Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao laser.. Nồng độ hạt bức
Trang 1Chương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER
2.1 Laser rắn
2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn.
Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh thể hoặc chất
vô định hình Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc ion tạp chất
Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 , lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laser khí, nên độ nghịch đảo rất lớn.Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại laser rắn rất lớn
Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn chất khí nhiều tiêu hao do tán
xạ lớn và hệ số phẩm chất của hốc cộng hưởng sẽ nhỏ Điều này sẽ hạn chế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút
Trong laser rắn các hạt tương tác nhau các mức thường có độ rộng khá lớn nên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng , phổ tự nhiên vài chục A0 , phổ laser vài chục phần mười A0
Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng các đèn chớp sáng
Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, hai mặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ Khi lợi dụng tính chất phản xạ toàn phần thì một đầu gương có dạng chóp với góc < 2arcos(1/n) Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám
Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là chất không tham gia trực tiếp vào quá trình bức xạ laser, nó là đơn tinh thể hoặc vô định hình Môi chất laser có tỷ
lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền
Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định
arcos(1/n)
Hình 2.1Các dạng thanh hoạt chất của laser rắn
Trang 2Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao laser
Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MoO4,, HF
-Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 ,với Me là kim loại:
Al, Fe,
Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ
Điển hình: Y3Al5O12 ( kí hiệu YAG)
Al2O3 ( Laser Rubi )
Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo và độ đồng nhất cao, kém bền nhiệt và công suất bơm lớn
Môi chất laser thường ở dạng ion 2 hoặc 3 điện tích
Một số môi chất laser nguyên tố đất hiếm
Neodim Nd3+ λ= 1,06 μm
Dyprozy Dy2+ λ= 2,36 μm
Camri Sm2+ λ= 0,7 μm
Ecoi Er2+ λ= 1,61 μm
Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser Nồng độ hạt bức xạ tăng làm tăng công suất, khi đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống của các hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra giảm
Nguồn bơm gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất Hiệu suất nguồn bơm ηb bằng tỉ sô giữa năng lượng bức xạ hoạt chất hấp thụ với công suất nguồn bơm Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất, do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng bơm xung là tốt nhất Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành năng lượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọn tần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý
Hình 2.2 Các dạng bơm của laser rắn
G ¬ngph¶nx¹ G ¬ngb¸n
ph¶nx¹
Trang 32.1.2 Laser Rubi
Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr3+ Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt Kéo ở 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10o C để đảm bảo đồng nhất.Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr3+ trở nên màu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím
4A2
2A
E
4F1
420nm
550nm
4F2
Hình 2.3 Đồ thị mức năng lượng của Ion Cr 3+
Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ:
Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2
Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2
Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2.
Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng thái năng lượng
Ví dụ T= 300 o K T= 300 o K
Công suất laser Rubi đến vài chục wat, ở chế độ xung τx = 10 ms đến vài kW
Ở chế độ liên tục dù chỉ vài chục Wat, song công suất bơm cần đến 1 kW
Laser ru bi ngày nay ít đựoc sử dụng, mà thường được thay thế bởi Laser NdYAG hoặc Nd thuỷ tinh Hiện Laser rubi chỉ còn dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc các ứng dụng cần bước sóng ngắn hơn laser Nd
Trang 4Hình 2.4 Cấu tạo của laser Rubi
2.1.3 Laser NdYAG
Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG Trong laser Neodim-YAG, Y3+
được thay bởi Nd3+ Sự suy biến của các mức 4F và 4i là rất lớn, song dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F2 xuống 4I2 với bức xạ =1064nm Laser NdYAG
có thể làm việc ở cả chế độ liên tục hoặc xung với bơm bằng đèn Xe hoặc laser bán dẫn AlGaAs Chất nền ở dạng thanh có đường kính từ 3 đến 6 mm, chiều dài từ 5 đến 15cm Công suất ra từ 1 đến 3kW Nếu bơm bằng laser diot thì chỉ
từ 15 đến 100W
Laser NdYAG được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong gia công vật liệu như khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến 100Hz, và độ dài xung từ 1 đến 10ms Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng sợi quang, NdYAG có mhiều ưu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2 Trong lĩnh vực y tế đã sử dụng nhiều laser NdYAG với sợi quang trong phẫu thuật Trong quân sự và nghiên cứu khoa học cũng sử dụng nhiều laser NdYAG
Sõ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby
Gương phản xạ 100%
Công tắc
Bộ nguồn
Mặt trụ nhôm phản
xạ được đánh bóng Gương phản xạ 95%
Tinh thể Ruby
Trang 54F 11/2 800nm
730nm
4I 9/2
4F 3/2 4F 5/2
4F 7/2
Hình 2.4 Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd 3+
2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh
Các mức năng lượng dịch chuyển của Nd3+ trong laser thuỷ tinh gần giống với trong laser NdYAG và có bước sóng chủ yếu ở = 1054nm Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn so với laser NdYAG khoảng 40 lần Do nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh thấp nên dễ chế tạo thanh hoạt chất với kích thước lớn
và dải phổ hấp thụ cũng lớn hơn laser NdYAG Mật độ môi chất Nd3+ lớn hơn 2 lần và hiệu suất bơm lớn hơn 1,6 lần Nhược điểm của thuỷ tinh là nhiệt dung thấp nên chỉ dùng với laser có tần số xung thấp hơn 5Hz
Laser Nd thuỷ tinh thường dùng trong các ứng dụng cần có xung ở tần số thấp như các bộ dò tìm mục tiêu trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học.các hệ khuếch đại có năng lượng cao
2.2 Laser khí.
2.2.1 Đặc điểm của laser khí
Hoạt chất là chất khí hoặc hơi kim loại Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử Do mật độ hạt và áp suất thấp nên tương tác ít, vạch phổ bức xạ hẹp chỉ cỡ 1 Hz và hẹp nhất trong các loại laser Độ mở rộng đường phổ chủ yếu là mở rộng không đồng nhất Đốp-lơ
Độ đồng nhất quang học cao nên góc mở của laser nhỏ chỉ cần dùng gương phẳng song song đã đạt độ mở nhỏ hơn 1 phút
Trang 6Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện chủ yếu bằng phóng điện chất khí Thường
sử dụng thêm va chạm cộng hưởng và phân rã ở mức laser dưới bằng va chạm
để làm tăng mật độ nghịch đảo độ tích luỹ dạng Laser 4 mức
Cấu tạo chung của laser khí gồm một ống chứa khí bằng thủy tinh hoặc thủy tinh thạch anh đường kính từ 1 mm đến vài cm và dài từ vài chục cm đến hàng chục mét, đặt giữa 2 gương song song nhau
Hai cách bố trí gương: là gương đặt trong buồn thuỷ tinh và đặt ngoài Song thường sử dụng gương đặt ngoài
Gương đặt ngoài ống phóng khí có các ưu điểm:
-Hệ cơ điều chỉnh gương đơn giản không cần giải quyết vấn đề kín khí
- Tuổi thọ ống khí dài hơn vì không có chi tiết cơ khí nằm trong làm giảm chất lượng khí
- Độ bền gương tăng vì không bị ion bắn phá và không bị bong tróc gương trong môi trường chân không cao và dễ thay thế
- Ống khí chế tạo đơn giản hơn vì không phải gắn giữa thủy tinh và kim loại
- Dễ dàng đặt vào buồng cộng hưởng các linh kiện điện chế hoặc chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết
Nhược điểm gương ngoài: Tiêu hao hai đầu ống do phản xạ , hấp thụ , tiêu hao do tán xạ phụ thuộc góc tới, chiết suất và dạng phân cực của ánh sáng
2.2.2 Laser He- Ne
Laser khí đầu tiên được Lavan, Beneti, Heriot chế tạo 1961 và hiện được dùng rộng rãi nhất
Khi phóng điện cả Neon và Heli bị kích thích Do 2 mức 21SO và 23S1 của He gần 3S2 và 2S2 của Ne xảy ra cộng hưởng do truyền kích thích, Sự tích lũy đó rất mạnh, song chỉ tạo ra độ tích lũy lớn nhất ở 2 mức 3S2 & 2 S2 của Ne trong 2 lớp 3S và 2S
Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều tồn tại ở cùng một điều kiện phóng điện và cùng đặc trưng sự phụ thuộc công suất bức xạ vào các tham
số phóng điện Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng cách chọn gương laser thích hợp hoặc dùng các phần tử hấp thụ chọn lọc thích hợp trong buồng cộng hưởng
Nếu tăng dòng phóng điện làm tăng tích lũy mức laser dưới 1s và 2p làm giảm công suất laser
Công suất laser phụ thuộc vào dòng phóng điện, áp suất khí, tỷ lệ He- Ne ( thường 9/1), đường kính ống khí và tiết diện
Dòng tối ưu 2 ÷ 20 mA, nếu dòng tăng thì mức tích lũy laser dưới tăng lên
Áp suất tối ưu 1 ÷ 2 mmHg , áp suất tăng làm giảm tốc độ điện tử
Trang 7Đường kính ống to quá cũng làm giảm tốc độ thoát mức tích lũy dưới khi va chạm nguyên tử Ne với thành ống
1S
2S 2
3S 2
3391nm
1S 0
3P
2 3 S 1
He 2 1 S 0
632,8nm , 543nm
Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe
Công suất laser
λ = 1,15 μm và 0,63 μm đạt vài chục mW
λ = 3,39 μm đạt vài trăm mW
Tuổi thọ laser phụ thuộc vào chất lượng khí và sự hấp thụ của thành ống và các điện cực làm giảm và thay đổi thành phần khí làm giảm tuổi thọ của laser
Ở nước ta: ảnh hưởng của nóng ẩm làm giảm tuổi thọ và độ ổn định của laser
Hình 2.6 Laser HeNe
Với laser HeNe =633 nm , nếu chiều dài buồng cộng hưởng nhỏ hơn 130 mm khi đó khoảng cách giữa hai mốt là:
Trang 8M = 2 /2ne =
2L = 633
2 130 10 6 = 15,4.10-4 nm Khi đó có thể coi rằng trong phổ tần số chỉ còn một mốt duy nhất với độ rộng mốt m = 1.10 -6 nm như trên hình 2.6
Hình 2.6: Độ rộng phổ Đốp-le và khoảng cách mốt
Nguyên lý cấu tạo của nguồn laser HeNe đo lường
Về mặt nguyên lý cấu tạo , thì nguồn phát laser HeNe dùng tromg đo lưòng cũng bao gồm các bộ phận chủ yếu như các laser khí thông thường là , hình 2.7 Buồng cộng hưởng mà trong đó chứa chất khí được gọi là môi trường laser P
Bộ phận bơm bằng phóng điện B Hai gương phản xạ S1 , S2 Cửa sổ Brewster W
Ngoài ra , do yêu cầu về độ đơn sắc và sự ổn định chiều dài sóng bức xạ mà các laser dùng trong đo lường còn có thêm hai bộ phận là :
-Phần điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng gồm có phôtô diôt PD ,
bộ xử lý điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng qua vành áp điện PTZ
-Phần hấp thụ chọn lọc sóng ánh sáng gồm buồng J hấp thụ I-ốt được làm nguội
Trang 9B
S1 S2
W P W J
Điều khiển áp suất
& nhiệt độ PZT
Làm nguội
Photo diôt Cảm biến pha Khuyếch đại
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên tắc của laser với cửa sổ Brewster
Trong buồng cộng hưởng người ta đặt 2 cửa sổ Brewster , nó chỉ cho phép thành phần phân cực ngang đi qua Buồng hấp thụ bằng I2 127 bão hoà ( J ) , dạng hình trụ, sẽ hấp thụ chọn lọc Bởi vậy , việc đảm bảo nhiệt độ và áp suất của hơi i-ốt bão hoà trong buồng hấp thụ ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định của tần số bức xạ của laser , nó gây nên sai số về sự thay đổi tần số cỡ 10 Khz / 10
C , còn sự thay đổi áp suất làm dịch đỉnh phổ của đường hấp thụ
Để điều chỉnh độ dài của buồng cộng hưởng , một phần chùm ra được đưa vào phôtô diốt để lấy ra tín hiệu kiểm tra tần số phát của laser so với chuẩn định vị trên đường hấp thụ của buồng i-ốt Tín hiệu này được khuyếch đại và đưa đến
bộ điều khiển áp điện PZT Bộ điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng này điều chỉnh đến 2m với sự biến đổi nhỏ tần số cỡ 2MHz / 1 nm sự thay đổi chiều dài buồng
2.2.3 Laser CO 2
Có mức dao động rất gần mưc cơ bản, các điện tử tham gia hầu hết vào quá trình kích thích làm tăng độ tích lũy mức laser trên nên có hiệu suất cao, tức là dùng mức năng lượng thấp của hạt, Phân tử CO2 có cấu trúc đối xứng tuyến tính với 3 bậc dao động tự do
Trang 10Hình 2.8 Các kiểu dao động của phân tử CO 2
Dao động đối xứng v1 ( 1000)
Dao động uốn v2. ( 0200 )
Dao động biến dạng không đối xứng v3 ( 0001 )
Trong phân tử CO2 có các chuyển dịch mạnh nhất: 0001 → 1000 & 0001 →
0201
Thường mức 0001 chọn làm mức laser trên và 1000, 0200 làm mức laser dưới Dịch chuyển 0001 → 1000 cho bức xạ λ = 10,6 μm
0001 → 0201 cho bức xạ λ = 9,6 μm Với hiệu suất lượng tử 40 % vớiλ = 10,6
μm và 45 % Với λ = 9,6 μm Công suất laser CO2 đến 20 ÷ 30 %
Người ta cho thêm N2 và He làm tác nhân kích thích bơm
001 v 3
N 2
010
100 v 2
CO 2 10600nm
020 v 1 9600nm
Hình 2.9 Sơ đồ các mức năng lượng của laser CO 2
Để giảm sự thái hóa khí người ta cho khí luôn luân chuyên trong ống bằng bơm chân không và hệ thống nạp khí nên laser CO2 cồng kềnh, tiêu hao khí He Laser CO2 là loại laser đạt được công suất đến hàng chục kW ở chế độ liên tục với hiệu suất đến 20 ÷ 30 % và là loại công suất lớn nhất hiện giờ
Trong kĩ thuật thường dùng loại laser xung : 10-6÷10 -9 s với điện áp cỡ hàng trăm kV và dòng vài Ampe
Trang 112.3 Laser bán dẫn
2.3.1 Nguyên lý phát laser bán dẫn
Laser bán dẫn là nguồn quang điện tử có hiệu suất và năng lượng laser cao, với kích thước khối nhỏ gọn, giá rẻ, thường được gọi là Diode laser và có nhiều triển vọng trong lĩnh vực đo lường
Cấu trúc năng lượng bán dẫn có bề rộng vùng cấm nhỏ chỉ khoảng 1eV Sự dịch chuyển của điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo nên một cặp điện tử và
lỗ trống Sự kết hợp của điện tử và lỗ trống bức xạ ra một phô ton ánh sáng Thêm các tạp chất vào vật liệu bán dẫn thuần có thể chế tạo hai loại bán dẫn,
mà một loại có mật độ điên tử lớn gọi là loại n, một loại mà mật độ lỗ trống lớn gọi là loại p như hình 2.10
Hình 2.10 Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn p&n
Bán dẫn loại n số điện tử ở vùng dẫn rất nhiều, còn bán dẫn loại p số lỗ trống ở vùng hoá trị rất nhiều Các loại bán dẫn thuần không thể tạo ra các điều kiện cần thiết cho việc phát ánh sáng hiệu quả Trong thực tế người ta chế tạo laser bán dẫn với cấu trúc tạp chất khác nhau với tiếp giáp p-n
Ở lớp tiếp xúc p-n, các điện tử và lỗ trống gần chỗ tiếp giáp có đủ năng lượng
để khuếch tán qua phía bên kia Ở đây chúng có thể kết hợp với phần tử mang điện ngược dấu Một lớp mới được tạo ra mỗi bên của tiếp giáp, gọi là lớp trống không có phần tử mang điện tích tự do, hình thành một véc tơ điện thế ngang qua lớp trống từ phía n sang p
11
qVqV00
Năng lượng
điện tử
Chiều dài tinh thể
Vùng nghèo điện tử
Vùng giàu điện tử
Dải dẫn
Trang 12Hình 2.11 : Sự tạo thành tiếp giáp p-n
Nói cách khác, sự chuyển đổi các phần tử mang điện đa số qua lớp tiếp giáp bị chặn lại Điều này duy trì cho tất cả các phần tử đa số dù cho chúng được sinh ra hoặc đưa vào do kích thích bằng nhiệt Mặt khác các cặp điện tử và lỗ trống liên tục được sinh ra do nhiệt ở mỗi bên tiếp giáp Các điện tử được tạo ra ở phía
p là phần tử mang điện thiểu số sẽ bị kéo qua tiếp giáp tới phía n nhờ véc tơ điện thế Tương tự như vậy đối với lỗ thiểu số ở phía n Điều này dẫn đến trạng thái cân bằng ở nơi mà số điện tử khuếch tán qua từ n-p cân bằng với lỗ trống từ p sang n, kết quả cuối cùng không có dòng điện chảy qua tiếp giáp Độ lớn của điện thế cân bằng qua tiếp giáp là V0
Khi đặt một điện áp phân cực thuận lên tiếp giáp p-n Cả hai loại phần tử mang điện đa số đi qua lớp tiếp giáp vì hàng rào năng lượng giảm.Dòng này gọi
là dòng phun Ở chỗ tiếp giáp các phần tử mang điện có thể kết hợp lại với các phần tử mang điện trái dấu và dẫn đến phát xạ tự phát Bước sóng dài nhất có thể phát ra tương ứng với một điện tử rơi từ đáy vùng dẫn tới đỉnh vùng hoá trị được cho bởi :
c = he/WG
Ở đây WG là năng lượng của vùng trống Bước sóng càng ngắn được phát ra khi điện tử rơi từ trạng thái năng lượng càng cao trong vùng dẫn
Trong loại diode tiếp giáp p-n bình thường phát xạ tự phát là chủ yếu nên tạo nên diode phát quang LED Khi có buồng cộng hưởng quang thì phát xạ kích thích là chủ yếu và tạo nên diode laser
2.3.2 Laser diode
Laser diode đầu tiên bao gồm một đơn tinh thể của Ga –As, kích thích theo dạng tiếp giáp p-n và được đặt một điện thế ban đầu