Bài giảng Nguyên lý laser - Các loại nguồn laser

Chương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER 2.1 . Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn. Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc ion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 , lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laser khí, nên độ nghịch đảo rất lớn. hệ số khuếch đại rất lớn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm. Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút. Trong laser rắn các hạt tương tác nhau nên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng các đèn chớp sáng. Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, hai mặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là là đơn tinh thể hoặc vô định hình. Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt có độ rộng lớn Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định. THANH HOAT CHAT Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao laser. Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MeO4,HF -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 (Me là kim loại Al, Fe,..) Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ. Điển hình: -Y3Al5O12 ( kí hiệu YAG) -Al2O3 ( Laser Rubi ) -Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo và độ đồng nhất cao, kém bền nhiệt và công suất bơm lớn. Môi chất laser thường ở dạng ion 2 hoặc 3 điện tích. Một số môi chất laser nguyên tố đất hiếm. Neodim Nd 3+ λ= 1,06 μm Dyprozy Dy 2+ λ= 2,36 μm Camri Sm 2+ λ= 0,7 μm Ecoi Er 2+ λ= 1,61 μm. Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser. Nồng độ hạt bức xạ tăng làm tăng công suất, khi đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống của các hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra giảm Nguồn bơm gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất. . Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất, do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng bơm xung là tốt nhất . Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành năng lượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọn tần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý Dùng đèn hơi thuỷ ngân phóng điện hồ quang Dùng đèn dây tóc nhưng được bơm hơi iode vào để tăng tuổi thọ cho đèn Các dạng phản xạ 2.1.2 Laser Rubi Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr 3+ . Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt . Kéo ở 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10o C để đảm bảo đồng nhất. Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr 3+ trở nên màu hồng à trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím. Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2. Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2. Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2. Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng thái năng lượng Ví dụ T= 300 o K T= 77 o K R1 694,3 nm 693,4 nm R2 692,8 nm 692,0 nm Laser Ruby Q-Switch Bước sóng: 694 nm Mật độ năng lượng: 23J / cm2 Tần số phát: 0,5 – 2 Hz Thích hợp: Xóa xăm nhiều màu, điều trị bớt sắc tố (xanh, đen …) 2.1.3 Laser NdYAG Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG. Trong laser Neodim-YAG, Y 3+ được thay bởi Nd3+ Sự dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F2 xuống 4I2 với bức xạ =1064nm. Laser NdYAG có thể làm việc ở cả chế độ liên tục hoặc xung với bơm bằng đèn Xe hoặc laser bán dẫn AlGaAs. Chất nền ở dạng thanh có đường kính từ 3 đến 6 mm, chiều dài từ 5 đến 15cm. Công suất ra từ 1 đến 3kW. Nếu bơm bằng laser diot thì chỉ từ 15 đến 100W. Hình 2.4 Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd3+ 1064nm _Độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ nhỏ và cho phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu _Tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục Laser NdYAG được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong gia công vật liệu như khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến 100Hz, và độ dài xung từ 1 đến 10ms. Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng sợi quang, NdYAG có mhiều ưu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2. Trong lĩnh vực y tế đã sử dụng nhiều laser NdYAG với sợi quang trong phẫu thuật. Trong quân sự và nghiên cứu khoa học cũng sử dụng nhiều laser NdYAG 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh Các mức năng lượng dịch chuyển của Nd 3+ trong laser thuỷ tinh ở = 1064nm . Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn so với laser NdYAG khoảng 40 lần. Do nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh thấp nên dễ chế tạo thanh hoạt chất với kích thước lớn và dải phổ hấp thụ cũng lớn hơn laser NdYAG. Mật độ môi chất Nd 3+ lớn hơn 2 lần và hiệu suất bơm lớn hơn 1,6 lần. Nhược điểm của thuỷ tinh là nhiệt dung thấp nên chỉ dùng với laser có tần số xung thấp hơn 5Hz. Laser Nd thuỷ tinh thường dùng trong các ứng dụng cần có xung ở tần số thấp như các bộ dò tìm mục tiêu trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học.các hệ khuếch đại có năng lượng cao. 2.2 Laser khí. 2.2.1 Đặc điểm của laser khí Hoạt chất là chất khí hoặc hơi kim loại. Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử. Do mật độ hạt và áp suất thấp nên tương tác ít, vạch phổ bức xạ hẹp chỉ cỡ 1 Hz và hẹp nhất trong các loại laser. Độ mở rộng đường phổ chủ yếu là mở rộng không đồng nhất Đốp-lơ. Độ đồng nhất quang học cao nên góc mở của laser nhỏ chỉ cần dùng gương phẳng song song đã đạt độ mở nhỏ hơn 1 phút. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện chủ yếu bằng phóng điện chất khí. Thường sử dụng thêm va chạm cộng hưởng và phân rã ở mức laser dưới bằng va chạm để làm tăng mật độ nghịch đảo độ tích luỹ dạng Laser 4 mức. Cấu tạo chung của laser khí gồm một ống chứa khí bằng thủy tinh hoặc thủy tinh thạch anh đường kính từ 1 mm đến vài cm và dài từ vài chục cm đến hàng chục mét, đặt giữa 2 gương song song nhau. Hai cách bố trí gương: là gương đặt trong buồn thuỷ tinh và đặt ngoài. Song thường sử dụng gương đặt ngoài. Gương đặt ngoài ống phóng khí có các ưu điểm: -Hệ cơ điều chỉnh gương đơn giản không cần giải quyết vấn đề kín khí. - Tuổi thọ ống khí dài hơn vì không có chi tiết cơ khí nằm trong làm giảm chất lượng khí. - Độ bền gương tăng vì không bị ion bắn phá và không bị bong tróc gương trong môi trường chân không cao và dễ thay thế. - Ống khí chế tạo đơn giản hơn vì không phải gắn giữa thủy tinh và kim loại. - Dễ dàng đặt vào buồng cộng hưởng các linh kiện điện chế hoặc chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết. Nhược điểm gương ngoài: Tiêu hao hai đầu ống do phản xạ , hấp thụ , tiêu hao do tán xạ phụ thuộc góc tới, chiết suất và dạng phân cực của ánh sáng. 2.2.2 Laser He- Ne Laser khí đầu tiên được Lavan, Beneti, Heriot chế tạo 1961 và hiện được dùng rộng rãi nhất. Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe Biểu đồ mô tả hoạt động của Laser He - Ne Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều tồn tại. Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng cách chọn gương laser hoặc dùng các phần tử hấp thụ chọn lọc Công suất laser phụ thuộc vào dòng phóng điện, áp suất khí, tỷ lệ He- Ne ( thường 9/1), đường kính ống khí và tiết diện. Công suất laser λ = 1,15 μm và 0,63 μm đạt vài chục mW λ = 3,39 μm đạt vài trăm mW. Tuổi thọ laser phụ thuộc vào chất lượng khí và sự hấp thụ của thành ống và các điện cực làm giảm và thay đổi thành phần khí làm giảm tuổi thọ của laser. Ở nước ta: ảnh hưởng của nóng ẩm làm giảm tuổi thọ và độ ổn định của laser. LASER 1 mod Với laser HeNe =633 nm , nếu chiều dài buồng cộng hưởng nhỏ hơn 130 mm khi đó khoảng cách giữa hai mốt là:  = 2 /2ne = = = 15,4.10-4 nm Khi đó có thể coi rằng trong phổ tần số chỉ còn một mốt duy nhất với độ rộng mốt m = 1.10 -6 nm Nguyên lý cấu tạo của nguồn laser HeNe đo lường . Bộ điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng này điều chỉnh đến 2m với sự biến đổi nhỏ tần số cỡ 2MHz / 1 nm sự thay đổi chiều dài buồng . 2.2.3 Laser CO2 Có mức dao động rất gần mưc cơ bản, các điện tử tham gia hầu hết vào quá trình kích thích làm tăng độ tích lũy mức laser trên nên có hiệu suất cao, tức là dùng mức năng lượng thấp của hạt, Phân tử CO2 có cấu trúc đối xứng tuyến tính với 3 bậc dao động tự do. Môi trường Laser này được làm thành từ các phân tử ,kết hợp các mức năng lượng điện tử của các nguyên tử vì thế có cả phân tử mức năng lương quay và dao động Mũi tên đậm biểu diễn một bơm kích thích phân tử từ mức thấp nhát lên cao. Các phân tử kích thích ngay sau đó khử kích thích từ mức trên thành nhiều mức dao động có thể .Mỗi một trong các sự khử kích thích này sinh ra một phôton có năng lượng. Để giảm sự thái hóa khí người ta cho khí luôn luân chuyên trong ống bằng bơm chân không Laser CO2 là loại laser đạt được công suất đến hàng chục kW ở chế độ liên tục với hiệu suất đến 20 ÷ 30 % và là loại công suất lớn nhất hiện giờ. Trong kĩ thuật thường dùng loại laser xung : 10-6 ÷10 -9 s với điện áp cỡ hàng trăm kV và dòng vài Ampe Laser CO2 Laser CO2 làm việc theo 3 mưc năng lượng .Môi trường laser là cá phân tử CO2 và N2 ,trong đó tâm hoạt chất là CO2 Sự đảo mật độ tích lũy laser xảy ra do dao động toàn phần các tâm hoạt chất CO2 để chúng chuyển dịch lên mức laser nhờ quá trình truyền năng lượng cộng hưởng khi va chạm với các phân tử neon ở trạng thái kích thích 2.3 Laser bán dẫn 2.3.1 Nguyên lý phát laser bán dẫn Laser bán dẫn là nguồn quang điện tử có hiệu suất và năng lượng laser cao, với kích thước khối nhỏ gọn, giá rẻ, thường được gọi là Diode laser Cấu trúc năng lượng bán dẫn có bề rộng vùng cấm nhỏ chỉ khoảng 1eV . Sự dịch chuyển của điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo nên một cặp điện tử và lỗ trống. Sự kết hợp của điện tử và lỗ trống bức xạ ra một phô ton ánh sáng. Thêm các tạp chất vào vật liệu bán dẫn thuần có thể chế tạo hai loại bán dẫn, mà một loại có mật độ điên tử lớn gọi là loại n, một loại mà mật độ lỗ trống lớn gọi là loại p như hình 2.10. Hình 2.10. Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn p&n Hình 2.11 : Sự tạo thành tiếp giáp p-n Khi đặt một điện áp phân cực thuận lên tiếp giáp p-n. Ở chỗ tiếp giáp các phần tử mang điện có thể kết hợp lại với các phần tử mang điện trái dấu và dẫn đến phát xạ tự phát. Bước sóng dài nhất có thể phát ra tương ứng với một điện tử rơi từ đáy vùng dẫn tới đỉnh vùng hoá trị được cho bởi : c = he/WG Ở đây WG là năng lượng của vùng trống. Bước sóng càng ngắn được phát ra khi điện tử rơi từ trạng thái năng lượng càng cao trong vùng dẫn . Trong loại diode tiếp giáp p-n bình thường phát xạ tự phát là chủ yếu nên tạo nên diode phát quang LED. Khi có buồng cộng hưởng quang thì phát xạ kích thích là chủ yếu và tạo nên diode laser . 2.3.2 Laser diode Laser diode đầu tiên bao gồm một đơn tinh thể của Ga –As, kích thích theo dạng tiếp giáp p-n và được đặt một điện thế ban đầu. Hình 2.13. SH,DH diode laser cấu trúc sọc Thay đổi cấu trúc lớp tiếp giáp đơn đơn giảnvới vùng có hệ số khúc xạ thấp hơn chính lớp hoạt động sự phát xạ laser bị hạn chế theo chiều ngang trong vùng tiếp giáp hẹp này,. Cải tiến hơn nữa là diode tiếp giáp kép khác nhau DH, giảm vùng hoạt động xuống, bằng cách kẹp giữa một lớp kép Các diode có bước sóng phát xạ gần tia hồng ngoại đặc biệt là 820 nm, 850 nm 904 nm, 1.3 m, 1.5 m .Các bước sóng khác nhau do sử dụng vật liệu bán dẫn hợp chất khác nhau như Gax, Al1-x , As và thay đổi nồng độ kích thích do tỷ lệ Ga:Al. .Buồng cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn 500 m ,đưa khoảng cách mode dọc tới vài trăm GHz và vì vậy chiều dài kết hợp giảm xuông vài mm. Vì bức xạ laser được phát xạ từ một vùng hoạt động nhỏ gọn , nhiễu xạ gây ra sự phân kỳ cao, tia ra có dạng elip. Hình2. 14. Mạch nuôi điển hình cho diode laser. C«ng suÊt ph¸t cña laser (mW)theo dßng nu«i (mA) 2.3.3 Laser bán dẫn đơn mốt. Laser bán dẫn tuy có buồng cộng hưởng rất ngắn cỡ 1mm,song do cấu trúc tinh thể bán dẫn vẫn còn có các mốt bên ngoài mốt .Khoảng cách giữa các mốt kề nhau :  = m- m+1 = m2 / 2nL Trong đó : n là chiết suất nhóm , khi L=200400 m thì  = 0,51nm. Trong các laser diode thường dạng tiếp xúc sọc , dòng điện ngưỡng khá lớn và thường không dưới 120mA. Để giảm dòng điện ngưỡng và hoạt động dưới chế độ đơn mốt , người ta sử dụng cấu trúc dị thể chôn BH(Buried ) Laser diốt DFB (Distributed Feedback): nguyên lý hoạt động của laser DFB là sử dụng hiện tượng phản xạ Bragg vaò mục đích nén các mốt bên và chọn lọc tần số . Trong thiết bị này buồng cộng hưởng Fabry –Pero được thay thế bằng cách tử nhiễu xạ ,hình 2.16. Laser điôt DBR(Distributed Reflector): Một dạng biến thể của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg DBR.Trong laser này , các cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số ,thay cho buồng cộng hưởng Fabry-Perot,hình 2.17. LASER b¸n dÉn: ứng dụng Lo¹i hay gÆp: Hay gÆp nhÊt: GaAs, b­íc sãng 890nm, AlGaAs, 760nm phæ hång ngo¹i gÇn. øng dông: lµm ®Üa h¸t, thiÕt bÞ trong m¸y in Laser. Laser Đặc biệt Free-Electron Laser vµ laser tia X (The free-electron laser has been used to generate coherent radiation from 10^-5 to 1 cm in wavelength. Applications of free-electron lasers are envisioned in isotope separation, plasma heating for nuclear fusion, long-range, high resolution radar, and particle acceleration in accelerators. ) B­íc sãng cña c¸c laser th«ng dông B¶ng sè 1 C¸c lÜnh vùc ¸p dông cña laser