tiểu luận lý thuyết đề tài: laser

Khả năng tạo ra mật độ đảo lộn của môi trường hoạt tính là yếu tố cơ bản để có thể khuếch... Cấu tạo Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh sáng phản xạ qu

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

LỜI CẢM ƠN 9

MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài - 10

2 Mục đích đề tài - 10

3 Nhiệm vụ - 10

4 Đối tượng nghiên cứu - 11

5 Phạm vi nghiên cứu - 11

6 Phương pháp nghiên cứu - 11

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

1.1 Mức năng lượng Bức xạ Hệ số Einstein - 12

1.1.1 Mức năng lượng - 12

1.1.2 Bức xạ - 12

1.1.3 Các hệ số Einstein - 13

1.2 Nhiệt độ tuyệt đối âm - 15

1.3 Điều kiện tự kích thích - 16

1.4 Độ rộng vạch phổ - 18

CHƯƠNG 2: HỆ CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC 19

2.1 Buồng cộng hưởng laser - 19

2.1.1 Cấu tạo - 19

2.1.2 Chức năng - 20

2.2 Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng - 22

2.3 Các mode trong buồng cộng hưởng - 23

CHƯƠNG 3: SỰ LAN TRUYỀN CHÙM LASER 25

3.1 Chùm Gauss trong không gian tự do - 25

3.2.Sự truyền của chùm Gauss qua hệ quang học - 26

CHƯƠNG 4 CÁC LOẠI LASER 27

4.1 Laser khí - 27

4.1.1 Đặc điểm chung của laser khí - 27

4.1.2 Laser Heli – Neon - 31

4.1.3 Laser ion - 32

4.1.4 Laser phân tử khí - 34

4.2 Laser rắn - 35

4.2.1 Đặc điểm chung của laser rắn - 35

4.2.2 Laser Ruby - 36

4.2.3 Laser rắn có ion hoạt hóa thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm - 38

4.3 Laser bán dẫn - 39

4.3.1 Cấu tạo laser diode - 40

4.3.2 Nguyên tắc hoạt động - 42

4.3.3 Tính chất của laser bán dẫn - 51

4 4 Laser màu - 54

4.4.1 Các mức năng lượng của điện tử trong chất màu - 55

4.4.2 Cấu tạo và hoạt động của laser màu - 57

CHƯƠNG 5: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER 62

5.1 Trong y học: - 62

5.1.1 Lịch sử: - 62

5.1.2 Nguyên tắc hoạt động: - 63

5.1.3 Ưu điểm: - 66

5.2 Trong đời sống: - 66

5.2.1 Lịch sử: - 66

5.2.2 Nguyên tắc hoạt động: - 67

5.3 Trong công nghiệp: - 70

5.3.1 Sơ lƣợc: - 70

5.3.2 Nguyên tắc hoạt động: - 70

5.3.3 Ƣu điểm: - 72

5.4 Trong khoa học – công nghệ: - 73

5.4.1 Lịch sử: - 73

5.4.2 Nguyên tắc hoạt động: - 74

5.5 Một số ứng dụng khác: - 76

Tài liệu tham khảo 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình nguyên tử Bohr - 12

Hình 1.2 Quá trình hấp thụ - 12

Hình 1.3 Quá trình phát xạ cảm ứng - 12

Hình 1.4 Các trạng thái của hệ gồm hai mức năng lượng - 15

Hình 1.5 Sự hình thành mật độ đảo lộn - 15

Hình 1.6 Sự truyền sóng trong buồng cộng hưởng - 17

Hình 1.7 Độ rộng vạch phổ - 18

Hình 2.1 Một số loại buồng cộng hưởng - 20

Hình 2.2 Mode dao động ngang của chùm laser - 23

Hình 4.1 Sơ đồ laser khí - 30

Hình 4.2 Các mức He và Ne - 31

Hình 4.3 Giản đồ năng lượng của các mức phía dưới của ion Ar - 33

Hình 4.4 Phổ năng lượng tạp chất Cr3+ - 37

Hình 4.5 Giản đồ mức năng lượng của Nd trong YAG và thủy tinh - 38

Hình 4.6 Cấu trúc của một laser bán dẫn đơn giản - 40

Hình 4.7 Các mode cộng hưởng lan truyền bên trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot

- 41

Hình 4.8 Giản đồ vùng năng lượng chuyển tiếp p-n khi chưa áp điện - 43

Hình 4.9 Phân cực nối p-n - 43

Hình 4.10 Giản đồ vùng năng lượng đơn giản của bán dẫn suy biến loại n (a) và loại p (b) - 44

Hình 4.11 Giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn suy biến - 44

Hình 4.12 Sơ đồ năng lượng của tiếp xúc p-n suy biến - 45

Hình 4.13 Điều kiện dòng ngưỡng của laser - 47

Hình 4.14 Cấu trúc laser tiếp xúc đồng thể và dị thể - 48

Hình 4.15 So sánh hoạt động của chuyển tiếp đồng thể và dị thể kép - 49

Hình 4.16 Mức năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép khi chưa phân cực - 49

Hình 4.17 Mức năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép khi phân cực thuận - 50

Hình 4.18: Cấu trúc Gain-guided laser và Index-guided laser - 50

Hình 4.19 Sơ đồ mức năng lượng đối với chất màu trong dung dịch - 55

Hình 4.20 Laser màu liên tục với nguồn bơm laser Argon - 57

Hình 4.21 Cấu trúc phân tử của Rhodamine B và Na-flourescein - 58

Hình 5.1 Quy trình các bước trong kĩ thuật LASIK (từ trái qua phải, từ trên xuống dưới) - 65

Hình 5.2 Ổ đĩa quang - 67

Hình 5.3 Sơ đồ khối nguyên tắc ghi đĩa của ổ quang - 68

Hình 5.4 Sơ đồ nguyên tắc đọc đĩa quang (a) và cấu tạo đĩa quang (b) - 68

Hình 5.5 Cấu tạo mắt đọc đĩa quang - 69

Hình 5.6 Sơ đồ nguyên tắc cắt bằng laser (a) và đầu căt laser (b) - 71

Hình 5.7 Cắt bằng tia laser với độ chính xác cao - 72

Hình 5.8 Một số chi tiết được cắt bằng laser - 72

Hình 5.9 Nhà vật lý Dennis Gabor (1900 – 1979) - 74

Hình 5.10 Sơ đồ cách thức tạo ảnh toàn kí (a) và trính chiếu ảnh toàn kí (b) - 74

Hình 5.11 Ảnh toàn kí của một cô gái - 75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Các loại laser khí - 28

Bảng 4.2 Bước sóng của một số laser - 53

Bảng 4.3 Một số chất màu hữu cơ và dung môi được sử dụng trong laser - 59

Bảng 4.4 Một số chất tạo màu phi hữu cơ - 60

Bảng 4.5 Nguồn bơm laser cho laser màu - 61

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài này ngoài việc học thêm nhiều kiến thức mới, chúng em còn được củng cố thêm nhiều kĩ năng trong hoạt động nhóm, trích lọc kiến thức từ tài liệu, cách thức trình bày một khóa luận tốt nghiệp, kĩ năng tiếng Anh và nhiều kiến thức bổ ích khác Đây thực sự là một kinh nghiệm cho chúng em hôm nay cũng như quá trình làm khóa luận tốt nghiệp sau này

Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Hải Đăng đã hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài này cũng như sự dạy

dỗ tận tình trong suốt thời gian qua Kính chúc thầy luôn thành công, khỏe mạnh và công tác tốt

Nhóm cũng xin cảm ơn tập thể lớp 10MM đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua Chúc các bạn học tập tốt

TP HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013 Nhóm 9

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật hiện đại bắt đầu vào những năm 40 của thế kỉ

20 Những phát minh khoa học, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn là tiền đề cho cuộc cách mạng này.Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới

đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển, giảm tiêu hao năng lượng và tài nguyên, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm Bên cạnh đó hai lĩnh vực nghiên cứu mới cũng được đông đảo các nhà khoa học quan tâm đó là siêu dẫn và laser Laser là một nguồn phát ánh sáng có tầm quan trọng ngày càng cao trong khoa học và đời sống Nó là nguồn sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng Laser có nhiều tính chất đặc biệt, hơn hẳn các nguồn sáng tự nhiên hay nhân tạo khác Do đó mà laser có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và đời sống Nhằm hiểu rõ hơn về cơ sở lý thuyết, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động cũng như ứng dụng của laser, đó là lý do chúng tôi chọn đề tài này

2 Mục đích đề tài

Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi của laser chúng tôi tìm hiểu đề tài này với mục đích:

- Hiểu được cơ sở lý thuyết của laser

- Nêu được cấu tạo và hoạt động của một số loại laser

- Phân tích được vai trò của laser trong một số ứng dụng tiêu biểu

3 Nhiệm vụ

Để hoàn thành đề tài này chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ sau:

- Dịch tài liệu giáo trình tiếng Anh

- Tìm kiếm thêm tài liệu giáo trình tiếng Việt

- Tìm hiểu thêm trên internet và các đề tài liên quan

4 Đối tượng nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu và nhiệm vụ chúng tôi xác định đối tượng tìm hiểu như sau:

- Cơ sở lý thuyết của laser

- Cấu tao, nguyên lý hoạt đông, tính chất của laser

- Phân biệt các loại laser

- Ứng dụng của laser

5 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài này chúng tôi chỉ tìm hiểu sơ lược về cơ sở lý thuyết, cấu tạo và hoạt động của laser, nêu và phân tích sơ lược ứng dụng của laser

6 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu

- Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được

- Dịch tài liệu tiếng Anh

không bị kích thích các electron chuyển động trên

những quỹ đạo tròn quanh hạt nhân, có năng lượng

xác định gọi là quỹ đạo dừng Lúc này electron

không hấp thụ và bức xạ năng lượng Khi electron

hấp thụ năng lượng nó chuyển lên mức năng lượng

cao, còn khi chuyển về mức thấp nó bức xạ năng

xạ năng lượng hν Nếu quá trình chuyển mức này xảy ra do một bức xạ khác duy

Hình 1.1 Mô hình nguyên tử Bohr

Hình 1.2 Quá trình hấp thụ

chuyển ngang qua thì gọi là bức xạ cảm ứng, ngược lại nếu chuyển mức này xảy ra mà không có tác dụng nào từ bên ngoài gọi là bức xạ tự phát

Photon phát ra do bức xạ cảm ứng có các tính chất quan trọng: tần số, sự phân cực, pha, biên độ của nó trùng với photon đầu gây ra nó

với ρν là mật độ phổ năng lượng trường điện từ

Amn, Bmn, Bnm là các hệ số không phụ thuộc thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ

Gọi Nn, Nm lần lược là số hạt trên mức n,m, V là thể tích chứa hạt ta có:

( )

Mặt khác theo nhiệt động lực học ta có:

Từ hai phương trình trên ta có:

ư vậy để mô tả các quá trình xảy ra khi hệ lượng tử tương tác với điện từ trường ta chỉ cần biết một trong ba hệ số Einstein

Hình 1.4 Các trạng thái của hệ gồm hai mức năng lượng

1.2 Nhiệt độ tuyệt đối âm

Ta xét hệ gồm hai mức năng lượng không suy biến m,n với năng lượng tương

Trạng thái này của hệ gọi là có nhiệt độ tuyệt đối âm

hay trạng thái mật độ đảo lộn Khả năng tạo ra mật độ đảo lộn

của môi trường hoạt tính là yếu tố cơ bản để có thể khuếch

Những đặc điểm của nhiệt độ âm:

a Trạng thái ứng với nhiệt độ âm có năng lượng cao hơn trạng thái ứng với nhiệt độ thường

b Chỉ có thể nhận được trạng thái có nhiệt độ âm đối với hệ có số mức năng lượng hữu hạn

c Nhiệt độ âm chỉ mô tả trạng trái của môi trường hoạt tính chứ không phải là nhiệt độ của môi trường xung quanh laser Laser có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ

từ nhiệt độ heli lỏng đến nhiệt độ phòng, nhưng môi trường hoạt tính luôn luôn có trạng thái mật độ đảo lộn

1.3 Điều kiện tự kích thích

Giả sử sóng đơn sắc có cường độ I truyền trong môi trường hoạt tính theo trục z,

ta có:

dI = GIdz với G là hệ số khếch đại lượng tử trong môi trường hoạt tính

Vì sóng truyền đi trong môi trường bị mất mát do nhiều nguyên nhân như nhiễu xạ,… do đó:

dI = (G - Gn)Idz

với Gn là hệ số mất mát

Lấy tích phân phương trình trên ta được:

I = I0exp[(G - Gn)z]

Gọi cường độ sóng xuất phát từ gương thứ nhất là I10, ta có cường độ sóng sau khi phản xạ tại gương thứ hai là:

I20 = r2I10exp[(G - Gn)l]

Với r2 là hệ số mất mát trên gương hai, l là khoảng cách hai gương

Hình 1.6 Sự truyền sóng trong buồng cộng hưởng

Cường độ sóng phản xạ lần thứ hai trên gương thứ nhất là:

1.4 Độ rộng vạch phổ

Vì các nguyên tử tương tác với nhau nên phổ của chúng không phải là một vạch

mà nó có một độ rộng nào đó Độ rộng này quyết định bởi hệ thức bất định:

Như vậy điều này giúp ta dễ dàng hơn trong việc lựa chọn nguồn bơm cho laser Mặt khác ta cũng thấy rằng bức xạ do laser phát ra không phải là hoàn toàn đơn sắc mà tần số của nó dao động trong một khoảng:

Hình 1.7 Độ rộng vạch phổ

CHƯƠNG 2: HỆ CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC

2.1 Buồng cộng hưởng laser

Khi môi trường hoạt chất đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống phản hồi quang học để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát Đó chính là buồng cộng hưởng quang học

2.1.1 Cấu tạo

Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất Hai gương này được đặt đồng trục Mỗi lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi trường hoạt chất, tổng năng lượng ánh sáng đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ kích thích Phát xạ tự phát (xảy ra ngẫu nhiên theo tất

cả các hướng) ít khi đập vào gương, do đó không được khuếch đại Để giải phóng ánh sáng đã được khuếch đại ra ngoài người ta dùng một gương phản xạ toàn phần và một gương phản xạ một phần Một phần sóng ánh sáng đập vào gương thứ hai được phát ra dưới dạng chùm tia laser Độ phản xạ của gương được lựa chọn để đạt được độ khuếch đại cao ở từng hệ thống laser Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu

Gương được sử dụng trong buồng cộng hưởng không phải gương thông thường (vì gây ra mất mát lớn) mà sử dụng gương quang học Gương này phải đảm bảo tổn hao trên các bề mặt quang học là bé nhất Thông thường người ta sử dụng gương được

mạ bạc, mạ nhôm và mạ vàng Quá trình chế tạo gương rất công phu, phải phun thật đều để tránh mất mát lớn khi ánh sáng đập vào Hiện nay gương mạ kim loại được thay thế bằng gương điện môi nhiều lớp Vì nó có ưu điểm nổi bật hơn

Hình 2.1 Một số loại buồng cộng hưởng

Buồng cộng hưởng có rất nhiều dạng khác nhau, tùy vào loại laser để chọn buồng cộng hưởng thích hợp Nhưng chiều dài buồng cộng hưởng phải đảm bảo bằng

nguyên nửa lần bước sóng:

ngoài đều trở nên không đổi Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường

độ laser Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản

xạ từ các gương sẽ giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser Do đó chiều dài buồng cộng hưởng phải bằng nguyên nửa lần bước sóng mới có thể tạo ra giao thoa tăng cường, khuếch đại ánh sáng lên

2 Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp

Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế buồng cộng hưởng và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ Việc thiết kế buồng cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới

độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng cách cho trước Xét cấu hình đơn giản nhất của buồng cộng hưởng gồm hai gương phản xạ song song nhau Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của buồng cộng hưởng Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp Vậy

buồng cộng hưởng là nhân tố quyết định đến việc hình thành các tính chất cơ bản của laser Buồng cộng hưởng phải được thiết kế sao cho sóng ánh sáng lan truyền ra khỏi buồng cộng hưởng có tính định hướng cao, là sóng kết hợp, và có tính đơn sắc

Trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng,

 là bước sóng của laser,

1 , 2

R R lần lượt là hệ số phản xạ của hai gương

Muốn tăng hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng ta tăng chiều dài của buồng, tùy theo bước sóng laser để chọn gương và mạ gương

Có nhiều nguyên nhân làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng quang học như: tổn hao khi phản xạ, nhiễu xạ, sự không song song của gương, độ nhám của mặt gương Khi chế tạo buồng cộng hưởng cần tìm cách khắc phục được những nhược điểm đó

Hình 2.2 Mode dao động ngang của chùm laser

2.3 Các mode trong buồng cộng hưởng

Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết hợp nhất nhưng nó không đơn sắc hoàn toàn Tất cả các laser đều tạo ra ánh sáng trong một dải tần số nào đó Dải tần số hoạt động của laser được xác định chủ yếu bởi môi trường hoạt chất và được gọi là dải tần

số khuếch đại Nhân tố thứ hai xác định tần số phát xạ của laser là buồng cộng hưởng

Do ánh sáng là sóng, khi bị giữ giữa hai gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành sóng dừng Các sóng dừng tạo thành một tập các tần số rời rạc, được gọi là mode dọc của buồng Các mode này là ánh sáng có tần số mà buồng cộng hưởng cho phép duy trì, tất

cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa Đối với buồng gồm hai gương phẳng, các mode được phép là các mode có bước sóng là ước của khoảng cách L giữa hai gương, tức là

2

k

L 

 với k là một số nguyên được gọi là bậc mode Trong thực tế, khoảng cách

L thường lớn hơn nhiều bước sóng ánh sáng λ, do đó giá trị của k rất lớn (khoảng 105đến 106

) Khoảng cách tần số giữa hai mode liên tiếp bất kỳ k và k+1; cho bởi công

thức:

2

c L



Độ rộng của các mode được viết theo công thức:

 

11

CHƯƠNG 3: SỰ LAN TRUYỀN CHÙM LASER

3.1 Chùm Gauss trong không gian tự do

Phương trình sóng Huygen:

Người ta chứng minh được rằng phương trình này có một nghiệm mà dạng toán học của nó là chùm Gauss, chính nghiệm này của phương trình trên là hình thức toán học của chùm laser

Giả sử chùm laser truyền theo trục z, ở gần trục sóng có dạng của sóng cầu, nhưng càng xa trục z thì sự khác nhau càng tăng Hơn nữa ở đây tâm mặt sóng không phải là một điểm đứng yên như sóng cầu

Phương trình mô tả dạng toán học của chùm Gauss:

[ ( )

]

Hệ thứ (

) được gọi là tỉ lệ xích theo trục z của chùm Gauss, trên khoảng cách đó chùm Gauss giảm đi e lần so với tại trục z

Tại z = 0 chùm có độ rộng cực tiểu gọi là bán kính cổ chùm:

Độ rộng chùm tại khoảng cách z gọi là bán kính vếch chùm:

( ) * (

) + Mặt sóng của chùm Gauss được sác định bởi:

3.2.Sự truyền của chùm Gauss qua hệ quang học

Từ những kết quả ở trên chúng ta thấy rằng chùm Gauss phụ thuộc vào hai thông số bán kính vếch ω và bán kính cong R Hai thông số này hoàn toàn xác định đối với sóng có bước sóng λ và biên độ u0 Việc khảo sát sự truyền của chùm Gauss qua thấu kính gặp khó khăn vì chùm Gauss được đặc trưng bởi hai thông số, do đó người ta đưa ra một biểu thức liên hợp giữa hai thông số đó:

Thông số phức q trong sóng Gauss tương tự như R trong sóng cầu, do đó việc khảo sát sự truyền của chùm Gauss qua hệ quang học cũng tương tự như khảo sát sóng cầu

CHƯƠNG 4 CÁC LOẠI LASER

Trong phần này chúng tôi đề cập tới bốn loại laser chính, bao gồm laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser màu

4.1 Laser khí

4.1.1 Đặc điểm chung của laser khí

Laser khí là máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt tính nằm trong pha khí Nó có thể là khí nguyên chất hỗn hợp dưới dạng plasma khí phóng điện Khác biệt cơ bản giữa laser khí và các loại laser khác là:

a Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của nguyên tử ion hay phân tử cô lập Trong những điều kiện ấy, sự tương tác giữa các hạt trong môi trường

là cực tiểu, vì vậy vạch phổ của các mức năng lượng có độ rộng rất hẹp (10-7 - 10-6μm) Tính chất đó cho phép chúng ta nói trước rằng, có vô số sơ đồ dịch chuyển các mức năng lượng trong các khí khác nhau để thành lập mật độ đảo lộn

b Môi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn Mật độ khí nhỏ nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu Điều đó cho phép chúng ta dùng khoảng cách giữa hai gương phản xạ lớn.Vì vậy, laser khí có chùm bức xạ định hướng cao và đơn sắc lớn

c Laser khí có nhược điểm là: mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong thể rắn Vì vậy, với 1 cm3 không thể nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để bức xạ ánh sáng như thể rắn Do đó, laser khí có kích thước lớn

Có thể chia laser khí ra làm 3 loại: laser nguyên tử, laser ion và laser phân tử Chúng nó khác nhau do cơ chế thành lập mật độ đảo lộn và độ dài sóng phát Dãy bước

sóng phát khác nhau là do phổ năng lượng của nguyên tử trung hòa, phân tử và ion khác nhau

Đối với nguyên tử trung hòa, năng lượng ion hóa Wi = 5 ÷ 15 eV, còn hiệu số năng lượng giữa hai mức trên và dưới của laser là ∆ε ~ 0,1 ÷ 1.0 eV Giá trị ∆ε này tương ứng với độ dài sóng  từ 25 µm đến 1 µm Như vậy, laser nguyên tử chủ yếu là nguồn bức xạ hồng ngoại Trong laser ion, khí bị ion hóa mạnh, hầu như không còn nguyên tử trung hòa Năng lượng ion hóa 2 – 3 bậc Wi = 12 – 25 eV, còn ∆ε ~ 2 – 5

eV Điều đó có nghĩa rằng, laser ion chủ yếu là nguồn bức xạ ánh sáng khả kiến và tử ngoại Trong Laser phân tử, năng lượn phân ly không lớn, Wi ≈ 2 – 3 eV, dịch chuyển giữa các mức làm việc tương ứng với độ dài sóng  = 10 – 100 µm, tức là vùng hồng ngoại xa và vùng gần mm

Như vậy, laser khí là nguồn bức xạ có độ dài sóng trong một dải khá rộng: từ bức xạ tử ngoại (2000 Å) tới vùng gần mm (0,4 mm)

Trong dải sóng đó, laser khí các loại có thể phát đến vài trăm tần số khác nhau.Trên bảng 2.1 trình bài các loại laser khí điển hình

Bảng 4.1 Các loại laser khí

Laser Độ dài

sóng (µm)

Chế độ làm việc Đặc điểm

Phân tử H2

0,116 0,160

Xung

-

Độ dài sóng nhỏ nhất trong vùng tử ngoại chân không Dòng và công suất rất lớn

lớn

Liên tục

-

Công suất lớn trong miền phổ xanh

Công suất lớn trong miền phổ lục

Phân tử H2O

27,9 118,6

Bộ phận chủ yếu của laser khí là ống phóng điện chứa khí (hình 4.1) Ống (bằng thủy tinh hay thạch anh) có đường kính từ một vài mm đến vài dm và độ dài từ vài cm đến vài m Bên trong ống được gắn hai điên cực để tạo môi trường plasma khí phóng điện Nếu kích thích laser bằng các điện cực cao tần thì các điện cực được đặt bên ngoài

Hình 4.1.Sơ đồ laser khí

Hai đầu ống phóng điện được gắn kín bằng hai bản phẳng song song với độ dày khoảng 3 – 5 mm và lệch so với trục ống phóng một góc bằng góc Brewter Với cửa sổ

đó bức xạ phân cực thẳng trong mặt phẳng tới (mặt phẳng tới là mặt phẳng chứa tia tới

và tia phản xạ) sẽ không bị mất mát do phản xạ và triệt tiêu những bức xạ có phân cực vuông góc với mặt phẳng tới

Sau đây là một số loại laser khí phổ biến

4.1.2 Laser Heli – Neon

Laser khí đầu tiên được phát minh vào cuối năm 1960 là laser nguyên tử của hỗn hợp khí He và Ne với tỷ lệ từ 5/1 tới 20/1

Không giống như với laser rắn hoạt động nhờ sự chuyển mức điện tử của các tạp chất hay pha tạp mà chúng hoạt động thông qua sự chuyển mức giữa các trạng thái điện tử của nguyên tử chất khí trong laser

Cơ chế thành lập mật độ đảo lộn trong Laser Heli – Neon

b Thời gian sống của trạng thái s (τs ≈ 100 ns) gấp 10 lần so với thời gian sống của trạng thái p (τp ≈ 10 ns) Vì vậy có thể xem laser He – Ne làm việc theo sơ đồ 4 mức Từ đó suy ra rằng, bức xạ laser có thể xảy ra một trong ba dịch chuyển a, b, c trên hình 4.2 Thực nghiệm quan sát được vạch phát 3s2 – 3p4 (= 3,36 µm), 3s2 – 2p4 (= 0,6328 µm) và 2s2 – 2p4 (= 1,15 µm)

c Trạng thái 1s có thời gian sống lớn, trong đó 1s5 và 1s3 là siêu bền Vì vậy, trạng thái 1s trong phóng điện dễ dàng tích tụ và khi dòng phóng điện lớn, quá trình kích thích từng bậc từ trạng thái 1s lên 2p và 3p có thể đóng vai trò quan trọng Quá trình này sẽ làm giàu mật độ trạng thái 2p và 3p, do đó sẽ làm giảm mật độ đảo lộn

Các thông số ảnh hưởng tới quá trình phóng điện khí của cả 3 dạng phát laser

Những đặc tính ưu việt của laser ion:

1 Những trạng thái năng lượng làm làm việc cho máy nằm rất cao trên sơ đồ năng lượng Vì vậy, sự san bằng mật độ của các mức đảo lộn khi tăng dòng phóng điện (do những quá trình thứ cấp như ở các trạng thái nguyên tử) không xảy ra

2 Xác suất chuyển mức ion lớn hơn xác suất chuyển mức nguyên tử

3 Khoảng cách giữa các mức ion làm việc cho máy lớn, cho nên chuyển mức tương ứng với miền sóng ngắn Điều đó cho khả năng nhận được máy phát phổ vùng khả kiến

Cơ chế hình thành mật độ đảo lộn trong laser ion Ar mang đặc trưng kích thích từng bậc

Hình 4.3 Giản đồ năng lượng của các mức phía dưới của ion Ar

Khi va chạm với điện tử, nguyên tử Ar từ trạng thái cơ bản 3p6 chuyển lên trạng thái kích thích và trạng thái ion 3p5

b Loại laser dùng các mức dao động của các trạng thái điện tử khác nhau (mức dao động điên tử) Độ dài sóng phát của loại laser này thường nằm trong vùng khả kiến

và tử ngoại

4.2 Laser rắn

4.2.1 Đặc điểm chung của laser rắn

Laser rắn là máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt tính của nó làm bằng tinh thể hay chất cách điện vô định hình Môi trường hoạt tính gồm có hai thành phần:

a Vật liệu cơ bản của môi trường – được gọi là khuôn đúc Khuôn đúc này là

tinh thể hay chất vô định hình như Al2O3, CaF2, CaWO4, LaCl3, thủy tinh Ba…dùng để chứa chất tạp ion có tính hoạt hóa chứ không tham gia trực tiếm những quá trình vật lý của laser

b Chất tạp ion có tính hoạt hóa – chủ yếu là các ion thuộc nhóm nguyên tố đất

hiếm như Sm2+, Dy2+, Tu2+, Nd3+… Bức xạ cảm ứng xảy ra do dịch chuyển giữa các mức năng lượng của ion hoạt hóa này Hàm lượng của chúng thường rất nhỏ Khi tăng lượng ion hoạt hóa lên sẽ tăng nồng độ hạt, cho ta lợi về mặt công suất, nhưng mặt khác lại giảm thời gian sống của các mức làm việc của các ion hoạt hóa Vì vậy, hàm lượng tối ưu của chúng trên dưới một vài phần trăm Ion hoạt hóa phải đảm bảo 2 tính chất cơ bản: thứ nhất, có thể đưa nó vào thay thế ion của khuôn tinh thể hay khuôn thủy tinh mà không phá vỡ độ bền cơ học, nhiệt, tính đồng nhất quang học vủa môi trường hoạt tính; thứ 2, phải có phổ hấp thụ bức xạ bơm khá rộng

Khi nghiên cứu laser rắn, cần chú ý tới các đặc tính của nó như sau:

1 Nồng độ ion hoạt tính trong môi trường rắn lớn hơn rất nhiều nồng độ của hạt trong môi trường khí Vì vậy, mật độ mức năng lượng trong laser rắn đặc biệt lớn Từ

đó dễ hiểu rằng, giá trị tuyệt đối mật độ đảo lộn có thể rất lớn so với trong môi trường khí và môi trường hoạt tính chất rắn phải được đặc trưng bằng hệ số khuếch đại lớn

2 Chất rắn có sự đồng tính quang học rất kém so với môi trường khí Điều đó dẫn tới sự mất mát trong thể tích do tán xạ, hạ thấp hiệu suất của hệ cộng hưởng khi môi trường kích hoạt dài Thường độ dài của nó không quá 50 – 60 cm Góc phân kỳ của chùm bức xạ laser rất lớn – thường hàng chục phút

3 Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt

có độ rộng lớn Vạch bức xạ tự phát (huỳnh quang) và vạch phát chồng lên nhau trong một dãy phổ rộng

4 Khả năng thành lập sự đảo lộn trong laser rắn, về nguyên tắc, khác với trong laser khí hay laser bán dẫn – nó không thể liên quan tới dòng điện chạy qua chất rắn cách điện được, ở đây phải dùng bơm quang học

Bộ phận chủ yếu của laser rắn là lõi rắn hoạt tính bằng tinh thể hay thủy tinh có dạng hình trụ hay hình hộp chữ nhật

Mặt phản xạ thường được chế tạo trực tiếp lên hai đáy của thỏi Để một đáy có

độ phản xạ tốt hơn, thỉnh thoảng được dùng hiện tượng phản xạ toàn phần Muốn vậy góc φ phải thõa mãn điều kiện:

Ruby là một tinh thể rắn Thành phần cơ bản cua nó là chất cách điện – corudium, tinh thể oxit nhôm (Al2O3) Nó chỉ trở thành Ruby khi một phần nhỏ nguyên

tử Al trong tinh thể được thay bằng Cr3+ Hàm lượng nguyên tử Cr trong tinh thể không lớn, thường khoảng 1019 nguyên tử Cr trong 1 cm3

Màu sắc của nguyên tử Ruby được quy định bởi sự phân bố của mức năng lượng nguyên tử Cr trong tinh thể

Vì nồng độ nguyên tử Cr bé nên điện trường do bản thân chúng gây ra trong tinh thể không đáng kể và sự tương tác giữa chúng với nhau có thể bỏ qua Ion Cr3+ trong tinh thể chủ yếu bị tác động của điện trường gây nên bởi nguyên tử O và Al Phổ năng lượng của Cr3+ tương ứng với phổ của ion

Cr3+ tự do nhưng tác động của điện trường

mạnh đó với lớp điện tử 3d sẽ tách thành

vùng (hiệu ứng Stark)

Cấu trúc mức năng lượng Cr3+ trong

Ruby được trình bày trên hình 4.4 W1 là

trạng thái cơ bản Trong thực tế, mức W1 có

cấu trúc phức tạp và được dùng để khuếch

đại lượng tử thuận từ Chuyển mức laser

thực hiện giữa các mức hẹp W2b, W2a

với W1 Độ dài sóng bức xạ tương ứng

với chuyển mức giữa W2 - W1 ~ 7000 Å đó là ánh sáng đỏ Chuyển mức giữa W3 - W1

là ánh sáng xanh còn chuyển mức W4 - W1 là ánh sáng da trời

Nếu kích thích ion Cr3+ chuyển từ trạng thái cơ bản lên vùng W3 hay W4 thì sau thời gian rất ngắn (~10- 8 s), nó sẽ chuyển về mức W2, chuyển mức này không kèm theo

Hình 4.4 Phổ năng lượng tạp chất Cr 3+

bức xạ, nội năng thừa của ion sẽ kích thích dao động mạng tinh thể Ruby Chuyển mức

W3 và W4 xuống W2 Thời gian sống của ion trên mức W2 khá lớn, khoảng 10-3 s Điều

đó cho phép tích tụ nguyên tử trên mức W2 và thành lập mật độ đảo lộn giữa mức W2

và W1

4.2.3 Laser rắn có ion hoạt hóa thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm

Đây là loại laser rắn có ion hoạt hóa thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm Nguyên tắc làm việc của nó theo sơ đồ trạng thái bốn mức Vì vậy, công suất bơm đối với chúng không đòi hỏi lớn và dễ dàng thực hiện hiện ở nhiệt độ phòng theo chế độ liên tục

Laser loại này được dùng rộng rãi hơn hết là Laser Neodim (Nd): khuôn bằng thủy tinh Ba (59% SiO2, 25% BaO, 15% K2O, và 1% Sb2O3), còn ion hoạt hóa là

Nd+3s

Hình 4.5 Giản đồ mức năng lượng của Nd trong YAG và thủy tinh