LUẬN văn sư PHẠM vật lý LASER ỨNG DỤNG và TRIỂN VỌNG

Mật độ trạng thái hay mật độ của mức: Là số hạt đồng thời tồn tại trong một đơn vị thể tích của môi trường ở cùng một trạng thái lượng tử hay lượng tử.. Trong một hệ hạt, dưới sự tác dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :

ThS.GVC Hoàng Xuân Dinh Phạm Hoàng Anh Thư

Mã số SV: 1090291

Lớp: SP Vật Lý -Tin Học Khóa: 35

Cần Thơ, Năm 2013

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích chọn đề tài 1

3 Giới hạn của đề tài 1

4 Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 1

5 Các bước thực hiện đề tài 1

Phần NỘI DUNG 3

Chương 1: LASER – LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LASER 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Các khái niệm và sơ lược cấu tạo chung của laser 5

2.1.1 Tìm hiểu một số khái niệm 5

2.1.2 Cấu tạo chung của laser 5

2.1.2.1 Hoạt chất 5

2.1.2.2 Buồng cộng hưởng 6

2.1.2.3 Bộ phận kích thích hay bơm 6

2.2 Cơ sở lý thuyết laser 7

2.2.1 Năng lượng của hệ lượng tử Các loại bức xạ Các hệ số Einstein 7

2.2.1.1 Mức năng lượng của hệ lượng tử 7

2.2.1.2 Hệ số Einstein 8

2.2.2 Môi trường nghịch đảo, nhiệt độ âm Tương tác của bức xạ với môi trường nghịch đảo (nhiệt độ âm) 11

2.2.3 Khả năng khuếch đại trong môi trường nhiệt độ âm Điều kiện làm việc (tự kích) của máy phát laser 12

2.2.3.1 Điều kiện khuếch đại trong môi trường nhiệt độ âm 12

2.2.3.2 Ngưỡng phát (hay điều kiện tự kích) 14

2.2.3.3 Chế độ làm việc của laser 15

2.2.4 Những phương pháp tạo nghịch đảo mật độ hoạt chất 17

2.2.4.1 Quá trình bơm 17

2.2.4.2 Phương pháp bơm năng lượng 17

2.3 Hệ cộng hưởng quang học 19

2.3.1 Chức năng, cấu tạo hệ cộng hưởng quang học 19

2.3.1.1 Khái niệm 19

2.3.1.2 Chức năng buồng cộng hưởng quang học 20

2.3.1.3 Các loại buồng cộng hưởng 21

2.3.2 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học 21

2.3.2.1 Khảo sát một số buồng cộng hưởng 21

2.3.2.2 Tính ổn định cấu hình và sự chọn lọc mode 25

2.3.2.3 Chọn lọc mode 27

2.3.3 Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng 29

2.3.4 Gương laser 30

Chương 3: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER 32

3.1 Độ định hướng cao 32

3.2 Tính đơn sắc cao 32

3.3 Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser 32

3.4 Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn 32

3.5 Công suất phát laser 33

Chương 4 PHÂN LOẠI LASER 34

4.1 Phân loại theo môi trường hoạt chất 34

4.2 Phân loại theo chế độ làm việc 34

4.3 Phân loại theo bước sóng 35

4.4 Phân loại theo chế độ an toàn 36

Chương 5: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA LASER 37

5.1 Các ứng dụng cơ bản của laser trong y học 37

5.1.1 Ứng dụng của laser trong y học cổ truyền 37

5.1.2 Liệu pháp quang động học và nhiệt học 37

5.1.2.1 Liệu pháp laser quang động học 37

5.1.2.2 Ứng dụng laser nhiệt 38

5.1.3 Các ứng dụng của kĩ thuật laser trong phẫu thuật cổ, tai – mũi – họng 40

5.1.3.1 Phẫu thuật cổ 40

5.1.3.2 Phẫu thuật mũi 40

5.1.3.3 Phẫu thuật tai 41

5.1.3.4 Phẫu thuật giác mạc trong nhãn khoa 41

5.1.4 Kính hiển vi quét laser đồng tiêu để phát hiện sớm sâu răng 42

5.1.4.1 Cơ sở của phép đo 42

5.1.4.2 Cấu trúc của men răng lành 43

5.1.4.3 Những tổn thương do sâu răng 43

5.1.4.4 Phòng bệnh sâu răng 43

5.2 Các ứng dụng cơ bản của laser trong khoa học – kĩ thuật 44

5.2.1 Ứng dụng laser tạo ra vũ khí hiện đại 44

5.2.2 Chế tạo máy laser lớn nhất thế giới 44

5.2.3 Nam châm hoạt động bằng ánh sáng 45

5.2.4 Nghiên cứu hóa sinh hiện đại 45

5.2.5 Chế tạo thiết bị điều khiển giúp người tàn tật đi lại 45

5.3 Các ứng dụng cơ bản của laser trong đời sống 46

5.3.1 Đọc và ghi đĩa DVD, CD 46

5.3.2 Máy đọc mã vạch 48

5.3.3 Máy in laser 49

5.4 Các ứng dụng cơ bản của laser trong vũ trụ 51

5.4.1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser 51

5.4.1.1 Ý tưởng 51

5.4.1.2 Quá trình nghiên cứu 52

5.4.1.3 Cấu tạo động cơ đẩy laser 53

5.4.1.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống nổ đẩy laser 53

5.4.1.5 Các thử nghiệm 54

5.4.1.6 Tàu sử dụng năng lượng vi ba 54

5.4.2 Năng lượng Mặt trời từ vũ trụ 56

5.4.2.1 Các nghiên cứu của Mỹ về SBSP 56

5.4.2.2 Các nghiên cứu của Nhật Bản về SBSP 57

5.4.2.3 Những giải pháp năng lượng hóa SBSP 59

5.4.2.4 Kết luận 59

5.4.3 Giải quyết vấn đề về rác 60

5.4.3.1 Mối đe dọa từ rác vũ trụ 60

5.4.3.2 Dự án “quét” rác vụ trụ 61

5.4.4 Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch 62

5.4.5 Đo khoảng cách Trái đất – Mặt trăng chính xác tới milimet 64

5.4.6 Cầu nối laser giữa các vệ tinh 65

Chương 6 TRIỂN VỌNG 67

6.1 Chip laser 67

6.2 Mặt trời nhân tạo 67

6.3 Tạo xung cực ngắn 68

6.4 Việc tạo ra các từ trường mạnh nhờ laser 70

6.5 Giấc mơ “đi ngược thời gian” có thể trở thành hiện thực 70

Phần KẾT LUẬN 73

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thế kỷ 20 là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta không những quan tâm tới những khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các máy mà còn quan tâm tới sự gọn nhẹ của chúng Muốn vậy ta phải có những công nghệ rất tiên tiến mới có thể đáp ứng được nhu cầu đó Và các nhà bác học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay Đó là:

Thứ nhất, sự ra đời của Trazitor đã kích thích sự phát triển của vi điện tử, công nghệ “vi mô”

Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra laser, mở ra một con đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực trong đời sống

Laser, có thể rất gần gũi với mọi người Hầu hết tất cả chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này ít nhất một vài lần Các em nhỏ không thể quên được bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao”, một bộ phim khoa hoc viễn tưởng, những chiếc máy ánh sáng thần kì gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho các nhà khoa học và các nhà kỹ sư

Ngày nay, laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó còn rất hạn chế Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỉ XX, thời điểm này đất nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với thành quả khoa học hiện đại còn rất hạn chế, mặt khác giá thành của nó không hề nhỏ Nhưng laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống Vậy phải chăng ta nên tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì? Laser xuất hiện như thế nào? Những chặng đường phát triển của Laser? Và ứng dụng của laser trong thực tế như thế nào? Chắc hẳn đó là những câu hỏi đã có từ rất lâu, và mỗi ngày trong chúng ta, những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kĩ thuật ít nhất phải tự hỏi mình như vậy Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài “Laser - Ứng dụng và Triển vọng” để tìm hiểu và nghiên cứu trong luận văn này

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở các phương diện: Lịch

sử ra đời của laser; Cơ sở lý thuyết; Các tính chất và phân loại laser; Tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser trong y học, khoa học kỹ thuật, đời sống và trong vũ trụ, đặc biệt mở ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu về mặt lý thuyết tia laser, các ứng dụng cơ bản của laser trong y học, đời sống, khoa học - kĩ thuật và trong vũ trụ, đồng thời cũng tìm hiểu các triển vọng phát triển của laser trong tương lai thông qua các tài liệu mà không đi sâu vào tìm hiểu thực tế

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Tôi nghiên cứu đề tài này dựa trên cơ sở thu thập các tài liệu, thông tin có liên quan đến đề tài trên sách, báo, đài, internet sau đó phân tích, tổng hợp kết quả của các tài liệu, thông tin đó

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Trong quá trình nghiên cứu đề tài được thực hiện theo các bước:

Bước 1: Nhận đề tài và xác định những nội dung cần đạt được của đề tài

Bước 2: Sưu tầm và nghiên cứu tài liệu dựa trên cơ sở của nội dung đã xác định

và lập đề cương của đề tài

Bước 3: Viết báo cáo, sửa chữa theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

Bước 4: Báo cáo đề tài

Mãi đến năm 1951, giáo sư Cherles Townes thuộc trường Đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng) Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (chữ Maser cũng là chữ đầu của từ đó bằng tiếng Anh: Microwave Light Amplification by Stimulated of Radiation) Ông đã thành công nhưng đã phải tốn khá nhiều chi phí để nghiên cứu trong phòng thí nghệm Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là N.Batsov và A.Prokhorov cũng phát minh

ra máy khuếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất

Hình 1.1: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử

Cả ba nhà khoa học nói trên đều được giải Nobel Vật lí vào năm 1964 về nền tảng cho các lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết laser-maser “Đạt tới việc khuếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng?” Đó là câu nói thốt lên từ C.Townes Bởi sau thành công

này ông được cấp trên giao cho trọng trách mới Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow (là em rể của C.Townes) đã có nhiều công suy nghĩ để biến Maser thành laser, nhưng mới trong phạm vi lý thuyết và trong tháng 8/1958 ông công bố phần lý thuyết đó trên tạp chí

“Physic Review” rồi cũng dừng lại, để cho Theodora Maiman phát triển lên thêm Theodora Maiman, là nhà khoa học của phòng thí nghiện Hughes tại Malibu, bang Califonia Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công

bố T.Maiman dành hơn hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra tia laser

Ngày 12/05/1960 là ngày đáng nhớ, bởi ngày này, T.Maiman chính thức tạo ra laser từ thể rắn hồng ngọc Tia sáng do ông tìm ra là nguồn ánh sáng rất tập trung và có

độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng

đo được là 0.694 micromet Như vậy là giả thuyết Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm

đã được chứng minh

Laser của Maiman phát sinh ra nhờ vào máy phát bao gồm: Hộp cộng hưởng quang học trong đó chứa đựng: Gương M1 và gương M2 đặt song song và đối diện nhau, riêng M2 là loại gương bán mạ (ở mức bán trong suốt) Khoảng giữa của hai gương là thanh hoạt chất H, Maiman đặt vào đó vật chất rắn là hồng ngọc, rồi chiếu vào đó chùm ánh sáng R mạnh, nhờ đó nó tạo ra môi trường hoạt động đặc biệt còn gọi là môi trường laser Tại đây, các electron có sự dịch chuyển mức năng lượng, ion hóa trong hoạt chất được “bơm” lên một mức năng lượng kích thích E3 sau đó nó tự phát rơi xuống mức nửa bền E2 ở dưới Khi cảm ứng từ mức nửa bền chuyển dời về trạng thái ở mức thấp hơn E0

sẽ phát ra phần tử ánh sáng gọi là Photon (quang tử) Những phần tử này phản xạ qua lại nhiều lân giữa hai gương M1 và M2 Và như thế laser ra đời

Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả ra thành nhiều loại, bằng cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví dụ như carbonic CO2 hoặc He,

Ne, Ar…) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì ta có tia laser từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm màu hữu cơ thì cho ta laser lỏng; sử dụng oxy-iot vạn năng thì ta có laser hóa học; còn có các laser rắn khác nữa Điều kỳ diệu là tùy theo hoạt chất mà tạo ra những màu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LASER

2.1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ SƠ LƯỢC CẤU TẠO CHUNG CỦA LASER 2.1.1 Tìm hiểu một số khái niệm

a Mật độ trạng thái hay mật độ của mức: Là số hạt đồng thời tồn tại trong một đơn vị thể tích của môi trường ở cùng một trạng thái lượng tử hay lượng tử

b Giản đồ năng lượng: Một trạng thái năng lượng của hạt sẽ tương đương với giá trị năng lượng xác định và tập hợp những giá trị năng lượng này của một nguyên tử riêng rẽ sẽ được dãy những giá trị gián đoạn

c Trạng thái cơ bản (hay trạng thái ổn định): Là trạng thái ứng với mức năng lượng cực tiểu của hạt

d Trạng thái kích thích: Trạng thái ứng với những năng lượng nội của hạt lớn hơn trạng thái cơ bản

e Phân bố mật độ theo trạng thái: Tập hợp tất cả các mật độ cùng một trạng thái của cùng một môi trường

f Trạng thái suy biến: Một số trạng thái kích thích ứng với cùng một giá trị năng lượng hay hàm mật độ hạt theo thời gian

g Độ suy biến (trọng số thống kê gi): Số trạng thái ứng với cùng một mức năng lượng

h Dịch chuyển: Các hạt có thể chuyển từ mức năng lượng (trạng thái) này sang mức năng lượng (trạng thái) khác

i Dịch chuyển quang học: Là dịch chuyển có kèm theo hấp thụ hoặc bức xạ điện

từ

j Va chạm không đàn hồi loại một (va chạm loại một) là: Va chạm, mà ở đó xảy

ra quá trình truyền động năng tịnh tiến của hạt này sang thế năng của hạt kia

A + B + Động năng
A + B*

k Va chạm không đàn hồi loại hai (va chạm loại hai) không những chỉ là quá trình ngược lại của va chạm loại một, tức là A + B*
A + B + Động năng, mà còn bao gồm quá trình khác: thế năng của hạt này có thể truyền sang thế năng của hạt kia

l Phản hồi dương (hồi tiếp dương): Sau khi ánh sáng qua một lần phản xạ tại các gương thì lại tăng thêm về biên và cường độ

m Mặt phẳng tới: Mặt phẳng chứa tia tới và tia phản xạ

Để tiện cho việc mô tả các dịch chuyển quang học chúng ta quy ước dùng các kí hiệu sau:

Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại sóng điện từ (ánh sáng) đi qua

nó và cũng quyết định phương pháp kích thích tạo nên môi trường hoạt tính Căn cứ vào pha vật chất hay đặc tính của hoạt chất mà ta có các loại laser rắn, lỏng, khí và bán dẫn… Chúng ta có thể phân loại như sau:

- Hoạt chất ở pha khí bao gồm:

+ Các khí đơn nguyên tử: ArI, XeI, NeI…

+ Các ion khí đơn nguyên tử: ArII, KrII…

+ Các khí phân tử: CO2, CO, N2, H2O,…

+ Các hợp chất đơn nguyên tử: He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như CO2-N2-He, CO-N2-H2O…

- Hoạt chất ở pha rắn bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như: Cr+3, Nd+3, Eu+3,…Laser rắn điển hình là Ruby có hoạt chất tinh thể Al2O3 trộn thêm Cr+3

- Hoạt chất là bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe…về cơ bản những hoạt chất này là những chất phát quang

- Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các Chelaste như peperidin Eu (BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol + methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Nd+3, Eu+3…

2.1.2.2 Buồng cộng hưởng (BCH)

Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ Một gương có hệ số phản xạ rất cao cỡ 99,999% còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài Một trong các gương có thể thay thế bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầu Nhiệm vụ chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để khuếch đại lên (phản hồi dương) Hai gương phản xạ có thể để xa hoạt chất hay gắn chặt với nó

2.1.2.3 Bộ phận kích thích hay bơm

Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì hoạt động của laser Tùy theo các loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau, nhưng chủ yếu là hai cách cơ bản sau:

- Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học (nhờ sự hấp thụ), đây là loại kích thích phổ biến

- Kích thích bằng va chạm điện tử (ống phóng điện): năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ vào va chạm, quá trình này diễn ra khá phức tạp

Hình 2.1: Mô hình tổng quát của một máy phát laser

Cả ba bộ phận chính trên không thể tách rời nhau và cơ cấu thành một máy phát laser

Phản ứng hóa học

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LASER

2.2.1 Năng lượng của hệ lượng tử Các loại bức xạ Các loại hệ số Einstein

2.2.1.1 Mức năng lượng của hệ lượng tử

Trong điện tử học cổ điển, khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở động năng của điện tử (đèn điện tử, clistron, manhetron…) Trong điện tử học lượng tử, khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở biến đổi nội năng của nguyên tử, phân tử, ion…

Theo thuyết lượng tử, nội năng của hạt là lượng tử có nghĩa là giá trị năng lượng của hạt là xác định và gián đoạn theo từng mức (hay gọi là trạng thái năng lượng của hạt) gồm mức cơ bản và mức kích thích

Khi hạt chuyển dời từ một mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì dẫn đến nội năng của hạt bị biến đổi một lượng bằng hiệu năng lượng của hai mức năng lượng đó Khi hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn thì hạt sẽ hấp thụ năng lượng, ngược lại khi chuyển xuống mức thấp hơn thì hạt sẽ giải phóng năng lượng Những dịch chuyển như vậy có thể xảy ra với bức xạ hay hấp thụ lượng tử bức xạ điện từ

Trước hết, chúng ta hãy khảo sát sự tương tác của các trường điện từ với hạt (vật chất) Tiếp cận và tìm hiểu rõ hơn về hai khái niệm Vật lí cơ sở là bức xạ tự phát và bức

xạ cảm ứng

a Bức xạ tự phát

Ta giả sử rằng hạt có hai mức năng lượng m và n (m > n) Các giá trị năng lượng tương ứng là Wm và Wn và tại đó Wm > Wn Khi hạt đang ở trạng thái năng lượng cao (m), hạt có thể dịch chuyển xuống mức năng lượng thấp (n) đồng thời bức xạ photon có tần số xác định theo hệ thức hv=W m−W n Sự bức xạ này xảy ra ngay cả khi không có tác dụng của trường điện từ bên ngoài Hiện tượng này gọi là bức xạ tự phát

Các hạt khác nhau bức xạ tự phát không đồng thời và độc lập với nhau nên pha,

sự phân cực, hướng truyền lượng tử và tần số của photon bức xạ là khác nhau Do đó, bức xạ tự phát có đặc tính là không định hướng, không phân cực và không đơn sắc nên không có ý nghĩa về mặt hình thành tia laser Nguyên nhân của loại bức xạ này là do ảnh hưởng của trường thăng giáng bậc 0

Hình 2.2: Quá trình bức xạ tự phát

b Bức xạ cảm ứng

Hình 2.3: Quá trình bức xạ cảm ứng

Khi có tác dụng của trường điện từ bên ngoài thích hợp (ánh sáng có tần số của photon tới bằng tần số của sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng), hạt sẽ bị kích thích

và bức xạ photon

Khi chiếu ánh sáng có tần số photon tới (photon sơ cấp) là ν vào hạt đang ở trạng thái có mức năng lượng cao Wm bị kích thích trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn Wn đồng thời bức xạ photon khác (photon thứ cấp) có cùng tần số ν Photon sơ cấp không bị hấp thụ mà vẫn tồn tại song song với photon thứ cấp Sự bức xạ ra photon thứ cấp được gọi là bức xạ cảm ứng

Photon bức xạ cảm ứng có những tính chất đặc biệt quan trọng: tần số, phân cực, hướng truyền trường lượng tử của nó và của trường điện từ kích thích là trùng nhau Đây cũng là đặc tính hình thành tia laser

Ngoài bức xạ tự phát và cảm ứng hệ hạt có thể hấp thụ cộng hưởng Hạt ở mức thấp (n) dưới tác dụng của trường điện từ ngoài có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn (m), đồng thời hấp thụ lượng tử hv=W m−W n; đây gọi là hấp thụ cộng hưởng hay gọi tắt là hấp thụ

Trong một hệ hạt, dưới sự tác dụng của trường điện từ bên ngoài, có thể xảy ra các hiện tượng: bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ cộng hưởng Trong khoảng thời gian dt, một hạt có thể hấp thụ photon có năng lượng hv=W m−W n để chuyển từ mức năng lượng thấp (n) lên mức năng lượng cao hơn (m) Ngược lại, hạt có thể bức xạ photon có năng lượng hv=W m−W n để chuyển từ mức năng lượng thấp hơn (n)

Gọi ρvlà mật độ phổ năng lượng của trường điện từ thì mật độ năng lượng của trường điện từ bên ngoài là:

=∞∫ v( )v dv

0

ρ

ρ (2.1) Einstein giả thiết rằng xác suất dịch chuyển cảm ứng dWmn và xác suất dịch chuyển hấp thụ dWnm phụ thuộc vào mật độ năng lượng của trường điện từ bên ngoài còn xác suất dịch chuyển tự phát tp

mn

dω thì không Theo Einstein, đối với một hạt thì sác xuất dịch chuyển tự phát, xác suất dịch chuyển cảm ứng và xác suất hấp thụ cộng hưởng lần lượt là:

dt B dW

dt B dW

dt A d

v nm nm

v mn mn mn tp mn

ρρω

=

=

=

(2.2)

Như vậy xác suất bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ cộng hưởng trong một đơn vị thời gian bằng:

v nm nm

v mn mn nm tp mn

B W

B W A

ρρω

từ Đại lượng Bmn, Bnm là số photon bức xạ cảm ứng và hấp thụ trung bình trong một đơn

vị thời gian với ρv= 1

b Mối liên hệ giữa các hệ số Einstein

Khảo sát hệ lượng tử cân bằng nhiệt (tức là hạt bức xạ ra bao nhiêu lượng tử thì sẽ hấp thụ bấy nhiêu) và không suy biến ở nhiệt độ T Gọi V là thể tích chứa hạt, Nm và Nn

là số hạt trên các mức năng lượng m và n trong một cm3 của vật thể Đối với hệ lượng tử không suy biến, Nm và Nn cũng là mật độ mức năng lượng m và n

Như vậy, trong hệ lượng tử này, số lượng tử bức xạ do bức xạ tự phát được xác định:

Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, sự phân bố của hạt theo mức năng lượng thỏa hàm phân bố Boltmann, số hạt trên mức năng lượng I trong một cm3 vật chất là: KT

W i i

i

e g

N N

−

∑

= (2.8) Trong đó:

N: tổng số hạt trên tất cả các mức năng lượng

∑: tổng số thống kê KT

W

i i

i

e g

−

∑

=

gi : trọng số thống kê của mức i, đối với hệ không suy biến gi=1

Áp dụng phân bố Boltzmann cho mức năng lượng m và n, ta được:

KT W n

KT W m

n m

e

N N

e

N N

n m

e B e

B A

−

−

= + ρ ρ (2.10) Khi T
∞ mật độ phổ năng lượng bức xạ ρvtăng lên vô hạn, cho nên ta có

Hay: B mn =B nm (2.11)

Đây là hệ thức thứ nhất giữa các hệ số Einstein

Đưa hệ thức vừa tìm được vào (2.10), ta được:

mn v

n m

e B

mn v

e B

hv

KT B

A

mn

= (2.15) Đây là hệ thức thứ hai giữa các hệ số của Einstein

Cần chú ý rằng, các hệ thức liên hệ giữa các hệ số của Einstein là tổng quát, không phụ thuộc vào hệ hạt và xác định mối quan hệ giữa ba hệ số Einstein

Vậy để mô tả ba quá trình bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ bức xạ ta chỉ cần biết một trong ba hệ số Amn, Bmn và Bnm Thông thường đại lượng Amn được xem như một hằng số nguyên tử

Mặt khác số hạt ở trạng thái kích thích Nm giảm theo thời gian do chuyển dời tự phát:

( ) ( ) m

t m

−

= 0 (2.16) Với

1 1 0

τ gọi là thời gian sống trung bình của trạng thái có năng lượng

Wm và Nm(0) là số hạt của mức m ban đầu

Bây giờ ta đưa (2.15) vào (2.12) thì ta sẽ nhận được biểu thức Planck

1

8

3 2

e

hv c

1

8

3 2 1

tb

e

hv

c v

W

πρ

(2.18)

2.2.2 Môi trường nghịch đảo, nhiệt độ âm Tương tác của bức xạ với môi trường nghịch đảo (nhiệt độ âm)

Muốn xác định các hệ thức Einstein, chúng ta cần dựa vào trạng thái cân bằng nhiệt động Nhưng sau này ta biết rằng trạng thái này không có khả năng thiết lập máy khuếch đại hay máy phát Mà trạng thái cân bằng của hệ lượng tử, tức là đưa nó vào trạng thái không cân bằng thì có khả năng tạo thành một máy phát lượng tử

Đặc trưng quan trọng của trạng thái không cân bằng là nhiệt độ âm Đó là một trong những khái niệm cơ sở của lượng tử điện tử

Giả sử ta có hai mức năng lượng (Wm > Wn) Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ của mức m trong một cm3 bằng:

− 

∑

= KT

W m

n

e

N

N (2.20) Khi đó: 

n m

n m

e N

N

(2.21) Dạng (2.21) xác định tỷ số mật độ hai mức trong cân bằng nhiệt với nhiệt độ tuyệt đối T > 0 nhưng về hình thức có thể dùng nó để xác định khái niệm nhiệt độ

n m

N

N K

W W T

Hình 2.5: Sơ đồ sự phân bố số hạt theo nhiệt độ

- Khi T = +0, tất cả các hạt đều nằm trên mức n, còn mức cao m trống rỗng Khi tăng nhiệt độ (T hữu hạn và dương) một phần hạt sẽ chuyển lên mức cao hơn, nhưng số hạt ở mức thấp vẫn lớn hơn

- Số hạt ở hai mức sẽ bằng nhau khi T = +∞

- Trên giản đồ thì bên phải của T = +∞, trình bày nhiệt độ âm Từ đó ta có thể nhận thấy rằng, khi T = ±∞, mật độ trên mức m, n đầu bằng nhau Điều đó có nghĩa rằng, khi T = ∞chỉ thấy một trạng thái Vật lí Khi T = −α, mật độ mức trên lớn hơn mức dưới,

αcàng nhỏ thì mật độ mức trên càng lớn hơn mức dưới

- Tất cả các hạt đều nằm trên mức cao m khi T = -0, mức thấp lúc này sẽ trống rỗng Như vậy, khi biến đổi nhiệt độ từ T = +0
T = -0 thông qua T = ±∞ hạt sẽ dịch chuyển từ mức thấp lên cao đến đảo lộn hoàn toàn

Vậy đến đây, chúng ta biết rõ khái niệm về thuật ngữ mật độ đảo lộn Thuật ngữ

“nhiệt độ âm” và “mật độ đảo lộn” là tương đương nhau và cùng biểu diễn một nội dung: mật độ hạt mức trên lớn hơn mật độ hạt mức dưới

Một số đặc tính của nhiệt độ âm:

+ Trạng thái với nhiệt độ âm có năng lượng cao hơn trạng thái với nhiệt độ dương ( hay nói cách khác nhiệt độ âm nóng hơn nhiệt độ dương)

+ Nhiệt độ âm có thể nhận được chỉ đối với một số hữu hạn mức năng lượng Bởi vậy, muốn tạo nhiệt độ âm giữa hai mức, cần thiết phải tiêu thụ một năng lượng hữu hạn Nếu số mức lớn hơn vô hạn thì cần tiêu thụ một năng lượng vô hạn để tạo nhiệt độ âm + Khái niệm nhiệt độ âm hoàn toàn khác biệt nhiệt độ môi trường Ví dụ: Thỏi Ruby thường dùng làm máy phát lượng tử, thỏi Ruby chuẩn thường có thể tích khoảng vài cm3 và nhiệt độ của nó tùy thuộc vào điều kiện làm việc từ nhiệt độ He lỏng đến nhiệt

độ phòng (khoảng 4,20K đến 3000K) Tuy nhiên, đồng thời giữa hai mức làm việc của Ruby lại được thành lập nhiệt độ âm

2.2.3 Khả năng khuếch đại trong môi trường nhiệt độ âm Điều kiện làm việc (tự kích) của máy phát laser

2.2.3.1 Điều kiện khuếch đại trong môi trường nhiệt độ âm

Thông thường, công suất bức xạ cảm ứng lớn hơn nhiều so với công suất bức xạ

tự phát khi mật độ phổ điện trường không lớn Thế nên, để đơn giản dưới đây chúng ta bỏ qua bức xạ tự phát

Trong trường hợp tổng quát thì điều kiện cần thiết để khuếch đại bức xạ còn phụ thuộc vào trọng số thống kê của các mức m và n tương ứng g~m;g~nvà đây là trường hợp hệ

là suy biến:

n n m

m

g

N g

N

~

~ > (2.25) Chúng ta dùng khái niệm mật độ năng lượng bức xạ ρv Để đơn giản hơn, người

ta dùng đại lượng cường độ bức xạ, tức là số lượng tử trong khoảng tần số từ ν đến

ν +d , đi qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian Đại lượng I =∞∫I( )ν dν

0

là cường độ bức xạ toàn phần

Chiếu chùm tia có dãy phổ hẹp vào môi trường hoạt chất, các hạt của môi trường

có thể tồn tại ở nhiều trạng thái năng lượng khác nhau Trong các trạng thái năng lượng

đó, chúng ta chỉ khảo sát hai trạng thái năng lượng ở hai mức m (cao) và n (thấp) Các mức năng lượng này được đặc trưng bởi các giá trị năng lượng Wm, Wn và các mật độ mức năng lượng Nm, Nn Dịch chuyển giữa hai mức năng lượng này được đặc trưng bởi các hệ số Einstein Amn, Bmn, Bnm

Khi được chiếu chùm tia, lớp hoạt chất sẽ bị đưa lên trạng thái kích thích Trong hoạt chất sẽ xảy ra đồng thời các quá trình: bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ cộng hưởng

Ta xét các quá trình trên tại một lớp hoạt chất mỏng có độ dày dx:

Hình 2.6: Các quá trình trong lớp vi phân dx của hoạt chất

Bức xạ tự phát sẽ làm tăng công suất của chùm tia lên một lượng:

dP tp =µA mn N m hvdx (2.26)

Với µlà phần bức xạ tự phát lọt vào khẩu độ của chùm tia

Phần công suất tăng lên do bức xạ cảm ứng là:

dP cu =B mn N m hvρv dx (2.27)

Với ρvlà mật độ năng lượng của chùm tia

Mặt khác môi trường hoạt tính cũng hấp thụ một phần công suất là:

dP = µA mn N m hvρv dx (2.28)

Như vậy sau khi truyền qua lớp dx thì công suất của chùm tia là:

tp cu ht

dP dP dP

v n nm m mn

ht cu

Chia từng vế hai đẳng thức trên cho nhau, ta được:

( )

dx K dx C

hv N B N B dx C

hv N B N B P

dP

v n

nm m mn v

v n nm m

K v = m mn− n nm được gọi là hệ số khuếch đại của môi trường hoạt chất Giả sử công suất ban đầu của chùm tia là P0 và hoạt chất có độ dài 0
l Lấy tích phân hai vế đẳng thức trên ta được biểu thức công suất của chùm tia sau khi qua môi trường hoạt chất:

K v l

e P

2.2.3.2 Ngưỡng phát (hay điều kiện tự kích)

Khi đưa vào buồng cộng hưởng tín hiệu cần khuếch đại có tần số ν thì tín hiệu này được phản xạ nhiều lần qua các gương và hình thành nên sóng đứng trong buồng cộng hưởng, làm phát sinh bức xạ cảm ứng Các bức xạ này sẽ làm khuếch đại tín hiệu vào

Xét buồng cộng hưởng gồm hai gương G1, G2 có hệ số phản xạ lần lượt là r1≈1và

1

2 <

r , môi trường hoạt chất có hệ số khuếch đại K v Quá trình tự kích trong Laser được thực hiện khi tia bức xạ và phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200 ÷ 300lần, tất nhiên sau mỗi lần phản xạ qua hoạt chất công suất phải tăng lên

Khi ánh sáng đập vào gương G1 thì t% công suất sẽ truyền qua, r% sẽ phản xạ trở lại trong buồng cộng hưởng và q% bị mất mát Như vậy, để bảo toàn năng lượng thì:

e P

r2 0 2 Khi kết thúc một chu kỳ, tức là từ khi A phản xạ trở lại B thì công suất là: K v L

e P r

P2 = 12 0 2 vì r1 =1 nên K v L

e P r

Như vậy, điều kiện tự kích sẽ là: 1

0

2 >

P P

Tức là:

2 1

2e K v L >

r (2.36) Hay

K v = m mn− n nm Ta được điều kiện tự kích của máy phát Laser là:

( )

Lhv

r c B

N B

2.2.3.3 Chế độ làm việc của laser

Để laser hoạt động được thì chúng ta phải tạo được môi trường mật độ đảo lộn giữa hai mức năng lượng nào đó trong hoạt chất Ta xem xét chế độ làm việc như thế nào thì có thể thiết lập được mật độ đảo lộn trên hai mức lam việc của laser

a Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng

Giả sử hệ nguyên tử hoạt chất có thể dịch chuyển giữa hai mức năng lượng 1 và 2 (hình 2.7) khi không có tác động bên ngoài, mật độ năng lượng mức 1 lớn hơn mức 2 (N1

> N2) Hoạt chất được nguồn bơm cung cấp năng lượng (chủ yếu là bơm quang học) nhờ hấp thụ photon mà các nguyên tử chuyển từ mức 1 lên mức 2 Số nguyên tử ở mức 1 giảm dần theo thời gian còn ở mức 2 thì tăng dần Nhưng khi N1 = N2 thì hệ số hấp thụ

( 2 21− 1 12) = 0

=

c

hv B N B

N

K v , hệ nguyên tử không thể hấp thụ năng lượng được nữa Lúc này, dù bơm tiếp tục ta cũng không thể chuyển nguyên tử từ mức 1 sang mức 2 và không thể đạt được môi trường mật độ đảo lộn

Hình 2.7: Biểu đồ biểu diễn hệ làm việc hai mức năng lượng

Tóm lại, ở hệ lượng tử chỉ có hai mức năng lượng, ta sẽ không thể nào tạo ra được môi trường mật độ đảo lộn, bởi vì các quá trình hấp thụ và bức xạ cưỡng bức đều có xác suất xảy ra như nhau Như vậy trong một hệ gồm hai mức, tương tác giữa trường bức xạ

và hệ nguyên tử rõ ràng là triệt tiêu nhau vào thời điểm mà phân bố hai mức như nhau

Để có thể tạo ra được một sự phân bố ở trạng thái năng lượng trên cao hơn phân bố dưới nhờ phương pháp bơm quang học, môi trường laser ít nhất phải có ba mức năng lượng

Phát laser Bơm

2

1

b Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng

Nhờ nguồn bơm cung cấp năng lượng các nguyên tử sẽ chuyển từ mức 1 sang mức 3 Để tăng hiệu suất bơm và do tần số ánh sáng bơm không thật đơn sắc, người ta thường chọn mức 3 có một độ rộng tương đối lớn Nhưng hệ nguyên tử không tồn tại lâu

ở mức 3 và sẽ dịch chuyển không bức xạ sang mức 2 Tại đây, nó không thể dịch chuyển

tự phát sang mức 1, vì mức 2 là mức siêu bền và xác suất dịch chuyển xuống mức 1 là 0 hay thời gian sống τ2 ≈∞ Như vậy do bơm, các nguyên tử sẽ được chuyển từ mức 1 sang mức 2 và tạo ra được môi trường mật độ đảo lộn ở hai mức 2 và 1 Trong chế độ làm việc này, đòi hỏi xác suất không bức xạ ω32là rất lớn ω32 >>ω31 và mức 2 là mức siêu bền

Hình 2.8: Biểu đồ biểu diễn hệ làm việc ba mức năng lượng

Tuy nhiên, do mức 3 và 2 khá gần nhau nên bức xạ tự phát ν31 rất gần bức xạ laser ν21, điều này làm nhiễu loạn phần nào bức xạ laser Và bức xạ tự phát ν31 là tiếng

ồn (noise) của máy phát laser làm việc với chế độ ba mức năng lượng Nhưng thuận lợi

hơn sẽ là một hệ cấu trúc gồm tới bốn mức năng lượng

c Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng

Nguồn bơm cung cấp năng lượng các hệ nguyên tử ở mức 1 dịch chuyển lên mức

4 Mức này có độ rộng lớn để không đòi hỏi ánh sáng bơm là đơn sắc Tại mức 4, hệ nguyên tử sẽ dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3 mà không bức xạ Tại đây nó không chuyển dời tự phát xuống các mức dưới do mức 3 cũng là mức siêu bền Mức 2 gần với mức 1 và có liên kết quang với mức 4 Vì vậy, các bức xạ tự phát từ 4 xuống 2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1 Theo quá trình bơm, các hệ nguyên tử sẽ chuyển từ mức 1 lên mức 4 và tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức

3 và 2 Bức xạ laser xuất hiện trong dịch chuyển 3 và 2 sẽ không bị ảnh hưởng của các bức xạ tự phát 4 và 2

Hình 2.9: Biểu đồ biểu diễn hệ làm việc bốn mức năng lượng

Đây là ưu việt của chế độ làm việc theo bốn mức năng lượng so với chế độ làm việc theo ba mức năng lượng Điều kiện cần thiết cho sự làm việc này là các xác suất dịch chuyển giữa các mức năng lượng phải thỏa:

ω43 >>ω32;ω42

ω21 >>ω42 và ω12,ω32 ≈ 0

Rõ ràng là không phải môi trường nào cũng có mức năng lượng thỏa mãn các yêu cầu trên Người ta phải chọn hoặc chế tạo những chất có cấu trúc phân tử, nguyên tử thích hợp Trong thực tế, các hoạt chất laser có thể làm việc với nhiều hơn bốn mức năng lượng nhưng người ta cố gắng xếp chúng vào một trong hai sơ đồ bơm nói trên

2.2.4 Những phương pháp tạo nghịch đảo mật độ hoạt chất

2.2.4.1 Quá trình bơm

Quá trình kích thích nguyên tử từ mức cơ bản lên mức trên của laser được gọi là quá trình bơm Có hai phương pháp bơm chủ yếu: Bơm quang học và bơm điện Với bơm quang học, bức xạ của nguồn ánh sáng được môi trường hoạt tính hấp thụ photon cung cấp năng lượng cho nguyên tử của môi trường sẽ dịch chuyển lên mức trên Phương pháp bơm này đặc biệt thuận lợi với laser rắn hay laser lỏng Vì phổ hấp thụ của hai loại laser này thường rất rộng, phù hợp với phổ bức xạ của nguổn thông thường là phổ đám Bơm điện được thực hiện trực tiếp bằng sự phóng điện rất thuận lợi với laser khí và laser bán dẫn Trong laser khí, vạch phổ hấp thụ rất hẹp nên nói chung không bơm quang học, mặc

dù dùng bơm điện có nhiều thuận lợi hơn

Ngoài hai phương pháp bơm chủ yếu vừa nêu trên còn có nhiều phương pháp bơm khác

2.2.4.2 Phương pháp bơm năng lượng

Phương pháp tạo nghịch đảo mật độ nhờ bức xạ điện từ trường ngoài (điện, quang…) Phương pháp này được dùng cho những hệ thuộc sơ đồ ba hoặc bốn mức năng lượng Đối với hệ ba mức năng lượng với W1 < W2 < W3 và nếu hệ chịu tác động của bức

ν thì hệ sẽ hấp thụ với dịch chuyển 1
3 Khi đó mức W3

sẽ được tích lũy cho tới khi chưa xuất hiện bão hòa, tức là khi N1 chưa bằng N3 Ta nhận thấy khi (W3 – W2) < (W2 – W1) nghịch đảo mật độ được hình thành ở mức W3 và W2 Mật độ N3 của mức E3 trong trạng thái bão hòa lớn hơn mật độ của mức W2 Còn ở trường hợp (W3 – W2) > (W2 – W1) thì ngược lại, nghịch đảo mật độ lại được thực hiện ở hai mức W2 và W1 và N2 > N1 Vì vậy, ở trường hợp thứ nhất bức xạ cảm ứng chỉ có thể xảy ra ở dịch chuyển 3
2 đồng thời ứng với tần số

v21 2− 1

= , những dịch chuyển như vậy gọi là dịch chuyển công tác

Như vậy trong các sơ đồ ứng với ba mức để tạo nghịch đảo mật độ, năng lượng phải có tần số ứng với độ rộng của những mức 1 và mức 2 (hai mức bên) Rõ ràng theo lý thuyết, nghịch đảo mật độ mức giữa là W2 với một trong hai mức kia (W1 hoặc W3) tùy thuộc vào quan hệ giữa các dãy năng lượng W2 – W1 với W3 – W2

Chúng ta có thể xây dựng mối quan hệ giữa tần số bơm và tần số bức xạ Muốn vậy ta hãy biểu diễn mật độ ở mức W2, W3 là N2, N3 ở trạng thái cân bằng nhiệt động, qua mật độ của mức W1 là N1

Nên ta sẽ nhận được:

KT

W W

e N N

1 2

.

1 2

−

−

= (2.38) KT

W W

e N N

1 3

.

1 3

( 1 2 1 )

1 2

KT

W W N

−

≈ (2.40) ( 1 3 1 )

1 3

KT

W W N

−

≈ (2.41)

Ở trạng thái bão hào của dịch chuyển 1
3, mật độ của những mức W1 và W3

bằng nhau, với N’: mật độ ở trạng thái kích thích (bão hòa)

2

3 1 ' 3

' 1

N N N

N N N N

2

1 2

1 3 1

3 1 ' 3

KT

W W N

N ≈ − − > (2.44) Tới đây, ta có thể suy ra rằng:

1 2 1 3

1 2 1 3

2

2

W W W W

KT

W W KT

W W

là 2
1 Cũng tương tự, nghịch đảo mật độ có thể có dịch chuyển 3
2 nếu giữa những mức W2 và W1 xảy ra tích thoát mạnh

*So sánh hệ ba mức với bốn mức của laser

Hệ sơ đồ bốn mức có rất nhiều ưu điểm so với hệ sơ đồ ba mức Nó cho phép tạo nghịch đảo với mật độ lớn, làm giảm tần số bơm xuống không nhất thiết phải lớn hơn hai lần tần số bức xạ như ở hệ sơ đồ ba mức mà chỉ cần lớn hơn tần số bức xạ và đặc biệt trong một số trường hợp thì tần số bơm lại nhỏ hơn tần số bức xạ và như vậy ta có thể tăng hiệu suất lượng tử của máy phát laser, máy khuếch đại lượng tử

Hình 2.10: Sơ đồ dịch chuyển của hệ bốn mức

(Hình 2.10) biểu diễn một số trường hợp tạo nghịch đảo mật độ cho hệ với sơ đồ bốn mức, trong đó để đơn giản, ta chỉ dùng đồ thị thứ nguyên năng lượng E mà không sử dụng hàm phân bố N = f(W) vì rất phức tạp Trong (hình 2.10a), bơm được thực hiên ở hai tần số ν14 và ν24nên mức W4 sẽ được tích lũy, ta nói nghịch đảo mật độ được thực hiện bằng cách thực hiện mức trên (Hình 2.10b) bơm được thực hiện ở cả hai dịch chuyển 1
3 và 3
4 một cách đồng thời, gọi là bơm kép Mức laser dưới W1 sẽ bị nghèo hóa rất mạnh và dịch chuyển công tác sẽ là 2
1 Trên (Hình 2.10c) thì ∆W13 = ∆W24, do

đó với tần số bơm ν13 =ν24 sẽ đồng thời làm giàu mức trên và làm nghèo mức dưới và rõ ràng chỉ cần thỏa mãn điều kiện νbm >νbxchứ không cần thiết phải thỏa điều kiện

bx

ν > 2 như ở hệ 3 mức năng lượng Còn (Hình 2.10d) thì cho thấy có thể đồng thời có hai dịch chuyển công tác ν43và ν21 Năng lượng bơm có tần số ν14sẽ đồng thời làm nghèo mức dưới W1 của dịch chuyển công tác 2
1 Và làm giàu mức trên W4 của công tác 4
3 Và cuối cùng (Hình 2.10 e) cho thấy tần số bức xạ lại lớn hơn tần số bơm, trong đó tần số bơm ν13 =ν34sẽ làm giàu mức W4 của dịch chuyển 4
2 Nghịch đảo mật độ sẽ được thực hiện do xác suất dịch chuyển tích thoát 2
1 rất lớn

2.3 HỆ CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC

2.3.1 Chức năng, cấu tạo hệ cộng hưởng quang học

2.3.1.1 Khái niệm

Hình 2.11: Sơ đồ buồng cộng hưởng

Buồng cộng hưởng (BCH) là một trong những bộ phận quan trọng nhất của một máy phát lượng tử (máy phát laser) Đó là một hệ gồm hai gương phản xạ đối điện nhau Một gương có hệ số phản xạ rất cao (r1≈1), gương còn lại có hệ số phản xạ thấp hơn và

có thể cho một phần ánh sáng đi qua (còn gọi là gương bán trong suốt) Giữa hai gương

này là môi trường hoạt tính Do buồng cộng hưởng được giới hạn ở hai đầu còn các mặt khác để hở nên được gọi là buồng cộng hưởng hở

Buồng cộng hưởng có chứa môi trường hoạt tính gọi là buồng cộng hưởng hoạt động, buồng cộng hưởng không có chứa môi trường hoạt tính gọi là buồng cộng hưởng thụ động

Khi khảo sát sự phân bố trường điện từ trong buồng cộng hưởng hoạt động kết quả không khác nhiều so với buồng cộng hưởng thụ động Do đó, khi giải bài toán phần

bố trường (cấu trúc model) ta chỉ khảo sát buồng cộng hưởng thụ động, môi trường giữa hai gương là đồng nhất lý tưởng

2.3.1.2 Chức năng buồng cộng hưởng quang học

a Thực hiện hồi tiếp dương

Hình 2.12: Buồng cộng hưởng thực hiện chức năng hồi tiếp dương

Tia bức xạ sau khi đi qua môi trường hoạt chất thì sẽ được khuếch đại lên Nhưng thanh hoạt chất có độ dài không lớn lắm, nếu tia bức xạ chỉ đi qua một lần thì sẽ không đạt được cường độ cần thiết Để giải quyết vấn đề này thì biện pháp tối ưu là dùng buồng cộng hưởng Chùm bức xạ sẽ được phản xạ liên tiếp qua các gương phản xạ đo đó quãng đường đi của các tia bức xạ trong hoạt chất tăng lên Nhưng cường độ chùm bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập được sự cân bằng năng lượng

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

Hình 2.13: BCH tạo bức xạ định hướng, đơn sắc và kết hợp

Hiệu ứng khác bức xạ cảm ứng

Phản hồi bằng cách phản xạ qua gương của buồng cộng hưởng

Đầu ra của chùm Laser

Trong quá trình phản xạ bởi các gương, những tia có phương truyền cùng phương với trục của buồng cộng hưởng sẽ được giữ lại và khuếch đại lên Những tia bị lệch so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài Do đó, chùm bức xạ ở ngõ ra sẽ có một phương truyền duy nhất hay ta nói nó có tính định hướng

cao

Hơn nữa, quá trình phản xạ không làm thay đổi pha của tia bức xạ nên chùm bức

xạ cuối cùng được phát ra là chùm bức xạ kết hợp Một sự thuận lợi khác, trong buồng cộng hưởng, ta có thể chọn lọc dạng dao động (mode) sao cho thu được những dạng dao động gần giống nhau nhất nên chùm bức xạ ta thu được gần như là đơn sắc

Như vậy, buồng cộng hưởng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các tính chất cơ bản của chùm laser

2.3.1.3 Các loại buồng cộng hưởng

Dựa vào cấu hình của các gương phản xạ mà người ta phân biệt giữa các buồng cộng hưởng với nhau:

- Buồng cộng hưởng phẳng: hai gương phản xạ là hai gương phẳng (R=∞)

Hình 2.14: BCH gồm hai gương song song

- Buồng cộng hưởng đồng tiêu: hai gương phản xạ là hai gương cầu có cùng bán kính và cùng tiêu điểm

- Buồng cộng hưởng đồng tâm: hai gương phản xạ là hai gương cầu cùng bán kính, tâm hai gương này trùng nhau

a BCH 1 gương phẳng b BCH đồng c BCH đồng d BCH vòng e BCH

1 gương cầu tiêu tâm tổng quát

Hình 2.15: Các loại buồng cộng hưởng thường gặp

2.3.2 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học

2.3.2.1 Khảo sát một số buồng cộng hưởng

a Buồng cộng hưởng với gương phản xạ có kích thước vô hạn

Cho buồng cộng hưởng như (Hình 2.11) Chiều dài buồng cộng hưởng là L, trục buồng cộng hưởng là Oz, O nằm trên gương thứ nhất

Nếu trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng phẳng, bước sóng λlan truyền theo phương hợp với Oz với một góc θ nhỏ Do sự phản xạ các gương trong buồng xuất hiện sự giao thoa sóng Điều kiện để có giao thoa là:

2Lcosθ =qλ (2.46)

q là số nguyên dương rất lớn (khoảng 106 đối với ánh sáng quang học), mỗi giá trị q đặc trưng cho một loại dao động cộng hưởng Mỗi bước sóng thỏa mãn công thức này được gọi là một mode dao động

Khi sóng truyền theo trục Oz: 2L=qλ (2.47)

Mỗi mode thỏa mãn công thức này được gọi là mode dọc

Hình 2.16: Biểu diễn Mode dọc

Trường trong buồng cộng hưởng là tổng các trường đối với các mode, còn năng lượng trường trong buồng cộng hưởng là tổng đơn giản các cực đại sóng dừng đối với mỗi mode nói trên

Buồng cộng hưởng có rất nhiều mode, đối với hai mode liên tiếp có tính chất sau:

Thứ nhất, khoảng cách tần số hay bước sóng đối với hai mode liên tiếp tỷ lệ

ngh ịch với khoảng cách hai gương

Để đơn giản ta xét hai mode dọc thỏa mãn công thức : 2L=qλ

Thứ hai, pha của mode liên tiếp dịch chuyển nhau một góc 2π

Xét pha sóng phẳng đơn sắc truyền dọc theo trục Oz:

ϕ 2 (2.50) Với mode thứ q ta có:

b Buồng cộng hưởng với gương phản xạ có kích thước hữu hạn

Do kích thước hữu hạn nên sự phân bố mode theo công thức (2.46), (2.47) không dùng được nữa Lúc này chúng ta cần chú ý đến ảnh hưởng của nhiễu xạ trên các gương Theo nguyên lý Huyghens – Fresnel nếu biết hàm biên độ sóng ψA tại điểm A nào đó thì

ta có thể suy ra được hàm biên độ sóng ψBtại điểm B ở gương thứ hai:

Tổng của hai sóng

Sóng di chuyển từ trái sang phải

Sóng di chuyển từ phải sang trái

Li độ sóng

Vị trí

( )dS

R

e iK

SA

iKR A

=

K ; θ là góc hợp bởi AB và pháp tuyến gương

Hình 2.17: Sơ đồ BCH gương phản xạ có kích thước hữu hạn

Sau khi tính toán người ta đưa ra các hệ quả sau:

Thứ nhất, trường phân bố theo các trục tọa độ một cách tuần hoàn

Thứ hai, điều kiện cộng hưởng dao động:

2 2

2 2

2 2

2 2

λπ

K a

s b

r L

q

(2.55)

q đặc trưng cho mode dọc

r, s đặc trưng cho mode ngang

Sự khác biệt cơ bản về cấu trúc mode trong buồng cộng hưởng:

Buồng cộng hưởng kích thước hữu hạn so với trường hợp gương có kích thước

vô hạn đối với một loại mode dọc nào đó (q giống nhau) (cùng giá trị q), người ta còn phân biệt được sự khác nhau về sự phân bố trường theo trục x, y

Trong buồng cộng hưởng quang học chỉ tồn tại các mode ngang với r và s nhỏ

mà q rất lớn (q >> r,s) kí hiệu chung các mode trong buồng cộng hưởng TEM s,q

c Buồng cộng hưởng với gương phản xạ phẳng tròn song song (buồng cộng hưởng Fabry – Perot)

Xét buồng cộng hưởng gồm hai gương phẳng tròn có cùng đường kính D, đặt cách nhau một khoảng L Cũng dựa vào nguyên lý Huyghens – Fresnel, người ta đưa ra các kết quả sau:

Từ điều kiện cộng hưởng của buồng cộng hưởng kích thích hữu hạn

2 2

2 2

2 2

2 2

λπ

K a

s b

r L

q

(2.56) Thay a=b=D ta được điều kiện cộng hưởng Fabry- Perot

2 2

2 2 2

λ

D

s r L

q

(2.57) Lấy vi phân 2 vế

λ

λλ

λλ

⋅

∆ +

∆ +

∆ +

2 2

4 4

1

4

2 4

2 1 1

2

D

s s r r L

q q

D

s s r r L

q q

1 2

2

= được gọi là số Fresnel

Số Fresnel N là tham số đặc trưng ảnh hưởng đến sự phân bố biên độ và pha trường trong buồng cộng hưởng Số Fresnel của các loại laser khác nhau sẽ khác nhau, số Fresnel N càng lớn thì mất mát do nhiễu xạ càng nhỏ

Biên độ trường đối với các mode dọc (TEM00q) có giá trị lớn nhất tại tâm gương (r

= 0) và có giá trị nhỏ nhất tại mép gương 

D

Khi tăng số Fresnel N (kích thích gương tăng) pha sóng thay đổi rất ít khi điều này có nghĩa khi kích thước gương là vô hạn, sự biến đổi pha sóng xem như không có, mặt phẳng gương trở thành mặt đẳng pha (lúc đó không có sự phân bố mode ngang)

d Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu

Xét buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu gồm hai gương cầu phản xạ đặt cách nhau một khoảng đúng bằng bán kính gương, tâm gương này nằm ở đỉnh gương kia, hai tiêu điểm trùng nhau Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu được sử dụng nhiều do có ưu điểm:

dễ dàng điều chỉnh để thu các mode dọc, mất mát năng lượng ít (độ phân kỳ do nhiễu xạ thấp), khối lượng hoạt chất thấp hơn so với các loại buồng cộng hưởng khác

Chúng ta lưu ý sự lan truyền chùm laser trong buồng công hưởng giống như sự lan truyền chùm Gauss

Chùm Gauss lan truyền từ laser khác sóng phẳng cũng như khác sóng cầu:

- Đối với sóng phẳng, biên độ điện trường E0 không phụ thuộc vào vị trí quan sát trong mặt phẳng Oxy, cũng như thay đổi dọc theo trục Z

Với χ(x,y,z) là hàm Gauss có tích chất sau:

Năng lượng điện trường tập trung trong miền gần trục Z tại Z = 0 mặt sóng là một mặt phẳng và giảm rất nhanh theo hàm mũ khi xa trục Z Càng đi ra xa mặt Z = 0 mặt sóng chùm càng mở rộng ra

Hình 2.19: Sự lan truyền chùm Gauss

Trong phần trước ta đã biết kí hiệu chung mode trong buồng cộng hưởng:

nhất b) Việc thay đổi dấu biên độ của trường trên gương

xạ Muốn hệ thực hiện được chức năng phản hồi dương, có nghĩa tia sáng được phản xạ nhiều lần qua các gương thì góc lệch giữa hướng truyền của tia bức xạ và trục của hệ

z

0

z

TEM 00 TEM 01 TEM 02

TEM 10 TEM 11 TEM 12

TEM 00 TEM 01 TEM 01

TEM 10 TEM 11 TEM 12

2

= (2.64) thì N được gọi là hệ số Fresnel

Gọi α là phần năng lượng bị mất mát trong nhiễu xạ thì α sẽ bẳng tỉ số diện tích hình vành khuyên có bề rộng x (x=θL) với diện tích của gương:

N a

L a

λ

2 1

= (2.66)

b.Tính ổn định cấu hình buồng cộng hưởng

Thực nghiệm đã chứng tỏ có tồn tại những miền mất mát cao và mất mát thấp mode dao động trong hệ cộng hưởng Để hệ cộng hưởng có mất mát thấp cần thỏa mãn hai điều kiện

Thứ nhất, kích thước gương phản xạ phải thỏa mãn điều kiện hệ thức:

= 1 2 > 1

L

a a N

1

R

L a

2

R

L a

a h

2

1 ,

2

1=R =L h =h =

R

Hình 2.18: Giản đồ ổn định của buồng cộng hưởng có hai gương

Tiêu chuẩn ổn định của buồng cộng hưởng có thể làm sáng tỏ bằng giản đồ ổn định như trên

Đường AB mô tả phương trình h2 =h1 các buồng cộng hưởng tương ứng được cấu tạo bởi hai gương có bán kính giống nhau

- Điểm B: h2 = h1=1 tương ứng buồng cộng hưởng phẳng

- Điểm A: h2 = h1=−1 tương ứng với buồng cộng hưởng đồng tâm

- Điểm O: h2 =0,h1=0 tương ứng với buồng cộng hưởng đồng tiêu

Hình 2.19: Phổ tần số của vạch phát laser

Tuy nhiên, chế độ phát đa mode làm giảm tính đơn sắc và kết hợp của laser Để ứng dụng laser trong thông tin liên lạc, chụp hình khối và trong nhiều lĩnh vực khác rất cần nguồn laser có tính đơn sắc cao Để có được nguồn laser theo yêu cầu thì việc đầu tiên là phải triệt tiêu những bức xạ không cần thiết (những mode không cần thiết) và tập trung năng lượng vào một vài mode nào đó Quá trình này gọi là chọn lọc mode

b Chọn lọc mode ngang

Trong quá trình chọn lọc mode ngang bằng cách loại bỏ các dao động không cần thiết Ta làm tăng tổn hao nhiễu xạ của các mode không cần thiết này bằng cách đưa vào buồng cộng hưởng một loại màn chắn đặc biệt

Hình 2.20: Chọn lọc mode ngang bằng khe hẹp

*Gi ải thích:

Chúng ta đã biết sự phân bố trường các mode ngang là các mode TEM00 có trường tập trung ở gần trục, các mode TEM00,TEM11,TEM22,…có trường phân bố xa dần trục Bậc dao động càng cao thì có trường phân bố càng xa trục Do đó nếu ta đặt một màn chắn có kích thước thích hợp có thể dễ dàng tăng tổn hao nhiễu xạ các dao động bậc cao (mode bậc cao) chỉ giữ lại một mode cơ bản TEM00 Tuy nhiên màn chắn cũng gây mất mát ở mode cơ bản nhưng với mức độ ít hơn Kết quả này cho thấy công suất bức xạ của laser giảm khi chuyển từ chế độ đa mode sang chế độ đơn mode

Hiện nay người ta hoàn thiện việc chọn mode ngang bằng cách đưa vào buồng cộng hưởng hai thấu kính hội tụ và màn chắn M đặt tại mặt phẳng đồng tiêu của hai thấu kính và có kích thước đúng bằng vùng sáng tại tiêu điểm

c Chọn mode dọc

Trong quá trình chọn lọc mode dọc người ta có thể sử dụng phương pháp sau:

- Thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng

- Dùng gương phản xạ và gương điện môi đa lớp có hệ số phản xạ thay đổi theo tần số

λ Về nguyên tắc ta có thể rút ngắn chiều dài L để giảm số mode dọc, tuy nhiên cách này dẫn tới giảm chiều dài môi trường hoạt tính và giảm công suất phát của laser

Cách thông dụng là dùng buồng cộng hưởng kép

Hình 2.21: BCH kép chọn lọc mode dọc

**Buồng cộng hưởng kép (hình 2.21): được cấu tạo bằng ba gương phẳng G1, G2,

G3 Khoảng cách giữa hai gương G1 và G2 là L1 Tại khoảng L1 này buồng cộng hưởng sẽ hình thành các mode dọc với hiệu tần số được xác định là:

2 23

2L

c

=

∆ν (2.69) Như vậy, nếu chọn L1 và L3 khác nhau thì hiệu tần số giữa hai mode dọc cạnh nhau ở hai phần buồng cộng hưởng sẽ khác nhau

Chỉ có những mode dọc nào mà tần số riêng của chúng tồn tại trong cả hai phần buồng cộng hưởng trùng nhau thì sẽ xuất hiện những mode chung của buồng cộng hưởng Kết quả là phổ dao động của buồng cộng hưởng kép thưa đi rất nhiều so với phổ dao động của buồng cộng hưởng bình thường (không có gương G2) Hiệu suất của phương pháp này sẽ tăng khi ta tăng số gương phản xạ đặt trong buồng cộng hưởng

2.3.3 Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng

Trong buồng cộng hưởng tia bức xạ thực chất không được phản xạ hoàn toàn còn

bị mất mát do nhiễu xạ, tán xạ, do các gương không song song…Để đặc trưng cho độ mất mát năng lượng trong buồng cộng hưởng người ta đưa ra một đại lượng mới là hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng

Nếu E dlà năng lượng dữ trự trong buồng cộng hưởng, P0 là năng lượng tiêu hao trung bình trong một giây, ν tần số bức xạ qua gương thì hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng được tính theo công thức sau:

(l r)

nL Q

−

=λπ

2 (2.71) Nếu kể cả năng lượng mất mát do nhiễu xạ và a là kích thước của gương xạ thì:

nL Q

λλ

Hình 2.22: Buồng cộng hưởng với gương đặt lệch

Ngoài ra còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng như mất mát do tán xạ và mất mát do bề mặt của buông cộng hưởng nên hệ số phẩm chất được tính bằng công thức sau:

=∑

i Q i

Q

1 1

s (2.74) Tức là nghịch đảo hệ số phẩm chất toàn phần của buồng cộng hưởng bằng tổng nghịch đảo của các hệ số phẩm chất thành phần

2.3.4 Gương laser

Ta tìm hiểu một cách chi tiết hơn đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kĩ thuật đối với các gương của buồng cộng hưởng quang học Yêu cầu cơ bản của các gương laser là phải đảm bảo sao cho tổn hao vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất Trong giai đoạn đầu phát triển người ta thường dùng gương có đế được làm bằng thủy tinh (hoặc thạch anh) và có lớp phản xạ được làm bằng bạc, nhôm hoặc vàng Hệ số phản xạ của các gương này ở vùng ánh sáng khả kiến thường không vượt quá 90 ÷ 95 % và phần năng lượng tổn hao do hấp thụ trên bề mặt của gương có thể đạt tới 5 ÷ 10 % Nếu sử dụng chúng để làm gương phản xạ sẽ làm giảm phẩm chất của buồng cộng hưởng

Ngày nay, vì lợi ích kinh tế nên trong kĩ thuật laser phần lớn mạ phản xạ các gương bằng bạc, vàng, nhôm được thay thế bằng các gương điện môi nhiều lớp Gương

D

L

β

Gương điện môi nhiều lớp cũng có đế được làm bằng thủy tinh (hoặc thạch anh) Người ta dùng phương pháp bốc bay trong chân không để phủ lên lần lượt các lớp kế tiếp nhau của hai chất điện môi trong suốt để có được chiết suất n1, n2 và chiều dày quang học bằng 4 bước sóng bức xạ nhằm thỏa mãn điều kiện tạo ra sóng kết hợp (giao thoa) tức là:

4

. 1 2 2

n Trong đó: h1,h2…chiều dày quang học của các lớp phủ

Hình 2.23: Gương điện môi nhiều lớp

Hệ số phản xạ của gương tăng theo số lớp điện môi Những gương cần hệ số phản

xạ cao (trên 99%) thì thường được chế tạo có trên 15 lớp điện môi Ngược lại, những gương bán trong suốt cần hệ số phản xạ thấp hơn nên chỉ khoảng 3 đến 7 lớp

Chương 3: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER

Laser là một nguồn sáng, tuy nhiên đây là một nguồn sáng đặc biệt và chính

những tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả cao trong việc ứng dụng vào những lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống Laser có những tính chất điển hình sau:

3.1 ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG CAO

Từ nguyên lý hoạt động của laser, ta thấy laser phát theo một hướng vuông góc

với gương của buồng cộng hưởng Tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng song song Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở biên của chùm tia, tia laser phát ra với một góc

mở nhất định như (hình 2.24)

Hình 3.1: Góc mở của chùm laser

Từ lâu con người ta đã rất cần những nguồn sáng song song trước hết dùng để đo

xa, liên lạc, dẫn đường như các đèn pha, đèn chiếu Những chùm sáng này có góc mở cỡ vài độ, góc chiếu xa khoảng 5 – 10 km Đối với laser góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc = 160độ), có trường hợp chì vài giây góc Vì vậy laser có thể chiếu rất xa cỡ hàng nghìn cây số

3.2 TÍNH ĐƠN SẮC RẤT CAO

Độ đơn sắc của nguồn sáng được hiểu là chùm sáng đó có một màu và khả năng tập trung năng lượng vào một màu ấy Với ý nghĩa như vậy, laser đúng là một nguồn sáng đặc biệt mà không một nguồn sáng nào có thể so sánh được Những máy quang phổ

có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tương đương với laser nhưng lại thua laser cỡ một tỷ lần về tập trung năng lượng Mặt trời có thể cho năng lượng rất lớn nhưng lại rải trên nhiều màu Vì vậy, tính đơn sắc rất quan trọng trong việc sử dụng laser như một thiết

bị vật lí trị liệu thông qua điều trị bằng ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào độ đơn sắc

3.3 TÍNH KẾT HỢP CỦA CÁC PHOTON TRONG CHÙM TIA LASER

Tính kết hợp của ánh sáng được hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photon trong chùm sáng ấy Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn và trong trường hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không Tia laser như chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tượng phát xạ cưỡng bức, do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau Điều này đảm bảo cho sự hoạt động nhịp nhàng của tia laser Chính tính kết hợp của tia laser đảm bảo cho laser có rất nhiều ứng dụng: khả năng khoan

lỗ cự nhỏ, cắt vết nhỏ và một loạt những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ

3.4 TÍNH CHẤT TỪ PHÁT LIÊN TỤC ĐẾN PHÁT XUNG CỰC NGẮN

Thời gian ban đầu người ta thường chế tạo các laser phát liên tục hoặc phát xung cường độ tự do với độ dài xung cỡ ms Nhưng với sự phát triển công nghệ cao trong lĩnh vực laser, người ta đã đạt được việc phát đồng bộ chế độ, cho phép tập trung năng lượng laser trong thời gian xung cực ngắn chỉ cỡ nano giây hay pico giây Cho đến nay cũng chỉ

có laser có khả năng phát với thời gian ngắn như vậy

3.5 CÔNG SUẤT PHÁT LASER

Công suất của laser thay đổi tùy theo từng loại Có những loại laser phát xung đạt công suất 1 – 100 triệu kW như laser thủy tinh Nd Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất tối đa 1000 kW Trong y học thường sử dụng laser excimer, laser Nd: YAG phát xung với công suất 10000 – 10 triệu kW, laser CO2, laser Argon phát liên tục từ 1 –

100 W, trong vật lí trị liệu thông thường sử dụng laser He-Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1 – 10 mW

Bước sóng laser

λ

nm A

nm

m

10 1 1

1000 1 1 1000 1 1

Mật độ công suất laser

Bảng 3.1: Các thông số vật lí của laser

Tóm lại, laser là nguồn sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất độc đáo về cả chất và lượng Nên laser đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Để ứng dụng laser trong y tế chúng ta cần quan tâm tới các thông số trong bảng trên

Chương 4: PHÂN LOẠI LASER

Có 4 phương pháp để phân loại laser:

- Phân loại theo môi trường hoạt chất

- Phân loại theo chế độ làm việc

- Phân loại theo bước sóng

- Phân loại theo chế độ an toàn

4.1 PHÂN LOẠI THEO MÔI TRƯỜNG HOẠT CHẤT

Hiện nay, phương pháp phân loại laser phổ biến nhất là dựa vào trạng thái của

môi trường hoạt chất, còn tên gọi của laser xuất phát từ tên gọi của môi trường hoạt chất

đó Dựa vào môi trường hoạt chất, người ta phân laser thành ba loại như sau:

- Laser thể rắn:

Laser thể rắn là những laser mà môi trường hoạt chất là những chất rắn khác nhau

có thể dùng để phát laser Trong y tế, laser rắn được sử dụng khoảng 10 loại Điển hình là laser Nd: YAG (chứa 2 – 5 % nguyên tử Nd), laser Ruby, laser thủy tinh Xd (thủy tinh có chứa 5% nguyên tử Nd), laser diode bán dẫn GaAs

Các laser rắn thông thường có nguồn nuôi laser là các đèn sáng phóng điện khí Các laser bán dẫn được nuôi bởi hiệu điện thế thuận

- Laser thể lỏng

Đây là những laser có môi trường hoạt chất ở thể lỏng Có khoảng 100 chất lỏng khác nhau có thể sử dụng để phát laser Thông dụng nhất hiện nay là các loại chất màu pha lỏng trong các môi trường khác nhau được sử dụng làm hoạt chất Nguồn nuôi của những laser thể lỏng là những đèn khí phát sóng công suất lớn hoặc một laser khác

Hiện nay, laser màu đươc sử dụng rộng rãi do nó có ưu điểm là có khả năng có thể thay đổi màu (bước sóng) của tia laser

- Laser thể khí

Laser thể khí là những laser có môi trường hoạt chất là thể khí Có vài trăm loại khí khác nhau có thể dùng làm hoạt chất của laser Các laser khí được sử dụng rộng rãi trong y tế hiện nay là laser khí CO2, laser He-Ne

4.2 PHÂN LOẠI THEO CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

Theo phương pháp phân loại này, ta có 4 loại chính:

4.3 PHÂN LOẠI THEO BƯỚC SÓNG

Phân loại theo bước sóng có 3 loại laser:

- Laser có bước sóng trong vùng cực tím

- Laser có bước sóng trong vùng nhìn thấy

- Laser có bước sóng trong vùng hồng ngoại

Hình 4.1: Những laser chính và bước sóng của chúng

1nm Vùng cực tím 100nm

Vùng nhìn thấy

Vùng hồng ngoại gần 3 µ

Vùng hồng ngoại giữa

1000A 500nm 1 1000nm µ

µ

5 10 µ100nm

193nm

2

COLaser

Laser màu 400-1000nm

850nm

1060nm

- 11318nm

P(w)

t(ms)