6. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.2.1. Đặc điểm chung của laser rắn
Laser rắn là máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt tính của nó làm bằng tinh thể hay chất cách điện vô định hình. Môi trường hoạt tính gồm có hai thành phần:
a. Vật liệu cơ bản của môi trường – được gọi là khuôn đúc. Khuôn đúc này là tinh thể hay chất vô định hình như Al2O3, CaF2, CaWO4, LaCl3, thủy tinh Ba…dùng để chứa chất tạp ion có tính hoạt hóa chứ không tham gia trực tiếm những quá trình vật lý của laser.
b. Chất tạp ion có tính hoạt hóa – chủ yếu là các ion thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm như Sm2+, Dy2+, Tu2+, Nd3+… Bức xạ cảm ứng xảy ra do dịch chuyển giữa các mức năng lượng của ion hoạt hóa này. Hàm lượng của chúng thường rất nhỏ. Khi tăng lượng ion hoạt hóa lên sẽ tăng nồng độ hạt, cho ta lợi về mặt công suất, nhưng mặt khác lại giảm thời gian sống của các mức làm việc của các ion hoạt hóa. Vì vậy, hàm lượng tối ưu của chúng trên dưới một vài phần trăm. Ion hoạt hóa phải đảm bảo 2 tính chất cơ bản: thứ nhất, có thể đưa nó vào thay thế ion của khuôn tinh thể hay khuôn thủy tinh mà không phá vỡ độ bền cơ học, nhiệt, tính đồng nhất quang học vủa môi trường hoạt tính; thứ 2, phải có phổ hấp thụ bức xạ bơm khá rộng.
Khi nghiên cứu laser rắn, cần chú ý tới các đặc tính của nó như sau:
1. Nồng độ ion hoạt tính trong môi trường rắn lớn hơn rất nhiều nồng độ của hạt trong môi trường khí. Vì vậy, mật độ mức năng lượng trong laser rắn đặc biệt lớn. Từ đó dễ hiểu rằng, giá trị tuyệt đối mật độ đảo lộn có thể rất lớn so với trong môi trường khí và môi trường hoạt tính chất rắn phải được đặc trưng bằng hệ số khuếch đại lớn.
Tiểu luận lý thuyết LASER 2. Chất rắn có sự đồng tính quang học rất kém so với môi trường khí. Điều đó dẫn tới sự mất mát trong thể tích do tán xạ, hạ thấp hiệu suất của hệ cộng hưởng khi môi trường kích hoạt dài. Thường độ dài của nó không quá 50 – 60 cm. Góc phân kỳ của chùm bức xạ laser rất lớn – thường hàng chục phút.
3. Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt có độ rộng lớn. Vạch bức xạ tự phát (huỳnh quang) và vạch phát chồng lên nhau trong một dãy phổ rộng.
4. Khả năng thành lập sự đảo lộn trong laser rắn, về nguyên tắc, khác với trong laser khí hay laser bán dẫn – nó không thể liên quan tới dòng điện chạy qua chất rắn cách điện được, ở đây phải dùng bơm quang học.
Bộ phận chủ yếu của laser rắn là lõi rắn hoạt tính bằng tinh thể hay thủy tinh có dạng hình trụ hay hình hộp chữ nhật.
Mặt phản xạ thường được chế tạo trực tiếp lên hai đáy của thỏi. Để một đáy có độ phản xạ tốt hơn, thỉnh thoảng được dùng hiện tượng phản xạ toàn phần. Muốn vậy góc φ phải thõa mãn điều kiện:
1 2 arccos
n
với n là chiết suất môi trường hoạt tính.