1.5. Cấu tạo chung và nguyên lý phát Laser phân tử khí CO 2
1.5.1. Cấu tạo chung máy phát Laser phân tử khí CO 2
1.5.1.1. Cơ chế hồi tiếp – G−ơng Laser
Cơ chế hồi tiếp về một phần ánh sáng liên kết nguyên gốc sinh ra trong môi trường kích hoạt trở về môi trường kích hoạt để đạt được hệ số khuếch đại lớn hơn nhờ quá trình phát xạ kích thích. Tổng l−ợng ánh sáng liên kết sinh ra bằng cách phát xạ kích thích phụ thuộc hoàn toàn vào: độ nghịch đảo nồng độ và độ dài của tín hiệu kích thích. Cơ chế hồi tiếp thường được thực hiện bằng hai gương đặt ở hai đầu của môi trường kích thích thẳng hàng với nhau để cùng phản xạ ánh sáng liên kết về và đi xuyên qua môi tr−ờng cộng h−ởng.
Môi trường hoạt tính đặt trong BCH có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nó theo luật làm mũ Buerger, nh−ng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất có hạn. Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần. Nếu dùng hoạt chất là khí CO2 có hệ số khuếch đại tương đối lớn trong số các loại hoạt chất thông dụng, thì để có công suất ra 1Watt, cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 104 mét, điều này không thể thực hiện đ−ợc. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải đ−ợc giải quyết bằng cách khác. Nhờ cơ chế hồi tiếp mà việc tăng chiều dài của hoạt chất đ−ợc giải quyết một cách đơn giản. Trong BCH, tia sáng đ−ợc phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện pháp làm tăng quãng đ−ờng đi của tia. Cụ thể cơ chế này xảy ra nh− sau:
Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong BCH xuất hiện một sóng
ánh sáng. Sóng sẽ đ−ợc khuếch đại lên do các dịch chuyển c−ỡng bức khi đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện t−ợng hấp thụ hoặc truyền qua, nh−ng phần chủ yếu đ−ợc phản xạ trở lại và đ−ợc tiếp tục khuếch đại trên đ−ờng đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ xảy ra quá trình t−ơng tự và cứ nh−
vậy, sau rất nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ lớn. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai g−ơng, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng đó cũng không đổi, do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp.
Hình 1.17: Sự hình thành cơ chế kích thích [1]
Hình 1.18: G−ơng điện môi nhiều lớp [1]
Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng đ−ợc. Nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm. Vì vậy, cường độ bức xạ ra chỉ tăng đến khi thiết lập được điều kiện cân bằng năng l−ợng nh− đã trình bày trong mục 1.4.
Yêu cầu cơ bản của các gương Laser là phải đảm bảo sao cho tổn hao trong vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất. Trong giai đoạn đầu phát triển của kỹ thuật Laser người ta thường sử dụng các gương có đế là thuỷ tinh hay thạch anh và lớp phản xạ là bạc, nhôm hoặc vàng. Hệ số phản xạ của các g−ơng này ở vùng ánh sáng khả vi th−ờng không v−ợt quá 90-95% và phần năng l−ợng bị tiêu hao do hấp thụ trên bề mặt của gương có thể đạt tới 5ữ10%. Đây là giá trị tổn hao khá lớn, nó làm giảm hệ số phẩm chất của BCH.
Gương điện môi nhiều lớp được cấu tạo như hình 1.18: Trên đế bằng thuỷ tinh (hoặc thạch anh) người ta dụng phương pháp bóc bay trong chân không để phủ lên đó lần l−ợt các lớp kế tiếp nhau của 2 chất điện môi trong suốt có chiết suất n1, n2 và chiều dày quang học bằng một phần t− b−ớc sóng bức xạ:
n1.h1 = n2.h2 = ... = 4
λ (1-22)
Trong đó: h1, h2 là chiều dày hình học của các lớp phủ.
Để thấy đ−ợc rõ hơn cơ chế phản xạ trong g−ơng điện môi nhiều lớp, ta hãy xét một chùm ánh sáng đập vào bề mặt gương dưới một góc bất kỳ nào đó. Do hiện tượng
n n0
n1 n2
1 2 3 4 5 6 7 8
phản xạ trên bề mặt giới hạn của các lớp điện môi nên xuất hiện một số l−ợng lớn các tia sáng giao thoa. Với điều kiện (1-22), các tia sáng phản xạ đồng pha với nhau, tức là chúng đ−ợc cộng lại và khuếch đại lên. Thật vậy, giả sử ta xét các tia phản xạ 1, 2 và 3 từ bề mặt của các lớp điện môi. Tia 1 xuất hiện do hiện t−ợng phản xạ tại bề mặt phân chia giữa môi tr−ờng bên ngoài (ví dụ nh− không khí với chiết suất n0 = 1) và lớp điện môi thứ nhất có chiết suất n1>n0. Tại đây bắt đầu có sự thay đổi pha của tia sáng với giá trị bằng π (vì tia sáng đi từ môi tr−ờng quang học có chiết suất nhỏ và môi tr−ờng quang học có chiết suất lớn hơn thì hiện t−ợng phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường xảy ra với sự thay đổi pha bằng π). Tia thứ 2 cũng có pha bằng π, vì hiện tượng phản xạ trên bề mặt tiếp giáp n1-n2 xẩy ra không có sự thay đổi pha (do n1<n2), còn hiệu
đ−ờng đi của nó bằng 2n1h1 = 2
λ . Đối với tia 3 thì hiệu đ−ờng đi bằng 2n1h1 + 2n2h2 = λ và sự phản xạ trên bề mặt n2 - n1 xảyra với sự thay đổi pha bằng π. Nh− vậy, pha của tia 3 trùng với pha của tia 1 và 2. Các tia phản xạ khác cũng thấy kết quả t−ơng tự.
Nếu chiều dày của các lớp quang học không bằng λ/4thì các tia giao thoa sẽ không đồng pha: góc pha giữa hai tia cạnh nhau sẽ nhỏ hơn 2π, khi n1h1=n2h2<λ/4 do
đó, công suất phản xạ tổng hợp và hệ số phản xạ sẽ nhỏ đi.
Hệ số phản xạ và tính chọn lọc của g−ơng Laser phụ thuộc vào số lớp điện môi. Các gương được cấu tạo từ 3 đến 7 lớp là những gương bán trong suốt. Hệ số truyền qua của các gương này được xác định từ công thức 100% - R ≈ t (ở đây phần năng lượng bị hấp thụ cỡ 0,1ữ0,3%, nên thực tế có thể bỏ qua). Hệ số phản xạ rất cao (R>99%) có thể đạt được trong các gương gồm từ 15 lớp trở lên. Việc chế tạo các gương nhiều lớp nh− vậy không phải đơn giản, nó đòi hỏi phải đảm bảo độ chính xác cao về chiều dày và độ đồng nhất của các lớp phủ. Ngoài ra sai số về độ bằng phẳng của bề mặt đế g−ơng không đ−ợc v−ợt quá giá trị cho phép là
R R π λ
2 ) 1 ( −
.
Trong máy phát Laser CO2, nếu các gương được đặt bên trong thì chúng thường sẽ phải chịu điện thế cao. Đôi khi ng−ời ta th−ờng sử dụng các phiến Granite làm khung quang học cơ bản để cách ly các điện áp cao này và cho phép độ ổn định cơ
học tốt. Hợp kim Invar cũng có độ ổn định cao khi sử dụng trong hệ thống cao áp kín.
Có 4 loại vật liệu quang thường được sử dụng trong các Laser CO2. Trong đó, Germanium (Ge) là vật liệu th−ờng đ−ợc ghép cặp với các model công suất thấp (<100W) bởi −u điểm về giá thành. Nó hấp thụ các tia Laser lớn và thay đổi theo
nhiệt độ xung quanh xấp xỉ 500C nên không đ−ợc sử dụng trong Laser công suất cao.
Khi nhiệt độ của BCH tăng lên thì độ hấp thụ của nó cũng tăng ⇒ gương có thể bị nứt, gẫy.
Vật liệu Độ hấp thụ (ở
λ=10,6àm) – cm-1 Độ dẫn nhiệt J/s-cm2=0C
Tỷ số giá
thành Ge
GaAs ZnSe
Si
0,032 0,020 0,005
--
0,59 0,48 0,18 1,63
3,5 6,0 5,0 2,0 Bảng 1.1: Các đặc tính của gương dùng trong Laser CO2 [10]
Gallium arsenide (GaAs) và zinc selenide (ZnSe) đ−ợc sử dụng để ghép cặp với các Laser CO2 công suất cao. Gallium arsenide có hệ số hấp thụ thấp hơn Germanium và độ chịu nhiệt cao hơn. Nó cũng có khả năng chống lại h− hỏng do các công suất
đỉnh lớn nên nó thường được sử dụng trong Laser CO2 xung. Còn Zinc selenide có hệ số hấp thụ còn thấp hơn nữa nh−ng độ nhạy nhiệt của nó cũng thấp. Zinc selenide có
ưu điểm trong việc truyền ánh sáng nhìn thấy do đó thường được dùng cho việc điều chỉnh quang học dễ dàng hơn. Cả hai vật liệu này đều đ−ợc sử dụng rất rộng rãi. Zinc selenide thường được dùng đối với các Laser CO2 liên tục có công suất cao cỡ kW.
Do hệ số khúc xạ của các vật liệu này là rất cao nên cần tráng lên nó các lớp chống khúc xạ với các bộ phận quang truyền dẫn.
Silicon (Si) không truyền được ánh sáng có bước sóng 10,6àm những nó có độ chịu nhiệt cao và giá thành rẻ, nó có thể đ−ợc chế tạo theo bề mặt hình cầu dễ dàng hơn các vật liệu khác. Chính vì −u điểm này nên nó đ−ợc sử dụng rộng rãi để làm gương có độ phản xạ cao cho Laser CO2 công suất thấp cao, mặc dù nó sẽ được thay thế nhanh hơn các g−ơng kim loại (nh− Đồng – Cu, vv..) th−ờng đ−ợc chế tạo bằng các quy trình máy móc tinh vi.
Công suất
®Çu ra (W)
Hệ số phản xạ của g−ơng ghép đầu ra
(%)
Bán kính hội tụ g−ơng phản xạ cao
(m)
Cấu hình buồng cộng h−ởng
50 85 10 Hình cầu phẳng
100 85 10 Hình cầu bán kính dài
250 65 10 Hình cầu phẳng
1000 27 Hai g−ơng phảng song song
Bảng 1.2: Các cấu hình gương đối với hệ thống Laser CO2 [10]
Ba cấu hình g−ơng th−ờng dùng cho các Laser CO2 đ−ợc giới thiệu ở bảng 1.2.
Loại g−ơng cầu bán kính dài (long-radius spherical) sử dụng hiệu quả cho môi tr−ờng kích hoạt và cho phép dễ dàng kết hợp. Loại g−ơng hai mặt song song (plane-parallel)
hay được sử dụng nhất trong môi trường kích hoạt nhưng nó rất khó để kết hợp. Nó chỉ
đ−ợc sử dụng cho các loại Laser CO2 có công suất đầu ra cỡ 1KW. Loại g−ơng cầu phẳng (plane-spherical) đ−ợc sử dụng phù hợp cho hầu hết các hệ thống Laser. Chú ý rằng, đối với hệ thống Laser công suất cao thì gương có độ phản xạ giảm. Đặc tính khác nữa của hệ thống công suất cao (có công suất lớn hơn 150W) chính là th−ờng xuyên sử dụng làm mát bằng n−ớc cho g−ơng và các bộ phận bằng kim loại khác.
Đối với các Laser có một g−ơng phản xạ hoàn toàn (R1 ≈ 1) và một g−ơng bán trong suốt (R2 <1) thì cần phải chọn giá trị R2 cho tối −u, tức là đảm bảo đ−ợc công suất ra của Laser là cực đại. Giá trị tối −u của R2* phụ thuộc vào từng loại sơ đồ làm việc cụ thể của các Laser. Ví dụ, đối với Laser làm việc theo sơ đồ 3 mức nh− Laser CO2 ta cã:
R2 = ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
+
− 21.0. − 1 l l l
k k n
e β
β σ
Trong đó: β là hệ số suy hao do tán xạ trên các tâm không đồng nhất quang học của môi tr−ờng hoạt tính và quá trình hấp thụ không cộng h−ởng; l là chiều dài hiệu dụng của môi tr−ờng hoạt tính; n0 là số nguyên tử hoạt tính trong 1 cm3 của môi tr−ờng; k là tham số không có thứ nguyên chỉ số lần mà công suất lớn hơn mức bơm ng−ỡng; σ21 là tiết diện hấp thụ ở dịch chuyển 2 → 1.