Kích thích phát xạ laser CO2 bằng tần số vô tuyến (RF)

Ngày nay, laser CO₂ đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế - xã hội, đặc biệt trong lĩnh vực y tế và gia công vật liệu. Phân loại theo công nghệ chế tạo, hiện nay có hai loại laser CO₂ phổ biến là laser DC-CO₂ và RF-CO₂. Sự khác nhau giữa hai loại laser này là cơ chế kích thích phát xạ chùm tia laser: Laser DC-CO₂ được kích thích bằng nguồn cao áp với điện áp DC lên đến trên 10 kV, thậm chí đến 20 kV, trong khi đó, laser RF-CO₂ được kích thích bằng tần số vô tuyến (RF). Cơ chế hoạt động của hai loại laser này có thể được mô tả như sau (Hình 1).

Hình 1: Cơ chế hoạt động của hai loại laser CO₂ phổ biến hiện nay

Ưu, nhược điểm của hai loại laser này được miêu tả trong Bảng 1.

Bảng 1: Bảng so sánh một số thông số kỹ thuật giữa laser DC-CO₂ và RF-CO₂

Do có nhiều ưu điểm, trong thời gian gần đây người ta tập trung nghiên cứu phát triển các ứng dụng của laser RF-CO₂. Hầu hết laser RF-CO₂ đang bán trên thị trường hiện nay có tần số kích thích dưới 100 MHz. Có ba dạng cấu trúc cơ bản của laser RF-CO₂ là: cấu trúc điện cực phẳng, cấu trúc điện cực hình khuyên và cấu trúc điện cực đồng trục. Trong đó cấu trúc điện cực phẳng được sử dụng phổ biến.

Trong các đầu phát laser RF-CO₂ có cấu trúc điện cực phẳng, plasma sẽ được hình thành giữa hai điện cực và đóng vai trò như một ống dẫn sóng quang học được mô tả ở Hình 2.

Hình 2: Nguyên lý làm việc của laser RF-CO₂ cấu trúc điện cực phẳng

Việc làm sáng tỏ các quá trình vật lý diễn ra trong buồng cộng hưởng của laser CO₂ kích thích bằng tần số RF là một công việc hết sức khó khăn, đặc biệt là  việc tính toán về sự phân bố của trường RF trong không gian ba chiều (3D) cũng như sự tương tác của trường RF với các phân tử khí ở dạng plasma. Để đơn giản hóa, người ta thường tiếp cận theo hướng coi môi trường plasma phân bố trong không gian hai chiều (2D), trên một mặt phẳng và sự tương tác là giữa trường RF với các bản cực. Khi đó, có thể xem đầu phát laser như một trở kháng động tương đương 50 Ω. Bài toán thiết kế chế tạo khối kích thích phát xạ laser RF-CO₂ trở về dạng thiết kế chế tạo bộ phát tần số RF có phối hợp trở kháng với đầu phát laser có trở kháng tương đương 50 Ω với nguyên lý như mô tả tại Hình 3.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý bộ phát tần số RF và mạch phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng giữa đầu phát laser với bộ phát tần số RF phụ thuộc vào các tham số của đầu phát laser và các thông số linh kiện, đặc biệt là thông số của MOSFET. Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh phối hợp trở kháng trong một dải tần số (thường từ 40 đến 50 MHz), các tụ điện C1, C2, C3 trong Hình 3 thường là các tụ vi chỉnh (trimmer).

Hiện nay, Trung tâm Công nghệ Laser đang thực hiện nghiên cứu chế tạo khối phát công suất tần số RF để tiến tới làm chủ chế tạo các đầu phát laser trong thiết bị laser RF-CO₂, một số kết quả thực nghiệm được mô tả trong Hình 4.

Hình 4: Khối phát công suất tần số RF và dạng tín hiệu

Các kết quả thực nghiệm thu được cho thấy, tần số RF kích thích phát xạ laser tối ưu cho đầu laser RF-CO₂ công suất dưới 50 W nằm trong dải từ 40 MHz đến 50 MHz.

Với các kết quả thu được, Trung tâm sẽ chủ động hơn trong việc chế tạo thiết bị, bảo hành, bảo dưỡng, thay thế đầu phát laser trong thiết bị laser RF-CO₂ công suất dưới 50W ứng dụng trong y tế và công nghiệp, với giá thành thấp hơn so với thiết bị nhập ngoại.