Nguyên Lý Hoạt Động Của Nguồn Sáng Laser

Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử còn gọi là hạt tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định - Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản - Năng lượng lớn hơn v

Chương 1

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER

1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser.

Phổ của Sóng Điện từ tổng quát

Trong đó: sóng ánh sáng từ hồng ngoại đến tử ngoại là

sóng điện từ ngang phẳng

M« hinh mÉu nguyªn tö

Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử

1s2 2s2 2p6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s2 4d10

Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp

- s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp

-6,10 số điện tử trong mỗi phân lớp

Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài

Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể dịch chuyển lên các mức cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển

Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng gọi là các dịch chuyển quang học

Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử ( còn gọi là

hạt) tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định

- Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản

- Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích

thích

Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển

từ mức thấp lên mức cao, đó là quá trình kích thích

Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ

chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc

năng lượng cơ,nhiệt.Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây

1.1.2 Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser.

Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 1017 ÷1011 Hz, ứng với bước sóng λ = 1nm ÷ 1mm Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số υ xác định

Khi sóng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên

độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là :

• Khi ở rất xa nguồn một phần nhỏ của sóng cầu được coi là sóng phẳng Sóng phẳng có các tia sóng song song và vuông góc với

mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên

(b) (a)

z z

Hình1 1 Mô tả sóng cầu và phẳng

sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân cực trùng với H.

Sự phân cực ánh sáng

Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là phân cực elíp Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn Ánh sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn

• Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại

hai sóng phân cực cùng phương dao động thì

sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng

phương dao động nếu hai sóng thành phần có

cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức:

• Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc

Hiện tượng giao thoa xảy ra:

-nếu ϕ10 -ϕ20= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a

A

-nếu ϕ10 -ϕ20 = π thì A sẽ nhỏ nhất A = 0

Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật đô năng lượng sóng được tính theo biểu thức sau:

Biểu diễn dưới dạng phức :

Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ:

Sự khác biệt của sóng điện từ ánh sáng và

sóng điện từ rađiô

Nguồn phát

Sóng ánh sáng

Dịch chuyển mức năng lượng điện tử

Thu lượng tử E=h ν

và

Năng lượng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng

Sóng Radio

Chuyển động có gia tốc của điện tử

Thu liên tục và

Năng lượng tỉ lệ với diện tích biên độ sóng

Nguồn thu

Khi ở trạng thái kích thích, sau một thời gian tồn tại rất ngắn

sẽ chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một phô tôn có mức năng lượng:

E = hν = Ei - Ek

-Ei : mức năng lượng trên

-Ek : mức năng lượng dưới

Gọi là quá trình phát xạ tự nhiên

Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát

xạ tự nhiên là hai quá trình thuận nghịch.

Năm 1928 Anhxtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích Theo Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện tử có hiệu mức

năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”

Mức laser trên

Mức laser dưới

Mô tả các quá trình hấp thụ và phát xạ trong tự nhiên

Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích:

-Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích phải phù hợp với phô tôn Đây là điều kiện của quá trình phát

xạ kích thích

-Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số,

biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích thích.Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên

trạng thái ban đầu

Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của nguồn phát ánh sáng laser Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser.

-Khả năng đạt mật

độ cao

§Æc tÝnh cña Tia LASER

1.2.2 Điều kiện phát xạ bức xạ laser thành chùm tia laser.

Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền trong hướng z, và môi chất laser có mức năng lượng Ni, Nk thoả mãn điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo

Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích:

Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất:

I(z) = I(0) exp [(c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- Nk)z ]

Nếu Ni > N-k thì I(z) tăng, ngược lại Ni < Nk thì I(z) giảm

Vậy điệu kiện cần để laser làm việc là Ni >Nk : gọi là

nghịch đảo mật độ tích luỹ

Nghịch đảo độ tích luỹ là trạng thái không bình thường:

Nếu vật chât nằm ở nhiệt độ T của môi trường cân bằng nhiệt thì phân bố mật độ các hạt theo luật Bonzerman:

N2 / N1 = exp [-(Ei – Ek) / kT ]

Với k là hằng số Bonzerman và luôn có Ni < Nk

Vậy để có hiệu ứng laser ta cần phải phá vỡ sự cân bằng nhiệt tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ với Ni >>Nk bằng quá trình bơm kích thích

Khi sử dụng buồng cộng hưởng để tạo ra tia laser

Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng

đường ∆z mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ lớn.Tuy nhiên kích thước của của môi trường laser bị hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật , vì vậy cần phải sử dụng một hệ 2

gương đạt song song đối xứng với nhau tạo nên một buồng

cộng hưởng để tăng lộ trình của tia laser đi qua môi chất laser

Các mất mát khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt hai gương có hệ

số phản xạ R1 và R2 nhỏ hơn 100% và sự không đồng nhất của môi trường laser làm giảm cường độ trên khoảng L cách giữa hai gương được xác định bởi hệ số -βz

Cường độ bức xạ laser sau khi đi qua hai gương và môi chất laser:

Cấu tạo cơ bản của laser

1- M«i chÊt Laser

+Môi chất Laser: Tuỳ loại hoạt chất khỏc nhau mà mụi trường hoạt chất khỏc nhau :

+Bộ cộng hưởng :Khuyếch đại bức xạ laser

+Bơm Laser: Cung cấp năng lượng cho hoạt chất

laser để tạo nghịch đảo mức năng lượng

3 thành phần ch ớnh của một nguồn Laser

1.3.1 Môi chất laser:

Môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser Nó cần

có các hiệu mức năng lượng tương ứng có khả năng dịch

chuyển lượng tử cho phép ứng với tần số laser cần phát Hiện nay, có khoảng trên 1000 chất có thể sử dụng làm môi chất laser

Ví dụ: -Laser Rubi AlO2 có môi chất laser là Cr++

-Laser CO2 là khí CO2 ,

-Laser HeNe là Ne…

C ác dạng môi chất laser

Môi chất laser

• Có nhiều phương pháp để phân loại laser dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi chất laser có thể chia là 3 loại:

- Laser rắn (laser hồng ngoc, laser bán dẫn)

- Laser lỏng

- Laser khí (HeNe, CO2, ),

trong đó: laser rắn là có độ bức xạ cao nhất.

Để phát xạ tia laser, môi chất laser cần phải được kích thích đạt độ nghịch đảo cần thiết để trở thành môi trường nghịch đảo

Tuỳ theo các loại môi chất laser có các dạng tạo độ nghịch đảo: 2, 3,4 mức song phổ biến dùng loại 3 và 4 mức

Hình1 4 Sơ đồ các loại mức Laser

1) Môi chất Laser chất rắn:

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn

thông dụng:

* YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium

Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-

10.000Hz

* Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể

Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm

* Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium

Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần Loai GaAsAl có bước sóng 620-680nm

2) Môi chất Laser chất khí:

* He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng

632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW

Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và

514,5nm

* CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại

xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW)

Trong y học ứng dụng làm dao mổ

là phản ứng hóa học trong giữa çxy vµ iot; Ứng dụng trong lĩnh vực Vò khÝ laser ,nghiên cứu vật liệu và

khoa học

cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và

florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser

1.3.2 Bơm laser

• Nguồn bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser Vớ dụ bao gồm cực phúng điện, đốn nhỏy, đốn hồ quang, ỏnh sỏng từ laser khỏc

• Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào mụi trường kớch thớch là loại gỡ, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng

truyền vào trong mụi trường lớn nhất

• Laser He-Nedựng cực phúng điện trong hỗn hợp khớ

Heli-Neon Laser Nd: YAG dựng ỏnh sỏng hội tụ từ đèn phóng điện ngoài

Quỏ trỡnh bơm

• Bơm: là khỏi niệm chỉ chung cỏc bộ phận thực hiện

việc cấp năng lượng để kớch thớch cỏc phần tử của mụi chất laser nờn trạng thỏi kớch thớch để tạo ra nghịch đảo mật độ tớch luỹ

• Phương thức thực hiện bơm phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại mụi chất laser Cú mấy dạng chớnh sau:

• Quá trinh bơm kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể thực hiện bằng nhiều cách: phương pháp kích thích

quang học (bơm quang học) và phương pháp kích thích bằng điện tử (bơm điện tử)

+ Bơm quang học thực hiện dịch chuyển điện tử lên mức

cao bằng hấp thụ ánh sáng như trong laser Rubi dùng đèn

phóng điện chớp sáng

Các đèn thường dùng là đèn khí Xenon, Argon, He… phổ

đèn thường rộng hơn dải phổ hấp thụ của laser do dòng điện tử trong đèn đi qua khí dạng bơm kiểu xung thường dùng cho

các laser rắn

Kích thích bằng điện tử: dòng tử năng lượng cao va chạm với nguyên tử kích thích nó chuyển lên mức năng lượng cao

Kích thích bằng điện tử trực tiếp với laser dạng bán dẫn người

ta có thể cấp trực tiếp dòng điện tử vào lớp chuyển tiếp p-n

hiệu quả cao sẽ tạo ra laser có công suất mạnh

Kích thích bằng cấp điện tử qua nguồn một chiều trong laser bán dẫn trong các hạt dẫn cơ bản ion (+) và e (-)

+ Kích thích điện tử: trong laser khí sự va chạm điện tử nhanh với các nguyên tử ở áp suất thấp (10-2 ÷ 1 tor) làm các phân tử

và nguyên tử kích thích Thường các chất khí co dạng 4 mức năng lượngvậy quá trình kích thích phải tạo tích luỹ mức trên

đủ lớn và sự suy thoái mức dưới đủ nhanh Tuy nhiên do phổ vận tốc điện tử lớn nên quá trính tích luỹ mức dưới thường

sảy ra nhanh hơn, khó tạo ra nghịch đảo tích luỹ N2 >N1

Để khắc phục thường dùng phương pháp truyền năng lượng cộng hưởng: sử dụng một phần khí có cùng mức năng lượng kích thích nhưng có phổ hấp thụ rộng hơn

ví dụ trong laser HeNe thì He là nguyên tử truyền năng lượng cộng hưởng cho Ne,

+ Phân rã nguyên tử: dùng môi chất là các hợp chất phân tử Khi phân rã thành các nguyên tử, phân tử, hoặc va chạm hoặc

ánh sáng mạnh chuyển thành trạng thái kích thích , ví dụ :

CF3I chiếu sáng mạnh _.> CF3 + I+

+ Trong laser khí động học: phun khí qua miệng hẹp tạo biến

dạng phân tủ khí

1.3.3 Buồng cộng hưởng laser

Chức năng: gồm 2 chức năng chính

• Thực hiện hồi tiếp dương

• Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc và kết hợp

• Buồng cộng hưởng là 2 gương đặt ở hai đầu buồng chứa môi trường hoạt chất Hai gương có tác dụng làm cho tia sáng phản xạ đi lại với quãng đường quang học dài hơn

• Các tia có phương song song với trục buồng cộng hưởng được khuếch đại mạnh hơn nhờ hồi tiếp dương

• Do là buồng cộng hưởng mở nên các tia có góc với trục quang đủ lớn sẽ đi ra ngoài buồng công hưởng sau một số lần phản xạ

• Buồng cộng hưởng quang học Fabry-Perot là hai hệ gương phẳng đặt song song, trong đó một gương ph n xạ toàn ả

phần, một gương bán ph n xạ ả

• Trong buồng cộng hưởng chùm sáng sau nhiều lần ph n xạ ả

được khuếch đại lên và được truyền ra ngoài một phần qua gương bán ph n xạ ả

Nguyên lí buồng cộng hưởng Fabry-Perot

Các sóng ánh sáng lan truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng đi qua môi trường hoạt chất nhiều nhất

và được khuếch đại mạnh nhất Nó sẽ quyết định

công suất phát thực của laser và có tính định hướng rất cao

Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà vẫn bảo toàn pha, đồng thời các sóng bức xạ kích thích có tần

số pha, tính phân cực giống ánh sáng kích thích nên bức xạ ra là bức xạ kết hợp

Nhờ hốc cộng hưởng có thể thực hiện các phương pháp

chọn lọc dao động khác nhau để thu được một bức xạ trong một giải phổ rất hẹp, gần như hoàn toàn đơn sắc

Có thể nói rằng: hốc cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của tia laser

Các bước sóng cộng hưởng

• L = q λ/2

L: khoảng cách giữa hai gương

q là một số nguyên được gọi là bậc mode

λ: bước sóng của các mode được phép

Khoảng cách các mod

∀λ q+1 - λ q = λ2/2L

Các loại buồng cộng hưởng thẳng

Buồng cộng hưởng vòng

• LASER HeNe

nguồn

Gương

Môi chất

 Nguồn kích thích: tạo nên

trạng thái nghịch đảo mật độ electron.

 Giải phóng hạt photon.

 Phản ứng dây chuyền ánh sáng được tạo ra.

Quỏ trỡnh hỡnh thành tia laser

1 2

1.4 Tớnh chất của tia Laser

Tia laser khỏc biệt ỏnh sỏng thường:

- Độ đơn sắc cao: Chựm sỏng chỉ cú một màu

(hay một bước súng) duy nhất Đõy là tớnh chất đặc biệt nhất mà khụng nguồn sỏng nào cú

- Độ kết hợp cao về khụng gian và thời gian:Có chiều dài kết hợp đến hàng trăm Km

- Độ định hướng cao: Gúc mở đến vài mrad

- Cú khả năng hội tụ cao : đạt được

mật độ cụng suất lớn *Đến 10 14 W/cm2, đốt

cháy tất cả các vật liệu

Nguồn laser Bước sóng

(µm) Độ rộng đường phổ tự nhiên (MHz) Chiều dài buồng cộng hưởng (cm) Số mod nằm trong đường phổ ∆ f/(c/2d)

Các thông số của phổ bức xạ của một số laser thông dụng

Độ rộng đường phổ phát xạ của bức xạ laser chịu ảnh hưởng của điều kiện làm việc của môi chất laser.

Độ rộng vạch phổ của tia laser phụ thuộc vào tình trạng của buồng cộng hưởng

Độ rộng phát xạ của môi chất laser phụ thuộc vào thời gian

Më réng Lorent.

Trong nguyên tử:

-Các mức siêu bền có τi = 2÷3 giây nên độ rộng phổ nhỏ-Các mức kích thích thường có τ = 10-8 ÷ 10-9J nên lớn

Do sự suy biến mức năng lượng đó ngay khi nguyên tử

đứng im không bị tác động từ bên ngoài thì các vạch phổ hấp thụ hay bức xạ của chúng cũng tồn tại một độ rộng

nhất định

Phổ phát xạ phụ thuộc vào mức suy biến ∆Ei và ∆Ek

của các lớp năng lượng trong vỏ nguyên tử:

∆ν = 1/ h ( ∆Ei -∆Ek )

Độ rộng vạch phổ của nguyên tử riêng rẽ và không bị

kích thích gọi là độ rộng tự nhiên của vạch phổ hay dạng Lôrent, còn gọi là mở rộng đồng nhất

• - M: khối lượng phân tử hoặc nguyên tử

• -T: nhiệt độ tuyệt đối

• Do đó, bức xạ đơn sắc của hạt bất kỳ được biểu diễn bằng phổ có độ rộng nhất định xác đinh bằng hiệu

ứng Dốp-le sự mở rộng đó gọi là mở rộng không

đồng nhất