Các loại Laser_Lớp Cao học Vật lý Nha Trang 2011

1
Common Lasers
Các Laser thông dụng
2
Nội dung
Giới thiệu chung
Các loại laser phổ biến (khí, rắn, lỏng, bán dẫn)
He-Ne
N2
CO2
Hơi Au, Cu
Excimer
Ruby
Nd
Màu hữu cơ
Điện tử tự do
Bán dẫn
3
Các phương pháp phân loại
Các tiêu chí phân loại:
Trạng thái của môi trường hoạt tính: solid, liquid, gas, plasma,..)
Vùng phổ của bước sóng laser: visible spectrum, Infra-Red (IR) spectrum, etc.
Phương pháp bơm (kích thích): Optic pumping, Electric pumping, etc.
Các đặc trưng của bức xạ laser: CW, pulsed,…
Số mức năng lượng tham gia vào quá trình phát laser: 3-level, 4-level.
4
Các laser khí (Gas Lasers)
Đặc điểm chung
Một số hệ laser khí thông dụng
Laser nguyên tử (He-Ne)
Laser phân tử (N2, CO2)
Laser hơi kim loại (Au, Cu)
Laser Excimer
5
Các đặc điểm chung của laser khí
Hầu hết nguyên tố ở trạng thái khí đều có thể phát laser.
Rất nhiều nguyên tử, phân tử có thể phát laser.
Đa số laser khí là áp suất thấp (vài milli-torr).
Lý do là:
Để có thể tạo ra sự phóng điện trên một khoảng cách xa giữa các điện cực.
Để thu được vạch phổ hẹp (không bị mở rộng do va chạm).
Một số laser khí đặc biệt có áp suất cao (hàng trăm torr)
Laser khí đầu tiên (Helium-Neon laser) được chế tạo năm 1961, một năm sau khi laser đầu tiên trên thế giới ra đời (laser Ruby).
Laser khí đầu tiên (Helium-Neon laser) phát bước sóng vùng hồng ngoại gần (1152,27 nm, Near Infra-Red).

6
BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ
7
BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ
8
Các nhóm laser khí
Nguyên tử (Atoms) - The laser active medium is composed of neutral gas atoms such as Helium-Neon and Copper Vapor.
Ion (Ions) - The laser active medium is composed of ionized gas such as Argon ion gas or Helium-Cadmium gas.
Phân tử (Molecules) - The laser active medium is composed of gas molecules, like Carbon Dioxide (CO2), Nitrogen (N2), Excimer laser, Chemical lasers (HF, DF), Far Infra-Red (FIR) laser.
9
Kích thích (bơm)
Có 2 kỹ thuật chính:
Phóng điện (Electrical Discharge )
Bơm quang học (Optical Pumping )
10
He-Ne Laser
Giới thiệu chung
Nguyên lý hoạt động
Đặc điểm
Ứng dụng
11
Giới thiệu
Helium-Neon laser là laser phổ biến nhất trong (cho đến gần đây, khi diode laser ra đời).
Do Ali Javan, William Bennet Jr. và Donald Herriot tại Bell Labs phát minh lần đầu năm 1961.
Ali Javan, William Bennett, and Donald Herriott adjust the helium neon laser, the first laser to generate a continuous beam of light at 1.15 microns and the first of many electrical discharge pumped gas lasers.
12
Nguyên lý hoạt động
Môi trường hoạt tính (active medium) là khí hiếm Neon (Ne), và là laser 4 mức (khí He là khí đệm)
Có 2 mức siêu bền có vai trò là các mức laser trên, và 2 hai mức laser dưới. Do đó, có thể phát ra vài bước sóng laser.
Các bước sóng chính:
0.6328 [m] (632.8 nm); 1.152 [m], 3.3913 [m];
Energy Level Diagram of He-Ne Laser
Vai trò của khí He: tăng hiệu suất bơm (~200 lần) nhờ hiệu ứng truyền năng lượng:
He hấp thụ tốt sóng bơm
He có mức năng lượng kích thích tương tự mức kích thích của Ne
13
Đặc điểm
Thường phát bước sóng 632,8 nm (đỏ)
Có thể phát tại 543,5 nm (xanh lục), hoặc hồng ngoại
Hoạt động ở chế độ liên tục, 1-100 mW
Điện áp nuôi: ~ 1000 V
Dòng phóng điện qua ống khí ~ 10 mA
14
Cấu tạo
Cấu trúc của laser He-Ne gồm 3 bộ phận chính:
Plasma Tube.
Optical Cavity.
Power Supply.
15
Plasma Tube of He-Ne Laser

Ống trong: đường kính ~ 2 mm, dài 10-100 cm.
Ống ngoài: đường kính 2,5 cm.
Hỗn hợp khí: tỷ lệ Helium : Neon từ 5:1 đến 20:1.
Áp suất khí: 0.01 Atmosphere (» 10 [torr]).
Các điện cực được nối với nguồn cao áp (~1000 V), bảo đảm cho sự phóng điện khí
16
Cấu trúc 1 BCH laser He-Ne
17
Laser He-Ne thương phẩm

Wavelength: 632.8 (543,5) [nm]
Output Power: 0.5-50 [mW]
Beam Diameter: 0.5-2.0 [mm]
Beam Divergence: 0.5-3 [mRad]
Coherence Length: 0.1-2 [m]
Power Stability: 5 [%/Hr]
Lifetime: >20,000 [Hours]
18
Ứng dụng
Chuẩn tầm, chuẩn mức
Ứng dụng y học
Sử dụng làm nguồn kích thích trong phép đo phổ huỳnh quang
19
CO2 Laser
20
Giới thiệu
Carbon dioxide laser (CO2 laser) do Kumar Patel tại Bell Labs phát minh năm 1964.
Là một trong những laser được ứng dụng rộng rãi nhất
Là một trong những laser liên tục có công suất lớn nhất hiện nay.
Hiệu suất bơm khá cao: ~ 20%.
Phát vùng hồng ngoại, từ 9.4 đến 10.6 m.
21
Các mode dao động của phân tử CO2
Laser CO2 đầu tiên của C. Patel (1964) chỉ có khí CO2 thuần, năng lượng ra thấp.
Phân tử CO2 là phân tử tạo chuyển dời laser, nhưng các khí phụ có thể trộn thêm để nâng cao hiệu suất.
Laser CO2 tiêu chuẩn: môi trường hoạt tính là hỗn hợp khí CO2 + N2 + He. Tỷ lệ tối ưu giữa các thành phần khí phụ thuộc từng hệ laser riêng và cấu hính kích thích. Nói chung, một laser CO2 liên tục có tỷ lệ khí là

CO2:N2:He - 1:1:8
CO2 là phân tử thẳng, 3 nguyên tử nằm trên cùng một trục thẳng, nguyên tử Carbon nằm giữa.
Ba mode dao động của phân tử CO2:
- Co giãn đối xứng (Symmetric stretch mode): (1)
- Uốn (Bending mode): (2)
- Co giãn phi đối xứng (Asymmetric stretch mode): (3)
Oscillation Modes of CO2 Molecule
22
Nguyên lý hoạt động
Các chuyển dời phát laser:
Chuyển dời từ mức laser trên (co giãn phi đối xứng) xuống mức dưới (mode co giãn đối xứng): 10.6 μm.
Chuyển dời từ mức laser trên (co giãn phi đối xứng) xuống mức dưới (mode uốn): 9.6 μm.
Đảo lộn mật độ xảy ra khi:
Các điện tử do dòng phóng điện khí sinh ra, kích thích chuyển động của N2. Các phân tử N2 có các mức năng lượng kích thích siêu bền.
Sự va chạm truyền năng lượng giữa N2 và CO2 có hiệu suất đủ cao để các phân tử CO2 được bơm lên các mức kích thích dao động, và tạo ra đảo lộn mật độ giữa các mức laser của CO2.
Energy Level Diagram of N2 and CO2 in Laser
- laser 4 mức
Mỗi mức năng lượng dao động có nhiều mức quay. Các chuyển dời có thể xảy ra giữa các mức dao động với các mức quay khác nhau, vì vậy có nhiều vạch laser xung quanh các chuyển dời giữa các mức quay chính.
23
Các đặc điểm của laser CO2

Công suất cao. Các laser CO2 CW (liên tục) thường có công suất > 10,000 watts.
Phổ ra: hồng ngoại (Infra-Red, IR): 9-11 mm.
Hiệu suất rất cao: tới 30%.
Có thể hoạt động cả chế độ xung và liên tục.
Công suất trung bình: từ 75 W (khí luân chuyển chậm) tới ~hàng trăm W (khí chảy nhanh).
Dễ hoạt động, khí không độc hại.
24
Các loại laser CO2
Ba loại chính:
Khí lưu chuyển (xả liên tục) (Flowing CO2 laser): công suất cao hàng trăm W
Khí đóng kín (thỉnh thoảng phải đổi khí mới) (Sealed off CO2 laser ): công suất thấp (vài trục W)
Loại mới: vỏ bình là kim loại và bơm bằng sóng radio (RF)
Phóng điện ngang ở áp suất thấp (TE)
Phóng điện ngang ở áp suất khí quyển (TEA)
Phóng điện dọc
25
Cấu tạo
Loại khí chảy:
Các khí thành phần được trộn với nhau trong BCH trong khi chảy qua bình
Cần bơm chân không
Loại khí đóng:
Các khí thành phần được trộn sẵn với nhau trong bình
Không có bơm chân không
26
Ứng dụng
Laser CO2 năng lượng cao được ứng dụng nhiều trong công nghiệp cắt, hàn.
Laser CO2 năng lượng thấp được dùng trong quang khắc.
Đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong y học (bởi vì hơi nước trong tế bào sinh học hấp thụ tốt bước sóng của laser CO2.
laser surgery
skin resurfacing ("laser facelifts")
dermabrasion
Được ứng dụng nhiều trong quân sự và LIDAR (do khí quyển hầu như truyền qua tòan bộ ánh sáng laser CO2).
27
Nitrogen Laser
Laser khí Nitơ
28
Nội dung
Giới thiệu
Nguyên lý hoạt động
Đặc điểm cấu tạo
Các ứng dụng
29
Giới thiệu
Laser Nitơ (Nitrogen laser) do H.G. Heard phát minh lần đầu năm 1963 và trở thành thương phẩm từ 1972
30
Nguyên lý hoạt động
Môi trường hoạt tính: khí Nitơ áp suất từ 20  760 torr (1At).
Cấu hình ống khí: lưu chảy (gas flows), bình kín (sealed tube).
Cơ sở hoạt động: chuyển dời giữa các mức năng lượng dao động của phân tử Nitơ, được kích thích nhờ phóng điện qua thể tích khí.
Energy level diagram of Nitrogen
Transitions between vibration energy levels
Electrically excited
Cần bơm (kích thích) cho mức laser trên với tốc độ rất nhanh: bơm xung (sườn lên < 20ns)
31
Đặc điểm

Bức xạ vùng tử ngoại (UV region): 337.1 nm.
Rất dễ hoạt động, không đắt tiền.
Độ khuếch đại một lần truyền cực lớn, không cần gương phản xạ tạo BCH
Laser phát siêu bức xạ (superradiant laser)
Công suất xung rất cao, có thể tới vài Mega-Watts.
Tần số xung: tới kHz - bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiệt.
Chiều dài xung: tới 10 ns.
Năng lượng một xung: vài mJ.
Phổ tương đối rộng: ~ 0,1 nm (do chuyển dời từ các mức điện tử - dao động xuống các mức điện tử - dao động của N2)
Hiệu suất : khoảng 0.1 %.
32
Cấu tạo laser TE N2
Loại áp suất thấp:
Cần bơm chân không.
Độ rộng xung từ 5- 10ns
Tiết diện ngang từ 10mm - 2mm.
Loại áp suất khí quyển (TEA-Transverse Electrical-discharge at Atmospheric pressure, 760 Torr):
không cần bơm chân không
Tiết diện ngang từ 1,5 mm – 3 mm
Thời gian phóng điện: nhỏ hơn 10 lần so với loại 1.
33
Cấu tạo
Cấu tạo của một laser nitơ phóng điện ngang (TE-Nitrogen-laser)
34
Hình ảnh kênh phóng điện
35
Cấu tạo của một bản tụ mỏng
36
Ứng dụng của laser Nitơ
Bơm laser màu
Đo độ ô nhiễm khí
Quang phổ UV
Đo huỳnh quang vật liệu
Kiểm tra mẫu không phá hủy
Đo các quá trình cực nhan (Chuẩn thời gian cực nhanh và ion hóa trong buồng nhấp nháy đếm hạt cơ bản trong các máy gia tốc)
Y học
37
Laser Hơi Kim Loại
Laser hơi kim loại: môi trường hoạt tính là hơi của các nguyên tử kim loại.

Có 2 loại khác nhau:
Laser hơi nguyên tử kim loại trung hòa (Neutral metal vapor lasers), gồm có:
Laser hơi Đồng Copper vapor laser (CVL).
Laser hơi Vàng Gold Vapor Laser (GVL).
Laser hơi nguyên tử kim loại bị ion hóa:
Laser Helium-Cadmium (He-Cd) Laser.

Các laser hơi kim loại đều hoạt động vùng khả kiến ở chế độ xung nhanh, hiệu suất cao


38
Laser hơi Đồng
39
Laser Hơi Đồng
Laser hơi đồng (CVL) được phát minh năm 1966 và thương mại hóa từ 1980.
Là một laser có sức hấp dẫn lớn do: Hiệu suất tương đối cao (up to 1%) trong vùng khả kiến, và công suất xung cao.
Cấu trúc:
Ống phóng chứa một khí trơ (Ne, 25-50 torr) và một lượng nhỏ đồng tinh khiết.
Để làm cho đồng bay thành hơi: kim loại cần được nung tới nhiệt độ rất cao (vỏ ống thường chế từ Alumina or Zirkonia là loại vật liệu chịu nhiệt).

40
Nguyên lý hoạt động
Nhiệt độ hóa hơi của Cu là 10830C. Hơi đồng được tạo ra trên điểm hóa hơi có nồng độ đủ cho hoạt động laser.
Khi có đánh thủng điện tích do điện áp cao giữa các điện cực, nhiệt độ tăng làm nóng chảy và bay hơi đồng trong ống. Khi đó áp suất hơi đồng khoảng 0.1 Torr và nhiệt độ thành ống cỡ 1400-15000C.
Các điện tử chuyển động với gia tốc lớn giữa 2 điện cực cao áp, va đập vào các nguyên tử Cu, kích thích chúng lên các mức (2) năng lượng laser trên.
Khi laser hoạt động, chỉ một tỷ lệ nhỏ các nguyên tử đồng được ion hóa, chúng chuyển động giữa các đầu ống và do va chạm với thành ống, nhiệt độ hơi đồng giảm đi, và đồng lại trở về trạng thái kim loại (rắn). Như vậy, thể tích hơi đồng giảm. Để duy trì, sau vài trăm giờ hoạt động phải được lượng đồng mới vào.
Sơ đồ 3 mức
41
Đặc điểm
Laser hơi đồng phát 2 bước sóng:

1 = 510.6 [nm] (Green),
2 = 578.2 [nm] (Yellow)
Laser hơi đồng chỉ hoạt động ở chế độ xung. vì:
Cả mức laser trên và dưới đều là siêu bền (meta-stable ) với thời gian sống tới hàng trăm micro-seconds. 
Do mật độ các mức năng lượng này tăng nhanh, laser sẽ dừng hoạt động chỉ trong một thời gian ngắn (khi điều kiện đảo lộn không còn).
Sau khi ngừng phát laser, các nguyên tử ở mức năng lượng bên dưới hồi phục về trạng thái cơ bản do va chạm với thành bình.
Khi đó laser lại có thể phát xung mới
Thời gian mỗi xung laser cỡ < 100 ns - 0.1 msec.
Có độ khuếch đại rất cao, có thể phát laser không cần BCH
Hiện nay đang có những nghiên cứu về laser hơi đồng nhiệt độ thấp hơn 4000C nhờ sử dụng muối Đồng (ví dụ như CuCl).
42
Ứng dụng của CVL
1. Nguồn bơm cho các laser màu Dye lasers (xung)
2. Nguồn sáng trong kỹ thuật chụp ảnh tốc độ cao (do bước sóng khả kiến, xung cực ngắn, tần số rất cao)
3. Giám định pháp y (hiện vân tay, dấu vết đặc biệt nhờ huỳnh quang)
4. Trị liệu Quang động học (Photo-Dynamic-Therapy, PDT) )
Phá hủy chọn lọc các tế bào nhờ dùng các thuốc đặc hiệu hấp thụ bước sóng laser hơi đồng.
5. Làm giàu Uran (Enrichment of Uranium, U235)
43
Laser Hơi vàng
William T. Silfvast, “Laser fundamental” 2nd edition, Cambridge
44
Giới thiệu
Laser hơi vàng (Gold Vapor Lasers) tương tự như laser hơi đồng (Copper Vapor laser) cả về nguyên lý cũng như cấu trúc.
Hai loại laser này có thể dùng chung một hệ thống ống phóng và nguồn điện, chỉ cần thay các kim loại đưa vào (đồng hay vàng).
Bước sóng laser (đỏ): 628 [nm].
Ứng dụng:
điều trị ung thư bằng liệu pháp quang động học (Photo-Dynamic Therapy - PDT).
Phân tách đồng vị, làm giàu uranium
45
PDT-Quang động học trị liệu
Shown is close up of surgeons` hands in an operating room with a "beam of light" traveling along fiber optics for photodynamic therapy. Its source is a laser beam which is split at two different stages to create the proper "therapeutic wavelength". A patient would be given a photo sensitive drug (photofrin) containing cancer killing substances which are absorbed by cancer cells. During the surgery, the light beam is positioned at the tumor site, which then activates the drug that kills the cancer cells, thus photodynamic therapy (PDT).
from cancer.gov http://visualsonline.cancer.gov/details.cfm?imageid=2340
46
Laser Eximer
Laser excimer hoạt động ở chế độ áp suất cao và kích thích bằng xung, trục quang học của laser vuông góc với hướng dòng chảy và dòng điện
47
Giới thiệu

Laser Excimer: một loại laser có môi trường hoạt tính đặc biệt
Excimer: là một loại phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích.
Trong trạng thái cơ bản: các phân tử này bị phân ly thành các nguyên tử thành phần.
Trạng thái kích thích có thời gian sống cực ngắn, < 10 ns.
Excimer là viết tắt từ exited dimer, tức là phân tử gồm 2 nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích.
Đôi khi còn gọi là laser "Exiplex“ (laser phức).

48
Historic Development of Eximer Lasers
Do các nhà bác học Liên Xô cũ phát minh năm 1971 (Basov, Danilychev, và Popov).
Laser đầu tiên đó phát bức xạ cưỡng bức tại bước sóng 172 [nm] từ khí Xe2 (dimer) ở nhiệt độ thấp, bơm bằng chùm điện tử.
Laser Excimer khí hiếm đầu tiên là dùng halogen (XeBr) năm 1975 do Searl và Hart phát minh.
49
Nguyên lý hoạt động
Energy levels in the Excimer Laser
R là nguyên tử khí hiếm (Ar, Kr, Xe)
H là halogen (F2, Cl2, Br2, HCl, NF3)
Chỉ trong giếng thế (potential well) ở trạng thái kích thích mới tồn tại các phân tử RH* (thời gian sống~10 ns)
Ở trạng thái cơ bản: các nguyên tử R và H* phân ly.
Các điện tử được gia tốc trong buồng phóng khí: truyền năng lượng cho các phân tử khí bằng va chạm.
Các phân tử khí hiếm và halogen bị phá vỡ và tạo ra các phân tử phức ở trạng thái kích thích.
50
Nguyên lý hoạt động
Cơ chế hoạt động của Laser excimer
e + Kr = Kr* + e hoặc e + Kr = Kr+ + 2e
Các điện tử e va chạm với các nguyên tử Kr truyền năng lượng
Hiện tượng tương tự đối với phân tử Flo
e + F2 = F + F- + e
Kết quả là
Kr+ + F- + buffer = KrF* +buffer
Nhận xét: loại laser này dễ dàng tạo được nghịch đảo độ tích lũy vì không tường minh trạng thái laser dưới nhưng sự mất mát năng lượng khá lớn vì thời gian tồn tại của phân tử là rất ngắn → yêu cầu tốc độ bơm cao
51
Nguyên lý hoạt động
Hệ số tăng trưởng của môi trường
Trong đó s(w) là tiết diện hấp thụ liên quan đến hệ số chuyển dời tự phát Aik
52
Đặc điểm
Thành phần hỗn hợp khí:
Rất ít halogen (0.1-0.2%).
Ít khí hiếm (Argon, Krypton hoặc Xenon).
Nhiều khí đệm (Ne, hoặc Helium): 90%
Các nguyên tử halogen có thể hình thành từ các đơn phân tử (F2, Cl2, Br2) hoặc đa phân tử (HCl, NF3.)
Ưu điểm của việc sử dụng các halogen hỗn hợp: chúng có hoạt tính hóa học mạnh (nhất là các Fluorine): hiệu suất laser cao.
Hiệu suất cao: không cần BCH, hay chỉ cần 1 gương 100%
Cần kích thích nhanh và mạnh (100 kW - MW/cm3): cấu trúc TEA
Lưu ý: chú ý an tòan vì hoạt động với các khí độc
53
Đặc điểm (tiếp)
Laser Excimer lasers phát vùng tử ngoại.
Bức xạ chỉ phát trong thời gian xung ngắn.
Độ rộng xung: pico-giây đến micro-giây (10-12-10-6 se]).
Áp suất khí trong buồng: cao, 1-5 At.
Hiệu suất laser trung bình: ~vài %.
54
Các laser Excimer phổ biến
55
Ứng dụng
Do có năng lượng photon lớn, laser Excimer là công cụ tuyệt vời để cắt các loại vật liệu (cutting)
Photolithography (chính xác tới micron)
Vi phẫu tế bào sinh học
Y học: khoa mắt (sửa khuyết tật thị giác)
Đánh dấu bề mặt (quang khắc)
56
PRK (Photorefractive Keratectomy)
- chữa tật khúc xạ mắt bằng laser
Photorefractive keratectomy (PRK) is a procedure in which the surface of the cornea is reshaped by an ophthalmologist using an Excimer laser. PRK may be used to treat myopia (nearsightedness), hyperopia (farsightedness), or astigmatism. PRK does not involve creation of a corneal flap utilizing the microkeratome, and therefore, the protective superficial layers of the cornea must heal post-operatively. This generally means that patients who undergo PRK will require significantly more time than LASIK patients to achieve their best vision. 

57
LASIK (Laser Assisted In-Situ Keratomileusis) – phẫu thuật giác mạc
LASIK (Laser assisted in-situ keratomileusis) is a refractive surgical procedure that results in rapid recovery of vision and has the capability to benefit patients with nearsightedness, farsightedness, and astigmatism by reducing dependence on eyeglasses and contact lenses.
Millions of people worldwide have already undergone this exciting and marvelous procedure. Nearly a million people in the U.S. underwent LASIK in 1999 and approximately 1.3 million underwent the procedure in 2000.
The great majority of individuals who wear glasses or contacts may now benefit from LASIK. Candidates must be at least 18 years of age.

58
Solid State Lasers
Laser Rắn
59
Giới thiệu
Laser rắn:
môi trường hoạt tính là chất rắn
Bơm quang học (Optical Pumping)
Các phân tử, nguyên tử trong chất rắn nằm sát nhau (so với chất khí) nên tương tác với nhau mạnh, do đó, vùng phổ hấp thụ và bức xạ rộng hơn nhiều so với chất khí. Như vậy, có thể dùng các nguồn sáng phổ biến làm nguồn bơm có phổ bức xạ rộng
.
Bơm quang học (Optical Pumping): các photon từ nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt tính, truyền năng lượng kích thích cho các tâm hoạt tính.
Hai loại nguồn sáng phổ biến trong bơm quang học laser rắn:
Phổ điện từ băng rộng (đèn Flash lamps, đèn hồ quang,…)
Phổ điện từ băng hẹp (các laser khác).
60
Cấu trúc của môi trường hoạt tính trong Laser rắn
Các ion tạp được đưa vào mạng (thay thế các nguyên tử nền), các mức năng lượng tham gia vào quá trình phát laser là của các ion pha tạp. Nền không ảnh hưởng nhiều lên cấu trúc mức năng lượng. Do đó, cùng loại ion pha tạp trong những nền khác nhau nói chung đều phát bước sóng gần như nhau.
Các đặc tính quang học của laser về cơ bản do ion pha tạp quyết định.
Nói cách khác, các đặc tính vật lý của môi trường hoạt tính (như độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt) là do nền rắn quyết định.
Như vậy, nền rắn sẽ xác định mức công suất cực đại mà laser có thể phát được, còn ion pha tạp quyết định bước sóng bức xạ laser phát ra.
61
Bố trí đèn bơm và thanh hoạt tính
Methods of Optical Pumping of Solid State Lasers
62
Phổ hấp thụ của môi trường hoạt tính
Absorption spectrum of Ruby
Absorption spectrum of Nd:YAG
Hai vùng hấp thụ (để bơm) quan trọng nhất: 730-760nm và 790-820nm.
Các vùng hấp thụ khác: nằm gần UV nên nếu bơm bức xạ có bước sóng vùng này có thể làm nóng môi trường khuếch đại. Các hệ KĐ không dùng các bước sóng vùng này để bơm
Hai đám hấp thụ rộng quanh 400nm và 550nm.
Các nguồn bơm có bức xạ trong miền phổ blue-green sẽ bơm laser Ruby hiệu quả nhất.
63
Ruby Laser
64
Giới thiệu
Ruby laser was the first man made laser, which was build by Theodore Maiman in 1960.
Ruby is a synthetic crystal of Aluminum Oxide (Al2O3), and is more familiar in daily life as a precious stone for jewel.
The chemical structure of Ruby is of Al2O3 (which is called Sapphire), with impurity of about 0.05% (by weight) of Chromium Ions (Cr+3).
The active ion is Cr+3, which replace Al atom in the crystal. This ion causes the red color of the crystal. The impurity ion of Cr+3 is responsible for the energy levels which participate in the process of lasing. 
65
Nguyên lý hoạt động
The energy level diagram of a Ruby laser is described in figure
This system is a three level laser with lasing transitions between E2 and E1.
The excitation of the Chromium ions is done by light pulses from flash lamps (usually Xenon).
The Chromium ions absorb light at wavelengths around 545 [nm] (500-600 [nm]). As a result the ions are transferred to the excited energy level E3.
From this level the ions are going down to the metastable energy level E2 in a non-radiative transition. The energy released in this non-radiative transition is transferred to the crystal vibrations and changed into heat that must be removed away from the system.
The lifetime of the metastable level (E2) is about 5 [msec].
Ruby laser has another absorption band which can be used for pumping, in the spectrum range: 350-450 [nm].
It is difficult to achieve continuous operation of a Ruby laser since it is a three level laser. However, in 1962, by using very intensive pump, using arc lamp with high pressure Mercury vapor, a continuous wave Ruby laser was build.

Energy Level Diagram of Cr3+ in Ruby Laser
66
Ứng dụng
67
Summary of the Ruby Laser
According to Classification into Groups
A solid state laser.
Emit radiation in the red range of the visible spectrum.
Optically pumped.
The radiation is emitted as pulses.
A three level laser.
68
Nd Laser
69
Giới thiệu
In Nd laser Nd+3 ions (as impurities of up to a few percent by weight) are replacing the atoms of the solid host in the active medium.
Three known solid hosts are used for Nd-YAG laser where Nd+3 ions are added as impurities:
Glass.
YAG (Yttrium Aluminum Garnet) Crystal.
YLF (LiYF4) Crystal.
The choice between the three possible hosts is according to the intended use of the laser:
Glass is used as the host material when a pulsed laser is needed, with each pulse at high power, and the pulse repetition rate is slow.
The active medium of Nd-Glass Laser can be manufactured in a shape of disk or rod, with diameters of up to 0.5 meter (!) and length of up to several meters (!). Such dimensions are possible because glass is isotropic material, cheap, and can be easily worked to the right shape. High percentage (up to about 6%) of Nd ions can be added to glass as impurity.
The problem with glass as a host is its poor thermal conductivity. Thus cooling the laser when it operates continuously or at high repetition rate is difficult.
YAG crystal is used for high repetition rate pulses (more than one pulse per second). In this case a large amount of heat need to be transferred away from the laser, and the thermal conductivity of the YAG crystal is much higher than that of glass. YAG crystal with the high quality needed for lasers can be made with diameters of 2-15 [mm] and at lengths of 2-30 [cm].
The price of a YAG laser rod is high, since growing crystals is a slow and complicated process.
The percentage of Nd ions in the YAG host is 1-4% by weight.
70
Giới thiệu


Các laser rắn và ứng dụng
71
Thanh laser
72
Đèn bơm
73
Nguyên lý hoạt động
Laser Nd là laser 4 mức.
Nd ions have two absorption band, and excitation is done by optical pumping, either by flash lamps for pulsed lasers, or by arc lamps for continuous wave lasers.
From these excited energy levels, the Nd ions are transferring into the upper laser level by a non radiative transition.
The stimulated emission is from the upper laser level to the lower laser level, and the wavelengths of the emitted photons are around 1.06 [mm].
From the lower laser level, a non-radiative transition to the ground level.

Energy Level Diagram of Nd3+ in Nd-YAG Laser
74
Cơ chế bơm
75
Cấu tạo một laser Nd:YAG
76
Các ưu điểm chính
77
Ứng dụng
78
Summary of Nd lasers according to groups:
Solid state laser.
Emit in the Near-Infra-Red (NIR) spectrum range.
Optically pumped.
Operate in both pulsed and continuous mode.
Four level laser.
79
Hệ laser Nd (Shiva laser – 20 chùm)
a powerful 20-beam infrared neodymium glass (silica glass) laser built at Lawrence Livermore National Laboratory in 1977
the laser`s multi-beamed structure used of amplifiers made of Nd:glass slabs
the beamlines were about 30 m long
80
Hệ laser Nd (NOVA – 10 chùm)
- The NOVA laser at Lawrence Livermore National Laboratory
- The view of 5 beams of the 10 beam NOVA laser are shown shortly after the laser`s completion in 1984.
81
Dye Laser
Laser Màu
82
Giới thiệu
1965 Peter P. Sorokin và J. R. Lankard; 1966, F. P. Schapfer, B. I. Stepanov, .. chế tạo nên các laser màu đầu tiên
môi trường hoạt tính là các vật liệu màu hữu cơ pha trong các dung môi, hoạt động trong vùng từ 311 – 1300 nm, ở chế độ băng rộng hay băng hẹp, xung hay liên tục.
Đặc điểm nổi trội nhất của laser màu - khả năng điều chỉnh bước sóng trong miền phổ rộng với độ đơn sắc cao (cỡ 10-3Å). Là ứng dụng lý tưởng cho kỹ thuật lọc lựa, nghiên cứu cấu trúc vi mô, siêu tinh tế của nguyên tử, phân tử.

Laser màu được coi là một thiết bị đặc biệt biến đổi bức xạ điện từ từ 1 bước sóng thành các bước sóng khác nhau (có thể thay đổi được).

Tín hiệu ra của laser màu thường là bức xạ kết hợp có khả năng quét trong 1 vùng phổ nào đó (do chất màu quyết định).

Hiện nay có hàng trăm chất màu đã được tổng hợp, cho phép phát laser trực tiếp từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại
83
Phổ hoạt động của một số chất màu laser
84
85
Phân tử màu hữu cơ
Rhodamin B Acid Blue 120
86
Active Medium and Energy Levels in Dye Laser
Phân tử màu là phân tử hữu cơ chứa một số lớn các cấu trúc mạch vòng phát quang.
Môi trường hoạt chất của laser màu là chất màu hữu cơ đượchòa tan trong dung môi.
Bởi vì tương tác cấu trúc các mức năng lượng của chất màu hữu cơ là một băng rộng do các mức dao động, phổ huỳnh quang của loại môi trường này là một băng rộng.
Absorption Spectrum (solid line) and
Emission Spectrum (dashed line)
of Rhodamin 6G in Methanol
Các phân tử màu hữu cơ hấp thụ và bức xạ trong một vùng phổ rộng. Toàn bộ các dịch chuyển trong dải năng lượng tạo thành một vùng bước sóng liên tục.

Thực tế là dải năng lượng rộng này do thời gian sống trên trạng thái kích thích rất ngắn gây nên vì hai nguyên nhân:
Tồn tại một số dịch chuyển laser khả dĩ
Số va chạm giữa các phân tử màu trong dung dịch là khá lớn nên sự truyền năng lượng do va chạm gây nên sự suy giảm nhanh của trạng thái kích thích.
87
Phân tử màu Pyrromethene 576
- phổ hấp thụ : đường liền nét
- phổ huỳnh quang : đường chấm chấm
88
Cấu trúc năng lượng và các chuyển dời quang học của phân tử màu – nguyên lý hoạt động của laser màu
Energy Level Diagram of Dye Laser with Singlet and Triplet levels
89
S0
S1
e
n2
n4
S00
S0
S1
S10
S1
S0
n1
n3
Cơ chế làm việc của laser màu với sơ đồ 4 mức và các dịnh chuyển theo nguyên lý Franck-Kodon
Bức xạ l
sp≈ns

Hấp thụ P
90
Bơm quang học cho laser màu:
Đèn xung và các loại laser khác nhau.
Phổ bức xạ nguồn bơm phù hợp với phổ hấp thụ của chất màu.
Sơ đồ bơm dọc
bơm ngang
bơm nghiêng
Laser màu
91
Những yêu cầu của một laser màu phân tử màu
Độ hấp thụ cao tại bước sóng kích thích.
Suy giảm từ dải kích thích về dải cơ bản nhanh.
Xác suất dịch chuyển từ vùng thấp của trạng thái kích thích đến trạng thái kích thích thấp hơn phải nhỏ.
Hấp thụ kém tại bước sóng phát xạ.
92
Sơ đồ laser màu phát - khuếch đại sử dụng 1 nguồn bơm đồng bộ
93
Laser màu bơm bằng laser N2
94
Tuning a Dye laser
Lựa chọn bước sóng laser màu mong muốn được thực hiện bằng lăng kính hoặc cách tử tại gương sau của buồng cộng hưởng laser
Fig a: tuning with a prism.
Fig b: tuning with a grating.
Tuning a Dye Laser with a Prism
Tuning a Dye Laser with a Grating
95
Advantages of Dye Laser
Dung dịch màu bản chất là mở rộng đồng nhất,
Dễ dàng thay đổi chất màu dùng làm môi trường hoạt chất do đó dễ dàng thay đổi bước sóng phát laser.
Môi trường chất lỏng được luân chuyển liên tục do đó qua trình làm lạnh laser rất dễ dàng.
Đặc trưng phổ của bức xạ laser màu ra là :
Vạch phổ rất hẹp.
Xung rất ngắn.
96
Disadvantages of Dye Laser
Most dye lasers use liquid as the active medium, which complicate maintenance of the laser.
The excitation is done by another laser, which complicate the system.
Short dye lifetime. Dye quality degrade with time, and need to be changed.
Continuing operating expenses (laser liên tục khá đắt)
Potentially toxic (poisonous) chemicals (hoá chất khá độc).
Volatile solvents (dung môi dễ bay hơi)
Hazardous waste disposal (chất màu thải loại khá nguy hại).

In recent years, Solid State Dye Lasers are being developed.
By embedding the dye molecules in a solid matrix, the disadvantages of the liquid are eliminated.
97
Applications of Dye Laser
The main use of continuous wave Dye laser is to reduce the bandwidth (linewidth) of the electromagnetic radiation.
It is possible to pump a Dye laser with another laser, and the output linewidth from the Dye laser will be up to 1% of the pump laser, while maintaining about 70% of the original energy.
The result is a tunable laser with a very narrow linewidth.
Best published results are linewidth of 100[Hz] at a wavelength of 1015 [Hz], a ratio of 1:1013.
It is very easy to get very short pulses out of a Dye laser.
Best result are pulses of 10-14 [sec] for research.
In medicine - Dye lasers are used for destroying tumors which have selective wavelength dependent absorption.
In medicine - for Photo-Dynamic Therapy (PDT)
In medicine - for destroying kidney stones by shock waves created by the short pulses.
98
Một số kiểu phân loại laser màu
Môi trường hoạt tính: lỏng.
Vùng phổ hoạt động: hầu hết là khả kiến.
Bơm (kích thích): thường bằng laser khác.
Chế độ hoạt động: xung hoặc liên tục (phụ thuộc cơ chế bơnm và cấu trúc laser).
Laser 4 mức.
Laser bước sóng điều chỉnh được.
99
Một số hình ảnh laser màu bơm ngang
Rhodamin 6G
Rhodamin B
100
Free electron laser
Laser điện tử tự do
101
History of Development of Free Electron Laser
Laze điện tử tự do (FEL) được phát minh bởi J.M.J. Madey năm 1971
Đó là nguồn sáng kết hợp rất “uyển chuyển”.
Do khả năng điều chỉnh bước sóng rộng và độ chói cao, chúng đang có nhiều ứng dụng.
Các hệ laze FEL (ĐTTD) bao gồm một hệ gia tốc điện tử, một bộ biến điệu trong đó các điện tử có thể phát ra bức xạ gia tốc và một buồng cộng hưởng quang học.

102
Đặc điểm chung
103
Sơ đồ cấu tạo một laser ĐTTD
Schematic of a free electron laser
Parts of Free Electron Laser
The electromagnetic radiation in a Free Electron laser is created as a result of the interaction of three factors:
Beam of high energy electrons, which move at a speed close to the speed of light.
2. Beam of electromagnetic radiation moving in the same direction as the beam of electrons.
3. Magnetic field which is arranged in periodic manner in space (see figure). Such magnetic field is formed by a series of magnets where each neighbors are opposite in direction. Such arrangement is called Wiggler or Undulator . 
104
Nguyên lý hoạt động trong FEL
A beam of free electrons is accelerated in a vacuum in a device called electron accelerator.
Since these free electrons are not attached to any material (they are free …), they are not limited to specific energy transitions of the atoms or molecules. Thus, they can emit radiation at any wavelength.
105
Nguyên lý hoạt động trong FEL
Trong một FEL một chùm electron tương đối tính được sinh ra bởi một accelerator truyền ngang qua trường (biến đổi) có chu kỳ bởi một nam châm gọi là undulator và trao đổi năng lượng với một điện từ trường.
Do kết quả của trao đổi năng lượng: các electron được tăng năng lượng bắt đầu di chuyển nhanh hơn các electron trung bình, trong khi đó các electron bị mất năng lượng bắt đầu tụt hậu lại đằng sau electron trung bình. Chùm tia sau đó trở thành một bó chụm lại xét về quy mô các bước sóng bức xạ và chuyển động tập thể này của bó sóng phát ra một bức xạ gia tốc kết hợp cường độ rất mạnh. Công suất đỉnh tới Giga watt đã được tạo ra.
Bước sóng của bức xạ phát ra tại chế độ cộng hưởng (trong BCH) phụ thuộc vào năng lượng và cường độ của các electron và phụ thuộc vào chu kỳ biên độ biến đổi của bộ biến điệu (undulator)
106
Principles of Operation of FEL Laser
107
Điều kiện cộng hưởng
λu là chu kỳ của undulator
γ là tham số tương đối
K là tham số biến điệu (tỷ lệ thuận với từ trường trong undulator)
108
FEL và SASE FEL
109
Một số kiểu laser FEL
110
Applications of Free Electron Laser
Most of the promised applications of Free Electron laser are military applications. Thus, most of the research on the subject was done in the National Research Laboratories at the US and the Soviet Union.
Today, the main civilian applications are for medical purposes, because of the tunability of the wavelength, and the adaptability to the wavelength specific interaction of the electromagnetic radiation with the biological tissue.
To operate a Free Electron laser, an electron beam is accelerated to very high velocities close to the speed of light (relativistic electrons). For this, very high currents (thousands of Amperes) and very high voltage (thousands of Volts) are used.
Thus, the main disadvantages of the Free Electron laser are:
Big dimensions because of the electron accelerator.
High cost.
Hazards of x-rays created by the accelerated electrons.
111
Examples of achievements with Free Electron Lasers
Peak power of 2 Mega-Watts at a wavelength of 2.5 [mm] in the university of Columbia.
Peak power of 70 Mega-Watts at a wavelength of 4 [mm] in the American Navy laboratories.
Peak power of 1 Giga-Watts at a wavelength of 8 [mm] in the US National laboratory at Livermore, with efficiency of 35% (!).
112
Hệ laser FEL tại Stanford
113
Hệ laser FEL tại Châu Âu
114
Hệ laser FEL tại Nhật
115
Semiconductor Laser
(Diode Lasers)
Laser Bán dẫn
(Laser đi-ốt)
116
Giới thiệu
Các laser diode được làm từ vật liệu bán dẫn. Các đặc điểm điện tử của chúng chính là đặc điểm của một diode điện tử. Do vậy, chúng còn có tên gọi là:
Semiconductor Lasers - According to the composed materials.
Junction Lasers - Since they are composed of p-n junction.
Injection Lasers - Since the electrons are injected into the junction by the applied voltage.
Cả trong nghiên cứu và thương mại, các laser diode đã có những phát triển vượt bậc đáng kinh ngạc trong 20 năm cuối của thế kỷ 20.
Hàng năm, số laser diode bán được trên thị trường là hàng triệu, trong khi các laser khác chỉ vài chục ngàn.
Các laser diode được sử dụng vô cùng rộng rãi: Compact Discs, Laser Printers, Bar Code Scanners in retail stores and Optical communication.
Lịch sử phát triển:
Các laser diode được phát minh một cách độc lập ở ba phóng thí nghiệm khác nhau tại Mỹ, năm 1962.
The researchers succeeded in getting a coherent electromagnetic radiation from a forward biased diode (p-n junction) made from the semiconductor GaAs.
117
Laser Action in a Semiconductor Laser
When type "p" semiconductor is attached to type "n" semiconductor, we get a:
p-n junction
This junction conducts electricity in a preferred direction (forward biased). This directional increased conductivity is the common mechanism for all the diodes and transistors in electronics.
Figure displays the energy bands of an ideal p-n junction without any external voltage applied to it.
This arrangement of the energy bands in the junction is the basis for the diode laser action.
The maximum energy level occupied by electrons is called Fermi Level.
When the positive contact of the voltage is connected to the p side of the p-n junction, and the negative voltage is connected to the n side, current is flowing through the p-n junction. This connection is called Forward Biased Voltage.
When the reverse polarity is connected, it is called Backward Biased Voltage, and it cause an increase of the potential barrier between the p side and the n side. Thus preventing the current flow through the p-n junction.

Energy levels in a p-n junction which
is not attached to a voltage
118
Applying Voltage over p-n junction
When voltage is applied across the p-n junction, the population of the energy bands changes. Voltage can be applied to the junction in two possible configurations:
1. Forward Biased Voltage - means that the negative pole of the voltage is connected to the "n" side of the junction, and the positive side is connected to the "p" type semiconductor, as shown in figure
Forward biased voltage creates extra charge carriers in the junction, lowers the potential barrier, and causes injection of charge carriers, through the junction, to the other side. When an electron from the conduction band in the "n" side is injected through the junction to an empty "hole" in the valence band on the "p" side, a process of Recombination of (electron + hole) takes place. As a result of this recombination process, energy is released.
For diode lasers we are interested in the specific cases when this energy is released  in the form of laser radiation. A sharp increase in conductivity occurs when the forward bias voltage is approximately equal to the semiconductor energy gap.
2, Reverse (Backward) Voltage - which causes an increase in the potential barrier of the junction, and lowers the possibility for an electron to cross the junction to the other side. Increasing the reversed bias voltage to high values (tens of volts), can cause a voltage breakdown (Avalanche) of the junction.
Energy band of a p-n junction which is
attached to a forward bias voltage
119
Cấu tạo Laser Diode
The basic structure of the layers of the simplest laser diode is shown in figure.
These layers of semiconductor materials are arranged such that at the p-n junction an active region is created, in which photons are created by the recombination process.
On the top and bottom layers, a layer of metal allows connecting external voltage to the laser.
The voltage is applied to metal contacts above and below the semiconductor layers.
The side of the crystalline semiconductor are cut to serve as mirrors at the end of the optical cavity.
Basic structure of a laser diode
120
Bức xạ Laser từ Diode Laser
Figure describes the shape of the electromagnetic laser radiation for a simple laser diode built of layers
The radiation comes out of a rectangular shape of a very thin active layer, and spreads at different angles in 2 directions.


Radiation profile out of a simple laser diode
121
I-V Curve of Diode Laser
Khi chưa đạt điều kiện nghịch đảo độ tích lũy chỉ tồn tại bức xạ tự phát như LED
Tăng dòng bơm→ đạt dòng ngưỡng
(ví dụ hình bên)
Dễ dàng nhận thấy độ dốc của bức xạ cưỡng bức nhanh hơn nhiều so với phát xạ tự phát (LED)

Khi dòng ngưỡng là thấp, sự chuyển đổi năng lượng sang dạng nhiệt ít và sự chuyển đổi năng lượng sang laser lớn hơn (tăng hiệu suất laser). Thực tế thông số mật độ dòng trong laser bán dẫn là quan trọng tính theo đơn vị [A/cm2]. 
Output power from a diode laser
as a function of input current
122
Dependence of diode laser parameters on temperature
One of the problems of diode lasers is the increase in threshold current for lasing with the increase in temperature (µ T3).
Operating laser diodes at low temperatures require lower currents.
As current flows through the diode, heat is created.
If the heat dissipation is not adequate, the diode temperature increases, and the required threshold current increases as well.
Changes in temperature cause changes in the wavelength emitted from the diode laser. The change in wavelength with temperature is illustrated in figure. It is composed of 2 parts:
 A gradual increase in wavelength with increased temperature, until:
A jump to another longitudinal mode occurs. This jump is called "Mode Hope"

Because of temperature variations, special structures need to be designed for the diode lasers to achieve high power of continuous laser radiation. 

Change in the diode laser
wavelength with temperature
123
Different Structures of Diode Lasers
A common construction now is a narrow stripe of the active layer (Stripe Geometry), confined on all sides (the sides as well as on top and bottom) with another material. This family of diode lasers is called Index Guided Lasers.

Examples of different laser structures for confining the laser light to a specific region
124
Diode Laser Packaging
The miniature sizes of diode lasers, require special packaging to enable people to use them with comfort. There are many kinds of packaging, but the standard is similar to a transistor package, and includes in the package the basic collimating optics to create a useable beam (see figure).
To get high power from diode lasers, special arrays of diode lasers were developed. These diode arrays emit synchronized radiation together, and output power of tens of watts is available. Although the radiation is emitted from many diode lasers, they are optically coupled such as it is possible to get coherent laser output out of these special lasers.
Packaging of a commercial Diode Laser
Cross Section of Packaging of a commercial Diode Laser
125
Advantages of diode lasers
Very high efficiency (more than 20% of the input energy is emitted as laser radiation).
High reliabil