Đề tài Một số laser rắn

ồng. Các mode này là ánh sáng có tần số mà buồng cộng 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 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: . Độ rộng của các mode được viết theo công thức: . 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 xạ , là bước sóng Laser, d là đường kính gương. Và chùm tia bức xạ trong một góc khối: . 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 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: 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. 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. Phân cực 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: - 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. 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 10171020/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 Hình 19: Ruby màu huyết dụ 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 18: Ruby màu đò tía 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. Hình 20: Một số dạng tinh thể thường gặp của Al2O3 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). Hình 21: Cấu trúc tinh thể của Al2O3 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 22: Cấu tạo của Laser Ruby. 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. Hình 24: Chiều dài của thanh Ruby so với một cây viết Hình 23: Thanh Ruby 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. 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: Hình 25: Buồng cộng hưởng dạng 1: 3- Gương phản xạ toàn phần 4- Gương phản xạ một phần 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). Hình 26: Buồng cộng hưởng dạng 2 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- 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. Hình 27: Đèn bơm dạng xoắn 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 28: Đèn bơm dạng elip Hình 29: Cơ chế tác động của đèn bơm dạng xoắn 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 Hình 30: Dạng elip với 4 đèn bơm 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 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 Cr3+ là 3d3 (3F4/3), lớp 3d ngoài cùng chưa được lấp đầy. Do các ion Cr3+ nằm trong trường tinh thể Al2O3 mà trạng thái cơ bản ion Cr3+ sẽ phân thành nhiều mức: Hình 31: Các mức năng lượng của ion Crom trong Ruby. - Mức 1: Mức cơ bản có số lượng tử chính l=3, s=3/2, độ bội (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 và 2A, đây là những mức siêu bền, thời gian sống khoảng 10-3s. Dịch chuyển từ 2A về bị cấm theo nguyên lý Pauli. - Mức 3: Gồm 2 dải rộng 4F1 và 4F2, 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. Hình 32: Phổ hấp thụ của ion Cr3+ 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 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 ), và chuyển lên trạng thái kích 4F1 (màu lục ). Thời gian Hình 33: Sơ đồ mức năng lượng Laser Ruby 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 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 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 về , R2 từ 2A về . 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 2A. Như vậy có thể coi mức 2A là mức cung cấp (nuôi) cho mức , nó sẽ bù liên tục những hạt kích thích mức bị mất đi. Khi phân tích những quá trình công tác của Laser Ruby có thể coi hai mức và 2A như một mức với trọng số thống kê là g2 = 2. Mức laser dưới 4A2 gồm 4 mức đơn, do đó trọng số thống kê của nó là g2=4. Mức 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 được tính như sau: . Nếu coi N0= N1+N2 là tổng số các hạt thì chúng ta dễ dàng tính được giá trị ngưỡng của N2 là: 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: với là tần số bơm để hạt chuyển từ mức 1 lên 3. Hình 34: Sơ đồ phổ hấp thụ của Laser Ruby 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 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 , khi 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 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 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. 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. Hình 35: Phân bố các loại laser theo thang bước sóng - 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. - Hiệu xuất phát Laser không cao. 3.4. Laser Ti: sapphire 3.4.1. Khái niệm Hình 36: Đá Sapphire 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 Sapphire là hợp chất của Al2O3 và Ti3+ nên môi trường hoạt chất của laser Ti: sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này. Al2O3 có tính dẫn nhiệt tốt nên nó có thể giảm nhiệt độ nhanh ngay cả với laser có công suất cao và cường độ lớn. Ion Ti3+ có độ rộng phổ hấp thụ lớn nên phát ra laser có độ rộng phổ lớn, đó là một cơ sở để điều khiển laser Ti: Sapphire phát xung cực ngắn (cỡ femto giây). Hình 37: Hình bát diện của Ti:Al2O3 Tinh thể Ti: sapphire được chế tạo bằng cách nung nóng chảy Ti2O3 với Al2O3. Nồng độ ion Ti3+ trong mạng chiếm khoảng 0,1-0,5% khối lượng. Ion Ti3+ chiếm chỗ của ion Al3+ 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