đề tài ' laser ti sapphire '

Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế



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

- Al
2
O
3
.
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 Al
2
O
3
ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti
3+
thay thế vị trí của

Đá Sapphire
Cấu trúc tinh thể Al
2
O
3


Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
Al
3+
trong mạng tinh thể. Mỗi ion Ti
3+
liên kết với 6 ion O
2-
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 Al
2
O
3
và Ti
3+
nên môi trường hoạt chất của
laser Ti: sapphire cũng có những tính chất riêng của hợp chất này. Al
2
O
3
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 Ti
3+
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 Ti
2
O
3
với Al
2
O
3
. Nồng độ ion Ti
3+

trong mạng chiếm khoảng 0,1-0,5% khối lượng. Ion
Ti
3+
chiếm chỗ của ion Al
3+
, 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 Ti
3+
trong mạng tinh thể
khoảng 3,3.10
19
ion/cm
3
.

Trạng thái điện tử cơ bản của ion Ti
3+
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 Ti

3+
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
Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
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 (M
1
, M
2
, M
3
, M
4
). Các gương phản
xạ toàn phần là M
1
, M
2
, M
4
. Gương M
3
phản xạ một phần. Khi photon phát

Loại 1: Buồng cộng hưởng có 4 gương
Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
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 M

3
. Trong buồng cộng hưởng còn
bố trí thêm hai lăng kính P
1
và P
2
để tán sắc ánh sáng, sau lăng kính P
2
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
(M
1
, M
2
, M
3
, M
4
, M
5
,
M
6
). Trong đó M
1

,
M
2
, M
3
, M
4
, M
5
là
gương phản xạ toàn
phần. M
6
là gương
phản xạ toàn phần.
Ngoài ra trong buồng
cộng hưởng còn bố trí thêm hai lăng kính P
1
, và P
2
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
M
1
, M

2
, M
3
, M
4
,
M
5
, M
6
, M
7
, M
8
,
M
9
. 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
Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
M4, M5 và M7 là gương phản xạ tòa phần lớn hơn 99,5%. M6 là gương
phản xạ một phần. Gương M
8
, M
9
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 P
1
, P
2
và khe sáng S
để tán xạ ánh sáng và lọc
bước sóng (nếu khe S đặt
gần M
4
. Nếu khe S đặt gần
M
6
có tác dụng ổn định hoạt động cho xung laser. Mirror M7 được sử dụng
trong quá trình liên kết với lăng kính và M
2
.
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 3d
2
4s
2
, 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

Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
liên kết Ti-O, do đó trạng thái điện tử cơ bản
của ion Ti
3+
được tách thành 2 mức:
- Mức 1:
2

T
2
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:
2
E 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 Ti
3+
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 Ti
3+
trong mạng tinh thể mà phân
thành các mức như sơ đồ:
Mức 1 của ion Ti

3+
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

Phổ hấp thụ và phổ
hu
ỳnh quang của Ti
3+

Sự tách mức năng lượng

Sơ đồ 4 mức năng lượng của
Ti:Sapphire

Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
phía trên. Mức 2 của ion Ti
3+
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:
- 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

Lê Thị Bích Liên
Đại học sư phạm Huế
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 Ti
4+

- 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
Ti
3+
, khi nồng độ này tăng thì mất mát tăng.