Khảo sát phân bố nhiệt độ theo thời gian trong hoạt chất Laser rắn bơm bằng chùm Laser Gauss

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THANH VÂN KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN BƠM BẰNG CHÙM LASER GAUSS LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THANH VÂN

KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN BƠM BẰNG CHÙM LASER GAUSS

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 60.44.01.09

Nghệ An, 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN THANH VÂN

KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRONG HOẠT CHẤT LASER RẮN BƠM BẰNG CHÙM LASER GAUSS

Xin cảm ơn các anh chị học viên lớp Cao học 21 chuyên ngành Quang học Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ và đóng góp cho tác giả những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, người thân đã động viên, chia sẻ với tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Nghệ An, tháng 6 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thanh Vân

MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn

2.1.1 Phương trình truyền nhiệt 22 2.1.2 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu của bài toán 25 2.1.3 Phương trình phân bố nhiệt độ theo thời gian 37

2.2 Khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian 31

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang

4 Sơ đồ 1.1 Các mức năng lượng của laser Laser Yb:YAG 14

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Laser cho ta nguồn ánh sáng kết hợp, đơn sắc và định hướng Định hướng

và đơn sắc (phát ổn định một bước sóng) là hai trong số các tính chất của laser

đã phát huy được tính ưu việt của chúng trong ứng dụng thực tế và trong khoa học công nghệ Khi công nghệ ngày càng cao thì yêu cầu về hai tính chất này càng cao, thể hiện ở sự ổn định của chúng Tuy nhiên trong thực tế hoạt động của laser nhiều yếu tố công nghệ và kỹ thuật như rung động về cơ khí, các hiệu ứng phi tuyến khi công suất laser lớn, đặc biệt hiện tượng Gradient nhiệt trong hoạt chất đã làm cho tính ổn định mất đi Phân bố Gradient nhiệt (hay phân bố nhiệt nói chung) thường xuất hiện do sự phân bố không đều năng lượng bơm, quá trình bơm quang học không kết hợp (chủ yếu là bơm ngang) hoặc do phân bố năng lượng theo tiết diện ngang của chùm tia bơm kết hợp (chủ yếu là bơm dọc) Trong quá trình bơm ngang bằng nguồn không kết hợp, quá trình sinh nhiệt chủ yếu do năng lượng dư thừa không tham gia vào quá trình hấp thụ cưỡng bức Năng lượng dư thừa đó gây quá trình dao động nội của hoạt chất laser và kết quả là quá trình sinh nhiệt xẩy ra trong hoạt chất Hiện tượng sinh nhiệt không đồng nhất trong hoạt chất, thông thường ở tâm nhiệt độ sinh ra lớn hơn ở biên hoạt chất Quá trình sinh nhiệt đó thay đổi theo bán kính xuyên tâm và theo thời gian hoạt động của quá trình bơm Gradient nhiệt xuất hiện sẽ làm cho chiết suất của hoạt chất thay đổi theo, kết quả hình thành trong đó một thấu kính nhiệt Sự xuất hiện thấu kính nhiệt nhất thời trong hoạt chất sẽ làm thay đổi cấu trúc buồng cộng hưởng Thay đổi cấu trúc buồng cộng hưởng tức là thay đổi cấu trúc của chùm tia phát ra, đặc biệt thay đổi tính định hướng của nó Nhiệt độ trong hoạt chất thay đổi sẽ làm thay đổi cấu trúc năng lượng của tâm hoạt và dẫn tới sự thay đổi phổ hấp thụ và phát xạ Sự thay đổi này sẽ dẫn tới thay đổi bước sóng phát và giảm tần số lặp, thậm chí dập tắt quá trình phát của laser

Trong quá trình bơm dọc bằng các nguồn laser kết hợp sự xuất hiện Gradient nhiệt chủ yếu do phân bố năng lượng theo tiết diện ngang của chùm tia

bơm Như ta đã biết các nguồn laser phần lớn có cấu trúc TEM00, năng lượng của nó phân bố theo hàm Gauss Các mật độ tâm hoạt bị kích hoạt lên mức laser trên tỷ lệ thuận với năng lượng kích thích, do đó cũng có phân bố dạng Gauss theo tiết diện ngang của hoạt chất Sự phân bố không đồng nhất của tâm hoạt bị kích thích trên tiết diện ngang tất nhiên dẫn đến quá trình khuếch đại không đồng đều trên tiết diện ngang Dẫn đến phân bố năng lượng của chùm laser phát

ra không tuân theo thiết kế của buồng cộng hưởng ban đầu

Như chúng ta đã biết hoạt chất của laser bao gồm một phần các tâm hoạt có phổ hấp thụ trong một vùng nhất định và phần lớn là chất nền Các tâm hoạt phân bố đều trong chất nền, nhờ các nguyên tử, phân tử phân bố đều trong chất nền mà phổ hấp thụ hay phát xạ của hoạt chất laser được xác định Năng lượng của nguồn bơm thông thường phân bố không đều trong hoạt chất Dưới tác dụng của nguồn bơm các tâm hoạt hấp thụ cộng hưởng một phần năng lượng của nguồn bơm, phần còn lại bị hấp thụ không cộng hưởng của chất nền để dao động nhiệt làm nhiệt độ hoạt chất tăng lên Do đó quá trình sinh nhiệt trong hoạt chất laser rắn là do năng lượng dư thừa không tham gia vào quá trình hấp thụ cưỡng bức Năng lượng dư thừa này gây quá trình dao động nội của hoạt chất laser và kết quả là quá trình sinh nhiệt xẩy ra trong hoạt chất Trong suốt quá trình hoạt động, nhiệt độ thanh hoạt phụ thuộc vào thời gian Việc nghiên cứu phân bố nhiệt theo thời gian trong hoạt chất laser là vấn đề cần thiết trong công nghệ chế tạo laser

Từ lý do trên, trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp chúng tôi chọn đề tài:

“Khảo sát phân bố nhiệt độ theo thời gian trong hoạt chất laser rắn bơm bằng chùm laser Gauss”

2 Mục đích nghiên cứu

Thông qua việc nghiên cứu đề tài, chúng tôi khảo sát phân bố nhiệt dựa trên phương trình truyền nhiệt phụ thuộc thời gian trong hoạt chất laser rắn Bằng phương đồ thị, luận văn sẽ dẫn ra hình ảnh phân bố nhiệt trong hoạt chất tại những thời điểm khác nhau trong hoạt chất laser rắn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục đích trên chúng tôi xác định nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm của một

số loại laser rắn

- Sử dụng phương trình truyền nhiệt phụ thuộc thời gian trong hoạt chất laser rắn Kết hợp các điều kiện biên và điều kiện ban đầu của bài toán dẫn ra phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian trong hoạt chất laser rắn

- Khảo sát phân bố nhiệt trong hoạt chất tại những thời điểm khác nhau theo bán kính xuyên tâm trong hoạt chất laser rắn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Sự phân bố nhiệt độ trong hoạt chất laser rắn tại những thời điểm khác nhau theo bán kính xuyên tâm bơm bằng chùm laser Gauss

4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Một số loại laser rắn và những ứng dụng của laser rắn trong thực tế

- Mức độ tăng nhiệt, phân bố nhiệt trong hoạt chất laser rắn bơm bằng chùm laser Gauss tại những thời điểm khác nhau ở laser rắn

5 Phương pháp nghiên cứu

Để khảo sát phân bố nhiệt độ phụ thuộc thời gian trong hoạt chất laser rắn chúng tôi xác định phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến một số loại laser rắn; Nghiên cứu phân bố nhiệt theo thời gian trong hoạt chất laser rắn

- Phương pháp đồ thị

Sử dụng phương pháp đồ thị bằng phần mềm Maple để đánh giá mức độ tăng nhiệt và dẫn ra hình ảnh phân bố nhiệt tại những thời điểm khác nhau trong hoạt chất laser rắn

7 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc chính của luận văn bao gồm 2 chương:

Chương 1 Một số loại laser rắn

Nội dung chương 1 chúng tôi trình bày tổng quan về một số laser rắn: 1) Laser Ruby, 2) Laser Ti: Sapphire, 3) Laser Nd:YAG, 4) Laser Yb:YAG và 5) Laser Tm:Ho:YAG Đối với mỗi loại laser, luận văn sẽ khái quát các đặc tính về môi trường hoạt chất, về buồng cộng hưởng quang học và nguồn bơm sử dụng cho laser

Chương 2 Phân bố nhiệt độ theo thời gian trong hoạt chất laser rắn

Nội dung chương 2, từ phương trình truyền nhiệt theo thời gian trong hoạt chất laser rắn chúng tôi dẫn ra phương trình phân bố nhiệt độ xuyên tâm theo thời gian Sử dụng phương pháp đồ thị bằng phần mềm Maple, chúng tôi khảo sát phân bố nhiệt độ xuyên tâm ở những thời điểm khác nhau trong hoạt chất laser rắn Ti:Sapphire

cơ học, độ bền hóa học cao và độ dẫn nhiệt tốt

Về nguyên lý, máy phát quang laser Ruby được cấu tạo bởi ba bộ phận

chính: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm

Môi trường hoạt chất:

Hoạt chất của laser Ruby sử dụng tinh thể Ruby có màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr3+ nồng độ khoảng 1,6.1019 ion/cm3 Với nồng độ ion Cr3+ này 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 [1]

Thanh Ruby chế tạo bằng cách nung chảy hỗn hợp gồm Al2O3 với một lượng nhỏ Cr2O3khoảng 0,05% khối lượng, trong đó một số ion Al3+ đã được thay bằng các ion Cr3+ Đơn tinh thể được kéo trong lửa oxy hidrô ở nhiệt độ lớn hơn 20000C 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 Để đạt độ đồng nhất quang học cao, nhiệt độ của miền tinh thể cần được duy trì với độ chính xác rất cao, khoảng 1/10 độ Thanh Ruby thường có dạng hình trụ dài khoảng 100÷300mm, đường kính tới 30÷50mm [1]

Kích thước của thanh Ruby thường là l = 75÷80mm, d = 6÷8mm, hoặc l=120÷130mm, d = 8÷15mm và l= 240÷250mm, d = 12÷20mm Những thanh này phù hợp với kích thước của những đèn bơm xung, có độ dài phóng điện l=80mm, hoặc l=120÷150mm và 250mm 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 có độ phẩm chất cao tức là các tâm hoạt chất đều, chiết suất đều, chịu nhiệt và có tỉ lệ pha cấy ion Cr3+ tối ưu Môi trường hoạt chất của laser Ruby là Ruby trong đó chất nền là Al2O3, tâm hoạt chất phát ra laser là ion Cr3+

ở hai đầu của thanh, trong đó một đầu phủ bạc làm gương phản xạ toàn phần, một đầu phủ bạc mỏng làm gương phản xạ một phần (50%) Buồng cộng hưởng này tiện lợi, tuy nhiên gương cũng 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 một cách tuyệt đối và độ chính xác có độ sai

số dưới 1µm

Để tăng công suất của buồng cộng hưởng, cần 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 Do đó việc 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 có năng lượng thấp hơn, 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 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 [1]

Đèn xenon 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÷500nm Thông thường cần dùng những loại đèn xenon có áp suất khoảng 500Torr, đường kính đèn khoảng 5÷10mm, chiều dài khoảng 5÷20cm Để bơm cho laser Ruby hoạt động, cần

điều chỉnh công suất của đèn phù hợp với chiều dài và thể tích của thanh hoạt chất Sau khi bơm khoảng 0,51µs 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 Argon để bơm ngang [8]

1.1.2 Laser Ti:Sapphire

Laser Ti:Sapphire là laser rắn sử dụng tinh thể Sapphire làm môi trường hoạt chất Phát ra ánh sáng màu xanh và ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650÷1100nm

Laser Ti:Sapphire được sử dụng rộng rãi, 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

Về nguyên lý, máy phát quang laser Ti:sapphire được cấu tạo bởi ba bộ phận chính: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm

Môi trường hoạt chất:

Sapphire là hợp chất của Al2O3 và ion Ti3+ nên môi trường hoạt chất của laser Ti:Sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này Hợp chất

Al2O3 có tính dẫn nhiệt tốt, 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) [1, 5, 6]

Tinh thể Ti:Sapphire được chế tạo bằng cách nung nóng chảy hỗn hợp

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 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 những

thanh hoạt chất có đường kính cỡ 35÷45mm, chiều dài khoảng 80÷180mm Trong laser Ti:Sapphire có nhôm ôxit đóng vai trò là chất nền, ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát ra laser

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, gương phản xạ một phần cần phải 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[1, 5, 6]:

- Loại 1: 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 Ngoài ra, 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 Trong buồng cộng hưởng còn có đặt thấu kính F để tập trung bức xạ bơm Với hệ thống buồng cộng hưởng này, thu được xung laser có tính đơn sắc cao, công suất lớn và tập trung tại một điểm

Hình 1.1 Buồng cộng hưởng có 4 gương

- 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 Gương 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

Hình 1.2 Buồng cộng hưởng có 6 gương

- Loại 3: Buồng cộng hưởng 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 toàn phần lớn hơn 99,5% Gương

M6 là gương phản xạ một phần Gương M8, M9 để tập trung bức xạ bơm tới thấu kính F Thấu kính F có tiêu cự là 100mm Ngoài ra, buồng cộng hưởng đưa 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 [1, 5, 6]

Hình 1.3 Buồng cộng hưởng có 9 gương

Nguồn bơm:

Để bơm cho laser Ti:Sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng nằm trong khoảng 514÷532nm Thông thường để bơm cho laser Ti:Sapphire, cần sử dụng laser Argon 514,5nm để cho laser Ti:Sapphire phát liên tục Và laser Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO 527÷532nm 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÷1000nm

1.1.3 Laser dùng nguyên tố đất hiếm

1.1.3.1 Laser Nd:YAG

Laser Nd:YAG là 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, phát bước sóng 1064nm thuộc phổ hồng ngoại gần Laser Nd:YAG có sức

xuyên sâu trên 1mm Laser Nd:YAG có các chế độ làm việc như 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÷10000Hz Laser Nd:YAG được ứng dụng nhiều nhất hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực

Về nguyên lý, máy phát quang Laser Nd:YAG được cấu tạo bởi ba bộ phận chính: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm

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+ Tinh thể

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 ion Nd3+ Nồng độ ion Nd3+ pha vào chiếm khoảng 0,5% đến 2% Thông thường thanh Nd:YAG chế tạo 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

Khi sử dụng đèn quang học để bơm, áp suất bên trong đèn phải phù hợp với quá trình phát laser Với đèn Xenon thì áp suất của đèn khảng 500Torr đến 1500Torr, 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 đèn ở công suất gần 15W, nếu bơm ngang và bơm liên tục thì

Về nguyên lý, máy phát quang laser Yb:YAG được cấu tạo bởi ba bộ phận chính: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm

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+ Tinh thể

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 là 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 [1, 5, 6]

Môi trường hoạt chất:

Môi trường hoạt chất của laser Tm:Ho:YAG là môi trường phải pha thêm vào chất nền là 2 chất làm tâm phát laser đó là ion Tm3+ và ion Ho3+ 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 ion Ho3+ chiếm vị trí của Y3+ trong mạng tinh thể Nồng độ của ion Tm3+ rất cao từ 4÷10 %, trong khi đó nồng độ của ion

Ho3+ nhỏ Nồng độ ion Tm3+ khoảng 8.1020 ion/cm3, của ion Ho3+ khoảng 0,5.1020 ion/cm3

Với laser Tm:Ho:YAG, tùy vào quá trình bơm laser sẽ hoạt động khác nhau:

Khi bơm bằng đèn chớp, Cr3+ nhận được năng lượng bơm, 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

Khi bơm cả đèn chớp và đèn diode, do quá trình phục với các ion bên cạnh thì mức kích thích 3 F 4 của ion Tm3+ dịch chuyển dưới dạng

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 5 I 7 của Ho sau đó ion Ho3+ phát ra laser khi chuyển từ 5 5

Các thông số đặc trưng của laser này là phát với năng lượng 1J trong một khoảng thời gian xung là 200 µs, hiệu suất 4%, áp suất dưới 10 Hz Khi bơm bằng diode, thường sử dụng phương pháp 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 -400C -100C để làm giảm bớt mật độ cư trú của mức laser dưới

có công suất nhỏ vừa có công suất lớn nên nó được ứng dụng rất rộng rãi Laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong nông nghiệp, công nghiệp, hàng không, hàng hải, thông tin liên lạc vô tuyến, gia công vật liệu, quân sự, y học và các thành tựu khác Các ứng dụng của laser được thể hiện qua các lĩnh vực trong cuộc sống như sau:

Dùng trong thông tin liên lạc:

Laser có tính chất là độ đơn sắc cao, định hướng và tính kết hợp cao nên laser rắn được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc vô tuyến như vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ, tên lửa, … Tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến Sử dụng tia laser thì giảm được hàng tỷ lần năng lượng cần dùng Khi sử dụng các bước sóng thích hợp thì có thể truyền tin trong các môi trường khác nhau như trong sương mù, dưới đáy biển…

Laser có tính kết hợp và cường độ cao nên tia laser rắn được dùng trong truyền tin bằng cáp quang

Dùng trong gia công vật liệu:

Dựa vào tính chất tia laser có năng lượng, cường độ đủ lớn và tập trung vào một điểm Các loại laser rắn được sử dụng trong gia công vật liệu như laser Nd:YAG 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, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit và gốm Trong gia công vật liệu, việc sử dụng laser rắn

để bóc vật liệu, cắt, khắc và hàn kim loại được thể hiện dưới đây [7, 9, 10]:

16

m

Cơ chế bóc vật liệu:

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 gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi tiết Sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy hoặc bốc hơi

Hình 1.4 Cơ chế bóc vật liệu

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 Hạn chế của nó sẽ 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 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

Cắt và khắc kim loại:

Hiệu quả của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh

17

doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu và 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 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, laser Nd:YAG, sau quá trình nhân tần, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523nm với công suất 10W 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 Khi dùng laser Nd:YAG thì thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ rất thuận tiện 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

Khi sử dụng laser để cắt, 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 và không gây ô nhiễm môi trường làm việc bởi bụi

Tương tự như cắt kim loại laser rắn còn được sử dụng để khắc lên kim loại Khắc bằng laser cho phép độ chính xác, tinh vi cao hơn dùng phương pháp khác

Hàn kim loại:

Sử dụng chùm laser để 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 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 ở kim loại khi hàn bằng tia laser khá nhỏ vì

nó phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt từ năng lượng trên bề mặt chi tiết

Khi sử dụng laser để hàn thì mối hàn không bị bẩn, độ tập trung năng lượng cao hàng chục kW vào một điểm có kích thước 0,2÷0,3mm, miền truyền nhiệt nhỏ, sự giảm nhiệt độ nhanh Giảm sự biến tính vật liệu do nhiệt trong quá trình hàn

Dùng trong quân sự:

Ngày nay, tuy laser rắn chưa được sử dụng phổ biến trong quân sự, thế nhưng tia laser rắn còn được dùng làm vũ khí để tiêu diệt đối phương Vũ khí laser chia làm hai loại: vũ khí laser công suất thấp làm loá 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 khí hoá Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường dây điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương

Laser rắn dùng để đo khoảng cách các mục tiêu quân sự, biết được thời gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính ra được khoảng cách Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện [9, 10]

Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao

Dùng trong y học:

Người ta sử dụng các laser nhiệt để phẫu thuật như dao mổ bằng tia sáng laser Dựa vào tính chất đặc biệt của tia laser rắn như tính định hướng, kết hợp,