Bộ cộng hưởng laser là gì?

Thời gian đọc ước tính: 37 phút

Dụng cụ tạo ra ánh sáng nguồn laser được gọi là bộ cộng hưởng laser, bao gồm laser khí, laser lỏng, laser thể rắn, thiết bị quang học bán dẫn và các laser khác. Trong số đó, điển hình hơn cả là loại laser CO₂ laser khí, laser bán dẫn, laser trạng thái rắn YAG và laser sợi quang.

Thành phần cơ bản và sự phát triển của laser

Thành phần cơ bản của laser

Mặc dù có nhiều loại laser nhưng chúng đều tạo ra laser thông qua kích thích và bức xạ kích thích. Do đó, thành phần cơ bản của laser là cố định, thường bao gồm vật liệu làm việc (tức là môi trường làm việc có thể tạo ra sự nghịch đảo dân số sau khi được kích thích), nguồn kích thích (năng lượng có thể làm cho chất hoạt động đảo ngược số lượng hạt, cũng được gọi là nguồn bơm) và khoang cộng hưởng quang học được cấu tạo bởi ba phần.

Chất làm việc

Việc sản xuất tia laser phải chọn vật liệu làm việc phù hợp, có thể là khí, lỏng, rắn, hoặc bán dẫn. Trong môi trường này, số lượng hạt có thể được đảo ngược để tạo điều kiện cần thiết để thu được ánh sáng laze. Sự tồn tại của các mức năng lượng có thể di chuyển rất có lợi cho việc thực hiện đảo ngược quần thể. Có gần một nghìn loại vật liệu làm việc và các bước sóng laser có thể được tạo ra bao phủ một loạt các dải tử ngoại chân không đến các dải hồng ngoại xa.

Nguồn kích thích

Để làm cho số hạt trong chất làm việc ngược lại, phải áp dụng một phương pháp nào đó để kích thích hệ hạt và tăng số lượng hạt ở mức năng lượng cao. Phương pháp phóng điện bằng chất khí có thể dùng các êlectron có động năng để kích thích chất làm việc gọi là phương pháp kích điện; Nguồn sáng xung cũng có thể được sử dụng để chiếu xạ chất làm việc để tạo ra kích thích, được gọi là kích thích quang học; có kích thích nhiệt, kích thích hóa học và như vậy. Các phương pháp khuyến khích khác nhau được gọi một cách sinh động là bơm hoặc bơm. Để liên tục thu được công suất laser, nó phải được bơm liên tục để duy trì số lượng hạt ở trạng thái kích thích.

Khoang quang học

Với vật liệu làm việc và nguồn kích thích phù hợp, có thể đạt được sự nghịch đảo dân số, nhưng cường độ bức xạ kích thích tạo ra theo cách này rất thấp và không thể áp dụng được. Vì vậy người ta nghĩ rằng có thể sử dụng một khoang cộng hưởng quang học để khuếch đại bức xạ kích thích. Khoang cộng hưởng quang học được cấu tạo bởi hai gương có hình dạng hình học nhất định và đặc điểm phản xạ quang học kết hợp với nhau theo một cách cụ thể. Các chức năng chính của nó như sau.

Cung cấp khả năng phản hồi quang học để làm cho các photon phát xạ kích thích đi đi lại lại trong khoang nhiều lần để tạo thành một dao động liên tục kết hợp.

Giới hạn hướng và tần số của chùm tia dao động trong hốc để đảm bảo rằng tia laser đầu ra có hướng và độ đơn sắc nhất định.

Sự phát triển của laser

Laser là một trong những thành phần cốt lõi không thể thiếu trong các hệ thống xử lý laser hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ xử lý laser, các tia laser cũng không ngừng tiến lên, và nhiều loại laser mới đã xuất hiện.

Các tia laser xử lý nguồn laser ban đầu chủ yếu là công suất cao CO₂, laser khí và laser trạng thái rắn YAG bơm bằng đèn. Dưới góc độ lịch sử phát triển của công nghệ xử lý laser, CO giới hạn cao₂ và laser xuất hiện vào giữa những năm 1970 đã phát triển CO làm mát bằng khuếch tán₂ tia laze. Bảng 2.1 trình bày tình hình phát triển của CO₂ tia laze.

Loại laser	Loại kín	Loại dòng chảy dọc trục chậm	Loại dòng chảy chéo	Loại dòng chảy dọc trục nhanh	Quạt tăng áp Dòng hướng trục nhanh	Loại làm mát khuếch tán SLAB
Tuổi xuất hiện	Giữa những năm 1970	Đầu những năm 1980	Giữa những năm 1980	Cuối những năm 1980	Đầu những năm 1990	Thế kỷ 20 Giữa những năm 90
Công suất / W	500	1000	20000	5000	10000	5000
Chất lượng tia (M2 hệ số	Không ổn định	1.5	10	5	2.5	1.2
Chất lượng chùm tia (KNS/ mm • mrad)	Không ổn định	5	35	17	9	4.5

CO sớm₂ laze có xu hướng phát triển theo hướng tăng công suất laze, nhưng khi công suất laze đạt đến một yêu cầu nhất định thì chất lượng chùm tia của laze được chú ý và sự phát triển của laze chuyển sang nâng cao chất lượng chùm tia. Gần đây, tấm làm mát khuếch tán CO₂ laser, gần với giới hạn nhiễu xạ, có chất lượng chùm tia tốt và đã được sử dụng rộng rãi khi nó được tung ra thị trường, đặc biệt là trong lĩnh vực cắt laser, và được nhiều công ty ưa chuộng.

CO₂ máy cộng hưởng laze có nhược điểm là khối lượng lớn, cấu trúc phức tạp và khó bảo trì. Kim loại không thể hấp thụ tốt tia laser có bước sóng 10,6чm, không thể sử dụng sợi quang để truyền tia laser, và plasma gây ra thời gian hàn là nghiêm trọng và các thiếu sót khác. Sau đó, laser trạng thái rắn YAG với bước sóng 1,06 чm đã bù đắp cho những thiếu sót của CO₂ laser ở một mức độ nhất định. Các tia laser thể rắn YAG thời kỳ đầu sử dụng phương pháp bơm đèn, có các vấn đề như hiệu suất laser thấp (khoảng 3%) và chất lượng chùm tia kém. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ laser, laser thể rắn YAG tiếp tục phát triển, và nhiều loại laser mới đã xuất hiện. Tình hình phát triển của laser trạng thái rắn YAG được trình bày trong Bảng 2.2.

Loại laser	Đèn bơm	Diode bơm	Bơm chất xơ	Đĩa vảy	Bơm cuối chất bán dẫn	laser sợi quang
Tuổi xuất hiện	Những năm 1980	Cuối những năm 1980	Giữa những năm 1990	Giữa những năm 1990	Cuối những năm 1990	Đầu thế kỷ 21
Công suất / W	6000	4400	2000	4000 （nguyên mẫu）	200	10000
Chất lượng tia (M2 hệ số)	70	35	35	7	1.1	70
Chất lượng chùm tia (KNS/ mm • mard)	25	12	12	2.5	0.35	25

Qua bảng 2.1 và bảng 2.2 có thể thấy rằng ngoài việc liên tục nâng cao công suất của laser, một khía cạnh quan trọng khác của sự phát triển của laser là không ngừng nâng cao chất lượng chùm tia của laser. Chất lượng chùm tia laser thường đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xử lý laser hơn là công suất laser.

Sự phát triển của sản xuất laser với tia laze công suất và chất lượng chùm tia được thể hiện trong Hình 2.1.

Vào đầu thế kỷ 21, một loại laser bán dẫn mới khác đã xuất hiện. So với CO công suất cao truyền thống₂ laser cộng hưởng và laser trạng thái rắn YAG, laser bán dẫn có những ưu điểm kỹ thuật rõ ràng, chẳng hạn như kích thước nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, tuổi thọ cao và tỷ lệ hấp thụ cao của kim loại với laser bán dẫn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ laser bán dẫn, các loại laser trạng thái rắn khác dựa trên laser bán dẫn, chẳng hạn như laser sợi quang, laser trạng thái rắn bơm chất bán dẫn và laser tấm, đã phát triển nhanh chóng. Trong số đó, laser sợi quang đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt là laser sợi quang đất hiếm, đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông sợi quang, cảm biến sợi quang, xử lý vật liệu laser và các lĩnh vực khác.

Từ CO₂ laser khí sang laser sợi quang

CO₂ tia laser khí

Một tia laser sử dụng CO₂ như chất làm việc chính được gọi là CO₂ tia laze. Một lượng nhỏ N² và He cần được thêm vào chất làm việc của nó để cải thiện độ lợi, hiệu suất kháng nhiệt và công suất đầu ra của laser. CO₂ laze có các đặc điểm sau.

• Công suất đầu ra lớn. CO ống kín nói chung₂ laser có thể có công suất đầu ra liên tục hàng chục watt, cao hơn nhiều so với các loại laser khí khác. Dòng bên kích thích điện CO₂ laser có thể có công suất liên tục hàng chục kilowatt.
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của CO₂ laser có thể đạt tới 30% ~ 40%, vượt xa các loại laser khí khác.
• CO₂ laser sử dụng sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng của CO₂ dao động phân tử và có phổ tương đối phong phú. Có hàng chục vạch quang phổ trong tia laser phát ra gần bước sóng 10 чm. Khí CO áp suất cao₂ laser được phát triển trong những năm gần đây có thể đạt được sản lượng có thể điều chỉnh liên tục từ 9 đến 10 чm.
• Dải đầu ra của CO₂ laser chính xác là cửa sổ khí quyển (nghĩa là, độ trong suốt của khí quyển đối với bước sóng này tương đối cao)
• Ngoài ra, CO₂ laze còn có ưu điểm là chất lượng chùm tia đầu ra cao, tính liên kết tốt, độ rộng đường truyền hẹp, hoạt động ổn định ... nên đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và quốc phòng.

Cấu trúc của CO₂ tia laze

Một CO kích thích điện dọc kín điển hình₂ tia laze bộ cộng hưởng bao gồm một ống laze, các điện cực và một khoang cộng hưởng (Hình 2.2). Thành phần quan trọng nhất là một ống laser làm bằng thủy tinh cứng, thường sử dụng cấu trúc ống bọc nhiều lớp. Lớp trong cùng là ống phóng điện, lớp thứ hai là ống vỏ làm mát bằng nước, ngoài cùng là ống chứa khí.

Ống phóng điện nằm trong vùng cột dương của sự phóng điện phát sáng trong sự phóng điện của chất khí. Vùng này có nhiều hạt mang năng lượng, chẳng hạn như electron, ion, hạt siêu vi và photon, là vùng khuếch đại của laser. Vì lý do này, có những yêu cầu nhất định đối với đường kính, chiều dài, độ tròn và độ thẳng của ống phóng điện. Hầu hết các thiết bị dưới 100W đều được làm bằng kính cứng. Các thiết bị công suất trung bình (100 ~ 500W) thường được làm bằng ống thủy tinh thạch anh để đảm bảo sự ổn định của nguồn hoặc tần số. Đường kính của ống nói chung là khoảng 10mm, và chiều dài ống có thể dày hơn một chút.

Có một áo nước lạnh bên cạnh ống phóng điện, chức năng của nó là làm giảm nhiệt độ của khí làm việc trong ống, để đảm bảo rằng thiết bị nhận ra sự phân bố nghịch đảo của quần thể và ngăn ống phóng điện không bị nóng và nứt trong quá trình quá trình kích thích phóng điện. Mục đích của việc lắp thêm vỏ làm mát bằng nước là làm mát không khí và gas để công suất đầu ra luôn ổn định. Ống phóng điện được nối với ống chứa khí ở hai đầu. Một đầu của ống chứa khí có lỗ nhỏ thông với ống phóng điện, đầu còn lại thông với ống phóng điện qua ống hồi lưu xoắn để khí có thể lưu thông trong ống phóng điện và ống chứa khí. Khí trong ống có thể được trao đổi với khí trong ống chứa khí bất kỳ lúc nào.

Chức năng của ống chứa khí ngoài cùng là làm giảm sự thay đổi của thành phần khí làm việc và áp suất trong quá trình phóng điện và tăng cường độ ổn định cơ học của ống phóng điện.

Ống hồi khí là một ống mỏng xoắn ốc nối hai không gian cực âm và cực dương, có tác dụng cải thiện sự phân bố áp suất không cân bằng giữa các điện cực do hiện tượng điện di gây ra. Giá trị của đường kính và chiều dài của đường ống hồi lưu là rất quan trọng. Nó không chỉ giúp khí ở cực âm nhanh chóng chảy sang vùng cực dương để đạt được sự phân bố khí đồng đều mà còn ngăn hiện tượng phóng điện ở đường ống hồi lưu.

Các điện cực được chia thành cực dương và cực âm. Vật liệu làm catốt yêu cầu khả năng phát ra các electron, tốc độ phún xạ thấp và khả năng khử CO₂. Hiện tại, hầu hết CO₂ và bộ cộng hưởng laze sử dụng điện cực niken, và diện tích điện cực được xác định bởi đường kính trong của ống phóng điện và dòng điện làm việc. Sự lắng đọng điện đồng trục với ống phóng điện. Kích thước của cực dương có thể bằng kích thước của cực âm hoặc có thể nhỏ hơn một chút.

Khoang cộng hưởng được cấu tạo bởi một gương tổng và một gương đầu ra. Các gương phản xạ toàn phần của CO công suất trung bình và thấp₂ bộ cộng hưởng laser thường sử dụng gương thủy tinh mạ vàng, vì màng vàng có độ phản xạ ánh sáng cao 10,6 чm và ổn định về mặt hóa học. Tuy nhiên, gương nền thủy tinh dẫn nhiệt kém nên CO năng lượng cao₂ laser thường sử dụng gương kim loại, chẳng hạn như gương đồng hoặc gương molypden, hoặc gương được phủ bằng vàng và màng điện môi trên nền thép không gỉ bằng đồng không chứa oxy đã được đánh bóng. Gương đầu ra thường sử dụng vật liệu có thể truyền bước sóng 10,6um làm chất nền, và một màng nhiều lớp được mạ trên đó để kiểm soát một độ truyền dẫn nhất định nhằm đạt được đầu ra ghép nối tốt nhất. Các vật liệu thường được sử dụng là kali clorua, natri clorua, nhôm, asen, kẽm selen, cadimi Telluride, v.v.

Khoang cộng hưởng của CO₂ tia laser thường phẳng và lõm. Gương tổng được làm bằng thủy tinh quang học K8 hoặc thạch anh quang học, được gia công thành gương cầu lõm có bán kính cong lớn. Mặt gương được phủ một lớp phim kim loại có hệ số phản xạ cao - một phim mạ vàng, ở bước sóng 10. 6чm Hệ số phản xạ tại nơi đạt 98,8%, tính chất hóa học ổn định.

Ánh sáng phát ra từ carbon dioxide là ánh sáng hồng ngoại, vì vậy gương phản xạ toàn phần cần sử dụng vật liệu truyền ánh sáng hồng ngoại. Bởi vì kính quang học thông thường không trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại, nên người ta phải mở một lỗ nhỏ ở tâm của gương tổng thể, sau đó bịt một mảnh vật liệu hồng ngoại có thể phát tia laser 10,6 чm để bịt kín khí, làm cho tia laser trong ngoài khoang cộng hưởng là một đầu ra từ lỗ nhỏ bên ngoài khoang để tạo thành chùm ánh sáng laze hoặc dao ánh sáng.

Dòng phóng của khí CO kín₂ máy cộng hưởng laze tương đối nhỏ. Điện cực lạnh được sử dụng, và cực âm được làm bằng một tấm molypden hoặc một tấm niken thành hình trụ. Dòng điện làm việc là 30 ~ 40MA, diện tích của hình trụ catốt là 500cm², để không làm ô nhiễm thấu kính, một vật chắn sáng được thêm vào giữa catốt và thấu kính. Máy bơm được kích thích bởi nguồn điện một chiều liên tục.

Đặc điểm đầu ra của CO₂ hệ thống laze

Dòng chảy ngang CO₂ máy cộng hưởng laze. Dòng khí có phương vuông góc với trục của hốc. CO₂ laser với cấu trúc này có chất lượng chùm tia thấp và chủ yếu được sử dụng để xử lý bề mặt vật liệu, và thường không được sử dụng để cắt. So với CO khác₂ laser, dòng chảy chéo CO₂ laser có công suất đầu ra cao, chất lượng chùm tia thấp và giá cả thấp.

CO dòng chảy chéo₂ laser có thể sử dụng kích thích dòng điện một chiều (DC) và kích thích tần số cao (HF), và các điện cực được đặt ở cả hai phía của vùng plasma song song với trục của khoang. Sự đánh lửa và điện áp hoạt động của plasma thấp, dòng khí đi qua vùng plasma vuông góc với chùm tia, và dòng khí đi qua hệ thống điện cực rất rộng, do đó trở lực của dòng chảy rất nhỏ, sự làm mát của plasma rất hiệu quả và sức mạnh của tia laser không quá lớn. Nhiều hạn chế.

Chiều dài của loại tia laser này chưa đến 1m, nhưng nó có thể tạo ra công suất 8KW. Tuy nhiên, do dòng khí qua plasma nên tia laser loại này thổi tia plasma ra xa mạch phóng điện chính, khiến vùng plasma trên tiết diện tia lệch ít nhiều thành hình tam giác, chất lượng chùm tia không cao. , và các chế độ bậc cao xuất hiện. Nếu một lỗ tròn được sử dụng để giới hạn chế độ, tính đối xứng của chùm tia có thể được cải thiện ở một mức độ nhất định.

Dòng chảy hướng trục nhanh CO₂ máy cộng hưởng laze. Cấu trúc như hình 2.3. Luồng khí laze của loại CO này₂ tia laze nằm dọc theo trục của bộ cộng hưởng. Công suất đầu ra của CO₂ laser với cấu trúc này có công suất từ hàng trăm watt đến 20KW. Chất lượng chùm tia đầu ra tốt hơn, và nó là cấu trúc chủ đạo hiện đang được sử dụng trong cắt laser.

Dòng chảy hướng trục nhanh CO₂ laser có thể sử dụng kích thích dòng điện một chiều (DC) và kích thích tần số vô tuyến (RF). Hình dạng của plasma giữa các điện cực là một cột mảnh mai. Để ngăn plasma phân tán ra xung quanh, vùng phóng điện dạng này thường nằm trong ống thủy tinh hình trụ rỗng hoặc ống sứ. Plasma có thể được đánh lửa và duy trì ở cả hai đầu của hai điện cực vòng. Điện áp đánh lửa và hoạt động phụ thuộc vào điện cực. Điện áp tối đa được sử dụng trong các ứng dụng thực tế là 20 ~ 30KV.

Việc làm mát khí tuần hoàn thông qua hình thức dòng chảy hướng trục nhanh chóng. Để đảm bảo dẫn nhiệt hiệu quả, quạt thổi Roots hoặc quạt bánh xe điều chỉnh thường được sử dụng để đạt được dòng tốc độ cao này, nhưng sức cản dòng của hình dạng hình học này tương đối cao và công suất laser đầu ra có một số hạn chế nhất định, chẳng hạn như công suất laser chỉ vài trăm watt của máy kích thích DC. Công suất đầu ra của laser bị hạn chế, vì vậy một số ống phóng điện làm mát dòng hướng trục thường được kết nối dưới dạng quang học để cung cấp đủ công suất laser.

Vì công suất đầu ra của CO₂ bộ cộng hưởng laze chủ yếu phụ thuộc vào công suất điện đầu vào trên một đơn vị thể tích, kích thích RF cao hơn kích thích DC và mật độ plasma cao hơn. Laser dòng hướng trục kích thích RF trong đó một số ống phóng điện làm mát hướng trục được kết nối dưới dạng quang học, liên tục Công suất đầu ra có thể đạt 20KW. Axial CO₂ laser, do đối xứng trục của plasma, dễ hoạt động ở chế độ cơ bản và tạo ra chất lượng chùm tia cao.

CO làm mát khuếch tán kiểu slat₂ tia laze. CO làm mát bằng khuếch tán₂ tia laze tương tự như khí CO sớm được niêm phong₂ tia laze. Khí hoạt động của CO kín₂ tia laser được bao bọc trong một ống phóng điện và được làm lạnh bằng cách dẫn nhiệt. Mặc dù thành bên ngoài của ống phóng điện được làm mát hiệu quả, nhưng ống phóng điện chỉ có thể tạo ra 50W năng lượng laser trên một mét, và không thể chế tạo ra một loại laser năng lượng cao nhỏ gọn. CO làm mát bằng khuếch tán₂ laser cũng sử dụng phương pháp bao bọc bằng chất khí, nhưng laser có cấu trúc nhỏ gọn, sự phóng điện khí kích thích bởi tần số vô tuyến xảy ra giữa hai điện cực đồng có diện tích lớn hơn. Các điện cực có thể được làm mát bằng cách làm mát bằng nước, và khoảng cách hẹp giữa hai điện cực có thể tản nhiệt ra khỏi khoang phóng điện nhiều nhất có thể để có thể thu được mật độ công suất đầu ra tương đối cao.

CO làm mát bằng khuếch tán₂ máy cộng hưởng laze sử dụng một khoang cộng hưởng ổn định bao gồm các gương hình trụ. Vì khoang không ổn định về mặt quang học có thể dễ dàng thích ứng với dạng hình học của môi trường khuếch đại laser kích thích, nên CO làm mát bằng khuếch tán dạng phiến₂ laser có thể tạo ra chùm tia laser mật độ công suất cao và chất lượng chùm tia laser Cao, nhưng chùm tia đầu ra ban đầu của loại laser này là hình chữ nhật và cần có thiết bị định hình chùm tia phản xạ làm mát bằng nước để định hình chùm tia chữ nhật thành hình tròn tia laze đối xứng. Hiện tại, dải công suất đầu ra của loại laser này là 1 ~ 5KW.

So với dòng khí CO₂ laser, làm mát khuếch tán phiến CO₂ Laser có đặc điểm cấu tạo nhỏ gọn, chắc chắn và có ưu điểm vượt trội là trong ứng dụng thực tế không cần phải làm tươi như dòng khí CO.₂ tia laze. Khí làm việc laser, nhưng một bình chứa hình trụ nhỏ khoảng 10L được lắp vào đầu laser để lưu trữ khí làm việc laser. Điều này có thể đạt được thông qua thiết bị cung cấp khí làm việc bằng laser bên ngoài và thiết bị trao đổi bình chứa khí vĩnh viễn trong nước. Loại cơ quan điều hành này đã hoạt động hơn một năm.

Một tia laser bán dẫn

Laser bán dẫn dùng để chỉ một loại laser có chất bán dẫn là vật liệu làm việc của nó. So với các loại laser khác, laser bán dẫn có ưu điểm là kích thước nhỏ, hiệu suất cao, cấu trúc đơn giản và chắc chắn, điều chế trực tiếp. Laser bán dẫn có các ứng dụng quan trọng trong truyền thông, phạm vi và xử lý thông tin.

Nền tảng bán dẫn

Chất bán dẫn tinh khiết không có tạp chất được gọi là chất bán dẫn nội tại. Nếu các nguyên tử tạp chất được pha tạp vào chất bán dẫn nội tại, các mức tạp chất được hình thành bên dưới vùng dẫn và trên vùng hóa trị, tương ứng được gọi là mức cho và mức chất nhận. Hình 2.4 cho thấy các mức tạp chất của chất bán dẫn đơn tinh thể Si.

Vật liệu bán dẫn hầu hết là cấu trúc tinh thể. Khi một số lượng lớn các nguyên tử kết hợp đều đặn và chặt chẽ với nhau thành một tinh thể, các điện tử hóa trị đó trong tinh thể đều nằm trong vùng năng lượng của tinh thể. Khi có điện trường ngoài tác dụng, các electron ở vùng hóa trị chuyển sang vùng dẫn và có thể chuyển động tự do trong vùng dẫn để dẫn điện. Sự mất đi một êlectron trong vùng hóa trị tương đương với việc xuất hiện lỗ trống tích điện dương, lỗ trống này cũng có thể dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài. Do đó, các lỗ trống trong vùng hóa trị và các electron trong vùng dẫn có tác dụng dẫn điện được gọi chung là hạt tải điện.

Chất bán dẫn có mức cho được gọi là chất bán dẫn loại n; chất bán dẫn có mức bộ nhận được gọi là chất bán dẫn loại p. Ở nhiệt độ phòng, hầu hết các nguyên tử cho của chất bán dẫn loại n bị ion hóa bởi năng lượng nhiệt, và các điện tử bị kích thích đến vùng dẫn và trở thành các điện tử tự do. Hầu hết các nguyên tử nhận của chất bán dẫn loại p bắt các điện tử trong vùng hóa trị và tạo thành các lỗ trống trong vùng hóa trị. Vì vậy, bán dẫn loại n chủ yếu được dẫn bởi các êlectron trong vùng dẫn; bán dẫn loại p chủ yếu được dẫn bởi các lỗ trống trong vùng hóa trị.

Trong một miếng vật liệu bán dẫn, sự thay đổi đột ngột từ vùng loại p sang vùng loại n được gọi là tiếp giáp pn. Một vùng điện tích không gian được hình thành tại giao diện. Các điện tử trong vùng dẫn của bán dẫn loại n khuếch tán về vùng p, và các lỗ trống trong vùng hóa trị của bán dẫn loại p khuếch tán về vùng n. Vùng loại n gần vùng tiếp giáp tích điện dương vì nó là chất cho, và vùng loại p gần vùng tiếp giáp tích điện âm vì nó là chất nhận. Tại mặt phân cách, một điện trường hướng từ vùng n sang vùng p được hình thành, được gọi là điện trường xây dựng (hay điện trường tự chế). Điện trường này ngăn cản sự khuếch tán liên tục của các điện tử và lỗ trống.

Nếu phân cực thuận được đặt vào vật liệu bán dẫn tạo thành tiếp giáp pn, vùng p nối với điện cực dương và vùng n nối với điện cực âm. Điện trường của hiệu điện thế ngược chiều với điện trường xây dựng của vùng tiếp giáp pn làm suy yếu điện trường gây cản trở sự khuếch tán của các êlectron trong tinh thể để các êlectron tự do trong vùng n liên tục. dưới tác dụng của hiệu điện thế thuận.

Khuếch tán đến vùng p qua tiếp giáp pn. Khi có một số lượng lớn các điện tử trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị tại cùng một thời điểm trong vùng tiếp giáp, chúng sẽ liên kết lại trong vùng tiêm. Khi các electron trong vùng dẫn chuyển sang vùng hoá trị, năng lượng dư thừa sẽ được phát ra dưới dạng ánh sáng. đi ra ngoài. Đây là cơ chế của sự phát quang điện bán dẫn, và sự phát quang tái tổ hợp tự phát này được gọi là sự phát xạ tự phát.

Để làm cho điểm tiếp giáp pn tạo ra ánh sáng laze, sự phân bố nghịch đảo hạt phải được hình thành trong khu vực tiếp giáp, phải sử dụng vật liệu bán dẫn được pha tạp nhiều và dòng điện được đưa vào tiếp giáp pn phải đủ lớn (chẳng hạn như 30KA / cm²). Bằng cách này, trong khu vực cục bộ của tiếp giáp pn, trạng thái phân bố đảo ngược của nhiều điện tử trong vùng dẫn hơn là lỗ trống trong vùng hóa trị có thể được hình thành, do đó tạo ra bức xạ kích thích và phát ra ánh sáng laze.

Khoang cộng hưởng quang học của máy cộng hưởng laze bán dẫn được cấu tạo bởi một mặt phẳng phân cắt (110 mặt) vuông góc với mặt phẳng tiếp giáp pn. Nó có hệ số phản xạ 35%, đủ để gây ra dao động laser. Nếu cần tăng hệ số phản xạ, một lớp SiO₂ có thể được mạ trên bề mặt tinh thể, và sau đó có thể mạ một lớp màng bạc kim loại để có được hệ số phản xạ hơn 95%.

Một khi phân cực thuận được áp dụng cho laser bán dẫn, sự nghịch đảo dân số xảy ra trong vùng tiếp giáp và sự tái tổ hợp xảy ra.

Điều kiện phát xạ kích thích chất bán dẫn

Laser bán dẫn hoạt động bằng cách tiêm hạt tải điện, và tia laser phát ra phải đáp ứng 3 điều kiện cơ bản sau.

• Cần tạo ra sự phân bố nghịch đảo quần thể đủ, tức là số hạt ở trạng thái năng lượng cao đủ lớn hơn số hạt ở trạng thái năng lượng thấp.
• Có một khoang cộng hưởng thích hợp có thể đóng vai trò phản hồi để các photon của bức xạ kích thích được sinh sôi để tạo ra dao động laze.
• Một điều kiện ngưỡng nhất định phải được đáp ứng để làm cho photon đạt được bằng hoặc lớn hơn sự mất đi của photon.

Loại tia laser bán dẫn đồng loại tiêm

Máy cộng hưởng laze bán dẫn GaAs đồng loại kiểu tiêm là loại laze bán dẫn đầu tiên được phát triển thành công. Mối nối đồng nhất đề cập đến mối nối pn bao gồm các chất bán dẫn loại p và loại n của cùng một vật liệu nền (chẳng hạn như GaAs), và kiểu tiêm dùng để chỉ phương pháp bơm cung cấp năng lượng trực tiếp cho laze bán dẫn và đưa dòng điện vào để kích thích chất làm việc .

Hình 2.5 (a) cho thấy cấu trúc bề ngoài điển hình của loại laser này. Có một cửa sổ nhỏ trên vỏ ống để phát tia laser và điện cực ở đầu dưới của ống được sử dụng cho nguồn điện bên ngoài. Bên trong vỏ là khuôn laser, như hình 2.5 (b). Có nhiều hình dạng của khuôn, Hình 2.5 (c) là sơ đồ cấu tạo của khuôn hình mesa. Độ dày của tiếp giáp pn chỉ hàng chục micrômét. Nói chung, một lớp mỏng GaAs loại p được trồng ở dưới cùng của làng GaAs loại n để tạo thành tiếp giáp pn.

Khoang cộng hưởng của laser thường sử dụng trực tiếp hai mặt cuối vuông góc với tiếp giáp pn. Chiết suất của GaAs là 3,6 và hệ số phản xạ của ánh sáng vuông góc với bề mặt cuối là 32%. Để tăng công suất đầu ra và giảm dòng điện hoạt động, một trong những bề mặt phản chiếu thường được mạ vàng.

Laser bán dẫn dị liên kết

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng rất khó để các laser bán dẫn tiếp điểm có thể có được dòng ngưỡng thấp và hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, người ta đã phát triển laser dị liên kết trên cơ sở này. Laser dị liên kết cũng là laser dị liên kết đơn (SH) và laser dị liên kết kép (SH). Laser tiếp giáp khối lượng (DH).

Laze bán dẫn dị liên kết đơn. Hình 2.6 mô tả cấu trúc của một laser dị liên kết đơn (GaAs-P-Ga_1-xAl_NSAs) và giản đồ về sự thay đổi dải năng lượng, sự thay đổi chiết suất và sự phân bố cường độ ánh sáng của từng vùng. Có thể thấy rằng sau khi bổ sung vật liệu không đồng nhất GaAs-P-Ga_1-xAl_NSĐối với phía P-GaAs, rào cản năng lượng electron giao diện làm cho các electron được tiêm vào P-GaAs từ N-GaAs chỉ có thể bị giới hạn trong vùng P để tái kết hợp và tạo ra các photon. Do sự thay đổi chiết suất tại mặt phân cách của P-GaAs và P-Ga_1-xAl_NSNhư, các photon được tạo ra bởi sự tái kết hợp trong vùng hoạt động bị phản xạ và giới hạn trong lớp P-GaAs.

Hiệu ứng hạn chế của dị liên kết trên các electron và photon làm giảm sự mất mát của chúng do đó mật độ dòng ngưỡng của laser dị liên kết đơn ở nhiệt độ phòng giảm xuống 8KA / cm².

Trong nguồn laser dị liên kết đơn, dị liên kết đóng vai trò hạn chế sự khuếch tán của chất mang, nhưng nó không được sử dụng để tiêm, vì vậy giá trị của x thường được chọn là tương đối lớn, chẳng hạn như 0,3 <x<0.5. In a semiconductor laser resonator, the thickness d of the active region is critical. If d is too large, it will lose the meaning of carrier limitation, and if d is too small, it will increase the loss. In single heterojunction lasers, d≈2чm is generally adopted.

Nguồn laser bán dẫn dị liên kết kép. Chất kết dính pha lỏng được sử dụng để phát triển tuần tự N-Ga_1-xAl_NSAs, P-GaAs, P-Ga_1-xAl_NSAs, As các lớp mỏng đơn tinh thể ở đáy làng N-GaAs. Có N- Ga_1-xAl_NSAs, as các lớp và P- Ga_1-xAl_NSNhư các lớp ở cả hai phía của vùng hoạt động P-GaAs, tạo thành N-Ga_1-xAl_NSAs / P-GaAs và P-GaAs / P-Ga_1-xAl_NSLà hai dị liên kết của N-Ga_1-xAl_NSAs và P-Ga_1-xAl_NSNhư được thể hiện trong hình 2.7.

Hình 2.8 cho thấy dải năng lượng, chỉ số khúc xạ và sự phân bố cường độ ánh sáng của laser dị liên kết kép. Vùng hoạt động P-GaAs được kẹp giữa hai Ga băng tần rộng_1-xAl_NSNhư các lớp. Đối với cấu trúc này, do tính đối xứng của nó, nó không còn bị giới hạn ở việc chỉ tiêm electron. Cấu trúc dị liên kết kép cho phép sử dụng hiệu quả cả quá trình tiêm điện tử và tiêm lỗ trống. Nếu chiều rộng của vùng hoạt động nhỏ hơn chiều dài khuếch tán của chất mang, thì hầu hết chất mang có thể khuếch tán đến vùng hoạt động trước khi tái tổ hợp. Khi chúng đến chỗ tiếp giáp, chúng bị đẩy lùi bởi hàng rào tiềm năng và ở lại vùng hoạt động. Nếu độ dày d của vùng hoạt động nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuếch tán của các chất mang, thì các chất mang sẽ lấp đầy vùng hoạt động một cách đồng đều. Đối với loại laser này, sự tái tổ hợp xảy ra gần như đồng nhất trong vùng hoạt động.

Bởi vì cả hai mặt của vùng hoạt động đều là vật liệu băng rộng, chiết suất hiệu dụng nhảy theo thứ bậc, do đó các photon bị giới hạn trong vùng hoạt động, và sự phân bố của trường ánh sáng cũng đối xứng. Dị liên kết đôi có thể hạn chế hiệu quả các hạt tải điện và photon, do đó mật độ dòng ngưỡng của laser giảm đáng kể và hoạt động liên tục của laser ở nhiệt độ phòng được thực hiện.

Sau khi laser dị liên kết kép đạt được hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng, vấn đề còn tồn tại là làm thế nào để nâng cao tuổi thọ của thiết bị, có thể bắt đầu từ việc giải quyết vấn đề về cấu trúc vùng hoạt động và tản nhiệt. Với các yêu cầu khác nhau, có nhiều cấu trúc của laser dị liên kết đôi, điển hình hơn cả là laser dị liên kết kép thanh (DH). Trong GaAs / Ga_1-xAl_NSLà laser DH, dải tần GaAs tương ứng với bước sóng laser khoảng 0,89um. Laser InP / InGaAsP DH bao phủ phạm vi 0,92 ~ 1,65чm. Vì mức suy hao sợi quang thấp nhất là 1,3 ~ 1,6чm, laser InP / InGaAsP DH có các ứng dụng quan trọng cho hệ thống thông tin liên lạc sợi quang đường dài, trong khi GaAs / Ga_1-xAl_NSNhư laze DH thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc sợi quang khoảng cách ngắn.

Laser trạng thái rắn YAG

Cốt lõi của sự phát xạ laser là chất hoạt động của laser (nghĩa là chất hoạt động có chứa mức năng lượng có thể di chuyển) trong laser có thể nhận ra sự đảo ngược quần thể, chẳng hạn như laser có chất hoạt động là tinh thể hoặc thủy tinh, được gọi là tinh thể. tia laser và tia laser thủy tinh, tương ứng. Thông thường, hai loại laser này được gọi chung là laser trạng thái rắn. Trong số các loại laser, laser thể rắn là loại laser đầu tiên được phát triển. Loại tia laser này có kích thước nhỏ, công suất đầu ra cao và ứng dụng thuận tiện. Có ba vật liệu làm việc chính cho laser trạng thái rắn; Garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium (Nd: YAG), với bước sóng đầu ra 1,06 чm, có màu trắng và xanh lam; thủy tinh neodymium, có bước sóng ra 1,06 чm, có màu xanh tím; ruby, bước sóng đầu ra là 0,694чm, có màu đỏ.

Laser YAG là loại laser trạng thái rắn phổ biến nhất. Laser YAG ra đời muộn hơn so với laser thủy tinh ruby ​​và neodymium. Năm 1964, tinh thể YAG đã được phát triển thành công. Sau nhiều năm làm việc chăm chỉ, các tính chất quang học và vật lý của vật liệu tinh thể YAG không ngừng được cải thiện, và quá trình điều chế tinh thể YAG kích thước lớn đã được khắc phục. Đến năm 1971, các tinh thể Nd: YAG kích thước lớn với đường kính 40mm và dài 200mm đã có thể được vẽ, cung cấp các tinh thể chất lượng cao với chi phí vừa phải cho sự phát triển của laser YAG và thúc đẩy sự phát triển của YAG tia laze.

Vào những năm 1970, sự phát triển của laser đã mở ra một sự phát triển vượt bậc trong việc nghiên cứu và ứng dụng laser YAG. Các cơ quan nghiên cứu ở nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển đã đầu tư nhiều nhân lực và nguồn lực tài chính để nghiên cứu cách cải thiện hiệu quả, công suất và độ tin cậy của laser YAG và giải quyết các vấn đề kỹ thuật. Một số kết quả ứng dụng đã đạt được trong các lĩnh vực laser khác nhau, radar laser, xử lý công nghiệp laser và điều trị y tế bằng laser. Ví dụ, Radar theo dõi chính xác Laser YAG (hệ thống PATS) đã được sử dụng thành công trong phạm vi đo lường tên lửa vào năm 1971 bởi Công ty Silvania của Hoa Kỳ. Trong những năm 1980, việc nghiên cứu và ứng dụng laser YAG đã trưởng thành và bước vào thời kỳ phát triển nhanh chóng, trở thành xu hướng chủ đạo của sự phát triển và ứng dụng các loại laser khác nhau.

Cấu trúc của laser YAG

Nói chung, laser YAG đề cập đến laser Nd: YAG được pha tạp chất Nd hóa trị ba³⁺ trong tinh thể ngọc hồng lựu yttrium nhôm (YAG). Nó phát ra một nguồn laser cận hồng ngoại 1,06 чm và là một tia laser thể rắn có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng. Trong các loại laser xung công suất vừa và nhỏ, laser Nd: YAG hiện được sử dụng với số lượng nhiều hơn nhiều so với các loại laser khác. Công suất xung đơn do tia laser này phát ra có thể đạt tới 107W hoặc cao hơn, có thể xử lý vật liệu với tốc độ cực cao. Laser YAG có năng lượng cao, công suất đỉnh cao, cấu trúc nhỏ gọn, độ cứng và độ bền, hiệu suất đáng tin cậy, xử lý an toàn, điều khiển đơn giản, v.v. Đặc điểm, nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, quốc phòng, điều trị y tế, nghiên cứu khoa học và các lĩnh vực khác. Tinh thể Nd: YAG có đặc tính nhiệt tuyệt vời và rất thích hợp để chế tạo các thiết bị laze liên tục và lặp đi lặp lại.

Laser YAG bao gồm thanh nguồn laser YAG, đèn xenon, hốc tụ điện, công tắc Q, bộ phân cực, gương tổng, bán hồi tiếp, v.v., cấu tạo như hình 2.9

Môi trường làm việc của thiết bị vi quang YAG là thanh Nd: YAG, hai bên được làm nhám, hai đầu mài thành mặt phẳng, được mạ lớp chống phản xạ. Tinh thể tăng gấp đôi tần số sử dụng tinh thể kali tetany oxit (KTP) với lớp phủ chống phản xạ ở cả hai mặt. Khoang quang phổ laser sử dụng một khoang ổn định lõm plano, chiều dài khoang là 530mm, và bán kính cong của gương tổng lõm plano là 2m. Vui lòng sử dụng thấu kính thạch anh có độ truyền qua cao và phản xạ cao cho gương điện kế và tần số điều chế của thiết bị chuyển mạch Q có thể điều chỉnh được.

Khoang cộng hưởng laser là một khoang gấp ba gương có cộng hưởng vạch phổ 1,3mm, bao gồm hai mô-đun bơm laser bán dẫn, mỗi mô-đun bao gồm các mảng laser bán dẫn sóng liên tục 20W (LD) với bước sóng trung tâm là 808nm, và tổng Độ rộng vạch phổ Nhỏ hơn 3nm, tinh thể laze có kích thước 3mm × 75mm Nd: YAG, nồng độ pha tạp là 1,0% và bộ quay bằng thạch anh 1.319nm laser 90 ° được đưa vào giữa hai mô-đun bơm LD để bù cho hiệu ứng lưỡng chiết do nhiệt gây ra .

Các khu vực ổn định của khoang cộng hưởng của ánh sáng phân cực xuyên tâm và ánh sáng phân cực xuyên tâm chồng lên nhau, điều này có lợi để tăng công suất phát và cải thiện chất lượng chùm tia. Công tắc Q chuyển mạch quang có suy hao nhiễu xạ cao được sử dụng để tạo ra xung chuyển mạch Q và tần số lặp lại có thể được điều chỉnh trong phạm vi 1 ~ 50kHz. Khoang cộng hưởng được thiết kế tạo ra trọng tâm thực sự vào cánh tay gấp để tăng mật độ công suất, có lợi cho việc chuyển đổi tần số phi tuyến.

Gương Plano M₁ được phủ bằng hệ thống phim phản xạ cao kép 1319nm, 659. 4nm, gương cầu lõm M₂ là một gương ghép đầu ra và gương cầu lõm M₃ là phim phản xạ cao ba bước sóng 1319nm, 659nm, 440nm. Vì cường độ vạch quang phổ 1064nm của tinh thể Nd: YAG gấp ba lần cường độ vạch phổ ở bước sóng 1319nm nên M₁, NS₂, NS₃, thiết kế gương khoang yêu cầu độ truyền của bước sóng 1064nm phải lớn hơn 60%, điều này rất quan trọng để triệt tiêu dao động laser 1064nm. của.

Để giảm suy hao chèn trong khoang, tất cả các thành phần trong khoang phải được phủ một lớp chống phản xạ. Laser bán dẫn không thêm bất kỳ biện pháp định hình hoặc thành phần hình ảnh quang học nào và tinh thể Nd: YAG được bơm từ các hướng 120 ° lân cận. Bằng cách tối ưu hóa các thông số bơm, có thể thu được biên dạng khuếch đại tương đối đồng đều và giống Gauss. Thiết kế này đơn giản, nhỏ gọn và thiết thực, và có thể kết hợp tốt hơn với Eigenmode của bộ cộng hưởng, điều này có lợi để cải thiện hiệu quả khai thác năng lượng và chất lượng chùm tia.

Vì tinh thể liti Tribemate (LBO) có ngưỡng sát thương cao, khả năng hấp thụ ánh sáng tần số cơ bản thấp và ánh sáng được nhân đôi tần số, nên nó có thể đạt được kết hợp pha tần số kép và tần số ba tần số 1319nm và có ưu điểm là hệ số phi tuyến hiệu dụng phù hợp, vì vậy hãy chọn hai Tinh thể LBO được sử dụng làm tinh thể để nhân đôi tần số trong trọng trường và tần số tổng trong trọng trường.

Đặc tính đầu ra của laser YAG

• Laser Nd: YAG bơm bằng đèn. Cấu trúc như hình 2.10 và hình 2.11. Môi trường khuếch đại Nd: YAG có dạng hình que, và nó thường được đặt trên đường tiêu điểm của hốc tụ phản xạ hình tròn đường đôi. Hai đèn bơm nằm trên hai tiêu điểm bên ngoài của hình elip kép, nước làm mát chảy giữa đèn bơm và thanh laze bằng ống thủy tinh.
• Trong laser công suất cao, hiệu ứng nhiệt của que laser giới hạn công suất phát tối đa của mỗi que laser. Nhiệt bên trong thanh laze và sự nguội đi của bề mặt thanh laze gây ra gradient nhiệt độ của tinh thể do đó công suất cực đại của bơm phải thấp hơn để gây ra hư hỏng. Giới hạn căng thẳng. Phạm vi công suất hiệu quả của laser Nd: YAG một thanh là 50 ~ 800W. Có thể thu được laser Nd: YAG công suất cao hơn bằng cách kết nối nối tiếp các thanh laser Nd: YAG.
• Laser Nd: YAG bơm đi-ốt. Cấu trúc của laser Nd: YAG bơm đi-ốt được thể hiện trong Hình 2.12 và laser bán dẫn GaAlAs được sử dụng làm nguồn sáng bơm.
• Sử dụng tia laser bán dẫn làm nguồn bơm giúp tăng tuổi thọ của các linh kiện và loại bỏ yêu cầu thay bóng đèn bơm thường xuyên khi sử dụng bơm đèn. Laser Nd: YAG được bơm đi-ốt có độ tin cậy cao hơn và thời gian làm việc lâu hơn.
• Hiệu suất chuyển đổi cao của laser Nd: YAG được bơm đi-ốt đến từ sự kết hợp phổ tốt giữa phổ phát xạ của laser bán dẫn và sự hấp thụ của Nd: YAG. Laser bán dẫn GaAIAs phát ra bước sóng dải hẹp. Bằng cách điều chỉnh chính xác hàm lượng Al, nó có thể phát ra ánh sáng ở bước sóng 808nm, nằm trong dải hấp thụ của Nd³⁺ vật rất nhỏ. Hiệu suất chuyển đổi điện quang của laser bán dẫn xấp xỉ 40%-50%, đó là lý do mà diode bơm Nd; Laser YAG có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi hơn 10%. Trong khi đèn được kích thích để tạo ra ánh sáng trắng, tinh thể Nd: YAG chỉ hấp thụ một phần nhỏ của quang phổ, dẫn đến hiệu suất thấp.

Laser sợi quang

Phân loại laser sợi quang

Laser sợi quang là loại laser sử dụng sợi quang làm môi trường nguồn laser. Theo cơ chế khuyến khích, có thể chia thành bốn loại sau.

• Nguồn laser sợi quang pha tạp đất hiếm, thông qua việc pha tạp các ion đất hiếm khác nhau trong vật liệu nền sợi quang để thu được đầu ra laser của dải bước sóng cần thiết.
• Laser sợi quang được tạo ra bằng cách sử dụng các hiệu ứng phi tuyến của sợi, chẳng hạn như tán xạ Raman kích thích (SRS), v.v.
• Laser sợi đơn tinh thể, bao gồm laser sợi đơn tinh thể hồng ngọc, laser sợi quang sản phẩm đơn Nd: YAG, v.v.
• Nhuộm laser sợi quang, bằng cách lấp đầy lõi nhựa hoặc lớp phủ bằng thuốc nhuộm để nhận ra tia laser.

Trong số các loại laser sợi này, laser sợi quang và bộ khuếch đại pha tạp các ion đất hiếm là quan trọng nhất và có tốc độ phát triển nhanh nhất. Chúng đã được ứng dụng trong các lĩnh vực truyền thông sợi quang, cảm biến sợi quang, và xử lý vật liệu bằng laze, loại laze này.

Nguyên lý ống dẫn sóng của laser sợi quang

Cấu trúc hình học của nguồn laser sợi quang một lớp được thể hiện trong Hình 2.13. So với nguồn laser trạng thái rắn, laser sợi quang có ít nhất một đường dẫn chùm tia tự do được hình thành trong bộ cộng hưởng laser, và sự hình thành chùm tia và đưa vào laser sợi quang được thực hiện trong ống dẫn sóng quang. Nói chung, các ống dẫn sóng quang học này dựa trên vật liệu điện môi quang điện tử pha tạp đất hiếm. Ví dụ, vật liệu silicon, thủy tinh photphat và thủy tinh florua cho thấy độ suy giảm khoảng 10dB / km, nhỏ hơn vài bậc độ lớn so với tinh thể laser ở trạng thái rắn. So với các vật liệu rắn kết tinh, dải hấp thụ và phát xạ của các ion đất hiếm cho thấy một phổ rộng hơn. Điều này là do sự tương tác của chất nền thủy tinh làm giảm độ ổn định tần số và độ rộng cần thiết của nguồn sáng máy bơm. Vì vậy, cần lựa chọn nguồn bơm diode laser có bước sóng phù hợp với laser sợi quang.

Sợi quang chứa lõi hoạt động pha tạp chất đất hiếm có chiết suất n₁, thường được bao quanh bởi một lớp phủ thủy tinh silica tinh khiết, và chiết suất của lớp phủ là n₂<n₁. Do đó, dựa trên sự phản xạ toàn phần bên trong mặt phân cách giữa lõi và lớp phủ, ống dẫn sóng được tạo ra trong lớp lõi. Đối với bức xạ bơm và bức xạ laser, lớp lõi của laser sợi quang vừa là môi trường hoạt động vừa là ống dẫn sóng. Toàn bộ sợi quang được bảo vệ khỏi các tác động bên ngoài bởi một lớp polyme bên ngoài.

Đối với laser sợi quang được kích thích quang học, bức xạ bơm được kết hợp với lõi laser thông qua bề mặt sợi quang. Tuy nhiên, nếu nó được bơm hướng trục, bức xạ của bơm phải được ghép vào một ống dẫn sóng chỉ vài micromet. Do đó, một nguồn bức xạ bơm có độ trong suốt cao phải được sử dụng để kích thích sợi quang đa mode, và công suất đầu ra hiện tại của nguồn bức xạ được giới hạn trong khoảng 1W. Để khuếch đại công suất máy bơm theo tỷ lệ, cần phải phù hợp với các tham số chùm của sợi quang có độ mở lớn với mảng laser bán dẫn công suất cao. Tuy nhiên, lõi hoạt động của sợi quang được mở rộng cho phép dao động chế độ ngang cao hơn, điều này sẽ làm giảm chất lượng chùm tia. Hiện nay, một thiết kế hai lớp được sử dụng, tức là một lớp lõi cách ly được sử dụng để bơm và phát tia laze, và có thể thu được kết quả tốt.

Laser sợi quang hai lớp

Sợi pha tạp hai lớp bao gồm bốn phần: lõi, lớp phủ bên trong, lớp bọc bên ngoài và lớp bảo vệ.

Chức năng của lõi sợi quang là hấp thụ ánh sáng máy bơm tới và hạn chế ánh sáng laser bức xạ trong lõi; như một ống dẫn sóng, giới hạn ánh sáng laser truyền trong lõi và điều khiển chế độ.

Vai trò của lớp ốp bên trong là bao bọc lõi và hạn chế ánh sáng laser bức xạ bên trong lõi; như một ống dẫn sóng, sự truyền đa chế độ của ánh sáng máy bơm cùng với lớp ốp bên trong làm cho nó phản xạ qua lại giữa lớp ốp bên trong và lớp ốp ngoài. Đi qua lõi sợi quang đơn mode và được hấp thụ

Đối với laser sợi quang hai lớp, bức xạ bơm không được phát trực tiếp đến lớp lõi hoạt động mà vào lớp lõi đa chế độ xung quanh. Lớp lõi bơm cũng giống như lớp ốp. Để nhận biết đặc tính ống dẫn sóng quang của lớp lõi bơm đến lớp lõi hoạt động, lớp phủ xung quanh phải có chiết suất nhỏ. Thông thường, thủy tinh silica pha tạp flo hoặc polyme có độ trong suốt cao với chỉ số khúc xạ thấp được sử dụng. Đường kính điển hình của lõi bơm là vài trăm micrômét, và khẩu độ số NA≈0,32 ~ 0,7 của nó, như trong Hình 2.14.

Bức xạ phát ra đến lõi máy bơm được ghép vào lõi laser trên toàn bộ chiều dài của sợi quang, nơi nó được hấp thụ bởi các ion đất hiếm và tất cả ánh sáng mức cao đều bị kích thích. Sử dụng công nghệ này, bức xạ bơm đa chế độ có thể được chuyển đổi hiệu quả từ laser bán dẫn công suất cao thành bức xạ laser, và nó có chất lượng chùm tia tuyệt vời.

Đặc tính kỹ thuật của nguồn laser sợi quang

Laser sợi quang cung cấp khả năng vượt qua giới hạn của công suất đầu ra đã hiệu chỉnh của laser trạng thái rắn trong khi vẫn duy trì chất lượng chùm tia. Chất lượng của chùm tia laze cuối cùng phụ thuộc vào cấu hình chiết suất của sợi quang, và cấu hình chiết suất của sợi cuối cùng phụ thuộc vào kích thước hình học và khẩu độ số của ống dẫn sóng được kích hoạt. Khi chế độ cơ bản được lan truyền, dao động laser không liên quan gì đến các yếu tố bên ngoài. Điều này có nghĩa là so với các loại laser trạng thái rắn khác (thậm chí được bơm bán dẫn), laser sợi quang không có hiệu ứng quang nhiệt.

Hiệu ứng lăng kính gây ra bởi nhiệt và hiệu ứng chiết suất gây ra bởi áp suất trong vùng hoạt động sẽ làm giảm chất lượng chùm tia. Khi năng lượng máy bơm được vận chuyển, laser sợi quang không quan sát thấy sự giảm hiệu suất ngay cả ở công suất cao.

Đối với nguồn laser sợi quang, tải nhiệt gây ra bởi quá trình bơm sẽ mở rộng ra một vùng dài hơn. Do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn nên hiệu ứng nhiệt dễ bị loại bỏ hơn. Do đó, nhiệt độ tăng của lõi laser sợi quang là nhỏ so với laser bơm bán dẫn rắn. Do đó, khi laser làm việc, hiệu suất lượng tử bị suy giảm do nhiệt độ ngày càng tăng, đóng vai trò thứ cấp đối với laser sợi quang.

Tổng hợp lại, nguồn laser sợi quang có những ưu điểm chính sau đây.

• Sợi quang như một phương tiện truyền dẫn sóng có hiệu quả ghép nối cao, đường kính lõi nhỏ, mật độ công suất cao dễ dàng hình thành trong lõi và có thể dễ dàng kết nối với hệ thống thông tin sợi quang hiện tại một cách hiệu quả và tia laser được tạo thành có hiệu suất chuyển đổi cao và thấp ngưỡng laser., Chất lượng chùm tia đầu ra tốt và độ rộng dòng hẹp.
• Vì sợi quang có tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn nên hiệu quả tản nhiệt tốt, nhiệt độ môi trường cho phép trong khoảng -20 ~ + 70 ℃, không có hệ thống tản nhiệt nước khổng lồ, chỉ làm mát không khí đơn giản.
• Nó có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như va đập mạnh, rung động cao, nhiệt độ cao và điều kiện bụi bẩn.
• Bởi vì sợi quang có tính linh hoạt tuyệt vời, laser có thể được thiết kế nhỏ và linh hoạt, ngoại hình nhỏ gọn, dễ tích hợp hệ thống và tiết kiệm chi phí.
• Có khá nhiều thông số có thể điều chỉnh và tính chọn lọc. Ví dụ, cách tử sợi Bragg với bước sóng và độ truyền qua thích hợp được ghi trực tiếp trên cả hai đầu của sợi bọc kép để thay thế khoang cộng hưởng được hình thành do phản xạ gương. Laser Raman toàn sợi được cấu tạo bởi một vòng sợi một chiều, một khoang ống dẫn sóng hình tròn. Tín hiệu trong khoang được khuếch đại trực tiếp bởi đèn bơm mà không có sự đảo ngược dân số.