Một số loại laser

Laser EximerLaser excimer hoạt động ở chế độ áp suất cao và kích thích bằng xung, trục quang học của laser vuông góc với hướng dòng chảy và dòng điện • Laser Excimer: một loại laser có m

Laser Eximer

Laser excimer hoạt động ở chế độ áp suất cao và kích thích bằng xung, trục quang học của laser vuông góc với hướng dòng chảy và dòng điện

• Laser Excimer: một loại laser có môi trường hoạt tính đặc biệt

• Excimer: là một loại phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích

• Trong trạng thái cơ bản: các phân tử này bị phân ly thành

các nguyên tử thành phần

• Trạng thái kích thích có thời gian sống cực ngắn, < 10 ns

• 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)

• Lịch sử phát triển của Laser Eximer

• 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

II Nguyên lý hoạt động

- 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 thái kích

Excimer Laser

- Cơ chế hoạt động của Laser excimer

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

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

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 tích lũy vì

không tường minh trạng thái laser dưới nhưng sự mất mát năng

lượng khá lớn vì thời gian tồn tại của phân tử là rất ngắn → yêu cầu

tốc độ bơm cao

- Hệ số tăng trưởng của môi trường

Trong đó s(w) là tiết diện hấp thụ liên quan đến hệ số chuyển dời tự

phát Aik

)

α = Ni − gi gk Nk

k ik

A d

τ

λ λ

ϖ ϖ σ

ϖ ϖ

2

2 ( / 2 ) )

2 / ( )

(

2

1

=

=

∫

Laser medium F2 ArF KrCl KrF XcCl XeF

III 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

+Hiệu suất cao: không cần BCH, hay chỉ cần 1 gương 100%

+Cần kích thích nhanh và mạnh (100 kW - MW/cm3): cấu trúc

TEA +Lưu ý: chú ý an tòan vì hoạt động với các khí độc

• 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 %

Excimer Laser Wavelengths [nm]

IV 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)

• PRK (Photorefractive Keratectomy) - chữa tật khúc xạ mắt

bằng laser

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

giác mạc

• Đánh dấu bề mặt (quang khắc)

Laser Hơi Đồng

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 xung cao

Ống phóng chứa một khí trơ (Ne, 25-50 torr) và một lượng nhỏ đồng tinh

khiết

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)

- Nhiệt độ hóa hơi của Cu là

1083 0C 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 1400-1500 0 C

- 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 ống và do

va chạm với thành ống, nhiệt

độ hơi đồng giảm đi, và đồng

lại trở về trạng thái kim loại

(rắn) Như vậy, thể tích hơi

đồng giảm Để duy trì, sau vài

trăm giờ hoạt động phải được

lượng đồng mới vào

III Đặc điểm

λ1 = 510.6 [nm] (Green),

λ2 = 578.2 [nm] (Yellow)

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.

• Hiện nay đang có những nghiên cứu về laser hơi đồng nhiệt độ thấp hơn 4000C nhờ sử dụng muối Đồng (ví dụ như CuCl)

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 khí Nitơ

Laser Nitơ (Nitrogen laser) do H.G Heard phát minh lần đầu năm 1963 và trở thành thương phẩm từ 1972

- 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

- Cần bơm (kích thích)

cho mức laser trên với

tốc độ rất nhanh: bơm

xung (sườn lên < 20ns)

Energy level diagram

of Nitrogen Transitions between vibration energy levels Electrically excited

III 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)

- Hiệu suất : khoảng 0.1 %

- 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 của một laser nitơ phóng điện ngang (TE-Nitrogen-laser)

- 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 trong các máy gia

tốc)

- Y học

Nd Laser

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 kích hoạt (gain medium), nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc 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

Giới thiệu

• In Nd laser Nd+3 ions (as impurities of up to a few percent by weight) are replacing the

atoms of the solid host in the active medium

• Three known solid hosts are used for Nd-YAG laser where Nd+3 ions are added as impurities:

• Glass

• YAG (Yttrium Aluminum Garnet) Crystal

• YLF (LiYF4) Crystal

• The choice between the three possible hosts is according to the intended use of the laser:

• Glass is used as the host material when a pulsed laser is needed, with each pulse at high

power, and the pulse repetition rate is slow

• The active medium of Nd-Glass Laser can be manufactured in a shape of disk or rod,

with diameters of up to 0.5 meter (!) and length of up to several meters (!) Such dimensions are possible because glass is isotropic material, cheap, and can be easily worked to the right shape High percentage (up to about 6%) of Nd ions can be added to glass as impurity

• The problem with glass as a host is its poor thermal conductivity Thus cooling the

laser when it operates continuously or at high repetition rate is difficult

• YAG crystal is used for high repetition rate pulses (more than one pulse per second) In this case a large amount of heat need to be transferred away from the laser, and the thermal conductivity of the YAG crystal is much higher than that of glass YAG

crystal with the high quality needed for lasers can be made with diameters of 2-15 [mm] and at lengths of 2-30 [cm]

• The price of a YAG laser rod is high, since growing crystals is a slow and complicated process

The percentage of Nd ions in the YAG host is 1-4% by weight.

Nguyên lý hoạt động

• Laser Nd là laser 4 mức

Nd ions have two absorption band, and

excitation is done by optical pumping,

either by flash lamps for pulsed lasers, or by

arc lamps for continuous wave lasers.

( ion thứ hai có hai dải hấp thụ và kích thích

được thực hiện bằng cách bơm quang học,

hoặc là bởi đèn flash đèn laser xung, hoặc đèn

hồ quang cho laser sóng liên tục )

• From these excited energy levels,

the Nd ions are transferring into the

upper laser level by a non radiative

transition ( từ các mức năng lượng

kích thích, các ion thứ hai được

chuyển vào mức laser trên một quá

tŕnh chuyển đổi bức xạ không)

• The stimulated emission is from

the upper laser level to the lower

laser level, and the wavelengths of

the emitted photons are around 1.06

[mm] ( phát xạ kích thích là từ mức

laser trên mức laser thấp, và các

bước sóng của các photon phát ra

khoảng 1,06 [mm ] )

• From the lower laser level, a non-radiative transition to the ground level ( từ mức laser thấp, một quá tŕnh chuyển đổi không phát xạ mặt đất)

Energy Level Diagram of Nd 3+ in Nd-YAG Laser

Cơ chế bơm

1 Môi trường kích hoạt Tinh thể

Nd:YAG

2 Hệ thống gương phản xạ đầu ra

3 Hệ thống gương phản xạ toàn

phần

4 Nguồn kích thích ( nguồn

bơm )

5 Ánh sáng từ nguồn kích thích

bơm vào tinh thể

nước )

8 Laser ra

Nguồn bơm ở đây có thể là:

Đèn quang học Krypton hoặc Xenon

Laser bán dẫn AlGaAs

Laser Nd:YAG có thể phát ra ở chế độ xung hoặc liên tục tùy thuộc vào tần số kích thích, nếu ta kích thích ở tần số nhỏ thì laser Nd:YAG phát ở chế độ xung, còn khi nguồn kích thích phát tần số cao hoặc liên tục thì Laser sẽ phát ra liên tục.

Ưu điểm của laser Nd:YAG

- Laser ND:YAG có thể phát ở chế đọ xung và chế độ liên tục do đó có thể ứng dụng rộng rãi.

- Công xuất laser ND:YAG có thể lên đến hàng trăm megawwatts.

- 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.

Khuyết điểm

- Hiệu suất sử dụng năng lượng là thấp thường là dưới 5%

- Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd: YAG không cao