Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 1 ppsx

Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser.. Khi ánh

Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER

1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser.

Cấu tạo lớp vỏ điện tử của nguyên tử:

1s2 2s2 2p63s 23p 6 3d 10 4p 6 5s2 4d10

Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp

- s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp

-6,10 số điện tử trong mỗi phân lớp

Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể chuyển lên các mức cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng được gọi là các dịch chuyển quang học

Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử - còn gọi là hạt, tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định

- Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản

- Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích thích

Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao,

đó là quá trình kích thích

Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ,nhiệt Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây

Khi sóng ánh sáng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là :

Biểu thức của sóng cầu sin tính :

z z

Hình1 1 Mô tả sóng cầu và phẳng

Khi ở rất xa nguồn, một phần nhỏ của sóng cầu được coi là sóng phẳng Sóng phẳng có các tia sóng song song và vuông góc với mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên đường truyền

Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng phẳng

∆ϕ= ϕ2 -ϕ1 =k∆z =

Như vậy, nếu các mặt sóng cách nhau một số nguyên lần bước sóng: ∆z =m λ với m= 1,2… thì hiệu pha là 2π khi đó cac mặt sóng là đồng pha

Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng và có tính đồng pha của 2 véc tơ E

và H , tạo với v một tam diện thuận

Hình1 2 Mô tả sóng điện từ ngang phẳng- ánh sáng

Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó chỉ dao động trong mặt phẳng xác định chứa phương truyền v còn H dao động trong một mặt phẳng vuông góc với E thì sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân cực trùng với H

Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là phân cực elíp Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn Ánh sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn

Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại hai sóng phân cực cùng phương dao động thì sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng phương dao động nếu hai sóng thành phần có cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức:

E1 = a1cos(ωt+ ϕ1) ϕ1= –kz + ϕ10

Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để xác định biểu đồ pha

ϕ = (-kz+ ϕ0) của sóng tổng hợp E = acos(ωt+ϕ) có kết quả:

- µ và ε là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường truyền sóng

Thường trong các tính toán về năng lượng sóng người ta chỉ tính với cho đơn giản

Khi biểu diễn sóng ánh sáng dưới dạng phức :

Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ:

-Ei : mức năng lượng trên

-Ek : mức năng lượng dưới

Quá trình trên được gọi là quá trình phát xạ tự nhiên

Hình 1.3 Tương tác giữa trườngbức xạ và các hạt

Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát xạ tự nhiên là hai quá trình thuậnnghịch.

Năm 1917 Anh-xtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích Theo Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện

tử có hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”

Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích:

-Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích phải phù hợp với năng lượng của phô tôn kích thích Đây là điều kiện cần của quá trình phát xạ kích thích.-Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số, biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích thích Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên trạng thái ban đầu

Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của nguồn phát ánh sáng laser Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser

1.2.2 Điều kiện phát xạ bức xạ laser thành chùm tia laser.

Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền theo hướng z trong môi chất laser có mức năng lượng Ni, Nk thoả mãn điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo định luật Bowger:

Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích:

I(z)= I(0)egz g: hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại:

G = (c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)]1/2 ( Ni/ ∆f)

Quá trình hấp thụ và bức xạ là quá trình thuận nghịch

Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất:

I(z) = I(0) exp [(c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- Nk)z ]

Nếu Ni > Nk thì I(z) tăng, ngược lại Ni < Nk thì I(z) giảm

Vậy điều kiện cần để nguồn laser có thể phát xạ ra tia laser là Ni >Nk Trạng thái đó trong môi chất laser gọi là nghịch đảo mật độ tích luỹ

Nghịch đảo độ tích luỹ là trạng thái không bình thường Nếu vật chât nằm ở nhiệt

độ T của môi trường cân bằng nhiệt, thì phân bố mật độ các hạt theo luật

Bonzerman:

N2 / N1 = exp [-(Ei – Ek) / kT ]

Với k là hằng số Bonzerman và luôn có Ni < Nk

Vậy để có hiệu ứng laser ta cần phải phá vỡ sự cân bằng nhiệt tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ với Ni >>Nk bằng quá trình bơm kích thích

Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng đường ∆z mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ lớn để đạt được độ khuếch đại cần thiết Tuy nhiên kích thước của của môi trường laser bị hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật , vì vậy cần phải sử dụng một hệ 2 gương đạt song song đối xứng với nhau tạo nên một buồng cộng hưởng để tăng quang lộ của tia laser đi qua môi chất laser

Các mất mát khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt hai gương có hệ số phản xạ R1 và R2

nhỏ hơn 100% và sự không đồng nhất của môi trường laser làm giảm cường độ trên khoảng L cách giữa hai gương được xác định bởi hệ số -βz

Sử dụng biểu thức I(z)= I0e- β z ta có thể xác định được hệ số biến đổi cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường hoạt chất ở khoảng cách giữa hai gương

Cường độ bức xạ laser sau khi đi qua hai gương và môi chất laser:

I(z) = I(0) R1 R2 exp [-2β L(c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- Nk)z ]

Để đảm bảo khuếch đại ánh sáng thì cần thiết hệ số này phải lớn hơn 1 Khi logarit hai vế ta có:

( Ni- Nk) > (c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)( 2β L – 0,5ln R1 R2 )

Đây là điều kiện ngưỡng xác định độ nghịch đảo tối thiểu để hiệu ứng laser xuất hiện trên môi chất đã chọn

1.3 Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser.

1.3.1 Môi chất laser: là chất làm môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser.

Nó cần có các hiệu mức năng lượng tương ứng có khả năng dịch chuyển lượng tử cho phép ứng với tần số laser cần phát Hiện nay, có khoảng trên 1000 chất có thể

sử dụng làm môi chất laser

Ví dụ: laser Rubi AlO2 có môi chất laser là Cr++

, laser CO2 là khí CO2 ,Laser HeNe

là Ne…

Để phát xạ tia laser, môi chất laser cần phải được kích thích đạt độ nghịch đảo cần thiết để trở thành môi trường nghịch đảo Quá trình kích thích là quá trình cung cấp cho các hạt của môi chất laser năng lượng cần thiết để các điện tử chuyển lên mức năng lượng laser trên làm tăng Ni và làm suy giảm mật độ Nk ở mức laser dưới Tuỳ theo các loại môi chất laser có các dạng tạo độ nghịch đảo: 2, 3,4 mức song phổ biến dùng loại 3 và 4 mức

Hình1 4 Sơ đồ các loại mức Laser

Laser 2 mức ít dùng vì chóng bão hoà

Laser 3 có tần số bơm thường gần gấp đôi tần số laser

Laser 4 mức hiệu suất bơm cao

Các biện pháp thực hiện nghịch đảo mật độ tích luỹ là: kích thích bằng ánh sáng, kích thích bằng điện tử, cộng hưởng cao tần…

1.3.2 Các dạng bơm kích thích.

Bơm kích thích là khái niệm chỉ chung các bộ phận thực hiện việc cấp năng lượng

để kích thích các phần tử của môi chất laser lên trạng thái kích thích để tạo ra

Hình1 5 Nguồn xung ánh sáng với mạch LC

Kích thích bằng điện tử: dòng tử năng lượng cao va chạm với nguyên tử kích thích

nó chuyển lên mức năng lượng cao

Kích thích bằng điện tử trực tiếp với laser dạng bán dẫn người ta có thể cấp trực tiếp dòng điện tử vào lớp chuyển tiếp p-n hiệu quả cao sẽ tạo ra laser có công suất lớn

Kích thích bằng cấp điện tử qua nguồn một chiều trong laser bán dẫn với các hạt dẫn cơ bản gồm ion dương và điện tử

Hình1 6 Kích thích bằng điện tử trong laser khí

+ Kích thích bằng điện tử trong laser khí sự va chạm của điện tử chuyển động nhanh với các nguyên tử ở áp suất thấp từ 10-2 đến 1 tor, làm các phân tử và nguyên

tử bị kích thích

Trong laser khí, điện cực đựoc đặt trong ống laser là môi trường khí Điện tử bắn ra

từ catốt dịch chuyển dưới điện trường đến anot, trên đường đi va chạm với các nguyên tử hoặc phân tử khí Các điện tử kích thích các nguyên tử khí trong quá trình

va chạm khi truyền năng lượng cho chúng Thường các chất khí có dạng 4 mức năng lượng vậy quá trình kích thích phải tạo tích luỹ mức trên đủ lớn và sự suy thoái mức dưới đủ nhanh Tuy nhiên do phổ vận tốc điện tử lớn nên quá trính tích luỹ mức dưới thường xảy ra nhanh hơn, khó tạo ra nghịch đảo tích luỹ N2 >N1 Để khắc phục thường dùng phương pháp truyền năng lượng cộng hưởng khi sử dụng một loại khí khác có cùng mức năng lượng kích thích nhưng có phổ hấp thụ rộng hơn Ví dụ trong laser HeNe thì He là nguyên tử truyền năng lượng cộng hưởng cho

Ne, trong laser CO2 thì đó là N2

Hình 1.7 Truyền năng lượng cộng hưởng cho Ne

+ Phân rã nguyên tử: dùng môi chất là các hợp chất phân tử Khi phân rã thành các nguyên tử, phân tử bằng va chạm hoặc ánh sáng mạnh chuyển thành trạng thái kích thích , ví dụ : CF I CF + I+

+ Trong laser khí động học: phun khí qua miệng hẹp tạo biến dạng phân tủ khí.

1.3.3 Buồng cộng hưởng laser

Buồng cộng hưởng là 2 gương đặt ở hai đầu buồng chứa môi trường hoạt chất Sự khuếch đại của môi trường hoạt chất bị hạn chế bởi chiều dài của nó Hai gương có tác dụng làm cho tia sáng phản xạ đi lại với quãng đường quang học dài hơn Các tia

có phương song song với trục buồng cộng hưởng được khuếch đại mạnh hơn nhờ hồi tiếp dương Do là buồng cộng hưởng mở nên các tia có góc với trục quang đủ lớn sẽ đi ra ngoài buồng công hưởng sau một số lần phản xạ

Như vậy, các sóng ánh sáng lan truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng đi qua môitrường hoạt chất nhiều nhất và được khuếch đại mạnh nhất Nó sẽ quyết định công suất phát thực của laser và có tính định hướng rất cao Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà vẫn bảo toàn pha, đồng thời các sóng bức xạ kích thích có tần số pha, tính phân cực giống ánh sáng kích thích nên bức xạ ra là bức xạ kết hợp

Nhờ hốc cộng hưởng có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc dao động khác nhau để thu được một bức xạ trong một giải phổ rất hẹp, gần như hoàn toàn đơn sắc

Có thể nói rằng: hốc cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hìnhthành các tính chất cơ bản của tia laser

Sự chọn lọc xảy ra khi bức xạ laser lan truyền trong môi chất laser gặp 2 gương sẽ

bị phản xạ lại nhiều lần mang tính chất lặp lại Khi khoảng cách 2 gương là một số nguyên lần của nửa bước sóng, sẽ hình thành quá trình công hưởng kiểu sóng dọc : q(λ/2) = L

Có rất nhiều bước sóng λ thoả mãn điều kiện này khi d đủ lớn và chúng cách nhau

λ2/2L gọi là mod Tuy nhiên hiệu ứng laser chỉ nảy sinh trên các mod nằm trong phạm vi giới hạn đường phổ của hoạt chất laser

∆f

W

ful

Hình1 8 Phổ phát xạ của laser

Phổ tần số của laser gồm một số tần số rời rạc gọi là các mod dọc vì sự sai khác tần

số là rất nhỏ so với tần số làm việc của laser nên bức xạ laser có thể coi là đơn mod.Các dạng buồng cộng hưởng:

Hình1 10 Các loại buồng cộng hưởng vòng

1.4 Các đặc điểm của tia laser

Tia laser khác biệt ánh sáng thường:

- Độ đơn sắc cao

- Độ định hướng cao

- Độ kết hợp cao về không gian và thời gian

- Có khả năng hội tụ cao và đạt được mật độ công suất lớn

- Đặc tính mod và chế độ xung

1.3.1.Độ đơn sắc cao của tia laser

Xét về mặt phổ thì tia laser có độ đơn sắc rất cao, độ rộng đường phổ rất hẹp so với nguồn sáng thường là một tính chất quan trọng nhất của tia laser độrộng phổ của một mốt đạt được chỉ vài Hz

Các thông số của phổ bức xạ của một số laser thông dụng

Nguồn laser Bước

sóng(µm)

Độ rộng đường phổ tự nhiên (MHz)

Chiều dài buồng cộng hưởng (cm)

Số mod nằm trong đường phổ ∆f/(c/2d)

Độ rộng đường phổ phát xạ của bức xạ laser chịu ảnh hưởng của điều kiện làm việc của môi chất laser.

Độ rộng vạch phổ của tia laser phụ thuộc vào tình trạng của buồng cộng hưởng

Độ rộng phát xạ của môi chất laser phụ thuộc vào thời gian sống τi của hạt ở trạng thái kích thích và có thể xác định bằng nguyên lý Haisenberg

Do sự suy biến mức năng lượng đó ngay khi nguyên tử đứng im không bị tác động

từ bên ngoài thì các vạch phổ hấp thụ hay bức xạ của chúng cũng tồn tại một độ rộng nhất định

Phổ phát xạ phụ thuộc vào mức suy biến ∆Ei và ∆Ek của các lớp năng lượng trong vỏ nguyên tử:

∆ω = 2ω0 (2kTln2/M) ½ / c

-ω0: tần số ở trung tâm vạch phổ

- M: khối lượng phân tử hoặc nguyên tử

-T: nhiệt độ tuyệt đối

Do đó, bức xạ đơn sắc của hạt bất kỳ được biểu diễn bằng phổ có độ rộng nhất định xác đinh bằng hiệu ứng Dốp-le sự mở rộng đó gọi là mở rộng không đồng nhất

Cần phân biệt độ rộng của một mod với độ rộng của cả một phổ laser Thực tế, ở mép vùng phổ, sự khuếch đại không đủ lớn vì vậy só mod sẽ nhỏ hơn Ví dụ laser HeNe công nghiệp chỉ có từ 3 ÷ 4 mod dọc, còn loại laser đo lường chỉ có một mod dọc Nói chung, độ rộng phổ bức xạ của các laser gần với độ rộng của phổ phát xạ

tự nhiên của chất làm laser (gần 109 Hz) Tuy vậy nó nhỏ hơn rất nhiều tần số laser

1015Hz Vì thế tuy laser tồn tại một số mod vẫn được coi là đơn sắc Số mod của laser được ký hiệu là TEMq với q =0 n, ứng với q= 0 là laser một mod

Để tạo laser đơn mod, người ta dùng phổ biến phương pháp dùng buồng cộng hưởng ngắn Khi đó khoảng cách mod là c/2L đủ lớn lớn và buồng cộng hưởng chỉ cộng hưởng với một mod chính Phương pháp này dùng ở laser HeNe, nó có nhược điểm là hạn chế công suất bức xạ do rút ngắn buồng cộng hưởng Một phương pháp khác là dùng buồng cộng hưởng kép, laser làm việc trên tần số của buồng cộng hưởng ngắn nằm trong phổ là mod chung cho cả hai buồng L1 và L2 Dùng buồng cộng hưởng kép cho phép đạt được công suất lớn, song đòi hỏi việc đặt gương và độ

ổn định cao Loại này thường dùng trên laser rắn như Rubi mà mặt đầu của nó dùng làm gương

Do độ rộng riêng của một mod nhỏ nên phổ của laser làm việc một mod rất hẹp so với laser nhiều mod

Do hiện tượng dãn nở nhiệt của buồng cộng hưởng nên để ổn định tần số, người ta

ổn định nhiệt độ và điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng theo độ lớn của công suất ra Sự biến đổi tần số do sự biến đổi chiều dài buồng cộng hưởng và do sự dao động thăng giáng nhiệt độ

Biện pháp:

- Dùng vật liệu có hệ số dãn nở thấp như hợp kim Invar

- Điều khiển nhiệt độ, ổn định nhiệt các chi tiết cơ khí và dùng chân không

- Với laser khí: ổn định nguồn cấp để duy trì hệ số chiết suất không thay đổi

Bằng các biệp pháp như vậy người ta có thể tạo ra các laser 1 mod đạt độ rộng xấp

xỉ 1KHz trong những khoảng thời gian ngắn

-Khi ổn định thời gian dài: người ta sử dụng cơ cấu servo với laser hai tần

Laser 1 mod có công suất ra cực tiểu địa phương là võng Lemba Khi tần số laser nằm ở tâm đường phổ, Hệ gương được điều khiển bởi cơ cấu sensơ áp điện Sự ổn định tần số đạt được đến 20Hz trong thời gian ngắn Sự trôi tần số không quá vài chục Hz trong khoảng thời gian 1 giây