Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG LASER RẮN Nd:YVO4 ĐƯỢC BƠM BẰNG LASER BÁN DẪN 1. Tổng quan về laser rắn Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) là một nguồn sáng trong đó bức xạ cưỡng bức được khuếch đại và phát ra với sự định hướng cao. Đặc tính của laser đó là ánh sáng kết hợp, có tính định hướng cao trong không gian, độ đơn sắc rất lớn, cường độ tập trung mạnh vào một vùng phổ rất hẹp của bức xạ. Với những đặc tính như vậy nên ngay từ khi mới ra đời, laser đã được dùng làm nguồn sáng trong quang phổ và dần dần thay thế cho các nguồn sáng truyền thống.
Kỹ thuật laser ngày càng phát triển và hiện nay laser có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau (chế độ phát liên tục, chế độ phát xung từ micro giây đến xung cực ngắn femto giây…), bước sóng phát ra phủ gần toàn bộ thang sóng quang học (từ hồng ngoại, khả kiến đến tử ngoại) và còn có thể điều hưởng được bước sóng trong một vùng rộng. Laser có thể được phân loại theo nhiều cách. Nếu dựa vào môi trường khuếch đại thì laser có thể được phân thành bốn loại cơ bản: laser khí, laser rắn, laser màu và laser bán dẫn. Lase rắn là loại laser cổ nhất.
Laser rắn đầu tiên do Maiman lắp đặt năm 1960 có môi trường laser là một tinh thể Rubi nhân tạo (Aluymin Al2O3 chứa 0.1% đến 1% ion Cr3+), phát liên tục, được bơm quang học bằng các đèn xung chớp sáng xenon bao quanh thanh Rubi. Trước đây, các laser rắn được bán trên thị trường phát xạ các bước sóng cố định. Ngày nay, với những thành tựu của khoa học vật liệu, người ta đã 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com phát triển các laser mới có bước sóng có thể thay đổi trong các vùng phổ rộng o khoảng 3500 A [4]. Hơn nữa, laser rắn cho phép phát xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những cho mục đích nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn.
Những thuộc tính của vật liệu làm laser rắn Vật liệu để phát laser phải có vạch huỳnh quang sắc nét (sharp fluorescent lines), dải hấp thụ mạnh, và hiệu suất lượng tử cao đối với dịch chuyển huỳnh quang ta cần. Những đặc tính này thường được tìm thấy ở laser rắn pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc các kim loại chuyển tiếp, các nguyên tố đất hiếm và họ actinide. Vật liệu nền của laser rắn có thể là tinh thể rắn hoặc thủy tinh. Vật liệu nền phải có các thuộc tính quang học, động học và nhiệt học tốt để chịu được các điều kiện phát khắc nghiệt của laser Điều kiện tương quan giữa tinh thể nền và ion kích hoạt gồm sự chênh lệch kích thước, hóa trị và đặc tính phổ.
Trong trường hợp lý tưởng, kích thước và hóa trị của ion kích hoạt nên bằng với ion nền mà nó thay thế. Vì thế một tinh thể phù hợp để làm vật liệu nền cho laser phải xem xét những điều kiện sau [25]: (a) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính quang học tốt. Vì sự thay đổi chiết suất khúc xạ sẽ dẫn đến sự truyền không đồng nhất của ánh sáng khi đi qua tinh thể gây ra chất lượng chùm kém. (b) Tinh thể phải sở hữu thuộc tính động học và nhiệt học tốt, điều này cho phép công suất phát trung bình cao.
Các tham số quan trọng về nhiệt như: suất dẫn điện, độ cứng, độ bền chống nứt gãy. (c) Mạng tinh thể phải có khả năng tiếp nhận các ion pha tạp và có trường 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com tinh thể địa phương với tính đối xứng và chiều dài cần để gây ra những thuộc tính về phổ. Thông thường các ion pha tạp vào chất nền nên có thời gian sống bức xạ với tiết diện phát xạ khoảng 10 -20 cm2. (d) Nó phải có thể có cùng tỷ lệ với tinh thể tạp chất pha tạp, trong khi vẫn duy trì hiệu suất và chất lượng quang cao.
Ion đất hiếm là một trong những thành phần tự nhiên dùng làm ion kích hoạt trong vật liệu laser rắn vì dịch chuyển huỳnh quang bao phủ hầu như toàn bộ từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần trên thang sóng điện từ, ngoài ra các vạch phát xạ tương đối hẹp và sự khác nhau về cấu trúc các mức năng lượng là không đáng kể giữa các chất nền khác nhau. Môi trường laser Nd:YVO4 Nd3+ là ion đất hiếm hóa trị ba đầu tiên được sử dụng trong laser và nó đóng vai trò quan trọng nhất trong nhóm này. Bức xạ cưỡng bức thu được từ sự kết hợp của ion này với ít nhất 100 vật liệu nền khác nhau, kết quả là công suất thu được từ laser Neodyminum cao hơn bất kỳ vật liệu bốn mức năng lượng nào khác. Hồi phục không phát xạ 4 F5/2 4 F3/2 804 808 812 1064 946 4 I11/2 4 I9/2 Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Các mức năng lượng Nd3+ tham gia vào quá trình laser [6].
7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Các laser Neodyminum hoạt động trên nguyên lý laser bốn mức, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+. Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến.1: Các dịch chuyển quang học và huỳnh quang của ion Nd3+[7] Dịch chuyển Bước sóng huỳnh quang (µm) Tỷ lệ cường độ (%) 4 I3/2 – 4I9/2 0,8910 25 0,8999 0,9385 0,9460 4 F3/2 – 4I11/2 1,0521 60 1,0615 1,0642 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 4 F3/2 – 4I13/2 1,3184 14 1,3331 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 4 F3/2 – 4I15/2 1,8330 1 Mức cơ bản là 4I9/2, mức kích thích là 4F5/2, mức laser trên là 4F3/2 và mức laser dưới là 4I11/2. Vì mức laser dưới bị suy biến nên ta có các dịch chuyển từ mức laser trên xuống mức laser dưới cho ta một loạt các bức xạ. Ta 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com thấy dịch chuyển từ mức 4F3/2 – 4F11/2 chiếm 60% tỷ lệ cường độ (theo số liệu bảng 1.1), do đó laser Nd:YVO4 chủ yếu được chế tạo để phát bức xạ laser ở bước sóng trung tâm 1064 nm.2 biểu diễn phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ pha tạp khác nhau.
Ta thấy rằng nó có ba vùng hấp thụ chính là 600 nm, 750 nm và 800 nm. Mà phổ phát xạ của laser bán dẫn lại có một peak ở vùng bước sóng 808 nm. Vì vậy, nó rất thích hợp để bơm quang học bằng laser bán dẫn ở bước sóng 808 nm. Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với nồng độ pha Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với nồng độ pha tạp 0.5%, độ dày mẫu 1mm tạp 3%, độ dày mẫu 1mm Hình 1.2: Phổ hấp thụ của Nd:YVO4 với các nồng độ pha tạp khác nhau [32].
Nd3+ pha tạp trên nền Yttrium orthovanadate (YVO4) được biết đến là một vật liệu có ngưỡng phát thấp. Với nguồn bơm là laser diode thì Nd:YVO4 trở thành một laser rắn quan trọng vì có hai đặc tính nổi bật nhất đó là tiết diện phát xạ cưỡng bức rộng gấp năm lần Nd:YAG và hấp thụ mạnh ở bước sóng bơm 808 nm.2 trình bày những tham số vật liệu quang trọng của Nd:YVO4. Hai đặc tính nổi bật của vật liệu này như đã được đề cập là tiết diện phát xạ 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com cưỡng bức cao và hệ số hấp thụ rộng bức xạ bơm ở bước sóng 808 nm. Thiếu sót lớn là độ dẫn nhiệt tương đối thấp và thời gian sống huỳnh quang ngắn.
Độ dẫn nhiệt thấp (khoảng một : ba so với Nd:YAG) ngăn cản sự tản nhiệt và các nứt gãy do nhiệt của tinh thể gây cản trở nghiêm trọng đến việc tăng công suất phát.2: Các tham số vật liệu Nd:YVO4 [24, tr 71] Tiết diện laser 15.6×10-19cm2 Bước sóng laser 1064 nm Độ rộng phổ 0.8 nm Thời gian sống huỳnh quang 100 µs Bước sóng bơm 808 nm Nồng độ Nd 1% (nguyên tử Nd) Thời gian sống huỳnh quang tương đối ngắn, cụ thể là thời gian sống τf ở trạng thái kích thích ngắn hơn Nd:YAG 2. Thời gian sống huỳnh quang cũng là một thước đo khả năng lưu trữ năng lượng trong chế độ Q- switched. Dự trữ năng lượng lớn đòi hỏi thời gian sống huỳnh quang dài. Do vậy so với môi trường Nd:YAG, môi trường Nd:YVO4 có thể phát xung ngắn hơn, ngưỡng phát thấp hơn và hệ số khuếch đại laser cao hơn [25].
Phổ phát xạ huỳnh quang của ion Nd3+ trong nền YVO4 thu được ở nhiệt độ 3000K với cả hai phân cực p và s biểu diễn trên hình 1. Từ phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 ta thấy rằng, phát xạ huỳnh quang mạnh nhất thu được ở bước sóng 1064 nm. Vì vậy, hầu hết các laser Nd:YVO4 pha tạp ở các nồng độ khác nhau được chế tạo để hoạt động ở vùng bước sóng này. 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực p nồng độ 1.1% trong trường hợp phân cực s Hình 1.3: Phổ phát xạ huỳnh quang của Nd:YVO4 nồng độ 1.
Tổng quan về nguồn bơm quang học sử dụng laser bán dẫn Các laser rắn được kích thích bằng bơm quang học. Hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố: - Thứ nhất, bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời không bị chất nền hấp thụ. - Thứ hai, hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên. Để nâng cao hiệu suất bơm quang học người ta có thể dùng các biện pháp sau: - Chọn hoạt chất có mức kích thích là một băng rộng và đảm bảo sự trùng khớp giữa các tần số dịch chuyển trong kênh kích thích với cực đại trong phổ bức xạ bơm.
- Sử dụng phương pháp nhạy hóa: bên cạnh những ion cơ bản, các loại ion khác (ion nhạy hóa) được đưa vào chất nền. Những ion 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nhạy hóa sẽ hấp thụ hầu như toàn bộ bức xạ bơm rồi sau đó chuyển năng lượng đã hấp thụ sang các ion hoạt chất. - Thay cho sử dụng chất nền với các thành phần đơn giản trong tinh thể người ta dùng các hệ hỗn tạp (các dung dịch rắn) khiến phổ hấp thụ được mở rộng đáng kể. Trước khi có laser, các nguồn sáng mà nhà vật lý sử dụng chủ yếu là các đèn phóng điện bức xạ theo mọi phương của không gian, diện tích của mặt bức xạ vào khoảng cm2.