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 1017÷ 1020 cm3 ( lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laser khí), nên hệ số khuếch đại rất lớn.
Chương CÁC LOẠI NGUỒN LASER 2.1 Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm Laser rắn - Laser rắn laser mà môi trường hoạt chất chất rắn: đơn tinh thể chất vơ định hình -Độ nghịch đảo tích lũy thực mức nguyên tử ion tạp chất -Nồng độ hạt xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 ( lớn 100 ÷ 1000 lần laser khí), nên hệ số khuếch đại lớn -Chất rắn có độ đồng quang học hạn chế kích thước hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm -Do độ đồng chất quang học nên góc mở tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút -Trong laser rắn hạt tương tác nên vạch xạ tự nhiên xạ laser thường có dải phổ rộng -Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học đèn chớp sáng THANH HOẠT CHẤT -Cấu tạo hoạt chất có đường kính từ ÷ cm, hai mặt đầu mài đánh bóng tạo thành gương phản xạ Để khử dao động kí sinh mặt bên làm nhám - Trong hoạt chất gồm có chất đơn tinh thể vơ định hình - Mơi chất laser có tỷ lệ nhỏ khoảng vài phần trăm so với chất Các tính chất hoạt chất chất định • Vật liệu dùng làm chất cần có độ suốt cao bước sóng laser phổ xạ bơm, bền nhiệt,dễ chế tạo gia công cơ, độ đồng quang học cao • Chất hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MeO4,HF • -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 (Me kim loại Al, Fe, ) • Ưu điểm granat giảm công suất bơm ngưỡng tăng hiệu xạ • Điển hình: -Y3A5O12 ( kí hiệu YAG) • -Al2O3 ( Laser Rubi ) • -Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo độ đồng cao, bền nhiệt công suất bơm lớn • Môi chất laser thường dạng ion điện tích • Một số mơi chất laser ngun tố đất • Neodim Nd 3+ λ= 1,06 μm • Dyprozy Dy 2+ λ= 2,36 μm • Camri Cm 2+ λ= 0,7 μm • Ecori Er 2+ λ= 1,61 μm • Cần lựa chọn nồng độ tối ưu môi chất laser Nồng độ hạt xạ tăng làm tăng cơng suất, xảy tương tác hạt làm giảm thời gian sống hạt, giảm độ nghịch đảo nên cơng suất giảm • Nguồn bơm : Gồm bơm hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất • Phổ đèn bơm phải chọn cho lượng hấp thụ cao nhất, độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng bơm xung tốt • Thường 20 ÷30 % lượng bơm chuyển thành lượng xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọn tần số chu kỳ phóng điện đèn hợp lý • Dùng đèn thuỷ ngân phóng điện hồ quang Dùng đèn dây tóc bơm iode vào để tăng tuổi thọ cho đèn Các dạng phản xạ • 2.1.2 Laser Rubi • Là laser chế tạo giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với ion Cr 3+ Thng l tr t ữ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độ bền hóa học cao, dẫn nhiệt tốt Kéo 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10o C để đảm bảo đồng • Chất Al2O3 có màu đỏ, pha Cr 3+ trở nên màu hồng trở nên suốt với ánh sáng xanh tím 4F1 4F2 2A 420nm E R1 R2 550nm 4A2 • Laser Rubi laser mức với xạ Cr3+ có vạch phổ: vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn R2 Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất làm tách mức trạng thái lượng Ví dụ T= 300 K T= 77 K (Nitơ lỏng sôi) R1 694,3 nm 693,4 nm R2 692,8 nm 692,0 nm Sơ đồ cấu tạo 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 nhơm phản xạ đánh bóng • 2.3.2 Laser diode • Laser diode bao gồm đơn tinh thể Ga –As, kích thích theo dạng tiếp giáp p-n đặt điện ban đầu Thay đổi cấu trúc lớp tiếp giáp đơn đơn giảnvới vùng có hệ số khúc xạ thấp lớp hoạt động phát xạ laser bị hạn chế theo chiều ngang vùng tiếp giáp hẹp này, Cải tiến diode tiếp giáp kép khác DH, giảm vùng hoạt động xuống, cách kẹp lớp kép • Hình 2.13 SH,DH diode laser cấu trúc sọc • Các diode có bước sóng phát xạ gần tia hồng ngoại đặc biệt 820 nm, 850 nm 904 nm, 1.3 m, 1.5 m Các bước sóng khác sử dụng vật liệu bán dẫn hợp chất khác Gax, Al1-x , As thay đổi nồng độ kích thích tỷ lệ Ga:Al • Buồng cộng hưởng có chiều dài nhỏ 500 m ,đưa khoảng cách mode dọc tới vài trăm GHz chiều dài kết hợp giảm xng vài mm Vì xạ laser phát xạ từ vùng hoạt động nhỏ gọn , nhiễu xạ gây phân kỳ cao, tia có dạng elip Hình2 14 Mạch ni điển hình cho diode laser Công suất phát laser (mW)theo dòng nuôi (mA) Đ thịcông suất phát Laser theo dòng mW mA 10 12 14 16 18 20 22 laser laser laser laser laser 330 300 0.8 Phâ n bố công suất phát theo gãc ph© n cùc 0.6 30 60 0.4 0.2 270 90 240 120 210 150 180 laser2 laser1 laser3 • 2.3.3 Laser bán dẫn đơn mốt • Trong laser diode thường dạng tiếp xúc sọc , dòng điện ngưỡng lớn thường khơng 120mA Để giảm dòng điện ngưỡng hoạt động chế độ đơn mốt , người ta sử dụng cấu trúc dị thể chơn BH(Buried ) • Laser diốt DFB (Distributed Feedback): nguyên lý hoạt động laser DFB sử dụng tượng phản xạ Bragg v mục đích nén mốt bên chọn lọc tần số Trong thiết bị buồng cộng hưởng Fabry –Pero thay cách tử nhiễu xạ ,hình 2.16 • Laser điôt DBR(Distributed Reflector): Một dạng biến thể laser DFB laser phản xạ phân tán Bragg DBR.Trong laser , cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò phản xạ chọn lọc tần số ,thay cho buồng cộng hưởng Fabry-Perot,hình 2.17 Type Peak Power Wavelengt Application h GaAs mW 840 nm CD Players AlGaAs 50 mW 760 nm Laser printers GaInAs 20 mW P 1300 nm Fiber communicat ions Laser Đặc biệt Free-Electron Laser vµ laser tia X Là chùm điện tử tia X đồng có độ kết hợp cao dải tần số rộng (The free-electron laser has been used to generate coherent radiation from 10^-5 to cm in wavelength Applications of free-electron lasers are envisioned in isotope separation, plasma heating for nuclear fusion, long-range, high resolution radar, and particle acceleration in accelerators ) ... chất laser có tỷ lệ nhỏ khoảng vài phần trăm so với chất Các tính chất hoạt chất chất định • Vật liệu dùng làm chất cần có độ suốt cao bước sóng laser phổ xạ bơm, bền nhiệt,dễ chế tạo gia công. .. nm Sơ đồ cấu tạo 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 đánh bóng Laser Ruby Q-Switch Bước sóng:... (xanh, đen …) • 2.1.3 Laser NdYAG • Cấu hình Y3Al5O12 , kí hiệu YAG Trong laser Neodim-YAG, mơi chất laser Nd3+ • Sự dịch chuyển xảy từ mức 4F 3/2 xuống 4I11/2 với xạ =1064nm • Laser NdYAG làm việc