu thanh, như vậy
đầu thanh thường được đánh bóng và được phủ bằng lớp điện môi đủ để đảm
bảo hệ số phản xạ cần thiết cho bước sóng laser.

Hình 1.4. Hình dạng thanh hoạt chất laser[1]

Để phản xạ tốt người ta còn dùng hiện tượng phản xạ toàn phần. Đầu thanh
có dạng hình mái nhà, với điều kiện phản xạ:
1
 

  arccos  
n

(1.1)


Thủy tinh cũng thường được sử dụng làm chất nền cho laser thủy tinh.
Thủy tinh là chất vô định hình nên có ưu điểm: dễ chế tạo, có thể tạo được kích
thước lớn và đạt độ đồng nhất cao. Thủy tinh có nhược điểm là độ bền và nhiệt
kém và công suất bơm ngưỡng khá lớn. Chất kích hoạt là những nguyên tố đất
hiếm như Crôm, Neodym, Urani. Những nguyên tố này thường ở dạng ion hai
hoặc ba điện tích.
1.2. Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn
Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo nồng độ giữa các mức công tác của
laser chủ yếu là quá trình dịch chuyển và khi phân tích điều kiện tạo nghịch đảo
thường người ta chỉ xét những trng thái đầu và những trạng tái cuối của những
dịch chuyển cơ bản. Do đó tùy thuộc vào số trạng thái mà chúng ta có được hệ
hai mức, ba mức hoặc bốn mức, ở mỗi hệ đó chúng ta đã đơn giản hóa một cách
hợp lý để có thể hiểu được những quá trình cơ bản cơ chế làm việc của laser.


14

Khi phân tích công tác của hệ chúng ta giả thiết: bức xạ bơm chỉ tác dụng với
một dịch chuyển giữa mức laser trên và mức cơ bản. Điều đó có thể đạt được, ví
dụ bằng cách chọn phổ bức xạ bơm hoặc chọn nhóm trạng thái cơ bản và trạng
thái trên là rất lớn hơn xác suất của tất cả quá trình khác trong nhóm trạng thái
đó[1].
Tuy nhiên, môi trường gồm các nguyên tử hai mức năng lượng thì rất khó
tạo ra nghịch đảo mật độ. Giả sử có tạo ra được trạng thái này thì xác suất dịch
chuyển tử mức cơ bản lên mức mức kích thích và ngược lại là bằng nhau, do đó
trạng thái này không tồn tại được lâu, mà quay vể trạng thái cân bằng ban đầu.
Như vậy, để có được điều kiên nghịch đảo mật độ cư trú chúng ta chỉ có thể tìm
thấy trong các nguyên tử có ít nhất ba mức năng lượng. Trong sơ đồ các mức
năng lượng đó ít nhất có một mức kích thích trung gian siêu bền, có thời gian
sống lâu hơn nhiều so với các mức kích thích khác. Sau đây chúng ta tìm điều

Hoạt chất của laser thường là điện môi dạng tinh thể đối xứng tâm hoặc vô
định hình, dạng hình trụ tròn. Đầu thanh được phủ một lớp điện môi đủ để đảm
bảo hệ số phản xạ cần thiết cho sóng laser. Hoạt chất laser bao gồm chất nền và
chất kích hoạt. Chất nền không tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ laser,
chất nền có chứa các nguyên tử hoặc ion của chất kích hoạt. Chất kích hoạt
thường có tỷ lệ rất nhỏ so với chất nền, thường là những nguyên tố hiếm như
Crom, nên hoạt chất laser phần lớn là các chất nền. Do đó hoạt chất của laser
bao gồm một phần các tâm hoạt có phổ hấp thụ trong một vùng nhất định, các
tâm hoạt phân bố đều trong chất nền. Nhờ các nguyên tử, phân tử trong chất nền
mà phổ hấp thụ, phát xạ của hoạt chất laser được xác định.
Dưới tác động của nguồn bơm các tâm hoạt hấp thụ cộng hưởng một phần
năng lượng nguồn bơm, phần còn lại sẽ bị hấp thụ không cộng hưởng của chất
nền để dao động nhiệt làm nhiệt độ hoạt chất tăng lên. Năng lượng của nguồn
bơm thông thường phân bố không đều trong hoạt chất, đặc biệt trên tiết diện
ngang. Điều này dẫn đến xuất hiện gradient nhiệt trong hoạt chất.
Trong vùng phổ hấp thụ của của hoạt chất laser rắn chỉ có một vài vạch
phổ hẹp sau khi hấp thụ được biến đổi thành năng lượng laser, còn gọi là vạch


16

hiệu dụng. Các vạch còn lại trong phổ hấp thụ sẽ biến thành nhiệt năng, gọi là
vạch phi hiệu dụng. Nhiệt năng này sẽ làm thay đổi nhiệt độ của hoạt chất, mà
từ đó sẽ gây ra nhiều hiệu ứng khác nhau:
- Giảm công suất phát.
- Gây bất ổn định công suất.
- Gây bất ổn định cấu trúc chùm tia.
- Làm hỏng hoạt chất.
Từ các lý do trên việc nghiên cứu về quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất
laser, tức là làm rõ sự thay đổi nhiệt theo bán kính xuyên tâm, thời gian hoạt


Bằng cách tính gần đúng theo phương trình (1.1), quá trình hình thành
trường nhiệt trong hoạt chất được thể hiện như sau:

Hình 1.6. Quá trình hình thành trường Gradient nhiệt [5]

Trong hình 1.7 mô tả quá trình tăng nhiệt trong hoạt chất laser. Một chu kỳ
hoạt động của laser gồm hai chu kỳ nhỏ: chu kỳ bơm và chu kỳ làm lạnh (khi
đèn bơm dừng).
T
[0K]

Tb3
Tb2
T4
Tb1

T3
T2

T1

k
tbđ t1

t2 t3

t4 t5

t6

như vậy, nội dung chương 1 chúng tôi đã trình bày chúng tôi trình bày cơ chế
hình thành trường nhiệt trong hoạt chất laser; đề cập đến một số hiệu ứng nhiệt
cũng như ảnh hưởng của các hiệu ứng này đến chùm laser phát. Vấn đề này sẽ
được chúng tôi nghiên cứu và trình bày tiếp sau đây.


19

Chƣơng 2
ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ
LÊN SỰ BIẾN ĐỔI QUANG NHIỆT TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN

2.1. Một số hiệu ứng nhiệt trong hoạt chất laser
2.1.1. Hiệu ứng thấu kính nhiệt
Hiệu ứng thấu kính nhiệt hình thành trong hoạt chất, do sự thay đổi chiết
suất theo nhiệt độ và hiệu ứng quang đàn hồi do ứng suất nhiệt. Sự thay đổi chiết
suất trong quá trình hoạt động của laser sẽ biến hoạt chất đồng nhất ban đầu
thành một thấu kính, gọi là thấu kính nhiệt, có tiêu cự xác định theo biểu thức
sau:
f 

K
 1 dn

 C  ,   n02103 
 n0 Lh   
 2nn dT


trong đó:





(2.2)

trong đó:
+ I0 là cường độ chùm tia tại trục quang,
+ r là khoảng cách tính từ trục quang,
+ W0 là bán kính mặt thắt chùm tia.

Hình 2.1. a- BCH khi chưa có thấu kính nhiệt,
b- BCH khi có thấu kính nhiệt,
c- Chùm tia Gauss[4].
Mặt sóng cầu thay đổi theo các công thức sau:
Bán kính mặt cắt:
  z
w( z )  W02 1  
2
  W0

và bán kính cong:






(2.3)


2R  d  8d R  d  d 10d  4 R 
 4R  2d   R3R  4d 
(2.6)
4


f
Rf
R2

2

Từ (2.4), (2.5) và (2.6), khi tiêu cự thấu kính thay đổi sẽ dẫn đến bán kính
tiết diện và bán kính cong thay đổi, tức là chùm tia thay đổi.
Như vậy, với laser có các tham số thiết kế không đổi, khi thay đổi công
suất bơm sẽ làm thay đổi trường nhiệt (nhiệt độ), khi đó chiết suất:
nT   n0 

dn
T
dT

(2.7)

trong đó:
+ n(0) là chiết suất tại một điểm của hoạt chất,
+ T là biến thiên nhiệt độ tại điểm đó.
Sự thay đổi nhiệt độ tại mỗi điểm của hoạt chất sẽ khác nhau với mỗi công



 0


a là độ nhớt (hệ số dẫn nhiệt độ),



f là tần số phát của laser.

(2.8)


23

Khi đã biết giá trị một vài tham số (d=dmax, a=const, Eb=const,
H(t)=const,..) có thể thấy nhiệt độ Tts phụ thuộc vào tần số phát của đèn, f’đ=1/t0
(bằng tần số phát của laser). Sau khi sử dụng phương trình dẫn nhiệt, mô tả
trường nhiệt, phụ thuộc vào tần số và phân tích thành chuỗi giới hạn thành phần
đầu, bỏ qua thành phần (2n/dmax)2 < 0,1:
Tts  T p 

An J 0  n d / d max 
a
E (t )
2
k
e a 2 n d / d 0  1 / f  n  1 / f d'




lượng 450 J khi làm lạnh bằng nhiệt độ Tp =300K:
1: f=50 Hz, H= 4.104 W/m2K
2: f=10 Hz, H= 4.103 W/m2K