Cấu tạo, nguyên lý Laser ND

1

Laser Nd: YAG
I. GIỚI THIỆU:
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 kích hoạt
(gain medium), nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. 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
II. CẤU TẠO CỦA LASER ND: YAG
1. Môi trường hoạt chất:
-Môi trường hoạt chất của laser Nd: YAG là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet
1253
OAlY
, trong đó một số ion
+3
Y
được thay thế bởi ion
+3
Nd
,
1253
OAlY
đóng vai trò là chất nền, ion
+3
Nd
đóng vai trò là tâm hoạt chất phát laser.
-Dùng
1253
OAlY
làm chất nền vì phổ huỳnh quang của

1253
OAlY

chứa vùng
bước sóng của
+3
Nd
Nồng độ của ion
+3
Nd
pha vào chiếm khoảng 0.5%
đến 2%. Thông thưởng người ta chế tạo thanh Nd: YAG có đường kính
khoảng từ 3-6mm và chiều dài khoảng 5-15cm. Số ion
+3
Nd
trên một đơn vị
khối lượng là 1,38.10^20/cm3.
-Thanh Nd:YAG được chế tạo với nhiều hình dáng khác nhau: hình trụ tròn,
hình trụ chữ nhật, hoặc hình trụ chứ nhật một đầ đầu có cắt chop nhọn.
2

2. Buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng củalaser Nd:YAG cũng giống với buồng cộng hưởng của Laser
Ruby và các laser rắn khác là buồng cộng hưởng quang học.
+ Dạng 1: Gồm 2 gương phẳng ở 2 đầu:
1 gương làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng
toàn phần, còn gương kia vừa phản xạ 1
phần (50%) ánh sáng truyền tới nó, vừa
cho một phần ánh sáng truyền qua.
Buồng cộng hưởng này khó chỉnh sửa.

Buồng cộng hưởng này gọi là buồng
cộng hưởng quang học hở (Fabri perot).
3
+ Dạng 2: Người ta màn nhẵn 2 đầu thanh Ruby và một đầu phủ bạc làm gương
phản xạ, một đầu phủ bscj mỏng làm gương phản xạ một phần (50%). Buồng cộng
hưởng này tiện lợi nhưng gương dễ bị đốt nóng trực tiếp bởi bức xạ laser và khó
làm lạnh. Buồng cộng hưởng này gọi là buồng cộng hưởng kín. Các gương được
bố trí sao cho ánh sáng đi lui, đi tới nhiều lần để làm tăng khả năng có được phát
xạ kích thích nhưng mà không làm lệch. Nên đòi hỏi hai gương phải rất song song
với nhau tới vài giây gốc.
Để cải thiện công suất của buồng cộng hưởng người ta sử dụng chế độ điền biến
nhiệt độ phẩm chất buồng cộng hưởng. Sử dụng được phương pháp này vì thời
gian sống của mức laser trên khá dài. Người ta dung van điện – cơ, điện – quang,
tử- quang và quang – hóa để ngắt ánh sáng. Trong thời gian xung bơm tác dụng
nếu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng kém (van đóng) thì tạo được hiệu độ tích
lũy cao hơn giá trị ngưỡng nhưng không thể phát ra laser trước khi hoạt chất được
bơm đầy. Lúc này độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng co giá trị nhỏ nhất (mất
mát lớn). Khi mở van đột ngột thì độ phẩm chất Q của buồng cộng hưởng tăng lên
đột biến, các nguyên tử ở trạng thái lích thích chuyển nah xuống mức laser dưới,
hiệu độ tích lũy giảm rất nhanh và choc ho thoát ra một năng lượng phát lớn dưới
một xung có thời gian rất ngắn (10^-7 – 10^-9 s), đó là một xung cực lớn với công
suất rất cao (10-1000MW).
3. Nguồn bơm
Phổ hấp thụ của Nd³+ nằm trong khoảng lân cận 0,7
µm
đến 0,9
µm
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 khoảng 500 Torr đến 1500 Torr,
với đèn Kryton thì áp suất đèn khoảng 4atm đến 6atm. 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 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 (1-3kW)
Nguồn bơm thứ hai là dùng laser bán dẫn để bơm. Nếu bơm dọc và bơm liên tục
thì dùng ở công suất trên 100W. Hiệu suất bơm bằng laser bán dẫn cao hơn đèn
quang học, có thể hơn 10%.
ĐÈN BƠM
CƠ CHẾ BƠM
4
1. Môi trường kích hoạt Tinh thể Nd:YAG
2. Hệ thống gương phản xạ đầu ra
3. Hệ thống gương phản xạ toàn phần
4. Nguồn kích thích ( nguồn bơm )
5. Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể
6. Hệ thống làm mát ( thường là nước )
7. Hệ thống phản xạ ánh sáng
8. Laser ra
CẤU TẠO MỘT LASER ND:YAG
5
III. ĐẶC ĐIỂM TÍNH CHẤT
1. Nguyên lý hoạt động
Cấu hình electron lớp ngoài cùng của
+3
Nd
là 4f3. Hàm lượng ion

+3
Nd
rất ít
trong tinh thể Yttrium Aluminium Garner
nên bỏ qua tương tác của cá ion
+3
Nd
với nhau mà nó chỉ chịu tác dụng của
trường tinh thể
1253
OAlY
, dưới tác dụng
của trường tinh thể thì ion
+3
Nd
có sơ đồ
các mức năng lượng trong
1253
OAlY
như
sau:
Energy Level Diagram of Nd
3+
in
Nd-YAG Laser
+ Mức 1: hay còn gọi là mức cơ bản ký
hiệu là 4I9/2, 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 ờ mức trên về 4I11/2 lớn
nhất và sự suy biến của các mức con
giống nhau nên ta bỏ qua và chỉ vẽ mức
4I11/2. Mức 4I11/2 gần mức cơ bản nhất
và có hiệu mức năng lượng là 2000cm-1.
Theo phân bố Bolzmann thì trong trạng
thái nhiệt độ phòng mức năng lượng
4I11/2 hầu như trống rỗng.
6
+ Mức 3: là
2/3
4
F
để tạo 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 11,414cm-1. Thời gian sống của hạt ở đây khoảng 5,5.10^-4 s
+ Mức 4: gồm hai dải rộng:
- Dải thứ nhất là
2/3
4
S
,

2/7
4

F
- Dải thứ hai là
2/5
4
F
,
2/9
4
H
Hai trạng thái này không bền, thời gian sống ngắn lại rất gần với mức 3 nên hạt dẽ
dàng dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3.
2. Sự hấp thụ
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
2/3
4
S
,
2/7
4
F
chuyển về nằm ở lân cận bước sóng
0,75µm
+ Vùng B : do các mức con ở
2/5
4
F
,
2/9

2
H
chuyển về nằm ở vùng lân cận 0,8um
+ Vùng C : do các mức ở
2/3
4
F
chuyển về nằm trong vùng lân cận 0,9um
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 độ cư trú thực hiện theo cơ chế
sau :
+ Nhờ vào quá trình bơm, ta sẽ bơm ở hai bước sóng chính là 730nm và
800nm 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
7
mức 4 nên các hạt dịch chuyển không bức xạ về mức 3.
+ Tại mức 3 thời gian sống ở mức 3 lớn hơn mức 4 nên hạt ở lại 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
230µs
+ Tiếp tục bơm thì hạt tập trung ở mức 3 nhiều hơn, khi các hạt này mất năng
lượng( tức truyền năng lượng cho mang 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
2/3
4
F
về

2/11
4
I
mạnh nhất phát ra bước sóng 1,064um,
bước sóng này được sử dụng rất nhiều khi đưa laser Nd :YAG vào ứng dụng
cuộc sống.
3. Sự phát xạ
ở 300 độ K 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 sau :
Chuyển dịch Bước sóng vạch phát xạ
(
µm
)
Cường độ tương đối %
2/3
4
F
về
2/9
4
I
0,8910
0,8999
0,9385
0,9460

25
2/3
4

F
về
2/11
4
I
1,0521
1,0615
1,0624
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225
60
2/3
4
F
về
2/13
4
I
1,3184
1,3334
1,3351
1,3381
1,3533
1,3572
14
2/3
4
F

về
2/13
4
F
1,833 1
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
µm
. Ở những nhiệt độ khác còn xuất hiện các bước sóng khác như :
0,914
µm
và 1,35
µm
8
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 buông cộng hưởng và khóa mode thì laser Nd :YAG có thể phát
ra xung laser ngắn.
4. Công suất
- 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
- 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.
IV. ỨNG DỤNG
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 laser rắn Nd :YAG để gia công
vật liệu : cắt, khắc vật liệu, khoan, hàn kim loại….
- Laser Nd :YAG cũng được sủ dụng trong sản xuất cho khắc, khắc axit, hoặc
đánh dấu một loạt các kim loại và nhựa. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản
xuất để cắt và hàn thép, chất bán dẫn và các hợp kim khác nhau. Đối với các ứng
dụng ô tô (cắt và hàn thép) các cấp điện thường dùng là 1-5W. Khoan hợp kim
(cho các bộ phận tua bin khí) thường sử dụng xung Nd :YAG laser được sử dụng
để đánh dấu dưới bề mặt chất liệu trong suốt như thủy tinh hoặc kính acrylic. Laser
lên đến 400W được sử dụng cho việc làm tan chảy chọn lọc các kim loại trong sản
xuất phụ gia lớp.
9
2. Y học
+ Vì những tính chất đắc biệt nên tia laser Nd :YAG được dùng làm dao ổ ‘‘không
chảy máu ’’, an toàn và đa năng, đặc biệt hữu hiệu trong mổ nội soi.
+ Laser Nd :YAG còn được sùng để điều trị mạch máu xanh và đỏ ở mức năng
lượng cao.
+ Laser Nd :YAG đặc biệt được sủ dụng trong điều trị mạch máu chân ở tất cả các
loại da.
+ Dùng quang đông mạch (trong ngoại khoa da liễu). Điều trị các tổn thương mạch
máu, các tổn thương sắc tố da
3. Quân sự
Tia laser rắn Nd :YAG còn được dung làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến. Được
chia làm 2 loại :
+ Vũ khí laser công suất thấp làm lóa 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 hóa khí. Chùm
tia laser mạnh có thể phá hủy đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy
bay, gây nổ đạn đạo
Ngoài ra, laser còn được lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ

tinh đối phương.
V. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM
1. Ưu điểm :
10
- 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%
- 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 nhiều lần
- 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 1064nm, được hấp thụ tối thiểu
bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học
2. Nhược điểm
- So với các loại laser khác thì hiệu suất 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.
Hệ laser Nd (Shiva laser – 20 chùm)
11
-
a powerful 20-beam infrared neodymium glass (silica glass) laser built
at Lawrence Livermore National Laboratory in 1977
-
the laser's multi-beamed structure used of amplifiers made of Nd:glass
slabs
-
the beamlines were about 30 m long

Hệ laser Nd (NOVA – 10 chùm)
12
- The NOVA laser at Lawrence Livermore National Laboratory
- The view of 5 beams of the 10 beam NOVA laser are shown
shortly after the laser's completion in 1984.