Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser ND YAG q switched hai bước sóng 1064 532nm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp (2)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ LASER

BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LASER
Nd:YAGQ-SWITCHED HAI BƯỚC SÓNG 1064/532mm
DÙNG TRONG Y HỌC THẨM MỸ CAO CẤP
Chủ nhiệm đề tài: KS. LÊ HUY TUẤN

7383
01/6/2009

HÀ NỘI – 2008


Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ
( Thông tin quản lý )
1.

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd: YAG Q- switched hai bớc sóng
1064/532nm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp

2.
3.
4.
5.
6.

Mã số:
Chơng trình:
Chủ nhiệm đề tài:
Ks. Lê Huy Tuấn.
Cơ quan (cấp) quản lý: Bộ Khoa học và Công nghệ.
Cơ quan chủ trì:
Trung tâm công nghệ Laser Viện ứng dụng công nghệ
Cơ quan phối hợp:
Xởng cơ khí Trung tâm 80 Cục tác chiến điện tử;
Nhà máy cơ yếu TW Đảng;
Bệnh viện TW Quân đội 108; Bệnh viện Đa khoa Hồng Ngọc

Thời gian thực hiện:
24 tháng (01/ 2006 ữ 12/ 2007).
Kinh phí :
385 triệu đồng.
Ngời tổ chức, thực hiện chính: - KS. Lê Huy Tuấn
- TS. Trần Ngọc Liêm
- Phòng Điện tử Y học TTCN Laser
10. Mục tiêu: 1 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 01 thiết bị laser Nd:YAG Q-switched.

7.
8.
9.

2 ứng dụng laser Nd:YAG Q-switched điều trị trên 20 bệnh nhân.
11. Nội dung: 1 Nghiên cứu, khảo sát hệ thống: nguyên lý, đo lờng và phân tích tham
số và cơ chế hoạt động
2 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm: các modul, panel, block của
các khối điều khiển, chức năng hệ thống. Lắp ráp và hiệu chỉnh quang

học, cơ học, điện tử, điện lạnh. Thiết bị hoạt động thử nghiệm trong
phòng thí nghiệm trên 100h.
e ứng dụng điều trị thực nghiệm trên bệnh nhân và thống kê, tổng kết
đánh giá kết quả về KHCN và Y học.
12. Nhu cầu Kinh tế Xã hội, nơi áp dụng (u thế áp dụng, giá thành thiết bị):
Hiện nay nhu cầu ứng dụng thiết bị laser Nd:YAG Q-switched là rất lớn ở chuyên khoa
da liễu và thẩm mỹ (u sắc tố, u máu phẳng, sẹo lồi, mụn ruồi, hình xăm) nhng thiết bị
nhập ngoại quá đắt tiền ( trung bình khoảng 50.000USD) lại dễ hỏng hóc ở điều kiện thời
tiết Việt Nam, việc bảo hành, sửa chữa những thiết bị này gặp rất nhiều khó khăn và hầu
nh là không sửa chữa đợc. Nếu khắc phục đợc các vấn đề trên thì có khả năng cung cấp
tại thị trơng Việt Nam trên 100 máy/ 1 năm với giá thành trên 20.000USD/1 máy.
13. Tình hình nghiên cứu trong, ngoài nớc:
Trong nớc: Đến thời điểm này, cha có tổ chức nào đặt vấn đề nghiên cứu, thiết kế,
chế tạo laser Nd: YAG Q- swiched hai bớc sóng 1064/532nm dùng trong y học thẩm mỹ
cao cấp một cách hoàn chỉnh.
Trên thế giới: Mỗi hãng đều sản xuất cho ra 1 loại thiết bị có những u điểm riêng
biệt nhng khi hoạt động ở Việt Nam đều gặp phải một số sự cố nh: sự bền bỉ, sự tơng
thích với điều kiện và hoàn cảnh sử dụng ở những địa bàn khác nhau.


Báo cáo tóm tắt thực hiện đề tài
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:Yag Q switched hai
bớc sóng 1064/532nm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp .

Thiết bị laser Nd:YAG Q Switched hai bớc sóng 1064/532nm thuộc dòng
thiết bị y học công nghệ cao, phức tạp, khó tiếp cận và chế tạo. Tuy nhiên, sau hai
năm nỗ lực nghiên cứu và triển khai thực hiện các nội dung đăng ký trong bản
thuyết minh, đến nay Nhóm đề tài đ đạt đợc một số kết quả bớc đầu:
1/ Hoàn thành mục tiêu đặt ra là chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị
2/ Cho thiết bị chạy thử, kiểm chứng thực nghiệm trên 200 bệnh nhân tại Khoa y

học thực nghiệm Bệnh viện 108 và Bệnh viện Hồng Ngọc và bớc đầu thu đợc kết
quả điều trị khả quan (vợt mức yêu cầu đặt ra).
3/ Qua quá trình sử dụng (8 tháng) thiết bị hoạt động tốt, không gây tiếng ồn, ổn
định, và có mỹ thuật đẹp, hợp lý trong lắp đặt cũng nh thao tác, vận hành, độ an
toàn cao (13 tham số an toàn tự động và bán tự động).
4/ Đã xây dựng đợc:
- Các nguyên tắc thiết lập cấu hình và bố trí hệ thống đã tính đến các yếu tố:
An toàn toàn diện và tối u các tham số hoạt động nhằm nâng cao độ bền
vững (tuổi thọ) thiết bị; Khả năng thay thế linh kiện; Giá trị thẩm mỹ; Khả
năng lắp đặt triển khai thiết bị vào thực tế; Thiết kế mở để nâng cấp hay tháo
lắp bảo trì sửa chữa dễ dàng và phù hợp
Phơng pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật các phần tử trong hệ thống.
- Phơng pháp lựa chọn các linh kiện tốt, hợp lý, có độ bền trong hoàn cảnh
môi trờng Việt Nam.
- Các quy trình, nguyên tắc trong gia công, lắp ráp, căn chỉnh các phần tử hay
các khối chức năng nhằm đạt đợc độ an toàn, bền vững, chính xác cao nhất
và xác suất hỏng hóc thấp nhất.
- Bộ hồ sơ thiết kế chế tạo tổng thành hoàn chỉnh (bản vẽ kỹ thuật, phơng
pháp, quy trình). Từ đó có thể sản xuất ở giai đoạn tiếp theo để cung cấp cho
nhu cầu thị trờng trong và ngoài nớc.
Những vấn đề công nghệ cần giải quyết ở giai đoạn sau:
Đề tài mới hoàn chỉnh công nghệ chế tạo ở mức độ đơn chiếc nên cần nghiên
cứu và thiết lập công nghệ có tính chất chế tạo dây chuyền để có thể sản xuất thiết bị
với quy mô lớn hơn.
Vấn đề làm lạnh (bằng blog lạnh) phải đợc đa vào bên trong máy laser
Nd:YAG để giảm sự cồng kềnh hệ thống.


MC LC
Trang

Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị

1

laser Nd:yag q switched hai bớc sóng 1064/532nm

1
1
1. S khi chc nng
2
2. Nguyờn lý hot ng
3
B.Tinh thể Nd:YAG và KTP
3
1. Tinh th Nd:YAG
11
2. Q - Switch
13
3. Tinh th KTP
c. điện công suất điều khiển đèn bơm quang học Xenon kích hoạt 33
A. Hệ thống laser Nd:YAG Q switched ( = 1064/532nm)

laser Nd:YAg

H. An toàn hệ thống

33
34
40
40

41
42
42
42
50
50
51
51
51
53
54
61

Phần II: Tham số và vận hành thiết bị

64

A.sự phân loại về thiết bị điều trị và yêu cầu về môi trờng

64
64
65
66
69
70
72

1. H thng bm quang hc
2. H thng iu khin nng lng phỏt tia laser
D. Điều khiển công suất laser

1. Ch iu bin phm cht
2. B to xung n, xung chui
E. Quang học, ghép nối và căn chỉnh

1. S nguyờn lý h quang
2. BCH yờu cu ghộp ni v cn chnh
F. Hệ thống bớc sóng

1. V trớ lp t KTP
2. H thng iu khin chuyn ng KTP
G.Điều khiển tham số hoạt động và hiển thị

1 . H thng mch iu khin
2 . B chuyn i tng t/s
3 . Vi iu khin 89C51

B. thông số kỹ thuật
C. phạm vi áp dụng
D. giới thiệu các chức năng
E. giới thiệu hệ thống hoạt động
F. cài đặt và điều khiển thiết bị
G. sửa chữa

Phần III: ứng dụng thử nghiệm máy trên bệnh nhân

74

Phần IV: Phụ lục

79


ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm
dựng trong y hc thm m cao cp

Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo
thiết bị laser Nd:YAG Q Switched hai bớc sóng 1064/532nm
a/ Hệ thống laser Nd:YAG Q Switched ( = 1064/532nm)
1. Sơ đồ khối chức năng
Nguồn AC220V/50Hz/15A
Nguồn DC ổn áp 5V, 10V, 12 V, 24 V
Power supply
Đặt tham số làm việc
PARAMETER
(6 tham số)

APTOMAT tổng
bảo vệ hệ thống
và chỉnh lu

Trung tâm điều
khiển , xử lý , đo đạc,
điều hành

Nguồn công suất
nuôi dao động
300VDC/30A

Control Central

Dc Power

Nguồn lạnh sơ cấp,
thứ cấp, bể nớc,
máy bơm,
đo nhiệt độ tự động
(18-200 C)
Cooling Water

TRANZITOR
Siêu công suất

Chỉnh lu lọc cao tần
rectifier

An toàn hệ thống
(13 tham số )

Đo áp lực, dũng chy
Flow pressure

Safety system

Đèn XENON

Thanh laser
Nd: YAG/KTP

Laser dẫn đờng

= 635nm
Aiming Beam

Nguồn laser dẫn
đờng
AIMING Beam
pOWEr

Tạo Q - Switch
Cỡng bức
Quang học
optical

Cánh tay laser
Conducting
Light arm

Laser
Nd:YAG

Hỡnh 1. S khi chc nng
1


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

2. Nguyên lý hoạt động
Thiết bị được kết nối với điện mạng AC220V/50Hz/60Hz/15Ampe → qua APTOMAT
20A bảo vệ dòng tổng → qua bộ lọc nhiễu hệ thống NOISER FILTER 20Ampe qua khởi động

từ MAGETRIC RELAY 20A/36V DC CONTROL → qua cảm biến dòng điện CURRENT
SENSOR 20A→ qua TRANSITROR siêu công suất MOSFET. Hệ dao động tần số 1Mhz điều
khiển tạo dòng điện xung công suất → qua chỉnh lưu lọc cao tần KIT DIODE → qua van đột
ngột → tạo điện áp đặt lên đèn Xenon (công suất laser tỉ lệ với điện áp này) → thanh laser
Nd:YAG / KTP tạo tia laser → Bộ tạo Q – switch cưỡng bức → qua hệ quang học → cánh tay
laser 7 khớp → đến mô điều trị.
Laser dẫn đường (λ = 635nm) được hợp tia trùng khít tia laser Nd:YAG
Trung tâm điều khiển xử lý đo đạc, điều hành CONTRAL CENTRER làm nhiệm vụ điều
khiển xử lý toàn bộ hệ thống thông qua các tham số như: thời gian đóng mở nguồn điện, dòng
điện I, điện áp U, nhiệt độ nước, thanh laser, máy bơm, lưu lượng nước, áp lực nước, thời gian
xung (Q - Switched), thời gian xung lặp lại WIDTH PULSE, tần số xung FREQUENCY
PULSE…Tất cả các tham số điều hành nếu bị lỗi hệ thống sẽ báo lỗi và thiết bị tự động dừng
hoạt động. Các nguồn nuôi AC, DC có chất lượng cao và được xử lý với độ chính xác 1%.
An toàn hệ thống được thiết lập một cách chuẩn mực với độ chính xác và độ nhậy cao
nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ, độ tin cậy hệ thống khi các diều kiện không áp ứng được.
Điều này rất cần thiết cho một thiết bị hiện đại có nhiều lĩnh vực áp dụng: Điều khiển tự động,
Quang học, Điện tử công suất, Điện lạnh, Cơ học.
Việc đặt thông số làm việc và hiển thị trên màn hình LCD cảm ứng giúp cho người vận
hành dễ dàng và thân thiện (6 tham số hiển thị cùng một lúc): Năng lượng ENGERY, tần số
FREQUENCY, laser dẫn đường LASER BEAM, lựa chọn bước sóng WAVE LENGTH, đếm
xung TREATING COUNT, chế độ hoạt động READY/STANDBY.
Hệ thống bơm nước mát BCH laser Nd:YAG được thực hiện nhờ một động cơ có áp lực
8000mm cột nước bơm nước tuần hoàn từ một bể nước Inox có dung tích 10l. Việc giảm nhiệt
của bể nước này là cần thiết bởi trong quá trình hoạt động đèn Xenon phát nhiệt khá cao 10C/1
phút, điều này được thực hiện cưỡng bức nhờ nước lạnh hoặc nước sinh hoạt. Quá trình hoạt
động của hệ nước làm mát luôn được các cảm biến nhận biết về áp lực, lưu lượng, nhiệt độ.
Các tham số về nước không đảm bảo hệ thống cũng tự động dừng và báo lỗi.
Hệ quang học được bố trí trên một mặt nhôm dầy 50mm có độ biến dạng cơ học thấp,
các vít chỉnh hệ quang học đều được hãm tốt nhất nhằm chống rung sóc khi vận chuyển và sự
giãn nở do nhiệt độ gây nên. Đặc biệt cánh tay truyền Nd:YAG có độ chính xác cao ( 1/1000),

nó có 7 gương phản xạ nằm ở 7 khớp linh động. Tia laser trước khi thoát ra khỏi cánh tay nó
qua thấu kính hội tụ điều chỉnh được tiêu cự từ 1 ÷ 7 mm.
Toàn bộ hệ thống được thiết kế trên một nền khung cơ học vững chãi có thể di chuyển
linh hoạt và không gây tiếng ồn.

2


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

B/ tinh thÓ Nd:yag /ktp, ®iÒu kiÖn vµ c¬ chÕ ph¸t tia laser
1. Tinh thể Nd:YAG
Laser Nd:YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất kể từ khi hợp
chất Nd:YAG được sử dụng làm hoạt chất laser thành công vào năm 1964. Công thức hoá học
của chất nền là Y3Al5O12 (Ytrium Aluminum Garnet-viết tắt là YAG) và của các tâm kích hoạt
là ion Nd3+ (Neodym-viết tắt là Nd). Bức xạ laser xảy ra trong các dịch chuyển giữa các mức
năng lượng của các ion Nd3+. Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy vào trong tinh thể YAG với
tỷ lệ 1 đến 2% (theo trọng lượng). Do mật độ Nd3+ khá lớn nên hệ số khuếch đại của laser
Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. Hợp chất Nd:YAG là hợp chất sử hữu những thuộc
tính tốt nhất về quang học, nhiệt và cơ khí và nó là nguyên liệu sử dụng tốt nhất cho laser rắn.
Đặc trưng cơ bản của hợp chất này là: truyền dẫn mạnh ở nhiệt độ phòng với bước sóng
1064nm, độ rộng tia là 4,5 A0, thời gian huỳnh quang là 230ns, điểm nóng chảy là 19700C.
Nd:YAG vô cùng cứng và có dẫn suất nhiệt tốt.
Một số tính chất vật lý của tinh thể Nd:YAG
Tinh thể Nd:YAG là tinh thể đều, được nuôi bằng phương pháp Czochral (kéo tinh thể
nóng chảy). Trường tinh thể gần đối xứng tứ giác. Số nút trong mạng tinh thể là 1,36.1022/cm3.
Tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng là 3.10-19 cm2 trong điều kiện nhiệt độ phòng. Thanh
hoạt chất thông thường có độ dài từ 75mm đến 150mm, đường kính lớn nhất là 8mm (tuỳ
thuộc vào công nghệ nuôi). Hai đầu thanh hoạt chất được cắt phẳng hoặc cắt theo góc Bruster

và được đánh bóng, phủ lớp khử phản xạ. Mục đích khử phản xạ để tránh tạo ra buồng cộng
hưởng phụ. Tuỳ theo công nghệ nuôi cấy khác nhau, tiết diện ngang của thanh hoạt chất có thể
là hình tròn, cũng có thể là hình chữ nhật hay hình vuông. Tuy nhiên, thông thường vẫn là hình
tròn, vì công nghệ kéo hình tròn sẽ dễ hơn và bảo đảm độ đồng nhất hơn.
Một số tham số của laser Nd:YAG (của hãng Korad, USA) và tinh thể YAG được tổng
kết trong bảng 1.1 và bảng 1.2.
Bảng 1.1 Các tham số chính laser Nd:YAG JK do Anh chế tạo
Kích thước thanh hoạt l = 100mm, D = 8 mm
chất Nd:YAG
Bơm quang học

2 đèn Crypton, mỗi đèn có công suất 6kW (500ms)

Bộ phản xạ

2 elip có mặt đánh bóng phản xạ 90%

Năng lượng

≈2J

Công suất phát

Ở chế độ tự do (λ = 320µm) ≈ 50kW, ở chế độ xung (λ = 10ns)
≈ 2000 MW

Độ dài bước sóng

1,064 µm

Độ phân kỳ

3 mrad

Cấu trúc chùm tia

Đơn mode

Hiệu suất

2%

3


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Bảng 1.2 Tính chất của tính thể YAG
Số nút trong mạng tinh thể

1,36.1022 cm-3

Nhiệt độ nóng chảy

≈ 12150C

Độ dẫn nhiệt đo ở nhiệt độ 25oC

0,11 W/cm.0C

Độ khuếch tán nhiệt

7,7.10-6/0C

Hệ số hấp thụ ánh sáng (λ =0,63 µm)

1,83 cm-1

Phổ hấp thụ vùng cực tím

0,24 µm

Phổ hấp thụ vùng hồng ngoại xa

5,6µm

Độ dài ô mạng

12,01 Å

Cấu trúc tính thể

Đều

Sơ đồ các mức năng lượng
Các dịch chuyển chính của Nd3+ trong YAG được trình bày trong hình (1.1). Khi được
bơm (nhận năng lượng quang từ ngoài) các ion Nd3+ chuyển từ trạng thái cơ bản với mức năng
E
4

S3/2, 4F7/2, (A)
4
H9/2, 4F5/2, (B)
4

1,064µm

F3/2

(C)

1,061µm
4
4

I15/2

I13/2

4

I11/2

4

I9/2

Hình 2: Sơ đồ các dịch chuyển chính của ion Nd3+ trong vùng quang học.
lượng 4I9/2 lên ba nhóm mức năng lượng A, B, và C. Nhóm A gồm mức năng lượng 4F7/2 và

4
S3/2 nhóm B gồm các mức năng lượng 4F5/2 và 4H9/2 và nhóm C là mức 4F3/2. Ba mức này là ba
mức hấp thụ của Neodym trong tinh thể YAG. Từ các mức A, B các ion Nd3+ thực hiện các
chuyển mức không bức xạ xuống mức C. Mức năng lượng 4F3/2 gọi là mức laser trên. Các
chuyển dịch F - I bị cấm trong gần đúng lưỡng cực do số lượng tử quỹ đạo của ion Nd3+ thay
đổi 3 đơn vị trong chuyển dịch này. Do đó các trạng thái gắn với F gọi là trạng thái bền với
thời gian sống khoảng 240 µs. Khi bị mất năng lượng ion Nd3+ nhảy từ mức laser trên xuống
các mức năng lượng 4I11/2 , 4I13/2 , 4I15/2 với hiệu suất lượng tử (tỉ số giữa số nguyên tử bị kích
thích và số nguyên tử chuyển xuống mức dưới) gần bằng 100%.

4


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Trong ba mức năng lượng này thì mức 4I11/2 gần mức cơ bản nhất và có hiệu năng lượng
gần bằng 2000 cm-1. Giá trị tích kT trong điều kiện nhiệt độ phòng bằng 4,14.10-14 erg. Sử
dụng phương trình 1 / λ = ∆E / hc ta tính được năng lượng từ đơn vị cm-1 sang đơn vị erg.
1cm −1 ≈ 1,987.10 −16 erg
Hiệu năng lượng 2000 cm-1 sẽ bằng 3,974.10-13 erg. Do đó

[E ( I ) − E ( I )]/ kT = 3,974.10 −13 / 4,4.10 −14 ≈ 9
4

1

4

11 / 2

0

9/2

Sử dụng phân bố Bolzmann ta có:

N1
= e − ( E1 − E 0 ) / kT ≈ 1,3.10− 4
N0
Điều này có nghĩa là ở nhiệt độ phòng mức năng lượng 4I11/2 hầu như trống rỗng. Phần
lớn (60%) các nguyên tử trạng thái laser trên sẽ chuyển xuống mức 4I11/2. Mức này được gọi là
mức laser dưới. Như vậy trong vùng sóng quang học các mức năng lượng của ion Neodym
trong tinh thể YAG tạo thành hệ năng lượng 4 mức.
Phổ hấp thụ và phát xạ
Với cấu trúc các mức năng lượng như trên, ion Neodym có phổ hấp thụ như hình 2. Dải
hấp thụ A nằm trong vùng lân cận 0,75 µm, Dải B nằm trong vùng lân cận 0,8 µm và dải C
nằm trong vùng lân cận 0,9 µm. Tất cả ba vùng này đều thuộc vùng nhìn thấy và hồng ngoại

Mức dộ hấp thụ

gần. Với ba dải hấp thụ này thì đèn Xenon, Crypton là nguồn bơm thích hợp nhất.

Bước sóng (µm)
Hình 3. Phổ hấp thụ của Nd:YAG
Từ trạng thái laser trên các ion Neodym sẽ nhảy xuống các mức thấp 4I9/2, 4I11/2, 4I13/2 và
4
I15/2 và phát xạ sóng ánh sáng có phổ như hình 3.

Hình 4. Phổ phát xạ của Nd:YAG

5


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Phổ phát xạ này bao gồm 7 vạch (rộng). Hai vạch mạnh nhất ứng với bước sóng 1,0615
và 1,0642 µm. Bước sóng của 18 vạch (hẹp) phát xạ, tính tất cả các chuyển dịch, được trình
bày trong bảng 1.3. Các giá trị này được xác định ở nhiệt độ 3000K.
Bảng 1.3. Các vạch phát xạ của Nd:YAG
Chuyển dịch
4

4

4

4

Bước sóng vạch phát xạ

Cường độ tương đối %

0,8910
0,8999
0,9385
0,9460

25

1,0521
1,0615
1,0642
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225

60

1,3184
1,3334
1,3351
1,3381
1,3533
1,3572

14

1,833

1

4

F3/2- I9/2

F3/2 – 4I11/2

F3/2 – 4I13/2

F3/2 – 4I15/2

Như vậy, mặc dù có tới 18 vạch phát xạ, nhưng mạnh nhất vẫn là các vạch bước sóng
gần 1,06 µm. Do đó laser Nd:YAG phát ở vùng 1,06 µm là đặc trưng nhất. Khi nói đến laser
Nd:YAG là nói đến laser phát bức xạ bước sóng 1,06µm.

4

γ21N2
Hình 4: Cấu trúc hệ 4 trạng thái

γ32N3

γ31N3

γ43N4

γ42N4

γ41N4

ρB41

ρB14

Cơ chế phân bố đảo trong laser rắn Nd:YAG
Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo mật độ giữa các mức công tác của phổ Laser
chủ yếu là quá trình bơm quang học. Đối với Laser Nd:YAG, ta áp dụng các phương trình

động học cho hệ laser hoạt động theo sơ đồ 4 mức. Bơm quang học sẽ chuyển hạt từ trạng thái
1 lên trạng thái 4.

3
2
1
6


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Hệ phương trình động học được viết như sau:
⎧ ρb B41 N1
⎪γ N
⎪ 43 4
⎨
⎪γ 42 N 4 + γ 32 N 3
⎪⎩ N1 + N 2 + N 3 + N 4

= (ρb B41 + γ 4 )N 4
= γ 3 N3
= γ 2 N2
=N

(1.1)

Trong đó γi là xác suất dịch chuyển của trạng thái thứ i nào đó:
ρb: Mật độ bức xạ bơm

Bki: Hệ số Anhxtanh đặc trưng cho xác suất dịch chuyển từ mức k sang mức i
Ni: Mật độ hạt mức i ban đầu.
Giải hệ phương trình trên ta được
⎡ Y + γ 2γ 3 B41ρb ⎤
N1 = ⎢
⎥N
⎣ Y + ZB41ρb ⎦

(1.2)

⎡ (γ γ + γ 32γ 42 )B41ρb ⎤
N 2 = ⎢ 42 3
⎥N
Y + ZB41ρb
⎣
⎦

(1.3)

⎡γ γ B ρ ⎤
N 3 = ⎢ 43 2 41 b ⎥ N
⎣ Y + ZB41ρb ⎦

(1.4)

⎡γ γ B ρ ⎤
N 4 = ⎢ 2 3 41 b ⎥ N
⎣ Y + ZB41ρb ⎦

(1.5)

Trong đó: Y = γ 2γ 3γ 4 và Z = 2γ 2γ 3 + γ 42γ 3 + γ 2γ 43 + γ 32γ 43
Những biểu thức từ (1.2) đến (1.5) giúp ta phân tích sự phụ thuộc vào nồng độ của
trạng thái vào mật độ bức xạ bơm. Quan hệ N i / N = f (ρb ) được biểu diễn trên hình 1.5 với

điều kiện:

γ 2γ 3 > (γ 3γ 42 + γ 32γ 43 )
Ni
N
1

1

3
2
4

Hình 6: Phân bố nồng độ hạt của hệ 4 mức
Biện luận về kết quả thu được: Khi không có bức xạ bơm (ρb=0) tất cả các hạt nằm trong

trạng thái 1. Khi ρb tăng lên thì nồng độ của trạng thái kích thích sẽ tăng lên, còn độ tích luỹ

7


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

của trạng thái cơ bản lại giảm đi. Khi mật độ bức xạ bơm rất lớn thì mật độ của những mức

kích thích sẽ tới giá trị tới hạn.
N '1 = lim N1 = lim N 4γ 2γ 3
ρb →∞

ρ b ←∞

N
Z

N ' 2 = lim N 2 = )γ 3γ 42 + γ 32λ42 )
ρb →∞

N '3 = lim N 3 = γ 2γ 43
ρ b →∞

Với điều kiện

N’3>N’2

N
Z

N
Z

được thoả mãn tức là:

γ 2γ 43 > (γ 3γ 42 + γ 32γ 43 )
thì mật độ của mức 3 sẽ luôn luôn lớn hơn mật độ của mức hai và do đó ở dịch chuyển 3 → 2
sẽ có nghịch đảo mật độ.

Có thể nói rằng, tất cả những chất rắn làm việc ở sơ đồ 4 mức đều bức xạ ở dịch chuyển
3 → 2. Khảo sát trên mang tính chất lý tưởng và không cho ta xác định được giá trị nghịch đảo
ngưỡng. Ta thấy với mức bơm nhỏ nhất thì N3 > N2. Trong thực tế ngưỡng của hệ 4 mức nhỏ
hơn của hệ 3 mức nhiều vì trong hệ 4 mức, mức Laser dưới là mức kích thích chứ không phải
là mức cơ bản.
Trong hệ 4 mức, còn phải chú ý tới nhiệt độ của hoạt chất và năng lượng của trạng thái
2. Nếu hoạt chất có nhiệt độ nhất định T thì ngay khi ρb=0, mức 2 đã ở trạng thái kích thích.
Nếu thừa nhận phân bố Boltzman cho môi trường không kích thích thì có thể coi mật độ của
mức 2 là:
⎛ − E2 ⎞
N 2 ≈ N . exp⎜
⎟
⎝ KT ⎠
Trong đó: E2 là năng lượng của trạng thái 2;
T là nhiệt độ của hoạt chất
Khi mật độ bức xạ bơm còn nhỏ thì chúng ta chưa có nghịch đảo mật độ và điều đó chỉ
xảy ra khi ρb > ρb*

N1/N
− E2
KT2

2’

− E2
KT1

2

e

e

T2>T1
3

ρ*b

(ρ*b)’

T2

T1

ρb

Hình 7. Mật độ phụ thuộc vào nhiệt độ

8


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Độ tích luỹ của trạng thái 3 sẽ rất nhỏ khi không bơm nhưng sẽ tăng rất nhanh khi mật
độ bơm ρb tăng. Độ tích luỹ của trạng thái 2 trong môi trường không kích thích sẽ được xác

⎛ − E2 ⎞
định bằng biểu thức Boltzman N 2 ≈ N . exp⎜
⎟ và sẽ tăng dần lên khi ρb tăng.
⎝ KT ⎠

Khi ρb > ρb* thì N3=N2, ta gọi đó là chế độ ngưỡng
Từ hình 6 ta thấy, nhiệt độ của hoạt chất T càng lớn thì mật độ của trạng thái 2 ở lúc
ban đầu sẽ lớn và ρb* sẽ càng lớn, và ρb* cũng phụ thuộc cả vào năng lượng của trạng thái 2.
Mức 2 phân bố càng cao thì mật độ của nó càng nhỏ và do đó ρb* càng nhỏ. Như vậy ta
có thể nêu yêu cầu chung đối với chất kích hoạt của Laser rắn:
Chất kích hoạt phải có phổ hấp thụ rộng quanh tần số bơm.
-

Trong hệ 3 mức thì hoạt chất thoả mãn điều kiện γ 32 = γ 21 .

-

Với hệ 4 mức thì hoạt chất phải thoả mãn điều kiện

γ 2γ 43 > (γ 3γ 42 + γ 32γ 43 )
-

Mức 2 trong hệ 4 mức phải phân bố càng cao càng tốt và ít nhất phải lớn hơn

KT.
Với hệ 4 mức nhiệt độ của hoạt chất càng thấp càng tốt.
Để tạo nghịch đảo mật độ lớn người ta sử dụng chất kích hoạt Nd, lúc đó mật độ bức xạ
bơm ngưỡng sẽ khá nhỏ. Đó là ưu điểm của Laser Nd:YAG (ta có thể dùng loại đất hiếm khác
như Dyprozi, Samari, Erbium...và ta có các loại Laser khác nhau với bước sóng và đặc tính
khác nhau).
Chế độ điều biến độ phẩm chất của laser
Khi Laser Nd:YAG sử dụng ở chế độ xung (chế độ điều chế hệ số phẩm chất) ta có biểu
đồ sau:

Hình 8. Sự phụ thuộc của ∆N và ρ vào thời gian

Để phân tích hoạt động của Laser trong chế độ này chúng ta hãy trở lại phân tích quá
trình động học của quá trình nghịch đảo mật độ của các trạng thái công tác. Hình 1.7 trình bày
sự phụ thuộc của ∆N và ρ vào thời gian. Xung bơm coi như xung chữ nhật (lý tưởng hoá) có
độ rộng bằng đoạn ad.
Trước khi có xung bơm thì nghịch đảo mật độ ∆N < 0. Vì mức Laser dưới có nồng độ
lớn hơn mức Laser trên. Sau khi cho xung bơm tác dụng vào thì nghịch đảo mật độ tăng lên
(đoạn ab). Tại thời điểm b thì ∆N đã lớn hơn ∆N* ngưỡng. Nếu như buồng cộng hưởng đã

9


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

được điều chỉnh tốt thì sẽ có bức xạ Laser. Bức xạ được sinh ra sẽ làm thay đổi sự cân bằng
của những quá trình tích luỹ và nghèo hoá của các mức công tác. Vì vậy có thể nói rằng, tại
thời điểm ứng với điểm b sẽ xảy ra sự biến đổi về chất, về sự cân bằng của những quá trình
trong môi trường. Tồn tại trong môi trường mật độ năng lượng lớn sẽ làm cân bằng mật độ của
mức Laser trên và mức dưới và sau đó sẽ ngừng lại do mật độ năng lượng tiếp tục tăng. Trong
chế độ phát tự do thì nghịch đảo mật độ sẽ bị giảm (đường chấm trên hình 1.7). Nếu BCH bị
điều chỉnh lệch, N21 sẽ tăng tới giá trị tới hạn (hệ 3 mức).
lim ∆N 21 =

ρ b →∞

γ 32 − γ 21
N
2γ 21 + γ 32

Nguyên nhân là khi tăng mật độ của mức Laser trên thì bức xạ tự phát ở tần số dịch

chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại. Sự phụ thuộc của
∆N vào thời gian trong trường hợp BCH bị lệch điều chỉnh được biểu diễn trên hình 1.7 bằng
đường đậm nét. Rõ ràng nghịch đảo có thể đạt được giá trị lớn hơn trường hợp bình thường.
Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của
mức Laser trên rất lớn. Và điều này đã được thực hiện trong Laser rắn cũng như trong Laser
khí CO2 và N2.
Bây giờ, nếu mở van quang học tại điểm C thì Laser sẽ cho một xung rất lớn vì công
suất bức xạ có thể coi như tỷ lệ với hiệu độ nghịch đảo và độ nghịch đảo ngưỡng. Công suất
xung cực đại sẽ xảy ra tại thời điểm d và độ rộng của xung bức xạ (đoạn ce) sẽ rất nhỏ hơn độ
rộng của xung bơm (đoạn ad).
Cơ chế bức xạ được mô tả ở trên được gọi là chế độ điều chế hệ số phẩm chất. Trong
BCH, người ta đặt một van quang học và BCH sẽ chỉ được đóng trước khi xung kết thúc, do đó
có thể nhận được công suất xung rất lớn. Ví dụ, với laser thuỷ tinh Neodym thì công suất xung
có thể đạt tới hàng nghìn Mega W với thời gian xung τxg chỉ vài nano giây. Tuy nhiên khi đó
năng lượng của xung sẽ bị giảm do bão hoà và do tiêu hao phụ thêm, như đặt van vào trong
BCH. Công suất xung tăng chính là do thời gian xung giảm đi. Nguyên lý làm việc của van có
thể xây dựng trên nguyên tắc đưa vào trong BCH những tiêu hao thay đổi theo thời gian và do
đó làm thay đổi hệ số phẩm chất Q0 của BCH. Chính theo lý do đó mà người ta gọi chế độ này
là chế độ điều chế hệ số phẩm chất hoặc do công suất xung lớn nên còn gọi là chế độ xung cực
lớn.
Bây giờ chúng ta khảo sát kỹ thuật tạo những xung cực lớn. Để thực hiện được chế độ
điều chế Q0 cần có van tác dụng nhanh, khoảng thời gian mở van phải nhỏ hơn hằng số thời
gian phát triển của xung cực lớn (đoạn cd). Hằng số phát triển xung cực lớn có thể xác định
theo công thức:

τ=
Trong đó:

nL
c(Kl − α )

L: chiều dài buồng cộng hưởng;

10


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

l: chiều dài thanh hoạt chất;
n: chiết suất của hoạt chất;
c: vận tốc ánh sáng trong chân không;
K: hệ số khuếch đại chưa bão hoà;
α: hệ số tiêu hao sau một chu trình truyền sóng trong hộp cộng hưởng;
τ - thường vào khoảng một vài nano giây.
Hiện nay để làm van quang học người ta thường dựa vào những hiệu ứng điện, cơ,
quang, hoá,..v...v.. Để điều chế hệ số phẩm chất người ta dùng tế bào Kerr, tế bào Pockell.
Trong lĩnh vực thông tin người ta cũng dùng chúng để điều chế bức xạ Laser.

Những yêu cầu kỹ thuật đối với tinh thể YAG để làm thanh hoạt chất laser
• Bền chắc về cơ học và hoá học để đảm bảo độ bền của môi trường hoạt tính,
• Bền vững về nhiệt độ để chịu được bức xạ bơm lớn và bức xạ laser lớn,
• Dễ chế tạo về phương diện công nghệ chế tạo và sản xuất hàng loạt,
• Cho phép gia công cơ khí và gia công quang học (hình dạng, đánh bóng, mài mòn, phủ
lớp phản xạ, làm sần sùi ở xung quanh, làm rỗng lõi…)
• Đồng nhất quang học cao để đảm bảo tiêu hao và hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng
lớn,
• Phải trong suốt đối với bức xạ laser,

Các thông số thiết kế thanh laser
Dựa trên những đặc điểm của laser Nd:YAG và những yếu tố ảnh hưởng của hoạt chất

trên, ta thiết kế thanh hoạt chất laser Nd:YAG Q - switched có tham số sau:
Nh¸m

L = 220mm

Φ1= 7mm

Φ = 12mm

§é bãng ∆ = 0.01

Hình 9. Thanh hoạt chất Nd: YAG của Laser Nd:YAG
Ở đây ta chọn dạng tròn để dễ gia công, lắp ráp vào buồng bơm quang học, ở giữa rỗng để
dễ dàng phối hợp hệ dẫn đường và làm lạnh môi trường hoạt chất.
Chất phản xạ được phủ lên trên bề mặt của hai gương ở hai đầu hoạt chất.
2.

Q – Switch
Q – switch, trước đây được hiểu như là tập hợp xung khổng lồ, nó là một công nghệ kỹ
thuật được tạo bởi một laser có thể cung cấp tia ra dạng xung. Công nghệ này cho phép cung
cấp xung ánh sáng với độ cao đỉnh nguồn cực lớn (gigawat), cao hơn rất nhiều so với khi

11


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

chúng ta sử dụng cùng một loại laser hoạt động ở chế độ liên tục. So sánh ở khóa mode, các
công nghệ khác cho xung laser, thì Q – switch dẫn đầu tỉ lệ xung lặp lại ở mức thấp hơn, năng

lượng xung ở mức cao hơn, và khoảng xung dài hơn nhiều . Q – switch được đề xuất lần đầu
tiên vào nă, 1958 bởi Gordon Gould, phát hiện và giải thích một cách độc lập vào năm 1961
hoặc năm 1962 bởi R.W.Hellwarth và F.J.McClung sử dụng công tắc điện Kercell chớp trong
laser Ruby.
Nguồn gốc của Q – switch
Q – switch là cái được tạo bởi việc đặt một vài thứ làm thay đổi sự tắt dần phía trong
buồng cộng hưởng laser. Khi sự tắt dần hoạt động, ánh sáng – thứ được phép tăng lên trong
môi trường gia tốc sẽ không quay lại và laser không thể. Sự tắt dần bên trong buồng chứa này
tương ứng với việc giảm hệ số Q hoặc hệ số âm sắc của buồng cộng hưởng quang học. Một hệ
số Q cao tương ứng với sự mất mát thấp trong buồng cộng hưởng cho mỗi lần quay về của ánh
sáng. Việc biến thiên sự tắt dần thường được gọi là “Q – switch”, khi sử dụng cho kết quả này.
Lúc đầu môi trường laser được bơm trong lúc đó Q – switch ngăn cản sự quay trở lại của ánh
sáng trong môi trường laser (tạo buồng cộng hưởng với Q thấp). Quá trình tạo trong buồng
cộng hưởng sự nghịch đảo độ tích lũy, nhưng sự hoạt động của laser sẽ không thể xảy ra kể từ
lúc không có sự quay trở lại của ánh sáng trong buồng cộng hưởng. Từ đó tốc độ kích phát phụ
thuộc vào số lượng ánh sáng đi vào môi trường gia tốc, tổng năng lượng được tích trữ vào sự
gia tăng môi trường kích thích cũng như là môi trường bơm. Có sự mất mát tự nhiên và trong
các quá trình khác, sau đó thời gian tích trữ năng lượng chắc chắn sẽ giữ ở mức lớn nhất; môi
trường sẽ được nói là tới mức kích thích. Tại điểm này, công cụ Q – switch thay đổi Q nhanh
chóng từ mức thấp lên mức cao, cho phép sự hồi tiếp và quá trình khuyếch đại quang học bởi
sự phát xạ cưỡng bức bắt đầu. Do giá trị của năng lượng tích lũy lớn trong môi trường gia tốc,
cường độ ánh sáng laser được cộng hưởng rất nhanh; điều này cũng là do năng lượng tích trữ
trong môi trường được làm suy yếu cũng nhanh. Kết quả thu được là xung của ánh sáng laser là
ngắn, được hiểu như là một xung khổng lồ, xung mà có đỉnh cường độ rất cao.
Có hai loại Q – switching

Q – switching chủ động
Ở đây, Q – switch thay đổi sự tắt dần bằng sự điều khiển từ bên ngoài. Điều này có thể được
thực hiện bởi một công cụ như là cửa chớp (shutter), việc quay tròn cái ngắt điện hoặc sự quay tròn vị
trí gương trong khoang chứa hoặc có thể là một vài cái điều biến như là công cụ acousto – optic hoặc

công cụ electro – optic – tế bào Pockell hoặc tế bào Kerr. Việc giảm bớt sự mất mát (gia tăng Q) thì
được tạo ra ở phía ngoài, kiểu tín hiệu điện tử. Tỉ lệ xung lặp lại vì có thể được điều khiển từ ngoài.
Những cái điều biến phổ biến cho phép sự thay đổi nhanh chóng Q từ thấp đến cao, và cung cấp
sự điều chỉnh tốt hơn. Thêm vào đó, lợi thế của những cái điều biến là có thể kết hợp loại bỏ ánh sáng
ra khỏi khoang chứa và có thể sử dụng vào một số việc khác. Sự lựa chọn khác nữa, khi cái điều biến ở
trạng thái thấp, có thể kết hợp sự phát tia bên ngoài vào trong khoang chứa xuyên suất cái điều biến.
Việc này có thể được sử dụng “hạt giống” khoang chứa với một tia có đòi hỏi đặc trưng (như là mode
ngang hoặc bước sóng). Khi Q được tăng lên, laser được xây dựng lên từ “hạt giống” ban đầu, cung cấp
xung Q – switch có đặc trưng thừa hưởng từ “hạt giống”.

12


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“
Q – switch cưỡng bức
Trong trường hợp này, Q – switch là một công cụ hấp thu bão hòa, một chất liệu làm giảm sự
truyền qua khi cường độ của ánh sáng vượt qua ngưỡng. Chất liệu có thể là tinh thể ion – doped như là
Cr:YAG tinh thể có thể sử dụng cho laser Nd:YAG Q – switch, chất tẩy màu, thiết bị bán dẫn thụ động.
Lúc đầu, sự mất mát của công cụ hấp thu là cao nhưng vẫn còn chưa đủ thấp để cho phép dù chỉ một lần
tích trữ năng lượng laser lớn trong môi trường gia tốc. Cũng như sự gia tăng năng lượng laser, nó hấp
thu bão hòa, nghĩa là, giảm bớt sự mất mát nhanh chóng của buồng cộng hưởng, vì thế năng lượng có
thể giảm đều đều rất nhanh. Lý tưởng, mang sự hấp thụ này đặt vào trạng thái có mức hấp thu này đặt
vào trạng thái có mức hấp thu mất mát thấp cho phép hấp thu mất mát thấp cho phép hấp thu năng
lượng bởi công suất cao bởi xung laser. Tiếp theo xung, công cụ hấp thu bù lại trạng thái mất mát lớn
của nó trước khi gia tốc sự bù, vì thế xung tiếp theo sẽ trễ cho đến khi năng lượng trong môi trường
tăng tốc được bổ xung đầy. Tỉ lệ xung lặp lại chỉ có thể điều khiển gián tiếp, ví dụ như nguồn bơm
laser không ổn định và số lượng công cụ hấp thu bão hòa trong khoang. Điều khiển trực tiếp tỉ lệ lặp lại
có thể làm một cách chủ động bằng việc sử dụng một nguồn bơm xung giống như là một Q – switch bị
động.

Biến thể

•

Sự không ổn định có thể được giảm bớt bằng việc không giảm Q quá nhiều, vì rằng có một
lượng nhỏ ánh sáng có thể vẫn còn lan truyền trong buồng chứa. Điều này cung cấp một “hạt
giống” ánh sáng – thứ mà sẽ giúp tạo nên xung Q – switch tiếp theo.

•

Khoang gom (Cavity dumping): Đầu hai buồng chứa là những gương phản xạ 100%, vì thế
không một tia ra nào được cung cấp khi Q cao. Để thay thế, Q – switch sử dụng “gom” (dump)
tia ra của buồng chứa sau một thời gian trễ. Buồng chứa Q đi từ thấp tới cao laser bắt đầu hình
thành và sau đó đi từ cao về thấp tới “gom” tia từ tất cả mọi nơi trong buồng chứa. Việc này
cung cấp một xung Q – switch ra ngắn và đều đặn. Những bộ biến điệu Elrctro – optic là những
công cụ thông dụng cho việc này, từ đó chúng có thể dễ dàng thực hiện chức năng gần như là
một tia hoàn hảo “switch” kết hợp tia ra khỏi buồng chứa. Những bộ biến điệu “gom” tia có lẽ
giống như bộ biến điệu trong buồng chứa, hoặc biến điệu lần 2. Một buồng gom có nhiều sự
phức tạp hơn Q – switch bình thường, và cần phải có một cuộn điều khiển để lựa chọn thời gian
tốt nhất tại nơi gom buồng chứa.

•

Phục hồi sự khuyếch đại: Việc phục hồi sự khuyếch đại là khuyếch đại quang học ở vị trí bên
trong khoang Q – switch. Xung ánh sáng từ một laser khác chiếu vào bên trong buồng chứa bởi
một Q thấp cho phép xung đi vào và sau đó gia tăng Q tới xung tiếp giáp của khoang nơi có thể

13

Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“
khuyếch đại bằng việc truyền đi, truyền lại xuyên qua môi trường gia tốc. Xung lúc đó được
phép rời khoang chứa theo đường Q – switch khác.
Đặc trưng về hiệu suất
Một laser Q – switch đặc trưng ví dụng như là laser Nd:YAG với buồng cộng hưởng dài khoảng
10cm có thể cung cấp xung ánh sáng trên 10ns. Ngay cả khi một nguồn trung bình tốt dưới 1W, đỉnh
năng lượng ra có thể được nhiều kW. Một hệ thống laser lớn có thể cung cấp xung Q – switch với năng
lượng nhiều J và đỉnh năng lượng nằm trong vùng GW. Theo một nguồn khác, những laser microchip Q
– switch bị động (với buồng cộng hưởng rất ngắn) cho tổng xung với khoảng xung xa hơn 1ns và tỉ lệ
lặp lại xung từ 100Hz tới trên MHz.

3.

Tinh thể KTP
Đặc điểm của tinh thể
Potassium Titanyl Phosphate (KTP or KTiOPO4) là một vật liệu quang phi tuyến
phù hợp cho sử dụng trong nhiều hệ thống quang. Ứng dụng phổ biến nhất là bộ nhân đôi tần
số 1.064 µm ở lối ra của laser Nd:YAG. Hiệu suất chuyển đổi thành 0.532 µm lên đến 60% tại
250 MW / cm2.
KTP lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1890 bởi L. Ouvard nhưng phải mãi đến năm
1970 Zumsteg, Bierlein và Gier at E.I. DuPoint mới xác định tính chất quang phi tuyến của
tinh thể này.
KTP là một vật liệu quang phi tuyến mà thông thường được sử dụng để nhân đôi tần số
của các laser rắn như Nd:YAG và các laser pha tạp neodymium. Vật liệu có độ quang phi
tuyến lớn và độ ổn định nhiệt cao. Tuy nhiên nó có thiên hướng gây đổi màu ở bước sóng
1064nm công suất cao sinh ra hoà âm bậc hai và có xu hướng giới hạn khi nó được sử dụng
trong hệ thống có công suất trung bình và thấp.
KTP cũng thường sử dụng như một bộ tạo dao động thông số quang vùng hồng ngoại
gần đến vùng 4µm. Đặc biệt thích hợp cho hoạt động công suất lớn như một bộ dao động thông

số quang do mức ngưỡng gây nguy hiểm lớn và khẩu độ tinh thể lớn.
KTP cũng được sử dụng như một bộ điều biến điện quang, vật liệu dẫn sóng quang và
trong các bộ kết nối định hướng.
KTP có cấu trúc tinh thể trực giao, có độ truyền qua cao đối với các bước sóng giữa
350 nm – 2700 nm với sự truyền giảm dần tới 4500 nm khi đó tinh thể thực sự là chắn sóng.
Hệ số phát sinh họa âm bậc hai lớn gấp 3 lần so với tinh thể KDP (Potassium dihidrogen
phosphate – KH2PO4).
Tinh thể KTiOPO4 là vật liệu quang phi tuyến duy nhất được sử dụng rộng rãi cho quá
trình tạo hoà âm bậc hai của các laser Nd phát xạ xung quanh 1 µm. KTP đồng thời cũng rất
thu hút đối với các ứng dụng thay đổi thông số quang và thay đổi tổng hoặc hiệu tần số trên
toàn bộ dải truyền qua từ 0.35 µm đến 4.0 µm. Mặc dù một số đặc tính đặc biệt của các vật liệu
khác tốt hơn nhưng KTP có một sự kết hợp các tính chất làm cho nó có điểm đặc biệt riêng cho
các ứng dụng quang phi tuyến bậc hai và phát hòa âm bậc hai của laser Nd. KTP là vật liệu phi
tuyến tốt nhất cho laser Nd là laser nổi bật trong những năm gần đây. Nhược điểm chính là yêu
cầu cho quá trình tạo mầm cho các tinh thể này khó, giá thành cao và các tinh thể có kích thước
nhỏ.

14


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

KTP bị phân hủy ở nhiệt độ nóng chảy khoảng 1150oC và vì thế các quá trình nóng
chảy thông thường không thể sử dụng được cho việc tạo vật liệu này. Tuy nhiên, các đơn tinh
thể của KTP có thể được tạo ra bởi cả kỹ thuật thủy nhiệt và kỹ thuật dòng. Các tinh thể hiện
nay có chiều dài lên tới 20 mm có trên thị trường. Cấu trúc tinh thể KTP trực giao thuộc nhóm
điểm mm2.

Hình 10. Đường cong truyền qua của tinh thể KTP.

Hình 10 cho thấy đường cong truyền qua của KTP, vật liệu này có độ truyền qua tốt
trong dải bước sóng từ 350 nm – 4000 nm hay còn được gọi là trong suốt với dải phổ 350 nm –
4000 nm .
MÆt ph¼ng ph©n cùc
cña laser (1,06µm)

b[010]
a[100]

Z

Φ

450

x

y

MÆt ph¼ng ph©n cùc
cña SH (0,53µm)

c[000]
KTP
Laser Nd:YAG

Hình 11. Sự định hướng của tinh thể KTP đối với sự tương tác loại II ở bước sóng 1.064µm; Φ
= 260 đối với vật liệu KTP được tạo ra bằng kỹ thuật thủy nhiệt và Φ = 210 đối với tinh thể
KTP được tạo bằng kỹ thuật dòng
Hình 11 cho thấy hướng tinh thể đối với điều kiện cân bằng pha của tương tác loại II tại

1.06 µm. Các góc ghép pha (phase match) φ đo được từ trục x trong mặt phẳng xy là khác nhau
đối với tinh thể được tạo ra bằng kỹ thuật dòng và kỹ thuật thủy nhiệt.
Các hiệu suất nhân đôi tần số vượt quá 65% nhận được từ KTP được bơm bởi chùm
laser có chất lượng cao. Tuy nhiên KTP dần dần trở nên giảm phẩm chất quang hóa mà nó
được tính lũy nhờ sự kết hợp họa âm bậc hai và sự phát xạ cơ bản. Sự giảm phẩm chất dẫn đến
làm tăng sự hấp thụ trong tinh thể mà có thể gây ra hỏng tinh thể. Hiệu ứng quang hóa có thể
được đảo ngược nhờ hoạt động của KTP tại nhiệt độ được nâng cao hơn. Các tinh thể hoạt

15


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

động tại các mức dòng thông lượng 150MW/cm2 và nhiệt độ 80oC cho thấy thời gian sống
vượt quá 20 triệu xung với hiệu suất chuyển đổi hơn 60%. Tuy nhiên có các lỗi xảy ra do khối
tinh thể hoạt động tại 65oC và thấp hơn.

Các tính chất của tinh thể KTP
Bảng 2.1. Các tính chất vật lý và hóa học.
Công thức hoá học

KTiOPO4

Cấu trúc tinh thể

Trực giao

Các thông số mạng

a = 12.814Å, b = 6.404Å, c = 10.616Å

Điểm nóng chảy

~ 1150°C

Màu sắc

không màu

Mật độ (X-ray)

3.03 g / cm3

Nhiệt dung riêng

0.1737 cal / gm°C

Độ truyền nhiệt

k1= 2.0, k2= 3.0 k3= 3.3 (x10-2 W / cm / °C)

Mất mát do hấp thụ bước sóng
1.064 µm:

< 1% / cm

Bảng 2.2. Các tính chất phi tuyến
Các hệ số quang phi tuyến
(x 10

-12

m / V)

d31 = 6.5, d32 = 5.0, d33 = 13.7,
d24 = 7.6, d15 = 6.1

Chỉ số khúc xạ tại 1,064 µm

nx = 1.740, ny = 1.747, nz = 1.830

Chỉ số khúc xạ tại 0,532 µm:

nx = 1.779, ny = 1.790, nz = 1.887

Type Phase Matching:

Loại II

Góc ghép pha với 1.064µm

Tạo với trục x 24° trong mặt phẳng xy

Độ rộng phổ

5.6 Å

Độ rộng góc

20 mrad

Nhiệt độ

25 °C – cm

Walk-off Angle

1mrad (0,26o)

Ngưỡng phá huỷ quang

> 450 MW/cm2

Các ứng dụng của KTP
KTP là vật liệu duy nhất kết hợp các tính chất như hệ số phi tuyến cao, không hút ẩm.
Phù hợp với các hệ laser yêu cầu công suất cao, hiệu suất lớn và ổn định. Nó có thể được sử
dụng cả trong thương mại lẫn quân sự bao gồm y tế và các hệ laser trong phòng thí nghiệm,
trong công nghiệp bán dẫn.
Tinh thể KTP còn được sử dụng trong:

16


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

- Bộ ghép đôi tần số cho các laser pha tạp Nd cho ánh sáng xanh lá cây hoặc ánh sáng đỏ.
- Bộ trộn tần số của laser Nd hay laser diode cho ánh sáng màu xanh da trời.
- Bộ dao động thông số quang trong vùng hồng ngoại gần đến 4 µm.

- Bộ điều biến quang điện, chuyển mạch quang, các bộ ghép định hướng.
- Bộ dẫn sóng quang cho các thiết bị quang phi tuyến lớn, các bộ quang điện tích hợp.
- Bộ phát hiệu tần số trong vùng hồng ngoại gần…
Các tinh thể KTP điển hình

Hình 12. Một số dạng tinh thể KTP
Quá trình tạo hòa âm bậc hai
Để hiểu rõ về quá trình tạo hoà âm bậc hai, trước tiên chúng ta tìm hiểu về hiện tượng
quang phi tuyến- một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực quang học. Khi có một
hoặc nhiều sóng điện từ truyền qua bất kỳ môi trường nào thì chúng đều tạo ra sự phân cực
trong môi trường đó. Những quá trình phân cực này đều tạo ra dao động tại những tần số mới
dẫn đến làm tăng sóng điện trường. Bởi vậy chúng ta gọi hiện tượng này là quá trình tạo hoà
âm, ví dụ, ánh sáng hồng ngoại được chuyển đổi sang ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng tử
ngoại, ánh sáng tia laser Nd:YAG chuyển thành ánh sáng xanh...
Thông qua việc sử dụng các phương trình Maxwell, chúng ta mô tả quá trình tương tác
phi tuyến diễn ra như thế nào để dẫn đến việc tạo ra các sóng ứng với các tần số mới trong một
môt trường. Đặc biệt chúng ta sẽ nghiên cứu rõ hơn về quá trình tạo hoà âm bậc hai.

Các sóng điện từ và sự phân cực sóng điện từ
Để có thể biểu diễn từ một sự phân cực tạo ra phi tuyến dẫn đến việc tạo ra các sóng
ứng với các tần số mới, chúng ta sẽ sử dụng các phương trình theo lý thuyết điện từ như sau:
Định luật Ampe:

H = j+

∂D
∂t

(2.1)

trong đó j(A.m-2) là mật độ dòng điện.
Đình luật Faraday: E = − µ

∂H
∂t

(2.2)

trong đó E là cường độ điện trường.
Định luật Ôm: j = σ E

(2.3)

trong đó σ (S.m-1) là độ dẫn điện của môi trường và

D = ε0E + P

(2.4)

17


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

Khi quá trình phi tuyến kiểu thứ cấp xảy ra trong môi trường thì độ phân cực tổng cộng
có thể được viết như sau:
(1)

P = ε 0 x E + PNLS

(2.5)

Trong đó độ phân cực nguồn không tuyến tính (NLS) có các thành phần nhiều bậc:

(P )

N LS i

= ε 0 ∑ xijk E j E k

(2.6)

jk

Từ phương trình (2.1) và (2.4) chúng ta có:
rotH

∂E
∂P
+
∂t
∂t
∂E
∂
= σ E + ε 0ε r
+
P NLS
∂t
∂t

= σ E + ε0

(2.7)

Trong phương trình (2.7) chúng ta tính đến tất cả các hiệu ứng phân cực tuyến tính
trong số hạng chứa tenxo điện môi. Sử dụng tính đồng nhất vectơ rot rotE = grad div E − ∇ 2 E
kết hợp với phương trình (2.2) và (2.7) ta có:

∇2E = µ σ

∂2E
∂2
∂E
+ µ ε 0 ε Î 2 + µ 2 PNLS
∂t
∂t
∂t

(2.8)

Để đơn giản chúng ta bỏ qua tính dị hướng của môi trường. Nói cách khác chúng ta
thừa nhận rằng εr là vô hướng và divE = 0. Phương trình (2.8) là một cách biểu diễn khác của
phương trình sóng khi có thêm thông số tổn hao (do độ dẫn điện là khác không) và một số hạng
nguồn mới.
Nếu chỉ xét đến các sóng phẳng, khi không xét đến tổn hao chúng ta có thể phân tích
trường hợp này theo tất cả các sóng truyền theo phương z và chỉ có các thành phần điện trường
nằm dọc theo phương x hoặc y. Trong trường hợp này phương trình (2.8) trở thành:

∂E k
∂ 2 Ek

∂E k
∂
µ
σ
µ
ε
ε
=
+
+ µ ε 0 2 x kij Ei E j
k
0 r
2
2
∂t
∂t
∂t
∂z

(2.9)

Trong đó ε r là hằng số điện môi tương ứng với tần số sóng Ek, và σ k là độ dẫn điện
tương ứng. Các chỉ số i, j, k chỉ có thể nhận các giá trị x và y. Phương trình (2.9) cho thấy rõ
mối quan hệ bền vững giữa các thành phần điện trường khác nhau. Nếu các thành phần điện
trường Ei, Ej tương ứng với tần số ω1, ω2 thì rõ ràng là Ek phải chứa một thành phần của tần số

ω3 = ω1 + ω2 để hai vế của phương trình (2.9) cân bằng.
Chúng ta có thể biểu diễn các sóng phẳng dưới dạng như sau:

[

]

1
E1i (z )ei (ω1t − k1 z ) + cc .
2
1
E ωj 2 ( z , t ) = E2 j ( z )ei (ω 2 t − k 2 z ) + cc .
2
1
Ekω 3 ( z , t ) = E3k ( z )ei (ω 3t − k 3 z ) + cc
2
Eiω1 ( z , t ) =

[

]

[

]

(2.10)

Độ phân cực NLS ở tần số ω3, mà truyền các sóng phát ra tuyến tính ở tần số ω3 là:

18


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm

dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

[P

ω3

NLS

(z, t )]k

=

ε 0 χ kij
4

E1i ( z )E 2 j (z )e i (ω1 +ω 2 )t −(k1 + k2 ) z + cc

(2.11)

Vế bên tay trái của phương trình (2.9) có thể được viết như sau:
∂ 2 E kω3
1 ∂2
(
)
,
z
t
=
E3 k (z )e i (ω3t − k3 z ) + cc
2 ∂z 2

∂z 2
dE (z )
1⎡
= − ⎢k 32 E3 k (z )e i (ω3t − k3 z ) + 2ik 3 3 k e i (ω3t − k3 z )
dz
2⎣

[

−

]

(2.12)

⎤
d 2 E3 k
(z )e i (ω3t −k3z ) ⎥ + cc
2
dz
⎦

Nếu E3k thay đổi đủ chậm theo phương z thì chúng ta có thể thừa nhận rằng

2k 3 dE3k / dz >> d 2 E3k / dz 2 và bỏ qua số hạng chứa d 2 E3k / dz 2 . Với phép tính xấp xỉ này
chúng ta có:
⎤
1⎡ 2
∂ 2 Ekω3
dE3k ( z ) i (ω3t −k3 z ) d 2 E3k

i (ω3t −k3 z )
(
)
(
)
(z )ei (ω3t −k3z ) ⎥ + cc (2.13)
,
=
−
+
2
−
e
z
t
k
E
z
e
ik
3 3k
3
⎢
2
2
2⎣
∂z
dz
dz
⎦

Áp dụng tương tự với: ∂ 2 Eiω t / ∂z 2 ( z , t ) và ∂ 2 E ωj t / ∂z 2 ( z , t )

Nếu chúng ta thay vào phương trình (2.9) và so sánh với các số hạng dao động ở tần số
ω3 = ω1 + ω2, chúng ta có:
⎡ k32
dE3k ( z ) ⎤ i (ω 3t − k 3 z ) 1
= (iω 3 µ e0e3 )E3k ei (ω 3t − k 3 z )
⎢− 2 E3k (z ) − ik3 dz ⎥ e
2
⎣
⎦
ω 2µ e x
+ 3 0 kij E1i E2 j ei (ω1 +ω 2 )t − (k1 + k 2 )z
4

(2.14)

Chú ý rằng ω 32 µε 0 ε 3 = k 32 trong trường hợp này, trong đó ε3 là hằng số điện môi ở tần
số ω3, phương trình (2.14) có thể được đơn giản như sau:

ω µe x
dE3k − ik 3 z
iω µ σ
e
= − 3 3 E3k e − ik 3 z + 3 0 kij E1i E2 j e − i (k1 + k 2 )z
dz
2
4
2

ik3

(2.15)

suy ra:

σ
dE3k
=− 3
dz
2

iω
µ
µ
E3k − 3
ε 0 x kij E1i E 2 j e −(k + k
ε 3ε 0
4 ε 3ε 0
1

2 − k3

)z

(2.16)

Về phương diện này sự phân cực NLS giống như phương trình (2.11) cũng có thể được
viết cho sự phát xạ không tuyến tính ở các tần số ω1, ω2, ví dụ:

[P

ω3

NLS

(z, t )]j =

e0 xkij
4

E3k ( z )E1i (z )ei (ω 3 −ω1 )t − (k 3 − k1 ) z + cc

(2.17)

Có thể dễ dàng chỉ ra rằng:

19


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

dE1i
σ
=− 1
dz
2

iω
µ
µ
E1i − 1
ε 0 x kij E3k E 2 j e −(k − k
4 ε 1ε 0
ε 1ε 0
3

2 − k1

)z

(2.18)

và:
dE 2 j
dz

=−

σ2
2

iω 2
µ
E2 j −
ε 2ε 0
4

µ
ε 0 x kij E3k E1i e −(k − k −k
ε 2ε 0
3

1

2

)z

(2.19)

Nếu tất cả ba tần số ω1 ,ω2 ,ω3 là khác nhau và giả định của Kleinman là đúng, chúng ta
có thể bỏ qua các chỉ số của χkij và chỉ cần viết là χ.
Chúng ta có thể sử dụng các phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) để mô tả các quá
trình phi tuyến quan trọng khác nhau.
Phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) có thể được viết dưới dạng đơn giản như sau:
dE1i
= −α 1 E1i − ik1 E3 k E2 j e −i∆kz
dz

dE2 j

(2.20)

= −α 2 E2 j − ik2 E3 k E1i e −i∆kz

(2.21)

dE3 k
= −α 3 E3 k − ik3 E1i E2 j e −i∆kz
dz

(2.22)

dz

trong đó
∆k = k3 − k2 − k1

αl =

σl
2

(2.23)

µ
; l = 1,2,3.
ε lε 0

(2.24)

µ
ε 0x ; l = 1,2,3.
ε lε 0

(2.25)

và
kl =

ωl
2

kl có thể được viết lại như sau:
kl =

ωl x
; l = 1,2,3.
4nl ε 0

(2.26)

Chú ý rằng α l là hệ số hấp thụ điện trường cho từng sóng. Nếu không có bất kỳ tính
phi tuyến nào thì kl = 0 và các phương trình (2.20)-(2.22) có một kết quả chung:
El = E0e − x z

(2.27)

Nếu tinh thể phi tuyến trong suốt với tất cả ba tần số ω1, ω2 và ω3 thì các thông số hạng
tổn hao trong các phương trình (2.20)-(2.22) có thể bỏ qua. Mặt khác nếu k3 =k1+k2, được gọi
là điều kiện ghép pha, thì chúng ta có hệ ba phương trình đơn giản.

20


Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

dE1i
= −ik1E2 j E3k
dz
dE2 j

(2.28)

= −ik2 E1i E3k

(2.29)

dE3k
= −ik3 E1i E2 j
dz

(2.30)

dz

Do tinh thể trong suốt với tất cả ba tần số ω1, ω2 và ω3 nên k l = k l∗ .
Cường độ của mỗi sóng là
ll =

El El0
; l = 1,2,3.
2Zl

(2.31)

Trong đó Zl là trở kháng đặc trưng cho tần số này và hướng phân cực có liên quan. Giá
trị cường độ thay đổi của mỗi sóng là:
dI l
dE ⎞
1 ⎛ dEl0
⎜⎜ El
=
+ El0 l ⎟⎟
dz 2 Z l ⎝
dz
dz ⎠

(2.32)

Vì vậy, ví dụ, với sóng có tần số ω1, từ phương trình (2.28) ta có:

(

)

(2.33)

dI 2 ik2
(
E1i E2 j E30k − E10i E20 j E3k )
=
dz 2 Z 2

(2.34)

dI 3 ik3
(
E1i E2 j E30k − E10i E20 j E3k )
=
dz 2 Z 3

(2.35)

dI l
ik
= 1 E1i E2 j E30k + E10i E20 j E3k
dz 2 Z l
Tương tự

và

Mỗi thông số độc lập có thể được viết như sau:
Zl =

1
nl

µ
e0

=

µ c0
nl

(2.36)

Vì vậy
kl ω l χ
=
Zl
4µ

(2.37)

Kết hợp các phương trình (2.23)-(2.35) chúng ta có thể viết lại như sau:
1 dI 1
1 dI 2
1 dI 3
=
=−
ω 1 dz ω 2 dz
ω 3 dz

(2.38)

Hay viết theo các số hạng của mật độ photon Nl ở mỗi tần số khác nhau:

21