Một số loại laser rắn

g độ. Chủ yếu hấp thụ bức xạ ánh sáng màu lục và lam. Do đó, bức xạ bơm cho Laser Ruby chủ yếu là ánh sáng lục và lam. Laser ruby hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Hai mức 2A và đóng vai trò là mức Laser trên. Mức cơ bản 4A2 đóng vai trò mức Laser dưới. Nghịch đảo nồng độ giữa các trạng thái được thực hiện theo cơ chế sau: Khi dùng một đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh Ruby. Những ion Cr3+ hấp thụ được bức xạ bơm sẽ chuyển lên trạng thái kích thích 4F2 (màu xanh ), và chuyển lên trạng thái kích 4F1 (màu lục ). Thời gian Hình 33: Sơ đồ mức năng lượng Laser Ruby sống của những ion Cr3+ ở 2 trạng thái 4F1 và 4F2 làm mật độ hạt ở mức 3 tăng vọt, nhưng thời gian sống ở mức 3 rất nhỏ chỉ khoảng 5.10-8 s. Một số ít những ion Cr3+ kích thích có thể dịch chuyển xuống trạng thái cơ bản 4A2 , còn đại đa số (70%- 75%) dịch chuyển không bức xạ xuống mức 2E vì hiệu năng lượng giữa mức 2 và mức 3 bé, cỡ 3,6. 10-3 eV. Hai mức con ở mức 2 đó tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt và theo phân bố Boltzmann thì nồng độ của các mức con sẽ lớn hơn 2A. Mặc dù mức 2 cũng là trạng thái không bền nhưng thời gian sống của hạt lâu hơn mức 3. Khi tiếp tục bơm làm mật độ hạt ở mức 2 tăng lên, có sự nghịch đảo mật độ cư trú, khi sự nghịch đảo này đạt đến ngưỡng thì phát ra Laser. Quá trình này diễn ra rất nhanh, ở và 2A đã có hạt nên khi ta bơm thì laser đã phát ngay. Laser ruby phát ra hai bước sóng: R1 do dịch chuyển từ về , R2 từ 2A về . Bức xạ ở dịch chuyển R1 đạt được độ nghịch đảo ngưỡng sớm hơn. Bức xạ ở dịch chuyển R2 sẽ cản trở việc tăng nồng độ của mức 2A. Như vậy có thể coi mức 2A là mức cung cấp (nuôi) cho mức , nó sẽ bù liên tục những hạt kích thích mức bị mất đi. Khi phân tích những quá trình công tác của Laser Ruby có thể coi hai mức và 2A như một mức với trọng số thống kê là g2 = 2. Mức laser dưới 4A2 gồm 4 mức đơn, do đó trọng số thống kê của nó là g2=4. Mức được tích lũy những hạt kích thích là do thời gian sống của hạt ở mức đó rất lớn, khoảng 3.10-3 s. Quá trình tích tụ hạt sẽ liên tục cho tới khi nồng độ của mức 2 còn nhỏ hơn giá trị ngưỡng vì như chúng ta đã biết bức xạ chỉ xảy ra khi hiệu số hạt ở hai mức 1 và 2 gọi là được tính như sau: . Nếu coi N0= N1+N2 là tổng số các hạt thì chúng ta dễ dàng tính được giá trị ngưỡng của N2 là: Tức là Laser sẽ phát khi nồng độ của mức 2 phải lớn hơn 1/3 tổng số các hạt. Nếu hệ số phẩm chất Q0 của buồng cộng hưởng nhỏ thì để tự kích cần có số hạt ở mức hai lớn hơn N0/3. Năng lượng cực tiểu mà Ruby cần hấp thụ được để đạt chế độ tự kích: với là tần số bơm để hạt chuyển từ mức 1 lên 3. Hình 34: Sơ đồ phổ hấp thụ của Laser Ruby Trong thực tế, để tạo tự kích thích cho Laser Ruby cần năng lượng lớn hơn năng lượng tính theo biểu thức trên hàng chục lần vì phổ của đèn bơm lớn hơn rất nhiều phổ hấp thụ 4F1 và 4F2. Do đó Ruby chỉ hấp thụ được một phần năng lượng bức xạ rất nhỏ của đèn bơm. Vùng phổ hấp thụ thích hợp nhất tương ứng với tâm của hai mức 4F1 và 4F2 là vùng từ 360 nm đến 450 nm và vùng từ 510 nm đến 600 nm như hình 34. Bức xạ phát ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh hoạt chất. Khi nhiệt độ tăng lên bước sóng của bức xạ phát ra cũng tăng lên và độ rộng vạch phát cũng tăng lên. Bảng so sánh bước sóng của laser Ruby khi nhiệt độ thay đổi: Vạch (nm) T = 3000K T = 770K R1 694,3 693,4 R2 692,8 692,0 Khi nhiệt độ tăng thì ion ở nút mạng dao động nhanh hơn, ion Cr3+ linh động hơn dễ dàng dịch chuyển lên trạng thái kích thích hơn, các mức dao động bị lấp đầy dần từ thấp lên cao. Mức dao động càng thấp thì độ lấp đầy càng cao. Lúc này sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra nhanh hơn, hạt dễ dàng chuyển mức năng lượng hơn. Và khoảng cách giữa các trạng thái năng lượng rút ngắn lại. Mà Laser phát ra bước sóng , khi giảm xuống thì bước sóng sẽ tăng lên. Kết quả thu được là khi tăng nhiệt độ thì bước sóng tăng. Trong thực tế khi nhiệt độ tăng lên thì độ rộng phổ bức xạ giảm xuống. Laser ruby phát ở chế độ xung. Khi đèn xenon phát sáng thì tất cả các quá trình hấp thụ cộng hưởng, nghịch đảo mật độ cư trú, phát xạ kích thích, khuếch đại cộng hưởng đều xảy ra trong một thời gian rất ngắn. Nếu coi thì công xuất trung bình mà Laser phát khoảng 1kW và hiệu xuất nhỏ hơn 1%. Hiện nay người ta đã chế tạo được Laser ruby hoạt động ở chế độ liên tục. Thanh ruby có kích thước tương đối nhỏ và phải được làm lạnh. Công suất bơm ngưỡng lớn hơn 1000W. Công suất bức xạ khoảng vài trăm miliwatt. Laser ruby phát liên tục đầu tiên là thanh ruby trộn sapphire, để nó phát liên tục cần bố trí đèn bơm một cách thích hợp. Vậy ta có thể khái quát lại cơ chế phát Laser như sau: a) Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, hạt khoáng (Crôm) sẽ phát sáng, do có sự kích thích và di chuyển từ tầng năng lượng thấp lên tầng năng lượng cao. b) Ở tầng năng lượng xác định ,thành phần nguyên tử phát sáng được gọi là photon. Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, và bị kích thích bức xạ bởi những hạt photon từ những nguyên từ khác, và được khuếch đại c) Các hạt photon bị phản xạ ngược trở lại bởi các gương của buồng cộng hưởng. Tiếp tục va chạm, kích thích các nguyên tử khác tạo ra quá trình khuếch đại ánh sáng phát xạ. d) Ánh sáng bức xạ được khuếch đại lên đi theo một đường nhất định ra bên ngoài. Đó chính là tia Laser. e) Phát ra Laser. 3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby 3.2.5.1. Ưu điểm - Laser ruby có độ đơn sắc cao vì chỉ phát ra 2 bước sóng. - Tia laser có mật độ định hướng cao. Hình 35: Phân bố các loại laser theo thang bước sóng - Có quang năng lớn - Laser ruby có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt. 3.2.5.2. Nhược điểm - Laser với hoạt chất loại này cần năng lượng bơm lớn và thời gian bơm lớn. Điều này dẫn đến chế độ làm việc ở tần số thấp (chỉ giới hạn tần số là 0,3 Hz). - Vì độ đơn sắc của Laser ruby lớn nên không thể khóa mode để tạo ra Laser phát xung cực ngắn có công xuất lớn. - Laser ruby hoạt động theo sơ đồ 3 mức năng lượng nên có ngưỡng bơm cao hơn các loại Laser rắn khác hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. Do đó hiện nay Laser này ít được sử dụng. - Đối với Laser ruby hoạt động liên tục thì có sự không đồng nhất do bơm xuất hiện trong các thanh Laser. - Hiệu xuất phát Laser không cao. 3.4. Laser Ti: sapphire 3.4.1. Khái niệm Hình 36: Đá Sapphire Laser Ti: sapphire là laser rắn sử dụng sapphire làm môi trường hoạt chất. Laser Ti: sapphire phát ánh sáng màu xanh và ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần với bước sóng trong khoảng 650- 1100 nm. 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. 3.4.2. 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: 470.1 nm, 460 nm, 455 nm, 450 nm, 379 nm. Công thức hóa học của sapphire là Al2O3 ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti3+ thay thế vị trí của Al3+ trong mạng tinh thể. Mỗi ion Ti3+ liên kết với 6 ion O2- nằm ở các đỉnh của hình tám mặt. 3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire 3.4.3.1. 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). Hình 37: Hình bát diện của Ti:Al2O3 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+ nên nó ở trung tâm của hình bát diện và liên kết cộng hóa trị với 6 ion âm O2- 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. Trong laser sapphire nhôm ôxit đóng vai trò là chất nền còn ion Ti3+ là tâm hoạt chất phát ra laser. 3.4.3.2. Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Ti: sapphire cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby và các loại laser rắn khác 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, tập trung cường độ tại một điểm. 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: Hình 38: Loại 1- Buồng cộng hưởng có 4 gương - Loại 1: 5th and 6th cavity mirrors (flat high reflector M3, M5) are placed in long arm of the cavity to make laser more compact.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.More compact scheme incorporates 6 mirrors cavity (Fig. - 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 một phần. Ngoài ra trong buồng cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P1, P2 để tán sắc ánh sáng và khe sáng S lọc ra ánh sáng đơn sắc. Photon phát ra lần lượt phản xạ trên các gương như hình 39. Hình 41: Sơ đồ thực tế của quang đề án của FemtoStart50 Hình 40: Quang đề án của FemtoStart50 Hình 39: Loại 2- có 6 gương phẳng (M3, M5 phản xạ cao), 2 lăng kính P1 và P2, và khe S - 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, 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 khi khe S đặt gần M4. Nếu khe S đặt gần M6 có tác dụng ổn định hoạt động cho xung laser. Gương M7 được sử dụng trong quá trình liên kết với gương M2 như hình 41. Hiện nay buồng cộng hưởng này được đánh giá tốt nhất và được sử dụng nhiều nhất trên thế giới. Có rất nhiều mô hình buồng cộng hưởng gấp với nhiều gương, lăng kính hơn. Việc tăng số lăng kính và gương lên không phải vô hạn vì khi tăng lên thì ta vẫn không tăng được công suất của laser mà kồng kềnh, tốn nhiều chi phí và khó điều khiển. 3.4.3.3. Nguồn bơm Để bơm cho laser Ti: sapphire phải dùng nguồn sáng có bước sóng trong khoảng 514- 532 nm. 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) nhân tần để bơm cho laser Ti: Sapphire phát xung. Ở nhiệt độ thấp cũng có thể dùng đèn quang học 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- 1000 nm. 3.4.4. 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 Titan là kim loại chuyển tiếp, Spin của nó nhận giá trị 1/2, 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 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 tại 300K. Mức 2: 2E gọi là trạng thái kích thích, mức này gồm 2 mức nhỏ. Hình 42: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ti3+ 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 (hình 42) và hai phổ này tách biệt nhau. Hình 43: Sơ đồ 4 mức năng lượng của Ti:Sapphire Laser Ti: sapphire 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 như hình 44. 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 mức dao động con C và D. Sự nghịch đảo mật độ cư trú của hạt được thực hiện theo cơ chế sau: Hình 44: Trạng thái năng lượng và cơ chế phát laser 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 C 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 giữa hai mức này. Ở C quá trình bức xạ cưỡng bức xảy ra, các hạt nhảy về các mức con ở B đồng thời phát ra photon có năng lượng khác nhau. Hình 45: Phổ phá xạ của laser Ti: Sapphire 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 790 nm có cường độ mạnh nhất (hình 45). 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 660-1180 nm. 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 khoảng 5,5 fs. 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. Để điều biến độ phẩm chất cho laser này người ta thường sử dụng bộ điều biến quang âm. 3.4.5. 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. 3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm 3.5.1. Laser Nd:YAG 3.5.1.1. Khái niệm Laser Nd: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet được phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường hoạt chất, nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Laser Nd: YAG có sức xuyên sâu (trên 1mm) Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps). Nó có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz. Laser Nd: YAG được ứng dụng nhiều nhất hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực. 3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG Hình 46: Thanh Nd: YAG Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+. Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, ký hiệu của Neodymi là Nd, số nguyên tử bằng 60, nó có 2 electron ở lớp ngoài cùng 6s2 nhưng phân lớp 4f chưa đầy chỉ có 4 electron. Neodymi có cấu trúc tinh thể là hình lục giác. Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình lập phương. Nó có độ cứng khoảng 8-8,5 (theo thang đo Moh) thấp hơn sapphire và ruby. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước sóng từ 800 nm đến 1400 nm. 3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG Hình 47: Phổ hấp thụ của chất nền và nd3+ a) Môi trường hoạt chất Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi ion Nd3+. Y3Al5O12 đóng vai trò là chất nền, ion Nd3+ đóng vai trò là tâm hoạt chất phát ra laser. Dùng Y3Al5O12 làm chất nền vì phổ huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng bước sóng của Hình 48: Thanh Laser Nd: YAG hình trụ chữ nhật một đầu cắt nhọn Nd3+. Nồng độ ion Nd3+ pha vào chiếm khoảng 0.5% đến 2%. Thông thường người ta chế tạo thanh Nd: YAG có đường kính khoảng từ 3- 6mm và chiều dài khoảng 5- 15cm. Số ion Nd3+ trên một đơn vị khối lượng là 1,38 × 1020/cm3. Thanh Nd: YAG được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau: hình trụ tròn, hình trụ chữ nhật, hoặc hình trụ chữ nhật một đầu có cắt chóp nhọn. b) Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Nd: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học. c) Nguồn bơm Phổ hấp thụ của Nd3+ nằm trong khoảng lân cận 0,7 đến 0,9 nên đèn quang học Krypton hoặc Xenon và laser bán dẫn AlGaAs là nguồn bơm thích hợp nhất. Nếu dùng đèn quang học để bơm thì áp suất bên trong đèn phải phù hợp với quá trình phát laser. Với đèn Xenon thì áp suất của đèn khảng 500 Torr đến 1500 Torr, với đèn Kryton thì áp suất đèn khoảng 4 atm đến 6 atm. Khi sử dụng đèn Xenon để bơm thì phải đưa thêm ion Cr3+ vào mạng tinh thể Yttrium Aluminium Garnet làm chất nhạy hóa, vì ion Cr3+ có dải hấp thụ trùng với phổ bức xạ của đèn Xenon. Việc này này chỉ tăng được hiệu quả bơm khi laser hoạt động ở chế độ liên tục. Đèn Kryton có thể sử dụng để bơm ở cả hai chế độ xung và liên tục. Độ chênh lệch công suất bơm liên tục và xung khoảng 3%, trung bình năng lượng phát của đèn khoảng một vài kW (1- 3 kW) Nguồn bơm thứ hai là dùng laser bán dẫn để bơm. Nếu bơm dọc và bơm liên tục thì dùng đèn ở công suất gần 15W, nếu bơm ngang và bơm liên tục thì dùng ở công suất trên 100W. Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơm đèn quang học, có thể hơn 10%. 3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Nd3+ là 4f3 . Hàm lượng ion Nd3+ rất ít trong tinh thể Yttrium Aluminium Garnet nên bỏ qua tương tác của các ion Nd3+ với nhau mà nó chỉ chịu tác dụng của trường tinh thể Y3Al5O12, dưới tác dụng của trường tinh thể thì ion Nd3+ có sơ đồ các mức năng lượng trong Y3Al5O12 như sau : Hình 49: Sự tách mức năng lượng của và Mức 1 hay còn gọi là mức cơ bản kí hiệu là , trong mức cơ bản này cũng có nhiều mức con sát nhau nên ta có thể xem chúng gần như cùng nằm trong một mức. Thời gian sống của hạt trên mức này khá lâu. Mức 2 gồm nhiều mức do hiệu ứng Stark (6 mức có hiệu năng lượng so với mức cơ bản kéo dài từ 2,001cm-1 đến 2,526cm-1), nhưng xác suất dịch chuyển của các hạt ở mức trên về lớn nhất và sự suy biến của các mức con giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức . Mức gần mức cơ bản nhất và có hiệu mức năng lượng là 2000cm-1. Theo phân bố Bolztmann thì trong trạng thái nhiệt độ phòng mức năng lượng hầu như trống rỗng. Mức 3  là , để tạo ra laser thì phải tạo được sự nghịch đảo mật độ giữa mức này và mức 2. Mức 3 có thể tách thành 2 mức con với hiệu mức năng lượng là 11,502 cm-1 và 11,414 cm-1. Thời gian sống của hạt ở đây khoảng 5,5.10-4 s Mức 4 gồm hai dải rộng : + Dải thứ nhất là + Dải thứ hai là Hai trạng thái này không bền, thời gian sống ngắn lại rất gần với mức 3 nên hạt dễ dàng dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3. Phổ hấp thụ của Laser Nd: YAG rất rộng gồm có 7 bước sóng chính phân bố thành 3 vùng chủ yếu nằm trong vùng hồng ngoại : Vùng A: do các mức con ở dải chuyển về nằm ở lân cận bước sóng 0,75 Vùng B: do các mức con ở chuyển về nằm ở vùng lân cận 0.8 Vùng C: do các mức ở 4F3/2 chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9. Laser Nd: YAG hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng, các mức được phân thành như ở các mức năng lượng của ion Nd3+, mức 1 đóng vai trò là mức cơ bản, mức 2 là mức laser dưới, mức 3 là mức laser trên, mức 4 là mức kích thích. Quá trình nghịch đảo mật đội cư trú thực hiện theo cơ chế sau: Hình 50: Sơ đồ 4 mức năng lượng của laser Ti: Sapphire Nhờ vào quá trình bơm, ta sẽ bơm ở hai bước sóng chính là 730 nm và 800 nm để các hạt từ mức cơ bản nhảy lên mức 4. Sau đó vì thời gian sống của điện tử trên mức này bé, và mức 3 sát với mức 4 nên các hạt dịch chuyển không bức xạ về mức 3. Tại mức 3 thời gian sống ở mức 3 lớn hơn ở mức 4 nên hạt ở lại ở mức 3 một thời gian rồi mới dịch chuyển về mức 2, vậy N3>N2 ta đã có được sự nghịch đảo mật độ cư trú. Hạt ở mức 3 ở trạng thái siêu bền với thời gian sống cỡ 230. Tiếp tục bơm thì hạt tập trung ở mức 3 nhiều hơn, khi các hạt này mất năng lượng (tức truyền năng lượng cho mạng tinh thể) thì hạt nhảy từ mức 3 về các mức con của mức 2 với hiệu suất gần bằng 100% và phát ra laser. Trong đó thì dịch chuyển từ về mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064, bước sóng này được sử dụng rất nhiều khi đưa Laser Nd: YAG vào ứng dụng trong cuộc sống. Ở 3000K phổ phát xạ của Laser Nd: YAG gồm dải rộng có 7 vạch rõ nhất trong đó có hai vạch sáng nhất ứng với bước sóng 1,0615 và 1,0642. Tất cả có 18 vạch được trình bày ở bảng 2 sau : Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ Cường độ tương đối % về 0,8910 0,8999 0,9385 0,9460 25 về 1,0521 1,0615 1,0624 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 60 về 1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 14 về 1,833 1 Bảng 2 : Sự dịch chuyển và bước sóng của 18 vạch phổ phát xạ Laser Nd : YAG Khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng của Laser Nd: YAG phát ra cũng thay đổi theo. Ở nhiệt độ phòng thì bước sóng Laser Nd: YAG phát ra bước sóng 1,0642. Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như: 0,914 và 1,35. Laser Nd: YAG có thể phát ở hai chế độ xung và liên tục tùy vào tần số bơm. Nếu ta bơm với tần số nhỏ thì Laser Nd: YAG phát ở chế độ xung, còn tần số lớn hơn thì nó phát ở chế độ liên tục. Khi ta sử dụng phương pháp biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng và khóa mode thì Laser Nd: YAG có thể phát ra xung laser ngắn. 3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG Ưu điểm - Laser Nd: YAG có độ dẫn nhiệt cao cho phép phát ở nhiều chế độ cả xung và liên tục, có thể tạo xung laser ngắn (5ps) bằng phương pháp biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng - Hiệu suất khá cao cỡ 5% phần trăm. - Có ngưỡng bơm bé hơn laser Ruby vì nó hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. - Công suất của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby rất nhiều lần khi thanh hoạt chất cùng chiều dài. Ví dụ ở nhiệt độ phòng, với thanh hoạt chất dài 3cm thì laser Nd: YAG có công suất là 360W còn laser Ruby cỡ 200W. - Hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn laser Ruby 75 lần nên laser Nd: YAG được sử dụng nhiều hơn laser Ruby. - Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học. Nhược điểm - So với các loại laser khác thì hiệu suất của Laser Nd: YAG vẫn chưa cao. - Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd: YAG không cao 3.5.2. Laser Yb: YAG 3.5.2.1. Khái niệm Laser Yb: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet được phủ nguyên tố hiếm Ytecbi để làm môi trường hoạt chất, nó phát bước sóng 1030 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. 3.5.2.2. Cấu tạo của Yb:YAG Yb: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Yb3+. Ytecbi là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, nó có số nguyên tử là 60, phân lớp 4f đã đầy và có 2 electron lớp ngoài cùng 6s2. Do đó cấu hình của ion Yb3+ sẽ thiếu một electron ở phân lớp 4f. Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 là hợp chất tổng hợp giữa Ytri và nhôm oxit, cấu trúc tinh thể của nó có dạng hình cubic. Yttrium Aluminium Garnet có phổ hấp thụ rộng trong vùng hồng ngoại khoảng bước sóng từ 800 nm đến 1400 nm. 3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG a) Môi trường hoạt chất Môi trường hoạt chất của laser Yb: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12, trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi ion Yb3+. Y3Al5O12 đóng vai trò là chất nền, ion Yb3+ đóng vai trò là tâm hoạt chất phát ra laser. Dùng Y3Al5O12 làm chất nền vì phổ huỳnh quang của Y3Al5O12 chứa vùng bước sóng của Yb3+. Nồng độ ion Yb3+ pha vào chiếm khoảng 6.5%, rất lớn so với laser rắn khác sử dụng chất nền là YAG. Số ion Yb3+ trên một đơn vị khối lượng: 8.97 × 1020/cm3. Nồng độ ion Yb3+ rất lớn nên ta không thể bỏ qua tương tác giữa các ion Yb3+, vậy các ion Yb3+ ngoài tương tác với nhau chúng còn chịu tác dụng của trường tinh thể chất nền. b) Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng của laser Yb: YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học. Laser Yb: YAG có phổ phát xạ laser rộng nên nó được ứng dụng để tạo ra xung laser cực ngắn, lúc đó buồng cộng hưởng được cải biên theo yêu cầu đặt ra. c) Nguồn bơm Laser Yb: YAG hoạt động ở sơ đồ 3 mức năng lượng. Để laser này hoạt động thì cần bơm ở hai bước sóng 968 nm và 941 nm. Vạch 941 nm thường được ưu tiên để bơm bằng diode vì nó có cường độ lớn. Dùng laser GaAs hoặc laser InGaAs để bơm dọc tại bước sóng 943 nm rất tốt, cũng có thể bơm bằng laser Ti: Sapphire. Hiệu suất quang rất cao gần 60% do hiệu suất bơm lượng tử cao: Với , lần lượt là bước sóng bơm và bước sóng hấp thụ, nq là hiệu suất bơm lượng tử. 3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG Hình 51 mô tả đơn giản sơ đồ các mức năng lượng của laser Yb: YAG. Ion Yb3+ không những tương tác với các ion khác mà còn chịu tác động của trường tinh thể. Để đơn giản ta xem ba mức năng lượng của ion Yb3+ gồm có: Mức 1 là mức cơ bản Mức 2 hay còn gọi là mức laser dưới, thời gian sống ở đây rất bé. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F7/2 là mức chính vì ion nhảy từ năng lượng kích thích chủ yếu về mức này. Hình 51: Sơ đồ các mức năng lượng của laser Laser Yb: YAG: YAG Mức 3 là mức siêu bền hay là mức laser trên. Mức này có nhiều mức con nhưng ta lấy mức 2F5/2 là mức chính vì ion khi hấp thụ thì ưu tiên nhảy lên mức này. Thời gian sống của ion Yb3+ ở đây cỡ 1,16ms, chứng tỏ mức này có khả năng tích trữ tốt. Cơ chế hoạt động của laser Yb: YAG có thể mô tả như sau : ion ở mức cơ bản hấp thụ hai bước sóng bơm 968 nm và 941 nm và dịch chuyển lên mức 3, do thời gian sống ở mức 3 cao hơn mức 2 nên xảy ra sự nghịch đảo mật độ giữa hai mức này. Sau đó ion nhảy về mức 2 với số lượng lớn (tức khuếch đại) và phát ra laser. Tuy phát ra nhiều bước sóng (do ở mức 2 và 3 có các mức con) nhưng có một bước sóng phát ra với cường độ lớn nhất đó là bước sóng 1.03 tại nhiệt độ phòng. Độ rộng phổ phát xạ khoảng 86 cm-1, rất rộng. Bước sóng phát ra thay đổi do nhiệt độ. Độ rộng phổ phát xạ lớn nên có thể sử dụng laser Yb: YAG để tạo ra laser xung cực ngắn (có thể dưới cả pico giây) bằng phương pháp điều biến độ phẩm chất và phương pháp khóa mode. Công suất phát của laser khoảng 50W. 3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG Ưu điểm So với Laser Nd: YAG thì laser Yb: YAG có những tính chất tốt hơn như sau: Khuyết tật lượng tử rất thấp , do đó sự nóng lên của thanh hoạt chất chậm hơn thanh hoạt chất của laser Nd: YAG nên mất mát trong quá trình phát ít hơn. Thời gian sống của trạng thái siêu bền lâu nên Yb: YAG là môi trường tốt cho việc biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng. Mức pha tạp cao 6,5% nên tương tác giữa ion và ion làm mất phổ huỳnh quang. Bề rộng phổ phát xạ laser khoảng 86 cm-1, thích hợp cho việc điều khiển tạo ra xung laser với việc khóa mode, có thể tạo xung dưới ps. Phát xạ cưỡng bức yếu cho phép năng lượng cao được tích trữ trước khi giải phóng. Nhược điểm Hạn chế của laser Yb: YAG là ngưỡng bơm cao do hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Phát xạ kích thích yếu. 3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác Cũng giống như Neodymi các nguyên tố đất hiếm như: Dyprozi (Dy3+), Samari (Sm2+), Erbium (Er2+), Holmi (Ho3+), Praseodym (Pr3+) cũng được sử dụng làm hoạt chất cho laser. Các ion đất hiếm này được pha vào chất nền như: CaF2, YAG, CaWO4... Nghịch đảo nồng độ ion đất hiếm được thực hiện theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên ngưỡng bơm khá nhỏ. Bảng 3 sau trình bày bước sóng và sự dịch chuyển công tác của một số laser dùng nguyên tố đất hiếm làm hoạt chất. Nguyên tố đất hiếm Kí hiệu ion Dịch chuyển công tác Bước sóng () Dysprosi Dy3+ 2,36 Samari Sm3+ 0,7 Erbium Er2+ 1,61 Holmi Ho3+ 2,05 Praseodym Pr3+ 1,05 Bảng 3: Đặc tính dịch chuyển công tác của một số ion đất hiếm. Phổ hấp thụ của hoạt chất gồm nhiều dải và không rộng lắm. Các laser này phát ra bước sóng trong vùng hồng ngoại. Nó có thể hoạt động ở chế độ xung hoặc liên tục tùy vào tần số bơm. Hiệu suất của các laser này rất thấp, chỉ khoảng vài phần nghìn. Ở chế độ liên tục thì thanh hoạt chất có kích thước nhỏ, công suất bơm ngưỡng khoảng 1kW. Để nâng cao hiệu suất bơm và giảm công suất bơm ngưỡng người ta cho thêm vào chất nền ion Cr3+ vì những ion này sẽ mở rộng dải phổ hấp thụ của các nguyên tố đất hiếm. Việc làm này chỉ có hiệu quả tốt nhất khi phát ở chế độ liên tục. 3.6. Laser Tm:Ho: YAG Thông thường laser rắn gồm một chất nền và một tạp chất pha vào làm hoạt chất phát laser. Để thay đổi hoạt động của laser này thì ta có thể thay thế các hoạt chất khác nhau hoặc có thể thay thế chất nền. Tuy nhiên không phải lúc nào ta cũng chỉ pha vào chất nền một hoạt chất mà có thể pha vào nhiều chất làm hoạt chất, laser Tm:Ho:YAG là một ví dụ. Với laser này người ta pha thêm vào chất nền 2 chất làm tâm phát laser đó là Tm và Ho. Ngoài ra tinh thể YAG có một số ion Al3+ được thay thế bởi ion Cr3+. Khi pha tạp tâm hoạt chất vào thì cả hai ion Tm3+ và Ho3+ chiếm vị trí của Y3+ trong mạng tinh thể. Đặc trưng nồng độ của Tm rất cao từ 4- 10 %, trong khi đó nồng độ của ion Ho nhỏ. Nồng độ ion Tm3+ khoảng 8.1020ion/cm3, của ion Ho3+ khoảng 0,5.1020ion/cm3. Quá trình phát laser được mô tả như hình 52 Với loại laser này, tùy vào quá trình bơm laser sẽ hoạt động khác nhau: Khi bơm bằng đèn chớp, Cr3+ nhận được năng lượng bơm thì nó dịch chuyển của ion Cr3+ từ và , sau đó ưu tiên dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3F4 của ion Tm3+ do tương tác giữa các ion với nhau. Khi bơm liên tục bởi đèn diode, mức 3F4 của ion Tm3+ được bơm trực tiếp bởi laser bán dẫn AlGaAs tại bước sóng 785 nm, khi đó việc pha tạp ion Cr3+ không cần thiết. Hình 52: Sơ đồ các mức năng lượng của Cr:Tm:Ho:YAG Khi bơm cả đèn chớp và đèn diode, do quá trình hồi phục với các ion bên cạnh thì mức kích thích 3F4 của ion Tm3+ dịch chuyển dưới dạng . Quá trình biến đổi này làm cho một ion Tm bị kích thích ở trạng thái 3F4 thành 2 ion bị kích thích, các ion này ở trạng thái 3H4 bên cạnh. Khi nồng độ của Tm cao thì quá trình hồi phục này chiếm ưu thế hơn, quá trình bức xạ về trạng thái 3F4 giảm, do tổng hiệu suất lượng tử gần như cố định trong không gian cư trú của các ion Tm bịch kích thích, do tương tác giữa các ion với nhau, nên xuất hiện mức năng lượng kích thích giữa hai ion Tm va Ho rất gần nhau. Hạt dịch chuyển đến mức 5I7 của Ho sau đó ion Ho3+ phát ra laser khi chuyển từ . Thực tế laser xuất hiện giữa các mức con nhỏ nhất của 5I7 (mức này có hiệu năng lượng với mức cơ bản là gần 462 cm-1) với mức 8I5 phát ra bước sóng 2,08. Khi không pha tạp Ho, thì trong tinh thể có sự dịch chuyển của Tm từ phát ra bước sóng 2,02. Khi bơm bằng đèn chớp, môi trường hoạt chất là một thanh có kích thước giống như của thanh Er: YAG và Nd: YAG (với đường kính là 6mm thì thanh có chiều dài 7,5mm). Các thông số đặc thù của laser này là: phát với năng lượng 1J trong một khoảng thời gian xung là 200, hiệu suất 4%, áp suất dưới 10Hz. Khi bơm bằng diode, người ta thường bơm dọc làm cho ion Tm3+ hấp thụ mạnh bước sóng bơm. Môi trường hoạt chất phải được làm lạnh ở nhiệt độ thấp trong khoảng -100C đến -400C để làm giảm bớt mật độ cư trú của mức laser dưới. Laser này có nhiều ứng dụng thú vị trong lĩnh vực sinh học, vì các lớp mô hấp thụ mạnh quanh bước sóng 2. 3.7. Ứng dụng của Laser rắn Vào thời điểm được phát minh năm 1960, và đến nay laser trở nên phổ biến. Laser được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y tế, công nghiệp, hàng không, quân sự, hàng hải,... và mang lại cho con người nhiều lợi ích quá sức tưởng tượng. Đối với mỗi loại laser có công suất khác thì nó được ứng dụng khác nhau. Laser rắn vừa có công suất thấp vừa có công suất cao nên nó được ứng dụng rất rộng rãi. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, … 3.7.1 Gia công vật liệu Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng, có cường độ lớn và tập trung vào một điểm. Người ta thường dùng các laser rắn sau để gia công vật liệu: laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm. Cơ chế bóc vật liệu Cơ chế bóc vật liệu khi gia công bằng tia laser được trình bày ở hình bên. Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi Hình 53: Cơ chế bóc vật liệu tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu. Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết. Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu. Hình 54: Cắt kim loại Cắt và khắc kim loại Hình 55: Sơ đồ nguyên lý cắt Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ. Đây điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser. Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân tần, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt trên một centimet vuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. Người ta sử dụng Laser Nd:YAG. Ưu điểm của laser này là: Thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ. Cắt tốt các vật liệu có hệ số phản xạ cao, như hợp kim của đồng hay hợp kim của bạc. Nếu sử dụng sợi cáp quang thì sẽ di chuyển mũi cắt một cách dễ dàng. Nhược điểm là không thể cắt các vật liệu là hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh. Công suất nhỏ. Các phương pháp cắt: Phương pháp đột biến về nhiệt. Cắt bằng khoan: thường dùng cắt các vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh… Phương pháp đốt nóng chảy và thổi. Phương pháp bay hơi. Phương pháp cắt nguội Hình 56: Khắc kim loại Ưu điểm cắt bằng laser: Cắt được hầu hết các loại vật liệu, cả các vật liệu có từ tính cũng như không có từ tính. Rãnh cắt sắc cạnh, có độ chính xác cao. Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ. Không biến dạng cơ học và biến dạng nhiệt ít. Tốc độ cắt nhanh. Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao năng suất. Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bởi bụi. Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất của nguồn laser). Tương tự như cắt người ta còn sử dụng laser để khắc lên kim loại. Khắc bằng laser cho phép độ chính xác, tinh vi cao hơn dùng phương pháp khác. Khoan bằng laser Hình 57: Nguyên lý máy khoan laser Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: - Đầu phát laser. - Bộ phận cung cấp điện và điều khiển. - Bộ phận gá đặt chi tiết gia công Loại laser rắn thường dùng để khoan là tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh, …) Để khoan được cần có bộ hội tụ tia, bộ lọc, cơ cấu tập trung chùm laser, vòi phun: Bộ hội tụ tia: nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ. Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Hình 58: Vòi phun khi cắt Cơ cấu tập trung chùm laser: Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Các biện pháp thường dùng hiện nay là: Dùng thấu kính hội tụ, và dùng hệ thống chiếu ảnh. Hình 59: Hình dạng lỗ khoan Vòi phun khi cắt: Khi cắt, người ta cho vào một luồng khí để hỗ trợ tia laser trong quá trình gia công. Khi cắt bằng tia laser, dòng khí tạo một lực cơ học để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng cắt gọt và làm lạnh bởi dòng đối lưu. Lớp nóng chảy không được bóc ra một cách hiệu quả có thể dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút. Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và sâu trên kim loại, ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery và urani, hợp kim các vật liệu phi kim loại... Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị côn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế. Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet. Để khoan những lỗ nhỏ phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cơ khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 - 5 micromet. Chiều sâu lỗ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian và số lần phát xung. Hình 60: Hàn kim loại Hàn kim loại Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc nhau để kết dính với nhau. Hàn bằng tia laser được áp dụng phổ biến trong công nghệ chế tạo vi mạch. Nhờ phương pháp này có thể nối các đầu nối với tấm mạch in. Hàn bằng tia laser còn được áp dụng trong công nghệ làm kín vỏ trong các mạch tích hợp. Phương pháp này cũng có thể nối các kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại. Người ta thường sử dụng Laser Nd: YAG để hàn. Mỗi loại vật liệu có khả năng hàn bằng tia laser khác nhau. Sự chuyển năng lượng laser được chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua một sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng và khi năng lượng đó không còn nữa, kim loại trở về trạng thái rắn. Quá trình hàn chảy kim loại này được dùng để tạo ra mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục. Chiều sâu ngấu khi hàn bằng tia laser khá nhỏ vì nó phụ thuôc vào tốc độ truyền nhiệt từ năng lượng trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên đối với hàn laser năng lượng cao thì chùm tia tạo một lỗ trên vật liệu và năng lượng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt được chiều sâu ngấu lớn hơn. Những ưu điểm của phương pháp hàn laser: mối hàn không bị bẩn, độ tập trung năng lượng cao hàng chục kW vào một điểm có kích thước 0,2- 0,3 mm, miền truyền nhiệt nhỏ, sự giảm nhiệt độ nhanh. Giảm sự biến tính vật liệu do nhiệt trong quá trình hàn. Không cần gia công sau khi hàn. Tốc độ hàn nhanh. Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao. Sự làm lạnh nhanh dễ. Gây ra sự nứt gãy. Hình 61: Dùng laser để truyền thôi tin trong vũ trụ 3.7.2 Trong quân sự Do tính định hướng và tần số cao nên laser rắn cũng có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến như vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ, tên lửa, …Do tính kết hợp và cường độ cao nên tia laser rắn còn được dùng trong truyền tin bằng cáp quang. Tia laser rắn còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến. Được chia làm 2 loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương. Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hoá. Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo. Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương. Kể từ năm 1999, hãng Boeing của Mỹ đã sản xuất và đã thử nghiệm bước đầu loại máy bay có trang bị vũ khí laser. Súng Laser dùng cho bộ binh thường hướng vào: làm thế nào vô hiệu hoá được chiến binh của đối phương, cản trở sự triển khai vũ khí và phương tiện chiến tranh của đối phương hoa hoặc làm mù mắt của đối phương ...Người ta dùng laze để chế tạo ra súng phun nhựa phun vào đối phương, ngay tức khắc người bị dính nhựa không cựa quây được, đến mức không thể sử dụng súng để chống trả được nữa. Ngoài ra, laser còn dùng để đo khoảng cách các mục tiêu quân sự , biết được thời gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính ra được khoảng cách. Như trong cuộc chiến ở Irắc vừa qua, người Mỹ dùng laze để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu… Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng. Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng. Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện. Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu. Hình 62: Một số dao bằng laser rắn La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao. 3.7.3 Dùng trong y học Vì những tính chất đặc biệt, tia laser rắn được dùng làm dao mổ “không chảy máu”, an toàn và đa năng (laser Nd: YAG, Alexandrite Laser, Laser Ruby...). Bức xạ của tia laser (có nhiệt độ 1200 – 17000C) làm các tế bào bốc hơi tạo thành vết cắt nhỏ, ít chảy máu và ít tổn thương. Bức xạ laser không chỉ hạn chế nhiễm trùng vết mổ do không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và đường rạch, mà còn có khả năng can thiệp vào những phẫu thuật phức tạp như não, tủy sống. Ngoài ra, dao mổ laser có các ưu điểm như: giảm lượng thuốc tê, thuốc mê, giảm phù nề, sung huyết và tiết dịch... Hình 63: Xóa xăm bằng Laser Nd: YAG Dựa vào công suất của laser rắn mà người ta ứng dụng nó vào các lĩnh vực phù hợp. Trong y học người ta phân loại theo công suất như sau: Laser công xuất thấp dùng để trị: Nhiễm trùng có mủ và những vết loét lâu liền sẹo. Điều trị các bệnh ngoài da. Điều trị các bệnh của niêm mạc khoang miệng và mô quanh răng. Điều trị bệnh tai mũi họng cấp tính và mãn tính. Điều trị viêm khớp dạng thấp, hư xương – sụn gian đốt sống và thoái hóa xương khớp biến dạng. Điều trị các bệnh tim mạch: Nhồi máu cơ tim; thiếu máu cơ tim. Hình 64: Triệt lông bằng Lase Laser công suất cao (như: YAG: Nd laser, laser Ruby...) dùng để: Sử dụng như dao mổ, đặc biệt hữu hiệu trong mổ nội soi. Dùng quang đông mạch (trong ngoại khoa da liễu). Điều trị các tổn thương mạch máu, các tổn thương sắc tố da. Công dụng của một số laser rắn: Alexandrite Laser: sử dụng rộng rãi trong triệt lông, điều trị mạch máu sâu hơn và mạch máu chân. Nd: YAG Laser: điều trị mạch máu xanh và đỏ ở mức năng lượng cao. Laser Nd: YAG đặc biệt được sử dụng trong điều trị mạch máu chân ở tất cả các loại da. Ruby Laser gặp rắc rối khi điều trị cho loại da sậm màu. Nhưng rất hiệu quả cho điều trị lông mỏng, nhạt màu hay vàng. mặc dù laser Ruby là laser đầu tiên được sử dụng cho điều trị triệt lông, nhưng máy to, cồng kềnh và tốc độ chậm, và giới hạn của nó ở người da sáng cũng gây ra phỏng da. Hình 65: Laser trong điều trị nhãn khoa Tại Việt Nam, máy laser đầu tiên được dùng trong thực nghiệm nhãn khoa là Laser Ruby năm 1976. Từ 1981 đến nay, laser được ứng dụng trong nhiều chuyên khoa và mang lại hiệu quả tích cực. Laser công suất cao trong nhãn khoa (quang đông) có thể điều trị một số chứng như: phù hoàng điểm, điều trị tân mạch, màng tân mạch hắc mạc, các dị dạng mạch máu võng mạc, các khối u nội nhãn không phải u mạch máu, các vết rách võng mạc. Và đây là phương pháp hữu hiệu nhất để làm phục hồi thị lực cho những người bị tiểu đường. Không chỉ trong nhãn khoa mà Việt Nam hiện nay đã ứng dụng laser rắn trong trị bệnh rất nhiều. Các trung tâm và viện khoa học ở Việt Nam cũng đang nghiên cứu để đưa laser rắn vào trị nhiều bệnh hơn. KẾT LUẬN Laser có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người, nó có mặt trong tất cả các lĩnh vực. Sự ra đời của laser góp phần làm bùng nổ cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại. Xét tất cả các thành tự của khoa học thế kỷ 20 thì laser là một trong hai thành tựu quan trọng nhất của thế kỷ. Laser rắn là loại laser đầu tiên được chế tạo khơi nguồn cho các loại laser khác phát triển. Từ khi mới ra đời laser rắn đã được ứng dụng nhiều vào cuộc sống, ngày nay cũng vậy tuy có nhiều loại laser khác ra đời có nhiều tính năng ưu việt hơn laser rắn nhưng laser rắn vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người. Laser rắn có nhiều loại, mỗi loại có một đặc điểm riêng và được ứng dụng phù hợp với đặc điểm của nó. Laser Nd: YAG có vai trò quan trọng nhất trong cuộc số của con người. Trong các loại laser rắn thì nó được sử dụng nhiều nhất. Khi khoa học kỹ thuật càng phát triển thì yêu cầu cải thiện laser phù hợp với thời đại cũng tăng lên, và xu hướng nghiên cứu ngày nay là tạo ra xung laser cực ngắn có công suất cao với rất nhiều ứng dụng trong thực tế, do đó các nhà khoa học cũng không ngừng cải tiến và tạo thêm nhiều loại laser rắn đáp ứng nhu cầu đó. Laser rắn hoạt động rất đa dạng, có thể phát xung và có thể phát liên tục, laser rắn công suất thấp và laser rắn công suất cao, laser rắn phát đơn sắc và phát nhiều bước sóng. Với những tính chất ưu việt của mình thì laser luôn khẳng định mình trong công nghệ laser. Ở nước ta hiện nay laser rắn cũng được chú trọng nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống. Tuy laser có cơ chế hoạt động, cấu tạo đơn giản nhưng nó đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Hoàng- Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser và ứng dụng (2003), NXB Đại học quốc gia Hà Nội. Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại (2003), Nhà xuất bản giáo dục. Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser (2005), Nhà xuất bản giáo dục. Nguyễn Thế Bình, Kỹ thuật laser (2004), NXB Đại học quốc gia Hà Nội. Ngụy Hữu Tâm, Những ứng dụng mới nhất của laser (2005), NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội. Hồ Quang Quý, Laser bước sóng thay đổi và ứng dụng (2005), NXB Đại học quốc gia Hà Nội. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ Tập 3 (2005), Nhà xuất bản giáo dục. Mạng Internet.