6. Phương pháp nghiên cứu
3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby
3.2.5.1. Ưu điểm
- Laser ruby có độ đơn sắc cao vì chỉ phát ra 2 bước sóng. - Tia laser có mật độ định hướng cao.
- Có quang năng lớn - Laser ruby có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt. 3.2.5.2. Nhược điểm
- Laser với hoạt chất loại này cần năng lượng bơm lớn và thời gian bơm lớn. Điều này dẫn đến chế độ làm việc ở tần số thấp (chỉ giới hạn tần số là 0,3 Hz).
- Vì độ đơn sắc của Laser ruby lớn nên không thể khóa mode để tạo ra Laser phát xung cực ngắn có công xuất lớn.
- Laser ruby hoạt động theo sơ đồ 3 mức năng lượng nên có ngưỡng bơm cao hơn các loại Laser rắn khác hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. Do đó hiện nay Laser này ít được sử dụng.
- Đối với Laser ruby hoạt động liên tục thì có sự không đồng nhất do bơm xuất hiện trong các thanh Laser.
- Hiệu xuất phát Laser không cao.
3.4. Laser Ti: sapphire
3.4.1. Khái niệm
Laser Ti: sapphire là laser rắn sử dụng sapphire làm môi trường hoạt chất. Laser Ti: sapphire phát ánh sáng màu xanh và ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650- 1100 nm.
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. Laser Ti: sapphire là vật liệu hàng đầu trong công nghệ khóa mode để tạo xung cực ngắn. Laser Ti: sapphire được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1982.
3.4.2. Cấu tạo của Sapphire
Sapphire có cùng dòng họ với Ruby. Sapphire là một biến thể của corindon α - Al2O3. Sapphire có màu xanh lơ do lẫn ít Titan oxit. Tỷ trọng của
Sapphire: 3,95 - 4,03 , thường là 3,99. Sapphire có độ cứng tương đối là 9 (theo thang Mohs), chỉ đứng sau kim cương. Độ cứng của sapphire cũng biến đổi theo các hướng khác nhau như Ruby. Sapphire có chiết suất vào khoảng: 1,766 - 1,774. Sapphire lam hấp thụ các bước sóng: 470.1 nm, 460 nm, 455 nm, 450 nm, 379 nm.
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.
3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire3.4.3.1. Môi trường hoạt chất 3.4.3.1. Môi trường hoạt chất
Sapphire là hợp chất của Al2O3 và Ti3+ nên môi trường hoạt chất của laser Ti: sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này. Al2O3 có tính
dẫn nhiệt tốt nên nó 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).
Tinh thể Ti: sapphire được chế tạo bằng cách nung nóng chảy 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. Trong mạng tinh thể lý tưởng có thể xem hình bát diện này đối
xứng. 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 người ta chế tạo thanh hoạt chất có đường kính cỡ 35- 45mm, chiều dài khoảng 80- 180mm. Trong laser sapphire nhôm ôxit đóng vai trò là chất nền còn ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát ra laser.
3.4.3.2. Buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng của laser Ti: sapphire cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby và các loại laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học, thường được chế tạo ở hai dạng:
- Dạng 1 buồng cộng hưởng quang học hở (Fabri perot). - Dạng 2 buồng cộng hưởng kín.
Laser Ti: sapphire được sử dụng dưới dạng xung laser cực ngắn là chủ yếu nên buồng cộng hưởng cũng được thay đổi. Để tạo ra xung cực ngắn thì có hai phương pháp: điều biến độ phẩm chất và khóa mode. Ở chế độ khóa mode đòi hỏi buồng cộng hưởng phải đủ dài, để không tăng kích thước laser thì người
Hình 37: Hình bát diện của Ti:Al2O3
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, và gương phản xạ một phần ra người ta còn 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:
Hình 38: Loại 1- Buồng cộng hưởng có 4 gương
- 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. Trong 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. Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn có đặt ống kính F để tập trung bức xạ bơm. Với hệ thống buồng cộng hưởng này ta thu được xung laser có tính đơn sắc cao, công suất lớn và tập trung tại một điểm.
- 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. 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 như hình 39.
- Loại 3: Quang Đề án của FemtoStart50. Gồm 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 tòa phần lớn hơn 99,5%. M6 là gương phản xạ một phần. Gương M8, M9 để tập trung bức
Hình 41: Sơ đồ thực tế của quang đề án của FemtoStart50
Hình 40: Quang đề án của FemtoStart50
Hình 39: Loại 2- có 6 gương phẳng (M3, M5 phản xạ cao), 2 lăng kính P1 và P2, và khe S
xạ bơm tới ống kính F. Ống kính F có tiêu cự là 100 mm. Buồng cộng hưởng có 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 như hình 41. Hiện nay buồng cộng hưởng này được đánh giá tốt nhất và được sử dụng nhiều nhất trên thế giới.
Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp với nhiều gương, lăng kính hơn. Việc tăng số lăng kính và gương lên không phải vô hạn vì khi tăng lên thì ta vẫn không tăng được công suất của laser mà kồng kềnh, tốn nhiều chi phí và khó điều khiển.
3.4.3.3. Nguồn bơm
Để bơm cho laser Ti: sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng trong khoảng 514- 532 nm. Thông thường người ta sử dụng laser argon (514,5 nm) để bơm cho laser Ti: Sapphire phát liên tục. Và laser Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: YVO (527- 532 nm) 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- 1000 nm.
3.4.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire
Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Titan là 3d24s2, có 2 electron ở phân lớp 3d, 2 electron ở phân lớp 4s. Theo lý thuyết nhóm thì Titan là kim loại chuyển tiếp, Spin của nó nhận giá trị 1/2, từ đó ta suy ra được độ bội của nó là 2. Trong sự sắp xếp các ion trong mạng tinh thể thì có sự phân ly của liên kết Ti-O, do đó trạng thái điện tử cơ bản của ion Ti3+ được tách thành 2 mức:
- Mức 1: 2T2 gọi là trạng thái cơ bản, trạng thái này suy biến bậc 3, có nhiều mức dao động con tạo thành một dải lớn. Thời gian sống của hạt ở trạng thái này khoảng 3,2µs tại 300K.
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.
Với sơ đồ các mức năng lượng như vậy ion Ti3+ có phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang rất rộng (hình 42) và hai phổ này tách biệt nhau.
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.
Mức 1 của ion Ti3+ là một dải rộng các mức năng lượng con, ta có thể chia mức 1 thành 2 vùng A và B, hai vùng gần như xen phủ nhau. Vùng A gồm các mức dao động con phía dưới, vùng B gồm các mức dao động phía trên. Mức 2 của ion Ti3+ có hai mức dao động
con C và D. Sự nghịch đảo mật độ cư trú của hạt được thực hiện theo cơ chế sau:
- Khi bơm với bước sóng thích hợp thì hạt từ trạng thái cơ bản A chuyển lên trạng thái kích thích C và D.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
Hình 43: Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire
Hình 42: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti3+
Hình 44: Trạng thái năng lượng và cơ chế
- D rất sát với C, và thời gian sống của hạt ở mức D bé hơn mức C nên hạt nhanh chóng chuyển về C mà không bức xạ. Thời gian sống ở C lớn hơn thời gian sống ở B nên tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú giữa hai mức này. Ở C quá trình bức xạ cưỡng bức xảy ra, các hạt nhảy về các mức con ở B đồng thời phát ra photon có năng lượng khác nhau.
Vậy ta có thể xem như A là cơ bản, B là mức laser dưới, C là mức laser trên, D là mức kích thích. Laser Ti: Sapphire
phát ra bước sóng 790 nm có cường độ mạnh nhất (hình 45). Laser Ti:Sapphire phát ra nhiều bước sóng khác nhau nằm trong vùng ánh sáng đỏ đến vùng hồng ngoại gần. Trong tất cả các laser rắn thì laser Ti:Sapphire có phổ phát xạ laser rộng nhất, bước sóng trải dài từ 660-1180 nm.
Laser Ti: sapphire có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số bơm. 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. Ngày nay các nhà khoa học dễ dàng tạo được thời gian xung quanh 100 fs rất dễ dàng. Xung ngắn nhất có thể tạo ra khoảng 5,5 fs. Hiện nay các nhà khoa học sử dụng ống kính kerr để khóa mode (Kerr lens mode-locking ) với nguồn bơm ở chế độ bơm liên tục. Phương pháp này gọi tắc là KLM. Để điều biến độ phẩm chất cho laser này người ta thường sử dụng bộ điều biến quang âm.
3.4.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire
o Ưu điểm
Hình 45: Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire
- Phổ bức xạ của laser Ti: sapphire lớn nên có thể điều chỉnh được để tạo ra laser công suất cao. Laser công suất được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hơn laser công suất thấp.
- Độ dẫn nhiệt của Ti: Sapphire cao như kim loại, nên hiệu suất của laser Ti: sapphire lớn hơn các loại laser rắn khác hoạt động ở chế độ liên tục.
- laser Ti: sapphire hoạt động ở chế độ liên tục và phát xung cực ngắn vượt trội laser màu.
o Nhược điểm
- Ti: sapphire có thể chứa một số lượng không mong muốn Ti 4 + ion, dẫn đến sự hấp thụ ký sinh và do đó để mất hiệu quả laser. Để để tối ưu hóa hoạt động của laser Ti: sapphire thì phải giảm thiểu nồng độ ion Ti4+
- Mất mát trong trong laser Ti: sapphire gồm mất mát trên lớp mạ gương, các bề mắt quang học đánh bóng, mất mát kí sinh ngay trong vật liệu Ti:Sapphire. Mất mát này tỉ lệ với độ dài thanh và thay đổi theo nồng độ Ti3+, khi nồng độ này tăng thì mất mát tăng.
3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm
3.5.1. Laser Nd:YAG3.5.1.1. Khái niệm 3.5.1.1. Khái niệm
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. Laser Nd: YAG có sức xuyên sâu (trên 1mm) Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc 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 1000-10.000Hz. Laser Nd: YAG được ứng dụng nhiều nhất hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực.
Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+.
Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một
nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, ký hiệu
của Neodymi là Nd, số nguyên tử bằng 60, nó có 2 electron ở lớp ngoài cùng 6s2 nhưng phân lớp 4f chưa đầy chỉ có 4 electron. Neodymi có cấu trúc tinh thể là hình lục giác.
Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình lập phương. 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. 3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG
a) 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+. 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
Nd3+. Nồng độ ion Nd3+ pha vào chiếm khoảng 0.5% đến 2%. Thông thường người ta chế tạo thanh Nd: YAG 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. b) Buồng cộng hưởng Hình 46: Thanh Nd: YAG Hình 47: Phổ hấp thụ của chất nền và nd3+ Hình 48: Thanh Laser Nd: YAG hình trụ chữ nhật một đầu cắt nhọn
- Buồng cộng hưởng của laser Nd: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học.
c) Nguồn bơm
Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận 0,7µm đến 0,9µm nên
đèn quang học Krypton hoặc Xenon và laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm thích hợp nhất.
Nếu dùng đèn quang học để bơm thì áp suất bên trong đèn phải phù hợp