BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ LASER BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LASER
Nd:YAGQ-SWITCHED HAI BƯỚC SÓNG 1064/532mm
DÙNG TRONG Y HỌC THẨM MỸ CAO CẤP Chủ nhiệm đề tài: KS. LÊ HUY TUẤN


2 ứng dụng laser Nd:YAG Q-switched điều trị trên 20 bệnh nhân.
11. Nội dung: 1 Nghiên cứu, khảo sát hệ thống: nguyên lý, đo lờng và phân tích tham
số và cơ chế hoạt động
2 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm: các modul, panel, block của
các khối điều khiển, chức năng hệ thống. Lắp ráp và hiệu chỉnh quang
học, cơ học, điện tử, điện lạnh. Thiết bị hoạt động thử nghiệm trong
phòng thí nghiệm trên 100h.
e ứng dụng điều trị thực nghiệm trên bệnh nhân và thống kê, tổng kết
đánh giá kết quả về KHCN và Y học.

12. Nhu cầu Kinh tế Xã hội, nơi áp dụng (u thế áp dụng, giá thành thiết bị):
Hiện nay nhu cầu ứng dụng thiết bị laser Nd:YAG Q-switched là rất lớn ở chuyên khoa
da liễu và thẩm mỹ (u sắc tố, u máu phẳng, sẹo lồi, mụn ruồi, hình xăm) nhng thiết bị
nhập ngoại quá đắt tiền ( trung bình khoảng 50.000USD) lại dễ hỏng hóc ở điều kiện thời
tiết Việt Nam, việc bảo hành, sửa chữa những thiết bị này gặp rất nhiều khó khăn và hầu
nh là không sửa chữa đợc. Nếu khắc phục đợc các vấn đề trên thì có khả năng cung cấp
tại thị trơng Việt Nam trên 100 máy/ 1 năm với giá thành trên 20.000USD/1 máy.

13. Tình hình nghiên cứu trong, ngoài nớc:
Trong nớc: Đến thời điểm này, cha có tổ chức nào đặt vấn đề nghiên cứu
, thiết kế,
chế tạo laser Nd: YAG Q- swiched hai bớc sóng 1064/532nm dùng trong y học thẩm mỹ
cao cấp một cách hoàn chỉnh.
Trên thế giới: Mỗi hãng đều sản xuất cho ra 1 loại thiết bị có những u điểm riêng
biệt nhng khi hoạt động ở Việt Nam đều gặp phải một số sự cố nh: sự bền bỉ, sự tơng
thích với điều kiện và hoàn cảnh sử dụng ở những địa bàn khác nhau.

Báo cáo tóm tắt thực hiện đề tài
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:Yag Q switched hai
bớc sóng 1064/532nm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp .

pháp, quy trình). Từ đó có thể sản xuất ở giai đoạn tiếp theo để cung cấp cho
nhu cầu thị trờng trong và ngoài nớc.Những vấn đề công nghệ cần giải quyết ở giai đoạn sau:

Đề tài mới hoàn chỉnh công nghệ chế tạo ở mức độ đơn chiếc nên cần nghiên
cứu và thiết lập công nghệ có tính chất chế tạo dây chuyền để có thể sản xuất thiết bị
với quy mô lớn hơn.

Vấn đề làm lạnh (bằng blog lạnh) phải đợc đa vào bên trong máy laser
Nd:YAG để giảm sự cồng kềnh hệ thống.

MC LC
Trang
Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị
laser Nd:yag q switched hai bớc sóng 1064/532nm
1
A. Hệ thống laser Nd:YAG Q switched ( = 1064/532nm)
1
1. S khi chc nng
1
2. Nguyờn lý hot ng
2
B.Tinh thể Nd:YAG và KTP
3
1. Tinh th Nd:YAG
3
2. Q - Switch
11

1 . H thng mch iu khin
51
2 . B chuyn i tng t/s
53
3 . Vi iu khin 89C51
54
H. An toàn hệ thống
61
Phần II: Tham số và vận hành thiết bị
64
A.sự phân loại về thiết bị điều trị và yêu cầu về môi trờng
64
B. thông số kỹ thuật
64
C. phạm vi áp dụng
65
D. giới thiệu các chức năng
66
E. giới thiệu hệ thống hoạt động
69
F. cài đặt và điều khiển thiết bị
70
G. sửa chữa
72
Phần III: ứng dụng thử nghiệm máy trên bệnh nhân 74
Phần IV: Phụ lục 79
ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm
dựng trong y hc thm m cao cp

1

Hỡnh 1. S khi chc nng
Laser
Nd:YAG

Nguồn AC220V/50Hz/15A
Nguồn DC ổn áp 5V, 10V, 12 V,
24 V
Power supply
APTOMAT tổng
bảo vệ hệ thống
và chỉnh lu
Nguồn công suất
nuôi dao động

300VDC/30A
Dc Power
TRANZITOR
Siêu công suất
Chỉnh lu lọc cao tần
rectifier Trung tâm điều
khiển , xử lý , đo đạc,
điều hành
Control Central
Đặt tham số làm việc

Tạo Q - Switch
Cỡng bức
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

2

2. Nguyên lý hoạt động
Thiết bị được kết nối với điện mạng AC220V/50Hz/60Hz/15Ampe → qua APTOMAT
20A bảo vệ dòng tổng → qua bộ lọc nhiễu hệ thống NOISER FILTER 20Ampe qua khởi động
từ MAGETRIC RELAY 20A/36V DC CONTROL → qua cảm biến dòng điện CURRENT
SENSOR 20A→ qua TRANSITROR siêu công suất MOSFET. Hệ dao động tần số 1Mhz điều
khiển tạo dòng điện xung công suất → qua chỉnh lưu lọc cao tầ
n KIT DIODE → qua van đột
ngột → tạo điện áp đặt lên đèn Xenon (công suất laser tỉ lệ với điện áp này) → thanh laser
Nd:YAG / KTP tạo tia laser → Bộ tạo Q – switch cưỡng bức → qua hệ quang học → cánh tay
laser 7 khớp → đến mô điều trị.
Laser dẫn đường (λ = 635nm) được hợp tia trùng khít tia laser Nd:YAG
Trung tâm điều khiển xử lý đo đạc, điều hành CONTRAL CENTRER làm nhiệm vụ đ
iều
khiển xử lý toàn bộ hệ thống thông qua các tham số như: thời gian đóng mở nguồn điện, dòng
điện I, điện áp U, nhiệt độ nước, thanh laser, máy bơm, lưu lượng nước, áp lực nước, thời gian
xung (Q - Switched), thời gian xung lặp lại WIDTH PULSE, tần số xung FREQUENCY
PULSE…Tất cả các tham số điều hành nếu bị lỗi hệ thống sẽ báo lỗi và thiết bị tự độ
ng dừng
hoạt động. Các nguồn nuôi AC, DC có chất lượng cao và được xử lý với độ chính xác 1%.
An toàn hệ thống được thiết lập một cách chuẩn mực với độ chính xác và độ nhậy cao
nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ, độ tin cậy hệ thống khi các diều kiện không áp ứng được.
Điều này rất cần thiết cho một thiết bị hiện đại có nhiều lĩnh vực áp dụ
ng: Điều khiển tự động,


B/ tinh thÓ Nd:yag /ktp, ®iÒu kiÖn vµ c¬ chÕ ph¸t tia laser
1. Tinh thể Nd:YAG
Laser Nd:YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất kể từ khi hợp
chất Nd:YAG được sử dụng làm hoạt chất laser thành công vào năm 1964. Công thức hoá học
của chất nền là Y
3
Al
5
O
12
(Ytrium Aluminum Garnet-viết tắt là YAG) và của các tâm kích hoạt
là ion Nd
3+
(Neodym-viết tắt là Nd). Bức xạ laser xảy ra trong các dịch chuyển giữa các mức
năng lượng của các ion Nd
3+
. Hoạt chất là các ion Nd
3+
được cấy vào trong tinh thể YAG với
tỷ lệ 1 đến 2% (theo trọng lượng). Do mật độ Nd
3+
khá lớn nên hệ số khuếch đại của laser
Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. Hợp chất Nd:YAG là hợp chất sử hữu những thuộc
tính tốt nhất về quang học, nhiệt và cơ khí và nó là nguyên liệu sử dụng tốt nhất cho laser rắn.
Đặc trưng cơ bản của hợp chất này là: truyền dẫn mạnh ở nhiệt độ phòng với bước sóng
1064nm, độ rộng tia là 4,5 A
0
, thời gian huỳnh quang là 230ns, điểm nóng chảy là 1970
0

≈ 2 J
Công suất phát
Ở chế độ tự do (λ = 320µm) ≈ 50kW, ở chế độ xung (λ = 10ns)
≈ 2000 MW
Độ dài bước sóng
1,064 µm
Độ phân kỳ 3 mrad
Cấu trúc chùm tia Đơn mode
Hiệu suất 2%

Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

4

Bảng 1.2 Tính chất của tính thể YAG
Số nút trong mạng tinh thể 1,36.10
22
cm
-3

Nhiệt độ nóng chảy
≈ 1215
0
C
Độ dẫn nhiệt đo ở nhiệt độ 25
o
C 0,11 W/cm.
0
C


lượng
4
I
9/2
lên ba nhóm mức năng lượng A, B, và C. Nhóm A gồm mức năng lượng
4
F
7/2
và
4
S
3/2

nhóm B gồm các mức năng lượng
4
F
5/2
và
4
H
9/2
và nhóm C là mức
4
F
3/2
. Ba mức này là ba
mức hấp thụ của Neodym trong tinh thể YAG. Từ các mức A, B các ion Nd
3+
thực hiện các

I
11/2
4
I
13/2
4
I
15/2
4
S
3/2
,
4
F
7/2
, (A)
4
F
3/2
(C)
1,064
µ
m

1,061
µ
m

E


ta tính được năng lượng từ đơn vị cm
-1
sang đơn vị erg.

ergcm
161
10.987,11
−−
≈
Hiệu năng lượng 2000 cm
-1
sẽ bằng 3,974.10
-13
erg. Do đó

()()
[]
9
14
10.4,4/
13
10.974,3/
2/9
4
02/11
4
1
≈
−
−

trong tinh thể YAG tạo thành hệ năng lượng 4 mức.
Phổ hấp thụ và phát xạ
Với cấu trúc các mức năng lượng như trên, ion Neodym có phổ hấp thụ như hình 2. Dải
hấp thụ A nằm trong vùng lân cận 0,75 µm, Dải B nằm trong vùng lân cận 0,8 µm và dải C
nằm trong vùng lân cận 0,9 µm. Tất cả ba vùng này đều thuộc vùng nhìn thấy và hồng ngoại
gần. Với ba dải hấp thụ này thì đèn Xenon, Crypton là nguồn bơm thích hợp nhất.
Hình 3. Phổ hấp thụ của Nd:YAG
Từ trạng thái laser trên các ion Neodym sẽ nhảy xuống các mức thấp
4
I
9/2
,
4
I
11/2
,
4
I
13/2
và
4
I
15/2
và phát xạ sóng ánh sáng có phổ như hình 3.

Hình 4. Phổ phát xạ của Nd:YAG
Bước són
g

(

25
4
F
3/2
–
4
I
11/2
1,0521
1,0615
1,0642
1,0737
1,1119
1,1158
1,1225
60
4
F
3/2
–
4
I
13/2
1,3184
1,3334
1,3351
1,3381
1,3533
1,3572
14

42
N
4
γ
4
3
N
4
γ
31
N
3
γ
3
2
N
3
γ
21
N
2
1
2
3
4
Hình 4: Cấu trúc hệ 4 trạng thái
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

7

là xác suất dịch chuyển của trạng thái thứ i nào đó:
ρ
b
: Mật độ bức xạ bơm
B
ki
: Hệ số Anhxtanh đặc trưng cho xác suất dịch chuyển từ mức k sang mức i
N
i
: Mật độ hạt mức i ban đầu.
Giải hệ phương trình trên ta được

N
ZBY
BY
N
b
b
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
=
ρ
ργγ
41

N
b
b
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
=
ρ
ργγ
41
41243
3
(1.4)

N
ZBY
B
N
b
b
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡

trạng thái vào mật độ bức xạ bơm. Quan hệ
(
)
bi
fNN
ρ
=
/
được biểu diễn trên hình 1.5 với
điều kiện:

(
)
433242332
γ
γ
γ
γ
γ
γ
+
>
1
1
3
2
4
N
N
i

b
4323
3
'
42324232
2
'
3241
1
'
lim
)lim
limlim
γγ
λγγγ
γγ
ρ
ρ
ρ
ρ
==
+==
==
∞→
∞→
∞←
∞→

Với điều kiện N
’

=0, mức 2 đã ở trạng thái kích thích.
Nếu thừa nhận phân bố Boltzman cho môi trường không kích thích thì có thể coi mật độ của
mức 2 là:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
≈
KT
E
NN
2
2
exp.
Trong đó: E
2
là năng lượng của trạng thái 2;
T là nhiệt độ của hoạt chất
Khi mật độ bức xạ bơm còn nhỏ thì chúng ta chưa có nghịch đảo mật độ và điều đó chỉ
xảy ra khi
*
bb
ρρ
>
Hình 7. Mật độ phụ thuộc vào nhiệt độ
2

e
−
2
2
KT
E
e
−

Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

9

Độ tích luỹ của trạng thái 3 sẽ rất nhỏ khi không bơm nhưng sẽ tăng rất nhanh khi mật
độ bơm
ρ
b
tăng. Độ tích luỹ của trạng thái 2 trong môi trường không kích thích sẽ được xác
định bằng biểu thức Boltzman
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
≈
KT
E

-
Trong hệ 3 mức thì hoạt chất thoả mãn điều kiện
2132
γ
γ
=
.
-
Với hệ 4 mức thì hoạt chất phải thoả mãn điều kiện
()
4332423432
γ
γ
γ
γ
γ
γ
+>
-
Mức 2 trong hệ 4 mức phải phân bố càng cao càng tốt và ít nhất phải lớn hơn
KT.
-
Với hệ 4 mức nhiệt độ của hoạt chất càng thấp càng tốt.
Để tạo nghịch đảo mật độ lớn người ta sử dụng chất kích hoạt Nd, lúc đó mật độ bức xạ
bơm ngưỡng sẽ khá nhỏ. Đó là ưu điểm của Laser Nd:YAG (ta có thể dùng loại đất hiếm khác
như Dyprozi, Samari, Erbium và ta có các loại Laser khác nhau với bước sóng và đặc tính
khác nhau).
Chế độ điều biến độ phẩm chất của laser
Khi Laser Nd:YAG sử dụng ở chế độ xung (chế độ điều chế hệ số phẩm chất) ta có biểu
đồ sau:

sẽ tăng tới giá trị tới hạn (hệ 3 mức).

NN
b
3221
2132
21
2
lim
γγ
γ
γ
ρ
+
−
=∆
∞→

Nguyên nhân là khi tăng mật độ của mức Laser trên thì bức xạ tự phát ở tần số dịch
chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại. Sự phụ thuộc của
∆N vào thời gian trong trường hợp BCH bị lệch điều chỉnh được biểu diễn trên hình 1.7 bằng
đường đậm nét. Rõ ràng nghịch đảo có thể đạt được giá trị lớn hơn trường hợp bình thường.
Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của
mức Laser trên rất lớn. Và điều này đã được thực hiện trong Laser rắn cũng như trong Laser
khí CO
2
và N
2
.
Bây giờ, nếu mở van quang học tại điểm C thì Laser sẽ cho một xung rất lớn vì công

=
Klc
nL

Trong đó: L: chiều dài buồng cộng hưởng;
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

11

l: chiều dài thanh hoạt chất;
n: chiết suất của hoạt chất;
c: vận tốc ánh sáng trong chân không;
K: hệ số khuếch đại chưa bão hoà;
α: hệ số tiêu hao sau một chu trình truyền sóng trong hộp cộng hưởng;
τ - thường vào khoảng một vài nano giây.
Hiện nay để làm van quang học người ta thường dựa vào những hiệu ứng điện, cơ,
quang, hoá, v v Để điều chế hệ số phẩm chất ng
ười ta dùng tế bào Kerr, tế bào Pockell.
Trong lĩnh vực thông tin người ta cũng dùng chúng để điều chế bức xạ Laser.
Những yêu cầu kỹ thuật đối với tinh thể YAG để làm thanh hoạt chất laser
• Bền chắc về cơ học và hoá học để đảm bảo độ bền của môi trường hoạt tính,
• Bền vững về nhiệt độ để chịu được bức xạ bơm lớn và bức xạ laser lớn,
•
Dễ chế tạo về phương diện công nghệ chế tạo và sản xuất hàng loạt,
•
Cho phép gia công cơ khí và gia công quang học (hình dạng, đánh bóng, mài mòn, phủ
lớp phản xạ, làm sần sùi ở xung quanh, làm rỗng lõi…)
•
Đồng nhất quang học cao để đảm bảo tiêu hao và hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng

lượng xung ở mức cao hơn, và khoảng xung dài hơn nhiều . Q – switch được đề xuất lần đầu
tiên vào nă, 1958 bởi Gordon Gould, phát hiện và giải thích một cách độc lập vào năm 1961
hoặc năm 1962 bởi R.W.Hellwarth và F.J.McClung sử dụng công t
ắc điện Kercell chớp trong
laser Ruby.
Nguồn gốc của Q – switch
Q – switch là cái được tạo bởi việc đặt một vài thứ làm thay đổi sự tắt dần phía trong
buồng cộng hưởng laser. Khi sự tắt dần hoạt động, ánh sáng – thứ được phép tăng lên trong
môi trường gia tốc sẽ không quay lại và laser không thể. Sự tắt dần bên trong buồng chứa này
tương ứng với việc giảm hệ số Q hoặc hệ số âm sắc của buồng cộng hưởng quang học. Mộ
t hệ
số Q cao tương ứng với sự mất mát thấp trong buồng cộng hưởng cho mỗi lần quay về của ánh
sáng. Việc biến thiên sự tắt dần thường được gọi là “Q – switch”, khi sử dụng cho kết quả này.
Lúc đầu môi trường laser được bơm trong lúc đó Q – switch ngăn cản sự quay trở lại của ánh
sáng trong môi trường laser (tạo buồng cộng hưởng với Q thấp). Quá trình tạo trong buồng
cộ
ng hưởng sự nghịch đảo độ tích lũy, nhưng sự hoạt động của laser sẽ không thể xảy ra kể từ
lúc không có sự quay trở lại của ánh sáng trong buồng cộng hưởng. Từ đó tốc độ kích phát phụ
thuộc vào số lượng ánh sáng đi vào môi trường gia tốc, tổng năng lượng được tích trữ vào sự
gia tăng môi trường kích thích cũng như là môi trường bơm. Có sự mất mát tự
nhiên và trong
các quá trình khác, sau đó thời gian tích trữ năng lượng chắc chắn sẽ giữ ở mức lớn nhất; môi
trường sẽ được nói là tới mức kích thích. Tại điểm này, công cụ Q – switch thay đổi Q nhanh
chóng từ mức thấp lên mức cao, cho phép sự hồi tiếp và quá trình khuyếch đại quang học bởi
sự phát xạ cưỡng bức bắt đầu. Do giá trị của năng lượng tích lũy lớn trong môi trường gia tốc,
cường độ ánh sáng laser được cộng hưởng rất nhanh; điều này cũng là do năng lượng tích trữ
trong môi trường được làm suy yếu cũng nhanh. Kết quả thu được là xung của ánh sáng laser là
ngắn, được hiểu như là một xung khổng lồ, xung mà có đỉnh cường độ rất cao.
Có hai loại Q – switching
Q – switching chủ động

p thu năng
lượng bởi công suất cao bởi xung laser. Tiếp theo xung, công cụ hấp thu bù lại trạng thái mất mát lớn
của nó trước khi gia tốc sự bù, vì thế xung tiếp theo sẽ trễ cho đến khi năng lượng trong môi trường
tăng tốc được bổ xung đầy. Tỉ lệ xung lặp lại chỉ có thể điều khiển gián tiếp, ví dụ như nguồn bơm
laser không ổn định và số lượng công cụ h
ấp thu bão hòa trong khoang. Điều khiển trực tiếp tỉ lệ lặp lại
có thể làm một cách chủ động bằng việc sử dụng một nguồn bơm xung giống như là một Q – switch bị
động.
Biến thể • Sự không ổn định có thể được giảm bớt bằng việc không giảm Q quá nhiều, vì rằng có một
lượng nhỏ ánh sáng có thể vẫn còn lan truyền trong buồng chứa. Điều này cung cấp một “hạt
giống” ánh sáng – thứ mà sẽ giúp tạo nên xung Q – switch tiếp theo.
• Khoang gom (Cavity dumping): Đầu hai buồng chứa là những gương phản xạ 100%, vì thế
không một tia ra nào được cung cấp khi Q cao. Để thay thế, Q – switch sử dụng “gom” (dump)
tia ra c
ủa buồng chứa sau một thời gian trễ. Buồng chứa Q đi từ thấp tới cao laser bắt đầu hình
thành và sau đó đi từ cao về thấp tới “gom” tia từ tất cả mọi nơi trong buồng chứa. Việc này
cung cấp một xung Q – switch ra ngắn và đều đặn. Những bộ biến điệu Elrctro – optic là những
công cụ thông dụng cho việc này, từ đó chúng có thể dễ dàng thực hiện chức n
ăng gần như là
một tia hoàn hảo “switch” kết hợp tia ra khỏi buồng chứa. Những bộ biến điệu “gom” tia có lẽ
giống như bộ biến điệu trong buồng chứa, hoặc biến điệu lần 2. Một buồng gom có nhiều sự
phức tạp hơn Q – switch bình thường, và cần phải có một cuộn điều khiển để lựa chọn thời gian
tố
t nhất tại nơi gom buồng chứa.
• Phục hồi sự khuyếch đại: Việc phục hồi sự khuyếch đại là khuyếch đại quang học ở vị trí bên
trong khoang Q – switch. Xung ánh sáng từ một laser khác chiếu vào bên trong buồng chứa bởi
một Q thấp cho phép xung đi vào và sau đó gia tăng Q tới xung tiếp giáp của khoang nơi có thể

của các laser rắn như Nd:YAG và các laser pha tạp neodymium. Vật liệu có độ quang phi
tuyến lớn và độ ổn định nhiệt cao. Tuy nhiên nó có thiên hướng gây đổi màu ở bước sóng
1064nm công suất cao sinh ra hoà âm bậc hai và có xu hướng giới hạn khi nó được sử dụng
trong hệ thống có công suất trung bình và thấp.
KTP cũng thường sử dụng như một bộ
tạo dao động thông số quang vùng hồng ngoại
gần đến vùng 4µm. Đặc biệt thích hợp cho hoạt động công suất lớn như một bộ dao động thông
số quang do mức ngưỡng gây nguy hiểm lớn và khẩu độ tinh thể lớn.
KTP cũng được sử dụng như một bộ điều biến điện quang, vật liệu dẫn sóng quang và
trong các bộ kết nối định hướng.
KTP có cấ
u trúc tinh thể trực giao, có độ truyền qua cao đối với các bước sóng giữa
350 nm – 2700 nm với sự truyền giảm dần tới 4500 nm khi đó tinh thể thực sự là chắn sóng.
Hệ số phát sinh họa âm bậc hai lớn gấp 3 lần so với tinh thể KDP (Potassium dihidrogen
phosphate – KH
2
PO
4
).
Tinh thể KTiOPO4 là vật liệu quang phi tuyến duy nhất được sử dụng rộng rãi cho quá
trình tạo hoà âm bậc hai của các laser Nd phát xạ xung quanh 1 µm. KTP đồng thời cũng rất
thu hút đối với các ứng dụng thay đổi thông số quang và thay đổi tổng hoặc hiệu tần số trên
toàn bộ dải truyền qua từ 0.35 µm đến 4.0 µm. Mặc dù một số đặc tính đặc biệt của các vật liệu
khác tốt hơ
n nhưng KTP có một sự kết hợp các tính chất làm cho nó có điểm đặc biệt riêng cho
các ứng dụng quang phi tuyến bậc hai và phát hòa âm bậc hai của laser Nd. KTP là vật liệu phi
tuyến tốt nhất cho laser Nd là laser nổi bật trong những năm gần đây. Nhược điểm chính là yêu
cầu cho quá trình tạo mầm cho các tinh thể này khó, giá thành cao và các tinh thể có kích thước
nhỏ
.

cña SH (0,53
µ
m)
Laser Nd:YAG
MÆt ph¼ng ph©n cùc
cña laser (1,06
µ
m)
a[100]
c[000]Hình 11. Sự định hướng của tinh thể KTP đối với sự tương tác loại II ở bước sóng 1.064
µ
m;
Φ

= 26
0
đối với vật liệu KTP được tạo ra bằng kỹ thuật thủy nhiệt và
Φ
= 21
0
đối với tinh thể
KTP được tạo bằng kỹ thuật dòng

Hình 11 cho thấy hướng tinh thể đối với điều kiện cân bằng pha của tương tác loại II tại
1.06 µm. Các góc ghép pha (phase match) φ đo được từ trục x trong mặt phẳng xy là khác nhau
đối với tinh thể được tạo ra bằng kỹ thuật dòng và kỹ thuật thủy nhiệt.
Các hiệu suất nhân đôi tần số vượt quá 65% nhận được từ KTP được bơm bởi chùm

Độ truyền nhiệt k
1
= 2.0, k
2
= 3.0 k
3
= 3.3 (x10
-2
W / cm / °C)
Mất mát do hấp thụ bước sóng
1.064 µm:

< 1% / cm

Bảng 2.2.
Các tính chất phi tuyến

Các hệ số quang phi tuyến
(x 10
-12
m / V)
d31 = 6.5, d32 = 5.0, d33 = 13.7,
d24 = 7.6, d15 = 6.1
Chỉ số khúc xạ tại 1,064 µm nx = 1.740, ny = 1.747, nz = 1.830
Chỉ số khúc xạ tại 0,532 µm: nx = 1.779, ny = 1.790, nz = 1.887
Type Phase Matching: Loại II
Góc ghép pha với 1.064µm Tạo với trục x 24° trong mặt phẳng xy
Độ rộng phổ 5.6 Å
Độ rộng góc 20 mrad
Nhiệt độ 25 °C – cm

Để hiểu rõ về quá trình tạo hoà âm bậc hai, trước tiên chúng ta tìm hiểu về hiện tượng
quang phi tuyến- một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực quang học. Khi có một
hoặc nhiều sóng điện từ truyền qua bất kỳ môi trường nào thì chúng đều tạo ra sự phân cực
trong môi trường đó. Những quá trình phân cực này đều tạo ra dao động tại những tần số mới
dẫn đến làm tăng sóng
điện trường. Bởi vậy chúng ta gọi hiện tượng này là quá trình tạo hoà
âm, ví dụ, ánh sáng hồng ngoại được chuyển đổi sang ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng tử
ngoại, ánh sáng tia laser Nd:YAG chuyển thành ánh sáng xanh
Thông qua việc sử dụng các phương trình Maxwell, chúng ta mô tả quá trình tương tác
phi tuyến diễn ra như thế nào để dẫn đến việc tạo ra các sóng ứng với các tần số mới trong một
môt trường. Đặc biệt chúng ta sẽ nghiên cứu rõ hơn về quá trình t
ạo hoà âm bậc hai.
Các sóng điện từ và sự phân cực sóng điện từ
Để có thể biểu diễn từ một sự phân cực tạo ra phi tuyến dẫn đến việc tạo ra các sóng
ứng với các tần số mới, chúng ta sẽ sử dụng các phương trình theo lý thuyết điện từ như sau:
Định luật Ampe:
t
D
jH
∂
∂
+= (2.1)
trong đó j(A.m
-2
) là mật độ dòng điện.
Đình luật Faraday:
t
H
E
∂

(2.5)
Trong đó độ phân cực nguồn không tuyến tính (NLS) có các thành phần nhiều bậc:
(
)
∑
=
jk
kjijk
i
LSN
EExP
0
ε
(2.6)
Từ phương trình (2.1) và (2.4) chúng ta có:
NLSr
P
t
t
E
E
t
P
t
E
ErotH
∂
∂
+
∂

2
2
2
0
2
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇
µεεµσµ
(2.8)
Để đơn giản chúng ta bỏ qua tính dị hướng của môi trường. Nói cách khác chúng ta
thừa nhận rằng
ε
r
là vô hướng và divE = 0. Phương trình (2.8) là một cách biểu diễn khác của
phương trình sóng khi có thêm thông số tổn hao (do độ dẫn điện là khác không) và một số hạng
nguồn mới.
Nếu chỉ xét đến các sóng phẳng, khi không xét đến tổn hao chúng ta có thể phân tích
trường hợp này theo tất cả các sóng truyền theo phương z và chỉ có các thành phần điện trường
nằm dọc theo phương x hoặc y. Trong trường hợp này phương trình (2.8) trở thành:
jikij
k
r
k

ε
r
là hằng số điện môi tương ứng với tần số sóng E
k
, và
k
σ
là độ dẫn điện
tương ứng. Các chỉ số i, j, k chỉ có thể nhận các giá trị x và y. Phương trình (2.9) cho thấy rõ
mối quan hệ bền vững giữa các thành phần điện trường khác nhau. Nếu các thành phần điện
trường E
i
, E
j
tương ứng với tần số ω
1
, ω
2
thì rõ ràng là E
k
phải chứa một thành phần của tần số
ω
3
= ω
1
+ ω
2
để hai vế của phương trình (2.9) cân bằng.
Chúng ta có thể biểu diễn các sóng phẳng dưới dạng như sau:
() ()

1
,
.
2
1
,
.
2
1
,
ωω
ωω
ωω
(2.10)
Độ phân cực NLS ở tần số
ω
3
, mà truyền các sóng phát ra tuyến tính ở tần số ω
3
là:
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

19

()
[]
() ()
()()
ccezEzEtzP

Ed
e
dz
zdE
ikezEk
ccezE
z
tz
z
E
zkti
k
zkti
k
zkti
k
zkti
k
k
+
⎥
⎦
⎤
−
⎢
⎣
⎡
+−=
+
∂

ωω
ω
ω
(2.12)
Nếu E
3k
thay đổi đủ chậm theo phương z thì chúng ta có thể thừa nhận rằng
2
3
2
33
//2 dzEddzdEk
kk
>> và bỏ qua số hạng chứa
2
3
2
/ dzEd
k
. Với phép tính xấp xỉ này
chúng ta có:

() ()
()
(
)
()
()
()
ccez

2
3
33
2
3
2
2
2
2
1
,
ωωω
ω
(2.13)
Áp dụng tương tự với:
),(/
22
tzzE
t
i
∂∂
ω
và ),(/
22
tzzE
t
j
∂∂
ω


2121
3333
21
0
2
3
3303
3
33
2
3
4
2
1
2
+−+
−−
+
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−
ωω
ωω
µω
µω

21
33
21
0
2
3
3
333
3
42
+−
−−
+−=
µω
σµω
(2.15)
suy ra:
()
zkkk
jikijk
k
eEEx
i
E
dz
dE
321
210
03
3

j
NLS
+=
−−−
13133
13
0
4
,
ωωω
(2.17)
Có thể dễ dàng chỉ ra rằng:
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

20

()
zkkk
jkkiji
i
eEEx
i
E
dz
dE
123
230
01
1

02
2
2
42
−−−
−−=
ε
εε
µ
ω
εε
µ
σ
(2.19)
Nếu tất cả ba tần số ω
1
,ω
2
,ω
3
là khác nhau và giả định của Kleinman là đúng, chúng ta
có thể bỏ qua các chỉ số của χ
kij
và chỉ cần viết là χ.
Chúng ta có thể sử dụng các phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) để mô tả các quá
trình phi tuyến quan trọng khác nhau.
Phương trình (2.16), (2.18) và (2.19) có thể được viết dưới dạng đơn giản như sau:
kzi
jki
i

3
α
(2.22)
trong đó
123
kkkk −−=∆ (2.23)
.3,2,1;
2
0
== l
l
l
l
εε
µ
σ
α
(2.24)
và
.3,2,1;
2
0
0
== lxk
l
l
l
ε
εε
µ

0
(2.27)
Nếu tinh thể phi tuyến trong suốt với tất cả ba tần số
ω
1
, ω
2
và ω
3
thì các thông số hạng
tổn hao trong các phương trình (2.20)-(2.22) có thể bỏ qua. Mặt khác nếu k
3
=k
1
+k
2
, được gọi
là điều kiện ghép pha, thì chúng ta có hệ ba phương trình đơn giản.
Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm
dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp“

21

kj
i
EEik
dz
dE
321
1

kk .
Cường độ của mỗi sóng là
.3,2,1;
2
0
== l
Z
EE
l
l
ll
l
(2.31)
Trong đó Z
l
là trở kháng đặc trưng cho tần số này và hướng phân cực có liên quan. Giá
trị cường độ thay đổi của mỗi sóng là:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
dz
dE
E
dz

0
1
0
321
1
2
+= (2.33)
Tương tự
()
kjikji
EEEEEE
Z
ik
dz
dI
3
0
2
0
1
0
321
2
22
2
−= (2.34)
và
()
kjikji
EEEEEE

χω
4
l
l
l
Z
k
=
(2.37)
Kết hợp các phương trình (2.23)-(2.35) chúng ta có thể viết lại như sau:

dz
dI
dz
dI
dz
dI
3
3
2
2
1
1
111
ωωω
−==
(2.38)
Hay viết theo các số hạng của mật độ photon N
l
ở mỗi tần số khác nhau: