Tiểu luận Một số laser rắn - Lê Thị Bích Liên

MỤC LỤC 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 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 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 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: 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. 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 Hình 1: Mô tả phát xạ tự phát (a), phát xạ cưỡng bức (b), hấp thụ (c) 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: 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. Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng ( 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. Hình 2: Quá trình hấp thụ 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 , 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. Quá trình hấp thụ được mô tả như sau : , với : A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, 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 : trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ, 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. Hình 3: Phát xạ tự phát 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: Ta có thể mô tả bức xạ tự phát bằng mô hình: , với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, 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: , 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. 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: Hình 4: Hai photon và Hình 5: Photon tăng theo cấp số nhân Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng , bắt gặp một photon có năng lượng đúng bằng , 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 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.... Hình 6: Phát xạ cưỡng bức Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản cơ bản trên một đơn vị thời gian P xác định như sau: 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: với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, là năng lượng của photon sơ cấp (kích thích), 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: 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 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. Hình 7 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: 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 sẽ có 4 photon ra. Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức : , 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 : 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 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: , 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 : , G là sự khuếch đại trong một chu trình tính bằng công thức : Mà điều kiện ngưỡng cho hoạt động laser là G=1, khi đó : Suy ra : với 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. 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. Bảng 1: Bước sóng phát của một số laser thông dụng Hình 8: Albert Einstein 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 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. Hình 9: Maiman 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 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 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: 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 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: . Công suất phát xạ tự phát: . Hình 10: Hệ hai mức năng lượng 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: . Vận tốc dịch chuyển lên được tính theo công thức: . Nhưng hiệu N1- N2 ngày càng giảm nhỏ tới khi N1=N2 thì vận tốc dịch chuyển lên và xuống bằng nhau = 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. 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: Hệ 3 mức với mức laser trên là mức trung gian 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 Hình 11: Hệ 3 mức năng lượng với mức laser trên là mức trung gian 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: Mà Nên Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N1: Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N2: Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú trên N3: với là thông lượng bơm. Giải các phương trình trên trong điều kiện dừng ta được: với N=N1+N2+N3 Từ đó ta có: Suy ra N2>N1 tức là tạo được sự nghịch đảo mật độ cư dân. Hệ 3 mức với mức laser trên là mức cao nhất Hình 12: Hệ 3 mức năng lượng với 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: Phương trình độ biểu diễn mật độ cư trú trên N3 là: Phương trình độ biểu diễn mật độ cư trú trên N1 là: Giải các phương trình trên ở trạng thái dừng ta có: Sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra khi: 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. 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 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 , 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. Hình 13: Sơ đồ 4 mức năng lượng Các phương trình tốc độ: Giải hệ phương trình ở trạng thái dừng ta sẽ rút ra được: và Để N3>N2 thì thông lượng bơm , 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 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. Hình 14: Sơ đồ máy phát laser 1) Buồng cộng hưởng2) Nguồn bơm 3) Gương phản xạ toàn phần4) Gương bán mạ5) Tia laser 6) Thanh hoạt chất 2.4.1. Môi trường hoạt chất Hình 15: Máy phát laser 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. 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. 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 nay gương mạ kim loại được thay thế bằng gương điện môi nhiều lớp. Vì nó có ưu điểm nổi bật hơn. Hình 16: Một số loại buồng cộng hưởng 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: 2.4.3.2 Chức năng Buồng cộng hưởng có hai chức năng chính: 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. 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 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: , trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng, là bước sóng của laser, 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 Hình 17: Mode ngang của chùm laser 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 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 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 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: Hình 38: Loại 1- Buồng cộng hưởng có 4 gương - Loại 1: 5th and 6th cavity mirrors (flat high reflector M3, M5) are placed in long arm of the cavity to make laser more compact.buồng cộng hưởng có 4 gương (M1, M2, M3, M4). Các gương phản xạ toàn phần là M1, M2, M4. Gương M3 phản xạ một phần. Khi photon phát ra thì bị phản xạ nhiều lần trong buồng cộng hưởng này và bị khuếch đại lên, khi đạt giá trị ngưỡng thì laser phát ra ở M3. Trong buồng cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P1 và P2 để tán sắc ánh sáng, sau lăng kính P2 ta đặt một khe sáng S để lọc ra bước sóng cần thiết. Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn có đặt ống kính F để tập trung bức xạ bơm. Với hệ thống buồng cộng hưởng này ta thu được xung laser có tính đơn sắc cao, công suất lớn và tập trung tại một điểm.More compact scheme incorporates 6 mirrors cavity (Fig. - 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. 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 - Loại 3: Quang Đề án của FemtoStart50. Gồm có 9 gương M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9. Loại này có thể phát ra xung tương ứng với 20 fs, 50 fs, và 100 fs. Gương M1, M2, M3, M4, M5 và M7 là gương phản xạ tòa phần lớn hơn 99,5%. M6 là gương phản xạ một phần. Gương M8, M9 để tập trung bức xạ bơm tới ống kính F. Ống kính F có tiêu cự là 100 mm. Buồng cộng hưởng có thêm hai lăng kính 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: Mức 1: 2T2 gọi là trạng thái cơ bản, trạng thái này suy biến bậc 3, có nhiều mức dao động con tạo thành một dải lớn. Thời gian sống của hạt ở trạng thái này khoảng 3,2 tại 300K. Mức 2: 2E gọi là trạng thái kích thích, mức này gồm 2 mức nhỏ. Hình 42: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti3+ 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. Hình 43: Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire 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 44: Trạng thái năng lượng và cơ chế phát laser 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. Hình 45: Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire 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 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 Ưu điểm - Phổ bức xạ của laser Ti: sapphire lớn nên có thể điều chỉnh được để tạo ra laser công suất cao. Laser công suất được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hơn laser công suất thấp. - Độ dẫn nhiệt của Ti: Sapphire cao như kim loại, nên hiệu suất của laser Ti: sapphire lớn hơn các loại laser rắn khác hoạt động ở chế độ liên tục. - laser Ti: sapphire hoạt động ở chế độ liên tục và phát xung cực ngắn vượt trội laser màu. Nhược điểm - Ti: sapphire có thể chứa một số lượng không mong muốn Ti 4 + ion, dẫn đến sự hấp thụ ký sinh và do đó để mất hiệu quả laser. Để để tối ưu hóa hoạt động của laser Ti: sapphire thì phải giảm thiểu nồng độ ion Ti4+ - Mất mát trong trong laser Ti: sapphire gồm mất mát trên lớp mạ gương, các bề mắt quang học đánh bóng, mất mát kí sinh ngay trong vật liệu Ti:Sapphire. Mất mát này tỉ lệ với độ dài thanh và thay đổi theo nồng độ Ti3+, khi nồng độ này tăng thì mất mát tăng. 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 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 Hình 46: Thanh 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 Hình 47: Phổ hấp thụ của chất nền và nd3+ 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 48: Thanh Laser Nd: YAG hình trụ chữ nhật một đầu cắt nhọn 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 đến 0,9 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 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 : Hình 49: Sự tách mức năng lượng của và Mức 1 hay còn gọi là mức cơ bản kí hiệu là , 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 lớn nhất và sự suy biến của các mức con giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức . Mức 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 hầu như trống rỗng. Mức 3  là , 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 + Dải thứ hai là 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 chuyển về nằm ở lân cận bước sóng 0,75 Vùng B: do các mức con ở chuyển về nằm ở vùng lân cận 0.8 Vùng C: do các mức ở 4F3/2 chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9. 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: Hình 50: Sơ đồ 4 mức năng lượng của laser Ti: Sapphire 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. 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. 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 về mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064, 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 và 1,0642. Tất cả có 18 vạch được trình bày ở bảng 2 sau : Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ Cường độ tương đối % về 0,8910 0,8999 0,9385 0,9460 25 về 1,0521 1,0615 1,0624 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 60 về 1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 14 về 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. Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như: 0,914 và 1,35. 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 phẩm chất buồng cộng hưởng và khóa mode thì Laser Nd: YAG có thể phát ra xung laser ngắn. 3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG Ưu điểm - Laser Nd: YAG có độ dẫn nhiệt cao cho phép phát ở nhiều chế độ cả xung và liên tục, có thể tạo xung laser ngắn (5ps) bằng phương pháp biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng - Hiệu suất khá cao cỡ 5% phần trăm. - Có ngưỡng bơm bé hơn laser Ruby vì nó hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. - Công suất của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby rất nhiều lần khi thanh hoạt chất cùng chiều dài. Ví dụ ở nhiệt độ phòng, với thanh hoạt chất dài 3cm thì laser Nd: YAG có công suất là 360W còn laser Ruby cỡ 200W. - Hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby 75 lần nên laser Nd: YAG được sử dụng nhiều hơn laser Ruby. - Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học. Nhược điểm - So với các loại laser khác thì hiệu suất của Laser Nd: YAG vẫn chưa cao. - Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd: YAG không cao 3.5.2. Laser Yb: YAG 3.5.2.1. Khái niệm Laser Yb: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet được phủ nguyên tố hiếm Ytecbi để làm môi trường hoạt chất, nó phát bước sóng 1030 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. 3.5.2.2. Cấu tạo của Yb:YAG Yb: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Yb3+. Ytecbi là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, nó có số nguyên tử là 60, phân lớp 4f đã đầy và có 2 electron lớp ngoài cùng 6s2. Do đó cấu hình của ion Yb3+ sẽ thiếu một electron ở phân lớp 4f. Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình cubic. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước sóng từ 800 nm đến 1400 nm. 3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG a) Môi trường hoạt chất Môi trường hoạt chất của laser Yb: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi ion Yb3+. Y3Al5O12 đóng vai trò là chất nền, ion Yb3+ 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 Yb3+. Nồng độ ion Yb3+ pha vào chiếm khoảng 6.5%, rất lớn so với laser rắn khác sử dụng chất nền là YAG. Số ion Yb3+ trên một đơn vị khối lượng: 8.97 × 1020/cm3. Nồng độ ion Yb3+ rất lớn nên ta không thể bỏ qua tương tác giữa các ion Yb3+, vậy các ion Yb3+ ngoài tương tác với nhau chúng còn chịu tác dụng của trường tinh thể chất nền. b) Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Yb: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học. Laser Yb: YAG có phổ phát xạ laser rộng nên nó được ứng dụng để tạo ra xung laser cực ngắn, lúc đó buồng cộng hưởng được cải biên theo yêu cầu đặt ra. c) Nguồn bơm Laser Yb: YAG hoạt động ở sơ đồ 3 mức năng lượng. Để laser này hoạt động thì cần bơm ở hai bước sóng 968 nm và 941 nm. Vạch 941 nm thường được ưu tiên để bơm bằng diode vì nó có cường độ lớn. Dùng laser GaAs hoặc laser InGaAs để bơm dọc tại bước sóng 943 nm rất tốt, cũng có thể bơm bằng laser Ti: Sapphire. Hiệu suất quang rất cao gần 60% do hiệu suất bơm lượng tử cao: Với , lần lượt là bước sóng bơm và bước sóng hấp thụ, nq là hiệu suất bơm lượng tử. 3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG Hình 51 mô tả đơn giản sơ đồ các mức năng lượng của laser Yb: YAG. Ion Yb3+ không những tương tác với các ion khác mà còn chịu tác động của trường tinh thể. Để đơn giản ta xem ba mức năng lượng của ion Yb3+ gồm có: Mức 1 là mức cơ bản Mức 2 hay còn gọi là mức laser dưới, thời gian sống ở đây rất bé. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F7/2 là mức chính vì ion nhảy từ năng lượng kích thích chủ yếu về mức này. Hình 51: Sơ đồ các mức năng lượng của laser Laser Yb: YAG: YAG Mức 3 là mức siêu bền hay là mức laser trên. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F5/2 là mức chính vì ion khi hấp thụ thì ưu tiên nhảy lên mức này. Thời gian sống của ion Yb3+ ở đây cỡ 1,16ms, chứng tỏ mức này có khả năng tích trữ tốt. Cơ chế hoạt động của laser Yb: YAG có thể mô tả như sau : ion ở mức cơ bản hấp thụ hai bước sóng bơm 968 nm và 941 nm và dịch chuyển lên mức 3, do thời gian sống ở mức 3 cao hơn mức 2 nên xảy ra sự nghịch đảo mật độ giữa hai mức này. Sau đó ion nhảy về mức 2 với số lượng lớn (tức khuếch đại) và phát ra laser. Tuy phát ra nhiều bước sóng (do ở mức 2 và 3 có các mức con) nhưng có một bước sóng phát ra với cường độ lớn nhất đó là bước sóng 1.03 tại nhiệt độ phòng. Độ rộng phổ phát xạ khoảng 86 cm-1, rất rộng. Bước sóng phát ra thay đổi do nhiệt độ. Độ rộng phổ phát xạ lớn nên có thể sử dụng laser Yb: YAG để tạo ra laser xung cực ngắn (có thể dưới cả pico giây) bằng phương pháp điều biến độ phẩm chất và phương pháp khóa mode. Công suất phát của laser khoảng 50W. 3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG Ưu điểm So với Laser Nd: YAG thì laser Yb: YAG có những tính chất tốt hơn như sau: Khuyết tật lượng tử rất thấp , do đó sự nóng lên của thanh hoạt chất chậm hơn thanh hoạt chất của laser Nd: YAG nên mất mát trong quá trình phát ít hơn. Thời gian sống của trạng thái siêu bền lâu nên Yb: YAG là môi trường tốt cho việc biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng. Mức pha tạp cao 6,5% nên tương tác giữa ion và ion làm mất phổ huỳnh quang. Bề rộng phổ phát xạ laser khoảng 86 cm-1, thích hợp cho việc điều khiển tạo ra xung laser với việc khóa mode, có thể tạo xung dưới ps. Phát xạ cưỡng bức yếu cho phép năng lượng cao được tích trữ trước khi giải phóng. Nhược điểm Hạn chế của laser Yb: YAG là ngưỡng bơm cao do hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Phát xạ kích thích yếu. 3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác Cũng giống như Neodymi các nguyên tố đất hiếm như: Dyprozi (Dy3+), Samari (Sm2+), Erbium (Er2+), Holmi (Ho3+), Praseodym (Pr3+) cũng được sử dụng làm hoạt chất cho laser. Các ion đất hiếm này được pha vào chất nền như: CaF2, YAG, CaWO4... Nghịch đảo nồng độ ion đất hiếm được thực hiện theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên ngưỡng bơm khá nhỏ. Bảng 3 sau trình bày bước sóng và sự dịch chuyển công tác của một số laser dùng nguyên tố đất hiếm làm hoạt chất. Nguyên tố đất hiếm Kí hiệu ion Dịch chuyển công tác Bước sóng () Dysprosi Dy3+ 2,36 Samari Sm3+ 0,7 Erbium Er2+ 1,61 Holmi Ho3+ 2,05 Praseodym Pr3+ 1,05 Bảng 3: Đặc tính dịch chuyển công tác của một số ion đất hiếm. Phổ hấp thụ của hoạt chất gồm nhiều dải và không rộng lắm. Các laser này phát ra bước sóng trong vùng hồng ngoại. Nó có thể hoạt động ở chế độ xung hoặc liên tục tùy vào tần số bơm. Hiệu suất của các laser này rất thấp, chỉ khoảng vài phần nghìn. Ở chế độ liên tục thì thanh hoạt chất có kích thước nhỏ, công suất bơm ngưỡng khoảng 1kW. Để nâng cao hiệu suất bơm và giảm công suất bơm ngưỡng người ta cho thêm vào chất nền ion Cr3+ vì những ion này sẽ mở rộng dải phổ hấp thụ của các nguyên tố đất hiếm. Việc làm này chỉ có hiệu quả tốt nhất khi phát ở chế độ liên tục. 3.6. Laser Tm:Ho: YAG Thông thường laser rắn gồm một chất nền và một tạp chất pha vào làm hoạt chất phát laser. Để thay đổi hoạt động của laser này thì ta có thể thay thế các hoạt chất khác nhau hoặc có thể thay thế chất nền. Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng chỉ pha vào chất nền một hoạt chất mà có thể pha vào nhiều chất làm hoạt chất, laser Tm:Ho:YAG là một ví dụ. Với laser này người ta pha thêm vào chất nền 2 chất làm tâm phát laser đó là Tm và Ho. Ngoài ra tinh thể YAG có một số ion Al3+ được thay thế bởi ion Cr3+. Khi pha tạp tâm hoạt chất vào thì cả hai ion Tm3+ và Ho3+ chiếm vị trí của Y3+ trong mạng tinh thể. Đặc trưng nồng độ của Tm rất cao từ 4- 10 %, trong khi đó nồng độ của ion Ho nhỏ. Nồng độ ion Tm3+ khoảng 8.1020ion/cm3, của ion Ho3+ khoảng 0,5.1020ion/cm3. Quá trình phát laser được mô tả như hình 52 Với loại laser này, tùy vào quá trình bơm laser sẽ hoạt động khác nhau: Khi bơm bằng đèn chớp, Cr3+ nhận được năng lượng bơm thì nó dịch chuyển của ion Cr3+ từ và , sau đó ưu tiên dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3F4 của ion Tm3+ do tương tác giữa các ion với nhau. Khi bơm liên tục bởi đèn diode, mức 3F4 của ion Tm3+ được bơm trực tiếp bởi laser bán dẫn AlGaAs tại bước sóng 785 nm, khi đó việc pha tạp ion Cr3+ không cần thiết. Hình 52: Sơ đồ các mức năng lượng của Cr:Tm:Ho:YAG Khi bơm cả đèn chớp và đèn diode, do quá trình hồi phục với các ion bên cạnh thì mức kích thích 3F4 của ion Tm3+ dịch chuyển dưới dạng . Quá trình biến đổi này làm cho một ion Tm bị kích thích ở trạng thái 3F4 thành 2 ion bị kích thích, các ion này ở trạng thái 3H4 bên cạnh. Khi nồng độ của Tm cao thì quá trình hồi phục này chiếm ưu thế hơn, quá trình bức xạ về trạng thái 3F4 giảm, do tổng hiệu suất lượng tử gần như cố định trong không gian cư trú của các ion Tm bịch kích thích, do tương tác giữa các ion với nhau, nên xuất hiện mức năng lượng kích thích giữa hai ion Tm va Ho rất gần nhau. Hạt dịch chuyển đến mức 5I7 của Ho sau đó ion Ho3+ phát ra laser khi chuyển từ . Thực tế laser xuất hiện giữa các mức con nhỏ nhất của 5I7 (mức này có hiệu năng lượng với mức cơ bản là gần 462 cm-1) với mức 8I5 phát ra bước sóng 2,08. Khi không pha tạp Ho, thì trong tinh thể có sự dịch chuyển của Tm từ phát ra bước sóng 2,02. Khi bơm bằng đèn chớp, môi trường hoạt chất là một thanh có kích thước giống như của thanh Er: YAG và Nd: YAG (với đường kính là 6mm thì thanh có chiều dài 7,5mm). Các thông số đặc thù của laser này là: phát với năng lượng 1J trong một khoảng thời gian xung là 200, hiệu suất 4%, áp suất dưới 10Hz. Khi bơm bằng diode, người ta thường bơm dọc làm cho ion Tm3+ hấp thụ mạnh bước sóng bơm. Môi trường hoạt chất phải được làm lạnh ở nhiệt độ thấp trong khoảng -100C đến -400C để làm giảm bớt mật độ cư trú của mức laser dưới. Laser này có nhiều ứng dụng thú vị trong lĩnh vực sinh học, vì các lớp mô hấp thụ mạnh quanh bước sóng 2. 3.7. Ứng dụng của Laser rắn Vào thời điểm được phát minh năm 1960, và đến nay laser trở nên phổ biến. Laser được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y tế, công nghiệp, hàng không, quân sự, hàng hải,... và mang lại cho con người nhiều lợi ích quá sức tưởng tượng. Đối với mỗi loại laser có công suất khác thì nó được ứng dụng khác nhau. Laser rắn vừa có công suất thấp vừa có công suất cao nên nó được ứng dụng rất rộng rãi. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, … 3.7.1 Gia công vật liệu Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng, có cường độ lớn và tập trung vào một điểm. Người ta thường dùng các laser rắn sau để gia công vật liệu: laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm. Cơ chế bóc vật liệu Cơ chế bóc vật liệu khi gia công bằng tia laser được trình bày ở hình bên. Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi Hình 53: Cơ chế bóc vật liệu tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu. Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết. Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu. Hình 54: Cắt kim loại Cắt và khắc kim loại Hình 55: Sơ đồ nguyên lý cắt Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ. Đây điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser. Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân tần, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt trên một centimet vuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. Người ta sử dụng Laser Nd:YAG. Ưu điểm của laser này là: Thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ. Cắt tốt các vật liệu có hệ số phản xạ cao, như hợp kim của đồng hay hợp kim của bạc. Nếu sử dụng sợi cáp quang thì sẽ di chuyển mũi cắt một cách dễ dàng. Nhược điểm là không thể cắt các vật liệu là hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh. Công suất nhỏ. Các phương pháp cắt: Phương pháp đột biến về nhiệt. Cắt bằng khoan: thường dùng cắt các vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh… Phương pháp đốt nóng chảy và thổi. Phương pháp bay hơi. Phương pháp cắt nguội Hình 56: Khắc kim loại Ưu điểm cắt bằng laser: Cắt được hầu hết các loại vật liệu, cả các vật liệu có từ tính cũng như không có từ tính. Rãnh cắt sắc cạnh, có độ chính xác cao. Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ. Không biến dạng cơ học và biến dạng nhiệt ít. Tốc độ cắt nhanh. Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao năng suất. Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bởi bụi. Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất của nguồn laser). Tương tự như cắt người ta còn sử dụng laser để khắc lên kim loại. Khắc bằng laser cho phép độ chính xác, tinh vi cao hơn dùng phương pháp khác. Khoan bằng laser Hình 57: Nguyên lý máy khoan laser Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: - Đầu phát laser. - Bộ phận cung cấp điện và điều khiển. - Bộ phận gá đặt chi tiết gia công Loại laser rắn thường dùng để khoan là tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh, …) Để khoan được cần có bộ hội tụ tia, bộ lọc, cơ cấu tập trung chùm laser, vòi phun: Bộ hội tụ tia: nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ. Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Hình 58: Vòi phun khi cắt Cơ cấu tập trung chùm laser: Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Các biện pháp thường dùng hiện nay là: Dùng thấu kính hội tụ, và dùng hệ thống chiếu ảnh. Hình 59: Hình dạng lỗ khoan Vòi phun khi cắt: Khi cắt, người ta cho vào một luồng khí để hỗ trợ tia laser trong quá trình gia công. Khi cắt bằng tia laser, dòng khí tạo một lực cơ học để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng cắt gọt và làm lạnh bởi dòng đối lưu. Lớp nóng chảy không được bóc ra một cách hiệu quả có thể dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút. Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và sâu trên kim loại, ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery và urani, hợp kim các vật liệu phi kim loại... Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị côn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế. Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet. Để khoan những lỗ nhỏ phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cơ khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 - 5 micromet. Chiều sâu lỗ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian và số lần phát xung. Hình 60: Hàn kim loại Hàn kim loại Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc nhau để kết dính với nhau. Hàn bằng tia laser được áp dụng phổ biến trong công nghệ chế tạo vi mạch. Nhờ phương pháp này có thể nối các đầu nối với tấm mạch in. Hàn bằng tia laser còn được áp dụng trong công nghệ làm kín vỏ trong các mạch tích hợp. Phương pháp này cũng có thể nối các kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại. Người ta thường sử dụng Laser Nd: YAG để hàn. Mỗi loại vật liệu có khả năng hàn bằng tia laser khác nhau. Sự chuyển năng lượng laser được chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua một sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng và khi năng lượng đó không còn nữa, kim loại trở về trạng thái rắn. Quá trình hàn chảy kim loại này được dùng để tạo ra mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục. Chiều sâu ngấu khi hàn bằng tia laser khá nhỏ vì nó phụ thuôc vào tốc độ truyền nhiệt từ năng lượng trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên đối với hàn laser năng lượng cao thì chùm tia tạo một lỗ trên vật liệu và năng lượng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt được chiều sâu ngấu