Đặc điểm của Laser Rắn

Một số laser rắn 3.1. Khái niệm laser rắn

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. 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 Laser dưới, 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). Laser Ti: sapphire được sử dụng rộng rãi vì nó có thể điều hưởng bước sóng trên một vùng rộng để phát xung laser cực ngắn (femto giây) bằng phương pháp khóa mode.

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). Liên kết của electron ở phân lớp 3d với trường mạng tinh thể vững chắc nên trạng thái trên bền vững hơn trạng thái dưới, tức là thời gian sống của mức 1 lớn hơn thời gian sống ở mức 2, đây cũng chính là cơ sở để ta tạo sự nghịch đảo mật độ cư trú để tạo ra laser. Laser Ti: sapphire hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng, từ các mức năng lượng của ion Ti3+ trong mạng tinh thể mà phân thành các mức như sơ đồ như hình 44.

Vì độ rộng phổ phát xạ lớn nên laser Ti: sapphire được sử dụng để khóa mode và biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng tạo ra xung laser cực ngắn cỡ 20-100 fs. 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 hoạt chất, nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Nó có độ cứng khoảng 8-8,5 (theo thang đo Moh) thấp hơn sapphire và ruby. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước sóng từ 800 nm đến 1400 nm. Cấu tạo của Laser Nd:YAG a) Môi trường hoạt chất.

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. - Tiếp tục bơm thì hạt tập trung ở mức 3 nhiều hơn, khi các hạt này mất năng lượng (tức truyền năng lượng cho mạng 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. - 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. - Có ngưỡng bơm bé hơn laser Ruby vì nó hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. - Công suất của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby rất nhiều lần khi thanh hoạt chất cùng chiều dài. - Hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby 75 lần nên laser Nd: YAG được sử dụng nhiều hơn laser Ruby. - Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học. - So với các loại laser khác thì hiệu suất của Laser Nd: YAG vẫn chưa cao. - Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd:. YAG không cao. Laser Yb: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum- Garnet được phủ nguyên tố hiếm Ytecbi để làm môi trường hoạt chất, nó phát bước sóng 1030 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Cấu tạo của Yb:YAG. Yb: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Yb3+. Ytecbi là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, nó có số nguyên tử là 60, phân lớp 4f đã đầy và có 2 electron lớp ngoài cùng 6s2. Do đó cấu hình của ion Yb3+ sẽ thiếu một electron ở phân lớp 4f. Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình cubic. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước sóng từ 800 nm đến 1400 nm. Cấu tạo của Laser Yb:YAG a) Môi trường hoạt chất.

Laser Yb: YAG có phổ phát xạ laser rộng nên nó được ứng dụng để tạo ra xung laser cực ngắn, lúc đó buồng cộng hưởng được cải biên theo yêu cầu đặt ra. Độ rộng phổ phát xạ lớn nên có thể sử dụng laser Yb: YAG để tạo ra laser xung cực ngắn (có thể dưới cả pico giây) bằng phương pháp điều biến độ phẩm chất và phương pháp khóa mode. Khi nồng độ của Tm cao thì quá trình hồi phục này chiếm ưu thế hơn, quá trình bức xạ về trạng thái 3F4 giảm, do tổng hiệu suất lượng tử gần như cố 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.

Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, …. 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. Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên.

Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân tần, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt trên một centimet vuông.