6. Phương pháp nghiên cứu
3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG
Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Nd3+ là 4f3 . Hàm lượng ion Nd3+
rất ít trong tinh thể Yttrium Aluminium Garnet nên bỏ qua tương tác của các ion Nd3+ với nhau mà nó chỉ chịu tác dụng của trường tinh thể Y3Al5O12, dưới tác dụng của trường tinh thể thì ion Nd3+ có sơ đồ các mức năng lượng trong Y3Al5O12 như sau :
- Mức 1 hay còn gọi là mức cơ bản kí hiệu là 4
9/ 2
I , trong mức cơ bản này cũng có nhiều mức con sát nhau nên ta có thể xem chúng gần như cùng nằm trong một mức. Thời gian sống của hạt trên mức này khá lâu.
- Mức 2 gồm nhiều mức do hiệu ứng Stark (6 mức có hiệu năng lượng so với mức cơ bản kéo dài từ 2,001cm-1 đến 2,526cm-1), nhưng xác suất dịch chuyển của các hạt ở mức trên về 4
11/ 2
I lớn nhất và sự suy biến của các mức con giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức 4
11/ 2
I . Mức 4 11/ 2
I gần mức cơ bản nhất và có hiệu mức năng lượng là 2000cm-1. Theo phân bố Bolztmann thì trong trạng thái nhiệt độ phòng mức năng lượng 4
11/ 2
I hầu như trống rỗng. - Mức 3 là 4
3/ 2
F , để tạo ra laser thì phải tạo được sự nghịch đảo mật độ giữa mức này và mức 2. Mức 3 có thể tách thành 2 mức con với hiệu mức năng lượng là 11,502 cm-1 và 11,414 cm-1. Thời gian sống của hạt ở đây khoảng 5,5.10-4 s - Mức 4 gồm hai dải rộng : + Dải thứ nhất là 4 4 3/ 2, 7 / 2 S F + Dải thứ hai là 4 2 5/ 2, 9/ 2 F H
Hai trạng thái này không bền, thời gian sống ngắn lại rất gần với mức 3 nên hạt dễ dàng dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3.
Phổ hấp thụ của Laser Nd: YAG rất rộng gồm có 7 bước sóng chính phân bố thành 3 vùng chủ yếu nằm trong vùng hồng ngoại :
- Vùng A: do các mức con ở dải 4 4
3/ 2, 7 / 2
S F chuyển về nằm ở lân cận bước
sóng 0,75µm Hình 49: Sự tách mức năng lượng của 4 3/ 2 F và4 11/ 2 I
- Vùng B: do các mức con ở 4 2 5/ 2, 9/ 2
F H chuyển về nằm ở vùng lân cận 0.8
m
µ
- Vùng C: do các mức ở 4F3/2 chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9µm.
Laser Nd: YAG hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng, các mức được phân thành như ở các mức năng lượng của ion Nd3+, mức 1 đóng vai trò là mức cơ bản, mức 2 là mức laser dưới, mức 3 là mức laser trên, mức 4 là mức kích thích. Quá trình nghịch đảo mật đội cư trú thực hiện theo cơ chế sau:
- Nhờ vào quá trình bơm, ta sẽ bơm ở hai bước sóng chính là 730 nm và 800 nm để các hạt từ mức cơ bản nhảy lên mức 4.
- Sau đó vì thời gian sống của điện tử trên mức này bé, và mức 3 sát với mức 4 nên các hạt dịch chuyển không bức xạ về mức 3.
- Tại mức 3 thời gian sống ở mức 3 lớn hơn ở mức 4 nên hạt ở lại ở mức 3 một thời gian rồi mới dịch chuyển về mức 2, vậy N3>N2 ta đã có được sự nghịch đảo mật độ cư trú. Hạt ở mức 3 ở trạng thái siêu bền với thời gian sống cỡ 230µs.
- 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. Trong đó thì dịch chuyển từ 4
3/ 2
F về 4 11/ 2
I mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064µm, bước
Hình 50: Sơ đồ 4 mức năng lượng của laser Ti: Sapphire
sóng này được sử dụng rất nhiều khi đưa Laser Nd: YAG vào ứng dụng trong cuộc sống.
Ở 3000K phổ phát xạ của Laser Nd: YAG gồm dải rộng có 7 vạch rõ nhất trong đó có hai vạch sáng nhất ứng với bước sóng 1,0615µm và 1,0642µm. Tất
cả có 18 vạch được trình bày ở bảng 2 sau :
Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ (µm) Cường độ tương đối %
4 3/ 2 F về 4 9 / 2 I 0,8910 0,8999 0,9385 0,9460 25 4 3/ 2 F về 4I11/ 2 1,0521 1,0615 1,0624 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 60 4 3/ 2 F về 4I13/ 2 1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 14 4 3/ 2 F về 4 13/ 2 I 1,833 1
Bảng 2 : Sự dịch chuyển và bước sóng của 18 vạch phổ phát xạ Laser Nd : YAG
Khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng của Laser Nd: YAG phát ra cũng thay đổi theo. Ở nhiệt độ phòng thì bước sóng Laser Nd: YAG phát ra bước sóng 1,0642µm. Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như:
Laser Nd: YAG có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số bơm. Nếu ta bơm với tần số nhỏ thì Laser Nd: YAG phát ở chế độ xung, còn tần số lớn hơn thì nó phát ở chế độ liên tục. Khi ta sử dụng phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng và khóa mode thì Laser Nd: YAG có thể phát ra xung laser ngắn.