6. Phương pháp nghiên cứu
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
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- 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 3,2s
tại 300K.
- Mức 2: 2E gọi là trạng thái kích thích,
mức này gồm 2 mức nhỏ.
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:
Hình 43: Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire
Hình 42: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti3+
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- Khi bơm với bước sóng thích hợp thì hạt từ
trạng thái cơ bản A chuyển lên trạng thái kích thích C
và D.
- 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
Hình 45: Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire
Hình 44: Trạng thái năng lượng và cơ chế phát laser
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
điều biến độ phẩm chất cho laser này người ta thường sử dụng bộ điều biến
quang âm.