1.5. Cấu tạo chung và nguyên lý phát Laser phân tử khí CO 2
1.5.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát Laser phân tử khí CO 2
Khi cơ chế kích thích của một Laser đ−ợc kích hoạt, năng l−ợng đ−a vào môi trường kích hoạt làm cho các nguyên tử dịch chuyển từ trạng thái cơ bản đến trạng thái được kích thích tương ứng,. Tại thời điểm này, hiện tượng nghịch đảo nồng độ
đ−ợc tạo ra. Một vài các nguyên tử ở các mức Laser trên sẽ dịch chuyển xuống mức Laser thấp hơn tức thời, và phát ra các photon không liên kết ở b−ớc sóng Laser và theo các hướng ngẫu nhiên. Hầu hết các photon này đều được giải thoát từ môi trường kích hoạt nh−ng chúng di chuyển dọc theo trục của môi tr−ờng kích hoạt sinh ra quá
trình bức xạ kích thích nh− chỉ trên hình 1.23.
Hình 1.23: Quá trình hình thành Laser.[10]
Chùm tia sinh ra đ−ợc phản xạ ng−ợc trở về môi tr−ờng kích thích bằng các gương phản xạ. Một phần ánh sáng sẽ phóng ra bộ ghép đầu ra để phát tia Laser thành chùm tia ở đầu ra. Nếu số lần quay vòng của môi tr−ờng Laser lớn hơn tổn hao quay vòng thì công suất đầu ra của Laser tăng lên. Nếu tổn hao lớn hơn hệ số khuếch
đại thì công suất Laser giảm xuống.
Nếu giữ nguyên số photon của chùm tia trong một vòng hồi tiếp đi từ g−ơng có
độ phản xạ cao HR tới BCH hở và quay trở lại gương phản xạ HR thì số các photon của chùm tia tăng lên t−ơng ứng với công suất chùm tia Laser tăng lên. Nếu số photon là nh− nhau, công suất chùm tia đầu ra đều đặn. Nếu số photon nhỏ hơn, công suất Laser giảm và thậm chí ngừng phát Laser. Việc tăng tốc vòng hồi tiếp của Laser quyết định do mức độ nghịch đảo nồng độ trong môi trường kích hoạt Laser và có khả năng xuất hiện quá trình phát xạ kích thích. Tổn hao của tất cả các vòng hồi tiếp
đều do sự phản xạ không hoàn toàn của gương phản xạ cao HR, tổn hao tán xạ, nhiễu xạ khi chùm tia đi xuyên qua môi tr−ờng kích thích sẽ bị tổn hao hấp thụ, tổn hao do gương trong BCH không thẳng hàng và tất nhiên tổn hao cố định khi đi xuyên qua gương đầu ra. Khi hệ số khuếch đại cho mỗi vòng lặp lớn hơn giá trị tổn hao, công suất Laser sẽ tăng. Khi hệ số khuếch đại nhỏ hơn giá trị tổn hao, Laser không đ−ợc phát ra. Và khi hai giá trị này bằng nhau, Laser làm việc ở chế độ ổn định đ−ợc gọi là
điều kiện “steady-state” - điều kiện bền.
Trong các Laser xung, cơ chế kích thích năng l−ợng đột ngột trong khoảng thời gian ngắn. Cả hệ số khuếch đại và công suất đầu ra tăng lên nhanh chóng tới mức cao
và giảm xuống mức thấp hơn và đột ngột sinh ra tia Laser. Trong các Laser phát sóng liên tục, cơ chế kích thích cung cấp một hằng số công suất theo môi tr−ờng kích hoạt.
Hệ thống nhanh chóng đạt đến điều kiện ổn định trạng thái “steady-state”, trong đó tổn hao và khuếch đại là cân bằng. Do đó điều kiện này cho chùm tia đầu ra ở một hằng số.
Để đơn giản ta hãy coi hoạt chất có phổ năng l−ợng E1<E2<E3 đ−ợc đặt trong buồng, năng l−ợng bơm có tần số ω13 để tạo nghịch đảo nồng độ, tức hạt ở mức 1 dịch chuyển lên mức 3. Giả sử mật độ phổ khối của tín hiệu bơm đủ lớn để tạo nghịch
đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ Laser ω32.
Nếu đ−a vào trong BCH tín hiệu cần khuếch đại có tần số ω32 thì trong BCH sẽ hình thành sóng đứng do sóng phản xạ. Dưới tác dụng của sóng đứng, trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình bức xạ cảm ứng. Những l−ợng tử năng l−ợng đ−ợc sinh ra do hạt dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 2 sẽ kết hợp với sóng điện từ kích thích và sẽ duy trì dao động sinh ra trong BCH. Nói cách khác, năng l−ợng điện từ trong BCH đ−ợc bức xạ cảm ứng khuếch đại lên. Nh−ng chúng ta cần phải kể đến các tiêu hao trong BCH, trong hoạt chất và do bức xạ đ−a ra ngoài cửa ra.
Do đó, chế độ công tác của Laser là phát xạ hay khuếch đại sẽ phụ thuộc vào quan hệ giữa năng l−ợng bức xạ cảm ứng Pbx và tiêu hao tổng cộng Pth. Trong đó tiêu hao tổng cộng bằng:
Pth = Pt + Phc + Ph.
Với Pt là công suất đ−a ra tải; Phc là công suất tiêu hao trong hoạt chất và Ph là công suất tiêu hao trong BCH.
Nếu Pbx + Pv < Pth thì năng l−ợng tín hiệu vào bị hệ thống hấp thụ mà không khuếch đại lên, tức là biên độ tín hiệu ra nhỏ hơn biên độ tín hiệu vào.
Chế độ khuếch đại sẽ đ−ợc đảm bảo khi công suất bức xạ của tín hiệu vào lớn hơn công suất tiêu hao trong BCH và trong hoạt chất nh−ng nhỏ hơn công suất tiêu hao tổng cộng, tức là:
Pth > Pbx + Pv >Ph + Phc
Chế độ tự kích của máy phát l−ợng tử sẽ tồn tại nếu:
Pbx > Pth.
Điều kiện kích thích của máy phát l−ợng tử sẽ đ−ợc thoả mãn nếu hệ số khuếch
đại của môi trường k(ω) lớn hơn giá trị ngưỡng nào đó.
Để đơn giản ta coi: gương vào G1 có hệ số phản xạ r1 =1 và gương ra G2 có hệ
số phản xạ r2<1. Quá trình hình thành tự kích trong Laser đ−ợc thực hiện khi tia bức xạ phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200ữ300lần. Sau mỗi chu kỳ phản xạ, công suất bức xạ phải tăng lên, từ đó thiết lập điều kiện tự kích của máy phát Laser. Khi
ánh sáng đập vào g−ơng G1 thì một phần công suất sẽ truyền qua t%, một phần sẽ phản xạ trở lại trong BCH r% và một phần tiêu hao q%. Vậy điều kiện bảo toàn năng l−ợng là:
r + t +q = 1
Vì gương có phản xạ lớn, ta có thể coi q = 0, do đó:
r + t = 1
Giả sử tia sáng có công suất PA = P0 bắt đầu truyền trong BCH từ điểm A tới
điểm B qua chiều dài L của môi trường ánh sáng được khuếch đại lên: P0.eKl. Khi từ B phản xạ trở lại, mật độ công suất chùm tia sẽ là r2.P0.eKl, khi trở lại A (tới gương G1), mật độ công suất sẽ là r2.P0.e2Kl. Nh−ng vì r1 = 1 nên P’A=r2.P0.e2Kl. Điều kiện tự kích
đ−ợc viết:
P’A/PA > 1 tức là: r2.e2Kl>1 (1-34) Vì r2<1 nên ta gọi γ = -ln(r2) và r2 = e-γ khi đó (1-12) sẽ thành e2KL-γ>1. Muốn vậy 2KL - γ >0 và 2KL > γ và thay K bằng biểu thức của nó ta sẽ có:
Kng = (BikNi – BkiNk).
l h
2 γ ω >
C hay
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ ⎟⎟⎠≥
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
l h. . .2
.
ik k
ik ki
i B
N C B N B
ω
γ (1-35)
Nh− vậy, điều kiện tự kích của máy phát Laser phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương, chiều dài hoạt chất và tham số dịch chuyển của môi trường. Đó là vấn đề rất quan trọng trong lý thuyết cũng nh− trong thực hành. Tuy nhiên, muốn phát Laser thì
công suất bơm phải đủ lớn để đảm bảo đ−ợc điều kiện nghịch đảo ng−ỡng đó.
Trong Laser CO2, khi phóng điện sẽ có một số điện tử nhanh, chúng sẽ va chạm với những phân tử CO2 và làm phân rã phân tử CO2 theo ph−ơng trình:
2CO2 → 2CO + O2
Những năng l−ợng ng−ỡng của điện tử trong quá trình này rất lớn, do đó số điện tử nhanh đạt đ−ợc năng l−ợng lớn hoặc bằng năng l−ợng ng−ỡng đó rất ít. Phải chọn chế độ phóng điện để trong Plasma tồn tại phần lớn những điện tử chậm. Những điện tử chậm này sẽ kích thích những phân tử CO2 lên những mức dao động 00V3 và những mức này lại cách đều nhau liên tiếp. Vì vậy mức Laser trên 001 của bức xạ 10,6àm chỉ
là một trong những mức 00V3 đó. Những phân tử CO2 đ−ợc kích thích lên những mức cao 00V3 với V3 >1 có thể lại không tham gia vào bức xạ Laser. Thực tế cho thấy điều
đó không xảy ra bởi vì những mức 00V3 phân bố cách đều nhau. Do đó khi va chạm giữa những phân tử 00V3 với những phân tử 000 thì những phân tử kích thích 00V3 sẽ bị mất đi một l−ợng tử năng l−ợng dao động và chuyển thành những phân tử CO2 (00V3-1). Khi đó những phân tử CO2 (000) nhận đ−ợc l−ợng tử năng l−ợng đó, sẽ dịch chuyển lên trạng thái CO2 (001) tức chuyển lên trạng thái Laser trên
Người ta nói quá trình đó mang tính cộng hưởng với ý nghĩa là truyền năng l−ợng kích thích giữa các phân tử mà không bị tiêu hao một chút năng l−ợng nào, tức là xác suất biến những phân tử CO2 (00V3) thành những phân tử CO2(001) sẽ rất lớn.
Những phân tử CO2(001) sẽ tham gia vào bức xạ photon (λ = 10,6àm) rồi chuyển về mức (100), từ mức đó phân tử sẽ chuyển về mức cơ bản để rồi lại tham gia tiếp tục vào hoạt động của Laser.
1.5.3. Phân loại Laser khí CO2.
Theo công suất Laser đầu ra, thì Laser khí CO2 có thể chia thành 2 loại chính:
Laser CO2 phát liên tục và Laser CO2 phát xung. Còn theo tổng quan về cấu trúc thiết kế, Laser CO2 có thể chia thành các loại chính:
- Phóng điện dọc đồng trục tốc độ dòng khí thấp;
- Phóng điện dọc đồng trục tốc độ dòng khí cao;
- Sealed-off (Laser hở);
- Laser dÉn sãng;
- Laser phóng điện ngang;
- Laser phóng điện ngang áp suất khí quyển (TEA);
- Laser khí động lực học.
Còn trong y tế, người ta lại phân loại Laser theo mức độ nguy hiểm của nó nên Laser CO2 đ−ợc liệt kê vào loại Laser nguy hiểm, có mức công suất cao, gây nguy hại cho thị giác dù là nhìn trực tiếp hay gián tiếp.
Tr−ớc khi quan tâm tới những loại Laser này ở phần tiếp theo, cần chú ý mặc dù các Laser này khác nhau khá lớn về các thông số vận hành liên quan (VD: Công suất
đầu ra) nh−ng chúng đều có −u điểm chung là hiệu suất lớn (15%-25%).
Ch−ơng 2
Khảo sát một số Máy phát Laser Khí CO2
Laser đã đ−ợc nghiên cứu, chế tạo ra từ nhiều loại phân tử khí, nh−ng loại Laser khí phân tử đặc biệt nhất chính là Laser khí CO2. Nh− chúng ta đã nghiên cứu ở phần cơ sở lý thuyết chung về Laser khí CO2, loại Laser này có các dịch chuyển Laser trong một dải nhỏ b−ớc sóng ở vùng hồng ngoại, tập trung trong vùng xung quanh bước sóng 9.6àm và 10.6àm là dải tần số có độ hấp thu của môi trường nhỏ. Chúng có thể vận hành ở các chế độ: liên tục, xung, chuyển mạch Q và chế độ khoá với công suất đầu ra rất cao và hiệu suất làm việc lớn (10-30%).
Laser CO2 có rất nhiều ứng dụng quan trọng nh− trong y tế, công nghệ xử lý vật liệu, kỹ thuật dập lỗ cho nhiều loại vật liệu khác nhau, cắt giấy, cắt vải, kỹ thuật mã
hoá và công nghệ hàn, hệ thống thông tin quang, nấu chảy bằng cảm ứng Laser và cả
trong công nghệ giám sát và kiểm tra môi tr−ờng.
Laser khí CO2 phổ biến trong một loạt các ứng dụng với cả hai loại chế độ xung và liên tục. Loại Laser khí CO2 liên tục th−ờng có 4 kiểu khác nhau: Kích th−ớc nhỏ nhất chính là Laser dẫn sóng có chiều dài khoảng vài cm và công suất đầu ra khoảng vài oát. Kiểu Laser th−ờng dùng nhất chính là loại Laser khí CO2 phóng điện dọc, dòng khí đồng trục tốc độ thấp, hệ thống làm mát đ−ợc kích hoạt bằng các va chạm của các nguyên tử He với thành ống plasma. Loại này có công suất đầu ra có thể lên tới 1KW. Phát triển thêm của loại này chính là Laser khí CO2 phóng điện dọc, dòng khí đồng trục tốc độ cao, kích thước ống plasma lớn hơn. Nó cho công suất đầu ra tới vài KW. Laser có tính th−ơng mại lớn nhất chính là hệ thống Laser công suất lớn phóng điện ngang, dòng khí ngang (nghĩa là: trục quang học, h−ớng dòng phóng, h−ớng dòng khí trực giao với nhau). Các Laser khí CO2 liên tục lớn nhất đ−ợc làm việc theo cơ chế kích hoạt hoá là các Laser khí động đ−ợc ứng dụng chủ yếu cho quốc phòng. Các Laser CO2 xung, làm việc trong điều kiện áp suất khí quyển có các kích th−ớc khác nhau với cấu hình nhiều điện cực. Loại phổ biến nhất chính là kiểu
điện cực Rogowski-mặt nghiêng cho phân bố dòng phóng duy nhất qua thể tích khí.
Laser CO2 làm việc ở chế độ chuyển mạch Q thường được kết hợp với gương có
độ phản hồi cao và gương quay tốc độ gần 20000r/phút. Các gương này cho xung đầu ra tồn tại trong khoảng thời gian gần 50ms với công suất đỉnh lớn gấp vài nghìn lần