6. Phương pháp nghiên cứu
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
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
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
Hình 52: Sơ đồ các mức năng lượng của Cr:Tm:Ho:YAG
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
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
8
I5 phát ra bước sóng 2,08m. 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 2,02m.
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 200s, 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.
Laser này có nhiều ứng dụng thú vị trong lĩnh vực sinh học, vì các lớp
mô hấp thụ mạnh quanh bước sóng 2m.