Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 2

Chia sẻ: Dang The | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

130
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 2

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 độ nghịch đảo rất lớn.Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại laser rắn rất lớn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn chất khí nhiều tiêu hao do tán xạ lớn và hệ số phẩm chất của hốc cộng hưởng sẽ nhỏ. Điều này sẽ hạn chế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm. Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút. Trong laser rắn các hạt tương tác nhau các mức thường có độ rộng khá lớn nên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng , phổ tự nhiên vài chục A0 , phổ laser vài chục phần mười A0 . Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng các đèn chớp sáng. 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. Khi lợi dụng tính chất phản xạ toàn phần thì một đầu gương có dạng chóp với góc ϕ < 2arcos(1/n). Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là chất không tham gia trực tiếp vào quá trình bức xạ laser, nó 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. ϕ < 2arcos(1/n) Hình 2.1Các dạng thanh hoạt chất của laser rắn 1
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 laser. Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MoO4,, HF -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 ,với 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: Y3Al5O12 ( 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 Nd3+ λ= 1,06 μm Dyprozy Dy2+ λ= 2,36 μm Camri Sm2+ λ= 0,7 μm Ecoi Er2+ 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. Hiệu suất nguồn bơm ηb bằng tỉ sô giữa năng lượng bức xạ hoạt chất hấp thụ với công suất nguồn bơm. 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. G ¬ng b¸n G ¬ng ph¶n x¹ ph¶n x¹ 2
Hình 2.2 Các dạng bơm của laser rắn 2.1.2 Laser Rubi Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr3+ . 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 Cr3+ 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 Hình 2.3 Đồ thị mức năng lượng của Ion Cr3+ Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2. Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2. Trong đó 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 o K T= 300 o K R1 694,3 nm 693,4 nm R2 692,8 nm 692,0 nm Công suất laser Rubi đến vài chục wat, ở chế độ xung τx = 10 ms đến vài kW. Ở chế độ liên tục dù chỉ vài chục Wat, song công suất bơm cần đến 1 kW. Laser ru bi ngày nay ít đựoc sử dụng, mà thường được thay thế bởi Laser NdYAG hoặc Nd thuỷ tinh. Hiện Laser rubi chỉ còn dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc các ứng dụng cần bước sóng ngắn hơn laser Nd. 3
Sõ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby Dây dẫn điện Đèn Xenon Gương phản xạ 100% Gương phản xạ 95% Công tắc Bộ nguồn Mặt trụ nhôm Tinh thể Ruby phản xạ được đánh bóng Hình 2.4 Cấu tạo của laser Rubi 2.1.3 Laser NdYAG Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG. Trong laser Neodim-YAG, Y3+ được thay bởi Nd3+. Sự suy biến của các mức 4F và 4i là rất lớn, song dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F2 xuống 4I2 với bức xạ λ=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. 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 mhiều ưu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2. Trong lĩnh vực y tế đã sử dụng nhiều laser NdYAG với sợi quang trong phẫu thuật. Trong quân sự và nghiên cứu khoa học cũng sử dụng nhiều laser NdYAG. 4
4F7/2 4F5/2 4F3/2 730nm 800nm 4F11/2 4I9/2 Hình 2.4 Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd3+ 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh Các mức năng lượng dịch chuyển của Nd3+ trong laser thuỷ tinh gần giống với trong laser NdYAG và có bước sóng chủ yếu ở λ= 1054nm . Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn so với laser NdYAG 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 NdYAG. Mật độ môi chất Nd3+ 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. Laser Nd thuỷ tinh thường dùng trong các ứng dụng cần có xung ở tần số thấp như các bộ dò tìm mục tiêu trong quân sự và trong nghiên cứu khoa học.các hệ khuếch đại có năng lượng cao. 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. 5
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 không cần giải quyết vấn đề kín khí. - 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 không bị bong tróc gương trong môi trường chân không cao 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 điện chế hoặc 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. 2.2.2 Laser He Ne Laser khí đầu tiên được Lavan, Beneti, Heriot chế tạo 1961 và hiện được dùng rộng rãi nhất. Khi phóng điện cả Neon và Heli bị kích thích. Do 2 mức 21SO và 23S1 của He gần 3S2 và 2S2 của Ne xảy ra cộng hưởng do truyền kích thích, Sự tích lũy đó rất mạnh, song chỉ tạo ra độ tích lũy lớn nhất ở 2 mức 3S2 & 2 S2 của Ne trong 2 lớp 3S và 2S. Cả 4 bức xạ 632,8nm; 543nm; 1152nm; 3391nm đều tồn tại ở cùng một điều kiện phóng điện và cùng đặc trưng sự phụ thuộc công suất bức xạ vào các tham số phóng điện. Có thể chọn lựa một trong 4 bức xạ đó bằng cách chọn gương laser thích hợp hoặc dùng các phần tử hấp thụ chọn lọc thích hợp trong buồng cộng hưởng Nếu tăng dòng phóng điện làm tăng tích lũy mức laser dưới 1s và 2p làm giảm công suất laser. 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. 6
Dòng tối ưu 2 ÷ 20 mA, nếu dòng tăng thì mức tích lũy laser dưới tăng lên. Áp suất tối ưu 1 ÷ 2 mmHg , áp suất tăng làm giảm tốc độ điện tử. Đường kính ống to quá cũng làm giảm tốc độ thoát mức tích lũy dưới khi va chạm nguyên tử Ne với thành ống. 3S2 He 21S0 3391nm 3P 23S1 2S2 632,8nm , 543nm 2P 1152nm 1S 1S0 Hình 2.5 Sơ đồ các mức năng lượng của laser HeNe Công suất laser λ = 1,15 μm và 0,63 μm đạt 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. Hình 2.6 Laser HeNe 7
Với laser HeNe λ=633 nm , nếu chiều dài buồng cộng hưởng nhỏ hơn 130 mm khi đó khoảng cách giữa hai mốt là: ∆λ M = λ2 /2ne = λ = 2 6332 = 15,4.10-4 nm 6 2L 2.130.10 Khi đó có thể coi rằng trong phổ tần số chỉ còn một mốt duy nhất với độ rộng mốt ∆λ m = 1.10 -6 nm như trên hình 2.6 . Hình 2.6: Độ rộng phổ Đốp-le và khoảng cách mốt Nguyên lý cấu tạo của nguồn laser HeNe đo lường . Về mặt nguyên lý cấu tạo , thì nguồn phát laser HeNe dùng tromg đo lưòng cũng bao gồm các bộ phận chủ yếu như các laser khí thông thường là , hình 2.7. Buồng cộng hưởng mà trong đó chứa chất khí được gọi là môi trường laser P. Bộ phận bơm bằng phóng điện B. Hai gương phản xạ S1 , S2. Cửa sổ Brewster W Ngoài ra , do yêu cầu về độ đơn sắc và sự ổn định chiều dài sóng bức xạ mà các laser dùng trong đo lường còn có thêm hai bộ phận là : 8
-Phần điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng gồm có phôtô diôt PD , bộ xử lý điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng qua vành áp điện PTZ . -Phần hấp thụ chọn lọc sóng ánh sáng gồm buồng J hấp thụ I-ốt được làm nguội B S1 S2 W P W J Điều khiển áp suất & nhiệt độ PZT Làm nguội Cảm biến pha Khuyếch đại Photo diôt Hình 2.7 Sơ đồ nguyên tắc của laser với cửa sổ Brewster Trong buồng cộng hưởng người ta đặt 2 cửa sổ Brewster , nó chỉ cho phép thành phần phân cực ngang đi qua . Buồng hấp thụ bằng I2 127 bão hoà ( J ) , dạng hình trụ, sẽ hấp thụ chọn lọc. Bởi vậy , việc đảm bảo nhiệt độ và áp suất của hơi i-ốt bão hoà trong buồng hấp thụ ảnh hưởng rất lớn đến độ ổn định của tần số bức xạ của laser , nó gây nên sai số về sự thay đổi tần số cỡ 10 Khz / 10 C , còn sự thay đổi áp suất làm dịch đỉnh phổ của đường hấp thụ . Để điều chỉnh độ dài của buồng cộng hưởng , một phần chùm ra được đưa vào phôtô diốt để lấy ra tín hiệu kiểm tra tần số phát của laser so với chuẩn định vị trên đường hấp thụ của buồng i-ốt . Tín hiệu này được khuyếch đại và đưa đến bộ điều khiển áp điện PZT .Bộ điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng này điều chỉnh đến 2µm với sự biến đổi nhỏ tần số cỡ 2MHz / 1 nm sự thay đổi chiều dài buồng . 2.2.3 Laser CO2 Có mức dao động rất gần mưc cơ bản, các điện tử tham gia hầu hết vào quá trình kích thích làm tăng độ tích lũy mức laser trên nên có hiệu suất cao, tức là dùng mức năng lượng thấp của hạt, Phân tử CO2 có cấu trúc đối xứng tuyến tính với 3 bậc dao động tự do. 9
Hình 2.8 Các kiểu dao động của phân tử CO2 Dao động đối xứng v1 ( 1000) Dao động uốn v2. ( 0200 ) Dao động biến dạng không đối xứng v3 ( 0001 ) Trong phân tử CO2 có các chuyển dịch mạnh nhất: 0001 → 1000 & 0001 → 0201. Thường mức 0001 chọn làm mức laser trên và 1000, 0200 làm mức laser dưới. Dịch chuyển 0001 → 1000 cho bức xạ λ = 10,6 μm 0001 → 0201 cho bức xạ λ = 9,6 μm. Với hiệu suất lượng tử 40 % vớiλ = 10,6 μm và 45 % Với λ = 9,6 μm. Công suất laser CO2 đến 20 ÷ 30 %. Người ta cho thêm N2 và He làm tác nhân kích thích bơm. N2 CO2 001 v3 10600nm 9600nm 100 v2 020 v1 010 Hình 2.9 Sơ đồ các mức năng lượng của laser CO2 Để giảm sự thái hóa khí người ta cho khí luôn luân chuyên trong ống bằng bơm chân không và hệ thống nạp khí nên laser CO2 cồng kềnh, tiêu hao khí He. Laser CO2 là loại laser đạt được công suất đến hàng chục kW ở chế độ liên tục với hiệu suất đến 20 ÷ 30 % và là loại công suất lớn nhất hiện giờ. 10
Trong kĩ thuật thường dùng loại laser xung : 10-6 ÷10 -9 s với điện áp cỡ hàng trăm kV và dòng vài Ampe 2.3 Laser bán dẫn 2.3.1 Nguyên lý phát laser bán dẫn Laser bán dẫn là nguồn quang điện tử có hiệu suất và năng lượng laser cao, với kích thước khối nhỏ gọn, giá rẻ, thường được gọi là Diode laser và có nhiều triển vọng trong lĩnh vực đo lường. Cấu trúc năng lượng bán dẫn có bề rộng vùng cấm nhỏ chỉ khoảng 1eV . Sự dịch chuyển của điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo nên một cặp điện tử và lỗ trống. Sự kết hợp của điện tử và lỗ trống bức xạ ra một phô ton ánh sáng. Thêm các tạp chất vào vật liệu bán dẫn thuần có thể chế tạo hai loại bán dẫn, mà một loại có mật độ điên tử lớn gọi là loại n, một loại mà mật độ lỗ trống lớn gọi là loại p như hình 2.10. Dải dẫn Hình 2.10. Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn p&n Bán dẫn loại n số điện tử ở vùng dẫn rất nhiều, còn bán dẫn loại p số lỗ trống ở vùng hoá trị rất nhiều. Các loại bán dẫn thuần không thể tạo ra các điều kiện cần thiết cho việc phát ánh sáng hiệu quả . Trong thực tế người ta chế tạo laser bán dẫn với cấu trúc tạp chất khác nhau với tiếp giáp p-n. Ở lớp tiếp xúcượngcác điện tử và lỗ trống gần chỗ tiếp giáp có đủ năng Năng l p-n, điệế tử lượng để khun ch tán qua phíanghèo Ở đây chúng có thể kết hợp với phần Vùng bên kia. Vùng giàu tử mang điện ngược dấu. ệnộửlớp mới được ttử o ra mỗi bên của tiếp giáp, điện ạ đi M t t gọi là lớp trống không có phần tử mang điện tích tự do, hình thành một véc tơ điện thế ngang qua lớp trống từ phía n sang p. qV0 Chiều dài tinh thể 11 Vùng tập Vùng ít lỗ trung lỗ trống trống
Hình 2.11 : Sự tạo thành tiếp giáp p-n Nói cách khác, sự chuyển đổi các phần tử mang điện đa số qua lớp tiếp giáp bị chặn lại. Điều này duy trì cho tất cả các phần tử đa số dù cho chúng được sinh ra hoặc đưa vào do kích thích bằng nhiệt . Mặt khác các cặp điện tử và lỗ trống liên tục được sinh ra do nhiệt ở mỗi bên tiếp giáp. Các điện tử được tạo ra ở phía p là phần tử mang điện thiểu số sẽ bị kéo qua tiếp giáp tới phía n nhờ véc tơ điện thế. Tương tự như vậy đối với lỗ thiểu số ở phía n. Điều này dẫn đến trạng thái cân bằng ở nơi mà số điện tử khuếch tán qua từ n-p cân bằng với lỗ trống từ p sang n, kết quả cuối cùng không có dòng điện chảy qua tiếp giáp. Độ lớn của điện thế cân bằng qua tiếp giáp là V0. Khi đặt một điện áp phân cực thuận lên tiếp giáp p-n. Cả hai loại phần tử mang điện đa số đi qua lớp tiếp giáp vì hàng rào năng lượng giảm.Dòng này gọi là dòng phun. Ở chỗ tiếp giáp các phần tử mang điện có thể kết hợp lại với các phần tử mang điện trái dấu và dẫn đến phát xạ tự phát. Bước sóng dài nhất có thể phát ra tương ứng với một điện tử rơi từ đáy vùng dẫn tới đỉnh vùng hoá trị được cho bởi : λc = he/WG Ở đây WG là năng lượng của vùng trống. Bước sóng càng ngắn được phát ra khi điện tử rơi từ trạng thái năng lượng càng cao trong vùng dẫn . Trong loại diode tiếp giáp p-n bình thường phát xạ tự phát là chủ yếu nên tạo nên diode phát quang LED. Khi có buồng cộng hưởng quang thì phát xạ kích thích là chủ yếu và tạo nên diode laser . 2.3.2 Laser diode Laser diode đầu tiên bao gồm một đơn tinh thể của Ga –As, kích thích theo dạng tiếp giáp p-n và được đặt một điện thế ban đầu. 12
Hình 2.12. Cấu trúc đơn giản của diode laser tiếp giáp đơn Tạo phân bố đảo và tăng khả năng tái hợp lại, khoảng 1mm độ rộng gọi là vùng hoạt động laser, điều quan trọng ở đây là mật độ dòng cao hàng trăm ampe trên mối mm2. Khởi đầu cho sự phát laser được đặc trưng bởi dòng phun gọi là dòng ngưỡng, dưới dòng ngưỡng Ith này, sự phát xạ ánh sáng là tự phát và không kết hợp. Ở hai đầu của diode được đánh bóng tạo buồng cộng hưởng quang, các cạnh bên được làm nhám để tán xạ ánh sáng, hình 2.12. Để hoạt động có hiệu quả cải tiến hiệu suất của diode laser bắng cách thay đổi cấu trúc lớp tiếp giáp đơn đơn giản. Quanh lớp hoạt động với vùng có hệ số khúc xạ thấp hơn chính lớp hoạt động sự phát xạ laser bị hạn chế theo chiều ngang trong vùng tiếp giáp hẹp này. ở đây nó có thể kích thích nhiều photon hơn, Đây là một loại hiệu quả dẫn sáng, cấu trúc tiếp giáp đơn như vậy có thể tạo ra các xung laser ngắn với năng lượng cao tới vài Wat đối với dòng phun trong khoảng 1-40 A. Cải tiến hơn nữa là diode tiếp giáp kép khác nhau DH, giảm vùng hoạt động xuống, bằng cách kẹp giữa một lớp kép mang dòng ngưỡng xuống tới hàng trăm mA và cho phép hoạt động cả ở hai mode liên tục xung. Cải tiến này cho chất lượng chùm tia laser dẫn mà chùm của nó bị giới hạn theo cả phương dọc lẫn phương ngang do các lớp có hệ số khúc xạ khác nhau các laser dẫn (laser sọc) đạt đợc hiệu xuất tương tự do hạn chế dòng chảy qua diode, do đó sự phát ánh sáng theo một đường sọc ở tâm. Dòng phát thấp hơn vài chục mA, đèn hoạt động kéo dài. Ngược với loại này là hàng trăm A cần cho hoạt động của diode đơn gốc . 13
Hình 2.13. SH,DH diode laser cấu trúc sọc Các diode có bước sóng phát xạ gần tia hồng ngoại đặc biệt là 820 nm, 850 nm 904 nm, 1.3 µm, 1.5 µm .Các bước sóng khác nhau do sử dụng vật liệu bán dẫn hợp chất khác nhau như Gax, Al1-x , As và thay đổi nồng độ kích thích do tỷ lệ Ga:Al. Dịch chuyển quang học xẩy ra do các dải năng lượng rộng, độ rộng đường của tia sáng phát ra lớn hơn các laser khác và điển hình từ 5-10 nm .Buồng cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn 500 µm ,đưa khoảng cách mode dọc tới vài trăn GHz và vì vậy chiều dài kết hợp giảm xuông vài mm. Vì bức xạ laser được phát xạ từ một vùng hoạt động nhỏ gọn , nhiễu xạ gây ra sự phân kỳ cao, tia ra có dạng elip. Nguồn nuôi cho diot laser Laser bán dẫn có đặc điểm là công suất và phổ phát xạ phụ thuộc vào dòng nuôi. Bởi vậy , việc ổn định dòng nuôi đó là hết sức quan trọng. Trên hình 2.14, là một mạch nguồn điển hình. Dòng không đổi nhận được bởi sự thay thế một diode zener vào chỗ của trở kháng, thường giữa nền và đất. Dòng đi qua laser diode được cho bởi: I0=VI - VBE/RE VI : là điện áp phá hỏng của diode zener : điện áp Bazer- Emiter VBE : trở kháng Emiter. RE 14
Hình2. 14. Mạch nuôi điển hình cho diode laser. 2.3.3 Laser bán dẫn đơn mốt. Laser bán dẫn tuy có buồng cộng hưởng rất ngắn cỡ 1mm,song do cấu trúc tinh thể bán dẫn vẫn còn có các mốt bên ngoài mốt chính.Để có được laser đơn mốt phải đạt được tỷ lệ nén biên độ giữa mốt chính và các mốt bên rất lớn , khi đó trong tia laser hầu như chỉ tồn tại một mốt dọc chính.Khoảng cách giữa các mốt kề nhau : δλ = λm- λm+1 = λm2 / 2nL Trong đó : n là chiết suất nhóm , khi L=200÷ 400 µm thì δλ = 0,5÷ 1nm. Trong các laser diode thường dạng tiếp xúc sọc , dòng điện ngưỡng khá lớn và thường không dưới 120mA. Để giảm dòng điện ngưỡng và hoạt động dưới chế độ đơn mốt , người ta sử dụng cấu trúc dị thể chôn BH(Buried heterostructure)trong cấu trúc này, dòng điện qua điốt được hướng chảy vào vùng hoạt tính giống như một cái giếng đặt sẵn ,hình 2.15. Các tiếp giáp dị thể ở hai cạhn của vùng hoạt tính có tác dụng giam hạt đa ssố , nó đạt được mật độ dòng phóng rất cao vì bề rộng vùng hoạt tính có thể rất hỏ cỡ 2µm hoặc nhỏ hơn. Các tiếp giáp dị thể cũng tạo ra một ống dẫn quang hẹp nên 15
laser thường hoạt động ở chế độ mốt đơn . Dòng điện ngưỡng của loại laser điốt BH chỉ cỡ 30mA. Để tăng độ đơn sắc người ta còn sử dụng hai nguyên tắc chọn lọc mốt và nén các mốt bên là laser DFB và laser DBR. Hình 2.15 Laser lớp dị thể chôn Laser diốt DFB (Distributed Feedback): nguyên lý hoạt động của laser DFB là sử dụng hiện tượng phản xạ Bragg vaò mục đích nén các mốt bên và chọn lọc tần số . Trong thiết bị này buồng cộng hưởng Fabry –Pero được thay thế bằng cách tử nhiễu xạ ,hình 2.16. Sóng quang lan truyền song song với cách tử , do cách tử có cấu trúc tuần hoàn chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa gữa hai sóng ghép lan truyền ngựơc nhau . Để hiện tượng giao thoa sóng xảy ra thì sau một chu kỳ của cách tử pha , sóng phải thay đổi 2πm , trong dó m là số nguyên , được gọi là bậc nhiễu xạ Bragg: 2πm = 4πln/λB trong đó : n là chiết suất hiệu dụng của mốt ( n≈ 3,4 đối với bước sóng 1,55µm của InGaAsP laser ; l là chu kỳ của cách tử ; Nếu điều khiện trên không được thoả mãn thì ánh sáng tán xạ từ cách tử sẽ giao thoa triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là sóng không thể lan truyền đi 16
được.Khi m=1 thì bước sóng λB được gọi là bước sóng Bragg bậc một và λB =2ln Hình 2.16 Laeser DFB Laser điôt DBR(Distributed Reflector): Một dạng biến thể của laser DFB là laser phản xạ phân tán Bragg DBR.Trong laser này , các cách tử chiều dài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số ,thay cho buồng cộng hưởng Fabry-Perot,hình 2.17. Hình 2.17 Laser DBR Cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính có tác dụng như hai gương phản xạ với các bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ.Như vậy dù có nhiều mốt trong vùng hoạt tính , nhưng chỉ có một bước sóng được phản xạ trở lại và được khuyếch đại . Hai loại laser DFB và DBR có hệ số nén môt rất cao , trên thị trường hiện nay tỷ số nén mốt này có thể đạt tới 30 đến 35 dB. Dòng điện ngưỡng của cả hai loại điốt này chỉ cỡ 20mA và độ rộng vạch phổ nhỏ hơn 0,5nm . Do các laser điốt này sử dụng các cách tử để chọn lọc một bước sóng nào đó , nên khi nhiệt độ của laser biến thiên sẽ làm các cách tử giãn ra hoặc co lại , dẫn đến bước sóng chọn lọc bị thay đổi. Để ổ định nhiệt độ của laser người ta dùng các bộ điều khiển nhiệt độ bằng bộ làm lạnh bán dẫn Peltier hoặc pin Vantre. 17
Hình 2.18 Laser diot Cau 16 4.1.4 Phương pháp đo dộ dài bằng giao thoa kế laser với nguồn laser hai tần số. Để xác định hướng dịch chuyển của gương động trong phương pháp đo theo tần số, trên sơ đồ ở hình 4.12 sử dụng nguồn phát laser có hai t ần s ố f 1 và f2 . Hai tần số này khác nhau khoảng từ vài đến vài chục MHz và có sự phân cực vuông góc nhau. Tấm chia chùm phân cực sẽ tách hai tia có tần số khác nhau đó thành tia đo có tần số f 1 và Gt chuẩn có tần số f 2 do sự khác nhau về tia hướng phân cực của chúng. Chùm có tần số f2 truyền theo hướng gương cố V định để làm chùm tia chuẩn, còn chùm tia với tần số f 1 truyền đến gương đo. f2 CP cảm Nếu cho hai chùm tia này giao thoa nhau ta nh ận trênf 1±f 1bi ến quang đi ện ∆ f &f Cb2 cường độ sáng là 1 2 cp I = I1Nguån Laser1/2 sin 2π∆ f.t f1 + I2 +2(I1I2) G® f 2- f 1±f 1 ∆ f 2- f 1 Cb1 Cb2 18 Hình 4.12 Sơ đồ giao thoa kế đo bằng laser hai tần số.
Khi gương động Gđ dịch chuyển thì tần số của tia phản xạ f 1 thay đổi một lượng ± ∆ f1, còn tần số phách giao thoa nhận được là f 2-(f1 ± ∆ f1). Khi đó cường độ sáng trên cảm biến Cb2 sẽ biến đổi là: I = I1+ I2 +2(I1I2) 1/2 sin [2π(∆ f ± ∆ f1)t ] Ngoài ra, một tín hiệu chuẩn được lấy từ tấm chia chùm cp đặt ngay sau nguồn laser bằng cảm biến Cb1 với tần số phách ∆ f . Tín hiệu đo ∆ f ± ∆ f1 và tín hiệu chuẩn ∆ f được đưa vào bộ xử lý đếm tần số. Vận tốc dịch chuyển gương động Gđ V=c∆ f1 /2nf1 Độ lớn của độ dài đo x = V.t = c∆ f1.t / 2nf1 Khi đo theo vi phân quãng đường dịch chuyển thì ∑ c∆ f1i.∆ ti / 2nf1 x= Dấu của thành phần ± ∆ f1 cho biết chiều biến đổi kích thước đo: - Dấu cộng tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động lại gần tấm phân chùm CP làm giảm hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa. - Dấu trừ tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động đi xa t ấm phân chùm CP làm tăng hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa. Việc xác định dấu dịch chuyển này thực hiện thông qua sự biến đổi của giá trị tuyệt đối của sự biến thiên tần số ∆ f ± ∆ f1. 19
Sơ đồ giao thoa kế đo theo nguyên lý dùng nguồn laser hai t ần s ố có đ ộ nhạy thấp hơn khi dùng nguồn laser một tần số song nó cho phép nâng cao tốc độ dịch chuyển của đầu đo, giảm ảnh hưởng của rung động và sự biến động của cường độ sáng của ảnh giao thoa. Sơ đồ nguyên lý này hiện đang được sử dụng nhiều trong các máy đo dùng trong công nghiệp. 20