Một số laser rắn

Một số laser rắn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 5

1 Lý do chọn đề tài 5

2 Mục đích nghiên cứu 8

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

4 Đối tượng nghiên cứu 8

5 Phạm vi nghiên cứu 9

6 Phương pháp nghiên cứu 9

NỘI DUNG 10

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 10

1.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử 10

1.1.1 Quá trình hấp thụ 11

1.1.2 Quá trình phát xạ tự phát 12

1.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng bức 13

1.2 Hiện tượng khuếch đại 15

1.3 Sự nghịch đảo mật độ cư trú 16

1.4 Ngưỡng phát 16

Chương 2: Tổng quan về Laser 18

2.1 Khái niệm 18

2.2 Lịch sử nghiên cứu Laser 20

2.3 Cơ chế phát Laser 23

2.4 Cấu tạo của máy phát laser 29

2.4.1 Môi trường hoạt chất 30

2.4.2 Nguồn bơm của Laser 31

2.4.3 Buồng cộng hưởng Laser 32

2.4.3.1 Cấu tạo 32

2.4.3.2 Chức năng 33

2.4.3.3 Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng 35

2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng 35

2.5 Đặc điểm của chùm tia Laser 36

2.5.1 Tính chất vật lý 36

2.5.1.1 Độ định hướng cao 36

2.5.1.2 Tính đơn sắc rất cao 37

2.5.1.3 Có khả năng phát xung cực ngắn 37

2.5.1.4 Độ rộng phổ 37

2.5.1 5 Cường độ sáng lớn 38

2.5.1.6 Tính kết hợp của Laser 39

2.5.2 Tính chất sinh học 39

2.5.2.1 Hiệu ứng kích thích sinh học 39

2.5.2.2 Hiệu ứng nhiệt 40

2.5.2.3 Hiệu ứng quang ion 40

Chương 3: Một số laser rắn 41

3.1 Khái niệm laser rắn 41

3.2 Đặc điểm của Laser rắn 41

3.3 Laser Ruby 41

3.3.1 Khái niệm 41

3.3.2 Cấu tạo của Ruby 41

3.3.3 Cấu tạo của Laser Ruby 42

3.3.3.1 Môi trường hoạt chất 43

3.3.3.2 Buồng cộng hưởng 44

3.3.3.3 Nguồn bơm 45

3.3.4 Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby 46

3.2.5 Ưu và nhược điểm của Laser Ruby 52

3.2.5.1 Ưu điểm 52

3.2.5.2 Nhược điểm 52

3.4 Laser Ti: sapphire 53

3.4.1 Khái niệm 53

3.4.2 Cấu tạo của Sapphire 53

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 53

3.4.3 Cấu tạo của Laser Ti: sapphire 53

3.4.3.1 Môi trường hoạt chất 53

3.4.3.2 Buồng cộng hưởng 54

3.4.3.3 Nguồn bơm 57

3.4.4 Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire 57

3.4.5 Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire 59

3.5 Laser dùng nguyên tố đất hiếm 60

3.5.1 Laser Nd:YAG 60

3.5.1.1 Khái niệm 60

3.5.1.2 Cấu tạo của Nd:YAG 60

3.5.1.3 Cấu tạo của Laser Nd:YAG 61

3.5.1.4 Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG 62

3.5.1.5 Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG 66

3.5.2 Laser Yb: YAG 67

3.5.2.1 Khái niệm 67

3.5.2.2 Cấu tạo của Yb:YAG 67

3.5.2.3 Cấu tạo của Laser Yb:YAG 67

3.5.2.4 Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG 68

3.5.2.5 Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG 69

3.5.3 Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác 70

3.6 Laser Tm:Ho: YAG 71

3.7 Ứng dụng của Laser rắn 73

3.7.1 Gia công vật liệu 73

3.7.2 Trong quân sự 80

3.7.3 Dùng trong y học 81

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

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

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:

1 2

1 0

2 0

E kT E kT

Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng hν =E2 −E1 (h là hằng số Planck, ν là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon ρchiếu vào

tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra:

1.1.1 Quá trình hấp thụQuá 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

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 hν ,

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

A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,

hν 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 :

12 12

dP B

dt = ρ

trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ,

ρ

Hình 2: Quá trình hấp thụ

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.

1.1.2 Quá trình phát xạ tự phátPhát 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:

2 1

hν =E −E

Ta có thể mô tả bức xạ tự phát bằng mô hình: A** →A* +hν ,

với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp,

A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,

hν 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:

21 21

dP A

Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử và chỉ xác định được bằng thực nghiệm

Hình 3: Phát xạ tự phát

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 bứcNăm 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:

Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε =hν , bắt gặp một photon có năng lượng ε ' đúng bằng ε =hν , bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon ε

Photon ε có cùng năng lượng và bay cùng phương

với photon ε ' Ngoài ra, sóng điện từ ứng với

photon ε 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 ε ' 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

Hình 4: Hai photon εvà ε '

Hình 5: Photon tăng theo cấp số nhân

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

Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ

bản cơ bản trên một đơn vị thời gian P xác định

như sau:

21

dP B

A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,

( )hν 1 là năng lượng của photon sơ cấp (kích thích),

( )hν 2là 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:

21 12

B =B

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

Hình 6: Phát xạ cưỡng bức

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

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:

2 1

hν =E −E

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

Hình 7 Khuếch đại ánh sáng

Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức :

r v

W W

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 : N2 N e1 kT h

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:

1 0

k L

I =I eγ − ,trong đó: γ là hệ số khuếch đại,

2

1 2

k L

I G I

th

R R e k

với γth 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

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

Hình 8: Albert Einstein

Bảng 1: Bước sóng phát của một số laser thông dụng

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

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

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

Hình 9: Maiman

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:

a) 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

b) 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:

o Hệ 3 mức với mức laser trên là mức trung gian

Hình 10: Hệ hai mức năng lượng

đối lớn (tức mức 3 có nhiều mức dao

động con) Sau khi lên mức 3 thì hạt

Trong điều kiện cân bằng ta có: N2 21 γ =N1 12 γ

Mà

21 2

1

E kT N

e N

∆

=

Nên

2 1 ( ) 12

21

E E kT e

γ γ

với Γ là thông lượng bơm.

Giải các phương trình trên trong điều kiện dừng ta được:

21 32 31 1

21 31 32 21 32 13

32 13 2

Suy ra N2>N1 tức là tạo được sự nghịch đảo mật độ cư dân

o Hệ 3 mức với mức 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:

32 31

N N

γ γ

Γ

= +

32 13

1 12

32 31 2

21

N N

γ

γ γ γ

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

c) 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.

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

Để N3>N2 thì thông lượng bơm 32 12

− , 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

2.4.1 Môi trường hoạt chất

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

Hình 14: Sơ đồ máy phát laser

1) Buồng cộng hưởng 2) Nguồn bơm

3) Gương phản xạ toàn phần 4) Gương bán mạ

5) Tia laser 6) Thanh hoạt chất

Hình 15: Máy phát 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 LaserNguồn 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 LaserKhi 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

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

o Khuếch đại ánh sángMôi 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

Hình 16: Một số loại buồng cộng hưởng

hưởng phải bằng nguyên nữa lần bước sóng mới có thể tạo ra giao thoa tăng cường, khuếch đại ánh sáng lên.

o Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợpCác 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 hưởngMột 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:

1 2

4

L Q

R R

π λ

=

− ,

trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng,

λ là bước sóng của laser,

R R1 , 2 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 hưởngMặc 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

hai gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành

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

ν

∆ = .

Độ rộng của các mode được viết theo công thức: 1/ 2 ( 1 2)

1 1

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 caoKhác 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

λ

∆Ω = ∆ = 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 caoCác 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 ngắnXung 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 lớnCường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định Cường độ sáng phụ thuộc vào các tính chất sau:

o Tính đồng hướngLaser 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

o Tính đồng phaĐồng 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

o Phân cựcNhiều 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