6. Phương pháp nghiên cứu
3.5.2.2. 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. 3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG
a) Môi trường hoạt chất
Môi trường hoạt chất của laser Yb: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi ion Yb3+. Y3Al5O12
đóng vai trò là chất nền, ion Yb3+ 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 Yb3+. Nồng độ ion Yb3+ pha vào chiếm khoảng 6.5%, rất lớn so với laser rắn khác sử dụng chất nền là YAG. Số ion Yb3+
trên một đơn vị khối lượng: 8.97 ×
1020/cm3. Nồng độ ion Yb3+ rất lớn nên ta không thể bỏ qua tương tác giữa các ion Yb3+, vậy các ion Yb3+ ngoài
tương tác với nhau chúng còn chịu tác dụng của trường tinh thể chất nền.
b) Buồng cộng hưởng
- Buồng cộng hưởng của laser Yb: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học.
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.
c) Nguồn bơm
Laser Yb: YAG hoạt động ở sơ đồ 3 mức năng lượng. Để laser này hoạt động thì cần bơm ở hai bước sóng 968 nm và 941 nm. Vạch 941 nm thường được ưu tiên để bơm bằng diode vì nó có cường độ lớn. Dùng laser GaAs hoặc laser InGaAs để bơm dọc tại bước sóng 943 nm rất tốt, cũng có thể bơm bằng laser Ti: Sapphire. Hiệu suất quang rất cao gần 60% do hiệu suất bơm lượng tử cao: 91.5% p q p h n h λ ν ν λ = = =
Với λp,λ lần lượt là bước sóng bơm và bước sóng hấp thụ, nq là
hiệu suất bơm lượng tử.
3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG
Hình 51 mô tả đơn giản sơ đồ các mức năng lượng của laser Yb: YAG. Ion Yb3+ không những tương tác với các ion khác mà còn chịu tác động của trường tinh thể. Để đơn giản ta xem ba mức năng lượng của ion Yb3+ gồm có:
- Mức 1 là mức cơ bản
- Mức 2 hay còn gọi là mức laser dưới, thời gian sống ở đây rất bé. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F7/2 là
mức chính vì ion nhảy từ năng lượng kích thích chủ yếu về mức này.
- Mức 3 là mức siêu bền hay là mức laser trên. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F5/2 là mức chính vì ion khi hấp thụ thì ưu
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
Hình 51: Sơ đồ các mức năng lượng của laser Laser Yb: YAG:
tiên nhảy lên mức này. Thời gian sống của ion Yb3+ ở đây cỡ 1,16ms, chứng tỏ mức này có khả năng tích trữ tốt.
Cơ chế hoạt động của laser Yb: YAG có thể mô tả như sau : ion ở mức cơ bản hấp thụ hai bước sóng bơm 968 nm và 941 nm và dịch chuyển lên mức 3, do thời gian sống ở mức 3 cao hơn mức 2 nên xảy ra sự nghịch đảo mật độ giữa hai mức này. Sau đó ion nhảy về mức 2 với số lượng lớn (tức khuếch đại) và phát ra laser. Tuy phát ra nhiều bước sóng (do ở mức 2 và 3 có các mức con) nhưng có một bước sóng phát ra với cường độ lớn nhất đó là bước sóng 1.03
m
µ tại nhiệt độ phòng. Độ rộng phổ phát xạ khoảng 86 cm-1, rất rộng. Bước sóng phát ra thay đổi do nhiệt độ. 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. Công suất phát của laser khoảng 50W.
3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG
o Ưu điểm
So với Laser Nd: YAG thì laser Yb: YAG có những tính chất tốt hơn như sau: - Khuyết tật lượng tử rất thấp p 9% p h h h ν ν ν −
≅ , do đó sự nóng lên của thanh
hoạt chất chậm hơn thanh hoạt chất của laser Nd: YAG nên mất mát trong quá trình phát ít hơn.
- Thời gian sống của trạng thái siêu bền lâu nên Yb: YAG là môi trường tốt cho việc biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng.
- Mức pha tạp cao 6,5% nên tương tác giữa ion và ion làm mất phổ huỳnh quang.
- Phát xạ cưỡng bức yếu cho phép năng lượng cao được tích trữ trước khi giải phóng.
o Nhược điểm
Hạn chế của laser Yb: YAG là ngưỡng bơm cao do hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Phát xạ kích thích yếu.
3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác
Cũng giống như Neodymi các nguyên tố đất hiếm như: Dyprozi (Dy3+), Samari (Sm2+), Erbium (Er2+), Holmi (Ho3+), Praseodym (Pr3+) cũng được sử dụng làm hoạt chất cho laser. Các ion đất hiếm này được pha vào chất nền như: CaF2, YAG, CaWO4...
Nghịch đảo nồng độ ion đất hiếm được thực hiện theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên ngưỡng bơm khá nhỏ.
Bảng 3 sau trình bày bước sóng và sự dịch chuyển công tác của một số
laser dùng nguyên tố đất hiếm làm hoạt chất. Nguyên tố đất hiếm Kí hiệu ion Dịch chuyển công tác Bước sóng ( m µ ) Dysprosi Dy3+ 5 5 7 8 I → I 2,36 Samari Sm3+ 5 7 0 4 D → F 0,7 Erbium Er2+ 4 4 13/ 2 15/ 2 I → I 1,61 Holmi Ho3+ 5 5 7 8 I → I 2,05 Praseodym Pr3+ 4 3 4 4 G → H 1,05
Bảng 3: Đặc tính dịch chuyển công tác của một số ion đất hiếm.
Phổ hấp thụ của hoạt chất gồm nhiều dải và không rộng lắm. Các laser này phát ra bước sóng trong vùng hồng ngoại. Nó có thể hoạt động ở chế độ xung hoặc liên tục tùy vào tần số bơm. Hiệu suất của các laser này rất thấp, chỉ khoảng vài phần nghìn. Ở chế độ liên tục thì thanh hoạt chất có kích thước nhỏ, công suất bơm ngưỡng khoảng 1kW. Để nâng cao hiệu suất bơm và giảm công suất bơm ngưỡng người ta cho thêm vào chất nền ion Cr3+ vì những ion này sẽ
mở rộng dải phổ hấp thụ của các nguyên tố đất hiếm. Việc làm này chỉ có hiệu quả tốt nhất khi phát ở chế độ liên tục.
3.6. Laser Tm:Ho: YAG
Thông thường laser rắn gồm một chất nền và một tạp chất pha vào làm hoạt chất phát laser. Để thay đổi hoạt động của laser này thì ta có thể thay thế các hoạt chất khác nhau hoặc có thể thay thế chất nền. Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng chỉ pha vào chất nền một hoạt chất mà có thể pha vào nhiều chất làm hoạt chất, laser Tm:Ho:YAG là một ví dụ. Với laser này người ta pha thêm vào chất nền 2 chất làm tâm phát laser đó là Tm và Ho. Ngoài ra tinh thể YAG có một số ion Al3+ được thay thế bởi ion Cr3+. Khi pha tạp tâm hoạt chất vào thì cả hai ion Tm3+ và Ho3+ chiếm vị trí của Y3+ trong mạng tinh thể. Đặc trưng nồng độ của Tm rất cao từ 4- 10 %, trong khi đó nồng độ của ion Ho nhỏ. Nồng độ ion Tm3+ khoảng 8.1020ion/cm3, của ion Ho3+ khoảng 0,5.1020ion/cm3.
Quá trình phát laser được mô tả như hình 52
Với loại laser này, tùy vào quá trình bơm laser sẽ hoạt động khác nhau:
- Khi bơm bằng đèn chớp, Cr3+ nhận được năng lượng bơm thì nó
dịch chuyển của ion Cr3+ từ 4 4
2 2
A → T và 4 4
2 1
A → T , sau đó ưu tiên dịch chuyển
không bức xạ xuống mức 3F4 của ion Tm3+ do tương tác giữa các ion với nhau. - Khi bơm liên tục bởi đèn diode, mức 3F4 của ion Tm3+ được bơm trực tiếp bởi laser bán dẫn AlGaAs tại bước sóng 785 nm, khi đó việc pha tạp ion Cr3+ không cần thiết.
- Khi bơm cả đèn chớp và đèn diode, do quá trình hồi phục với các ion bên cạnh thì mức kích thích 3F4 của ion Tm3+ dịch chuyển
dưới dạng
3 3 3
4 6 4
( ) ( ) 2 ( )
Tm F +Tm H → Tm H . Quá
trình biến đổi này làm cho một ion Tm bị kích thích ở trạng thái 3F4
thành 2 ion bị kích thích, các ion này ở trạng thái 3H4 bên cạnh. 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. Hạt dịch chuyển đến mức 5I7 của Ho sau đó ion Ho3+ phát ra laser khi chuyển từ
5 5
7 8
I → I . Thực tế laser xuất hiện giữa các mức con nhỏ nhất của 5I7 (mức này có hiệu năng lượng với mức cơ bản là gần 462 cm-1) với mức 8I5 phát ra bước sóng 2,08µm. Khi không pha tạp Ho, thì trong tinh thể có sự dịch chuyển của Tm từ
3 3
4 6
H → H phát ra bước sóng 2,02µm.
Khi bơm bằng đèn chớp, môi trường hoạt chất là một thanh có kích thước giống như của thanh Er: YAG và Nd: YAG (với đường kính là 6mm thì thanh có chiều dài 7,5mm).
Các thông số đặc thù của laser này là: phát với năng lượng 1J trong một khoảng thời gian xung là 200µs, hiệu suất 4%, áp suất dưới 10Hz. Khi bơm
bằng diode, người ta thường bơm dọc làm cho ion Tm3+ hấp thụ mạnh bước sóng bơm. Môi trường hoạt chất phải được làm lạnh ở nhiệt độ thấp trong khoảng -100C đến -400C để làm giảm bớt mật độ cư trú của mức laser dưới.
Hình 52: Sơ đồ các mức năng lượng của Cr:Tm:Ho:YAG
Laser này có nhiều ứng dụng thú vị trong lĩnh vực sinh học, vì các lớp mô hấp thụ mạnh quanh bước sóng 2µm.
3.7. Ứng dụng của Laser rắn
Vào thời điểm được phát minh năm 1960, và đến nay laser trở nên phổ biến. Laser được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y tế, công nghiệp, hàng không, quân sự, hàng hải,... và mang lại cho con người nhiều lợi ích quá sức tưởng tượng. Đối với mỗi loại laser có công suất khác thì nó được ứng dụng khác nhau. Laser rắn vừa có công suất thấp vừa có công suất cao nên nó được ứng dụng rất rộng rãi. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. 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, …
3.7.1 Gia công vật liệu
Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng, có cường độ lớn và tập trung vào một điểm. Người ta thường dùng các laser rắn sau để gia công vật liệu: laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm.
• Cơ chế bóc vật liệu
Cơ chế bóc vật liệu khi gia công bằng tia laser được trình bày ở hình bên. Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên
bề mặt chi tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, hoặc bốc hơi. 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. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu.
Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết.
Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu.
• Cắt và khắc kim loại
Hình 53: Cơ chế bóc 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, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ. Đây điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung
cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser. 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. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia
laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. Người ta sử dụng Laser Nd:YAG. Ưu điểm của laser này là: Thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ. Cắt tốt các vật liệu có hệ số phản xạ cao, như hợp kim của đồng hay hợp kim của bạc. Nếu sử dụng sợi cáp quang thì sẽ di chuyển mũi cắt một cách dễ dàng. Nhược điểm là không thể cắt các vật liệu là hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh. Công suất nhỏ.
Các phương pháp cắt:
- Phương pháp đột biến về nhiệt.
- Cắt bằng khoan: thường dùng cắt các vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh…
- Phương pháp đốt nóng chảy và thổi. - Phương pháp bay hơi.
- Phương pháp cắt nguội
Ưu điểm cắt bằng laser: Cắt được hầu hết các loại vật liệu, cả các vật liệu có từ tính cũng như không có từ tính. Rãnh cắt sắc cạnh, có độ chính xác cao. Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ. Không biến dạng cơ học và biến dạng nhiệt ít. Tốc độ cắt nhanh. Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao năng suất. Không gây tiếng ồn, không gây ô
nhiễm môi trường làm việc bởi bụi.
Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất của nguồn laser).
Tương tự như cắt người ta còn sử dụng laser để khắc lên kim loại. Khắc bằng laser cho phép độ chính xác, tinh vi cao hơn dùng phương pháp khác.