I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LASER RẮN 1.1: Đặc điểm
T 2 > T
2> T 1 2 2’ 3 T1 T 2 N1 N ρb exp(-E2/ KT1) exp(-E 2/ KT 2) ρb* (ρb*)
Trong laser Nd: YAG để tạo nghịch đảo nồng độ người ta dung bơm quang học, tức là dựng nguồn bức xạ ngoài chiếu vào hoạt chất. Cỏc hạt của hoạt chất sẽ hấp thụ bức xạ bơm và chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch. Khi đú phổ bức xạ bơm phải được chọn để chủ yếu tớch lũy cho mức trờn.
Muốn nghịch đảo đủ lớn để cú được bức xạ (∆N > ∆N*) thỡ nguồn sỏng phải cú cường độ lớn. Độ sỏng ngưỡng thường khoảng vài chục W/cm2 đối với hệ 3 mức. Cường độ sỏng đú dễ dàng đạt được ở chế độ xung, vỡ vậy mà lỳc đầu mới chỉ xuất hiện ở laser xung, sau này do hoàn thiện cụng nghệ hoạt chất, giảm được độ sỏng ngưỡng người ta mới chế ra laser làm việc ở chế độ liờn tục. Hoạt chất khi đú phải rất bền vững nhiệt, cú độ nghịch đảo ngưỡng nhỏ, và phải được làm lạnh tốt.
Hệ thống bơm quang học thường gồm đốn bơm, hệ thống phản xạ để hội tụ ỏnh sỏng vào hoạt chất. Hiệu suất của hệ thống bơm cú thể xỏc định bằng:
Phổ của đốn Xenon xung khi mật độ dũng phúng điện lớn gần giống phổ của vật đen lý tưởng.
Trong quỏ trỡnh phúng điện của tụ qua đốn, điện ỏp trờn đốn U, dũng điện I và cụng suất bức xạ P sẽ biến đổi như biểu diễn trờn hỡnh 3.4.
ηb = Thông lượng bức xạ do hoạt chất hấp thụ Công suất đèn bơm
0 50 100 150 200 t (ms)1 1 2 U, i, P U i P
Hỡnh3.4 : Sự thay đổi của U, I, P theo thời gian trong nguồn bơm
Bức xạ lỳc đầu tăng nhanh sau giảm dần. Thời gian τxung phụ thuộc vào nhiều yếu tố, vớ dụ τxung sẽ lớn khi đốn cú chiều dài lớn. Khi tăng điện ỏp phúng điện thỡ τxung cũng tăng nhưng tăng rất chậm. Đối với những tần đoạn khỏc nhau của phổ bức xạ τxung cũng cú thể khỏc nhau.
Năng lượng cực đại một lần phúng của đốn phụ thuộc vào cấu tạo của đốn. Chỉ cú khoảng 20- 30% năng lượng của nguồn chuyển thành năng lượng bức xạ, phần cũn lại đều ở dạng nhiệt. Vỡ vậy trong thời gian xung đốn phải chịu tải về nhiệt rất lớn, rất cú thể làm nứt và làm hỏng đốn. Do đú ống phúng thường được làm bằng thạch anh cú độ dẫn nhiệt lớn, độ bền nhiệt cao. Năng lượng xung khụng lớn và tần số xung nhỏ thường do nguyờn nhõn về nhiệt này.
Tụ cao ỏp C được tớch điện qua biến thế nõng ỏp và đốn chỉnh lưu (hỡnh 3.5) điện ỏp tớch cú thể nhỏ hơn điện ỏp phúng điện của đốn xung (hỡnh 3.5a ). Đốn được kớch thớch phúng điện bằng một tớn hiệu từ mạch điều khiển đưa vào điện cực thứ ba của đốn. Trong hỡnh 3.5b tớn hiệu điều khiển được đưa vào lưới của đốn Tiatron hoặc Thyristo nối tiếp với đốn phúng điện. Khi tụ điện phúng qua đốn sẽ tạo một xung bức xạ rất lớn dựng để bơm quang học. Năng lượng phúng điện chủ yếu do điện dung của tụ và điện ỏp tớch điện xỏc định: Eg= 1/2 CU2
Hỡnh 3.5 : Nguồn bơm quang học
u(t) D C a) u(t) D C b)
Trong thực tế ở những nguồn xung cụng suất lớn người ta hay dựng một bộ gồm nhiều tụ để cú điện dung tổng khoảng vài nghỡn microfara và được tớch tới điện ỏp kilovolt. Phổ của phúng điện xung thường gồm rất nhiều vạch và dớnh liền nhau tạo thành phổ liờn tục, phổ kớn của cả một dải súng. Trờn hỡnh 3.6 giới thiệu phổ phúng điện xung của đốn xenon ở dải hồng ngoại gần và dải ỏnh sỏng nhỡn thấy.
Để bơm quang học cho laser rắn làm việc ở chế độ liờn tục người ta thường dựng đốn hơi thủy ngõn phúng điện hồ quang. Đốn phải được làm lạnh bằng nước, cú ống phúng với đường kớnh khỏ nhỏ chỉ cỡ 1ữ2 mm. Khi đốn làm việc, ỏp suất hơi thủy ngõn trong ống đạt tới 100 atm. Phổ bức xạ của đốn giống phổ bức xạ của đốn xung và là phổ đầy trong dải tần rất rộng. Khi tăng ỏp suất lờn thỡ những vạch phổ rời rạc sẽ biến thành phổ liờn tục. Hiện nay để bơm trong chế độ liờn tục người ta dựng đốn phúng điện Xenon cụng suất lớn. Phúng điện xảy ra giữa hai cực lạnh đặt gần nhau trong hỡnh trũn bằng thạch anh. Phổ bức xạ khi đú chứa nhiều dải khỏ mạnh ở λ≈ 1àm và một nền rất đều đặn.
Hỡnh3.6 : Phổ phúng điện xung, phổ liờn tục và phổ bức xạ cụng suất lớn của đốn xenon