Tìm hiểu Laser Sapphire

Tìm hiểu Laser Sapphire.

1 Khái niệm

Laser Ti: sapphire là laser rắn sử dụng sapphire làm môi trường hoạt chất Laser Ti: sapphire phát ánh sáng màu đỏ và ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650- 1100nm Laser Ti: sapphire được sử dụng rộng rãi vì nó có thể điều hưởng bước sóng trên một vùng rộng để phát xung laser cực ngắn (femto giây) bằng phương pháp khóa mode Laser Ti: sapphire là vật liệu hàng đầu trong công nghệ khóa mode để tạo xung cực ngắn Laser Ti: sapphire được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1982

2 Cấu tạo của Sapphire

Sapphire có cùng dòng họ với Ruby.

Sapphire là một biến thể của corindon  - Al2O3

Sapphire có màu xanh lơ do lẫn ít titan oxit Tỷ

trọng của Sapphire: 3,95 - 4,03 , thường là 3,99

Sapphire có độ cứng tương đối là 9 (theo thang

Mohs), chỉ đứng sau kim cương Độ

cứng của sapphire cũng biến đổi theo

các hướng khác nhau như Ruby

Sapphire có chiết suất vào khoảng:

1,766 - 1,774 Sapphire lam hấp thụ các

bước sóng: 470.1nm, 460nm, 455nm,

450nm, 379nm

Công thức hóa học của sapphire

là Al2O3 ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti3+ thay thế vị trí của

Đá Sapphire

Cấu trúc tinh thể Al 2 O 3

Al3+ trong mạng tinh thể Mỗi ion Ti3+ liên kết với 6 ion O2- nằm ở các đỉnh của hình tám mặt

3 Cấu tạo của Laser Ti: Sapphire

3.1 Môi trường hoạt chất Sapphire là hợp chất của Al2O3 và Ti3+ nên môi trường hoạt chất của laser Ti: sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này Al2O3 có tính dẫn nhiệt tốt nên nó có thể giảm nhiệt độ nhanh ngay cả với laser có công suất cao và cường độ lớn Ion Ti3+ có độ rộng phổ hấp thụ lớn nên phát

ra laser có độ rộng phổ lớn, đó là một cơ sở để điều khiển laser Ti: Sapphire phát xung cực ngắn (cỡ femto giây)

Tinh thể Ti: sapphire được chế tạo bằng cách

nung nóng chảy Ti2O3 với Al2O3 Nồng độ ion Ti3+

trong mạng chiếm khoảng 0,1-0,5% khối lượng Ion

Ti3+ chiếm chỗ của ion Al3+, nó ở trung tâm của hình

bát diện và liên kết cộng hóa trị với 6 ion âm O

2-xung quanh Trong mạng tinh thể lý tưởng có thể

xem hình bát diện này đối xứng Nồng độ ion Ti3+ trong mạng tinh thể khoảng 3,3.1019 ion/cm3 Trạng thái điện tử cơ bản của ion Ti3+ được tách thành hai mức điện tử dao động, hai

mức này liên kết mạnh với các mode

dao động của mạng gây nên sự mở rộng

đồng nhất mạnh Thông thường người

ta chế tạo thanh hoạt chất có đường

kính cỡ 35- 45mm, chiều dài khoảng

80- 180mm Nhôm ôxit đóng vai trò là

chất nền, ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát

ra laser

Hình bát diện của Ti:Al 2 O 3

Hình ảnh thanh Ti:Al 2 O 3 trong thực tế

3.2 Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Ti: sapphire cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby là buồng cộng hưởng quang học, thường được chế tạo ở hai dạng:

- Dạng 1 buồng cộng hưởng quang học hở (Fabri perot

- Dạng 2 buồng cộng hưởng kín

Laser Ti: sapphire được sử dụng dưới dạng xung laser cực ngắn là chủ yếu nên buồng cộng hưởng cũng được thay đổi Để tạo ra xung cực ngắn thì

có hai phương pháp: điều biến độ phẩm chất và khóa mode Ở chế độ khóa mode đòi hỏi buồng cộng hưởng phải đủ dài, để không tăng kích thước laser thì người ta chế tạo buồng cộng hưởng gấp Hoạt động của buồng cộng hưởng gấp ngoài mục đích tăng quãng đường đi của photon còn làm chùm photon đơn sắc, có công suất cao Do đó trong buồng cộng hưởng ngoài gương phản xạ toàn phần, và gương phản xạ một phần ra người ta còn đưa thêm lăng kính và khe chắn sáng vào Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp sau đây là một số mô hình buồng cộng hưởng gấp:

Loại 1: Buồng cộng hưởng có 4 gương

- Loại 1: buồng cộng hưởng có 4 gương (M1, M2, M3, M4) Các gương phản

xạ toàn phần là M1, M2, M4 Gương M3 phản xạ một phần Khi photon phát

ra thì bị phản xạ nhiều lần trong buồng cộng hưởng này và bị khuếch đại lên, khi đạt giá trị ngưỡng thì laser phát ra ở M3 Trong buồng cộng hưởng còn

bố trí thêm hai lăng kính P1 và P2 để tán sắc ánh sáng, sau lăng kính P2 ta đặt một khe sáng S để lọc ra bước sóng cần thiết Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn có đặt ống kính F để tập trung bức xạ bơm Với hệ thống buồng cộng hưởng này ta thu được xung laser có tính đơn sắc cao, công suất lớn và tập trung tại một điểm

- Loại 2: buồng cộng

hưởng có 6 gương

(M1, M2, M3, M4, M5,

M6) Trong đó M1,

M2, M3, M4, M5 là

gương phản xạ toàn

phần M6 là gương

phản xạ toàn phần

Ngoài ra trong buồng

cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P1, và P2 và khe sáng S để tạo ra ánh sáng đơn sắc Photon phát ra lần lượt phản xạ trên các gương như hình

vẽ trên

- Loại 3: Quang

Đề án của

FemtoStart50

Gồm có 9 gương

M1, M2, M3, M4,

M5, M6, M7, M8,

M9 Loại này có

thể phát ra xung tương ứng với 20 fs, 50 fs, và 100 fs Gương M1, M2, M3,

Quang đề án của FemtoStart50 Loại 2: có 6 gương phẳng (M 3 , M 5 phản xạ cao),

2 lăng kính P 1 và P 2 , và khe S

M4, M5 và M7 là gương phản xạ tòa phần lớn hơn 99,5% M6 là gương phản xạ một phần Gương M8, M9 để tập trung bức xạ bơm tới ống kính F Ống kính F có tiêu cự là

100 mm Buồng cộng

hưởng có thêm hai lăng

kính P1, P2 và khe sáng S

để tán xạ ánh sáng và lọc

bước sóng (nếu khe S đặt

gần M4 Nếu khe S đặt gần

M6 có tác dụng ổn định hoạt động cho xung laser Mirror M7 được sử dụng trong quá trình liên kết với lăng kính và M2

Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp với nhiều gương, lăng kính hơn

3.3 Nguồn bơm

Để bơm cho laser Ti: sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng trong khoảng 514-532nm Thông thường người ta sử dụng laser argon (514,5 nm) để bơm cho laser Ti: Sapphire phát liên tục Và laser Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: YVO (527- 532 nm) có tần số đôi để bơm cho laser Ti: Sapphire phát xung Ở nhiệt độ thấp cũng có thể dùng đèn quang học (như đèn chớp) để bơm nhưng đèn phải mạnh, sử dụng đèn này thì tiết kiệm được chi phí Đèn Argon phát liên tục là nguồn bơm phù hợp, có công suất cao (lớn hơn 1W), độ rộng phổ có thể điều chỉnh ngoài khoảng 700- 1000nm

4 Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Titan là 3d24s2, có 2 electron ở phân lớp 3d, 2 electron ở phân lớp 4s Theo lý thuyết nhóm thì Titin là kim loại chuyển tiếp Spin của nó nhận giá trị ½, từ đó ta suy ra được độ bội của

nó là 2 Trong sự sắp xếp các ion trong mạng tinh thể thì có sự phân ly của

Sơ đồ thực tế của quang đề án của FemtoStart50

liên kết Ti-O, do đó trạng thái điện tử cơ bản

của ion Ti3+ được tách thành 2 mức:

- Mức 1: 2T2 gọi là trạng thái cơ bản,

trạng thái này suy biến bậc 3, có nhiều mức

dao động con tạo thành một dải lớn Thời gian

sống của hạt ở trạng thái này khoảng 3,2s

tại 300K

- Mức 2: 2E gọi là trạng thái kích thích, mức này gồm 2 mức nhỏ

Liên kết của electron ở phân lớp 3d với trường

mạng tinh thể vững chắc nên trạng thái trên bền

vững hơn trạng thái dưới, tức là thời gian sống

của mức 1 lớn hơn thời gian sống ở mức 2, đây

cũng chính là cơ sở để ta tạo sự nghịch đảo mật

độ cư trú để tạo ra laser

Với sơ đồ các mức năng lượng như vậy

ion Ti3+ có phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang rất rộng và hai phổ này tách biệt nhau

Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng, từ các mức năng lượng của ion Ti3+ trong mạng tinh thể mà phân

thành các mức như sơ đồ:

Mức 1 của ion Ti3+ là một dải

rộng các mức năng lượng con, ta có

thể chia mức 1 thành 2 vùng A và B,

hai vùng gần như xen phủ nhau Vùng

A gồm các mức dao động con phía

dưới, vùng B gồm các mức dao động

phía trên Mức 2 của ion Ti3+ có hai

Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti 3+

Sự tách mức năng lượng

Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire

mức dao động con C và D Sự nghịch đảo mật độ cư trú của hạt được thực hiện theo cơ chế sau:

- Khi bơm với bước sóng thích hợp thì hạt từ trạng thái cơ bản A chuyển lên trạng thái kích thích C và D

- D rất sát với C, và thời gian sống của hạt ở mức D bé hơn mức D nên hạt nhanh chóng chuyển về C mà không bức xạ Thời gian sống ở C lớn hơn thời gian sống ở B nên tạo được sự

nghịch đảo mật độ cư trú Ở C quá trình

bức xạ cưỡng bức xảy ra, các hạt đồng

loạt nhảy về các mức con ở B đồng thời

phát ra photon có năng lượng khác

nhau

Vậy ta có thể xem như A là cơ

bản, B là mức laser dưới, C là mức

laser trên, D là mức kích thích Laser

Ti: Sapphire phát ra bước sóng cao nhất

là 790nm Laser Ti:Sapphire phát ra

nhiều bước sóng khác nhau nằm trong

vùng ánh sáng đỏ đến vùng hồng ngoại

gần Trong tất cả các laser rắn thì laser

Ti:Sapphire có phổ phát xạ laser rộng nhất, bước sóng trải dài từ 660-1180nm

Laser Ti: sapphire có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số bơm Vì độ rộng phổ phát xạ lớn nên laser Ti: sapphire được sử dụng

để khóa mode và biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng tạo ra xung laser cực ngắn cỡ 20-100 fs Ngày nay các nhà khoa học dễ dàng tạo được thời gian xung quanh 100 fs rất dễ dàng Xung ngắn nhất có thể tạo ra

Trạng thái năng lượng và cơ chế phát laser

Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire

khoảng 5,5fs Người ta sử dụng bộ điều biến quang âm để điều biến độ phẩm chất Hiện nay các nhà khoa học sử dụng ống kính kerr để khóa mode (Kerr lens mode-locking ) với nguồn bơm ở chế độ bơm liên tục Phương pháp này gọi tắc là KLM

5 Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire

Ưu điểm

- Phổ bức xạ của laser Ti: sapphire lớn nên có thể điều chỉnh được để tạo ra laser công suất cao Laser công suất được ứng dụng nhiều trong cuộc sống hơn laser công suất thấp

- Độ dẫn nhiệt của Ti: Sapphire cao như kim loại, nên hiệu suất của laser Ti: sapphire lớn hơn các loại laser rắn khác hoạt động ở chế độ liên tục

- laser Ti: sapphire hoạt động ở chế độ liên tục và phát xung cực ngắn vượt trội laser màu

Nhược điểm

- Ti: sapphire có thể chứa một số lượng không mong muốn Ti 4 + ion, dẫn đến sự hấp thụ ký sinh và do đó để mất hiệu quả laser Để để tối ưu hóa hoạt động của laser Ti: sapphire thì phải giảm thiểu nồng độ ion Ti4+

- Mất mát trong trong laser Ti: sapphire gồm mất mát trên lớp mạ gương, các bề mắt quang học đánh bóng, mất mát kí sinh ngay trong vật liệu Ti:Sapphire Mất mát này tỉ lệ với độ dài thanh và thay đổi theo nồng độ

Ti3+, khi nồng độ này tăng thì mất mát tăng