Bài giảng Laser Sapphire

1. Khái niệm Laser Ti: sapphire là laser rắn sử dụng sapphire làm môi trường hoạt chất. Laser Ti: sapphire phát ánh sáng màu đỏ và ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650- 1100nm. Laser Ti: sapphire được sử dụng rộng rãi vì nó có thể điều hưởng bước sóng trên một vùng rộng để phát xung laser cực ngắn (femto giây) bằng phương pháp khóa mode. Laser Ti: sapphire là vật liệu hàng đầu trong công nghệ khóa mode để tạo xung cực ngắn. Laser Ti: sapphire được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1982. 2. Cấu tạo của Sapphire Cấu trúc tinh thể Al2O3 Đá Sapphire Sapphire có cùng dòng họ với Ruby. Sapphire là một biến thể của corindon - Al2O3. Sapphire có màu xanh lơ do lẫn ít titan oxit. Tỷ trọng của Sapphire: 3,95 - 4,03 , thường là 3,99. Sapphire có độ cứng tương đối là 9 (theo thang Mohs), chỉ đứng sau kim cương. Độ cứng của sapphire cũng biến đổi theo các hướng khác nhau như Ruby. Sapphire có chiết suất vào khoảng: 1,766 - 1,774. Sapphire lam hấp thụ các bước sóng: 470.1nm, 460nm, 455nm, 450nm, 379nm. Công thức hóa học của sapphire là Al2O3 ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti3+ thay thế vị trí của Al3+ trong mạng tinh thể. Mỗi ion Ti3+ liên kết với 6 ion O2- nằm ở các đỉnh của hình tám mặt. 3. Cấu tạo của Laser Ti: Sapphire 3.1. Môi trường hoạt chất Sapphire là hợp chất của Al2O3 và Ti3+ nên môi trường hoạt chất của laser Ti: sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này. Al2O3 có tính dẫn nhiệt tốt nên nó có thể giảm nhiệt độ nhanh ngay cả với laser có công suất cao và cường độ lớn. Ion Ti3+ có độ rộng phổ hấp thụ lớn nên phát ra laser có độ rộng phổ lớn, đó là một cơ sở để điều khiển laser Ti: Sapphire phát xung cực ngắn (cỡ femto giây). Hình ảnh thanh Ti:Al2O3 trong thực tế Hình bát diện của Ti:Al2O3 Tinh thể Ti: sapphire được chế tạo bằng cách nung nóng chảy Ti2O3 với Al2O3. Nồng độ ion Ti3+ trong mạng chiếm khoảng 0,1-0,5% khối lượng. Ion Ti3+ chiếm chỗ của ion Al3+, nó ở trung tâm của hình bát diện và liên kết cộng hóa trị với 6 ion âm O2- xung quanh. Trong mạng tinh thể lý tưởng có thể xem hình bát diện này đối xứng. Nồng độ ion Ti3+ trong mạng tinh thể khoảng 3,3.1019 ion/cm3. Trạng thái điện tử cơ bản của ion Ti3+ được tách thành hai mức điện tử dao động, hai mức này liên kết mạnh với các mode dao động của mạng gây nên sự mở rộng đồng nhất mạnh. Thông thường người ta chế tạo thanh hoạt chất có đường kính cỡ 35- 45mm, chiều dài khoảng 80- 180mm. Nhôm ôxit đóng vai trò là chất nền, ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát ra laser. 3.2. Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Ti: sapphire cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby là buồng cộng hưởng quang học, thường được chế tạo ở hai dạng: Dạng 1 buồng cộng hưởng quang học hở (Fabri perot Dạng 2 buồng cộng hưởng kín. Laser Ti: sapphire được sử dụng dưới dạng xung laser cực ngắn là chủ yếu nên buồng cộng hưởng cũng được thay đổi. Để tạo ra xung cực ngắn thì có hai phương pháp: điều biến độ phẩm chất và khóa mode. Ở chế độ khóa mode đòi hỏi buồng cộng hưởng phải đủ dài, để không tăng kích thước laser thì người ta chế tạo buồng cộng hưởng gấp. Hoạt động của buồng cộng hưởng gấp ngoài mục đích tăng quãng đường đi của photon còn làm chùm photon đơn sắc, có công suất cao. Do đó trong buồng cộng hưởng ngoài gương phản xạ toàn phần, và gương phản xạ một phần ra người ta còn đưa thêm lăng kính và khe chắn sáng vào. Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp sau đây là một số mô hình buồng cộng hưởng gấp: Loại 1: Buồng cộng hưởng có 4 gương - Loại 1: 5th and 6th cavity mirrors (flat high reflector M3, M5) are placed in long arm of the cavity to make laser more compact.buồng cộng hưởng có 4 gương (M1, M2, M3, M4). Các gương phản xạ toàn phần là M1, M2, M4. Gương M3 phản xạ một phần. Khi photon phát ra thì bị phản xạ nhiều lần trong buồng cộng hưởng này và bị khuếch đại lên, khi đạt giá trị ngưỡng thì laser phát ra ở M3. Trong buồng cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P1 và P2 để tán sắc ánh sáng, sau lăng kính P2 ta đặt một khe sáng S để lọc ra bước sóng cần thiết. Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn có đặt ống kính F để tập trung bức xạ bơm. Với hệ thống buồng cộng hưởng này ta thu được xung laser có tính đơn sắc cao, công suất lớn và tập trung tại một điểm.More compact scheme incorporates 6 mirrors cavity (Fig. Quang đề án của FemtoStart50 Loại 2: có 6 gương phẳng (M3, M5 phản xạ cao), 2 lăng kính P1 và P2, và khe S - Loại 2: buồng cộng hưởng có 6 gương (M1, M2, M3, M4, M5, M6). Trong đó M1, M2, M3, M4, M5 là gương phản xạ toàn phần. M6 là gương phản xạ toàn phần. Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P1, và P2 và khe sáng S để tạo ra ánh sáng đơn sắc. Photon phát ra lần lượt phản xạ trên các gương như hình vẽ trên. - Loại 3: Quang Đề án của FemtoStart50. Gồm có 9 gương M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9. Loại này có thể phát ra xung tương ứng với 20 fs, 50 fs, và 100 fs. Gương M1, M2, M3, M4, M5 và M7 là gương phản xạ tòa phần lớn hơn 99,5%. M6 là gương phản xạ một phần. Gương M8, M9 để tập trung bức xạ bơm tới ống kính F. Ống kính F có tiêu cự là 100 mm. Buồng cộng hưởng có thêm hai lăng kính Sơ đồ thực tế của quang đề án của FemtoStart50 P1, P2 và khe sáng S để tán xạ ánh sáng và lọc bước sóng (nếu khe S đặt gần M4. Nếu khe S đặt gần M6 có tác dụng ổn định hoạt động cho xung laser. Mirror M7 được sử dụng trong quá trình liên kết với lăng kính và M2. Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp với nhiều gương, lăng kính hơn. 3.3. Nguồn bơm Để bơm cho laser Ti: sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng trong khoảng 514-532nm. Thông thường người ta sử dụng laser argon (514,5 nm) để bơm cho laser Ti: Sapphire phát liên tục. Và laser Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: YVO (527- 532 nm) có tần số đôi để bơm cho laser Ti: Sapphire phát xung. Ở nhiệt độ thấp cũng có thể dùng đèn quang học (như đèn chớp) để bơm nhưng đèn phải mạnh, sử dụng đèn này thì tiết kiệm được chi phí. Đèn Argon phát liên tục là nguồn bơm phù hợp, có công suất cao (lớn hơn 1W), độ rộng phổ có thể điều chỉnh ngoài khoảng 700- 1000nm. 4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Titan là 3d24s2, có 2 electron ở phân lớp 3d, 2 electron ở phân lớp 4s. Theo lý thuyết nhóm thì Titin là kim loại chuyển tiếp. Spin của nó nhận giá trị ½, từ đó ta suy ra được độ bội của nó là 2. Trong sự sắp xếp các ion trong mạng tinh thể thì có sự phân ly của liên kết Ti-O, do đó trạng thái điện tử cơ bản của ion Ti3+ được tách thành 2 mức: Sự tách mức năng lượng Mức 1: 2T2 gọi là trạng thái cơ bản, trạng thái này suy biến bậc 3, có nhiều mức dao động con tạo thành một dải lớn. Thời gian sống của hạt ở trạng thái này khoảng 3,2 tại 300K. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti3+ Mức 2: 2E gọi là trạng thái kích thích, mức này gồm 2 mức nhỏ. Liên kết của electron ở phân lớp 3d với trường mạng tinh thể vững chắc nên trạng thái trên bền vững hơn trạng thái dưới, tức là thời gian sống của mức 1 lớn hơn thời gian sống ở mức 2, đây cũng chính là cơ sở để ta tạo sự nghịch đảo mật độ cư trú để tạo ra laser. Với sơ đồ các mức năng lượng như vậy ion Ti3+ có phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang rất rộng và hai phổ này tách biệt nhau. Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng, từ các mức năng lượng của ion Ti3+ trong mạng tinh thể mà phân thành các mức như sơ đồ: Mức 1 của ion Ti3+ là một dải rộng các mức năng lượng con, ta có thể chia mức 1 thành 2 vùng A và B, hai vùng gần như xen phủ nhau. Vùng A gồm các mức dao động con phía dưới, vùng B gồm các mức dao động phía trên. Mức 2 của ion Ti3+ có hai mức dao động con C và D. Sự nghịch đảo mật độ cư trú của hạt được thực hiện theo cơ chế sau: Khi bơm với bước sóng thích hợp thì hạt từ trạng thái cơ bản A chuyển lên trạng thái kích thích C và D. D rất sát với C, và thời gian sống của hạt ở mức D bé hơn mức D nên hạt nhanh chóng chuyển về C mà không bức xạ. Thời gian sống ở C lớn hơn thời gian sống ở B nên tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú. Ở C quá trình bức xạ cưỡng bức xảy ra, các hạt đồng loạt nhảy về các mức con ở B đồng thời phát ra photon có năng lượng khác nhau. Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire Trạng thái năng lượng và cơ chế phát laser Vậy ta có thể xem như A là cơ bản, B là mức laser dưới, C là mức laser trên, D là mức kích thích. Laser Ti: Sapphire phát ra bước sóng cao nhất là 790nm. Laser Ti:Sapphire phát ra nhiều bước sóng khác nhau nằm trong vùng ánh sáng đỏ đến vùng hồng ngoại gần. Trong tất cả các laser rắn thì laser Ti:Sapphire có phổ phát xạ laser rộng nhất, bước sóng trải dài từ 660-1180nm. Laser Ti: sapphire có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số bơm. Vì độ rộng phổ phát xạ lớn nên laser Ti: sapphire được sử dụng để khóa mode và biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng tạo ra xung laser cực ngắn cỡ 20-100 fs. Ngày nay các nhà khoa học dễ dàng tạo được thời gian xung quanh 100 fs rất dễ dàng. Xung ngắn nhất có thể tạo ra khoảng 5,5fs. Người ta sử dụng bộ điều biến quang âm để điều biến độ phẩm chất. Hiện nay các nhà khoa học sử dụng ống kính kerr để khóa mode (Kerr lens mode-locking ) với nguồn bơm ở chế độ bơm liên tục. Phương pháp này gọi tắc là KLM. 5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire Ưu điểm - Phổ bức xạ của laser Ti: sapphire lớn nên có thể điều chỉnh được để tạo ra laser công suất cao. Laser công suất được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hơn laser công suất thấp. - Độ dẫn nhiệt của Ti: Sapphire cao như kim loại, nên hiệu suất của laser Ti: sapphire lớn hơn các loại laser rắn khác hoạt động ở chế độ liên tục. - laser Ti: sapphire hoạt động ở chế độ liên tục và phát xung cực ngắn vượt trội laser màu. Nhược điểm - Ti: sapphire có thể chứa một số lượng không mong muốn Ti 4 + ion, dẫn đến sự hấp thụ ký sinh và do đó để mất hiệu quả laser. Để để tối ưu hóa hoạt động của laser Ti: sapphire thì phải giảm thiểu nồng độ ion Ti4+ - Mất mát trong trong laser Ti: sapphire gồm mất mát trên lớp mạ gương, các bề mắt quang học đánh bóng, mất mát kí sinh ngay trong vật liệu Ti:Sapphire. Mất mát này tỉ lệ với độ dài thanh và thay đổi theo nồng độ Ti3+, khi nồng độ này tăng thì mất mát tăng.