Tài liệu Luận văn Một số laser rắn: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “Một số laser rắn”
GVHD: Hoàng Hữu Hòa
SVTH: Lê Thị Bích Liên
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................5
1. Lý do chọn đề tài......................................................................................5
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................8
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ...............................................................................8
4. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................8
5. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................9
6. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................9
NỘI DUNG .....................................................
84 trang |
Chia sẻ: haohao | Lượt xem: 1857 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Luận văn Một số laser rắn, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “Một số laser rắn”
GVHD: Hoàng Hữu Hòa
SVTH: Lê Thị Bích Liên
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................5
1. Lý do chọn đề tài......................................................................................5
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................8
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ...............................................................................8
4. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................8
5. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................9
6. Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................9
NỘI DUNG .................................................................................................... 10
Chương 1: Cơ sở lý thuyết ............................................................................ 10
1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan
điểm lượng tử ........................................................................................ 10
1.1.1. Quá trình hấp thụ .................................................................... 11
1.1.2. Quá trình phát xạ tự phát ........................................................ 12
1.1.3. Quá trình phát xạ cưỡng bức................................................... 13
1.2. Hiện tượng khuếch đại ...................................................................... 15
1.3. Sự nghịch đảo mật độ cư trú ............................................................. 16
1.4. Ngưỡng phát ..................................................................................... 16
Chương 2: Tổng quan về Laser .................................................................... 18
2.1. Khái niệm ......................................................................................... 18
2.2. Lịch sử nghiên cứu Laser .................................................................. 19
2.3. Cơ chế phát Laser ............................................................................. 22
2.4. Cấu tạo của máy phát laser................................................................ 28
2.4.1. Môi trường hoạt chất .............................................................. 29
2.4.2. Nguồn bơm của Laser............................................................. 30
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
2
2.4.3. Buồng cộng hưởng Laser........................................................ 31
2.4.3.1 Cấu tạo.......................................................................... 31
2.4.3.2 Chức năng ..................................................................... 32
2.4.3.3. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng ................... 33
2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng .............................. 34
2.5. Đặc điểm của chùm tia Laser ............................................................ 35
2.5.1. Tính chất vật lý....................................................................... 35
2.5.1.1. Độ định hướng cao ....................................................... 35
2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao ..................................................... 36
2.5.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn.................................. 36
2.5.1.4. Độ rộng phổ ................................................................. 36
2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn ...................................................... 37
2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser. ................................................ 38
2.5.2. Tính chất sinh học .................................................................. 38
2.5.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học. ....................................... 38
2.5.2.2. Hiệu ứng nhiệt.............................................................. 39
2.5.2.3. Hiệu ứng quang ion. ..................................................... 39
Chương 3: Một số laser rắn .......................................................................... 40
3.1. Khái niệm laser rắn ........................................................................... 40
3.2. Đặc điểm của Laser rắn..................................................................... 40
3.3. Laser Ruby........................................................................................ 40
3.3.1. Khái niệm ............................................................................... 40
3.3.2 Cấu tạo của Ruby .................................................................... 40
3.3.3 Cấu tạo của Laser Ruby ........................................................... 41
3.3.3.1. Môi trường hoạt chất .................................................... 42
3.3.3.2. Buồng cộng hưởng ....................................................... 43
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
3
3.3.3.3. Nguồn bơm .................................................................. 44
3.3.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby ..................................... 45
3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby......................................... 51
3.2.5.1. Ưu điểm ....................................................................... 51
3.2.5.2. Nhược điểm ................................................................. 51
3.4. Laser Ti: sapphire ............................................................................. 52
3.4.1. Khái niệm ............................................................................... 52
3.4.2. Cấu tạo của Sapphire .............................................................. 52
3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire................................................ 52
3.4.3.1. Môi trường hoạt chất .................................................... 52
3.4.3.2. Buồng cộng hưởng ....................................................... 53
3.4.3.3. Nguồn bơm .................................................................. 56
3.4.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire ........................... 56
3.4.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire .............................. 59
3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm ......................................................... 59
3.5.1. Laser Nd:YAG ....................................................................... 59
3.5.1.1. Khái niệm .................................................................... 59
3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG ................................................... 60
3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG.......................................... 60
3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG ..................... 62
3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG ........................ 65
3.5.2. Laser Yb: YAG ...................................................................... 66
3.5.2.1. Khái niệm .................................................................... 66
3.5.2.2. Cấu tạo của Yb:YAG ................................................... 66
3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG.......................................... 66
3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG..................... 68
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
4
3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG ........................ 69
3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác................. 69
3.6. Laser Tm:Ho: YAG .......................................................................... 70
3.7. Ứng dụng của Laser rắn .................................................................... 72
3.7.1 Gia công vật liệu...................................................................... 72
3.7.2 Trong quân sự.......................................................................... 78
3.7.3 Dùng trong y học ..................................................................... 79
KẾT LUẬN.................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 83
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
5
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại bắt đầu giữa những năm 40
thế kỉ 20. Những phát minh trong khoa học - kĩ thuật cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ
20 là tiền đề của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại này. Cuộc cách
mạng trong giai đoạn này chủ yếu về công nghệ. Việc áp dụng những công
nghệ hoàn toàn mới đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu,
giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường,
nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của
sản xuất. Một trong hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật của ngành vật lý
trong thế kỷ 20 là laser. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công
nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser đầu tiên. Năm 1960, chiếc laser
đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo. Laser là một nguồn phát
ánh sáng có tầm quan trọng ngày càng cao trong cuộc sống hàng ngày của
chúng ta. Nó là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng
bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao nồng độ các phần tử của một môi trường
vật chất tương ứng. Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh
sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp
dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một
cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.
Laser trở thành một vật thiết yếu trong công việc hàng ngày, và thông
dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng tạp hóa. Sự thâm nhập của laser
vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất phạm vi ứng
dụng của công nghệ laser. Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng
tên lửa, ngay cả những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
6
ấn hoặc in sao các văn bản giấy cũng sử dụng đến laser. Đặc biệt laser được sử
dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu thuật, và trong gia công vật liệu.
Hay mạng viễn thông trên thế giới phần lớn được truyền dẫn bằng việc gởi
những tín hiệu laser dạng xung đi hàng dặm đường trong các sợi cáp quang, và
những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa như những bức tranh thời cổ đại thường
được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng
với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát
triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta,
biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thành sự thật.
Laser đầu tiên được chế tạo là laser Ruby, laser này sử dụng Ruby làm
môi trường hoạt chất. Ngay sau đó các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo ra
nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất. Từ đó công
nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn,
laser lỏng... Ban đầu laser tạo ra có công suất thấp ứng dụng không nhiều, các
nhà khoa học đã nghiên cứu và dùng nhiều cách đã tạo ra được laser công suất
cao với nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế. Công nghệ laser phát triển
mạnh mẽ nữa sau thế kỷ 20, nhưng hiện nay công nghệ laser được nghiên cứu
theo những hướng mới. Đặc biệt là trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công
nghệ laser.
Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân thành nhiều
ngành khác nhau: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí... Trong đó laser
rắn được phát minh đầu tiên mở màn cho các loại laser sau này phát triển. Laser
rắn sử dụng môi trường hoạt chất là chất rắn. Laser rắn được ứng dụng rất nhiều
trong các lĩnh vực y học, gia công vật liệu, quân sự...
Ở Việt Nam công nghệ laser được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu
và đã đạt được rất nhiều thành tựu, nhất là triển khai ứng dụng công nghệ laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
7
vào cuộc sống. Ở nước ta có Trung tâm công nghệ Laser ở Hà Nội đã đạt được
rất nhiều thành tựu to lớn về công nghệ laser góp phần không nhỏ trong chương
trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước như:
- Laser trong công nghiệp. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Laser
trong xử lý vật liệu (cắt, hàn, khắc,...). Tư vấn chuyển giao công nghệ cho các
cơ sở, đơn vị trong lĩnh vực trên.
- Laser trong Y tế. Chế tạo các loại Laser He-Ne trị liệu 2-50mW; Các
loại Laser CO2 phẫu thuật 10-40W; Laser Diode châm cứu; Laser He-Cd, Laser
Nd: YAG, Laser Ruby.
Từ khai thác, làm chủ hệ laser CO2 công suất lớn, laser bán dẫn, Trung
tâm đã chế tạo thành công nhiều hệ laser và đưa vào ứng dụng trong gia công
cắt gọt, và sử dụng trong phẫu thuật. Thành công trong nghiên cứu theo phương
pháp chuẩn trực công nghiệp chùm tia laser bán dẫn, đã chế tạo thành công
những hệ đo laser không tiếp xúc với cự ly từ 30m đến 1500m, phục vụ hiệu
quả trong công nghiệp, xây dựng và nhất là trong an ninh quốc phòng. Đặc biệt
thiết bị laser He- Ne đã đem lại kết quả tốt trong điều trị các bệnh ngoài da, dị
tật phong, nội tĩnh mạch và cai nghiện ma tuý.
Ngoài Trung tâm công nghệ laser ra nước ta còn có Phân viện quang học
và quang phổ cũng khảo sát các tính chất vật lý của laser bán dẫn, laser công
suất cao. Đã phát triển, chế tạo và ứng dụng các laser công suất cao. Ngoài ra
có rất nhiều nhà khoa học, nhiều trung tâm khoa học vật liệu như Trung tâm
khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia, nhiều Viện khoa học đang nghiên
cứu, chế tạo và ứng dụng laser vào cuộc sống.
Cùng với những thành tựu đạt được của công nghệ laser vào cuộc sống
của Việt Nam cũng như trên thế giới. Laser không còn là lĩnh vực mới lạ đối
với nước ta. Khi đi ra đường hay bất kỳ đâu chúng ta đều nghe nhắc đến laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
8
như dao laser, máy in laser, bút laser, và ngay cả trò chơi của trẻ em... Rất rất
nhiều và bạn có thể mua bút laser bất kỳ đâu. Với những ứng dụng rất rộng rãi
của laser ngày nay thì việc tìm hiểu hoạt động, cấu tạo, cơ chế phát laser cũng
rất cần thiết đối với mỗi chúng ta. Laser rắn cũng là một trong những laser được
biết đến nhiều nhất và được ứng dụng nhiều nhất trong y học, gia công vật liệu.
Với những ứng dụng quan trọng đó laser rắn cũng phần nào trở thành một thành
phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Đó chính là lý do tôi chọn
đề tài này: “Một số laser rắn”. Để tìm hiểu rõ hơn một số loại laser rắn về cấu
tạo, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng.
2. Mục đích nghiên cứu
Với tầm quan trọng của laser cũng như laser rắn trong cuộc sống của con
người ngày nay, tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra như sau:
- Nắm vững được cơ sở lý thuyết của laser rắn.
- Nêu được một số loại laser rắn về nhiều phương diện như cấu tạo, cơ chế
hoạt động, ứng dụng, và tầm quan trọng của nó trong cuộc sống.
- Đề tài phân biệt được laser rắn với các loại laser khác.
- Đề tài nêu được những ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là:
- Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của laser cũng như laser rắn.
- Thu thập tài liệu ở các sách và trên mạng Internet.
- Tổng hợp, phân tích, so sánh, khái quát tài liệu thu thập được.
- Dịch tài liệu tiếng anh để đề tài được phong phú hơn.
4. Đối tượng nghiên cứu
Để đạt được mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu tôi xác định đối tượng
nghiên cứu như sau:
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
9
- Cơ sở lý thuyết của laser.
- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính chất của laser.
- Phân biệt laser rắn với các loại laser khác.
- Cấu tạo, đặc điểm, cơ chế phát của laser rắn.
- Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb:
YAG, laser Tm:Ho:YAG, một số laser dùng một số nguyên tố đất hiếm khác.
- Ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống.
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ nghiên cứu sơ lược cơ sở lý luận của laser và cấu tạo, cơ chế
hoạt động của laser. Đề tài nghiên cứu kỹ các loại laser rắn về cấu tạo, cơ chế
hoạt động, ưu và nhược điểm. Đề tài nêu sơ lược ứng dụng của laser rắn trong
quân sự, trong y học và trong gia công kim loại.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách.
- Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được.
- Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận.
- Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
10
NỘI DUNG
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo
quan điểm lượng tử
Electron trong nguyên tử không phân bố đều mà xếp theo từng lớp, mỗi
lớp chỉ có thể có tối đa một số electron nhất định. Mỗi lớp tương ứng với mỗi
mức năng lượng riêng biệt. Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo
riêng biệt của electron xung quanh hạt
nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng
lượng cao hơn những electron ở phía
trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa
học từ bên ngoài, các hạt electron này
cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp
lên mức năng lượng cao hay ngược lại.
Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp
thụ, phát xạ các tia sáng, theo giả thuyết
của Albert Einstein. Bước sóng (hay màu
sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.
Giả sử ta có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng
lượng, trong đó một mức gọi là mức 1 tương ứng với năng lượng là E1 còn
mức kia gọi là mức 2 tương ứng với năng lượng là E2. Mật độ cư trú trên các
mức đó được xác định là N1 và N2. Theo định luật phân bố Boltzmann thì:
1
2
1 0
2 0
E
kT
E
kT
N N e
N N e
với N0 là mật độ cư trú của hạt ở trạng thái cơ bản,
k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của hệ hạt.
Hình 1: Mô tả phát xạ tự phát (a),
phát xạ cưỡng bức (b), hấp thụ (c)
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
11
Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng 2 1h E E ( h là
hằng số Planck, là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon chiếu vào
tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra:
1.1.1. Quá trình hấp thụ
Quá trình hấp thụ là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài,
các nguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng của photon ngoài để nhảy lên
mức kích thích.
Năm 1943 Bohr đề xuất: mỗi nguyên tử bất kỳ gồm một hạt
nhân và các điện tử quay theo các quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân. Mỗi
quỹ đạo tương ứng với một mức năng lượng khác
nhau. Hạt ở mức năng lượng E1, khi được cung cấp
một nguồn năng lượng h , chúng sẽ hấp thụ và có
sự dịch chuyển lên các mức năng lượng E2 với
năng lượng mà nó nhận được (từ mức thấp E1 lên
mức E2). Năng lượng photon khi đó phải bằng hiệu
hai mức năng lượng của dịch chuyển.
2 1h E E
Quá trình hấp thụ được mô tả như sau : * **A h A ,
với : A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp,
A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,
h là năng lượng của photon kích thích.
Xác suất hấp thụ khi hạt dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2 trên một đơn vị
thời gian P12 được tính như sau :
12
12
dP B
dt
trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ,
Hình 2: Quá trình hấp thụ
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
12
là mật độ photon chiếu vào.
Quá trình hấp thụ khác quá trình tự phát ở chỗ nó phụ thuộc vào tác động
bên ngoài. Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi
trường sẽ xảy ra mạnh hơn.
1.1.2. Quá trình phát xạ tự phát
Phát xạ tự phát là quá trình các nguyên tử
đang ở mức năng lượng cao hơn tự nhảy xuống
mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích
từ bên ngoài (không cần ánh sáng kích thích). Khi
đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện
từ (photon).
Ví dụ hạt ở mức kích thích E2, mức năng lượng này không bền nên hạt sẽ
dịch chuyển về mức năng lượng bền hơn, đó là mức năng lượng cơ bản E1, khi
dịch chuyển về thì hạt cũng phát ra photon có bước sóng tương ứng với hai mức
năng lượng đó:
2 1h E E
Ta có thể mô tả bức xạ tự phát bằng mô hình: ** *A A h ,
với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp,
A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,
h là năng lượng của photon.
Xác suất phát xạ tự phát từ mức 2 về mức 1 của photon trên một đơn vị
thời gian P21 thì:
21
21
dP A
dt
, với A21 là hệ số Einstein.
Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử và chỉ xác định
được bằng thực nghiệm.
Hình 3: Phát xạ tự phát
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
13
Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó
là thời gian trung bình mà chúng vẫn tồn tại ở trạng thái năng lượng kích thích
cao hơn trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon.
1.1.3. Quá trình phát xạ cưỡng bức
Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Einstein đã chứng minh
rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự phát, còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là
phát xạ cưỡng bức (hay phát xạ cảm ứng). Hiện tượng như sau:
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra
một photon có năng lượng h , bắt gặp một photon có năng lượng ' đúng
bằng h , bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon .
Photon có cùng năng lượng và bay cùng phương
với photon ' . Ngoài ra, sóng điện từ ứng với
photon hoàn toàn cùng pha và dao động trong
một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động
của sóng điện từ ứng với photon ' . Khi 1 photon
thích hợp bay qua một nguyên tử ở trạng thái kích
thích thì do hiện tượng phát xạ cảm ứng sẽ
xuất hiện hai photon như nhau bay cùng
phương. Hai photon này bay qua 2 nguyên tử
trong trạng thái kích thích sẽ xuất hiện 4
photon giống nhau bay cùng phương… Do đó
số photon tăng theo cấp số nhân.
Vậy quá trình phát xạ cưỡng bức là quá
trình khi có tác động của photon có năng lượng E, các hạt nhảy đang ở mức
kích thích bị cưỡng bức nhảy về mức cơ bản sớm hơn. Cùng với sự dịch
chuyển này sẽ phát ra Photon cũng có năng lượng E có tính chất giống hệt với
Hình 4: Hai photon và '
Hình 5: Photon tăng theo cấp số
nhân
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
14
Phonton đã cưỡng bức hạt nhảy xuống mức thấp.
Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất
khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra
2, 2 sinh ra 4....
Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ
bản cơ bản trên một đơn vị thời gian P xác định
như sau:
21
dP B
dt
trong đó: B21 là hệ số Einstein của dịch chuyển cưỡng bức,
là mật độ photon phát ra.
Quá trình phát xạ cưỡng bức được mô tả như sau:
1 1 2** ( ) *( ) ( )A h A h h
với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp,
A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,
1( )h là năng lượng của photon sơ cấp (kích thích),
2( )h là năng lượng của photon thứ cấp.
Einstein chứng minh được rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt động, số
photon bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau:
21 12B B
Vấn đề quan trọng nhất trong việc tạo được phát xạ laser cưỡng bức là
dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường số hạt ở mỗi
mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử
và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số
nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Muốn duy trì
cơ chế phát xạ cưỡng bức thì phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều
Hình 6: Phát xạ cưỡng bức
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
15
hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ
có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Đây chính là
nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự nghịch đảo mật
độ dân cư.
1.2. Hiện tượng khuếch đại
Với quá trình phát xạ tự phát thì photon tăng theo cấp số nhân. Muốn duy
trì quá trình phát xạ cưỡng bức ta phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái năng
lượng cao hơn nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn. Lúc
đó phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon. Photon phát xạ
ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau
đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết
quả là dòng thác photon tăng lên với số lượng lớn ta gọi đây là hiện tượng
khuếch đại ánh sáng.
Giả sử có hệ nguyên tử, phân tử hai mức năng lượng với số nguyên tử
nằm ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng lượng thấp
(N2>N1). Tức hệ nguyên tử, phân tử đang ở môi trường nghịch đảo mật độ cư
trú. Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm sáng với 3 photon có năng
lượng tuân theo hệ thức:
2 1h E E
Khi đó một photon bị hấp thụ và
làm cho một nguyên tử từ mức E1
lên E2, đồng thời hai photon còn lại
sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai
nguyên tử đang ở trạng thái E2
chuyển về trạng thái E1 và sinh thêm
2 photon. Vậy với 3 photon vào ta
Hình 7 Khuếch đại ánh sáng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
16
sẽ có 4 photon ra.
Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức :
r
v
W
W
g ,
trong đó Wr, Wv là năng lượng photon ra và năng lượng photon vào. Môi
trường có g>1 gọi là môi trường khuếch đại, nếu g<1 là môi trường hấp thụ.
Trên cơ sở lí thuyết khuếch đại ánh sáng người ta chế tạo laser.
1.3. Sự nghịch đảo mật độ cư trú
Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và
mặc dù một số dịch chuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số
dịch chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí
do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng
lượng nào. Theo phân bố Boltzmann số hạt ở trạng thái E2 là : 2 1
h
kTN N e
với
nhiệt độ dương số nguyên tử ở trạng thái có năng lượng thấp bao giờ cũng lớn
hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao tức là N1>N2. Mà yêu cầu tối
thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhất
phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái
năng lượng thấp hơn tức là N2>N1. Đây được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư
trú. Trạng thái này gọi là trạng thái ‘nhiệt độ âm’ không tuân theo phân bố
Boltzmann.
Tùy vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để nghịch đảo mật độ
cư trú khác nhau. Ví dụ đối với chất rắn thì dùng bơm quang học, đối với chất
khí thì dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với
những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài,
đối với bán dẫn thì dùng phương pháp bơm bằng dòng điện.
1.4. Ngưỡng phát
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
17
Để phát ra được photon sau khi được khuếch đại thì hệ số khuếch đại
phải vượt qua một giới hạn, giới hạn đó chính là ngưỡng phát. Giá trị ngưỡng
này phụ thuộc vào sự mất mát xảy ra trong quá trình khuếch đại, quá trình
nghịch đảo mật độ tích lũy. Trong buồng cộng hưởng của laser xảy ra cả hai
quá trình: khuếch đại photon và photon bị mất mát. Mất mát này có thể do
nhiễu xạ, phản xạ hay tán xạ.
Xét buồng cộng hưởng của một laser có hai gương M1 có hệ số phản xạ
là R1 và M2 có hệ số phản xạ là R2, khoảng cách giữa hai gương là L. Gọi I0 là
cường độ chùm sáng đến M1. Cường độ tia sáng truyền tới M2 có cường độ là:
1 0
k LI I e ,
trong đó: là hệ số khuếch đại,
k là hệ số mất mát.
Cường độ chùm sáng sau khi phản xạ tại gương M2 rồi lan truyền tới phản xạ
tại gương M1 là :
2
2 0 1 2
k LI I R R e ,
G là sự khuếch đại trong một chu trình tính bằng công thức :
2
1
2
1 2
k L
IG
I
G R R e
Mà điều kiện ngưỡng cho hoạt động laser là G=1, khi đó :
Suy ra :
2
1 2
1 2
1
1 1ln
2
th k L
th
R R e
k
L R R
với th là hệ số khuếch đại ngưỡng, đó là giá trị mà khi vượt qua giá trị này thì
laser bắt đầu hoạt động. Ngưỡng phát càng thấp thì L càng dài.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
18
Chương 2: Tổng quan về Laser
2.1. Khái niệm
Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng
bằng phát xạ cưỡng bức". Cụm từ này nêu rõ những sự kiện chính của quá trình
sinh ra ánh sáng laser. Mô tả một cách đơn giản nhất hoạt động của Laser như
sau: một nguồn năng lượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất
để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc biệt. Ánh sáng sinh ra được khuếch đại
nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại
trong môi trường hoạt chất để làm tăng độ đồng pha cho đến khi ánh sáng được
phát ra là một chùm tia laser.
Vậy Laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa
trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. Chùm bức xạ phát ra cũng
được gọi là chùm tia laser.
Mỗi loại laser phát ra các bước sóng khác nhau, bảng 1 sau trình bày
bước sóng của một số laser thông dụng.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
19
2.2. Lịch sử nghiên cứu Laser
Năm 1900 Max Planck là người đầu tiên chứng minh rằng năng lượng
của sóng điện từ được diễn tả như những gói rời rạc gọi là lượng tử, có mức
năng lượng tương ứng với tần số của sóng. Năm 1905, Albert Einstein đã phát
triển giả thuyết của Planck lên một bước và đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng.
Năm 1917, Albert Einstein đã đưa ra định đề về lý thuyết của phát xạ cưỡng
bức. Tạo nền tảng cho những nghiên cứu về Laser sau này.
Năm 1954, Townes, cùng với James P. Gordon và Herbert Zigler tại đại
học Columbia, đã chế tạo thành công máy đầu tiên tạo ra được siêu sóng
khuếch đại bức xạ cưỡng bức phát ra gọi là Maser. Hai người Xô Viết, Nikolai
Basov và Aleksander Prokhorov, cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1964 với
Hình 8: Albert Einstein
Bảng 1: Bước sóng phát của một số laser thông dụng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
20
Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser
và laser. Năm 1958, Townes và đồng sự của ông Arthur Schawlow đã xuất bản
tạp chí khoa học và đăng ký bằng sáng chế và cho rằng "Maser quang học" có
thể được sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và thậm chí ánh sáng nhìn thấy được
(năm 1981 Schawlow nhận giải Nobel vật lí cho nghiên cứu của ông về laser).
Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn
nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động được.
Tuy nhiên chỉ vài tháng trước đó, Gordon Gould, một nghiên cứu sinh
cũng đang làm việc tại đại học Columbia, độc lập đưa ra khái niệm về buồng
quanh học. Gould đã ghi nhận kết quả và tính toán của ông vào trong ghi chép
của mình, cho rằng thiết bị của ông là một Laser.
Dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow năm
1958, Theodore Maiman, làm việc tại trung tâm
nghiên cứu Hughes, đã tạo ra máy laser đầu tiên. Ông
công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại
New York City vào tháng 7 năm 1960. Laser Ruby
của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp
cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, trong một
chùm hẹp có mức độ tập trung cao.
Tiếp theo sau đó là những khám phá thú vị về laser. Laser uranium đầu
tiên được phát minh bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960).
Năm 1961 nhiều loại Laser được phát minh như: Nd: Glass laser (Elias
Snitzer, American Optical), laser khí Helium-Neon được phát minh đầu tiên bởi
Phòng thí nghiệm Bell.
Laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General
Electric năm 1962. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni
Hình 9: Maiman
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
21
và tạo ra tia có bước sóng 850 nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Laser
bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng
năm đó.
Năm 1964, Argon Ion laser được phát triển. Laser khí này có bước sóng
488 nm và liên tục rất dễ kiểm soát và nó được hấp thu cao bởi hemoglobin và
rất phù hợp cho phẫu thuật mắt.
Laser khí CO2 và laser Nd:YAG đầu tiên được phát minh bởi phòng thí
nghiệm Bell năm 1964. Trải nghiệm với sự phát triển mới của CO2 laser được
sản xuất bởi American Optical Corporation vào năm 1965 đưa đến việc giới
thiệu hệ thống laser phẫu thuật đầu tiên vào năm 1967.
Laser hóa học được phát minh năm 1965, laser khí kim loại năm
1966,…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser.
Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish
của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở
nhiệt độ trong phòng.
Năm 1975, người ta thấy rằng các nguyên tử khí hiếm ở trạng thái kích
thích giả bền có thể phản ứng với các halogen để tạo ra các halit khí hiếm 2
nguyên tử ở trạng thái (excimer) kích thích ràng buộc. Sự phân rã của các phân
tử excimer này sang trạng thái cơ bản ràng buộc yếu hoặc không ràng buộc
đồng thời phát ra một photon ở tần số tử ngoại. Laser excimer sinh ra bức xạ tử
ngoại có cường độ lớn. Có thể tạo ra nhiều phân tử excimer khác nhau, mỗi loại
có một bước sóng chuyển tiếp và phát xạ riêng: Argon Fluorua hoặc ArF (193
nm), Krypton Fluorua hoặc KrF (294 nm) và Xenon Fluorua hoặc XeF (351
nm).
Gần đây, Đội nghiên cứu của Rainer Blatt và Piet Schmidt ở trường đại
học Innsbruck vừa hiện thực hóa thành công một laser đơn nguyên tử, biểu hiện
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
22
những tính chất của một laser cổ điển cũng như những tính chất cơ lượng tử của
tương tác nguyên tử- photon.
2.3. Cơ chế phát Laser
Sự nghịch đảo mật độ cư trú và khuếch đại ánh sáng chính là cơ sở cho
Laser hoạt động.
Đầu tiên ta nghiên cứu làm thế nào để nghịch đảo mật độ cư trú. Muốn
nghịch đảo được mật độ cư trú ta phải bơm, tức là kích thích hạt lên mức năng
lượng mà ta mong muốn. Quá trình kích thích này có chọn lọc, đưa lên trạng
thái năng lượng đặc biệt. Lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử trải
qua ở một trạng thái kích thích là yếu tố quyết định trong việc xác định xem nó
sẽ bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đi
năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời
gian sống chỉ vài nano giây trước khi chúng giải phóng năng lượng của mình
bằng phát xạ tự phát, một khoảng thời gian không đủ lâu để có thể chịu sự kích
thích bởi một photon khác. Do đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động laser là
mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn. Các trạng thái như vậy thật
sự tồn tại trong những chất nhất định, và thường được gọi là trạng thái siêu bền.
Thời gian sống trung bình trước khi phát xạ tự phát xảy ra đối với trạng thái
siêu bền là vào bậc micro giây đến mili giây, một khoảng thời gian khá dài ở
thế giới nguyên tử. Với thời gian sống lâu này, các nguyên tử và phân tử bị kích
thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hoạt động laser chỉ
xảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự phân hủy của nó,
duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ở mức thấp. Tức là tạo được sự
nghịch đảo mật độ cư trú. Thời gian sống của phát xạ tự phát càng lâu thì
nguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng dụng laser. Dựa vào nguyên
lý đó người ta đưa ra các cơ chế tạo nghịch đảo mật độ như sau:
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
23
a) Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng
Xét hệ nguyên tử chỉ có thể dịch chuyển giữa hai mức năng lượng N1
tương ứng với năng lượng E1 và N2 tương ứng với năng lượng E2. Ở trạng thái
bình thường theo phân bố Boltzmann thì N1>N2. Sử dụng một nguồn bơm với
tần số 1 212
E E
để kích thích cho hạt nhảy từ mức 1 lên mức 2 nhờ quá trình
hấp thụ, trong hệ còn có sự dịch chuyển phát xạ tự phát từ mức 2 về mức 1.
Công suất hấp thụ: 12 12 1 21P B N .
Công suất phát xạ tự phát: 21 21 2 21P B N .
Theo thời gian số nguyên tử ở mức 1 giảm
dần và số nguyên tử ở mức 2 tăng dần.
Vận tốc dịch chuyển lên được tính theo công
thức: 12 12 1M B N .
Vận tốc dịch chuyển lên được tính theo công
thức: 21 21 2M B N .
Nhưng hiệu N1- N2 ngày càng giảm nhỏ tới khi N1=N2 thì vận tốc dịch chuyển
lên và xuống bằng nhau 12M = 21M
Khi đó hệ trở nên bão hòa không thể hấp thụ ánh sáng được nữa, không thể đẩy
hạt từ mức 1 lên mức 2 được nữa dù ta tiếp tục bơm. Tức là ta không thể tạo
được sự nghịch đảo mật độ cư trú từ hai mức năng lượng.
b) Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng
Xét hệ ba mức năng lượng có E1<E2<E3 ứng với số nguyên tử trên mỗi
mức là N1, N2, N3. Trong ba mức này mức 1 là mức cơ bản, mức 2 và mức 3 là
mức kích thích. Cơ chế hoạt động của hệ gồm hai loại sau:
o Hệ 3 mức với mức laser trên là mức trung gian
Hình 10: Hệ hai mức năng lượng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
24
Ta bơm với tần số thích hợp để
hạt nhảy từ mức 1 lên mức 3. Để tần số
bơm không quá đơn sắc (đơn sắc thì
khó chọn đèn bơm) thì người ta chọn
hoạt chất có mức 3 có động rộng tương
đối lớn (tức mức 3 có nhiều mức dao
động con). Sau khi lên mức 3 thì hạt
dịch chuyển không phát xạ về mức 2
gần đó. Cũng có hạt từ mức 3 nhảy về
mức 1 nhưng xác suất này rất bé so với dịch chuyển từ mức 3 về 2. Mức 2 là
mức siêu bền có thời gian sống lớn và lớn hơn thời gian sống của hạt ở mức 1
và mức 3 nên hạt không dịch chuyển về mức 1 ngay. Các hạt đang ở mức 2 thì
quá trình bơm vẫn tiếp tục, các điện tử từ mức 3 vẫn tiếp tục nhảy về mức 2. Cứ
như thế đến lúc N2>N1, lúc này có sự nghịch đảo mật độ cư trú trên mức 2 và 1.
Trong điều kiện cân bằng ta có: 2 21 1 12N N
Mà
21
2
1
E
kTN e
N
Nên
2 1( )
12
21
E E
kTe
Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N1:
1
13 1 21 2 31 3
dN N N N
dt
Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N2:
2
21 2 32 3
dN N N
dt
Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N3:
3
13 1 32 31 3( )
dN N N
dt
Hình 11: Hệ 3 mức năng lượng với mức
laser trên là mức trung gian
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
25
với là thông lượng bơm.
Giải các phương trình trên trong điều kiện dừng ta được:
21 32 31
1
21 31 32 21 32 13
32 13
2
21 31 32 21 32 13
( )
( ) ( )
( ) ( )
N N
N N
với N=N1+N2+N3
Từ đó ta có: 32 132
1 21 32 31
1
( )
N
N
Suy ra N2>N1 tức là tạo được sự nghịch đảo mật độ cư dân.
o Hệ 3 mức với mức laser trên là mức cao nhất
Hệ này có mức 3 là mức siêu bền. Khi bơm thì có sự dịch chuyển từ mức
1 lên mức 3 và từ mức 1 lên mức 2. Nên phải điều chỉnh tần số bơm sao cho ưu
tiên dịch chuyển từ 1 lên 3. Thời gian sống ở mức
3 siêu bền lớn hơn thời gian sống ở mức 1 nên hạt
sẽ ở lại lâu hơn trên mức 3 rồi phát xạ về mức 2 và
1. Ta vẫn tiếp tục bơm thì hạt ở mức 3 ngày càng
tăng lên. Các hạt ở mức 3 có xu hướng dịch
chuyển về mức 2 nhiều hơn về mức 1 vì mức 2
gần mức 3 hơn. Ở mức 2 hạt dịch chuyển về mức
1. Vậy mức 2 mất dần hạt còn mức 3 thì tăng dần
số hạt. Số hạt ở mức 3 đạt ngưỡng phát laser thì
các hạt ở đây ồ ạt nhảy về mức 2 và phát ra laser.
Thời gian sống ở mức 2 ngắn nên các hạt nhanh chóng dịch chuyển về mức 1
để nguồn bơm bơm lên mức 3. Quá trình cứ tiếp tục diễn ra lúc đó số hạt ở mức
3 sẽ nhiều hơn mức 2. Tức ta đã có sự nghịch đảo mật độ cư trú ở mức 3 và 2.
Phương trình độ biểu diễn mật độ cư trú trên N2 là:
2
1 12 3 32 2 21
dN N N N
dt
Hình 12: Hệ 3 mức năng
lượng với laser trên là mức
cao nhất
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
26
Phương trình độ biểu diễn mật độ cư trú trên N3 là:
3
1 13 3 32 31( )
dN N N
dt
Phương trình độ biểu diễn mật độ cư trú trên N1 là:
1
1 13 1 12 2 21 3 31
dN N N N N
dt
Giải các phương trình trên ở trạng thái dừng ta có:
1 31
3
32 31
NN
32 13
1 12
32 31
2
21
N
N
Sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra khi:
3 21 13
2 31 12 32 13 12
1
( )
N
N
Hệ ba mức này dễ phát ra laser hơn vì chỉ cần bơm lên mức 3 thì lập tức
đã tạo được sự nghịch đảo mật độ. Còn hệ với mức laser trên là mức trung gian
thì cần một thời gian để hạt về mức 2 nên phát không liên tục và ngưỡng bơm
lớn hơn hệ ta vừa xét.
Do mức laser thấp là mức cơ bản, là trạng thái bình thường đối với đa số
các nguyên tử hay phân tử. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, phần lớn hạt ở trạng
thái cơ bản phải được đưa lên mức năng lượng bị kích thích cao, đòi hỏi phải
cung cấp đáng kể năng lượng từ bên ngoài. Ngoài ra, sự nghịch đảo dân cư khó
có thể duy trì trong một khoảng thời gian đáng kể.
c) Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng
Giả sử môi trường hoạt chất gồm nhiều mức năng lượng sao cho có bốn
mức tham gia rõ nhất vào quá trình dịch chuyển của hạt. Mức 1 là mức cơ bản,
mức 2 là mức 4 là mức kích thích cao có thời gian sống ngắn, mức 3 là mức
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
27
siêu bền, mức 2 là mức kích thích gần mức cơ bản có thời gian sống bé hơn
mức 3.
Sử dụng nguồn bơm có tần số 4 114
E E
, các hạt hấp thụ năng lượng và
chuyển lên trạng thái E4. Các hạt dịch chuyển không bức xạ từ E4 xuống E3 và
từ E2 xuống E1 do thời gian sống của hạt ở mức 4 và mức 2 rất bé. Thời gian
sống của hạt ở mức 3 lớn, nó lớn hơn mức 4 và 2, đây là mức siêu bền. Kết quả
là số hạt tập trung ở mức này lớn hơn số hạt ở mức 2. Vậy giữa mức 3 và mức 2
có sự nghịch đảo mật độ cư trú. Trước khi bơm thì ở 3 đã có các hạt nên khi
bơm thì số hạt được bổ sung thêm, nếu vượt qua ngưỡng phát thì lập tức hệ
phát ra laser. Một thuận lợi là hạt sẽ tự động rơi xuống mức 1 cung cấp cho quá
trình bơm.
Các phương trình tốc độ:
4
1 14 4 43
3
3 32 4 43
2
3 32 1 12 21 2
31 4 2
dN N N
dt
dN N N
dt
dN N N N
dt
dNdN dN dN
dt dt dt dt
Giải hệ phương trình ở trạng thái
dừng ta sẽ rút ra được:
14
3 1
32
14 12
2 1
21
N N
N N
và
3 21 14
2 32 12 14
1N
N
Hình 13: Sơ đồ 4 mức năng lượng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
28
Để N3>N2 thì thông lượng bơm 32 1214
21 32
, trong điều kiện gần đúng thì điều
kiện này luôn thõa mãn.
Vậy với hệ 4 mức năng lượng dễ dàng tạo sự nghịch đảo mật độ hơn và
ngưỡng bơm bé hơn hệ 3 mức. Khi bơm không cần thời gian bơm lớn và cường
độ bơm sớm. Vậy chúng ta có thể tăng hiệu suất lượng tử của máy phát laser.
Tóm lại để tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú ta cần chọn môi trường
hoạt chất hoạt động theo sơ đồ 3 và 4 mức năng lượng.
Trong thực tế laser hoạt động thường phức tạp hơn mô hình mô tả ở trên.
Mức laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng
lượng cho phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi
rộng trong khi hoạt động. Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao
gần nhau phân hủy sang một mức thấp khác, một laser có thể hoạt động ở nhiều
sự chuyển trạng thái, tạo ra nhiều hơn một bước sóng. Ví dụ, laser helium-neon
được dùng phổ biến nhất để phát ra bước sóng đỏ, nhưng nó cũng có thể hoạt
động ở những sự chuyển trạng thái khác để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá
và hồng ngoại. Nhiều nhân tố khác tồn tại trong việc thiết kế laser thực tế, như
bản chất của môi trường hoạt tính. Hỗn hợp khí hay những kết hợp khác của
các loại phân tử thường được dùng để cải thiện hiệu quả bắt và truyền năng
lượng, hoặc hỗ trợ sự giảm dân số ở mức laser thấp.
Thứ hai ta phải tìm các cách khuếch đại ánh sáng laser trên. Để khuếch
đại được thì cần có hệ thống phản hồi quang học hay còn gọi là buồng cộng
hưởng để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Mỗi lần sóng ánh sáng
cộng hưởng qua môi trường hoạt động, tổng năng lượng ánh sáng đồng pha
được tăng cường nhờ phát xạ kích thích. Khi được khuếch đại đến ngưỡng phát
thì phát ra laser.
2.4. Cấu tạo của máy phát laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
29
Về cơ bản cấu tạo chung của một máy laser gồm có 3 bộ phận chính như
sau: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn bơm và buồng cộng hưởng.
Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất laser
là bộ phận quan trọng nhất. Ngoài ra máy phát
laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm
nâng cao tính chất ưu việt của chùm laser như:
hộp phản xạ, chất làm lạnh, diaphragma.
2.4.1. Môi trường hoạt chất
Môi trường hoạt chất là một môi trường
khuếch đại gồm rất nhiều nguyên tử hoặc phân
tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm
trong đó ít nhất ba hay bốn mức năng lượng để
tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Môi trường hoạt
chất cho phép một số lượng lớn nguyên tử được
kích hoạt lên trên trạng thái cơ bản để có thể
xảy ra phát xạ cưỡng bức. Môi trường hoạt chất
là yếu tố chính quyết định bước sóng và các
tính chất của tia laser. Có hàng trăm chất có thể
làm môi trường hoạt chất. Các loại laser thường
được đặt tên theo môi trường hoạt chất. Mỗi loại laser khác nhau thì sử dụng
môi trường hoạt chất khác nhau. Ví dụ:
Laser lỏng: sử dụng chất màu và các dung môi như metan, etan, chất
nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và florescen). Cấu
trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser.
Hình 14: Sơ đồ máy phát laser
1) Buồng cộng hưởng
2) Nguồn bơm
3) Gương phản xạ toàn phần
4) Gương bán mạ
5) Tia laser
6) Thanh hoạt chất
Hình 15: Máy phát laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
30
Laser khí: sử dụng khí đơn nguyên tử, ion khí đơn nguyên tử, phân tử,
hoặc hỗn hợp khí đơn nguyên tử hay hỗn hợp phân tử. Ví dụ như Argon,
Krypton, CO2, Excimer Argon-Fluorua, He-Ne...
Laser rắn: sử dụng tinh thể hoặc thủy tinh được pha thêm tạp chất. Các
tạp chất thường là Sm3+, Eu3+, Nd3+, Cr3+, Ti3+... Chất nền thường là YAG(Ytri,
nhôm và Garnet), YLF(Ytri, Liti, flo), oxit nhôm (Al2O3), gương silica...
Laser bán dẫn: thường dùng chất phát quang như GaAs, PbS, PbTe...
2.4.2. Nguồn bơm của Laser
Nguồn bơm của laser là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất luôn ở
trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú.
Tùy theo các loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích
khác nhau. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi
trường hoạt chất của laser đó là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết
định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường. Ta có thể phân thành
các loại sau:
- Kích thích bằng ánh sáng, bơm quang học, đây là loại kích thích phổ
biến. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. Có thể kích thích
bằng nguồn sáng kết hợp và không kết hợp. Ví dụ: Laser Nd:YAG, laser Ruby
dùng ánh sáng hội tụ từ đèn nháy Xenon.
- Kích thích bằng dòng điện, bằng va chạm điện tử: dùng điện trường cao
kích thích hạt truyền năng lượng cho tâm hoạt chất nhờ quá trình va chạm.
Phương pháp này chủ yếu dùng cho laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí,
dòng điện truyền năng lượng cho điện tử, năng lượng này được gia tốc và
truyền cho nguyên tử hoạt chất để các nguyên tử này nhảy lên mức năng lượng
cao hơn.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
31
- Kích thích bằng laser khác: dùng laser để kích thích hoạt chất nhảy mức
năng lượng.
- Kích thích bằng phản ứng hóa học: được dùng cho laser hóa học.
- Kích thích bằng khí động học.
2.4.3. Buồng cộng hưởng Laser
Khi môi trường hoạt chất đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống
phản hồi quang học để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Đó chính
là buồng cộng hưởng quang học.
2.4.3.1 Cấu tạo
Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh
sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất. Hai gương này được đặt đồng
trục. Mỗi lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi trường hoạt chất, tổng năng
lượng ánh sáng đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ kích thích. Phát xạ tự
phát (xảy ra ngẫu nhiên theo tất cả các hướng) ít khi đập vào gương, do đó
không được khuếch đại. Để giải phóng ánh sáng ánh sáng đã được khuếch đại
ra ngoài người ta dùng một gương phản xạ toàn phần và một gương phản xạ
một phần. Một phần sóng ánh sáng đập vào gương thứ hai được phát ra dưới
dạng chùm tia laser. Độ phản xạ của gương được lựa chọn để đạt được độ
khuếch đại cao ở từng hệ thống laser. Một trong các gương có thể được thay
bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu.
Gương được sử dụng trong buồng cộng hưởng không phải gương thông
thường (vì gây ra mất mát lớn) mà sử dụng gương quang học. Gương này phải
đảm bảo tổn hao trên các bề mặt quang học là bé nhất. Thông thường người ta
sử dụng gương được mạ bạc, mạ nhôm và mạ vàng. Quá trình chế tạo gương rất
công phu, phải phun thật đều để tránh mất mát lớn khi ánh sáng đập vào. Hiện
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
32
nay gương mạ kim loại được thay thế bằng gương điện môi nhiều lớp. Vì nó có
ưu điểm nổi bật hơn.
Buồng cộng hưởng có rất nhiều dạng
khác nhau, tùy vào loại laser để chọn buồng
cộng hưởng thích hợp. Nhưng chiều dài buồng
cộng hưởng phải đảm bảo bằng nguyên nửa lần
bước sóng:
2
kL
2.4.3.2 Chức năng
Buồng cộng hưởng có hai chức năng chính:
o Khuếch đại ánh sáng
Môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại tín hiệu theo quy luật hàm
mũ nhưng độ khuếch đại không lớn. Muốn độ khuếch đại lớn lên phải tăng
quãng đường đi của tia sáng. Đó chính là chức năng của buồng cộng hưởng, nó
phản xạ ánh sáng nhiều lần làm quãng đường đi của tia sáng tăng lên. Cường độ
phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức
cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Gương ra luôn luôn
truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở
vào hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép laser đạt tới trạng thái
cân bằng, với các mức công suất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên
không đổi. Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện
tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường
độ laser. Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng
phản xạ từ các gương sẽ giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc
là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Do đó chiều dài buồng cộng
hưởng phải bằng nguyên nữa lần bước sóng mới có thể tạo ra giao thoa tăng
cường, khuếch đại ánh sáng lên.
Hình 16: Một số loại buồng
cộng hưởng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
33
o Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp
Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác
nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố
ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào
việc thiết kế buồng cộng hưởng và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả
bên trong lẫn bên ngoài. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi
chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau
trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc
thiết kế buồng cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức
độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của
chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm
tia tại một khoảng cách cho trước. Xét cấu hình đơn giản nhất của buồng cộng
hưởng gồm hai gương phản xạ song song nhau. Nếu hai gương không thẳng
hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser
ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một
vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt
của buồng cộng hưởng. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất
thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính
hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương
không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra
chính xác dọc theo trục của hộp. Vậy buồng cộng hưởng là nhân tố quyết định
đến việc hình thành các tính chất cơ bản của laser. Buồng cộng hưởng phải
được thiết kế sao cho sóng ánh sáng lan truyền ra khỏi buồng cộng hưởng có
tính định hướng cao, là sóng kết hợp, và có tính đơn sắc.
2.4.3.3. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
34
Một trong những đại lượng đặc trưng cho buồng cộng hưởng là phẩm
chất của buồng cộng hưởng được kí hiệu: Q
Đây là hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng, nó được tính theo công thức:
1 2
4
(1 )
LQ
R R
,
trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng,
là bước sóng của laser,
1 2,R R lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương.
Muốn tăng hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài của buồng,
tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương.
Có nhiều nguyên nhân làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng
quang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song của gương,
độ nhám của mặt gương... Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìm cách khắc
phục được những nhược điểm đó.
2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng
Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết
hợp nhất nhưng nó không đơn sắc hoàn
toàn. Tất cả các laser đều tạo ra ánh sáng
trong một dải tần số nào đó. Dải tần số hoạt
động của laser được xác định chủ yếu bởi
môi trường hoạt chất và được gọi là dải tần
số khuếch đại. Nhân tố thứ hai xác định tần
số phát xạ của laser là buồng cộng hưởng.
Do ánh sáng là sóng, khi bị giữ giữa hai
gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành
sóng dừng. Các sóng dừng tạo thành một tập các tần số rời rạc; được gọi là
mode dọc của buồng. Các mode này là ánh sáng có tần số mà buồng cộng
Hình 17: Mode ngang của chùm
laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
35
hưởng cho phép duy trì, tất cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa. Đối với
buồng gồm hai gương phẳng, các mode được phép là các mode có bước sóng là
ước của khoảng cách L giữa hai gương, tức là
2
kL với k là một số nguyên
được gọi là bậc mode. Trong thực tế, khoảng cách L thường lớn hơn nhiều
bước sóng ánh sáng λ, do đó giá trị của k rất lớn (khoảng 105 đến 106). khoảng
cách tần số giữa hai mode liên tiếp bất kỳ k và k+1; cho bởi công thức:
2
c
L
.
Độ rộng của các mode được viết theo công thức: 1/ 2 1 2
1 1
2 2
cR R
L
.
Mỗi mode dọc có độ rộng tần số nào đó nhưng nhỏ hơn nhiều khoảng
cách tần số giữa các mode. Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động
lẫn nhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn
thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân
bố cường độ theo chiều rộng của chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường
độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm. Những phân
bố có khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều
kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc
hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các mode khác nhau
này được gọi là mode TEM(mn).
2.5. Đặc điểm của chùm tia Laser
2.5.1. Tính chất vật lý
2.5.1.1. Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát
ra những tia vuông góc với gương (do cơ cấu của buồng cộng hưởng), các tia
Laser phát ra hầu như song song với nhau (góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Sau
khi ra khỏi gương chùm Laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ với góc nhiễu
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
36
xạ d
, là bước sóng Laser, d là đường kính gương. Và chùm tia bức xạ
trong một góc khối:
2
2
2( )
d
.
Giá trị góc khối này rất nhỏ nên độ định hướng phương cao có thể chiếu
đi rất xa đến hàng nghìn kilomet mà không bị tán xạ, đến mức người ta có thể
dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.
2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao
Các tia sáng của laser có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các
chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng
của chùm ánh sáng. Phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Khi
độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Tính chất
này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với
các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này. Do vậy chùm laser ít bị tán
xạ (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất
khác nhau.
Ngoài ra, ánh sáng đơn sắc không bị ảnh hưởng bởi sắc sai ở các hệ thấu
kính. Do đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn so
với ánh sáng trắng.
2.5.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn
Xung ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs)
cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn
2.5.1.4. Độ rộng phổ
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm
sáng cho độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
37
trung các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồn
sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng
vạn lần độ chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói
cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn
Cường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định.
Cường độ sáng phụ thuộc vào các tính chất sau:
o Tính đồng hướng
Laser phát ra một chùm sáng hẹp tỏa ra rất chậm. Laser chỉ khuếch đại
những photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương. Quá trình này là một
cơ chế rất hiệu quả cho ánh sáng chuẩn trực. Ở một laser điển hình, sau mỗi
quãng đường 1 m thì đường kính chùm tia tăng thêm khoảng 1 mm. Tính đồng
hướng giúp cho dễ dàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng thành một điểm
nhỏ.
o Tính đồng pha
Đồng pha nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng
pha. Biên độ, pha của sóng được lặp lại giá trị của chính mình và không biến
đổi trong mặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình sóng truyền
đi và về giữa hai gương phản xạ. Khi chiếu laser lên một mặt thô thì thu được
một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser. Hiện tượng này là do sự phản
xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao
thoa không đều. Tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân
giao thoa trong giao thoa kế.
o Phân cực
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
38
Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng. Phân cực là một khía cạnh
khác của tính đồng pha. Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng
truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ.
2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser.
Một bức xạ Laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc và
tính đẳng pha của mặt sóng. Các Laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay
ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng nên chúng
có bậc kết hợp không- thời gian cao. Tính hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với độ
đơn sắc của sóng Laser. Tính kết hợp không gian được thể hiện rõ trong hiện
tượng giao thoa, hình ảnh giao thoa rõ ràng chứng tỏ tính kết hợp của chùm
Laser.
Tóm lại, đồng hướng, phân cực, đồng pha và một phần tính đơn sắc đã
bổ sung cho đặc tính quan trọng của laser, đó là cường độ ánh sáng. Mặt trời có
công suất 1026 W nhưng phát năng lượng theo tất cả các hướng ở một khoảng
cách rất xa trái đất. Như vậy, một laser heli neon đơn giản 1 mW có độ bức xạ
lớn gấp 100 lần mặt trời. Tùy loại laser mà có nguồn sáng công suất khác nhau.
Có những loại laser công suất mạnh tương đương công suất 1 vạn nhà máy
điện 1 triệu kW. Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất
thấp như laser He – Ne công suất chỉ khoảng từ 2 MW đến 10 MW.
2.5.2. Tính chất sinh học
2.5.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học.
Thường xảy ra với Laser công suất thấp cỡ mW, tác động lên các đặc
tính sống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá
trình hô hấp tế bào. Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men,
thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng miễn dịch không đặc hiệu…
Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại:
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
39
- Phản ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu laser,
biểu hiện là sự kích thích hô hấp tế bào.
- Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay hàng
ngày, biểu hiện bằng sự gia tăng quá trình phân chia tế bào.
2.5.2.2. Hiệu ứng nhiệt.
Công suất chùm tia có thể tới hàng trăm Watt, khi đó quang năng của
laser biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học. Hiệu ứng nhiệt có hai
cách tác dụng:
- Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức
sinh học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có
tác dụng tốt cho cầm máu trong ngoại khoa.
- Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu
ứng bay hơi tổ chức) là cơ sở của dao mổ laser với nhiều ưu điểm trong phẫu
thật.
2.5.2.3. Hiệu ứng quang ion.
Hiệu ứng quang ion còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của
laser biến thành cơ năng để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với
xung cực ngắn, công suất đỉnh cực cao.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
40
Chương 3: Một số laser rắn
3.1. Khái niệm laser rắn
Laser rắn là Laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn. Chất rắn này là
đơn tinh thể, hoặc chất vô định hình. Sự nghịch đảo mật độ thường được thực
hiện ở những mức năng lượng của nguyên tử, hoặc của ion tạp chất. Laser bán
dẫn cũng sử dụng môi trường hoạt chất là chất rắn nhưng người ta tách Laser
bán dẫn là một loại Laser riêng. Có hàng trăm loại laser rắn như Laser Ruby,
Laser Nd: YAG, Laser bán dẫn, Laser thủy tinh...
3.2. Đặc điểm của Laser rắn
- Nồng độ bức xạ lớn, khoảng 1017 1020/cm3, lớn hơn Laser khí. Do đó
nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại lớn hơn nhiều so với Laser khí.
- Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém nên: góc mở do nhiễu xạ lớn,
tiêu hao do tán xạ lớn và hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng nhỏ.
- Sự nghịch đảo nồng độ trong laser rắn thường được thực hiện ở những
mức năng lượng của nguyên tử, hoặc của ion tạp chất.
- Trong Laser rắn các hạt tương tác với nhau nên các mức năng lượng có
nhiều dao động quay nên dải phổ khá rộng.
- Các loại Laser rắn đều sử dụng buồng cộng hưởng quang học.
3.3. Laser Ruby
3.3.1. Khái niệm
Laser Ruby là Laser sử dụng Ruby làm môi
trường hoạt chất. Laser Ruby là loại Laser đầu tiên
được chế tạo, do Maiman chế tạo vào năm 1960. Nó
phát ra ánh sáng đỏ. Nó có độ bền cơ học cao, độ dẫn
nhiệt tốt.
3.3.2 Cấu tạo của Ruby
Hình 19: Ruby màu
huyết dụ
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
41
Ruby hay còn gọi là hồng ngọc. Ruby là một loại
corinđon trong suốt, có màu từ đỏ nhạt tới đỏ sẫm. Ruby
có độ cứng là 9,0 theo thang độ cứng Mohs. Giữa các
loại đá quý tự nhiên chỉ có moissanit và kim cương là
cứng hơn hết, trong đó kim cương có độ cứng là 10. Độ
cứng của ruby cũng biến đổi theo các hướng khác nhau.
Công thức hóa học của Ruby là Al2O3 ở
dạng α-alumina. Al2O3 kết tinh ở hệ lục
phương, có hình dạng thường gặp là lăng trụ,
hình tấm 6 mặt, hai tháp 6 phương (hình 20).
Cấu trúc mạng tinh thể của Ruby gồm
ion Al3+ liên kết với 6 ion O2- nằm ở các đỉnh
của hình tám mặt. Và trong tinh thể một
lượng nhỏ ion Al3+ bị thay thế bởi ion
Cr3+. Phổ hấp thụ: Ruby: 659,2 nm, 610
nm, 500 nm, 476,5 nm, 475 nm, 468,5
nm. Như vậy, chúng có khuynh hướng
hấp thụ ánh sáng trong vùng từ xanh lục
đến tím vì vậy đá có màu đỏ. Một photon
đi qua cấu trúc của tinh thể này chỉ trong
một vài 10-12 giây và xuất hiện hiện
tượng lân quang phát ra ánh sáng màu đỏ có bước sóng 0,672 micromet. Tỷ
trọng của Ruby vào khoảng 3,95 đến 4,05 thường là 4,00. Nó nóng chảy ở
20400C. Hệ số dẫn nhiệt tahy đổi theo nhiệt độ, ở 200C là 0,092 calo/cm.độ
nhưng ở 770C là 2,3 calo/cm.độ.
3.3.3 Cấu tạo của Laser Ruby
Hình 21: Cấu trúc tinh thể của Al2O3
Hình 20: Một số dạng tinh thể
thường gặp của Al2O3
Hình 18: Ruby màu
đò tía
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
42
Cấu tạo của Laser Ruby gồm ba bộ phận
chính: Thanh Ruby, buồng cộng hưởng và đèn
bơm.
3.3.3.1. Môi trường hoạt chất
Hoạt chất của Laser Ruby là tinh thể Ruby
màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr3+ (nồng độ khoảng 1,6.1019 ion/cm3). Với nồng
độ ion Cr3+ này ta có thể ở xa nhau và tương tác giữa chúng có thể bỏ qua, còn
tương tác chính trong mạng là tương tác giữa ion Cr3+ với trường tinh thể.
Để chế tạo thanh Ruby người ta nung nóng
chảy hỗn hợp gồm Al2O3 với một lượng nhỏ Cr2O3
(0.05% khối lượng). Sau đó cắt gọt cẩn thận vì cấu
trúc mode trong buồng cộng hưởng rất nhiều vào
quãng đường quang học và sự thay đổi của thanh
Ruby. Người ta thường chế tạo thanh Ruby thường có
dạng hình trụ dài khoảng 100÷300 mm, đường kính tới 30÷50mm. Thông dụng
là những thanh có kích thước l = 75 ÷ 80 mm, d = 6 ÷
8mm, hoặc l= 120 ÷ 130mm, d = 8 ÷ 15mm và l= 240 ÷
250mm, d = 12 ÷ 20mm. Kích thước của những thanh
này phù hợp với kích thước của những đèn bơm xung, có
độ dài phóng điện l=80 mm, hoặc l=120-150 mm và 250
mm. Mặt cắt hai đầu thanh phải được cắt rất song song
và phải có mặt cắt định hướng với quang trục của tinh thể một góc nhất định,
thường là 600 hay 900. Thanh ruby này có độ phẩm chất cao: độ đồng nhất
quang học (các tâm hoạt chất đều, chiết suất đều), chịu nhiệt và có tỉ lệ pha cấy
Cr3+ tối ưu.
Hình 23: Thanh Ruby
Hình 24: Chiều dài
của thanh Ruby so
với một cây viết
Hình 22: Cấu tạo của Laser
Ruby.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
43
Vậy môi trường hoạt chất của Laser Ruby là Ruby trong đó chất nền là
Al2O3, tâm hoạt chất phát ra Laser là Cr3+.
3.3.3.2. Buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng của Laser Ruby là buồng cộng hưởng quang học,
thường được chế tạo ở hai dạng:
- Dạng 1: Gồm 2 gương phẳng ở 2
đầu: 1 gương làm nhiệm vụ phản xạ ánh
sáng toàn phần, còn gương kia vừa phản
xạ một phần (50%) ánh sáng truyền tới nó,
vừa cho một phần ánh sáng truyền qua.
Buồng cộng hưởng này khó chỉnh sửa.
Buồng cộng hưởng này gọi là buồng cộng
hưởng quang học hở (Fabri perot).
- Dạng 2: Người ta mài nhẵn 2 đầu thanh Ruby và một đầu phủ bạc làm
gương phản xạ, một đầu phủ bạc mỏng
làm gương phản xạ một phần (50%).
Buồng cộng hưởng này tiện lợi nhưng
gương dễ bị đốt nóng trực tiếp bởi bức xạ
Laser và khó làm lạnh. Buồng cộng hưởng
này gọi là buồng cộng hưởng kín.
Các gương được bố trí sao cho ánh sáng đi lui, đi tới nhiều lần để làm
tăng khả năng có được phát xạ kích thích nhưng mà không làm lệch. Nên đòi
hỏi hai gương phải rất song song với nhau tới vài giây góc.
Để cải thiện công suất của buồng cộng hưởng người ta sử dụng chế độ
điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Sử dụng được phương pháp này vì
thời gian sống của mức Laser trên khá dài. Người ta dùng van điện- cơ, điện-
Hình 26: Buồng cộng hưởng dạng 2
Hình 25: Buồng cộng hưởng dạng 1:
3- Gương phản xạ toàn phần
4- Gương phản xạ một phần
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
44
quang, từ- quang và quang- hóa để ngắt ánh sáng. Trong thời gian xung bơm
tác dụng nếu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng kém (van đóng) thì tạo được
hiệu độ tích lũy cao hơn giá trị ngưỡng nhưng không thể phát ra Laser trước khi
hoạt chất được bơm đầy. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng có giá
trị nhỏ nhất (mất mát lớn). Khi mở van đột ngột thì độ phẩm chất Q của buồng
cộng hưởng tăng lên đột biến, các nguyên tử ở trạng thái kích thích chuyển
nhanh xuống mức Laser dưới, hiệu độ tích lũy giảm rất nhanh và cho thoát ra
một năng lượng phát lớn dưới một xung có thời gian rất ngắn (10-7-10-9s), đó là
một xung cực lớn với công suất rất cao (10-1000MW). Một cách tương đối có
thể xem bề rộng phổ của Laser ruby lớn, lúc đó ta có thể tạo ra xung Laser ngắn
khoảng 5-10ps bằng chế độ khóa mode. Cả hai phương pháp chủ động và bị
động đều có thể sử dụng cho chế độ điều biến độ phẩm chất và khóa mode. Khi
Laser hoạt động cả ở mode ngang và mode dọc thì sự hấp thụ bão hòa diễn ra
chậm trong chế độ điều biến độ phẩm chất. Nhưng khi kết hợp đồng thời hai
chế độ điều biến và khóa mode thì quá trình hấp thụ bão hòa diễn ra nhanh. Khi
sử dụng khóa mode thì công suất có thể lên đến vài gigawatt, sử dụng điều biến
thì công suất có thể lên đến vài chục megawatt.
3.3.3.3. Nguồn bơm
Nguồn bơm sử dụng trong Laser
Ruby thường là nguồn bơm quang học.
Thường là các đèn xenon. Gồm 2 dạng:
- Đèn bơm hình xoắn: đèn xoắn quanh
thanh hoạt chất, hai đầu của đèn được nối
với nguồn điện. Hiệu xuất của Laser dùng
đèn bơm này không cao.
Hình 27: Đèn bơm dạng xoắn
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
45
- Đèn bơm dạng elip: Đèn bơm và
thanh hoạt chất đặt song song tại hai tiêu
điểm của hình elip. Ánh sáng xuất phát
từ đèn phản xạ từ thành elip sẽ tập trung
hầu như toàn bộ ánh sáng vào thanh
ruby. Nếu phối hợp hai vỏ elip kép ta sẽ
có bốn đèn bơm đồng thời, lúc này thanh
Ruby được đặt ở tâm đối xứng. Hiệu xuất
của Laser có đèn bơm dạng này có hiệu
suất cao hơn đèn bơm hình xoắn.
Đèn xenon có thể phát cả hai chế
độ xung và liên tục. Đèn dùng để bơm thì
phát ở chế độ xung, nó bức xạ mạnh
trong vùng 400- 500 nm. Thông thường người ta sử dụng đèn xenon có áp suất
khoảng 500 Torr, đường kính đèn khoảng 5- 10 mm, chiều dài khoảng 5- 20
cm. Để bơm cho Laser ruby hoạt động người ta điều chỉnh công suất của đèn
phù hợp với chiều dài và thể tích của thanh hoạt chất. Sau khi bơm khoảng
0.5 s thì Laser hoạt động. Laser ruby có thể phát liên tục khi dùng đèn thủy
ngân áp suất cao để bơm ngang hoặc dùng Laser Ar để bơm ngang.
3.3.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby
Laser ruby làm việc làm việc theo chế độ ba mức năng lượng. Các dịch
chuyển bức xạ xảy ra trong ion Cr3+. Cấu hình điện tử của trạng thái cơ bản của
ion Cr
3+
là 3d3 (3F4/3), lớp 3d ngoài cùng chưa được lấp đầy. Do các ion Cr
3+
nằm trong trường tinh thể Al2O3 mà trạng thái cơ bản ion Cr3+ sẽ phân thành
nhiều mức:
Hình 29: Cơ chế
tác động của đèn
bơm dạng xoắn
Hình 30: Dạng elip
với 4 đèn bơm
Hình 28: Đèn bơm dạng elip
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
46
- Mức 1: Mức cơ bản 4 2A có số lượng tử
chính l=3, s=3/2, độ bội 4 (chỉ số
phía trên), theo lý thuyết nhóm trong
trường tám mặt và độ dài bước sóng thì
chia mức này thành 4 mức đơn.
- Mức 2: Mức E2, gồm 2 mức con phân
bố gần nhau là E và
2
A, đây là những
mức siêu bền, thời gian sống khoảng 10-
3s. Dịch chuyển từ 2A về E bị cấm theo
nguyên lý Pauli.
- Mức 3: Gồm 2 dải rộng
4
F1 và
4
F2, là những mức có thời gian sống nhỏ
khoảng 10-7s nên dễ dàng dịch chuyển tự phát không bức xạ từ mức 3 về mức 2.
Sự hấp thụ của Ruby tùy thuộc vào
phương truyền của ánh sáng đối với quang
trục của tinh thể. Ruby hấp thụ mạnh ở dải
sóng cực tím (4F1) nhưng do suất lượng tử
nhỏ nên dải đó ít ảnh hưởng tới nghịch đảo
nồng độ. Chủ yếu hấp thụ bức xạ ánh sáng
màu lục và lam. Do đó, bức xạ bơm cho Laser Ruby chủ yếu là ánh sáng lục và
lam.
Laser ruby hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Hai mức 2A và E
đóng vai trò là mức Laser trên. Mức cơ bản 4A2 đóng vai trò mức Laser dưới.
Nghịch đảo nồng độ giữa các trạng thái được thực hiện theo cơ chế sau: Khi
dùng một đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh Ruby. Những ion
Cr3+ hấp thụ được bức xạ bơm sẽ chuyển lên trạng thái kích thích 4F2 (màu xanh
m 0,3 0, 4 0,5 0,6
0
0,6
0,5
0,4
1( )X cm
Hình 32: Phổ hấp thụ của ion Cr3+
Hình 31: Các mức năng lượng của ion
Crom trong Ruby.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
47
550nm ), và chuyển lên
trạng thái kích 4F1 (màu lục
420nm ). Thời gian sống
của những ion Cr3+ ở 2 trạng
thái 4F1 và
4F2 làm mật độ
hạt ở mức 3 tăng vọt, nhưng
thời gian sống ở mức 3 rất
nhỏ chỉ khoảng 5.10-8 s. Một
số ít những ion Cr3+ kích
thích có thể dịch chuyển
xuống trạng thái cơ bản 4A2 , còn đại đa số (70%- 75%) dịch chuyển không bức
xạ xuống mức 2E vì hiệu năng lượng giữa mức 2 và mức 3 bé, cỡ 3,6. 10-3 eV.
Hai mức con ở mức 2 đó tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt và theo phân bố
Boltzmann thì nồng độ của các mức con E sẽ lớn hơn 2A. Mặc dù mức 2 cũng
là trạng thái không bền nhưng thời gian sống của hạt lâu hơn mức 3. Khi tiếp
tục bơm làm mật độ hạt ở mức 2 tăng lên, có sự nghịch đảo mật độ cư trú, khi
sự nghịch đảo này đạt đến ngưỡng thì phát ra Laser. Quá trình này diễn ra rất
nhanh, ở E và 2A đã có hạt nên khi ta bơm thì laser đã phát ngay. Laser ruby
phát ra hai bước sóng: R1 do dịch chuyển từ E về 4 2A , R2 từ
2A về 4 2A .
Bức xạ ở dịch chuyển R1 đạt được độ nghịch đảo ngưỡng sớm hơn. Bức
xạ ở dịch chuyển R2 sẽ cản trở việc tăng nồng độ của mức
2
A. Như vậy có thể
coi mức 2A là mức cung cấp (nuôi) cho mức E , nó sẽ bù liên tục những hạt
kích thích mức E bị mất đi.
- Khi phân tích những quá trình công tác của Laser Ruby có thể coi hai
mức E và 2A như một mức với trọng số thống kê là g2 = 2.
Hình 33: Sơ đồ mức năng lượng Laser Ruby
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
48
- Mức laser dưới 4A2 gồm 4 mức đơn, do đó trọng số thống kê của nó là
g2=4.
- Mức E được tích lũy những hạt kích thích là do thời gian sống của hạt ở
mức đó rất lớn, khoảng 3.10-3 s. Quá trình tích tụ hạt sẽ liên tục cho tới
khi nồng độ của mức 2 còn nhỏ hơn giá trị ngưỡng vì như chúng ta đã
biết bức xạ chỉ xảy ra khi hiệu số hạt ở hai mức 1 và 2 gọi là N được
tính như sau: 22 1
1
0gN N N
g
.
Nếu coi N0= N1+N2 là tổng số các hạt thì chúng ta dễ dàng tính được giá trị
ngưỡng của N2 là:
* 2 2
2 1 0 2
1 1
* 0
2
( )
3
g gN N N N
g g
NN
Tức là Laser sẽ phát khi nồng độ của mức 2 phải lớn hơn 1/3 tổng số các hạt.
Nếu hệ số phẩm chất Q0 của buồng cộng hưởng nhỏ thì để tự kích cần có số hạt
ở mức hai lớn hơn N0/3.
Năng lượng cực tiểu mà Ruby cần hấp thụ được để đạt chế độ tự kích:
0
min 13 3b
NE với 13 là tần số bơm để hạt chuyển từ mức 1 lên 3.
Trong thực tế, để tạo tự kích thích cho Laser
Ruby cần năng lượng lớn hơn năng lượng
tính theo biểu thức trên hàng chục lần vì phổ
của đèn bơm lớn hơn rất nhiều phổ hấp thụ
4F1 và
4F2. Do đó Ruby chỉ hấp thụ được một
phần năng lượng bức xạ rất nhỏ của đèn bơm.
Vùng phổ hấp thụ thích hợp nhất tương
Hình 34: Sơ đồ phổ hấp thụ của
Laser Ruby
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
49
ứng với tâm của hai mức 4F1 và 4F2 là vùng từ 360 nm đến 450 nm và vùng từ
510 nm đến 600 nm như hình 34.
Bức xạ phát ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh hoạt chất. Khi nhiệt
độ tăng lên bước sóng của bức xạ phát ra cũng tăng lên và độ rộng vạch phát
cũng tăng lên.
Bảng so sánh bước sóng của laser Ruby khi nhiệt độ thay đổi:
Vạch (nm)
T = 3000K T = 770K
R1 694,3 693,4
R2 692,8 692,0
Khi nhiệt độ tăng thì ion ở nút mạng dao động nhanh hơn, ion Cr3+ linh
động hơn dễ dàng dịch chuyển lên trạng thái kích thích hơn, các mức dao động
bị lấp đầy dần từ thấp lên cao. Mức dao động càng thấp thì độ lấp đầy càng cao.
Lúc này sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra nhanh hơn, hạt dễ dàng chuyển
mức năng lượng hơn. Và khoảng cách giữa các trạng thái năng lượng rút ngắn
lại. Mà Laser phát ra bước sóng E
, khi E giảm xuống thì bước sóng sẽ
tăng lên. Kết quả thu được là khi tăng nhiệt độ thì bước sóng tăng. Trong thực
tế khi nhiệt độ tăng lên thì độ rộng phổ bức xạ giảm xuống.
Laser ruby phát ở chế độ xung. Khi đèn xenon phát sáng thì tất cả các
quá trình hấp thụ cộng hưởng, nghịch đảo mật độ cư trú, phát xạ kích thích,
khuếch đại cộng hưởng đều xảy ra trong một thời gian rất ngắn. Nếu coi
10xg ms thì công xuất trung bình mà Laser phát khoảng 1kW và hiệu xuất nhỏ
hơn 1%. Hiện nay người ta đã chế tạo được Laser ruby hoạt động ở chế độ liên
tục. Thanh ruby có kích thước tương đối nhỏ và phải được làm lạnh. Công suất
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
50
bơm ngưỡng lớn hơn 1000W. Công suất bức xạ khoảng vài trăm miliwatt.
Laser ruby phát liên tục đầu tiên là thanh ruby trộn sapphire, để nó phát liên tục
cần bố trí đèn bơm một cách thích hợp.
Vậy ta có thể khái quát lại cơ chế phát Laser như sau:
a) Dưới sự tác động của hiệu điện thế
cao, hạt khoáng (Crôm) sẽ phát sáng,
do có sự kích thích và di chuyển từ
tầng năng lượng thấp lên tầng năng
lượng cao.
b) Ở tầng năng lượng xác định ,thành
phần nguyên tử phát sáng được gọi
là photon. Các hạt photon này sẽ toả
ra nhiều hướng khác nhau từ một
nguyên tử, và bị kích thích bức xạ
bởi những hạt photon từ những
nguyên từ khác, và được khuếch đại
c) Các hạt photon bị phản xạ ngược
trở lại bởi các gương của buồng cộng
hưởng. Tiếp tục va chạm, kích thích
các nguyên tử khác tạo ra quá trình
khuếch đại ánh sáng phát xạ.
d) Ánh sáng bức xạ được khuếch đại
lên đi theo một đường nhất định ra
bên ngoài. Đó chính là tia Laser.
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
51
e) Phát ra Laser.
3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby
3.2.5.1. Ưu điểm
- Laser ruby có độ đơn sắc cao vì chỉ phát ra 2 bước sóng.
- Tia laser có mật
độ định hướng cao.
- Có quang năng
lớn
- Laser ruby có
tính dẫn nhiệt, bền
nhiệt.
3.2.5.2. Nhược điểm
- Laser với hoạt chất loại này cần năng lượng bơm lớn và thời gian bơm
lớn. Điều này dẫn đến chế độ làm việc ở tần số thấp (chỉ giới hạn tần số là 0,3
Hz).
- Vì độ đơn sắc của Laser ruby lớn nên không thể khóa mode để tạo ra
Laser phát xung cực ngắn có công xuất lớn.
- Laser ruby hoạt động theo sơ đồ 3 mức năng lượng nên có ngưỡng bơm
cao hơn các loại Laser rắn khác hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. Do đó
hiện nay Laser này ít được sử dụng.
- Đối với Laser ruby hoạt động liên tục thì có sự không đồng nhất do
bơm xuất hiện trong các thanh Laser.
Hình 35: Phân bố các loại laser theo thang bước sóng
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
52
- Hiệu xuất phát Laser không cao.
3.4. Laser Ti: sapphire
3.4.1. Khái niệm
Laser Ti: sapphire là laser rắn sử dụng sapphire làm môi trường hoạt
chất. Laser Ti: sapphire phát ánh sáng màu xanh và ánh sáng trong vùng hồng
ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650- 1100 nm.
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.
3.4.2. Cấu tạo của 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: 470.1 nm, 460 nm, 455 nm, 450
nm, 379 nm.
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.
3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire
3.4.3.1. Môi trường hoạt chất
Hình 36: Đá Sapphire
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
53
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).
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+ nên 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. Trong laser sapphire nhôm ôxit đóng
vai trò là chất nền còn ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát ra laser.
3.4.3.2. Buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng của laser Ti: sapphire cũng giống với buồng cộng
hưởng của Laser Ruby và các loại laser rắn khác 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
Hình 37: Hình bát
diện của Ti:Al2O3
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
54
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, tập
trung cường độ tại một điểm. 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 (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
Hình 38: Loại 1- Buồng cộng hưởng có 4 gương
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
55
hưởng này ta thu
được xung laser có
tính đơn sắc cao, công
suất lớn và tập trung
tại một điểm.
- 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 một
phần. Ngoài ra trong
buồng cộng hưởng
còn bố trí thêm hai
lăng kính P1, P2 để tán
sắc ánh sáng và khe sáng S lọc ra ánh sáng đơn sắc. Photon phát ra lần lượt
phản xạ trên các gương như hình 39.
- 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
Hình 41: Sơ đồ thực tế của quang đề án của
FemtoStart50
Hình 40: Quang đề án của FemtoStart50
Hình 39: Loại 2- có 6 gương phẳng (M3, M5 phản xạ cao),
2 lăng kính P1 và P2, và khe S
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
56
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 P1, P2 và khe sáng S để tán xạ ánh sáng và
lọc bước sóng khi khe S đặt gần M4. Nếu khe S đặt gần M6 có tác dụng ổn định
hoạt động cho xung laser. Gương M7 được sử dụng trong quá trình liên kết với
gương M2 như hình 41. Hiện nay buồng cộng hưởng này được đánh giá tốt nhất
và được sử dụng nhiều nhất trên thế giới.
Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp với nhiều gương, lăng kính
hơn. Việc tăng số lăng kính và gương lên không phải vô hạn vì khi tăng lên thì
ta vẫn không tăng được công suất của laser mà kồng kềnh, tốn nhiều chi phí và
khó điều khiển.
3.4.3.3. Nguồn bơm
Để bơm cho laser Ti: sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng trong
khoảng 514- 532 nm. 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) nhân tần để bơm cho laser Ti: Sapphire phát xung. Ở nhiệt
độ thấp cũng có thể dùng đèn quang học 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- 1000 nm.
3.4.4. 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 Titan là kim loại
chuyển tiếp, Spin của nó nhận giá trị 1/2, 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:
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
57
- 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 s
tại 300K.
- 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 (hình 42) và hai phổ này tách biệt nhau.
Laser 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
như hình 44.
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:
Hình 43: Sơ đồ 4 mức năng lượng của
Ti:Sapphire
Hình 42: Phổ hấp thụ và phổ
huỳnh quang của Ti3+
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
58
- 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 C 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 giữa hai mức này. Ở C quá trình bức xạ cưỡng
bức xảy ra, các hạt nhảy về các mức con ở B đồng thời phát ra photon có năng
lượng khác nhau.
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 790 nm có cường độ mạnh nhất
(hình 45). 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 660-1180 nm.
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 5,5 fs. 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. Để
Hình 45: Phổ phá xạ của laser Ti:
Sapphire
Hình 44: Trạng thái
năng lượng và cơ chế
phát laser
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
59
điều biến độ phẩm chất cho laser này người ta thường sử dụng bộ điều biến
quang âm.
3.4.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire
o 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.
o 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.
3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm
3.5.1. Laser Nd:YAG
3.5.1.1. Khái niệm
Laser Nd: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-
Garnet được phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường
hoạt chất, nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Laser Nd:
YAG có sức xuyên sâu (trên 1mm) Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
60
tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps). Nó có thể phát liên tục
tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz. Laser Nd: YAG được ứng
dụng nhiều nhất hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực.
3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG
Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của
Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó
một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+.
Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một
nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, ký hiệu
của Neodymi là Nd, số nguyên tử bằng 60, nó có
2 electron ở lớp ngoài cùng 6s2 nhưng phân lớp
4f chưa đầy chỉ có 4 electron. Neodymi có cấu
trúc tinh thể là hình lục giác.
Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và
nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình lập phương. Nó có độ cứng
khoảng 8-8,5 (theo thang đo Moh) thấp hơn sapphire và ruby. Yttrium
Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước
sóng từ 800 nm đến 1400 nm.
3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG
a) Môi trường hoạt chất
Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG là tinh
thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một
số ion Y3+ được thay thế bởi ion Nd3+. Y3Al5O12 đóng
vai trò là chất nền, ion Nd3+ đóng vai trò là tâm hoạt
chất phát ra laser. Dùng Y3Al5O12 làm chất nền vì phổ
huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng bước sóng của
Hình 46: Thanh Nd: YAG
Hình 47: Phổ hấp thụ
của chất nền và nd3+
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
61
Nd3+. Nồng độ ion Nd3+ pha vào chiếm khoảng 0.5%
đến 2%. Thông thường người ta chế tạo thanh Nd:
YAG có đường kính khoảng từ 3- 6mm và chiều dài
khoảng 5- 15cm. Số ion Nd3+ trên một đơn vị khối
lượng là 1,38 × 1020/cm3.
Thanh Nd: YAG được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau: hình trụ
tròn, hình trụ chữ nhật, hoặc hình trụ chữ nhật một đầu có cắt chóp nhọn.
b) Buồng cộng hưởng
- Buồng cộng hưởng của laser Nd: YAG cũng giống với buồng cộng
hưởng của Laser Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học.
c) Nguồn bơm
Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận 0,7 m đến 0,9 m nên
đèn quang học Krypton hoặc Xenon và laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm
thích hợp nhất.
Nếu dùng đèn quang học để bơm thì áp suất bên trong đèn phải phù hợp
với quá trình phát laser. Với đèn Xenon thì áp suất của đèn khảng 500 Torr đến
1500 Torr, với đèn Kryton thì áp suất đèn khoảng 4 atm đến 6 atm. Khi sử dụng
đèn Xenon để bơm thì phải đưa thêm ion Cr3+ vào mạng tinh thể Yttrium
Aluminium Garnet làm chất nhạy hóa, vì ion Cr3+ có dải hấp thụ trùng với phổ
bức xạ của đèn Xenon. Việc này này chỉ tăng được hiệu quả bơm khi laser hoạt
động ở chế độ liên tục. Đèn Kryton có thể sử dụng để bơm ở cả hai chế độ xung
và liên tục. Độ chênh lệch công suất bơm liên tục và xung khoảng 3%, trung
bình năng lượng phát của đèn khoảng một vài kW (1- 3 kW)
Nguồn bơm thứ hai là dùng laser bán dẫn để bơm. Nếu bơm dọc và bơm
liên tục thì dùng đèn ở công suất gần 15W, nếu bơm ngang và bơm liên tục thì
Hình 48: Thanh Laser
Nd: YAG hình trụ chữ
nhật một đầu cắt nhọn
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
62
dùng ở công suất trên 100W. Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơm đèn
quang học, có thể hơn 10%.
3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG
Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Nd3+ là 4f3 . Hàm lượng ion Nd3+
rất ít trong tinh thể Yttrium Aluminium Garnet nên bỏ qua tương tác của các
ion Nd3+ với nhau mà nó chỉ chịu tác dụng
của trường tinh thể Y3Al5O12, dưới tác dụng
của trường tinh thể thì ion Nd3+ có sơ đồ các
mức năng lượng trong Y3Al5O12 như sau :
- Mức 1 hay còn gọi là mức cơ bản kí
hiệu là 4 9 / 2I , trong mức cơ bản này cũng có
nhiều mức con sát nhau nên ta có thể xem
chúng gần như cùng nằm trong một mức.
Thời gian sống của hạt trên mức này khá lâu.
- Mức 2 gồm nhiều mức do hiệu ứng Stark (6 mức có hiệu năng lượng so
với mức cơ bản kéo dài từ 2,001cm-1 đến 2,526cm-1), nhưng xác suất dịch
chuyển của các hạt ở mức trên về 4 11/ 2I lớn nhất và sự suy biến của các mức con
giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức 4 11/ 2I . Mức 4 11/ 2I gần mức cơ bản nhất
và có hiệu mức năng lượng là 2000cm-1. Theo phân bố Bolztmann thì trong
trạng thái nhiệt độ phòng mức năng lượng 4 11/ 2I hầu như trống rỗng.
- Mức 3 là 4 3/ 2F , để tạo ra laser thì phải tạo được sự nghịch đảo mật độ
giữa mức này và mức 2. Mức 3 có thể tách thành 2 mức con với hiệu mức năng
lượng là 11,502 cm-1 và 11,414 cm-1. Thời gian sống của hạt ở đây khoảng
5,5.10-4 s
- Mức 4 gồm hai dải rộng :
+ Dải thứ nhất là 4 43/ 2 7 / 2,S F
Hình 49: Sự tách mức năng lượng
của 4 3/ 2F và
4
11/ 2I
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
63
+ Dải thứ hai là 4 25/ 2 9/ 2,F H
Hai trạng thái này không bền, thời gian sống ngắn lại rất gần với mức 3 nên hạt
dễ dàng dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3.
Phổ hấp thụ của Laser Nd: YAG rất rộng gồm có 7 bước sóng chính phân
bố thành 3 vùng chủ yếu nằm trong vùng hồng ngoại :
- Vùng A: do các mức con ở dải 4 43/ 2 7 / 2,S F chuyển về nằm ở lân cận bước
sóng 0,75 m
- Vùng B: do các mức con ở 4 25/ 2 9/ 2,F H chuyển về nằm ở vùng lân cận
0.8 m
- Vùng C: do các mức ở 4F3/2 chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9 m .
Laser Nd: YAG hoạt
động theo sơ đồ 4 mức năng
lượng, các mức được phân
thành như ở các mức năng
lượng của ion Nd3+, mức 1
đóng vai trò là mức cơ bản,
mức 2 là mức laser dưới,
mức 3 là mức laser trên,
mức 4 là mức kích thích.
Quá trình nghịch đảo mật
đội cư trú thực hiện theo cơ chế sau:
- Nhờ vào quá trình bơm, ta sẽ bơm ở hai bước sóng chính là 730 nm và
800 nm để các hạt từ mức cơ bản nhảy lên mức 4.
- Sau đó vì thời gian sống của điện tử trên mức này bé, và mức 3 sát với
mức 4 nên các hạt dịch chuyển không bức xạ về mức 3.
Hình 50: Sơ đồ 4 mức năng lượng của laser Ti:
Sapphire
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
64
- Tại mức 3 thời gian sống ở mức 3 lớn hơn ở mức 4 nên hạt ở lại ở mức 3
một thời gian rồi mới dịch chuyển về mức 2, vậy N3>N2 ta đã có được sự
nghịch đảo mật độ cư trú. Hạt ở mức 3 ở trạng thái siêu bền với thời gian sống
cỡ 230 s .
- Tiếp tục bơm thì hạt tập trung ở mức 3 nhiều hơn, khi các hạt này mất
năng lượng (tức truyền năng lượng cho mạng tinh thể) thì hạt nhảy từ mức 3 về
các mức con của mức 2 với hiệu suất gần bằng 100% và phát ra laser. Trong đó
thì dịch chuyển từ 4 3/ 2F về 4 11/ 2I mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064 m , bước
sóng này được sử dụng rất nhiều khi đưa Laser Nd: YAG vào ứng dụng trong
cuộc sống.
Ở 3000K phổ phát xạ của Laser Nd: YAG gồm dải rộng có 7 vạch rõ nhất
trong đó có hai vạch sáng nhất ứng với bước sóng 1,0615 m và 1,0642 m . Tất
cả có 18 vạch được trình bày ở bảng 2 sau :
Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ ( )m Cường độ tương đối %
4
3/ 2F về
4
9 / 2I 0,8910
0,8999
0,9385
0,9460
25
4
3/ 2F về
4
11/ 2I 1,0521
1,0615
1,0624
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225
60
4
3/ 2F về
4
13/ 2I 1,3184
1,3334
1,3351
14
Đề tài: Một số laser rắn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
65
1,3381
1,3533
1,3572
4
3/ 2F về
4
13/ 2I 1,833 1
Bảng 2 : Sự dịch chuyển và bước sóng của 18 vạch phổ phát xạ Laser Nd :
YAG
Khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng của Laser Nd: YAG phát ra cũng
thay đổi theo. Ở nhiệt độ phòng thì bước sóng Laser Nd: YAG phát ra bước
sóng 1,0642 m . Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như:
0,914 m và 1,35 m .
Laser Nd: YAG có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số
bơm. Nếu ta bơm với tần số nhỏ thì Laser Nd: YAG phát ở chế độ xung, còn
tần số lớn hơn thì nó phát ở chế độ liên tục. Khi ta sử dụng phương pháp biến
điệu độ phẩ
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- LUẬN VĂN Đề tài Một số laser rắn.pdf