Các loại Laser

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của 1 số loại laser

Common

Lasers

Các Laser thông

dụng

Nội dung

• Giới thiệu chung

• Các loại laser phổ biến (khí, rắn, lỏng, bán dẫn)

Các phương pháp phân loại

• Các tiêu chí phân loại:

– Trạng thái của môi trường hoạt tính: solid, liquid,

gas, plasma, )

Infra-Red (IR) spectrum, etc

Electric pumping, etc

laser: 3-level, 4-level

Các laser khí (Gas Lasers)

• Đặc điểm chung

• Một số hệ laser khí thông dụng

– Laser nguyên tử (He-Ne)

– Laser phân tử (N2, CO2)

– Laser hơi kim loại (Au, Cu)

– Laser Excimer

Các đặc điểm chung của laser khí

• Hầu hết nguyên tố ở trạng thái khí đều có thể phát laser

• Rất nhiều nguyên tử, phân tử có thể phát laser

• Đa số laser khí là áp suất thấp (vài milli-torr)

• Lý do là:

– Để có thể tạo ra sự phóng điện trên một khoảng cách xa giữa các điện

cực

– Để thu được vạch phổ hẹp (không bị mở rộng do va chạm).

• Một số laser khí đặc biệt có áp suất cao (hàng trăm torr)

• Laser khí đầu tiên ( Helium-Neon laser ) được chế tạo năm

1961, một năm sau khi laser đầu tiên trên thế giới ra đời (laser Ruby ).

• Laser khí đầu tiên ( Helium-Neon laser ) phát bước sóng vùng hồng ngoại gần (1152,27 nm, Near Infra-Red)

BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ

BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ

Các nhóm laser khí

medium is composed of neutral gas atoms

composed of ionized gas such as

Argon ion gas or Helium-Cadmium gas

medium is composed of gas molecules,

like Carbon Dioxide (CO2) , Nitrogen (N2) ,

và Donald Herriot tại

Bell Labs phát minh

lần đầu năm 1961.

Ali Javan, William Bennett, and Donald Herriott adjust the helium neon laser, the first laser to generate a continuous beam of light at 1.15 microns and the first of many electrical discharge pumped gas lasers

Nguyên lý hoạt động

• Môi trường hoạt tính (

active medium) là khí hiếm

Neon (Ne), và là laser 4 mức

• Vai trò của khí He: tăng hiệu

suất bơm (~200 lần) nhờ hiệu

Plasma Tube of He-Ne Laser

• Các điện cực được nối với

nguồn cao áp (~1000 V), bảo

đảm cho sự phóng điện khí

Cấu trúc 1 BCH laser He-Ne

Laser He-Ne thương phẩm

CO2 Laser

Giới thiệu

• Carbon dioxide laser (CO2 laser) do

Kumar Patel tại Bell Labs phát minh năm 1964.

• Là một trong những laser được ứng dụng

rộng rãi nhất

• Là một trong những laser liên tục có công

suất lớn nhất hiện nay

• Hiệu suất bơm khá cao: ~ 20%.

• Phát vùng hồng ngoại, từ 9.4 đến 10.6 µ m.

Các mode dao động của phân tử CO 2

• Laser CO 2 đầu tiên của C Patel (1964) chỉ có khí

CO 2 thuần, năng lượng ra thấp

• Phân tử CO 2 là phân tử tạo chuyển dời laser,

nhưng các khí phụ có thể trộn thêm để nâng cao

hiệu suất

• Laser CO 2 tiêu chuẩn: môi trường hoạt tính là

hỗn hợp khí CO 2 + N 2 + He Tỷ lệ tối ưu giữa các

thành phần khí phụ thuộc từng hệ laser riêng và

cấu hính kích thích Nói chung, một laser CO 2 liên

tục có tỷ lệ khí là

CO 2 :N 2 :He - 1:1:8

• CO 2 là phân tử thẳng, 3 nguyên tử nằm trên cùng

một trục thẳng, nguyên tử Carbon nằm giữa

• Ba mode dao động của phân tử CO 2 :

- Co giãn đối xứng (Symmetric stretch mode): (ν1)

- Uốn (Bending mode): (ν2)

- Co giãn phi đối xứng (Asymmetric stretch mode):

Oscillation Modes of CO2 Molecule

Nguyên lý hoạt động

• Các chuyển dời phát laser:

– Chuyển dời từ mức laser trên (co

giãn phi đối xứng) xuống mức

dưới (mode co giãn đối xứng):

10.6 μm

– Chuyển dời từ mức laser trên (co

giãn phi đối xứng) xuống mức

dưới (mode uốn): 9.6 μm.

• Đảo lộn mật độ xảy ra khi:

– Sự va chạm truyền năng lượng

giữa N2 và CO2 có hiệu suất đủ

cao để các phân tử CO2 được

bơm lên các mức kích thích dao Energy Level Diagram of N2 and CO2 in Laser

Các đặc điểm của laser CO 2

• Công suất cao Các laser CO2 CW (liên tục) thường có công suất > 10,000 watts

• Phổ ra: hồng ngoại (Infra-Red, IR): 9-11 mm

• Hiệu suất rất cao: tới 30%

• Có thể hoạt động cả chế độ xung và liên tục

• Công suất trung bình: từ 75 W (khí luân

chuyển chậm) tới ~hàng trăm W (khí chảy

nhanh)

• Dễ hoạt động, khí không độc hại

Các loại laser CO 2

• Ba loại chính:

– Khí lưu chuyển (xả liên tục) (Flowing CO2 laser): công suất cao hàng trăm W

– Khí đóng kín (thỉnh thoảng phải đổi khí mới) (Sealed

off CO2 laser ): công suất thấp (vài trục W)

– Loại mới: vỏ bình là kim loại và bơm bằng sóng radio

(RF)

Phóng điện ngang ở áp suất thấp (TE)

Cấu tạo

Loại khí chảy:

• Các khí thành phần

được trộn với nhau

trong BCH trong khi

Ứng dụng

• Laser CO2 năng lượng cao

được ứng dụng nhiều trong

công nghiệp cắt, hàn.

• Laser CO2 năng lượng thấp

được dùng trong quang khắc

• Đặc biệt được ứng dụng rộng

rãi trong y học (bởi vì hơi

nước trong tế bào sinh học

Nitrogen Laser

Laser khí Nitơ

Giới thiệu

• Laser Nitơ (Nitrogen laser) do H.G Heard phát minh lần đầu năm 1963 và trở

thành thương phẩm từ 1972

Nguyên lý hoạt động

• Môi trường hoạt tính: khí Nitơ

áp suất từ 20 ÷ 760 torr (1At)

• Cấu hình ống khí: lưu chảy

( gas flows ), bình kín ( sealed

tube )

• Cơ sở hoạt động: chuyển dời

giữa các mức năng lượng dao

động của phân tử Nitơ , được

kích thích nhờ phóng điện qua

thể tích khí.

Đặc điểm

• Bức xạ vùng tử ngoại ( UV region ): 337.1 nm

• Rất dễ hoạt động, không đắt tiền.

• Độ khuếch đại một lần truyền cực lớn, không cần

gương phản xạ tạo BCH

• Laser phát siêu bức xạ (superradiant laser)

• Công suất xung rất cao, có thể tới vài Mega-Watts

• Tần số xung: tới kHz - bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiệt

• Chiều dài xung: tới 10 ns

• Năng lượng một xung: vài mJ

• Phổ tương đối rộng: ~ 0,1 nm (do chuyển dời từ các

mức điện tử - dao động xuống các mức điện tử - dao động của N2)

Cấu tạo laser TE N2

• Loại áp suất thấp:

– Cần bơm chân không

– Độ rộng xung từ 5- 10ns

– Tiết diện ngang từ 10mm - 2mm.

• Loại áp suất khí quyển (TEA-Transverse

Electrical-discharge at Atmospheric pressure, 760 Torr):

– không cần bơm chân không

– Tiết diện ngang từ 1,5 mm – 3 mm

– Thời gian phóng điện: nhỏ hơn 10 lần so với loại 1.

Cấu tạo

Cấu tạo của một laser nitơ phóng điện ngang

(TE-Nitrogen-laser)

Hình ảnh kênh phóng điện

Cấu tạo của một bản tụ mỏng

Ứng dụng của laser Nitơ

• Bơm laser màu

• Đo độ ô nhiễm khí

• Quang phổ UV

• Đo huỳnh quang vật liệu

• Kiểm tra mẫu không phá

hủy

• Đo các quá trình cực nhan

(Chuẩn thời gian cực nhanh

và ion hóa trong buồng

nhấp nháy đếm hạt cơ bản

Laser Hơi Kim Loại

• Laser hơi kim loại: môi trường hoạt tính là hơi của các

nguyên tử kim loại

Có 2 loại khác nhau:

• Laser hơi nguyên tử kim loại trung hòa (Neutral metal

vapor lasers), gồm có:

• Laser hơi nguyên tử kim loại bị ion hóa:

– Laser Helium-Cadmium (He-Cd) Laser .

Các laser hơi kim loại đều hoạt động vùng khả kiến ở chế độ xung nhanh, hiệu suất cao

Laser hơi Đồng

Laser Hơi Đồng

• Laser hơi đồng (CVL) được phát minh

năm 1966 và thương mại hóa từ 1980

• Là một laser có sức hấp dẫn lớn do:

Hiệu suất tương đối cao (up to 1%)

trong vùng khả kiến, và công suất

– Để làm cho đồng bay thành hơi: kim

loại cần được nung tới nhiệt độ rất

cao (vỏ ống thường chế từ Alumina

or Zirkonia là loại vật liệu chịu nhiệt)

Nguyên lý hoạt động

-Nhiệt độ hóa hơi của Cu là 10830C Hơi đồng được

tạo ra trên điểm hóa hơi có nồng độ đủ cho hoạt động

laser

- Khi có đánh thủng điện tích do điện áp cao giữa

các điện cực, nhiệt độ tăng làm nóng chảy và bay hơi

đồng trong ống Khi đó áp suất hơi đồng khoảng 0.1

Torr và nhiệt độ thành ống cỡ 1400-15000C

- Các điện tử chuyển động với gia tốc lớn giữa 2 điện

cực cao áp, va đập vào các nguyên tử Cu, kích thích

chúng lên các mức (2) năng lượng laser trên.

- Khi laser hoạt động, chỉ một tỷ lệ nhỏ các nguyên tử

đồng được ion hóa, chúng chuyển động giữa các đầu

Đặc điểm

• Laser hơi đồng phát 2 bước sóng:

λ 1 = 510.6 [nm] (Green),

λ 2 = 578.2 [nm] (Yellow)

• Laser hơi đồng chỉ hoạt động ở chế độ xung vì:

– Cả mức laser trên và dưới đều là siêu bền ( meta-stable ) với thời gian sống tới hàng trăm micro-seconds

– Do mật độ các mức năng lượng này tăng nhanh, laser sẽ dừng hoạt động chỉ trong một thời gian ngắn (khi điều kiện đảo lộn

không còn).

– Sau khi ngừng phát laser, các nguyên tử ở mức năng lượng bên dưới hồi phục về trạng thái cơ bản do va chạm với thành bình – Khi đó laser lại có thể phát xung mới

– Thời gian mỗi xung laser cỡ < 100 ns - 0.1 msec.

• Có độ khuếch đại rất cao, có thể phát laser không cần BCH

• Hiện nay đang có những nghiên cứu về laser hơi đồng nhiệt độ

Ứng dụng của CVL

1 Nguồn bơm cho các laser màu Dye lasers (xung)

2 Nguồn sáng trong kỹ thuật chụp ảnh tốc độ cao (do bước sóng khả kiến, xung cực ngắn, tần số rất cao)

3 Giám định pháp y (hiện vân tay, dấu vết đặc biệt nhờ huỳnh quang)

4 Trị liệu Quang động học (Photo-Dynamic-Therapy, PDT) )

– Phá hủy chọn lọc các tế bào nhờ dùng các thuốc đặc

hiệu hấp thụ bước sóng laser hơi đồng

5 Làm giàu Uran (Enrichment of Uranium, U235)

Laser Hơi vàng

William T Silfvast, “Laser fundamental” 2 nd edition, Cambridge

Giới thiệu

• Laser hơi vàng (Gold Vapor Lasers) tương tự

về nguyên lý cũng như cấu trúc

• Hai loại laser này có thể dùng chung một hệ

thống ống phóng và nguồn điện, chỉ cần thay các kim loại đưa vào (đồng hay vàng)

• Bước sóng laser (đỏ): 628 [nm]

• Ứng dụng:

– điều trị ung thư bằng liệu pháp quang động học

(Photo-Dynamic Therapy - PDT)

PDT-Quang động học trị liệu

• Shown is close up of surgeons'

hands in an operating room with a

"beam of light" traveling along fiber

optics for photodynamic therapy Its

source is a laser beam which is split

at two different stages to create the

proper "therapeutic wavelength" A

patient would be given a photo

sensitive drug (photofrin) containing

cancer killing substances which are

absorbed by cancer cells During the

surgery, the light beam is positioned

at the tumor site, which then

activates the drug that kills the

cancer cells, thus photodynamic

therapy (PDT)

Laser Eximer

• Excimer là viết tắt từ exited dimer, tức là phân tử

gồm 2 nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích

• Đôi khi còn gọi là laser "Exiplex“ (laser phức)

Historic Development of Eximer Lasers

• Do các nhà bác học Liên Xô cũ phát minh năm 1971 (Basov, Danilychev, và

Popov)

• Laser đầu tiên đó phát bức xạ cưỡng bức tại bước sóng 172 [nm] từ khí Xe2

(dimer) ở nhiệt độ thấp, bơm bằng chùm điện tử

• Laser Excimer khí hiếm đầu tiên là dùng halogen (XeBr) năm 1975 do Searl và Hart phát minh

Nguyên lý hoạt động

Energy levels in the Excimer Laser

R là nguyên tử khí hiếm (Ar, Kr, Xe)

H là halogen (F2, Cl2, Br2, HCl, NF3 )

Chỉ trong giếng thế (potential well) ở

trạng thái kích thích mới tồn tại các phân

tử RH* (thời gian sống~10 ns)

Ở trạng thái cơ bản: các nguyên tử R và

H* phân ly.

Các điện tử được gia tốc trong buồng

phóng khí: truyền năng lượng cho các

phân tử khí bằng va chạm.

Các phân tử khí hiếm và halogen bị phá

vỡ và tạo ra các phân tử phức ở trạng

Nguyên lý hoạt động

Cơ chế hoạt động của Laser excimer

e + Kr = Kr* + e hoặc e + Kr = Kr+ + 2e

Các điện tử e va chạm với các nguyên tử Kr truyền năng lượng

Hiện tượng tương tự đối với phân tử Flo

e + F2 = F + F- + e

Kết quả là

Kr+ + F- + buffer = KrF* +buffer Nhận xét: loại laser này dễ dàng tạo được nghịch đảo độ

d

τ

λ λ

ϖ ϖ

σ

ϖ ϖ

2

) 2 / ( )

Đặc điểm

• Thành phần hỗn hợp khí:

– Rất ít halogen (0.1-0.2%)

– Ít khí hiếm (Argon, Krypton hoặc Xenon)

– Nhiều khí đệm (Ne, hoặc Helium): 90%

Các nguyên tử halogen có thể hình thành từ các đơn phân tử (F2, Cl2,

Br2) hoặc đa phân tử (HCl, NF3.)

Ưu điểm của việc sử dụng các halogen hỗn hợp: chúng có hoạt tính hóa học mạnh (nhất là các Fluorine): hiệu suất laser cao.

Đặc điểm (tiếp)

• Laser Excimer lasers phát vùng tử ngoại

• Bức xạ chỉ phát trong thời gian xung ngắn

• Độ rộng xung: pico-giây đến micro-giây (10 -12 -10 -6 se])

• Áp suất khí trong buồng: cao, 1-5 At

• Hiệu suất laser trung bình: ~vài %

Các laser Excimer phổ biến

Ứng dụng

• Do có năng lượng photon lớn, laser Excimer là công cụ tuyệt vời để cắt các

loại vật liệu (cutting)

• Photolithography (chính xác tới micron)

• Vi phẫu tế bào sinh học

• Y học: khoa mắt (sửa khuyết tật thị giác)

• Đánh dấu bề mặt (quang khắc)

PRK (Photorefractive Keratectomy)

- chữa tật khúc xạ mắt bằng laser

• Photorefractive keratectomy

(PRK) is a procedure in which the

surface of the cornea is reshaped

PRK does not involve creation of

a corneal flap utilizing the

microkeratome, and therefore,

the protective superficial layers

of the cornea must heal

post-operatively This generally means

that patients who undergo PRK

will require significantly more

time than LASIK patients to

LASIK (Laser Assisted In-Situ Keratomileusis) – phẫu thuật giác mạc

• LASIK (Laser assisted in-situ

keratomileusis) is a refractive

surgical procedure that results in

rapid recovery of vision and has the

capability to benefit patients with

nearsightedness, farsightedness,

and astigmatism by reducing

dependence on eyeglasses and

contact lenses.

• Millions of people worldwide have

already undergone this exciting and

marvelous procedure Nearly a

million people in the U.S underwent

LASIK in 1999 and approximately

1.3 million underwent the procedure

in 2000

• The great majority of individuals

who wear glasses or contacts may

now benefit from LASIK Candidates

must be at least 18 years of age.

Solid State Lasers

Laser Rắn

Giới thiệu

• Laser rắn:

– môi trường hoạt tính là chất rắn

– Bơm quang học (Optical Pumping)

– Các phân tử, nguyên tử trong chất rắn nằm sát nhau (so với chất khí)

nên tương tác với nhau mạnh, do đó, vùng phổ hấp thụ và bức xạ

rộng hơn nhiều so với chất khí Như vậy, có thể dùng các nguồn

sáng phổ biến làm nguồn bơm có phổ bức xạ rộng

• Bơm quang học (Optical Pumping): các photon từ nguồn sáng

chiếu vào môi trường hoạt tính, truyền năng lượng kích thích cho các tâm hoạt tính

• Hai loại nguồn sáng phổ biến trong bơm quang học laser rắn:

– Phổ điện từ băng rộng (đèn Flash lamps, đèn hồ quang,…)

– Phổ điện từ băng hẹp (các laser khác)

Cấu trúc của môi trường hoạt

tính trong Laser rắn

• Các ion tạp được đưa vào mạng (thay thế các nguyên

tử nền), các mức năng lượng tham gia vào quá trình phát laser là của các ion pha tạp Nền không ảnh

hưởng nhiều lên cấu trúc mức năng lượng Do đó,

cùng loại ion pha tạp trong những nền khác nhau nói chung đều phát bước sóng gần như nhau

• Các đặc tính quang học của laser về cơ bản do ion

pha tạp quyết định.

• Nói cách khác, các đặc tính vật lý của môi trường

hoạt tính (như độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt) là do

nền rắn quyết định

• Như vậy, nền rắn sẽ xác định mức công suất cực đại

Bố trí đèn bơm và thanh hoạt tính

Phổ hấp thụ của môi trường hoạt tính

Absorption spectrum of Ruby Absorption spectrum of Nd:YAG

Hai vùng hấp thụ (để bơm) quan trọng nhất:

730-760nm và 790-820nm Hai đám hấp thụ rộng quanh 400nm và 550nm.

Ruby Laser

Giới thiệu

• Ruby laser was the first man

made laser, which was build by

Theodore Maiman in 1960

• Ruby is a synthetic crystal of

Aluminum Oxide (Al2O3), and is

more familiar in daily life as a

precious stone for jewel

• The chemical structure of Ruby

is of Al2O3 (which is called

Sapphire), with impurity of

about 0.05% (by weight) of

Chromium Ions (Cr+3)

• The active ion is Cr+3, which

replace Al atom in the crystal

This ion causes the red color of