6. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Môi trường hoạt chất
Môi trường hoạt chất là một môi trường khuếch đại gồm rất nhiều nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất ba hay bốn mức năng lượng để tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Môi trường hoạt chất cho phép một số lượng lớn nguyên tử được kích hoạt lên trên trạng thái cơ bản để có thể xảy ra phát xạ cưỡng bức. Môi trường hoạt chất là yếu tố chính quyết định bước sóng và các tính chất của tia laser. Có hàng trăm chất có thể làm môi trường hoạt chất. Các loại laser thường
được đặt tên theo môi trường hoạt chất. Mỗi loại laser khác nhau thì sử dụng môi trường hoạt chất khác nhau. Ví dụ:
• Laser lỏng: sử dụng chất màu và các dung môi như metan, etan, chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và florescen). Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser.
Hình 14: Sơ đồ máy phát laser
1) Buồng cộng hưởng 2) Nguồn bơm 3) Gương phản xạ toàn phần 4) Gương bán mạ 5) Tia laser 6) Thanh hoạt chất Hình 15: Máy phát laser
• Laser khí: sử dụng khí đơn nguyên tử, ion khí đơn nguyên tử, phân tử, hoặc hỗn hợp khí đơn nguyên tử hay hỗn hợp phân tử. Ví dụ như Argon, Krypton, CO2, Excimer Argon-Fluorua, He-Ne...
• Laser rắn: sử dụng tinh thể hoặc thủy tinh được pha thêm tạp chất. Các tạp chất thường là Sm3+, Eu3+, Nd3+, Cr3+, Ti3+... Chất nền thường là YAG(Ytri, nhôm và Garnet), YLF(Ytri, Liti, flo), oxit nhôm (Al2O3), gương silica...
• Laser bán dẫn: thường dùng chất phát quang như GaAs, PbS, PbTe... 2.4.2. Nguồn bơm của Laser
Nguồn bơm của laser là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú.
Tùy theo các loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường hoạt chất của laser đó là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường. Ta có thể phân thành các loại sau:
- Kích thích bằng ánh sáng, bơm quang học, đây là loại kích thích phổ biến. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. Có thể kích thích bằng nguồn sáng kết hợp và không kết hợp. Ví dụ: Laser Nd:YAG, laser Ruby dùng ánh sáng hội tụ từ đèn nháy Xenon.
- Kích thích bằng dòng điện, bằng va chạm điện tử: dùng điện trường cao kích thích hạt truyền năng lượng cho tâm hoạt chất nhờ quá trình va chạm. Phương pháp này chủ yếu dùng cho laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí, dòng điện truyền năng lượng cho điện tử, năng lượng này được gia tốc và truyền cho nguyên tử hoạt chất để các nguyên tử này nhảy lên mức năng lượng cao hơn.
- Kích thích bằng laser khác: dùng laser để kích thích hoạt chất nhảy mức năng lượng.
- Kích thích bằng phản ứng hóa học: được dùng cho laser hóa học. - Kích thích bằng khí động học.
2.4.3. Buồng cộng hưởng Laser
Khi môi trường hoạt chất đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống phản hồi quang học để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Đó chính là buồng cộng hưởng quang học.
2.4.3.1 Cấu tạo
Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất. Hai gương này được đặt đồng trục. Mỗi lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi trường hoạt chất, tổng năng lượng ánh sáng đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ kích thích. Phát xạ tự phát (xảy ra ngẫu nhiên theo tất cả các hướng) ít khi đập vào gương, do đó không được khuếch đại. Để giải phóng ánh sáng ánh sáng đã được khuếch đại ra ngoài người ta dùng một gương phản xạ toàn phần và một gương phản xạ một phần. Một phần sóng ánh sáng đập vào gương thứ hai được phát ra dưới dạng chùm tia laser. Độ phản xạ của gương được lựa chọn để đạt được độ khuếch đại cao ở từng hệ thống laser. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu.
Gương được sử dụng trong buồng cộng hưởng không phải gương thông thường (vì gây ra mất mát lớn) mà sử dụng gương quang học. Gương này phải đảm bảo tổn hao trên các bề mặt quang học là bé nhất. Thông thường người ta sử dụng gương được mạ bạc, mạ nhôm và mạ vàng. Quá trình chế tạo gương rất công phu, phải phun thật đều để tránh mất mát lớn khi ánh sáng đập vào. Hiện
nay gương mạ kim loại được thay thế bằng gương điện môi nhiều lớp. Vì nó có ưu điểm nổi bật hơn.
Buồng cộng hưởng có rất nhiều dạng khác nhau, tùy vào loại laser để chọn buồng cộng hưởng thích hợp. Nhưng chiều dài buồng cộng hưởng phải đảm bảo bằng nguyên nửa lần bước sóng:
2
k L= λ
2.4.3.2 Chức năng
Buồng cộng hưởng có hai chức năng chính:
o Khuếch đại ánh sáng
Môi trường hoạt chất có khả năng khuếch đại tín hiệu theo quy luật hàm mũ nhưng độ khuếch đại không lớn. Muốn độ khuếch đại lớn lên phải tăng quãng đường đi của tia sáng. Đó chính là chức năng của buồng cộng hưởng, nó phản xạ ánh sáng nhiều lần làm quãng đường đi của tia sáng tăng lên. Cường độ phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Gương ra luôn luôn truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở vào hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép laser đạt tới trạng thái cân bằng, với các mức công suất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên không đổi. Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser. Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ các gương sẽ giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Do đó chiều dài buồng cộng
Hình 16: Một số loại buồng cộng hưởng
hưởng phải bằng nguyên nữa lần bước sóng mới có thể tạo ra giao thoa tăng cường, khuếch đại ánh sáng lên.
o Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp
Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế buồng cộng hưởng và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế buồng cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng cách cho trước. Xét cấu hình đơn giản nhất của buồng cộng hưởng gồm hai gương phản xạ song song nhau. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của buồng cộng hưởng. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Vậy buồng cộng hưởng là nhân tố quyết định đến việc hình thành các tính chất cơ bản của laser. Buồng cộng hưởng phải được thiết kế sao cho sóng ánh sáng lan truyền ra khỏi buồng cộng hưởng có tính định hướng cao, là sóng kết hợp, và có tính đơn sắc.
2.4.3.3. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng
Một trong những đại lượng đặc trưng cho buồng cộng hưởng là phẩm chất của buồng cộng hưởng được kí hiệu: Q
Đây là hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng, nó được tính theo công thức:
1 2 4 (1 ) L Q R R π λ = − ,
trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng, λ là bước sóng của laser,
R R1, 2 lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương.
Muốn tăng hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài của buồng, tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương.
Có nhiều nguyên nhân làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng quang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song của gương, độ nhám của mặt gương... Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìm cách khắc phục được những nhược điểm đó.
2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng
Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết hợp nhất nhưng nó không đơn sắc hoàn toàn. Tất cả các laser đều tạo ra ánh
sáng trong một dải tần số nào đó. Dải tần số hoạt động của laser được xác định chủ yếu bởi môi trường hoạt chất và được gọi là dải tần số khuếch đại. Nhân tố thứ hai xác định tần số phát xạ của laser là buồng cộng
hưởng. Do ánh sáng là sóng, khi bị giữ giữa
hai gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành
có tần số mà buồng cộng hưởng cho phép duy trì, tất cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa. Đối với buồng gồm hai gương phẳng, các mode được phép là các mode có bước sóng là ước của khoảng cách L giữa hai gương, tức là
2
k L= λ
với k là một số nguyên được gọi là bậc mode. Trong thực tế, khoảng cách L thường lớn hơn nhiều bước sóng ánh sáng λ, do đó giá trị của k rất lớn (khoảng 105 đến 106). khoảng cách tần số giữa hai mode liên tiếp bất kỳ k và k+1; cho bởi công thức: 2 c L ν ∆ = .
Độ rộng của các mode được viết theo công thức: 1/ 2 ( 1 2) 1 1 2 2 c R R L ν π ∆ = − .
Mỗi mode dọc có độ rộng tần số nào đó nhưng nhỏ hơn nhiều khoảng cách tần số giữa các mode. Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm. Những phân bố có khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn).
2.5. Đặc điểm của chùm tia Laser
2.5.1. Tính chất vật lý
2.5.1.1. Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương (do cơ cấu của buồng cộng hưởng), các tia
Laser phát ra hầu như song song với nhau (góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Sau khi ra khỏi gương chùm Laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ với góc nhiễu
xạ θ d
λ
∆ = , λ là bước sóng Laser, d là đường kính gương. Và chùm tia bức xạ trong một góc khối: 2 2 2 ( θ) d λ ∆Ω = ∆ = .
Giá trị góc khối này rất nhỏ nên độ định hướng phương cao có thể chiếu đi rất xa đến hàng nghìn kilomet mà không bị tán xạ, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.
2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao
Các tia sáng của laser có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm ánh sáng. Phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Khi độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này. Do vậy chùm laser ít bị tán xạ (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
Ngoài ra, ánh sáng đơn sắc không bị ảnh hưởng bởi sắc sai ở các hệ thấu kính. Do đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn so với ánh sáng trắng.
2.5.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn
Xung ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs) cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồn sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn
Cường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định. Cường độ sáng phụ thuộc vào các tính chất sau:
o Tính đồng hướng
Laser phát ra một chùm sáng hẹp tỏa ra rất chậm. Laser chỉ khuếch đại những photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương. Quá trình này là một cơ chế rất hiệu quả cho ánh sáng chuẩn trực. Ở một laser điển hình, sau mỗi quãng đường 1 m thì đường kính chùm tia tăng thêm khoảng 1 mm. Tính đồng hướng giúp cho dễ dàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng thành một điểm nhỏ.
o Tính đồng pha
Đồng pha nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng pha. Biên độ, pha của sóng được lặp lại giá trị của chính mình và không biến đổi trong mặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình sóng truyền đi và về giữa hai gương phản xạ. Khi chiếu laser lên một mặt thô thì thu được một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser. Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều. Tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân giao thoa trong giao thoa kế.
o Phân cực
Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng. Phân cực là một khía cạnh khác của tính đồng pha. Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ.
2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser.
Một bức xạ Laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc và tính đẳng pha của mặt sóng. Các Laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng nên chúng có bậc kết hợp không- thời gian cao. Tính hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với độ đơn sắc của sóng Laser. Tính kết hợp không gian được thể hiện rõ trong hiện tượng giao thoa, hình ảnh giao thoa rõ ràng chứng tỏ tính kết hợp của chùm Laser.
Tóm lại, đồng hướng, phân cực, đồng pha và một phần tính đơn sắc đã bổ
sung cho đặc tính quan trọng của laser, đó là cường độ ánh sáng. Mặt trời có