CÁC LOẠI LASER KHÁC NHAU

Chia sẻ: Dao Van Hoat | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

218
lượt xem 55
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay có rất nhiều loại laser có những khả năng khá đa dạng, thực tế là bao trùm toàn bộ phổ từ vùng hồng ngoại xa đến vùng tử ngoại. Các nhà vật lý quang học quang phổ còn có thể sử dụng các yếu tố phi tuyến phối hợp với các laser đủ mạnh để tạo ra được các bức xạ nhân tần số (có tần số gấp đôi hay gấp 3…) hay tạo bức xạ phát thông số với hiệu suất chuyển đổi cao và không làm giảm chất lượng kết hợp không gian của chùm tia laser. Người ta cũng còn...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: CÁC LOẠI LASER KHÁC NHAU

Nhóm 4: 1. Đào Văn Hoạt 2. Phan Văn Hóa 3. Phan Tuấn Hùng CÁC LOẠI LASER KHÁC NHAU Hiện nay có rất nhiều loại laser có những khả năng khá đa dạng, thực tế là bao trùm toàn bộ phổ từ vùng hồng ngoại xa đến vùng tử ngoại. Các nhà vật lý quang học quang phổ còn có thể sử dụng các yếu tố phi tuyến phối hợp với các laser đủ mạnh để tạo ra được các bức xạ nhân tần số (có tần số gấp đôi hay gấp 3…) hay tạo bức xạ phát thông số với hiệu suất chuyển đổi cao và không làm giảm chất lượng kết hợp không gian của chùm tia laser. Người ta cũng còn có khả năng làm dịch chuyển tần số về phía sóng dài hay sóng ngắn hơn (Hiệu ứng Raman cưỡng bức, hiệu ứng Brillouin). I – Laser He-Ne (Hê-li – Nê-ông). Laser He-Ne là laser khí đầu tiên trong lịch sử. Bức xạ laser xảy ra do dịch chuy ển giữa các mức năng lượng của nguyên tử Ne trung hòa. Ngoài khí Ne, môi trường hoạt chất của laser còn chứa khí Heli. Hỗn hợp có áp suất khoảng một vài mmHg, áp suất riêng phần của Heli cao gấp khoảng 5-10 lần áp suất Neon. Laser He-Ne được kích thích bằng sự phóng điện dòng một chiều. Hình 1 trình bày các chuyển dời trong laser He-Ne. Các đường nét đứt thể hiện các chuyền dời kích thích và hồi phục, đường nét thể hiện các chuyển dời quang học, đường chấm chấm thể hiện sự phục hồi do va chạm với thành ống, các mũi tên cong thể hiện s ự truyền năng lượng cộng hưởng từ He sang Ne. Các dải năng lượng của nguyên tử Ne tương ứng với các cấu hình điện tử nhất đ ịnh. Trong hình vẽ sử dụng ký hiệu Paschen: Dải Cấu hình 2p53s 1s 2p54s 1s 2p55s 3s 2p53p 2p 2p54p 3p Mỗi dải s gồm 4 mức, mỗi dải p gồm 10 mức. Các dải 3s và 2s đóng vai trò mức laser trên, các dải 3p và 2p đóng vai trò mức laser dưới. Các chuyển dời laser chủ yếu là: 3s-> 3p (3.39µm), 2s -> 2p (1.15µm), 3s->2p (0.6328µm) và chuyển dời 3s2->2p (0.543nm). Sự nghịch đảo độ tích lũy của laser He-Ne xảy ra do tốc độ tích lũy của mức trên cao hơn nhiều tốc độ tích lũy của mức dưới. Các nguyên tử Ne được kích thích lên các mức laser trên nhờ quá trình truyền năng lượng cộng hưởng khi va chạm không đàn hồi với các nguyên tử He ở trạng thái kích thích: Nếu va chạm với nguyên tử He ở trạng thái 21S0, nguyên tử Ne nhảy lên dải 3s. Nếu va chạm với nguyên tử He ở trạng thái 23S1, nguyên tử Ne sẽ nhảy lên dải 2s. Với ba điều kiện làm quá trình truyền năng lượng kích thích từ nguyên tử He cho nguyên tử Ne xảy ra hiệu quả: i) Sự gần nhau giữa các mức năng lượng tương ứng của He và Ne ii) Sự siêu bền của các mức 21S0 và 23S1
iii) Áp suất cao hơn của He so với Ne. Do vậy sự truyền năng lượng ngược trở lại từ Ne tới He là rất nhỏ. Do các chuyển dời tự động tử các mức laser trên (dải 3p và 2p) xuống mức dưới là bị cấm trong gần đúng lưỡng cực, sự phục hồi để khử tích lũy của mức laser dưới (1S) nhờ vào sự dịch chuyển tự phát và sự va chạm của Ne với thành ống. Do đó các laser He-Ne có công suất phát lớn thì hay cần có đường kính ống phóng điện rất nhỏ (mao dẫn). Hình 1. Các chuyển dời trong laser He-Ne. Môi trường laser bao gồm hỗn hợp khí nguyên tử He và Ne ở áp suất toàn phần thấp (một – vài chục Torr). Các dịch chuyển quang học cho bức xạ laser xảy ra trong các nguyển tử Ne. Khí He làm vai trò khí đệm, tiếp nhận năng lượng kích thích do quá trình phóng điện trong ống laser và truyền năng lượng kích thích này cho các nguyên tử khí Ne đang ở trạng thái cơ bản nhờ va chạm không đàn hồi. Sự trao đổi năng lượng thực hiện giữa mức siêu bền 21S của He với mức 3s của Nê-ông. Sự dích chuyển từ 3s xuống các mức của 2p có thể cho các bức xạ ở bước sóng 6328, 6320, 5941 và 5435Ȧ (s ự dịch chuyển từ 3s xuống 3p cho bức xạ 3,39 µm). Công suất bức xạ với các vạch trong vùng khả kiến thường là nhỏ từ 1 đến 10 mW ở chế độ liên tục; nếu người ta tăng dòng phóng điện hay áp suất của khí thì sẽ xuất hiện các cơ chế phá hủy mức siêu bền. Laser này có thể hoạt động ở chế độ đa mode; đó là trường hợp các laser thường thấy với giá thành khoảng dưới 1000 USD. Nó có thể hoạt động ở chế độ đơn mode để thu được tần số khá ổn định. Sự chuyển cộng hưởng năng lượng là rất đặc biệt trong trường hợp He-Ne. Theo các điều kiện phóng điện, một trong các cơ chế chuyển có thể là rất dễ dàng và ta thu được các phát xạ hoặc ở 1,14 µm hoặc ở 0,632 µm và 3,39 µm.
II – Laser khí cac-bô-nic Môi trường laser thường là hỗn hợp phân tử khí các-bô-nic và khí Nitơ. Các dịch chuyển quang học cho bức xạ laser xảy ra trong các phân tử khí các-bô-nic. Phân tử khí Ni được sử dụng để tăng cường khả năng kích thích phân tử các-bô-nic. Trạng thái điện tử cơ bản của phân tử khí cac-bô-nic gồm nhiều mode dao động liên kết với chuyển động quay thành một số lớn mức dao động quay thành một số mức dao động quay. Toàn bộ các mức tương ứng với một mode dao động nào đó có thể được tích lũy bởi một quá trình truyền năng lượng giữa phân tử khí Ni được kích thích do dao động với phân tử khí cac-bô-nic ở trạng thái cơ bản: Khi phóng điện huỳnh quang trong Ni-tơ tỷ lệ sản sinh ra đặc biệt cao do kết quả của cơ chế: =>Môi trường laser sẽ là một hỗn hợp Ni-tơ – khí cac-bô-nic; và bức xạ laser sẽ thực hiện trên một số dịch chuyển nào đó xuất phát từ các trạng thái quay khác nhau của mức 0001. Các bức xạ laser có thể bao phủ khá rộng từ 9,1 đếm 10,7 µm, nghĩa là trong hồng ngoại với một hiệu suất biến đổi năng lượng cực kỳ cao đối với một laser, từ vài phần trăm đến vài chục phần trăm.Việc dùng khí CO2 từ các đồng vị khác nhau của C và của O cho phép tăng số dịch chuyển có thể sử dụng trong vùng hồng ngoại. Các tâm hoạt chất là các phân tử CO2, bức xạ xảy ra do các chuyển dời giữa các mức dao động – quay ở trạng thái điện tử cơ bản của phân tử CO 2. Laser CO2 có thể cho công suất cao tới 10kW hoặc hơn trong chế độ liên tục và có hiệu suất khá cao (tới 40- 60%). Môi trường hoạt chất của loại này thường là hỗn hợp của một số thành ph ần: Khí CO2, N2, và một số khí khác như He, hơi nước… Vai trò của phân tử khí phụ, nó truyền cộng hưởng năng lượng kích thích của nó cho phân tử CO2. Tạo sự đảo mật độ trong laser CO2: Phân tử CO2 có 4 bậc dao động tự do ứng với 3 kiểu dao động: Kiểu đối xứng, kểu biến dạng và kiểu bất đối xứng. Các trạng thái dao động của phân tử CO 2 được biểu diễn bằng tập hợp ba số lượng tử v1, v2, v3 tương ứng bằng hệ số kích thích của các kiểu dao động trên. Cơ chế tạo thành sự đảo mật độ được biểu diễn trên hình 2. Mức laser trên là (001), các mức (020) và (100) là các mức laser dưới. Các chuyển dời laser (001)->(100) cho bức xạ 10,4µm và chuyển dời (001)->(020) cho bức xạ 9,4µm. Các kích thích mức (001) xảy ra do va chạm không đàn hồi của phân tử CO 2 với các điện tử (kích thích điện tử) và sự truyền năng lượng cộng hưởng cho chúng từ các phân tử N2 đã được kích thích.
Hình 2. Cơ chế hoạt động và các chuyển dời của laser phân tử CO2 Sự phục hồi của các mức (020) và (100) chủ yếu diễn ra do sự truyền năng lượng cộng hưởng tới các phân tử CO2 chưa được kích thích. Điều này dẫn tới tích lũy các phân tử CO2 trên mức (010) (ký hiệu r). Cơ chế hồi phục chính đối với mức (010) là truy ền năng lượng (bằng va chạm không đàn hồi) cho các phân tử H2O hoặc nguyên tử He (ký hiệu g). Quá trình đảo lộn mật độ vừa mô tả ở trên vẫn còn có hiệu quả ngay cả ở áp suất cao, như vậy có khả năng có được một số lớn phân tử nên laser có thể bức xạ một công suất lớn. Người ta có thể thực hiện những laser bức xạ nhiều kW ở chế độ lên tục, dùng trong công nghiệp. Khi áp suất khí cac-bô-nic cao, các mức khác nhau bị mở r ộng nên bức xạ của laser có thể liên tục được điều chỉnh trong vùng phổ rộng đã nói ở trên. Cần thiết phải đảm bảo tỷ số E/P (E là cường độ trường trong cột phóng điện dương và P là áp suất của của hỗn hợp khí) sao cho tiết diện kích thích điện tử của N2 và mức (001) của CO2 là lớn nhất, còn tiết diện kích thích các mức (100), (020) và (010) của CO2 là nhỏ. Việc đưa vào laser CO2 khí Nitơ và một số khí khác cũng như việc chọn tối ưu tỷ số E/P là những vấn đề thực tiễn quan trọng trong mỗi laser để đảm bảo cho laser hoạt động tốt nhất. Laser CO2 được kích thích bằng phương pháp phóng điện xung hay liên tục. Các laser CO2 sử dụng sự phóng điện trong hỗn hợp CO2 + N2 là khá phổ biến, thay vì sự phóng điện chỉ trong thể tích chứa khí N2 như trước đây. Trong cả hau sơ đồ dưới, hỗn hợp khí hoặc mỗi chất khí được bơm theo chu trình, khí này cho phép tránh được những thay đổi không mong muốn trong thành phần hóa học của hỗn hợp khí. Hiện nay, các laser CO2 đóng kín có năng lượng và tuổi thọ cao là phổ biến.
Hình 3. Vài cấu trúc ống phóng điện của laser CO2 III – Các loại laser liên quan đến quá trình va chạm Sự đảo lộn độ tích lũy trong hệ các mức nguyên tử hay phân tử là kết quả của quá trình kích thích do va chạm Sự phóng điện trong chất khí là một hiện tượng phức tạp ở đó xảy ra sự cạnh tranh giữa nhiều cơ chế: Kích thích, ion hóa, tái tổ hợp điện tử - ion trao đổi điện tích… Thực nghiệm cho thấy trong một số điều kiện nào đó, một kiểu riêng để tạo nguyên tử ở trạng thái kích thích có thể trở thành chiếm ưu thế và một sự đảo lộn độ tích lũy có thể xảy ra. Phản ứng ion hóa Penning: Sự phóng điện trong một hỗn hợp A, B trong đó B là một khí hiếm, tạo ra một lượng lớn trạng thái siêu bền B* của khí hiếm nê ta có: i-ông A* có thể ở trạng thái kích thích và dưới đây là các loại laser liên quan đ ến quá trình va chạm như vậy: 1. Laser Ar-gông (hay Kryp-tông) ion hóa Hình thành sự đảo mật độ trong laser ion Argon: Hình 4 trình bày những chuyển dời quan trọng trong hoạt động laser và s ự hình thành nghịch đảo độ tích lũy trong laser ion Ar +. Các đường nét đứt ứng với các dịch chuyển kích thích điện tử, đường nét liền ứng với các chuyển dời quang học. Nhóm mức có cấu hình điện tử 3p44s tương ứng với các mức laser dưới (mức 4s). Nhóm mức có cấu hình 3p44p tương ứng với các mức laser trên (mức 4p). Nhóm mức có cấu hình 3p 43p ứng với các mức cơ bản (mức 3p). Các chuyển dời 4p->4s cho xuất hiện 8 vạch (0,455; 0466; 0,473; 0,488; 0,497; 0,502µm và 0,515µm), trong đó các vạch màu lục (0,488µm) và màu lam (0,515µm) có độ chói cao nhất (cường độ tương đối lần lượt là 45% và 35%). Mức laser trên được kích thích nhờ các quá trình sau: (a) chuyển dời 3p->4d->4p; (b) chuyển dời 3p->3d->4p; (c) chuyển dời 3p->4p
Hình 4. Các chuyển dời quang học trong laser ion Ar+ Tốc độ kích thích điện tử F(4p) của mức laser trên nhỏ hơn tốc độ kích thích điện tử F(4s) của mức laser dưới (F(4s)/F(4p)~2). Tuy nhiên sự đảo mật độ được hình thành chủ yếu bởi tốc độ hồi phục ® của mức dưới nhanh hơn nhiều mức trên (R(4s)/R(4p)~10). Hơn nữa chuyển dời 4p->3p bị cấm trong gần đúng lưỡng cực và các laser đều nằm khá cao so với mức cơ bản. Như vậy sự đảo mật độ tích lũy ở đây xảy ra chủ yếu do sự hồi phục nhanh của mức laser dưới. Một sự phóng điện liên tục khá mạnh (khoảng 20A dưới thế hiệu 500V) được tạo ra trong một ống dài 1m có đường kính vài mm. Để giữ gìn về mặt cơ học và điện học của ống, việc đưa ra khỏi ống hàng chục ki-lô watt nhiệt tỏa ra đặt ra nhiều vấn đ ề công nghệ khó khăn đã được các nhà chế tạo giải quyết một cách khác nhau. Các laser này cho phép thu một công suất toàn phần liên tục vào khoảng 10 watt phân bố trên nhiều dịch chuyển. Trong các laser thương mại bức xạ là đa mode với độ định hướng của chùm tia khá tốt, loại laser này là công cụ rất phổ biến, công suất liên tục của laser và chất lượng kết hợp tốt đảm bảo cho nó có nhiều ứng dụng. Trong quang phổ nguyên tử và phân tử, các laser này còn là nguồn bơm quang học cho các laser màu liên tục. 2. Laser hơi đồng (Cu) Đây là loại laser phóng điện trong khí nguyên tử. Một xung phóng điện được sử dụng để bốc bay hơn đồng và tạo độ nghịch đảo, nó hoạt động dựa trên các dịch chuy ển t ự dừng.
Hình 5. Những chuyển dời quan trọng trong laser hơi đồng Sơ đồ mức năng lượng của nguyên tử Cu cho hoạt đ ộng laser đ ược trình bày ở trên, các đường gián đoạn chỉ các dịch chuyển của kích thích điện tử và các đ ường nét liền chỉ các dịch chuyển quang học của laser (0.51 µm và 0.58µm). Mức laser trên (các mức năng lượng nguyên tử 2P1/2 và 2P3/2) là mức năng lượng cộng hưởng đầu tiên của nguyên tử đồng. Các mức laser dưới (2D3/2 và 2D5/2) là các mức siêu bền. Dịch chuyển giữa các mức này với mức cơ bản (2S1/2) là bị cấm về quang học. Xác suất của kích thích điện tử đối với các mức cấm chuyển dời quang học là thấp hơn rất nhiều so với các mức được phép chuyển dời quang học. Kết quả là các điện tử trong plasma phóng điện khí sẽ kích thích hiệu quả các mức laser trên của nguyên tử hơi đồng và thực tế là không kích thích các mức laser dưới. Do đó sự nghịch đảo độ tích lũy có thể xảy ra ngay lúc bắt đầu xung kích. Loại này hiện nay có những khả năng lý thú: bức xạ ở bước sóng 5106 A 0, phát xung với công suất tức thời đến 100kW và công suất trung bình là 10W. Sự phóng điện xảy ra trong một ha-lô-gê-nua Đồng có áp suất hơi tạm đủ ở một nhiệt độ vừa phải phù hợp với một công nghệ đơn giản; sự phân ly ha-lô-gê-nua cho các nguyên tử đồng và sau đó các nguyên tử này được kích thích ở giai đoạn tiếp theo. 3. Laser hơi kim loại Laser hơi kim loại là loại laser khí có môi trường hoạt tính là hơi kim loại gồm 2 loại : laser notron hơi kim loại và laser ion notron hơi kim loại. Dưới đây là bảng ví dụ về những laser hơi kim loại:
Laser gain Operation Bơm medium and Applications and notes wavelength(s) type Printing and typesetting Helium- applications, fluorescence excitation cadmium 441.563 nm, 325 examination (ie. in U.S. paper (HeCd) metal- nm currency printing), scientific vapor laser research. Phóng điện vào Helium- hơi kim loại mercury Rare, scientific research, amateur 567 nm, 615 nm trộn lẫn với khí laser construction. (HeHg) metal- đệm là Helium vapor laser Helium- up to 24 selenium wavelengths Rare, scientific research, amateur (HeSe) metal- between red and laser construction. vapor laser UV Copper vapor Dermatological uses, high speed 510.6 nm, 578.2 nm laser photography, pump for dye lasers. Phóng điện Gold vapor Rare, dermatological and 627 nm laser photodynamic therapy uses. Cơ chế tạo mật độ đảo lộn của laser hơi kim loại.  Cơ chế tạo mật độ đảo lộn trong laser khí
- Trong laser khí bơm chủ yếu được thực hiện bằng dòng phóng điện khí, đ ược th ực hiên chủ yếu bằng một trong hai quá trình sau đây: + Khí đơn chất: nguyên tử chỉ có thể được kích thích bằng va chạm điện tử, tức là bằng quá trình: + A →A* + e Trong đó A: nguyên tử ở trạng thái cơ bản A* : và trạng thái kích thích tương ứng. + Quá trình trên được gọi là quá trình va chạm không đàn hồi loại 1 - Trong trường hơp khí gồm 2 thành phần thì kích thích nguyên tử chủ yếu bằng va chạm không đàn hồi loại 2 giữa các hạt khí A + B* →A* + B + ∆ E Trong đó A, B: nguyên tử ở ttrạng thái cơ bản A*,B*: nguyên tử ở trạng thái kích thích. - Khi va chạm, năng lượng kích thích của nguyên tử B * sẽ được truyền sang nguyên tử A, làm nguyên tử A từ trạng thái cơ bản sẽ chuyển lên trạng thái kích thích A*. - Trong phần lớn laser hơi kim loại, bơm được thực hiên bằng quá trình chuyển điện tích M + B+ →(M+)* + B + ∆ E Tức là: nguyên tử M ở trạng thái cơ bản khi va chạm với ion của nguyên tử B + sẽ truyền điện tích cho ion nguyên tử B+ chuyển thành ion (M+)* ở trạng thái kích thích, và ion B+ trở thành nguyên tử B và chuyển về trạng thái cơ bản. (∆ E: biến đổi nội năng của hệ.) - Ion hoá Penning : M + Bm → (M+)* + B + Tức là: ion Bm ở trạng thái siêu bền va chạm với nguyên tử M sẽ làm ion hoá nguyên tử M làm cho nguyên tử M mất e trở thành ion ở trạng thái kích thích, và B m trở về nguyên tử ở trạng thái cơ bản. - Quá trình ion hoá Penning chỉ xảy ra trong trường hợp " năng l ượng kích thích c ủa nguyên tử Bm lớn hơn hay bằng năng lượng ion hoá nguyên tử M.
Ví dụ: khảo sát sơ đồ mức năng lượng của laser hơi kim loại He-Se Ta thấy: năng lượng mức laser trên của ion Se + khoảng 25eV, lớn hơn năng lượng của các mức siêu bền của He (24,58eV) ⇒ để tạo tích tụ laser trên chỉ có thể thực hiện bằng chuyển điện tích. Ví dụ: khảo sát sơ đồ mức năng lượng của laser hơi kim loại He-Cd Ta thấy : mức năng lượng của He* cao hơn các mức năng lượng kích thích của ion Cd+ ⇒ Bơm trong laser He-Cd chủ yếu bằng va chạm ion hoá penning. He* + Cd → He + Cd+ + e- Loại môi trường laser này có một tương lai hứa hẹn trên những dịch chuy ển c ủa các nguyên tử kim loại khác nhau trung hòa hay i-ông hóa; các nguyên tử kim loại có thể thu được bằng những quá trình khác nhau: - Sự phân ly các hợp chất kim loại trong một vài trường hợp trực tiếp cho kim loại ở trạng thái kích thích.
Sự bốc hơi của kim loại từ âm cực khi va chạm với các hạt mang điện do phóng - điện gây ra (“âm cực rỗng”). Đặc biệt người ta hy vọng thu được các nguồn liên tục có công suất trung bình(0,1W) với giá thành không quá cao, sử dụng tốt và có nhiều ứng dụng quan trọng. 4. Laser Ni-tơ Đó là một loại laser đơn giản dễ chế tọa được trong phòng thí nghiệm. Bức xạ laser dạng xung có thể thu được trong ống phóng điện không cần có buồng cộng hưởng. Bức xạ xảy ra trên dải của phân tử Ni-tơ ở lân cận bước sóng 3371 Ȧ. Khi có một xung điện mạnh và nhanh (sườn xung lên
Hình 6. Những chuyển dời quang học trong laser phân tử khí Nitơ Cần chú tới thời gian sống của phân tử Nitơ ở trạng thái điện tử C3πu đối với quá trình trạng thái điện tử B3πg – gọi là τ32 – chỉ là 40ns, và τ31 đối với trạng thái X1∑g là khoảng 1ms, tương ứng. Trong khi đó, thời gian sống của phân tử nitơ ở trạng thái điện tử B3πg đối với trạng thái cơ bản X1∑g, gọi là τ21, là 8-10µs. Do vậy độ nghịch đảo tích lũy giữa hai trạng thái (3) và (2), xung bơm phóng điện không chỉ có cường độ đủ mạnh mà còn phải rất nhanh. Thực tế, điều này yêu cầu một độ tự cảm rất nhỏ trong các mạch tích và phóng điện của laser. Để bơm hiệu quả, các tính toán cho thấy độ dài xung bơm phải nhỏ hơn 40ns và thỏa mãn đẳng thức: τbơm < τ32 Sau khi phóng điện kích thích, các phân tử nitơ chuyển từ trạng thái cơ bản (1) lên trạng thái điện tử kích thích (3). Vì trạng thái (2) là siêu bền, độ nghịch đảo tích lũy giữa mức (3) và (2) chỉ có thể xác lập trong một thời gian ngắn – lúc đó sự dịch chuyển giữa chúng cho bức xạ laser xung. Độ khuếch đại của môi trường laser này là khá cao (G=50dB/m). Do vậy, ngay cả khi chưa có gương buồng cộng hưởng (hay có một gương) ta có thể quan sát được hiện tượng phát siêu bức xạ. Do mức laser dưới là mức siêu bền, các laser nitơ chỉ có thể hoạt động ở chế độ xung với tần số xung lặp lại có thể đến vải trăm Hz IV – Laser excimer Chúng ta tìm thấy các hệ excimer ở: - Các phân tử hai nguyên tử của khí hiếm (He2, Ne2…) - Các ha-lô-gê-nuya của khí hiếm (ArF, KrF, XeCl…) Hai loại sau cùng này dẫn đến các laser rất hay: - Các hợp chất khác nhau của khí hiếm như XeO.
Các hợp chất kim loại khác nhau: HgBr là một hệ được nghiên cứu rất nhiều - hiện nay, nó có khả năng cho các bức xạ rất mạnh trong vùng xanh da trời – xanh lá cây, vùng tối ưu cho viễn thông dưới nước. Thực hiện các laser excimer Chu trình tạo thành các ion: Chu trình tạo thành excimer GB*: Phản ứng sau cùng này thuộc loại ba vật, sau đó phản ứng đòi hỏi, để có được một xác suất cần thiết, một áp suất lớn của hỗn hợp vào khoảng áp suất khí quyển; vi ệc tiêm điện tử trở nên khó khăn. Nếu người ta sử dụng phóng điện quy ước thì dạng của điện cực phải được đặc biệt nghiên cứu để tránh sự phóng điện thành thớ chỉ liên quan đến một bộ phận rất nhỏ của môi trường nên trước tiên cần phải dùng một sự ion hóa môi trường, chẳng hạn bằng một sự phóng điện phụ tạo nên tia tử ngoại. Hình 7. Các mức năng lượng điện tử của một phân tử khí hiếm hai nguyên tử Hình trên thể hiện các mức năng lượng điện tử của một phân tử khí hiếm hai nguyên tử theo khoảng cách giữa các nguyên tử. Mức (1) tương ứng với trạng thái cơ bản (không bền), các mức (2) và (3) là ứng với các trạng thái kích thích (bền). Mức (2) và (3) chứa một số các mức dao động (thể hiện bằng các đường kẻ ngang). Mức năng lượng (2) đóng vai trò mức laser trên, mức (1) – là mức laser dưới. S ự nghịch đảo mật độ tích lũy trên chuyển dời (2) -> (1) đ ược hình thành với b ất kể s ố phân tử nào được kích thích lên mức (2). Ngay khi phân tử khí hiếm xuống mức (1), nó lập tức phân chia thành các nguyên tử. Như vậy, mức laser dưới luôn rỗng (không tích lũy). Đặc điểm này làm cho hoạt động của laser excimer có hiệu suất rất cao. Lợi thế chủ yếu của laser excimer là năng lượng đáng kể dưới dạng xung mà nó có thể cung cấp, chủ yếu trong vùng tử ngoại. Hoạt động của nó đặt ra một số vấn đề, đặc biệt, nếu người ta muốn có độ lặp lại cao. Hỗn hợp khí trong thành phần của nó bị thay đổi nên chỉ có một số trường hợp thuận lợi để chu trình phản ứng làm cho hỗn hợp được tái sinh. Hiện nay các vấn đề trên đã được chế ngự tốt, có những laser Ha-lô-gê-
nuya khí hiếm và nhiều loại laser excimer dùng cho phòng thí nghiệm đã được thương mại hóa. V – Laser rắn 1. Các mức năng lượng của ion trong một mạng chất rắn • Mức năng lưỡng của hệ nguyên tử cô lập (nguyên tử hay ion) là những mức gián đoạn tương đối hẹp. • Các ion phân tán (chẳng hạn 1%) trong đó các chất rắn là một hệ đ ậm đ ặc hơn nhiều. • Tương tác giữa các ion-ion và những tương tác với chất rắn được mô tả chủ yếu bằng sự có mặt của 1 điện trường : trường “tinh thể”. • Tương tác giữa một số lớn nguyên tử hay ion làm tăng các mức năng lượng nên ở trạng thái rắn dẫn đến cấu trúc dải. • Khi kiến trúcnguyên tử được phân tán trong pha rắn thì môi trường xung quanh một phần bảo vệ nó khỏi các tương tác ion- ion, tuy nhiên cấu trúc của nó về mặt năng lượng tất nhiên bị nhiễu loạn đáng kể bởi trường tinh thể theo các tiêu chuẩn về đối xứng (đối xướng trường tinh thể, đối xứng của các trạng thái điện tử của nguyên tử). nó cho thấy sự tồn tại đồng thời của dải và các mức hẹp. • Để sử dụng cho laser người ta nói đến hệ ba mức năng lượng và hệ bốn mức. Dùng bơm quang học để tăng độ tích lũy cho một dải và các trao đ ổi năng l ượng không bức xạ làm cho độ tích lũy ở một mức (a) tăng cao.Quá trình không bức xạ nh ư vậy khá quan trọng đối với loại môi trường này. Năng lượng do ion mang một phần được nhường cho các doa động của mạng tinh thể. Trong sơ đồ ba mức sự bức xạ cướng bức xảy ra giữa mức (a) và mức cơ bản. Điều này giả thiết cho rằng chu trình bơm rất có hiệu quả để cho độ tích lũy của các mức (a) nhiều hơn mức cơ bản. sự đảo lộn tích lũy tất nhiên là dễ dang hơn với cấu hình bốn mức trong đó bức xạ xảy ra giữa mức (a) và mức (b).
2. Laser Ru-bi • Là chiếc laser đầu tiên và do Maiman lắp đặt năm 1960. • Môi trường laser là một tinh thể ru-bi nhân tạo (A-luy-min chứa 0,1% đ ến 1% ion ) được gia công như một hình trụ. • Đường kính của hình trụ thay đổi từ vài mm đến 2 cm, chiều dài có thể đạt đến 20cm. • Hai đầu của thanh được mài bóng làm mặt tựa để phủ một lớp phản xạ tọa thành buồng cộng hưởng. • Người ta bơm quang học bằng các đèn xung chớp sáng Xê-nông bao quanh Ru-bi. • Đèn chớp xung được dùng hiện nay hầu hết được dùng ở dạng thẳng. • Xung bức xạ của laser (hệ ba mức) ở bước sóng 6929 . • Với một năng lượng từ 500 đến 1000 Jun trong ánh chớp của đèn bơm, xung sáng có thể đạt đến một Jun với công suất tức thời khoảng 50KW, với những laser Ru-bi lớn nhất người ta có thể đạt đến nhiều kilô Jun mỗi xung, tất nhiên nhịp đọ phát xung laser lúc bấy giờ phải giảm xuống. 3. Laser ion Nd (Nê-ô-đym) • Ion pha tạp trong các tinh thể như grơ-nát Yt-tri và Al-luy-mi-ni-um (YAG) cung cấp một môi trường laser còn hay hơn là Ru-bi. - Hệ có 4 mức, nó có thể hoạt động ở chế độ liên tục. - Viêc bơm laser có thể đạt đến kilo Watt đối với những laser lơn nhất với một hiệu suất la 2% đối với công suất điện hấp thụ. • Ở trong trường hợp ion pha tạp trong thủy tinh. Mới nhìn điều này có vẻ vô lý, vì rằng môi trường không định hình không tạo ra về phương diện ion một trường
tinh thể có hướng cho trước. Tuy nhiên người ta nhận thấy rằng hệ có thể hoạt động tốt ở chế độ xung, một mặt có nhiều năng lượng hơn được giữ trong laser, mặt khác độ rộng của các vạch bức xạ phù hợp với hoạt động chết độ xung rất ngắn khoảng pico giây. • Các laser thủy tinh Nê-ô-đym dùng trong công nghiệp có thể đạt đến năng lượng rất lớn: các xung hàng chục nghìn Jun, công suất đỉnh đến Watt. • Các ứng lực cơ học trong các khối thủy tinh, việc di tản nhiệt khỏi thanh là những vấn đề hóc búa. 4. Các môi trường laser rắn khác Một số lớn các nghiên cứu về môi trường laser rắn trong một số môi trường có khả năng khác nhau chúng ta nhắc đến : • A-lex-xân-drit (là ion pha tạp trong mạng cry-đô-be-ry ) có những tính chất thuật tiện sau đây : - Hệ bốn mức, ngưỡng dao động 20 lần nhỏ hơn so với môi trường laser Ru-bi. - Bức xạ có thể điều chỉnh (giống laser màu) trong vùng từ 7000 đến 8150 . - Hiệu suất tương đương với trong YAG. - Môi trường dẫn nhiệt tốt • Các tâm màu: trong một số điều kiện như khi rọi bằng các bức xạ ion hóa người ta có thể làm xuất hiện những khuyết tật aniông bên trong một tinh thể ion (chẳng hạn ha-lô-gê-nuya kiềm). Như vậy có những tai biến địa phương về phương diện điện tính nên một điện tử có thể bị bắt và quay xung quanh khuyết tật ấy tương đương điện tích dương . VI – Các laser bán dẫn Xét một lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn.một loại n và một loại p. Thiết lập một dòng điện trong lớp tiếp xúc bằng cách nối bán dẫn n với cực âm của một máy phát và bán dẫn p với một cực dương (tiếp xúc phân cực theo chiều trực tiếp). Kết quả là ở lân cận của lớp tiếp xúc sẽ có một vùng mà độ tích lũy của điện tử và lỗ trống không cân bằng nên xảy ra tái hợp điện tử và lỗ trống để bức xạ photon có năng lượng tương ứng với khoảng cách năng lượng giữa hai vùng. Như vậy có dòng điện đi qua l ớp tiếp xúc: các điện tử được tiêm vào vật liệu p còn lỗ trống dương trong vật liệu n, các lỗ tr ống dương thâm nhập rất ít do độ linh động của chúng nhỏ. Người ta có đ ược một diode phát quang, linh kiện rất hay dùng và rẻ tiền, khoảng cách năng lượng và do đó bước sóng bức xạ là những đặc trưng của bán dẫn được dùng. Chúng ta tìm được một sơ đồ gần giống với những gì quen thuộc trong vật lý nguyên tử với bức xạ ánh sáng. Tuy nhiên: * Đáng lẽ là các mức năng lượng thì lại là các vùng. * Độ tích lũy của điện tử rất quan trọng trong bán dẫn và nó tuân theo thống kê Fermi. * Cuối cùng các định luật chi phối bức xạ của photon không phải chỉ liên quan đến độ tích lũy của điện tử mà còn của lỗ trống. Quá trình bức xạ ánh sáng trong diode phát quang liên quan trực tiếp hơn nhiều với dòng đi qua so với một đèn bức xạ vạch nguyên tử, do đó việc chuy ển t ừ hoạt đ ộng bức xạ tự phát sang bức xạ cảm ứng sẽ dễ dàng hơn: bằng các tăng cường độ dòng đi qua lớp tiếp xúc người ta có thể ,ở lân cận lớp tiếp xúc, thu đ ược trong vùng d ẫn mật
độ điện tử tương ứng với sự đảo lộn sự tích lũy. Sự đảo lộn sự tích lũy này chiếm một thể tích rất nhỏ, nó có giá trị tuyệt đối khá quan trọng nên không nhất thiết phải có buồng cộng hưởng để thu được bức xạ cưỡng bức. Có hai vấn đề khá quan trọng phải giải quyết trước khi thu được các cấu trúc laser có chất lượng * Để thu được dao động laser, phải dùng mật độ dòng rất lớn, đạt đ ến 50000A/cm2 hoạt động này chỉ có thể thực hiện dưới dạng xung để không làm hỏng lớp tiếp xúc và phải làm nguội để hạ thấp ngưỡng này. * Chỉ một phần nhỏ các photon là tham gia vào bức xạ cưỡng bức, ngoài vùng bức xạ tất nhiên môi trường bán dẫn rất hấp thụ do tạo nên các cặp điện tử lỗ trống Hai khó khăn trên có thể giải quyết khi dùng những cấu trúc phức tạp hơn là ti ếp xúc đơn giản. Mặt khác, vùng hoạt động mỏng hơn nhiều nên làm giảm dòng cần thiết để thu được dao động laser, ngoài ra các chiết suất của các lớp khác nhau không giống nhau cũng như giá trị của các khoảng cách năng lượng, các photon vẫn một phần nằm trong vùng hoạt động do sự thay đổi của chiết suất môi trường và không bị hấp thụ bởi các môi trường bán dẫn khác nhau mà khoảng cách năng lượng được chọn lớn hơn. Ưu điểm với loại laser này là: * Tùy theo các bán dẫn được sử dụng bức xạ có thể xảy ra từ phần đỏ của phổ khả kiến-0.75-đến hồng ngoại trung bình. * Khi hoạt động ở chế độ liên tục công suất ánh sáng bức xạ là vào khoảng mW với dòng từ vài đến chục mA. Hiện nay xuất hiện những diode thương mại cung cấp đến vài W ở chế độ liên tục. Ở chế độ xung người ta có thể thu được công suất đỉnh lên đến KW. * Dạng hình học của buồng cộng hưởng làm cho bức xạ gồm nhiều mode không gian bên trong một hình trụ mà góc mở khá lớn. * Nói chung bức xạ là đa mode và độ rộng quang phổ của các vạch bức xạ khoảng na-no mét.Các diode chất lượng rất tốt có thể cung cấp các bức xạ có độ rộng vạch phổ là
người ta có thể tích lũy một trạng thái điện tử đơn nằm ở phía trên (S 1). Từ mức này có thể bức xạ trực tiếp về nhóm mức cơ bản hoặc dịch chuyển không bức xạ về một hệ bội ba sau đó mới bức xạ. Xác suất dịch chuyển không bức xạ có thể khá lớn nên phải quan tâm nhiều đến cơ chế này. Phải bơm quang học cho phân tử màu từ mức S 0 lên mức S1 với một nguồn sáng đủ mạnh để cho, mặc dù có “ mất mát ” do chuyển về trạng thái cơ bản qua trung gian của các mức bội ba, vẫn có sự đảo lộn về tích lũy. Tuy nhiên một khi đ ộ tích lũy c ủa S 1 giảm, nó lập tức được tích lũy trở lại rất nhanh do dịch chuyển từ các mức lân cận cũng như dịch chuyến ngược lại để không xảy ra sự tập trung độ tích lũy trên mức S 0. Như vậy sự đảo lộn độ tích lũy vẫn được duy trì. Hệ như vậy tương đương với hệ hai mức cách nhau bởi tần số ban đầu nên nếu điều kiện được đảo lộn được thực hiện thì sẽ có bức xạ laser ở tần số đó. Cần chú ý đến độ rộng của dải S 0 và S1, tần số có thể được chọn trong một dải phổ nào đó có khả năng thỏa mãn điều này. 1. Laser màu chế độ xung Nguồn bơm hoặc là các đèn chớp hoặc một laser xung bức xạ một dịch chuyển trong vùng cần thiết để bơm. Buồng cộng hưởng không chỉ thực hiện bằng một mẫu Fabry- Perot nó phải có một khoảng phổ tự do đủ để lựa chọn một tần số ban đầu xác đ ịnh bên trong một dải mà trong thang chia bước sóng có thể có độ rộng vài trăm A0 . Hình vẽ cho thấy buồng cộng hưởng được thực hiện với một cách tử, chú ý đến những đặc trưng của cách tử, bước sóng, bức xạ có độ rộng phổ không hẹp lắm tuy nhiên cũng đủ đáp ứng cho một số áp dụng khác nhau. Mẫu F cho phép tăng cường sự quá độ của buồng cộng hưởng nên người ta có thể thu được độ rộng bức xạ khoảng %A 0 bước sóng. Chất màu đựng trong một cu-vét có mặt song song đ ược luân chuy ển nhanh đ ể làm nguội và để tái sinh. Nó được bơn ngang bằng ánh sáng của một laser công suất. Buồng cộng hưởng được xác định bằng gương M và cách tử R. Hệ quang học viễn vọng T gồm hai thấu kính có tiêu cự rất khác nhau và tiêu điểm trùng nhau, nó mở rộng chùm tia và cho phép sử dụng một số lớn vạch cách tử hơn. Sự phân giải của buồng cộng hưởng càng cao khi số vạch được chiếu sáng càng lớn. 2. Laser màu chế độ liên tục Bơm cho laser được thực hiện nhờ một laser ion cung cấp một công suất sáng liên tục lớn hơn một watt. Bơm quang học được thực hiện bằng một laser ar-gông ion hóa hội tụ trong thể tích rất nhỏ của chất màu. Để tránh những khó khăn liên quan đến mật độ năng lượng rất lớn trên các cửa sổ của Cu-vét chứa chất màu đó là dùng một vòi phun, dung d ịch ch ất màu được phun ra dưới áp suất nên một lớp mỏng chất màu lỏng được tạo ra ở chùm hội tụ của chùm laser bơm. Lớp chất màu lỏng khá bền vững về mặt cơ học và có những đặc tính quang học rất tốt . Sự lọc lựa của buồng cộng hưởng có được là nhờ ba yếu tố : a) Một kính lọc Lyot hạn chế dải phổ của chất màu một của sổ vài A0 . (b)(c) Hai bộ lọc Fabry-Perot có các mode, bộ lọc có khoảng cách lớn nhất được cấu tạo bằng một lá mặt song song. Độ nghiêng của bộ lọc cho phép dịch chuy ển các mode.
d) Toàn bộ thủy tinh Faraday trong nam châm của nó cộng với lá tinh thể tạo thành một bộ phận quy định chiều đi của sóng. Thực nghiệm cho thấy rằng chất lượng tốt của laser trong cấu hình này so với chất lượng của cấu hình thẳng . Người ta chú ý đến độ nghiêng của nhiều mặt phẳng so với phương của chùm tia. Hơn nữa việc chọn độ nghiêng ở góc tới Brewster cho phép làm giảm đến không các mất mát do truyền qua đối với sự phân cực thẳng được chọn . Tóm lại các laser màu:  Khi chú đến hiệu suất chuyển đổi ,công suất laser liên tục từ vài mW đến 1W  Có thể cung cấp một bức xạ thực tế là bao trùm liên tục một phổ từ 4000 đến 10000 A0, gam phù hợp là đối với một chất màu là vào khoảng 100A0 .  Độ hẹp phổ có thể đạt được như đối với các laser tốt nhất. Laser màu là những phương tiện đáng chú ý cho các nhà vật lý quang phổ.