6. Phương pháp nghiên cứu
3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire
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.