Các loại nguồn laser công nghiệp

Chương 2
CÁC LOẠI NGUỒN LASER
2.1 . Laser rắn
2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn.
- Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn
tinh thể hoặc chất vô định hình.
-Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc ion
tạp chất.
-Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 ( lớn hơn 100 ÷
1000 lần laser khí), nên hệ số khuếch đại rất lớn.


-Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kích
thước thanh hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm.
-Do độ đồng chất quang học kém nên góc mở của tia laser
bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút.
-Trong laser rắn các hạt tương tác nhau nên vạch bức xạ tự
nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng
-Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang
học bằng các đèn chớp sáng.


THANH HOẠT CHẤT
-Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm,
hai mặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Để
khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám.
- Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là đơn tinh thể hoặc
vô định hình.
- Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so
với chất nền.
Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định.

• Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối
với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ
chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao.
• Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MeO4,HF
•
-Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12
(Me là kim loại Al, Fe,..)
• Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và
tăng được hiệu quả bức xạ.
• Điển hình: -Y3A5O12 ( kí hiệu YAG)
•
-Al2O3 ( Laser Rubi )
•
-Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo và độ đồng nhất
cao, kém bền nhiệt và công suất bơm lớn.


• Môi chất laser thường ở dạng ion 2 hoặc 3 điện
tích.
• Một số môi chất laser nguyên tố đất hiếm.
•
Neodim Nd 3+ λ= 1,06 μm
•
Dyprozy Dy 2+ λ= 2,36 μm
•
Camri Cm 2+ λ= 0,7 μm
•
Ecori Er 2+ λ= 1,61 μm.

• Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser.
Nồng độ hạt bức xạ tăng làm tăng công suất, khi
đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống
của các hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra
giảm


• Nguồn bơm : Gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội
tụ ánh sáng vào hoạt chất.
• Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất,
do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng
bơm xung là tốt nhất.
• Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành năng
lượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy
hỏng, phải chọn tần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý
• Dùng đèn hơi thuỷ ngân phóng điện hồ quang.
Dùng đèn dây tóc nhưng được bơm hơi iode vào để tăng
tuổi thọ cho đèn


Các dạng phản xạ


• 2.1.2 Laser Rubi
•

Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm
đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr 3+ .

• Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷

500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt .
Kéo ở 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10o C để
đảm bảo đồng nhất.
• Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr 3+ trở
nên màu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng
xanh lá cây và tím.


4F1
4F2
2A
420nm

E
R1

R2

550nm

4A2

• Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng
lớn hơn R2. Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng
thái năng lượng
Ví dụ
T= 300 0 K
T= 77 0 K (Nitơ lỏng sôi)
R1
694,3 nm

693,4 nm
R2 692,8 nm
692,0 nm


Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby
Đèn Xenon

Dây dẫn điện
Gương phản xạ 95%

Gương phản xạ 95%

Công tắc
Bộ nguồn

Tinh thể Ruby

Mặt trụ nhôm phản
xạ được đánh bóng


Laser Ruby Q-Switch
Bước sóng: 694 nm
Mật độ năng lượng: 23J / cm2
Tần số phát: 0,5 – 2 Hz
Thích hợp: Xóa xăm nhiều màu,
điều trị bớt sắc tố (xanh, đen
…)

• 2.1.3 Laser NdYAG
• Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG.
Trong laser Neodim-YAG, môi chất laser là
Nd3+
• Sự dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F 3/2 xuống
4I11/2 với bức xạ =1064nm.
• Laser NdYAG có thể làm việc ở cả chế độ liên
tục hoặc xung với bơm bằng đèn Xe hoặc laser
bán dẫn AlGaAs.
• Chất nền ở dạng thanh có đường kính từ 3 đến 6
mm, chiều dài từ 5 đến 15cm. Công suất ra từ 1
đến 3kW. Nếu bơm bằng laser diot thì chỉ từ 15
đến 100W.


4F 7/2
4F 5/2
4F 3/2
730nm

1064nm
800nm

4F 11/2
4I9/2

Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd3+

_Độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ nhỏ và cho
phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền
cơ học, bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu
_Tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng
nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên
tục


• Laser NdYAG được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Trong gia công vật liệu
như khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến
100Hz, và độ dài xung từ 1 đến 10ms.
• Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng
sợi quang, NdYAG có nhiều ưu điểm về
tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2.


• 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh
.
• Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn
so với laser Nd.YAG khoảng 40 lần.
• Do nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh thấp nên dễ
chế tạo thanh hoạt chất với kích thước lớn và
dải phổ hấp thụ cũng lớn hơn laser Nd.YAG.
• Mật độ môi chất Nd 3+ lớn hơn 2 lần và hiệu
suất bơm lớn hơn 1,6 lần. Nhược điểm của thuỷ
tinh là nhiệt dung thấp nên chỉ dùng với laser có
tần số xung thấp hơn 5Hz.

2.2 Laser khí.
2.2.1 Đặc điểm của laser khí
• Hoạt chất là chất khí hoặc hơi kim loại.
• Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái kích thích của
nguyên tử hoặc phân tử.
• Do mật độ hạt và áp suất thấp nên tương tác ít, vạch
phổ bức xạ hẹp chỉ cỡ 1 Hz và hẹp nhất trong các loại
laser.
• Độ mở rộng đường phổ chủ yếu là mở rộng không
đồng nhất Đốp-lơ.
• Độ đồng nhất quang học cao nên góc mở của laser nhỏ
chỉ cần dùng gương phẳng song song đã đạt độ mở nhỏ
hơn 1 phút.


• Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện chủ yếu bằng phóng
điện chất khí. Thường sử dụng thêm va chạm cộng
hưởng và phân rã ở mức laser dưới bằng va chạm để làm
tăng mật độ nghịch đảo độ tích luỹ dạng Laser 4 mức.
• Cấu tạo chung của laser khí gồm một ống chứa khí bằng
thủy tinh hoặc thủy tinh thạch anh đường kính từ 1 mm
đến vài cm và dài từ vài chục cm đến hàng chục mét, đặt
giữa 2 gương song song nhau.
• Hai cách bố trí gương: là gương đặt trong buồn thuỷ tinh
và đặt ngoài. Song thường sử dụng gương đặt ngoài.


• Gương đặt ngoài ống phóng khí có các ưu điểm:
• -Hệ cơ điều chỉnh gương đơn giản
• - Tuổi thọ ống khí dài hơn vì không có chi tiết cơ

khí nằm trong làm giảm chất lượng khí.
• - Độ bền gương tăng vì không bị ion bắn phá và dễ
thay thế.
• - Ống khí chế tạo đơn giản hơn vì không phải gắn
giữa thủy tinh và kim loại.
• - Dễ dàng đặt vào buồng cộng hưởng các linh kiện
chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết.
•
Nhược điểm gương ngoài: Tiêu hao hai đầu ống
do phản xạ , hấp thụ , tiêu hao do tán xạ phụ thuộc
góc tới, chiết suất và dạng phân cực của ánh sáng.



Cửa sổ Brewster



2.2.2 Laser He- Ne
• Laser khí đầu tiên được Lavan, Beneti, Heriot chế
tạo 1961 và hiện được dùng rộng rãi nhất.
He 21S 0

3S 2

23S 1

2S 2

3391nm

1152nm

3P

632,8nm , 543nm

2P

1S
1S 0

Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe


Biểu đồ mô tả hoạt động của Laser He - Ne


• Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều
tồn tại. Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng
cách chọn gương laser hoặc dùng các phần tử hấp
thụ chọn lọc
• Công suất laser phụ thuộc vào dòng phóng điện, áp
suất khí, tỷ lệ He- Ne ( thường 9/1), đường kính ống
khí và tiết diện.
• Công suất: λ = 1,15 μm và 0,63 μm vài chục mW
λ = 3,39 μm đạt vài trăm mW.
• Tuổi thọ laser phụ thuộc vào chất lượng khí và sự
hấp thụ của thành ống và các điện cực làm giảm và
thay đổi thành phần khí làm giảm tuổi thọ của laser.

• Ở nước ta: ảnh hưởng của nóng ẩm làm giảm tuổi
thọ và độ ổn định của laser.