CHƯƠNG 1: LASER MÀU XUNG NGẮN 1. Đặc điểm và tính chất của các xung laser Picô - giây Bức xạ laser là các bức xạ điện từ trong một vùng phổ từ vùng tử ngoại gần (180 nm) đến vùng hồng ngoại (1mm). Chùm sáng từ bức xạ laser liên tục thường có công suất trong một khoảng vài mili - Oat (mW) đến vài chục (thậm chí vài trăm) Oat (W). Nếu cũng công suất này chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn thì các xung laser có công suất đỉnh trở nên rất lớn được tính theo công thức ∆P = ∆E/∆τ trong đó ∆E là năng lượng của laser và ∆τ là độ bán rộng về thời gian của xung laser.
Do đó, với các xung laser càng ngắn sẽ cho ra các xung có công suất rất lớn. Mặt khác, độ bán rộng thời gian của các xung laser thỏa mãn điều kiện Heisenberg ∆ν. ∆τ ≤ a trong đó a là một hằng số được quyết định bởi dạng xung. Về nguyên lý, các bức xạ laser là đơn sắc tức là chỉ tồn tại duy nhất một mode dọc nhưng thực tế các bức xạ có thể bao gồm một vài mode có bước sóng lân cận nhau bởi chúng phù hợp với số nguyên lần chiều dài buồng cộng hưởng.
Đặc điểm này sẽ ảnh hưởng tới quá trình xác định độ dài xung (độ bán rộng xung) do sự chồng chập của các mode trong phép đo thời gian và sai lệch khi xác định số gia ∆ν trong hệ thức bất định. Do đó, để có thể xác định được chính xác độ rộng xung laser, cần phải xem xét đến bản chất của các xung laser như: nguồn phát, công suất laser, vùng phổ… 1. Cấu tạo laser Về nguyên lý máy phát quang laser được cấu tạo bởi ba bộ phận chính như trên hình 1.1 là: Môi trường hoạt tính, nguồn bơm năng lượng và buồng cộng hưởng quang học [10]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Gương Gương 100% 90% Môi trường trong suốt chứa các nguyên tử hoặc phân tử Bức xạ có khả năng khuếch đại ánh laser ra sáng Đèn công suất cao Hình 1.
Cấu tạo cơ bản của một máy phát lượng tử a) Môi trường hoạt tính Bộ phận quan trọng nhất của laser là môi trường hoạt tính. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cường độ sáng khi ánh sáng truyền qua. Môi trường hoạt tính cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: có hiệu suất huỳnh quang cao, có thời gian sống huỳnh quang đủ lớn, có độ truyền qua tốt trong dải bước sóng phát laser thường được phân chia thành các nhóm sau: - Môi trường hoạt tính rắn: bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các nguyên tố hiếm như Nd3+, Cr3+. Laser rắn điển hình là Ruby, ngoài ra có Nd:YAG, Ti:Sphire, sợi quang học pha đất hiếm.
- Môi trường hoạt tính lỏng: bao gồm các dung dịch màu (Rodamin, Coumarin.) - Môi trường hoạt tính khí: He - Ne, N2, CO2. - Môi trường hoạt tính bán dẫn: như Ga As, PbS, PbTe. Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang. Sự khác nhau của môi trường hoạt tính còn được dùng để gọi tên laser theo phân nhóm về mặt kỹ thuật: laser rắn, laser khí, laser màu, laser bán dẫn… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 b) Nguồn bơm Để khuếch đại được ánh sáng thì trước hết những môi trường hoạt tính phải ở trạng thái kích thích.
Điều đấy được thực hiện bằng cách cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính thông qua một nguồn bơm. Người ta thường sử dụng các loại nguồn bơm sau cho các loại laser thông dụng: - Nguồn bơm quang học bao gồm các loại đèn, các loại laser, diode phát quang… Thường thì ánh sáng của nguồn bơm được chọn sao cho phổ của nó nằm trong vùng cực đại hấp thụ của môi trường hoạt tính để hiệu suất bơm được tối ưu. Phương pháp này thường được áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất rắn hay chất lỏng. - Nguồn bơm điện sự phóng điện trong môi trường hoạt tính dưới điện áp cao thế thường áp dụng cho môi trường hoạt tính là chất khí.
Hoặc nguồn dòng điện áp thấp tạo nên sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử qua vùng cấm của các chất bán dẫn được sử dụng làm nguồn bơm trong các laser bán dẫn. - Bơm quang học và bơm điện là hai cách thông dụng nhất. Ngoài ra còn có nguồn bơm hóa học và nguồn bơm khí động học, nhưng hai cách này ít được sử dụng. Mục đích của việc bơm là tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy (tức là số lượng phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích nhiều hơn ở trạng thái cơ bản) trong môi trường hoạt tính.
Khi sự nghịch đảo độ tích lũy được thiết lập thì phần lớn các phân tử hay nguyên tử trong môi trường hoạt tính đều ở tình trạng sẵn sàng phát ra ánh sáng hoặc đang phát ra ánh sáng theo quy luật phát xạ tự nhiên. Cường độ phát sáng của cả hệ tỉ lệ với số phân tử hay nguyên tử trong trạng thái kích thích. b) Buồng cộng hưởng Nếu muốn biến đổi nguồn sáng tự nhiên ở trên thành nguồn sáng laser thì ta cần có các điều kiện đặc biệt để chuyển biến sự phát xạ tự nhiên (tự phát) thành sự phát xạ cảm ứng. Để thực hiện được điều đó cần đặt môi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 trường hoạt tính vào trong một buồng cộng hưởng quang học, ví dụ như hai gương song song.
Để phân loại buồng cộng hưởng người ta thường dựa vào tính chất và hình dạng của các gương. Loại buồng cộng hưởng đơn giản nhất là buồng cộng hưởng Fabry - Perot, một hệ gồm hai gương phản xạ đặt đồng trục và song song với nhau. Một trong hai gương có hệ số phản xạ R=100%, còn gương thứ hai có độ phản xạ R<100% và độ truyền qua là T=100% - R. Sự mất mát cường độ sáng do hấp thụ hay tán xạ của hai gương phải là không đáng kể.
Vì sự khắt khe về kỹ thuật trên nên việc chế tạo gương dùng cho buồng cộng hưởng phải do những nhà sản xuất chuyên về linh kiện quang học đảm nhiệm. Khó khăn khác nữa là việc lắp đặt hai gương song song một cách tuyệt đối. Để làm được điều này thi hai gương phải được đặt trên giá đỡ có các trục điều chỉnh X, Y, với độ chính xác dưới 1µm. Ngoài việc sử dụng gương phẳng thì người ta còn dùng gương cầu, gương cầu lõm để xây dựng buồng cộng hưởng.
Theo nguyên lý của quang hình học, nếu tia sáng truyền đồng trục với buồng cộng hưởng thì sự lan truyền đó không phụ thuộc vào bán kính cong của hướng. Như vậy, sự phản xạ liên tiếp theo phương đồng trục không phụ thuộc vào chiều dài buồng cộng hưởng. Với buồng cộng hưởng sử dụng gương cầu lõm thì việc điều chỉnh phát ra tia laser là dễ dàng hơn so với buồng cộng hưởng sử dụng gương phảng. Tuy nhiên, việc thu được chùm tia laser song song là khó khăn hơn.
Với laser phát xung ngắn ví dụ femto giây, thì bên trong buồng cộng hưởng có chứa thêm hai yếu tố nữa: là bộ phận khóa mode (để laser hoạt động theo chế độ xung) và bộ phận bù yếu tố tán sắc (do phổ của laser rất rộng, độ rộng phổ này lên tới 300 nm đối với laser femto). Nhờ vào yếu tố xung cực ngắn là công suất cực đại và khả năng phân giải theo thời gian của laser femto là rất cao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các laser phát xung a) Laser rắn Các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh.
Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn trong ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều loại laser rắn khác nhau nhưng phổ biến nhất là loại laser pha tạp Nd3+ (như YAG:Nd, YVO4:Nd3+. b) Laser bán dẫn [11] Laser bán dẫn có môi trường hoạt chất là các lớp bán dẫn p - n pha tạp. Sự chuyển mức năng lượng do quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trong một buồng cộng hưởng tạo ra hiệu ứng laser.
Quá trình bơm năng lượng được thực hiện trực tiếp bằng tiêm dòng điện qua các điện cực được đặt trên hai lớp bán dẫn khác loại. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất của các laser bán dẫn. Các loại nguồn bơm khác có thể được sử dụng như kích thích quang, phun chùm điện tử. So với các laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhở.
Ví dụ, kích thước một laser bán dẫn lớn chỉ cỡ 1 mm. Cần chú ý rằng, tính chất vật lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số bên ngoài tác đông như áp suất, nhiệt độ…và điểm này là sự khác biệt nổi bật nữa so với các laser tinh thể hay thủy tinh. Chính do có các khác biệt nêu ở trên mà sự phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode…ở laser bán dẫn khác hẳn với laser rắn hay khí làm việc theo các mức năng lượng. Qúa trình trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công trình lí thuyết về laser bán dẫn đã ra đời trước khi xuất hiện laser bán đẫn trong phòng thí nghiệm.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 c) Laser khí Laser khí là loại laser có thể hoạt động ỏ chế độ phát xung hoặc chế độ liên tục nên có nhiều ứng dụng kĩ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phần tử đã được nghêm cứu kỹ, vùng bước sóng phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, có thể đạt được công suất phát lớn mà không cần dùng phương pháp biến điệu độ phẩm chất (Q switching)… d) Laser lỏng Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được dùng làm hoạt chất phát laser. So với hai loại laser trên laser lỏng có một số ưu điểm sau: - Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể. - Dễ dàng tăng nồng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tạo được công suất lớn theo ý muốn.
- Dễ dàng làm lạnh hoạt chất do sử dụng dòng hoạt chất luân chuyển.