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 10
17
÷ 10
20
/ cm
3
, lớn hơn 100 ÷ 1000
lần laser khí, nên độ nghịch đảo rất lớn. hệ số khuếch đại rất
lớn.

Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém 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 nên vạch bức xạ tự
nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng
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. Để khử
dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám.
Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là 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.
Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức
năng lượng của hạt có độ rộng lớn
Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định.
THANH HOAT CHAT
•
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.
•
Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H
2
WO
4
, H
2
MeO
4
,HF
•
-Nền tinh thể Ytrigranat – Y
3
Me
5

O
12
(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: -Y
3
A
l5
O
12
( kí hiệu YAG)
•
-Al2O3 ( Laser Rubi )
•
-Thủy tinh SiO
2
: 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 Nd
3+
λ= 1,06 μm

•
Dyprozy Dy
2+
λ= 2,36 μm
•
Camri Sm
2+
λ= 0,7 μm
•
Ecoi Er
2+
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.
•
. 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 Al
2
O
3
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 Al
2
O

3
có màu đỏ, khi pha Cr
3+
trở
nên màu hồng
à
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 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E
xuống mức 4A
2
.
•
Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A
xuống mức 4A
2
.
•
Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2.
4A2
2A
E
R1 R2
4F1
420nm
550nm

4F2
•
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= 77 o K
•
R1 694,3 nm 693,4 nm
•
R2 692,8 nm 692,0 nm
Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby
Đèn Xenon Dây dẫn điện
Gương phản xạ 95%
Công tắc
Bộ nguồn
Mặt trụ nhôm phản
xạ được đánh bóng
Gương phản xạ 95%
Tinh thể Ruby
Laser Ruby Q-Switch
Bước sóng: 694 nm
Mật độ năng lượng: 23J / cm2
Tần số phát: 0,5 – 2 Hz
Thích hợp: Xóa xăm nhiều
màu, điều trị bớt sắc tố
(xanh, đen …)
• 2.1.3 Laser NdYAG
•
Cấu hình cơ bản là Y
3

Al
5
O
12
, kí hiệu YAG.
Trong laser Neodim-YAG, Y
3+
được thay bởi Nd
3+
•
Sự dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F
2
xuống 4I
2

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.
4F11/2
800nm
730nm
4I9/2
4F3/2
4F5/2
4F7/2

Hình 2.4 Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd
3+

1064nm
_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 mhiều ưu điểm về tính mềm
dẻo hơn so vơi laser CO
2
.

•
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
•

2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh
•
Các mức năng lượng dịch chuyển của Nd
3+
trong laser
thuỷ tinh ở = 1064nm .
•
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 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.
•
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.
•
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 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.
1S
2S2
3S2
1152nm
2P
3391nm
1S0
3P
23S

1
He 21S
0
632,8nm , 543nm
Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe
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 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.