6. Phương pháp nghiên cứu
3.5.1. Laser Nd:YAG
Laser Nd: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-
Garnet được phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường
hoạt chất, nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Laser Nd: YAG có sức xuyên sâu (trên 1mm) Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps). Nó có thể phát liên tục
tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz. Laser Nd: YAG được ứng
dụng nhiều nhất hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực. 3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của
Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó
một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+.
Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một
nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, ký hiệu
của Neodymi là Nd, số nguyên tử bằng 60, nó có 2 electron ở lớp ngoài cùng 6s2 nhưng phân lớp 4f chưa đầy chỉ có 4 electron. Neodymi có cấu
trúc tinh thể là hình lục giác.
Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình lập phương. Nó có độ cứng
khoảng 8-8,5 (theo thang đo Moh) thấp hơn sapphire và ruby. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước
sóng từ 800 nm đến 1400 nm.
3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG a) Môi trường hoạt chất a) Môi trường hoạt chất
Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một
số ion Y3+ được thay thế bởi ion Nd3+. Y3Al5O12 đóng
vai trò là chất nền, ion Nd3+ 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
Hình 46: Thanh Nd: YAG
Hình 47: Phổ hấp thụ của chất nền và nd3+
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
Nd3+. Nồng độ ion Nd3+ pha vào chiếm khoảng 0.5% đến 2%. Thông thường người ta chế tạo thanh Nd:
YAG có đường kính khoảng từ 3- 6mm và chiều dài khoảng 5- 15cm. Số ion Nd3+ trên một đơn vị khối lượng là 1,38 × 1020/cm3.
Thanh Nd: YAG được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau: hình trụ
tròn, hình trụ chữ nhật, hoặc hình trụ chữ nhật một đầu có cắt chóp nhọn.
b) Buồng cộng hưởng
- Buồng cộng hưởng của laser Nd: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học.
c) Nguồn bơm
Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận 0,7m đến 0,9m nên
đèn quang học Krypton hoặc Xenon và laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm
thích hợp nhất.
Nếu dùng đèn quang học để bơm thì áp suất bên trong đèn phải phù hợp
với quá trình phát laser. Với đèn Xenon thì áp suất của đèn khảng 500 Torr đến
1500 Torr, với đèn Kryton thì áp suất đèn khoảng 4 atm đến 6 atm. Khi sử dụng đèn Xenon để bơm thì phải đưa thêm ion Cr3+ vào mạng tinh thể Yttrium
Aluminium Garnet làm chất nhạy hóa, vì ion Cr3+ có dải hấp thụ trùng với phổ
bức xạ của đèn Xenon. Việc này này chỉ tăng được hiệu quả bơm khi laser hoạt động ở chế độ liên tục. Đèn Kryton có thể sử dụng để bơm ở cả hai chế độ xung
và liên tục. Độ chênh lệch công suất bơm liên tục và xung khoảng 3%, trung
bình năng lượng phát của đèn khoảng một vài kW (1- 3 kW)
Nguồn bơm thứ hai là dùng laser bán dẫn để bơm. Nếu bơm dọc và bơm
liên tục thì dùng đèn ở công suất gần 15W, nếu bơm ngang và bơm liên tục thì
Hình 48: Thanh Laser Nd: YAG hình trụ chữ nhật một đầu cắt nhọn
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
dùng ở công suất trên 100W. Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơm đèn
quang học, có thể hơn 10%.
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 Hình 49: Sự tách mức năng lượng của 4 3/ 2 F và4 11/ 2 I
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
+ 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 0,75m
- Vùng B: do các mức con ở 4 2 5/ 2, 9/ 2
F H chuyển về nằm ở vùng lân cận
0.8m
- Vùng C: do các mức ở 4F3/2 chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9m. 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.
Hình 50: Sơ đồ 4 mức năng lượng của laser Ti: Sapphire
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- 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 230s.
- 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 1,064m, bước 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 1,0615m và 1,0642m. Tất
cả có 18 vạch được trình bày ở bảng 2 sau :
Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ (m) Cường độ tương đối % 4 3/ 2 F về 4I9 / 2 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 14
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 1,3381 1,3533 1,3572 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 1,0642m. Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như:
0,914m và 1,35m.
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.
3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG o Ưu điểm o Ưu điểm
- Laser Nd: YAG có độ dẫn nhiệt cao cho phép phát ở nhiều chế độ cả
xung và liên tục, có thể tạo xung laser ngắn (5ps) bằng phương pháp biến điệu
phẩm chất buồng cộng hưởng
- Hiệu suất khá cao cỡ 5% phần trăm.
- Có ngưỡng bơm bé hơn laser Ruby vì nó hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng.
- Công suất của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby rất nhiều lần khi
thanh hoạt chất cùng chiều dài. Ví dụ ở nhiệt độ phòng, với thanh hoạt chất dài 3cm thì laser Nd: YAG có công suất là 360W còn laser Ruby cỡ 200W.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- Hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby 75 lần nên
laser Nd: YAG được sử dụng nhiều hơn laser Ruby.
- Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối
thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y
học.
o Nhược điểm
- So với các loại laser khác thì hiệu suất của Laser Nd: YAG vẫn chưa
cao.
- Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd:
YAG không cao
3.5.2. Laser Yb: YAG 3.5.2.1. Khái niệm 3.5.2.1. Khái niệm
Laser Yb: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-
Garnet được phủ nguyên tố hiếm Ytecbi để làm môi trường hoạt chất, nó phát
bước sóng 1030 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. 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.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
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
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
Với p, 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
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
1.03m 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
Hình 51: Sơ đồ các mức năng lượng của laser Laser Yb: YAG: YAG
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
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 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
, 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