Các loại nguồn laser công nghiệp

Chương 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 hệ số khuếch đại rất lớn.

Chương 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

-Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kích thước thanh hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm

-Do độ đồng chất quang học kém nên góc mở của tia laser

-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 Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám.

- Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là đơn tinh thể hoặc

• 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.

• Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MeO4,HF

• -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 (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: -Y3A5O12 ( 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.

• Nguồn bơm : Gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội

tụ ánh sáng vào hoạt chất.

• Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất,

do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm 2 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

• Dùng đèn hơi thuỷ ngân phóng điện hồ quang.

Dùng đèn dây tóc nhưng được bơm hơi iode vào để tăng tuổi thọ cho đèn

Các dạng phản xạ

• 2.1.2 Laser Rubi

• Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr 3+

• 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 2000 o C với độ ổn định nhiệt 1/ 10 o C để

đảm bảo đồng nhất.

• Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr 3+ trở nên màu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím.

• Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: 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

4F1

420nm

550nm

4F2

Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby

Tinh thể Ruby

Laser Ruby Q-Switch

• 2.1.3 Laser NdYAG

• Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG

Trong laser Neodim-YAG, môi chất laser là

• 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.

4F 11/2 800nm

_Độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ nhỏ và cho phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền

cơ học, bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu

_Tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên

tục

• 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 nhiều ưu điểm về

tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2

• 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh

• Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn

so với laser Nd.YAG 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 Nd.YAG

• Mật độ môi chất Nd 3+ 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

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.

• Độ 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

• - 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 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 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

Cửa sổ Brewster

Biểu đồ mô tả hoạt động của Laser He - Ne

• Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều tồn tại Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng cách chọn gương laser hoặc dùng các phần tử hấp

thụ chọn lọc

• 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

• Công suất: λ = 1,15 μm và 0,63 μm 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

633 213010

2 6

.

Nguyên lý cấu tạo của nguồn laser HeNe đo lường

Bộ điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng này điều chỉnh đến 2m với sự biến đổi nhỏ tần số cỡ 2MHz /

1 nm sự thay đổi chiều dài buồng

• 2.2.3 Laser CO2

• Có mức dao động rất gần mưc cơ bản, nên có hiệu suất cao, Phân tử CO2 có cấu trúc đối xứng tuyến tính với 3 bậc dao động tự do

020 v 1 9600nm

• Để giảm sự thái hóa khí người ta cho khí luôn luân chuyên trong ống bằng bơm chân không

• 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

Laser CO2

• 2.3 Laser bán dẫn

• 2.3.1 Nguyên lý phát laser bán dẫn

• 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

• Hình 2.10 Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn p&n

Sự tạo thành tiếp giáp p-n

Vùng nghèo điện tử

Vùng giàu điện tử

Vùng tập trung lỗ trống

Vùng ít lỗ trống

• 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

• 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

• Hình 2.13 SH,DH diode laser cấu trúc sọc

Thay đổi cấu trúc lớp tiếp giáp đơn đơn giảnvới vùng

có hệ số khúc xạ thấp hơn chính lớp hoạt động sự phát

xạ laser bị hạn chế theo chiều ngang trong vùng tiếp

giáp hẹp này, Cải tiến hơn nữa là diode tiếp giáp kép khác nhau DH, giảm vùng hoạt động xuống, bằng cách kẹp giữa một lớp kép

• Các diode có bước sóng phát xạ gần tia hồng ngoại đặc biệt là 820 nm, 850 nm 904 nm, 1.3 m, 1.5

m Các bước sóng khác nhau do sử dụng vật liệu bán dẫn hợp chất khác nhau như Gax, Al1-x , As và thay đổi nồng độ kích thích do tỷ lệ Ga:Al

• Buồng cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn 500 m ,đưa khoảng cách mode dọc tới vài trăm GHz và vì vậy chiều dài kết hợp giảm xuông vài mm Vì bức

xạ laser được phát xạ từ một vùng hoạt động nhỏ

gọn , nhiễu xạ gây ra sự phân kỳ cao, tia ra có dạng elip

Hình2 14 Mạch nuôi điển hình cho diode laser.

C«ng suÊt ph¸t cña laser (mW)theo dßng nu«i (mA)

§ å thÞ c«ng suÊt ph¸t cña Laser theo dßng

0 1 2 3

10 12 14 16 18 20 22

mA

mW

laser 1 laser 2 laser 3 laser 4 laser 5

Ph©n bè c«ng suÊt ph¸t theo gãc ph©n cùc

0 0.2 0.4 0.6

210 240

270

300

330

laser2 laser1 laser3

• 2.3.3 Laser bán dẫn đơn mốt.

• Trong các laser diode thường dạng tiếp xúc sọc , dòng điện ngưỡng khá lớn và thường không dưới 120mA Để giảm dòng điện ngưỡng và hoạt động dưới chế độ đơn mốt , người ta sử dụng cấu trúc dị thể chôn BH(Buried )

• Laser diốt DFB (Distributed Feedback): nguyên lý hoạt động của laser DFB là sử dụng hiện tượng phản

xạ Bragg vaò mục đích nén các mốt bên và chọn lọc tần số Trong thiết bị này buồng cộng hưởng Fabry –Pero được thay thế bằng cách tử nhiễu xạ ,hình

2.16

• Laser điôt DBR(Distributed Reflector):

Một dạng biến thể của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg DBR.Trong laser này , các cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số

,thay cho buồng cộng hưởng Fabry-Perot,hình 2.17

Type Peak Power Wavelength Application

lasers are envisioned in isotope separation, plasma heating for

nuclear fusion, long-range, high resolution radar, and particle

acceleration in accelerators )