Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế

Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế Thiết kế chế tạo hệ điều khiển cho thiết bị laser KTP chuyên dụng trong y tế

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ

LASER KTP CHUYÊN DỤNG TRONG Y TẾ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LASER Nd: YAG 5

1.1 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG 5

1.2 Sơ đồ các mức năng lượng 7

1.3 Phổ hấp thụ và phát xạ 8

1.4 Cơ chế phân bố đảo trong laser rắn Nd:YAG 10

1.5 Chế độ điều chế độ phẩm chất của laser 15

1.6 Hệ thống bơm quang học 18

CHƯƠNG II: TINH THỂ KTP & QUÁ TRÌNH TẠO HOÀ ÂM BẬC HAI 23

2.1 Tinh thể KTP 23

2.1.1 Đặc điểm 23

2.1.2 Các tính chất của tinh thể KTP 26

2.1.3.Các ứng dụng của KTP 27

2.1.4.Các tinh thể KTP điển hình 28

2.2 Quá trình tạo hoà âm bậc hai 29

2.2.1 Giới thiệu 29

2.2.2 Sóng điện từ và quá trình phân cực phi tuyến 29

2.2.3 Quá trình tạo hoà âm bậc hai 36

2.2.4 Hệ số phi tuyến hiệu dụng d eff 39

2.2.5 Ghép pha 42

2.2.6 Quá trình tạo hoà âm bậc hai 43

2.2.7 Pha kết hợp trong trong quá trình tạo tần số tổng 45

2.2.8 Quá trình tạo hoà âm bậc hai bằng các chùm tia Gauss 46

2.2.8.1 SHG bên trong hốc cộng hưởng 47

2.2.8.2 SHG bên ngoài hốc cộng hưởng 48

2.3 Hiệu ứng suy hao trong quá trình tạo hoà âm bậc hai 50

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 54

3.1 Thiết kế chế tạo hệ thống thay đổi bước sóng 54

3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển có ghép nối vi xử lý, hiển thị và điều khiển được các tham số chính của laser: năng lượng, tần số của xung laser 55

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 69

3.3 Kết quả về hệ thống thay đổi bước sóng……… 69

3.4 Kết quả về thiết kế hệ thống điều khiển và hiển thị……….69

3.5 Đánh giá kết quả……… 71

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

TÓM TẮT 74

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

HCH: Hộp cộng hưởng

KTP: Potassium Titannyl Phosphase

SHG: second hamornic generation – Quá trình tạo hoà âm bậc hai YAG: Ytrium Aluminum Garnet

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây các loại laser đã được nghiên cứu và ứng dụng một cách phổ biến trong tất cả các lĩnh vực của đời sống như quan sự, kinh tế hay y tế Trong các ứng dụng nói trên phải kể đến việc ứng dụng thiết bị laser Nd:YAG trong y tế Với bước sóng 1064 nm, laser Nd:YAG có các hình thức tác dụng đa dạng của bức xạ lên mô Thiết bị laser Nd:YAG được khẳng định như một công cụ hiệu quả trong điều trị nhiều bệnh khác nhau ví dụ như phẫu thuật thẩm mỹ, mổ nội soi hay để quang đông các u ác tính sơ phát và tái phát…

Tuy nhiên hiện nay các thiết bị laser Nd:YAG mới chỉ giới hạn ở một bước sóng (λ = 1064 nm) Để cải tiến thiết bị trên chúng tôi đã đưa thêm vào

hệ thống chuyến đổi bước sóng bằng tinh thể KTP Bức xạ khi đi qua tinh thể này sẽ được nhân đôi về tần số (khi đó bước sóng sẽ là 532 nm ) Ưu điểm của thiết bị trên so với trước đó là có thể giúp bác sỹ điều trị một cách hiệu quả dựa trên các tổn thương trên da khác nhau

Phần đầu của luận văn tốt nghiệp giới thiệu các vấn đề cơ bản về vật lý của laser Nd:YAG và các ứng dụng của laser này Phần tiếp theo giới thiệu về tinh thể phi tuyến KTP và các quá trình tạo hoà âm bậc hai, hay còn gọi là quá trình nhân đôi tần số Nội dung chính của luận văn là thiết kế chế tạo hệ thống chuyển đổi bước sóng và hệ thống điều khiển, hiển thị các thông số chính của thiết bị laser Nd:YAG hai bước sóng

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LASER Nd: YAG

Laser Nd:YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất Công thức hoá học của chất nền là Y3Al5O12 (Ytrium Aluminum Garnet-viết tắt là YAG) và của các tâm kích hoạt là ion Nd3+ (Neodym-viết tắt là Nd) Bức xạ laser xảy ra trong các dịch chuyển giữa các mức năng lượng của các ion Nd3+ Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy vào trong tinh thể YAG với tỷ lệ

1 đến 2% (theo trọng lượng) Do mật độ Nd3+ khá lớn nên hệ số khuếch đại của laser Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí

1.1 Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG

Tinh thể Nd:YAG là tinh thể đều, được nuôi bằng phương pháp Czochral (kéo tinh thể nóng chảy) Trường tinh thể gần đối xứng tứ giác Số nút trong mạng tinh thể là 1,36.1022/cm3 Tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng là 3.10-19 cm2 trong điều kiện nhiệt độ phòng Thanh hoạt chất thông thường có độ dài từ 75 mm đến 150 mm, đường kính lớn nhất là 8 mm (tuỳ thuộc vào công nghệ nuôi) Hai đầu thanh hoạt chất được cắt phẳng hoặc cắt theo góc Bruster và được đánh bóng, phủ lớp khử phản xạ Mục đích khử phản xạ để tránh tạo ra buồng cộng hưởng phụ Tuỳ theo công nghệ nuôi cấy khác nhau, tiết diện ngang của thanh hoạt chất có thể là hình tròn, cũng có thể

là hình chữ nhật hay hình vuông Tuy nhiên, thông thường vẫn là hình tròn, vì công nghệ kéo hình tròn sẽ dễ hơn và bảo đảm độ đồng nhất hơn

Một số tham số của laser Nd:YAG (của hãng Korad, USA) và tinh thể YAG được tổng kết trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Bảng 1.1 Các tham số chính laser Nd:YAG JK do Anh chế tạo

1.2 Sơ đồ các mức năng lượng

Các dịch chuyển chính của Nd3+ trong YAG được trình bày trong hình (1.1) Khi được bơm (nhận năng lượng quang từ ngoài) các ion Nd3+ chuyển

từ trạng thái cơ bản với mức năng lượng 4I9/2 lên ba nhóm mức năng lượng A,

B, và C Nhóm A gồm mức năng lượng 4F7/2 và 4S3/2; nhóm B gồm các mức năng lượng 4F5/2 và 4H9/2 và nhóm C là mức 4F3/2 Ba mức này là ba mức hấp thụ của Neodym trong tinh thể YAG Từ các mức A, B các ion Nd3+thực hiện các chuyển mức không bức xạ xuống mức C Mức năng lượng 4F3/2 gọi là mức laser trên Các chuyển dịch F-I bị cấm trong gần đúng lưỡng cực do số lượng tử quỹ đạo của ion Nd3+ thay đổi 3 đơn vị trong chuyển dịch này Do đó các trạng thái gắn với F gọi là trạng thái bền với thời gian sống khoảng 240

µs Khi bị mất năng lượng ion Nd3+ nhảy từ mức laser trên xuống các mức năng lượng 4I11/2, 4I13/2, 4I15/2 với hiệu suất lượng tử (tỉ số giữa số nguyên tử bị kích thích và số nguyên tử chuyển xuống mức dưới) gần bằng 100%

Trong ba mức năng lượng này thì mức 4I11/2gần mức cơ bản nhất và có hiệu năng lượng gần bằng 2000 cm-1 Giá trị tích kT trong điều kiện nhiệt độ phòng bằng 4,14.10-14 erg Sử dụng phương trình 1 / λ = ∆E / hc ta tính được năng lượng từ đơn vị cm-1 sang đơn vị erg

E I

Bảng 1.3 Các vạch phát xạ của Nd:YAG

Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ Cường độ tương đối %

4F3/2- 4I9/2 0,8910

0,8999 0,9385 0,9460

25

4F3/2 – 4I11/2 1,0521

1,0615 1,0642 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225

60

4F3/2 – 4I13/2 1,3184

1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572

14

Như vậy, mặc dù có tới 18 vạch phát xạ, nhưng mạnh nhất vẫn là các vạch bước sóng gần 1,06 µm Do đó laser Nd:YAG phát ở vùng 1,06 µm là đặc trưng nhất Khi nói đến laser Nd:YAG là nói đến laser phát bức xạ bước sóng 1,06µm

1.4 Cơ chế phân bố đảo trong laser rắn Nd:YAG

Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo mật độ giữa các mức công tác của phổ Laser chủ yếu là quá trình bơm quang học Đối với Laser Nd:YAG,

ta áp dụng các phương trình động học cho hệ laser hoạt động theo sơ đồ 4

mức

Bơm quang học sẽ chuyển hạt từ trạng thái 1 lên trạng thái 4 Hệ

phương trình động học được viết như sau:

+ +

= +

=

+

=

N N

N N N

N N

N

N N

N B

N

b

4 3 2 1

2 2 3

32 4 42

3 3 4

43

4 4 41 1

41

γ γ

γ

γ γ

γ ρ

Y

B Y

+

=

ρ

ρ γ γ

41

41 3 2

( )

N ZB

Y

B N

γ γ γ

41

41 42 32 3 42

N ZB

Y

B N

=

ρ

ρ γ γ

41

41 2 43

N ZB Y

B N

=

ρ

ρ γ γ

41

41 3 2

Trong đó: Y = γ 2 γ 3 γ 4 và Z = 2 γ2γ3+ γ42γ3+ γ2γ43+ γ32γ43

Những biểu thức từ (1.2) đến (1.5) giúp ta phân tích sự phụ thuộc vào nồng độ của trạng thái vào mật độ bức xạ bơm Quan hệ N i/N = f( )ρb được biểu diễn trên hình 1.5 với điều kiện:

N

Ni

Biện luận về kết quả thu được

Khi không có bức xạ bơm (ρb=0) tất cả các hạt nằm trong trạng thái 1 Khi ρb tăng lên thì nồng độ của trạng thái kích thích sẽ tăng lên, còn độ tích

Hình 1.5 Phân bố nồng độ hạt của hệ 4 mức

luỹ của trạng thái cơ bản lại giảm đi Khi mật độ bức xạ bơm rất lớn thì nồng

độ của những mức kích thích sẽ tới giá trị tới hạn

)

Z

N N

N

Z

N N

N

Z

N N

N N

b b

b b

43 2 3 3

'

42 32 42 3 2 2

'

3 2 4 1

1 '

lim

) lim

lim lim

γ γ

λ γ γ γ

γ γ

ρ ρ

ρ ρ

Có thể nói rằng, tất cả những chất rắn làm việc ở sơ đồ 4 mức đều bức

xạ ở dịch chuyển 3 → 2 Khảo sát trên mang tính chất lý tưởng và không cho

ta xác định được giá trị nghịch đảo ngưỡng Ta thấy với mức bơm nhỏ nhất thì N3 > N2 Trong thực tế ngưỡng của hệ 4 mức nhỏ hơn của hệ 3 mức nhiều

vì trong hệ 4 mức, mức Laser dưới là mức kích thích chứ không phải là mức

2 expTrong đó: E2là năng lượng của trạng thái 2;

T là nhiệt độ của hoạt chất

Khi mật độ bức xạ bơm còn nhỏ thì chúng ta chưa có nghịch đảo nồng

độ và điều đó chỉ xảy ra khi *

b

b ρ

ρ >

Hình 1.6 Nồng độ phụ thuộc vào nhiệt độ

Độ tích luỹ của trạng thái 3 sẽ rất nhỏ khi không bơm nhưng sẽ tăng rất nhanh khi mật độ bơm ρb tăng Độ tích luỹ của trạng thái 2 trong môi trường không kích thích sẽ được xác định bằng biểu thức Boltzman 

Mức 2 phân bố càng cao thì nồng độ của nó càng nhỏ và do đó ρb càng nhỏ Như vậy ta có thể nêu yêu cầu chung đối với chất kích hoạt của Laser rắn:

- Chất kích hoạt phải có phổ hấp thụ rộng quanh tần số bơm

- Trong hệ 3 mức thì hoạt chất thoả mãn điều kiện γ 32 = γ 21

- Với hệ 4 mức thì hoạt chất phải thoả mãn điều kiện

e

−

- Mức 2 trong hệ 4 mức phải phân bố càng cao càng tốt và ít nhất phải lớn hơn KT

- Với hệ 4 mức nhiệt độ của hoạt chất càng thấp càng tốt

Để tạo nghịch đảo nồng độ lớn người ta sử dụng chất kích hoạt Nd, lúc

đó mật độ bức xạ bơm ngưỡng sẽ khá nhỏ Đó là ưu điểm của Laser Nd:YAG (ta có thể dùng loại đất hiếm khác như Dyprozi, Samari, Erbium và ta có các loại Laser khác nhau với bước sóng và đặc tính khác nhau)

1.5 Chế độ điều chế độ phẩm chất của laser

Khi Laser Nd:YAG sử dụng ở chế độ xung (chế độ điều chế hệ số phẩm chất) ta có biểu đồ sau:

t e

d c p b

a

N*

N

N, p

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của ∆N và ρ vào thời gian

Để phân tích hoạt động của Laser trong chế độ này chúng ta hãy trở lại phân tích quá trình động học của quá trình nghịch đảo nồng độ của các trạng thái công tác Hình 1.7 trình bày sự phụ thuộc của ∆N và ρ vào thời gian Xung bơm coi như xung chữ nhật (lý tưởng hoá) có độ rộng bằng đoạn ad

Trước khi có xung bơm thì nghịch đảo nồng độ ∆N < 0 Vì mức Laser dưới có nồng độ lớn hơn mức Laser trên Sau khi cho xung bơm tác dụng vào thì nghịch đảo nồng độ tăng lên (đoạn ab) Tại thời điểm b thì ∆N đã lớn hơn

∆N*ngưỡng Nếu như buồng cộng hưởng đã được điều chỉnh tốt thì sẽ có bức

xạ Laser Bức xạ được sinh ra sẽ làm thay đổi sự cân bằng của những quá trình tích luỹ và nghèo hoá của các mức công tác Vì vậy có thể nói rằng, tại thời điểm ứng với điểm b sẽ xảy ra sự biến đổi về chất, về sự cân bằng của những quá trình trong môi trường Tồn tại trong môi trường mật độ năng lượng lớn sẽ làm cân bằng nồng độ của mức Laser trên và mức dưới và sau đó

sẽ ngừng lại do mật độ năng lượng tiếp tục tăng Trong chế độ phát tự do thì nghịch đảo nồng độ sẽ bị giảm (đường chấm trên hình 1.7) Nếu BCH bị điều chỉnh lệch, N21 sẽ tăng tới giá trị tới hạn (hệ 3 mức)

N N

21 32 21

2

lim

γ γ

γ γ

Nguyên nhân là khi tăng nồng độ của mức Laser trên thì bức xạ tự phát

ở tần số dịch chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại Sự phụ thuộc của ∆N vào thời gian trong trường hợp BCH bị lệch điều chỉnh được biểu diễn trên hình 1.7 bằng đường đậm nét Rõ ràng nghịch đảo có thể đạt được giá trị lớn hơn trường hợp bình thường

Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của mức Laser trên rất lớn Và điều này đã được thực hiện trong Laser rắn cũng như trong Laser khí CO2 và N2

Bây giờ, nếu mở van quang học tại điểm C thì Laser sẽ cho một xung rất lớn vì công suất bức xạ có thể coi như tỷ lệ với hiệu độ nghịch đảo và độ nghịch đảo ngưỡng Công suất xung cực đại sẽ xảy ra tại thời điểm d và độ rộng của xung bức xạ (đoạn ce) sẽ rất nhỏ hơn độ rộng của xung bơm (đoạn ad)

Cơ chế bức xạ được mô tả ở trên được gọi là chế độ điều chế hệ số phẩm chất Trong BCH, người ta đặt một van quang học và BCH sẽ chỉ được đóng trước khi xung kết thúc, do đó có thể nhận được công suất xung rất lớn

Ví dụ, với laser thuỷ tinh Neodym thì công suất xung có thể đạt tới hàng nghìn Mega W với thời gian xung τxg chỉ vài nano giây Tuy nhiên khi đó năng lượng của xung sẽ bị giảm do bão hoà và do tiêu hao phụ thêm, như đặt van vào trong BCH Công suất xung tăng chính là do thời gian xung giảm đi Nguyên lý làm việc của van có thể xây dựng trên nguyên tắc đưa vào trong BCH những tiêu hao thay đổi theo thời gian và do đó làm thay đổi hệ số phẩm chất Q0 của BCH Chính theo lý do đó mà người ta gọi chế độ này là chế độ điều chế hệ số phẩm chất hoặc do công suất xung lớn nên còn gọi là chế độ xung cực lớn

Bây giờ chúng ta khảo sát kỹ thuật tạo những xung cực lớn Để thực hiện được chế độ điều chế Q0 cần có van tác dụng nhanh, khoảng thời gian

mở van phải nhỏ hơn hằng số thời gian phát triển của xung cực lớn (đoạn cd) Hằng số phát triển xung cực lớn có thể xác định theo công thức:

Trong đó: L: chiều dài buồng cộng hưởng;

l: chiều dài thanh hoạt chất;

n: chiết suất của hoạt chất;

c: vận tốc ánh sáng trong chân không;

K: hệ số khuếch đại chưa bão hoà;

α: hệ số tiêu hao sau một chu trình truyền sóng trong hộp cộng hưởng;

τ - thường vào khoảng một vài nano giây

Hiện nay để làm van quang học người ta thường dựa vào những hiệu ứng điện, cơ, quang, hoá, v v Để điều chế hệ số phẩm chất người ta dùng

tế bào Kerr, tế bào Pockell Trong lĩnh vực thông tin người ta cũng dùng chúng để điều chế bức xạ Laser

1.6 Hệ thống bơm quang học

Nguồn bơm quang học

Để tạo nghịch đảo mật độ dân cư trên các mức ngưỡng của dịch phổ laser, trong laser rắn người ta thường dùng bơm quang học tức là chiếu ánh sáng có phổ phát xạ trùng với hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo mật độ - điều kiện cần thiết để

có phát xạ laser Với laser Nd:YAG người ta thường dùng nguồn bơm quang học là các đèn kích Xenon hoặc Krypton

Những yêu cầu kỹ thuật đối với tinh thể YAG để làm thanh hoạt chất laser phải thoả mãn các điều kiện sau:

• Bền chắc về cơ học và hoá học để đảm bảo độ bền của môi trường hoạt tính,

• Bền vững về nhiệt độ để chịu được bức xạ bơm lớn và bức xạ laser lớn,

• Dễ chế tạo về phương diện công nghệ chế tạo và sản xuất hàng loạt,

• Cho phép gia công cơ khí và gia công quang học (hình dạng, đánh bóng, mài mòn, phủ lớp phản xạ, làm sần sùi ở xung quanh, làm rỗng lõi…)

• Đồng nhất quang học cao để đảm bảo tiêu hao và hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng lớn,

• Phải trong suốt đối với bức xạ laser,

Dựa trên những đặc điểm của laser Nd:YAG và những yếu tố ảnh hưởng của hoạt chất trên, ta thiết kế thanh hoạt chất laser Nd:YAG liên tục có tham

Hình 1.8 Thanh hoạt chất Nd: YAG của Laser Nd:YAG

Ở đây ta chọn dạng tròn để dễ gia công, lắp ráp vào buồng bơm quang học, ở giữa rỗng để dễ dàng phối hợp hệ dẫn đường và làm lạnh môi trường hoạt chất

Chất phản xạ được phủ lên trên bề mặt của hai gương ở hai đầu hoạt chất

Hệ thống điều khiển năng lượng phát tia Laser Nd:YAG

Hệ thống điều khiển năng lượng Laser Nd:YAG hay điều khiển mức bơm quang học trên đèn kích hoạt Xenon phải thoả mãn 2 điều kiện:

Thông lượng bức xạ do hoạt chất hấp thụ

Công suất đèn bơm

Phổ của đèn Xenon xung khi mật độ dòng phóng điện lớn gần giống phổ của vật đen lý tưởng

Hình 1.9 Sự thay đổi của U, I, P theo thời gian trong nguồn bơm

Trong quá trình phóng điện của tụ qua đèn, điện áp trên đèn U, dòng điện I và công suất bức xạ P sẽ biến đổi như biểu diễn trên hình 1.9

Công suất bức xạ của đèn lúc đầu nhanh sau giảm dần Thời gian τxung

phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ τxung sẽ lớn khi đèn có chiều dài lơn Khi tăng điện áp phòng điện thì τxung cũng tăng nhưng tăng rất chậm

Năng lượng cực đại một lần phóng của đèn phụ thuộc vào cấu tạo của đèn Chỉ có khoảng 20 ÷ 30% năng lượng của nguồn chuyển thành năng lượng bức xạ, phần còn lại đều ở dạng nhiệt Vì vậy trong thời gian phát tia laser đèn phải chịu tải về nhiệt rất lớn, rất có thể làm nứt và làm hỏng đèn Do

đó ống phóng thường được làm bằng thạch anh có độ dẫn nhiệt lớn, độ bền nhiệt độ cao Năng lượng xung không lớn và tần số xung nhỏ thường do nguyên nhân về nhiệt này

Tụ cao áp được tích điện qua biến thế nâng áp và đèn chỉnh lưu (hình 1.10) Điện áp tích có thể nhỏ hơn điện áp phóng điện của đèn xung (hình 1.10a) Đèn được kích thích phóng điện bằng một tín hiệu từ mạch điều khiển đưa vào điện áp thứ ba của đèn Trong hình (1.10b) tín hiệu điều khiển được đưa vào lưới của đèn sẽ tạo ra một xung bức xạ rất lớn dùng để bơm quang học Năng lượng phóng điện chủ yếu do điện dung của tụ và điện áp tích điện xác định:

22

Tần số xung thường được hạn chế ở giá trị nhỏ hơn 1kHz vì nếu lớn hơn thì phóng điện xung sẽ chuyển thành phóng điện hồ quang liên tục

Hình 1.10 Nguồn bơm quang học

Để bơm quang học cho những Laser rắn làm việc ở chế độ liên tục người ta thường dùng đèn hơi thuỷ tinh ngân phóng điện hồ quang Đèn phải được làm lạnh bằng nước, có ống phóng với đường kính khá nhỏ cỡ 1 ÷ 2mm Khi đèn làm việc, áp suất hơi thuỷ ngân trong ống đạt tới 100 atm Phổ bức xạ của đèn giống phổ bức xạ của đèn xung và là phổ đầy trong dải tần rất rộng Khi tăng áp suất lên thì những vạch phổ rời rạc sẽ biến thành liên tục Hiện nay để bơm trong chế độ liên tục người ta dùng đèn phóng điện Xenon công suất lớn, phóng điện xảy ra giữa hai cực lạnh đặt gần nhau trong hình tròn bằng thạch anh Phổ bức xạ khi đó chứa nhiều dải khá mạnh ở λ ≅1 µm và một nền rất đều đặn

CH ƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ TINH THỂ KTP VÀ

2.1 TINH THỂ KTP

2.1.1 Đặc điểm

phi tuyến phù hợp cho sử dụng trong nhiều hệ thống quang Ứng dụng phổ biến nhất là bộ nhân đôi tần số 1.064 µm ở lối ra của laser Nd:YAG Hiệu suất chuyển đổi thành 0.532 µm lên đến 60% tại 250 MW / cm2

KTP lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1890 bởi L Ouvard nhưng phải mãi đến năm 1970 Zumsteg, Bierlein và Gier at E.I DuPoint mới xác định tính chất quang phi tuyến của tinh thể này

KTP là một vật liệu quang phi tuyến mà thông thường được sử dụng để nhân

đôi tần số của các laser rắn như Nd:YAG và các laser pha tạp neodymium Vật liệu

có độ quang phi tuyến lớn và độ ổn định nhiệt cao Tuy nhiên nó có thiên hướng gây đổi màu ở bước sóng 1064nm công suất cao sinh ra hoà âm bậc hai và có xu hướng giới hạn khi nó được sử dụng trong hệ thống có công suất trung bình và thấp

KTP cũng thường sử dụng như một bộ tạo dao động thông số quang vùng hồng ngoại gần đến vùng 4µm Đặc biệt thích hợp cho hoạt động công suất lớn như một bộ dao động thông số quang do mức ngưỡng gây nguy hiểm lớn và khẩu độ tinh thể lớn

KTP cũng được sử dụng như một bộ điều biến điện quang, vật liệu dẫn sóng quang và trong các bộ kết nối định hướng

KTP có cấu trúc tinh thể trực giao, có độ truyền qua cao đối với các bước sóng giữa 350 nm – 2700 nm với sự truyền giảm dần tới 4500 nm khi đó tinh thể thực sự là chắn sóng Hệ số phát sinh họa âm bậc hai lớn gấp 3 lần so với tinh thể KDP (Potassium dihidrogen phosphate – KH2PO4)

Tinh thể KTiOPO4 là vật liệu quang phi tuyến duy nhất được sử dụng rộng rãi cho quá trình tạo hoà âm bậc hai của các laser Nd phát xạ xung quanh 1 µm KTP đồng thời cũng rất thu hút đối với các ứng dụng thay đổi thông số quang và thay đổi tổng hoặc hiệu tần số trên toàn bộ dải truyền qua từ 0.35 µm đến 4.0 µm Mặc dù một số đặc tính đặc biệt của các vật liệu khác tốt hơn nhưng KTP có một sự kết hợp các tính chất làm cho nó có điểm đặc biệt riêng cho các ứng dụng quang phi tuyến bậc hai và phát hòa âm bậc hai của laser Nd KTP là vật liệu phi tuyến tốt nhất cho laser Nd là laser nổi bật trong những năm gần đây Nhược điểm chính là yêu cầu cho quá trình tạo mầm cho các tinh thể này khó, giá thành cao và các tinh

thể có kích thước nhỏ

KTP bị phân hủy ở nhiệt độ nóng chảy khoảng 1150oC và vì thế các quá trình nóng chảy thông thường không thể sử dụng được cho việc tạo vật liệu này Tuy nhiên, các đơn tinh thể của KTP có thể được tạo ra bởi cả kỹ thuật thủy nhiệt

và kỹ thuật dòng Các tinh thể hiện nay có chiều dài lên tới 20 mm có trên thị

trường Cấu trúc tinh thể KTP trực giao thuộc nhóm điểm mm2

Hình 2.1 Đường cong truyền qua của tinh thể KTP

Hình 2.1 cho thấy đường cong truyền qua của KTP, vật liệu này có độ truyền qua tốt trong dải bước sóng từ 350 nm – 4000 nm hay còn được gọi là trong suốt với dải phổ 350 nm – 4000 nm

Hình 2.2 Sự định hướng của tinh thể KTP đối với sự tương tác loại II ở

bước sóng 1.06 µm φ = 26o đối với vật liệu KTP được tạo ra bằng kỹ thuật thuỷ nhiệt và φ = 21ođối với tinh thể KTP được tạo ra bằng kỹ thuật dòng

KTP

Hình 2.2 cho thấy hướng tinh thể đối với điều kiện cân bằng pha của tương tác loại II tại 1.06 µm Các góc ghép pha (phase match) φ đo được từ trục x trong mặt phẳng xy là khác nhau đối với tinh thể được tạo ra bằng kỹ thuật dòng và kỹ thuật thủy nhiệt

Các hiệu suất nhân đôi tần số vượt quá 65% nhận được từ KTP được bơm bởi chùm laser có chất lượng cao Tuy nhiên KTP dần dần trở nên giảm phẩm chất quang hóa mà nó được tính lũy nhờ sự kết hợp họa âm bậc hai và

sự phát xạ cơ bản Sự giảm phẩm chất dẫn đến làm tăng sự hấp thụ trong tinh

thể mà có thể gây ra hỏng tinh thể Hiệu ứng quang hóa có thể được đảo ngược nhờ hoạt động của KTP tại nhiệt độ được nâng cao hơn Các tinh thể hoàt động tại các mức dòng thông lượng 150MW/cm2 và nhiệt độ 80oC cho

thấy thời gian sống vượt quá 20 triệu xung với hiệu suất chuyển đổi hơn 60% Tuy nhiên có các lỗi xảy ra do khối tinh thể hoạt động tại 65oC và thấp hơn

2.1.2 Các tính chất của tinh thể KTP

Bảng 2.1 Các tính chất vật lý và hóa học

Công thức hoá học KTiOPO4

Cấu trúc tinh thể Trực giao

Type Phase Matching: Loại II

Góc ghép pha với 1.064µm Tạo với trục x 24° trong mặt phẳng xy

Walk-off Angle 1mrad (0,26o)

Ngưỡng phá huỷ quang > 450 MW/cm2

2.1.3 Các ứng dụng của KTP

KTP là vật liệu duy nhất kết hợp các tính chất như hệ số phi tuyến cao, không hút ẩm Phù hợp với các hệ laser yêu cầu công suất cao, hiệu suất lớn và ổn định Nó có thể được sử dụng cả trong thương mại lẫn quân sự bao gồm y tế và các

hệ laser trong phòng thí nghiệm, trong công nghiệp bán dẫn

Tinh thể KTP còn được sử dụng trong:

- Bộ ghép đôi tần số cho các laser pha tạp Nd cho ánh sáng xanh lá cây hoặc ánh sáng đỏ

- Bộ trộn tần số của laser Nd hay laser diode cho ánh sáng màu xanh da trời

- Bộ dao động thông số quang trong vùng hồng ngoại gần đến 4 µm

- Bộ điều biến quang điện, chuyển mạch quang, các bộ ghép định hướng

- Bộ dẫn sóng quang cho các thiết bị quang phi tuyến lớn, các bộ quang điện tích hợp

- Bộ phát hiệu tần số trong vùng hồng ngoại gần…

2.1.4 Các tinh thể KTP điển hình

2.2 QUÁ TRÌNH TẠO HOÀ ÂM BẬC HAI

2.2.1 Gi ới thiệu

Để hiểu rõ về quá trình tạo hoà âm bậc hai, trước tiên chúng ta tìm hiểu về hiện tượng quang phi tuyến- một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực quang học Khi có một hoặc nhiều sóng điện từ truyền qua bất kỳ môi trường nào thì chúng đều tạo ra sự phân cực trong môi trường đó Những quá trình phân cực này đều tạo ra dao động tại những tần số mới dẫn đến làm tăng sóng điện trường Bởi vậy chúng ta gọi hiện tượng này là quá trình tạo hoà âm, ví dụ, ánh sáng hồng ngoại được chuyển đổi sang ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng tử ngoại, ánh sáng tai laser Nd:YAG chuyển thành ánh sáng xanh 3

Thông qua việc sử dụng các phương trình Maxwell, chúng ta mô tả quá trình tương tác phi tuyến diễn ra như thế nào để dẫn đến việc tạo ra các sóng ứng với các tần số mới trong một môt trường Đặc biệt chúng ta sẽ nghiên cứu rõ hơn về quá trình tạo hoà âm bậc hai

2.2.2 Các sóng điện từ và sự phân cực sóng điện từ

Để có thể biểu diễn từ một sự phân cực tạo ra phi tuyến dẫn đến việc tạo ra các sóng ứng với các tần số mới, chúng ta sẽ sử dụng các phương trình theo lý thuyết điện từ như sau:

Định luật Ampe:

t

D j H

∂

∂ +

Khi quá trình phi tuyến kiểu thứ cấp xảy ra trong môi trường thì độ phân cực tổng cộng có thể được viết như sau:

( )

NLS

P E x

E E

t

P t

E E

rotH

∂

∂ +

∂

∂ +

=

∂

∂ +

∂

∂ +

=

ε ε σ

ε σ

E t

E

2 2

2 0 2

∂

∂ +

∂

∂ +

là khác không) và một số hạng nguồn mới

Nếu chỉ xét đến các sóng phẳng, khi không xét đến tổn hao chúng ta có thể phân tích trường hợp này theo tất cả các sóng truyền theo phương z và chỉ có các thành phần điện trường nằm dọc theo phương x hoặc y Trong trường hợp này phương trình (2.8) trở thành:

j i kij k

r k

k k

E E x t t

E t

E z

E

2 0 2

2 0

∂ +

∂

∂ +

(2.9) cho thấy rõ mối quan hệ bền vững giữa các thành phần điện trường khác nhau Nếu các thành phần điện trường Ei, Ej tương ứng với tần số ω1, ω2 thì rõ ràng là Ekphải chứa một thành phần của tần số ω3 = ω1 + ω2 để hai vế của phương trình (2.9) cân bằng

Chúng ta có thể biểu diễn các sóng phẳng dưới dạng như sau:

z E t

z

E

cc e

z E t

z

E

z k t i k k

z k t i j j

z k t i i i

2 2 2

1 1 1

3 2 1

2

1 ,

2

1 ,

2

1 ,

ω ω

ω ω

ω ω

z E z E t

z

P NLS3 k = kij i j i 1+ 2 t− k1+k2 z +

2 1

E d

e dz

z dE ik e

z E k

cc e

z E z t

z z

E

z k t i k

z k t i k z

k t i k

z k t i k k

3 3 3

3

3 3 3

2 3 2

3 3 3

2 3

3 2

2 2

2

2 2

1 2

1 ,

ω

ω ω

ω ω

Nếu E3k thay đổi đủ chậm theo phương z thì chúng ta có thể thừa nhận rằng

2 3 2 3

2k dE k dz >>d E k dz và bỏ qua số hạng chứa 2

3 2

/ dz E

d k Với phép tính xấp xỉ này chúng ta có:

cc e

z dz

E d e

dz

z dE ik e

z E k t

3 3

2 3 2

2

2 2

Nếu chúng ta thay vào phương trình (2.9) và so sánh với các số hạng dao động ở tần số ω3 = ω1 + ω2, chúng ta có:

( ) (t k k )z i

j i kij

z k t i k z

k t i k k

e E E x e

e E e e i e

dz

z dE ik z E k

2 1 2 1

3 3 3

3

2 1 0 2 3

3 3 0 3 3

3 3

+

− +

ω ω

µ ω

µ ω

(2.14)

3 3 0 2

3µε ε =k

ω trong trương hợp này, trong đó ε3 là hằng số điện môi ở tần số ω3, phương trình (2.14) có thể được đơn giản như sau:

(k k )z i j i kij z

ik k z

ik k

e E E x e e

E

i e

dz

dE

2 1 0 2 3 3

3 3 3

3

4 2

(k k k)z j

i kij k

k

e E E x

i E dz

2 1 0 0 3

3 3

0 3

3 3

4 2

− +

µ ω ε

ε

µ σ

Về phương diện này sự phân cực NLS giống như phương trình (2.11) cũng

có thể được viết cho sự phát xạ không tuyến tính ở các tần số ω1, ω2, ví dụ:

( )

[ ] ( ) ( ) ( ) ( )

cc e

z E z E x e t z

P NLS3 j = kij k i i 3− 1t−k3−k1z +

1 3 0

k kij i

i

e E E x

i E dz

dE

1 2 3 2 3 0 0 1

1 1 0 1

1 1

4 2

µ

ω ε

ε

µ σ

và:

(k k k )z i

k kij j

j

e E E x

i E dz

dE

2 1 3 1 3 0 0 2

2 2

0 2

2 2

4 2

µ

ω ε

ε

µ σ

Nếu tất cả ba tần số ω1 ,ω2 ,ω3 là khác nhau và giả định của Kleinman là đúng, chúng ta có thể bỏ qua các chỉ số của χkij và chỉ cần viết là χ

Chúng ta có thể sử dụng các phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) để mô tả các quá trình phi tuyến quan trọng khác nhau

Phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) có thể được viết dưới dạng đơn giản như sau:

kz i j k i

dz

kz i i k j

3 k k k

k= − −

3 , 2 , 1

và

3 , 2 , 1

µ ω

kl có thể được viết lại như sau:

3 , 2 , 1

Chú ý rằng αl là hệ số hấp thụ điện trường cho từng sóng Nếu không có bất

kỳ tính phi tuyến nào thì kl = 0 và các phương trình (2.20)-(2.22) có một kết quả chung:

z x

l E e

Nếu tinh thể phi tuyến trong suốt với tất cả ba tần số ω1, ω2 và ω3 thì các thông số hạng tổn hao trong các phương trình (2.20)-(2.22) có thể bỏ qua Mặt khác nếu k3 =k1+k2, được gọi là điều kiện ghép pha, thì chúng ta có hệ ba phương trình đơn giản

k j i

E E ik dz

dE

3 2 1

k i j

E E ik dz

dE

3 1 2