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 10
17
÷ 10
20
/ cm
3
, 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 A
0
, phổ laser vài chục phần mười A
0
.
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

Al, Fe,
Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức
xạ.
Điển hình: Y
3
Al
5
O
12
( kí hiệu YAG)
Al
2
O
3
( Laser Rubi )
Thủy tinh SiO
2
: 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 Nd
3+
λ= 1,06 μm
Dyprozy Dy
2+
λ= 2,36 μm
Camri Sm
2+
λ= 0,7 μm

o
C với độ ổn định nhiệt 1/ 10
o
C để đảm
bảo đồng nhất.Chất nền của Al
2
O
3
có màu đỏ, khi pha Cr
3+
trở nên màu hồng và
trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím.
4A2
2A
E
R1 R2
4F1
420nm
550nm
4F2
Hình 2.3 Đồ thị mức năng lượng của Ion Cr
3+
Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr
3+
có 2 vạch phổ:
Vạch phổ R
1
khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A
2
.

Hình 2.4 Cấu tạo của laser Rubi
2.1.3 Laser NdYAG
Cấu hình cơ bản là Y
3
Al
5
O
12
, kí hiệu YAG. Trong laser Neodim-YAG, Y
3+

được thay bởi Nd
3+
. Sự suy biến của các mức 4F và 4i là rất lớn, song dịch
chuyển chính xảy ra từ mức 4F
2
xuống 4I
2
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 CO
2

3+

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 Nd
3+
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

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 3S
2
& 2 S
2
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.
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.
6
Đường kính ống to quá cũng làm giảm tốc độ thoát mức tích lũy dưới khi va
chạm nguyên tử Ne với thành ống.
1S
2S
2
3S
2
1152nm
2P
3391nm
1S

/2ne =
λ
2
2L
=
633
2 130 10
2
6
. .
= 15,4.10
-4
nm
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 :
-Phần điều chỉnh chiều dài buồng cộng hưởng gồm có phôtô diôt PD ,

2

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 CO
2
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 CO
2
Dao động đối xứng v
1
( 10
0
0)
Dao động uốn v
2.
( 02
0
0 )
Dao động biến dạng không đối xứng v
3
( 00
0
1 )
Trong phân tử CO
2
có các chuyển dịch mạnh nhất: 00
0

và He làm tác nhân kích thích bơm.
001 v
3
N
2
010
100 v
2
CO
2
10600nm
020 v
1
9600nmHình 2.9 Sơ đồ các mức năng lượng của laser CO
2
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 CO
2
cồng kềnh, tiêu hao khí He.
Laser CO
2
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.
Trong kĩ thuật thường dùng loại laser xung : 10
-6

÷10

0
Năng lượng
điện tử
Chiều dài
tinh thể
Vùng nghèo
điện tử
Vùng giàu
điện tử
Vùng tập trung
lỗ trống
Vùng ít lỗ
trống
Dải dẫn
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 V
0
.
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

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 .
Hình 2.13. SH,DH diode laser cấu trúc sọc
13
Các diode có bước sóng phát xạ gần tia hồng ngoại đặc biệt là 820 nm, 850 nm
904 nm, 1.3
µ
m, 1.5
µ
m .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
µ
m ,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

÷
400
µ
m 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 2
µ
m hoặc nhỏ
hơn. Các tiếp giáp dị thể cũng tạo ra một ống dẫn quang hẹp nên 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 .
15

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 tần số f
1
và f
2
.
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 tia chuẩn có tần số f

Gt
G®
V
CP
f
1
f
2
f
2
- f
1
±∆
f
1
f
1
&f
2
f
1
±∆
f
1
f
2
- f
1
Cb2
cp

I
2
)
1/2
sin [2
π
(
∆
f
±
∆
f
1
)t ]
Ngoài ra, một tín hiệu chuẩn được lấy từ tấm chia chùm cp đặt ngay sau
nguồn laser bằng cảm biến Cb
1
với tần số phách
∆
f

. Tín hiệu đo
∆
f
±
∆
f
1
∆
f
1i.
∆
t
i
/ 2nf
1

Dấu của thành phần
±
∆
f
1
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 tấm 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
±
∆
f
1
.
19
Sơ đồ giao thoa kế đo theo nguyên lý dùng nguồn laser hai tần số có độ nhạy