CÁC LOẠI NGUỒN LASER

Chương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER 2.1 . Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn. Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc ion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ lớn 10 17 ÷ 10 20 / cm 3 , lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laser khí, nên độ nghịch đảo rất lớn. hệ số khuếch đại rất lớn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm. Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút. Trong laser rắn các hạt tương tác nhau nên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng các đèn chớp sáng. Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, hai mặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là là đơn tinh thể hoặc vô định hình. Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt có độ rộng lớn Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định. THANH HOAT CHAT • Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao laser. • Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H 2 WO 4 , H 2 MeO 4 ,HF • -Nền tinh thể Ytrigranat – Y 3 Me 5 O 12 (Me là kim loại Al, Fe, ) • Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ. • Điển hình: -Y 3 A l5 O 12 ( kí hiệu YAG) • -Al2O3 ( Laser Rubi ) • -Thủy tinh SiO 2 : Dễ chế tạo và độ đồng nhất cao, kém bền nhiệt và công suất bơm lớn. • Môi chất laser thường ở dạng ion 2 hoặc 3 điện tích. • Một số môi chất laser nguyên tố đất hiếm. • Neodim Nd 3+ λ= 1,06 μm • Dyprozy Dy 2+ λ= 2,36 μm • Camri Sm 2+ λ= 0,7 μm • Ecoi Er 2+ λ= 1,61 μm. • Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser. Nồng độ hạt bức xạ tăng làm tăng công suất, khi đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống của các hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra giảm • Nguồn bơm gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất. • . Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất, do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm 2 nên dùng bơm xung là tốt nhất . • Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành năng lượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọn tần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý • Dùng đèn hơi thuỷ ngân phóng điện hồ quang Dùng đèn dây tóc nhưng được bơm hơi iode vào để tăng tuổi thọ cho đèn Các dạng phản xạ • 2.1.2 Laser Rubi • Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al 2 O 3 với các ion Cr 3+ . • Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt . Kéo ở 2000 o C với độ ổn định nhiệt 1/ 10 o C để đảm bảo đồng nhất. • Chất nền của Al 2 O 3 có màu đỏ, khi pha Cr 3+ trở nên màu hồng à trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím. • Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: • Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A 2 . • Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A 2 . • Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2. 4A2 2A E R1 R2 4F1 420nm 550nm 4F2 • Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng thái năng lượng • Ví dụ T= 300 o K T= 77 o K • R1 694,3 nm 693,4 nm • R2 692,8 nm 692,0 nm [...]... • Laser CO2 là loại laser đạt được công suất đến hàng chục kW ở chế độ liên tục với hiệu suất đến 20 ÷ 30 % và là loại công suất lớn nhất hiện giờ • Trong kĩ thuật thường dùng loại laser xung : 10-6 ÷10 -9 s với điện áp cỡ hàng trăm kV và dòng vài Ampe Laser CO2 Laser CO2 làm việc theo 3 mưc năng lượng Môi trường laser là cá phân tử CO2 và N2 ,trong đó tâm hoạt chất là CO2 Sự đảo mật độ tích lũy laser. .. ra do dao động toàn phần các tâm hoạt chất CO2 để chúng chuyển dịch lên mức laser nhờ quá trình truyền năng lượng cộng hưởng khi va chạm với các phân tử neon ở trạng thái kích thích • 2.3 Laser bán dẫn • 2.3.1 Nguyên lý phát laser bán dẫn • Laser bán dẫn là nguồn quang điện tử có hiệu suất và năng lượng laser cao, với kích thước khối nhỏ gọn, giá rẻ, thường được gọi là Diode laser • Cấu trúc năng lượng... điểm của thuỷ tinh là nhiệt dung thấp nên chỉ dùng với laser có tần số xung thấp hơn 5Hz • Laser Nd thuỷ tinh thường dùng trong các ứng dụng cần có xung ở tần số thấp như các bộ dò tìm mục tiêu trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học .các hệ khuếch đại có năng lượng cao 2.2 Laser khí 2.2.1 Đặc điểm của laser khí • Hoạt chất là chất khí hoặc hơi kim loại • Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái kích thích... Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe Biểu đồ mô tả hoạt động của Laser He - Ne • Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều tồn tại Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng cách chọn gương laser hoặc dùng các phần tử hấp thụ chọn lọc • Công suất laser phụ thuộc vào dòng phóng điện, áp suất khí, tỷ lệ He- Ne ( thường 9/1), đường kính ống khí và tiết diện • Công suất laser • λ = 1,15... nghiên cứu khoa học cũng sử dụng nhiều laser NdYAG • 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh • Các mức năng lượng dịch chuyển của Nd 3+ trong laser thuỷ tinh ở = 1064nm • Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn so với laser NdYAG khoảng 40 lần • Do nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh thấp nên dễ chế tạo thanh hoạt chất với kích thước lớn và dải phổ hấp thụ cũng lớn hơn laser NdYAG Mật độ môi chất Nd 3+ lớn hơn... • λ = 3,39 μm đạt vài trăm mW • Tuổi thọ laser phụ thuộc vào chất lượng khí và sự hấp thụ của thành ống và các điện cực làm giảm và thay đổi thành phần khí làm giảm tuổi thọ của laser • Ở nước ta: ảnh hưởng của nóng ẩm làm giảm tuổi thọ và độ ổn định của laser LASER 1 mod Với laser HeNe =633 nm , nếu chiều dài buồng cộng hưởng nhỏ hơn 130 mm khi đó khoảng cách giữa hai mốt là: 2 6332 •  = 2 /2ne... trong các loại laser • Độ mở rộng đường phổ chủ yếu là mở rộng không đồng nhất Đốp-lơ • Độ đồng nhất quang học cao nên góc mở của laser nhỏ chỉ cần dùng gương phẳng song song đã đạt độ mở nhỏ hơn 1 phút • Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện chủ yếu bằng phóng điện chất khí Thường sử dụng thêm va chạm cộng hưởng và phân rã ở mức laser dưới bằng va chạm để làm tăng mật độ nghịch đảo độ tích luỹ dạng Laser. .. với 3 bậc dao động tự do Môi trường Laser này được làm thành từ các phân tử ,kết hợp các mức năng lượng điện tử của các nguyên tử vì thế có cả phân tử mức năng lương quay và dao động Mũi tên đậm biểu diễn một bơm kích thích phân tử từ mức thấp nhát lên cao Các phân tử kích thích ngay sau đó khử kích thích từ mức trên thành nhiều mức dao động có thể Mỗi một trong các sự khử kích thích này sinh ra một... lên vùng dẫn tạo nên một cặp điện tử và lỗ trống Sự kết hợp của điện tử và lỗ trống bức xạ ra một phô ton ánh sáng • Thêm các tạp chất vào vật liệu bán dẫn thuần có thể chế tạo hai loại bán dẫn, mà một loại có mật độ điên tử lớn gọi là loại n, một loại mà mật độ lỗ trống lớn gọi là loại p như hình 2.10 • Hình 2.10 Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn p&n Năng lượng điện tử Vùng nghèo điện tử Vùng giàu... tạo của thiết bị phát Laser Ruby Đèn Xenon Dây dẫn điện Gương phản xạ 95% Gương phản xạ 95% Công tắc Bộ nguồn Tinh thể Ruby Mặt trụ nhôm phản xạ được đánh bóng Laser Ruby Q-Switch Bước sóng: 694 nm Mật độ năng lượng: 23J / cm2 Tần số phát: 0,5 – 2 Hz Thích hợp: Xóa xăm nhiều màu, điều trị bớt sắc tố (xanh, đen …) • 2.1.3 Laser NdYAG • Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG Trong laser Neodim-YAG, Y . Chương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER 2.1 . Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn. Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh. trong các ứng dụng cần có xung ở tần số thấp như các bộ dò tìm mục tiêu trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học .các hệ khuếch đại có năng lượng cao. 2.2 Laser khí. 2.2.1 Đặc điểm của laser. hình. Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt có độ rộng lớn Các tính chất cơ