Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 2

Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh thể hoặcchất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặcion tạp chất.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 2 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 hoặcchất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặcion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 , lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laserkhí, nên độ nghịch đảo rất lớn.Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đạilaser rắn rất lớn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn chất khí nhiều tiêu hao dotán xạ lớn và hệ số phẩm chất của hốc cộng hưởng sẽ nhỏ. Điều này sẽ hạnchế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm. Do độ đồng chất quang học nhỏnên 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 lớnnên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng , phổ tựnhiên vài chục A0 , phổ laser vài chục phần mười A0 . Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng cácđèn chớp sáng. Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, hai mặt đầu màivà đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Khi lợi dụng tính chất phản xạ toànphần thì một đầu gương có dạng chóp với góc ϕ < 2arcos(1/n). Để khử daođộng kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là chất không tham gia trực tiếpvào quá trình bức xạ laser, nó là đơn tinh thể hoặc vô định hình. Môi chất lasercó tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định. ϕ < 2arcos(1/n) Hình 2.1Các dạng thanh hoạt chất của laser rắn 1 Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sónglaser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồngnhất quang học cao laser. Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MoO4,, HF -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 ,với Me là kim loại: Al, Fe,.... Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quảbức xạ. Điển hình: Y3Al5O12 ( kí hiệu YAG) Al2O3 ( Laser Rubi ) Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo và độ đồng nhất cao, kém bền nhiệtvà 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 Nd3+ λ= 1,06 μm Dyprozy Dy2+ λ= 2,36 μm Camri Sm2+ λ= 0,7 μm Ecoi Er2+ λ= 1,61 μm. Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser. Nồng độ hạt bức xạ tănglàm tăng công suất, khi đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống củacác hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra giảm Nguồn bơm gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạtchất. Hiệu suất nguồn bơm ηb bằng tỉ sô giữa năng lượng bức xạ hoạt chất hấpthụ với công suất nguồn bơm. Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụlà cao nhất, do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng bơmxung là tốt nhất . Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành nănglượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọntần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý. G ¬ng b¸nG ¬ng ph¶n x¹ ph¶n x¹ 2 Hình 2.2 Các dạng bơm của laser rắn 2.1.2 Laser Rubi Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 vớicác ion Cr3+ . Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độbền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt . Kéo ở 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10oC để đảm bảo đồng nhất.Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr3+ trở nênmàu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím. 4F1 4F2 2A 420nm E R1 R2 550nm 4A2 Hình 2.3 Đồ thị mức năng lượng của Ion Cr3+ Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2. Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2. Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2. Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức củatrạng thái năng lượng Ví dụ T= 300 o K T= 300 o K R1 694,3 nm 693,4 nm R2 692,8 nm 692,0 nm Công suất laser Rubi đến vài chục wat, ở chế độ xung τx = 10 ms đến vàikW. Ở chế độ liên tục dù chỉ vài c ...