Cấu tạo, nguyên lý Laser ND

Để cải thiện công suất của buồng cộng hưởng người ta sử dụng chế độ điền biến nhiệt độ phẩm chất buồng cộng hưởng.. Trong thời gian xung bơm tác dụng nếu độ phẩm chất của buồng cộng hưởn

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 kích hoạt

(gain medium), nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần 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

1 Môi trường hoạt chất:

-Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet

12 5

3Al O

Y , trong đó một số ion Y được thay thế bởi ion 3 + Nd3+, Y3Al5O12

đóng vai trò là chất nền, ion Nd đóng vai trò là tâm hoạt chất phát laser 3 +

-Dùng Y3Al5O12 làm chất nền vì phổ huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng

đến 2% Thông thưởng người ta chế tạo thanh Nd: YAG có đường kính

khối lượng là 1,38.10^20/cm3

-Thanh Nd:YAG được chế tạo với nhiều hình dáng khác nhau: hình trụ tròn,

hình trụ chữ nhật, hoặc hình trụ chứ nhật một đầ đầu có cắt chop nhọn

2 Buồng cộng hưởng

Buồng cộng hưởng củalaser Nd:YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser

Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học

+ 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 1

phần (50%) ánh sáng truyền tới nó, vừa

cho một phần ánh sáng truyền qua

Buồng cộng hưởng này khó chỉnh sửa

Buồng cộng hưởng này gọi là buồng

cộng hưởng quang học hở (Fabri perot)

+ Dạng 2: Người ta màn nhẵn 2 đầu thanh Ruby và một đầu phủ bạc làm gương

phản xạ, một đầu phủ bscj 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 gốc

Để cải thiện công suất của buồng cộng hưởng người ta sử dụng chế độ điền biến

nhiệt độ phẩm chất buồng cộng hưởng Sử dụng được phương pháp này vì thời

gian sống của mức laser trên khá dài Người ta dung van điện – cơ, điện – quang,

tử- 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 co 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 lích thích chuyển nah xuống mức laser dưới,

hiệu độ tích lũy giảm rất nhanh và choc ho thoát ra một năng lượng phát lớn dưới

một xung có thời gian rất ngắn (10^-7 – 10^-9 s), đó là một xung cực lớn với công

suất rất cao (10-1000MW)

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 khoảng 500 Torr đến 1500 Torr,

với đèn Kryton thì áp suất đèn khoảng 4atm đến 6atm 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 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 (1-3kW)

Nguồn bơm thứ hai là dùng laser bán dẫn để bơm Nếu bơm dọc và bơm liên tục

thì dùng ở công suất trên 100W Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơn đèn

quang học, có thể hơn 10%

ĐÈN BƠM

CƠ CHẾ BƠM

1 Môi trường kích hoạt Tinh thể Nd:YAG

2 Hệ thống gương phản xạ đầu ra

3 Hệ thống gương phản xạ toàn phần

4 Nguồn kích thích ( nguồn bơm )

5 Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể

6 Hệ thống làm mát ( thường là nước )

7 Hệ thống phản xạ ánh sáng

8 Laser ra

CẤU TẠO MỘT LASER ND:YAG

1 Nguyên lý hoạt động

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của

+

3

Nd là 4f3 Hàm lượng ion Nd rất ít3+

trong tinh thể Yttrium Aluminium Garner

với nhau mà nó chỉ chịu tác dụng của

trường tinh thể Y3Al5O12, dưới tác dụng

sau:

Energy Level Diagram of Nd 3+ in Nd-YAG Laser

+ Mức 1: hay còn gọi là mức cơ bản ký

hiệu là 4I9/2, 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 ờ mức trên về 4I11/2 lớn

nhất và sự suy biến của các mức con

giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức

4I11/2 Mức 4I11/2 gần mức cơ bản nhất

và có hiệu mức năng lượng là 2000cm-1

Theo phân bố Bolzmann thì trong trạng

thái nhiệt độ phòng mức năng lượng

4I11/2 hầu như trống rỗng

+ Mức 3: là 4F3/2để tạo 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 11,414cm-1 Thời gian sống của hạt ở đây khoảng 5,5.10^-4 s

+ Mức 4: gồm hai dải rộng:

Hai trạng thái này không bền, thời gian sống ngắn lại rất gần với mức 3 nên hạt dẽ

dàng dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3

2 Sự hấp thụ

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 :

0,75µm

+ Vùng B : do các mức con ở 4F5/2, 2H9/2chuyển về nằm ở vùng lân cận 0,8um

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 độ cư trú thực hiện theo cơ chế

sau :

+ Nhờ vào quá trình bơm, ta sẽ bơm ở hai bước sóng chính là 730nm và

800nm 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 mức 4 nên hạt ở lại 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

230µs

+ Tiếp tục bơm thì hạt tập trung ở mức 3 nhiều hơn, khi các hạt này mất năng

lượng( tức truyền năng lượng cho mang 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 4F3/2về 4I11/2mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064um,

bước sóng này được sử dụng rất nhiều khi đưa laser Nd :YAG vào ứng dụng

cuộc sống

3 Sự phát xạ

ở 300 độ K 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 sau :

(µm)

Cường độ tương đối %

2

/

3

4F về 4I9/2

0,8910 0,8999 0,9385 0,9460

25

2

/

3

4F về 4I11/2

1,0521 1,0615 1,0624 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225

60

2

/

3

4F về 4I13/2

1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572

14

2

/

3

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

0,914 µm và 1,35 µm

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 buông cộng hưởng và khóa mode thì laser Nd :YAG có thể phát

ra xung laser ngắn

4 Công suất

- 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

- 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

IV ỨNG DỤNG

1 Gia công vật liệu

và tập trung vào một điểm Người ta thường dùng laser rắn Nd :YAG để gia công

vật liệu : cắt, khắc vật liệu, khoan, hàn kim loại…

đánh dấu một loạt các kim loại và nhựa Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản

xuất để cắt và hàn thép, chất bán dẫn và các hợp kim khác nhau Đối với các ứng

dụng ô tô (cắt và hàn thép) các cấp điện thường dùng là 1-5W Khoan hợp kim

(cho các bộ phận tua bin khí) thường sử dụng xung Nd :YAG laser được sử dụng

để đánh dấu dưới bề mặt chất liệu trong suốt như thủy tinh hoặc kính acrylic Laser

lên đến 400W được sử dụng cho việc làm tan chảy chọn lọc các kim loại trong sản

xuất phụ gia lớp

+ Vì những tính chất đắc biệt nên tia laser Nd :YAG được dùng làm dao ổ ‘‘không

chảy máu ’’, an toàn và đa năng, đặc biệt hữu hiệu trong mổ nội soi

+ Laser Nd :YAG còn được sùng để điều trị mạch máu xanh và đỏ ở mức năng

lượng cao

+ Laser Nd :YAG đặc biệt được sủ dụng trong điều trị mạch máu chân ở tất cả các

loại da

+ Dùng quang đông mạch (trong ngoại khoa da liễu) Điều trị các tổn thương mạch

máu, các tổn thương sắc tố da

Tia laser rắn Nd :YAG còn được dung làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến Được

chia làm 2 loại :

+ Vũ khí laser công suất thấp làm lóa mắt đối phương

+ Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm

trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc hóa khí Chùm

tia laser mạnh có thể phá hủy đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy

bay, gây nổ đạn đạo

Ngoài ra, laser còn được lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ

tinh đối phương

V ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM

1 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

lượng

Nd :YAG được sử dụng nhiều hơn laser Ruby

bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học

không cao

Hệ laser Nd (Shiva laser – 20 chùm)

- a powerful 20-beam infrared neodymium glass (silica glass) laser built

at Lawrence Livermore National Laboratory in 1977

- the laser's multi-beamed structure used of amplifiers made of Nd:glass

slabs

- the beamlines were about 30 m long

Hệ laser Nd (NOVA – 10 chùm)

- The NOVA laser at Lawrence Livermore National Laboratory

- The view of 5 beams of the 10 beam NOVA laser are shown

shortly after the laser's completion in 1984