(SKKN 2022) Cấu tạo của Laser

PHẦN I MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Trong thập kỷ gần việc nghiên cứu ứng dung LASER có bước phát triển ngoạn mục, đánh dấu vô số thành tựu kỳ diệu LASER tỏa sáng nhiều ngành khoa học cơng nghệ, mà cịn thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho cộng đồng Với khả tạo chùm ánh sáng có tính chất đặc biệt – tính kết hợp cao, tính đơn sắc, tính định hướng, mật độ công suất cao, thay đổi bước sóng – với hiệu ứng quang phi tuyến, LASER tạo điều kiện để nghiên cứu hàng loạt tượng khác thường tự nhiên Các thành tựu LASER ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, hàng khơng, xây dựng, đóng tàu, viễn thơng đặc biệt biệt y học Trong chương trình THPT giới thiệu sơ lược LASER, cấu tạo số ứng dụng LASER đời sống, khoa học cơng nghệ, với mục đích nhằm giúp học sinh nắm bắt rõ nguyên lý hoạt động LASER ứng dụng đời sống khoa học Vì với mục đích giúp học sinh tiếp thu hiểu biết thêm “ LASER” cách tốt nhất, Năm học 2015-2016 chọn trình bày để tài nghiên cứu “ Nguyên lý hoạt động LASER” Với mục đích tiếp tục hỗ trợ học sinh tìm hiểu thêm LASER Lần chọn đề tài nghiên cứu " CẤU TẠO CỦA LASER" trình bày nguyên lý cấu tạo, giới thiệu số nét mang tính đặc trưng cấu tạo số laser như: Một số loại hoạt chất cấu trúc nó, loại nguồn bơm: bơm dịng điện, bơm quang học không kết hợp, quang học kết hợp, cấu tạo đầu laser, yếu tố phụ cấu thành thiết bị laser Đề tài giúp cho người đọc, học sinh người bắt đầu tìm hiểu nghiên cứu LASER, nhanh chóng nắm bắt kiến thức bản, tiếp cận kiến thức bản, tiếp cận thành tựu đại lĩnh vực khoa học đầy hấp dẫn Trên tinh thần tơi hy vọng với đề tài " CẤU TẠO CỦA LASER" mang lại cho học sinh bạn đọc nhiều bổ ích thú vị Mục đích nghiên cứu: Đề tài nêu giải số vấn đề sau : 2.1 Cơ sở lý luận liên quan đến đề tài : 2.2 Cơ sở thực tế việc giảng dạy mơn vật lí TTGDNN-GDTX Nghi Sơn 2.3 Nghiên cứu cấu tạo “Laser” 2.4 Kết đạt Đối tượng phạm vi nghiên cứu : 3.1 Đối tượng nghiên cứu : Cấu tạo laser 3.2 Phạm vi nghiên cứu : Học sinh THPH TTGDTX Phương pháp nghiên cứu : Trong trình nghiên cứu sử dụng số phương pháp sau : - Phương pháp nghiên cứu xây dung sở lý thuyết - Phương pháp thu thập thông tin - Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh - Phương pháp vật lý PHẦN II NỘI DUNG Cơ sở lý luận vấn đề nghiên cứu : Ngày nghiên cứu ứng dụng Laser nhánh thiếu sở khoa học, kỹ thuật công nghệ tiên tiến giới Laser thâm nhập vào nhiều lĩnh vực sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc nguồn cảm hứng cho cộng đồng Các thành tựu ngoạn mục Laser ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp, nơng nghiệp, quốc phịng, xây dựng, viễn thông, đặc biệt y học Đối với học sinh THPT giai đồn bắt đầu tìm hiểu nghiên cứu ưng dụng kĩ thuất đời sống, cung vận dụng hiểu biết sống thực tại, vận dụng tìm hiểu sâu rộng kĩ thuật cung nguyên lý hoạt động laser lĩnh vực học tập công tác nghành nghề liên quan Đề tài " CẤU TẠO CỦA LASER" nhằm đáp ứng nhu cầu tìm hiểu laser kỹ thuật, giảng dạy, nghiên cứu ứng dụng laser, đồng thời giúp học sinh bạn đọc khác bước đầu tìm hiểu laser Cơ sở thực tế việc dạy học môn vật lý TTGDN- GDTX Nghi Sơn 2.1 Đặc điểm tình hình nhà trường : - Trường TTGDNN - GDTX Nghi Sơn có sở vật chất phục vụ cho việc giảng dạy chưa thực tốt, thiếu phòng thực hành kiên cố, đồ dùng dạy học hạn chế - Đội ngũ giảng dạy mơn vật lý trường có giáo viên - Học TTGDNN - GDTX Nghi Sơn đa phần em ngoan chịu khó học tập, em có đầy đủ sách giáo khoa, sách tập - Đầu vào học sinh TTGDNN - GDTX Nghi Sơn thiếu đồng đều, Phần lớn vừa theo học chương trình THPT vừa học nghề 2.2 Thực trạng việc dạy học môn vật lý TTGDNN - GDTX Nghi Sơn Trong trình giảng dạy môn vật lý giáo viên thường sử dụng tài liệu có sẵn, mà chủ yếu sách giáo khoa, it có tài liệu tham khảo, với mục đích giúp học sinh tìm hiểu sâu rồng nội dung học, sử dụng thiết bị dạy học không đa dạng, thiểu tài liệu tham khảo 3 CẤU TẠO CỦA LASER: 3.1 Cấu tạo chung Sau nghiên cứu nguyên lý hoạt động laser, thấy laser cụ thể (xem hình 2.1) có cấu tạo bao gồm thành phần bắt buộc sau: hoạt chất (1) môi trường khuếch đại gồm nhiều nguyên tử phân tử có cấu trúc lượng cho tìm ba mức lượng (hoặc bốn mức lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú; nguồn bơm (2) nguồn lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) luôn trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ lượng bơm); buồng cộng hưởng (3) phận bảo đảm trình phản hồi ngược quang học dương, gồm hai gương quang học có hệ số phản xạ định đặt đối diện với 7 Hình 2.1.Sơ đồ cấu tạo tối thiểu laser 1- hoạt chất; 2- đèn bơm; 3- buồng cộng hưởng (hai gương); 4- hộp phản xạ; 5- diafragma; 6- tia laser; 7- chất làm lạnh; Ngồi ba yếu tố đó, cấu tạo laser cịn có thêm số chi tiết khác nhằm nâng caotính chất ưu việt chùm tia laser như: hộp phản xạ (4) tập trung lượng bơm vào hoạt chất (dùng trường hợp bơm quang học), diaphragm (5) lọc mode ngang, tập trung lượng buồng cộng hưởng cho mode ; chất làm lạnh (7) giảm nhiệt độ hoạt chất nhằm mục đích nâng cao độ ổn định laser Bây nghiên cứu cụ thể tác dụng, cấu tạo, tính chất cần có chi tiết cấu tạo laser Tất chi tiết trình bày sơ đồ cấu tạo giới thiệu sau 3.2 Hoạt chất Như nói chương1, môi trường khuếch đại sử dụng để phát laser gọi hoạt chất laser phải tuân thủ chế bơm ba mức bốn mức Ngoài tần số chuyển dịch phát tín hiệu phải nằm vùng quang học Sau nghiên cứu số hoạt chất 3.2.1 Hoạt chất cho Laser Rubi Môi trường hoạt chất cho laser Rubi đá Hồng Ngọc, tinh thể Saphie có cấy thêm 0,05% ion Chrom Cr3+ (Al2O3: Cr3+- 1,6.1019 ion/cm3) Sơ đồ cấu trúc lượng rút gọn trình bày hình 2.2 EV 3_ 2_ F1 F2 Bơm 1_ E 694,3 nm R1 692,9 nm R2 0_ A2 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc lượng Rubi Cao mức 4A2 hai băng mức lượng kích thích, ký hiệu 4F1 F2 Đây hai mức lượng kích thích tâm hoạt-ion Chrom Khi chiếu (bơm) ánh sáng màu xanh (có bước sóng 410 nm) ánh sáng vàng-lục (550 nm) tâm hoạt chuyển từ mức lên hai mức Mỗi trạng thái băng mức lượng thời gian sống chúng ngắn λ,nm 695_ 694_ 693_ R1 R2 200 300 400 ToK Hình 2.3 Thay đổi bước sóng theo nhiệt độ hoạt chất Các tâm hoạt (Cr3+) nhanh chóng chuyển từ hai trạng thái trạng thái siêu bền 2E (là mức suy biến thành hai mức 2Â ầ cách khoảng 0,003 µm-1) Hai mức đóng vai trò mức laser Khi chuyển từ mức kích thích mức laser tâm hoạt trao phần lượng cho mạng tinh thể (tạo dao động nội-làm cho hoạt chất nóng lên) Mức laser mức 4A2 Phổ phát xạ hoạt chất Rubi quan sát hai vạch: 692,9nm 694,3nm ứng với chuyển từ hai mức laser xuống mức laser Bước sóng trình bày hình 2.2 xác định nhiệt độ 300oK Khi giảm nhiệt độ hai mức laser sát lại gần hơn, bước sóng phát ngắn ( hình 2.3) Để trở thành hoạt chất laser, tinh thể Al2O3: Cr3+ nuôi cấy công nghệ đại, tạo thành hoạt chất có độ phẩm chất cao: độ đồng quang học cao (phân bố tâm hoạt tinh thể đều, chiết suất đều), chịu nhiệt ( chịu đốt nóng lượng bơm dao động nội gây nên) có tỉ lệ pha cấy Cr 3+ tối ưu (nhằm mục đích tăng hiệu suất khuếch đại, giảm kích thước) Thơng thường hoạt chất hình trụ có đường kính từ 5÷ 10 mm chiều dài 5÷ 10 cm (xem hình 2.4) Hai mặt bên cắt song song với (tránh trình phản xạ lệch hướng trục quang học-trục tinh thể) đánh bóng (tránh tượng tán xạ mặt hoạt chất) Trong nhiều trường hợp hai mặt cắt nghiêng góc Brusto so với trục hoạt chất nhằm giảm mát với chùm tia phân cực chọn lọc Ngoài hai mặt cịn phủ lớp điện mơi khử phản xạ, tránh trình tạo buồng cộng hưởng phụ (truyền qua 100% xạ bước sóng 694,3 nm) đưa vào buồng cộng hưởng laser Nhiều trường hợp phun phản xạ lên hai mặt để chúng trở thành buồng cộng hưởng Mặt xung quanh mài trơn đánh bóng, nhằm mục đích để ánh sáng bơm chiếu vào đồng tồn tinh thể, khơng gây hiệu ứng nhiệt cục làm hỏng hoạt chất Có hiệu suất bơm đạt cao Hình 2.4 Mẫu hoạt chất laser rắn Rubi Như nói hoạt chất Ruby có mức lượng theo chế bơm ba mức Laser vơí hoạt chất loại cần lượng bơm lớn thời gian bơm lớn Điều dẫn đến chế độ làm việc tần số thấp ( giới hạn tần số 0,3 Hz- ba giây lần phát) Nhằm thay hoạt chất loại nhà khoa học công nghệ nghiên cứu hoạt chất tốt giới 3.2.2 Hoạt chất laser Neodym Laser Thuỷ tinh Neodym chế tạo Mỹ Thành phần hoá học tạo nên thuỷ tinh quang học sau: 59% SiO 2, 25% BaO, 15% K2O, 1% Sb2O3, với 1-2% Nd2O3 Khối lượng riêng thủy tinh cỡ 3g/ cm chiết suất n= 1,54 Thuỷ tinh hoạt hoá (thuỷ tinh cấy thêm Nd 3+) hấp thụ mạnh vùng 0,58 µm Tuy nhiên hiệu suất laser khơng lớn tinh thể bé với đường kính vài chục µm Một laser quan trọng năm gần đây, hoạt động chế độ xung liên tục laser tinh thể Yttrium-Aluminum-Granat cấy thêm 1-2 % ion Neodym, viết tắt Nd: YAG (Y3Al2(AlO4)3: Nd3+) Ngay từ năm 1964 laser chế tạo nhóm khoa học Geusic đạo Vào năm 1969, phịng thí nghiệm Korad Mỹ chế tạo thành công laser Nd: YAG làm việc chế độ liên tục với công suất 200W Hiện laser làm việc chế độ xung đưa cơng suất lên hàng ngàn MW Laser Nd: YAG có đặc trưng ưu việt nhờ hoạt chất cấy ion Neodym, có mức lượng vùng ánh sáng tạo thành hệ lượng tử mức Hoạt chất có ngưỡng bơm thấp, độ dẫn nhiệt cao Hiệu suất phát cao (cỡ vài phần trăm) 1/λ µm-1 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 S3/2 ,4F7/2 (A) H9/2, 4F5/2 (B) 4 F3/2 (C) 1,064 1,061µm I15/2 I13/2 I11/2 I9/2 Hình 2.5 Sơ đồ dịch chuyển ion Neodym vùng quang học Các dịch chuyển Neodym YAG trình bày hình 2.5 Các dịch chuyển hình thành bao gồm nhiều mức lượng nguyên tử trình bày băng Mỗi băng (mỗi mức lượng) có mối liên hệ với nhóm siêu mức xuất tách mức lượng điện trường mạng tinh thể (hiệu ứng tách vạch Stark) Khi bơm (nhận lượng quang từ ngoài) ion Neodym chuyển từ trạng thái gắn với mức lượng 4I9/2 lên ba nhóm mức lượng A, B C Nhóm A gồm mức lượng 4F7/2 4S3/2; nhóm B gồm mức lượng 4F5/2 2H9/2 nhóm C mức 4F3/2 Ba băng ba băng hấp thụ Neodym tinh thể YAG Từ băng A, B ion Neodym (Nd3+) thực chuyển dịch không xạ xuống băng C Mức lượng 4F3/2 gọi mức laser Cần ý chuyển dịch F-I bị cấm gần lưỡng cực, số lượng tử quỹ đạo ion Neodym thay đổi đơn vị chuyển dịch Do trạng thái gắn với F gọi trạng thái siêu bền với thời gian sống đạt tới 240 µs Khi bị lượng (truyền lượng cho mạng tinh thể) ion Neodym nhảy từ mức laser xuống mức lượng 4I11/2, 4I13/2, 4I15/2 với hiệu suất lượng tử (tỉ số số nguyên tử bị kích thích số nguyên tử chuyển xuống mức dưới) gần 100% Trong ba mức lượng mức 4I11/2 gần mức có hiệu lượng gần 2000 cm -1 Giá trị tích kT điều kiện nhiệt độ phòng 4,14.10-14 erg 4 S3/2 F7/2 H9/2, F5/2 A 0,7 B 0,8 F3/2 C 0,9 λ, µm Hình 2.6 Phổ hấp thụ Nd: YAG Sử dụng phương trình 1/λ = ∆E/hc tính lượng từ đơn vị cm-1 sang đơn vị erg cm-1 ≈ 1,987.10-16 erg Hiệu lượng 2000 cm-1 3,974 10-13 erg Do [E1 (4I11/2) – E0 (4I9/2)]/kT = 3,974.10 –13/ 4,4.10-14≈ (2.1) Sử dụng phân bố Bolzmann ta có N1 = e −( E1 − E0 ) / kT ≈ 1,3.10 − N0 (2.2) Điều có nghĩa trạng thái nhiệt độ phòng mức lượng 4I11/2 trống rỗng Phần lớn (60%) nguyên tử từ trạng thái laser chuyển xuống mức I11/2 Mức gọi mức laser Như vùng sóng quang học mức lượng ion Neodym tinh thể YAG tạo thành hệ lượng mức Với cấu trúc mức lượng trên, ion Neodym có phổ hấp thụ hình 2.6 1,04 1,08 1,12 λ µm Hình 2.7 Phổ phát xạ Nd:YAG Băng hấp thụ A nằm vùng lân cận 0,75 µm, băng B nằm vùng lân cận 0,8 µm băng C nằm vùng lân cận 0,9µm Tất ba vùng thuộc vùng nhìn thấy hồng ngoại gần Với ba băng hấp thụ đèn Crypton laser bán dẫn nguồn bơm thích hợp Từ trạng thái laser ion Neodym nhảy xuống mức thấp 4I19/2, 4I11/2, I13/2 4I15/2 phát xạ sóng ánh sáng có phổ hình 2.7 Phổ phát xạ bao gồm vạch (rộng) Hai vạch mạnh ứng với bước sóng 1,0615 1,0642 µm Bước sóng 18 vạch (hẹp) phát xạ, tính tất chuyển dịch trình bày bảng 2.1 Các giá trị xác định nhiệt độ 300 oK Như vậy, có tới 18 vạch phát xạ, mạnh vạch bước sóng gần 1,06µm Do laser Nd: YAG phát vùng 1,06 µm đặc trưng Khi nói đến laser Nd: YAG nói đến laser phát xạ bước sóng 1,06 µm 10 Bơm quang học sử dụng phương pháp kết hợp không kết hợp Đối với bơm không kết hợp, sử dụng nguồn ánh sáng không kết hợp đèn chớp phóng khí (FLASH),v,v Đối với phương pháp bơm kết hợp, sử dụng chùm tia laser khác Bơm quang học đặc trưng khả hấp thụ lọc lựa hoạt chất Do sử dụng bơm quang học, tập trung kích thích nhóm mức cụ thể, chí mức kích thích đơn Bơm quang học khơng kết hợp hiệu suất không cao, lượng bơm sủ dụng không hết Để khắc phục nhược điểm tốt sử dụng bơm kết hợp Bơm kết hợp có khả truyền lượng cho hai mức kích thích phổ hấp thụ tâm hoạt Do sử dụng nguồn ánh sáng kết hợp (laser) có phổ phát xạ trùng với phổ hấp thụ hoạt chất Để nâng cao tính chọn lọc q trình kích thích khơng kết hợp, cần ý bơm quang học xẩy dịch chuyển quang học cho phép Đối với laser rắn, từ đời đến bơm quang học không kết hợp sử dụng rộng rãi Các loại đèn phóng khí như: đèn thuỷ ngân áp suất siêu cao, đèn Crypton, đèn Xenon sử dụng thông dụng cho laser rắn A Đèn phóng khí (nguồn ánh sáng không kết hợp): Trong phương pháp bơm cho laser rắn khác bơm đèn phóng khí thơng dụng Đèn flash có hiệu suất biến đổi lượng điện thành lượng quang lớn Năng lượng bị hấp thụ vỏ thạch anh để đốt nóng vỏ vùng bước sóng nhỏ 180 nm lớn 3500 nm không 25 % lượng có đèn Laser hoạt động chế độ xung bơm đèn xung Đèn xung ứng dụng rộng rãi đèn khí Xenon, phát sáng mật độ xạ cao cần đến điện áp ion hoá thấp khối lượng riêng lớn so với tất loại đèn khí khác Dây kim loại molipden sử dụng làm cực dẫn điện (Catốt Anốt đèn) Dây hàn với chân thạch anh đèn chân khơng Vì kim loại có điện trở lớn, nên phần lượng đèn bị tán xạ điện trở gây nên nóng chảy cục bộ, làm cho bình khí khơng cịn ngun vẹn làm đất mạch điện Nếu đèn xung có cấu trúc ống chụp, hai đầu ống thạch anh gắn với ống chụp kim 14 loại (xem hình 2.10) Nhờ ống chụp đồng thời đóng vai trị tiếp xúc ngồi, cực dẫn dòng tải điện cực làm việc Điện trở ống chụp nhỏ Tuy nhiên độ bền nhiệt liên kết ống chụp thạch anh phụ thuộc vào chất kết dính ống chụp thành ống thạch anh Bởi đèn làm việc chế độ phát sáng xung lặp lại nhiều lần đèn hồ quang phát liên tục nhiệt độ đạt tới 150 oC, mối liên kết ống chụp thạch anh trở thành điểm yếu đáng quan tâm đèn Ống thạch anh Khí Xe Ống chụp - Điện cực Hình 2.10 Cấu tạo đèn bơm Đèn xung có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, dạng xoắn ốc, dạng đồng trục, dạng ống trụ, dạng gấp khúc Để làm nguồn bơm cho laser thơng dụng đèn dạng ống trụ Công suất phát [ tương đối] 2,0 1,5 Crypton Cxenon 1,0 0,5 Volfram 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 [kW] Hình.2.11 Hiệu suất bơm quang học cho Laser Nd:YAG sử dụng ba đèn khác 15 Các đèn thường sử dụng có chiều dài khoảng cách hai cực từ 40cm đến vài mét với đường kính ống từ đến 30 mm Áp suất tối ưu đèn Xenon phát xung thay đổi khoảng từ 300 đến 600 mmHg Mặc dù hiệu suất đèn xung lớn, song khoảng 25% lượng quang ứng với vạch hấp thụ hoạt chất laser có ích Đối với laser hoạt động chế độ liên tục cần sử dụng đèn hồ quang liên tục Do laser liên tục sử dụng hoạt chất với ngưỡng phát thấp, nên cường độ xạ đèn hồ quang cần thấp đèn xung khác Với cường độ thấp mật độ dịng mật độ plazma ion hố giảm xuống, dó bảo đảm tính suốt áp suất cao khí trơ trục dương đèn Hiện tượng hấp thụ xạ riêng (bức xạ “đen”) plazma luôn gắn với phóng điện mạnh đèn xung, không xẩy đèn hồ quang Điều dẫn đến việc sử dụng đèn hồ quang cho laser liên tục tần số lặp cao cần chọn đèn chứa khí trơ mà phổ phát xạ trùng với phổ hấp thụ hoạt chất Theo quan điểm sử dụng đèn khí Crypton áp suất cao bơm cho laser Nd: YAG Tuy nhiên sử dụng đèn khí Xenon áp suất cao (cỡ atm nhiệt độ phòng) đèn thuỷ ngân với áp suất cực cao (hàng trăm atm chế độ làm việc) Cường độ phát laser Nd: YAG bơm đèn Crypton cao hai lần so với bơm đèn Xenon loại đèn khác Đối với laser liên tục sử dụng đèn Crypton thích hợp nhất, muốn dùng cho laser xung phải nâng áp suất lên 700 mmHg Qua thí nghiệm thấy rằng, lượng tán xạ đèn Crypton khơng lớn 0,5.105w/cm3, cấp lượng cho hoạt chất Nd: YAG lớn đèn Xenon với áp suất tối ưu 1000mmHg Đồ thị sau (xem hình 2.11) cho ta thấy hiệu suất bơm đèn khí khác nhau: Tham số điện đèn điện áp làm việc nguồn Điện áp phải thấp điện áp mồi Um phải cao điện áp đánh thủng U Đối với số đèn có đường kính nhỏ cần thêm điện áp dập tắt q trình phóng điện U dt Với giá trị lượng sáng thấp, mà kênh phóng xung khơng kịp trải tồn tiết diện ngang đèn điện áp Udt xem Um Đối với nhiều đèn có ống phóng rộng, với lượng đủ 16 lớn để bảo đảm phóng điện tồn tiết diện nó, U dt