Vật lí Laser - Cơ sở động học laser

Chương 1: Cơ sở động học của laserChương 2: Lý thuyết về hệ cộng hưởng quang học Chương 3: Sự lan truyền của chùm laser Chương 4: Các phương pháp tạo môi trường mật độ đảo lộn trong máy

Trang 1

Khoa KHOA HỌC VẬT LIỆU

VẬT LÝ LASER

Giảng viên: TS Phan Bách Thắng

Trang 2

Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí :

Trang 4

Chương 1: Cơ sở động học của laser

Chương 2: Lý thuyết về hệ cộng hưởng quang học

Chương 3: Sự lan truyền của chùm laser

Chương 4: Các phương pháp tạo môi trường mật độ đảo lộn trong máy phát

quang lượng tử Chương 5: Các tính chất của chùm laser

Chương 7: Ứng dụng của bức xạ laser

Trang 5

VẬT LÝ LASER

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC VẬT LÝ LASER

Tài liệu tham khảo

1 Vật lý chất rắn, Lê Khắc Bình và Nguyễn Nhật Khanh, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ

6 Laser Physics, L V Tarasov, MIR Publishers, 1983.

7 Principles of Lasers, Orazio Svelto and David C Hanna, Plenum Press.

Trang 6

Chương 1: Cơ sở động học của Laser

1 Tổng quan và cơ sở vật lý của laser

2 Cấu tạo của một máy phát laser

3 Điều kiện làm việc của máy phát laser

4 Ngưỡng phát

5 Chế độ làm việc của laser

6 Ngưỡng bơm

7 Điều kiện tự kích

Trang 7

VẬT LÝ LASER

1 TỔNG QUAN và CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LASER

“Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức”

Trang 8

Lịch sử phát triển của ánh sáng laser

Trang 9

VẬT LÝ LASER

Trang 10

Trang 11

VẬT LÝ LASER

Trang 12

Trang 13

VẬT LÝ LASER

Trang 14

 Trạng thái ứng với năng lượng cực tiểu gọi là trạng thái ổn định hay trạng thái cơ bản.

 Trạng thái ứng với năng lượng lớn hơn trạng thái cơ bản gọi là trạng thái kích thích.

 Trong điều kiện bình thường, nguyên tử ở trạng thái bình thường và tuân theo phân bố

Boltzmann.

 Nếu một số trạng thái kích thích có cùng một giá trị năng lượng  những trạng thái suy biến.

 Số trạng thái ứng với cùng một mức năng lượng gọi là độ suy biến hay còn gọi là trọng lượng thống kê của mức, ki hiệu là g.

 Dưới tác dụng của bên ngoài, các nguyên tử sẽ dịch chuyển giữa các trạng thái Với mỗi dịch chuyển nguyên tử sẽ hấp thụ hay bức xạ một lượng tử năng lượng và tuân theo định luật bào tòan năng lượng.

 Tần số của lượng tử bức xạ hoặc hấp thụ là



E E

E i − k = ∆

=

ω

Trang 15

VẬT LÝ LASER

 Cơ sở lý thuyết của Laser chính là tiên đề của Einstein (1917): khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử:

1 Qúa trình hấp thụ một lượng tử ánh sáng

2 Bức xạ tự phát

3 Bức xạ cưỡng bức

 Chiếu vào nguyên tử một chùm bức xạ có mật độ năng lượng ρ(ν) Xét quá trình hấp thụ và bức

xạ ánh sáng trong một nguyên tử với hai trạng thái có năng lượng E1 và E2 (E2 > E1).

Trang 16

Trang 17

VẬT LÝ LASER

 Nguyên tử bị kích thích có thể chuyển về trạng thái có năng

lượng thấp hơn một cách tự phát bằng các phát ra photon có cùng

tần số với photon kích thích

 Các chuyển dời tự phát là ngẫu nhiên nên bức xạ tự phát

không có tính kết hợp (photon phát ra truyền theo phương tùy ỳ

và pha tùy ý)

2 Qúa trình bức xạ tự phát

Trang 18

 Nguyên tử ở trạng thái kích thích, dưới tác dụng của trường

bức xạ (photon kích thích) có thể chuyển trở về trạng thái có

trạng thái có năng lượng thấp  số photon bức xạ sẽ lớn hơn số

photon kích thích  ánh sáng được khuếch đại

 Trong bức xạ cưỡng bức, photon phát ra có cùng tần số, cùng

phương truyền và cùng pha với photon kích thích

E1

E2

Trạng thái đầu

Trang 19

VẬT LÝ LASER

Để định lượng quá trình dịch chuyển  khái niệm vận tốc của quá trình Albert Einstein đã xác định

hệ số của từng quá trình và chỉ ra rằng tốc độ của các quá trình này có liên quan với nhau.

1 Qúa trình hấp thụ

 Tốc độ của quá trình hấp thụ tỷ lệ thuận với số nguyên tử N1 ở trạng thái có năng lượng thấp E1 và mật độ

năng lượng ρ(ν) của bức xạ tới các nguyên tử

( ) ν

ρ

1 12

12 B N dt

dN

=

 B12 là hệ số Einstein đối với quá trình hấp thụ, có thứ nguyên cm3.J-1.s-2

 Mật độ năng lượng ρ(ν) hay mật đô phổ khối của bức xạ ở tần số dịch chuyển (là phần năng

lượng chứa trong một đơn vị thể tích của chùm bức xạ trong một đơn vị quãng phổ) có thứ nguyên

là J.cm-3.Hz-1 hay J cm3.s

 Nếu mật độ photon càng lớn thì số họat động hấp thụ càng lớn

Trang 20

 Tốc độ của quá trình bức xạ tự phát không phụ thuộc vào mật độ năng lượng của bức xạ mà chỉ tỷ lệ thuận với

số nguyên tử N2 ở trạng thái kích thích

2 12

21 A N dt

dN

=

 A21 là hệ số Einstein đối với quá trình bức xạ tữ phát, có thứ nguyên s-1

Trang 21

VẬT LÝ LASER

21 B N dt

dN

=

 B21 là hệ số Einstein đối với quá trình bức xạ cưỡng bức

 Nếu mật độ photon kích thích càng lớn thì số photon bức xạ ra càng nhiều

Trang 22

lên phải bằng số các chuyển dời đi xuống

( )

21 2

1 12

21

2 21 2

21 1

12

B N

N B

A

N B N

A N

ν ρ ν

21 21

12

21 2

1 12

21

2

1 2

1

, ,

2 1

g g

A A

B B

B

T

B e

g

g B

A

e g

g e

g

g N

N

T k h

T k

h T

k

E E

B

B B

 Theo định luật Planck

1

1 8

c

h B

A e

c

h

T k

h

B

ν π ν

π ν

ν ρ

 hν << kBT: quá trình bức xạ cưỡng bức có xác suất lớn hơn nhiều so với quà trình bức xạ tự phát

Quan hệ thứ 2 của các hệ số Einstein

Quan hệ thứ 1 của các hệ số Einstein

Trang 23

VẬT LÝ LASER

Độ rộng và đường bao của vạch phổ

 Các mức năng lượng của nguyên tử có độ rộng nhất định ngay khi không có tác động bên ngòai Độ rộng của mức năng lượng được xác định bằng nguyên lý bất định Heisneberg và phụ thuộc vào thời gian sống của nguyên

Trang 24

 Độ rộng xác định về tần số giữa hai mức năng lượng bị nhòe hóa được xác định bởi độ rộng của các mức năng lượng

ω

Trang 25

VẬT LÝ LASER

Độ rộng và đường bao của vạch phổ

 Dựa vào đồ thị năng lượng của hệ có thể xác định định tính được cường độ và độ rộng của vạch phổ

 Mức 1 ứng với trạng thái cơ bản nên có ΔE1 = 0 Giả sử xác suất dịch chuyển 21 rất lớn  tuổi thọ mức 2 nhỏ  độ rộng ΔE2 lớn Mức 3 có độ rộng ΔE3 nhỏ hơn

 Phổ của sơ đổ 3 mức gồm 3 vạch với tần số ω32, ω21, và ω31

 Vạch 2-1 có cường độ lớn nhất vì xác suất dịch chuyển lớn Vạch 2-1 khá rộng vì độ nghèo hóa của mức 2 lớn

 Cường độ 2 vạch 3-2 và 3-1 nhỏ vì xác suất dịch chuyển nhỏ nhưng khác nhau về độ rộng Độ nghèo hóa của những mức 2 và 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 và 1

1

2 3

J(ω)

Trang 26

Laser – máy phát lượng tử cùng quang học gồm 03 bộ phận chính:

1 Môi trường hoạt chất

2 Buồng cộng hưởng

3 Bộ phận kích thích

Trang 27

2 CẤU TẠO CỦA MỘT MÁY PHÁT LASER

1 Môi trường hoạt chất

Là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.

a Hoạt chất là chất khí  Laser khí

 Khí đơn nguyên tử: ArI, XeI, NeI…

 Ion khí đơn nguyên tử: ArII, KrII…

 Pereridin Eu (BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol + methol và pha tạp thêm ion nguyên tố hiếm Eu3+, Nd3+

VẬT LÝ LASER

Trang 28

 Gồm 02 gương phản xạ Một gương có hệ số phản xạ rất cao và gương còn lại có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài

 Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính hay cách tử

 Vai trò của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do môi trường họat chất phát ra có thể truyền qua môi trường họat chất nhiều lần để bức xạ này được khuếch đại nhiều lần

3 Bộ phận kích thích hay bơm

 Cung cấp năng lượng để tạo sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của môi

trường họat chất và duy trì sự họat động của laser

 Kích thích bằng ánh sáng – bơm quang học

 Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các nguyên

tử trong môi trường họat chất thông qua quá trình va chạm

Trang 29

3 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT LASER

 Khi dùng bơm quang học, ánh sáng bơm tương tác với các hệ

nguyên tử của môi trường họat chất để chuyển chúng lên trạng thái

kích thích

 Xét quá trình hấp thụ và bức xạ xảy ra tại lớp mỏng dx của môi

trường họat chất Sự biến thiên công suất ánh sáng tại lớp dx của môi

trường với tiết diện lấy làm đơn vị:

VẬT LÝ LASER

( ) ( ) ( ) ( ) ν ν ρ

ν ν

ρ ν ν

g B

dx h

N I

dx h

N

I

I I dP

12 12

21 21

12 12 1

'

21 21 2

21 12

12 1 21

2

dx g

h B N B

νρ P = ( N2B21− N1B12) h νρ ( ) ( ) ν g ν V

Biến thiên công suất trong toàn thể tích V

 Để biến thiên công suất là dương ~ ánh sáng đi qua môi trường hoạt chất được khuếch đại lên cần điều kiện

12 1 21

2 12

1 21

N − > ⇔ > Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy

Trang 30

N B

N k

dx k c

dx g

h B N B

N P

dP

ν

ν ρ

ν ν

νρ

ν

21 2 12

1

12 1 21

1

2 1 2

1

2 1

2

21 1

N

e g

g N N

e g

g N

N E k B T E h kνB T

Trang 31

4 NGƯỠNG PHÁT

 Điều kiện có nghịch đảo độ tích lũy chưa đảm bảo có tia laser thoát khỏi bưồng cộng hưởng do bức xạ từ họat chất tuy được khuếch đại nhưng còn chịu các mất mát trong buồng cộng hưởng

 Các mất mát: nhiễu xạ ở các khẩu độ của gương, phản xạ hay tán xạ

 Gọi W là năng lượng dự trữ có trong buồng cộng hưởng  công suất mất mát trong buồng

VẬT LÝ LASER

 τc là thời gian tắt bức xạ

 Q là hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng là đại lượng nghịch đảo với sự mất mát

 Điều kiện để có sự phát tia laser

 Dấu bằng “=“ trong điều kiện trên gọi là ngưỡng phát của laser

Q

W W

dt

dW P

ρ

ω ν

ν νρ

ν

g QB B

B N N

V W

Q

W V

g h

B N B

N P

P

21 21

12 1 2

12 1 21

2 '

Trang 32

và hệ số Einstein B 21

 Mất mát càng lớn, Q càng nhỏ thì ngưỡng phát càng lớn  xây dựng buồng cộng hưởng có mất mát nhỏ

 Chọn 2 mức năng lượng có hệ số Einstein lớn sẽ làm giảm ngưỡng phát

N g

g

g QB g

g N N

21 1

2 1

2

21 1

2 1 2

1 1

ν

ν π

ν

∆ +

−

∆

=

g

Δν – độ rộng vạch phổ, ν0 – tần số tại tâm vạch khi không có

mở rộng Trong gần đúng lưỡng cực điện:

0

2 21 2

2 1

2 1 2

2 2

2 21

4 3 3

2

ν

ν πτ

g g

g N N

g

r e B

0

2 1 2

21 2

2 1

2 1 2

2 2 1 0

2 1

2ln4

3

2lnexp

2ln1

ν

ππτ

ν

νν

πν

D c

D D

r e

g g

g N N

Trang 33

5 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LASER

1 Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng

VẬT LÝ LASER

E1, N1

E2, N2

 Khi không có tác động bên ngoài: N1 > N2

 Khi có bơm quang học: N1 giảm, N2 tăng

1

2 1

g

g N N

 Hệ số hấp thụ kν = 0 nên hệ nguyên tử không thể hấp thụ ánh sáng được nữa dù quá trình bơm vẫn tiếp tục

 không thể chuyển thêm nguyên tử từ mức 1  2

 không có nghịch đảo độ tích lũy

 không thể tạo ánh sáng laser

Trang 34

 Để tần số ánh sáng bơm không quá đơn sắc  chọn mức 3 có độ rộng tương đối lớn

 Mức 2 là mức siêu bền

 Khi có bơm quang học: dịch chuyển 1 3

 Nguyên tử không ở lâu ở mức 3 nên 3  2 (không bức xạ) và xác suất không bức xạ Γ32 lớn (Γ32 >> Γ31)

 Tạo được sự nghịch đảo mật độ tích lũy ở 2 mức 2 và 1

 Do mức 2 và 3 rất gần nhau nên bức xạ tự phát ν31 rất gần bức xạ laser ν21  nhiễu loạn bức xạ laser

E1, N1

E2, N2

E3, N3

Trang 35

5 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LASER

3 Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng

VẬT LÝ LASER

 Để tần số ánh sáng bơm không quá đơn sắc  chọn mức 4 có độ rộng tương đối lớn

 Mức 3 là mức siêu bền

 Khi có bơm quang học: dịch chuyển 1 4

 Nguyên tử không ở lâu ở mức 4 nên 4  3 (không bức xạ)

 Mức 2 gần mức 1 và có liên kết quang với mức 4  bức xạ tự phát 4  2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyền ngay xuống mức 1.(Γ32 >> Γ31)

 Tạo được sự nghịch đảo mật độ tích lũy ở 2 mức 3 và 2

 Bức xạ laser ν32 không bị ảnh hưởng bởi bức xạ tự phát ν42

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	2,23 MB