LUẬN văn sư PHẠM vật lý LASER bán dẫn và ỨNG DỤNG

Vì vậy mà sau đó các loại laser khác được chế tạo, như laser màu với môi trường hoạt tính của nó là một chất lỏng mang màu, đó cũng chính là dung dịch thuốc nhuộm, nhưng laser màu còn nh

Cần Thơ, 2012

LỜI CẢM ƠN

Khi nhận được đề tài trong lòng em không tránh khỏi trước sự bỡ ngỡ và lo lắng, không biết mình có hoàn thành tốt đề tài hay không Nhưng với sự hướng dẫn tận tình, sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu và thực hiện,cuối cùng đề tài của em củng hoàn thành

Đó củng là nhờ vào sự cố gắng và nỗ lực của bản thân trong thời gian học tập và đặc biệt

là sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong những tháng qua

Nhân đây em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trường Đại Học Cần Thơ,

và các thầy cô ở bộ môn vật lý đã truyền đạt cho em kiến thức quý báu Đặc biệt em chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến để em hoàn thành tốt đề tài một cách nhanh chóng

Em xin chân thành cảm ơn những tác giả của các tài liệu, đã cung cấp cho em nguồn thông tin chính xác, hỗ trợ em trong việc thực hiện tốt đề tài

Em cũng xin cảm ơn đến các bạn cùng lớp đã ủng hộ và chia sẽ kinh nghiệm để em thêm kiến thức và tư liệu để bổ sung đề tài

Em xin cảm ơn đến gia đình và những người thân nhất của em vì họ là chổ dựa tinh thần và là nguồn động viên trong thời gian em thực hiện đề tài

Sau cùng em xin gửi quý thầy cô lời chúc sức khỏe và hạnh phúc

Tuy đã rất cố gắng nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Pha

MỤC LỤC

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3

2 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

PHẦN II NỘI DUNG 4

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LASER. 4

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của laser 4

1.2 Khái niệm về laser 4

1.3 Giới thiệu các loại laser 4

1.3.1 Laser khí 4

1.3.2 Laser rắn .5

1.3.3 Laser màu 5

1.3.4 Laser bán dẫn .5

1.4 Các ứng dụng của laser 5

CHƯƠNG II CƠ SỞ VẬT LÝ LASER. 7

2.1 Cơ sở hình thành ánh sáng laser 7

2.2 Dịch chuyển quang học 7

2.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ 9

2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser 11

2.5 Cấu tạo một laser 13

2.5.1 Môi trường hoạt chất .13

2.5.2 Buồng cộng hưởng quang học .14

2.5.2.1 Cấu tạo 14

2.5.2.2 Chức năng BCH 15

2.6 Các loại BCH 16

2.7 Gương điện môi 17

2.8 Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng 19

2.9 Chọn lọc mode 21

2.9.1 Chọn lọc mode xiên .22

2.9.2 Chọn lọc mode dọc 22

2.10 Tính chất của laser 23

2.10.1 Tính cường độ lớn .23

2.10.2 Tính định hướng của laser 24

2.10.3 Tính đơn sắc 24

2.10.4 Tính kết hợp của laser 25

CHƯƠNG III LASER BÁN DẪN 26

3.1 Một số tiêu chuẩn của vật liệu bán dẫn 26

3.2 Một số đặc điểm của laser bán dẫn 26

3.3 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn 28

3.3.1 Chất bán dẫn thuần 28

3.3.2 Bán dẫn pha tạp 30

3.4 Tiếp giáp P - N 31

3.4.1 Tiếp giáp P - N được phân cực thuận .31

3.4.2 Tiếp giáp P - N không được phân cực .34

3.4.3 Điều kiện nghịch đảo nồng độ trong môi trường bán dẫn tinh thể 36

3.5 Cấu trúc tiếp giáp dị thể p - n 38

3.6 Các phương pháp kích thích và nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn 41

3.6.1 Phương pháp kích thích bằng điện trường .41

3.6.2 Phương pháp phun dòng tải điện qua lớp tiếp xúc p - n .41

3.6.3 Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích .43

3.6.4 Phương pháp bơm quang học .44

3.7 Các loại laser bán dẫn 45

3.7.1 Laser bán dẫn dạng phun .45

3.7.2 Laser bán dẫn dùng bơm quang học .45

CHƯƠNG IV CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER BÁN DẪN 47

4.1 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong đời sống 47

4.1.1 Dùng trong máy in laser 47

4.1.2 Máy đọc mã vạch trong các siêu thị 50

4.1.3 Đọc và ghi đĩa DVD, CD .51

4.2 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong y học: 54

4.3 Ứng dụng laser bán dẫn trong khoa học kỹ thuật 56

4.3.1 Ứng dụng laser để tạo ra vũ khí hạt nhân: 56

4.3.2 Chế tạo máy laser lớn nhất thế giới 56

4.3.3 Nam châm hoạt động bằng ánh sáng: 57

4.3.4 Dùng laser di chuyển xung sáng trong khí lạnh 57

4.3.5 Chế tạo thiết bị điều khiển giúp người tàn tật đi lại .57

4.3.6 Nghiên cứu hóa sinh hiện đại .58

4.4 Ứng dụng laser bán dẫn trong vũ trụ 59

4.4.1 Trong quang học phi tuyến 59

4.4.2 Trong thông tin liên lạc 60

4.4.3 Tia laser phóng tàu vũ trụ .60

4.4.4 Cầu nối laser giữa các vệ tinh 62

4.4.5 Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimet 63

PHẦN III KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

3.1 KẾT LUẬN 64

3.2 KIẾN NGHỊ 64

3.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO. 65

PHẦN I MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đến cuối thế kỷ XIX vật lý học đã phát triển mạnh mẽ trên tất cả mọi lĩnh vực như cơ học, nhiệt học, điện học, quang học nên dẫn đến hình thành một nền công nghiệp đồ sộ và hiện đại Với laser là một lĩnh vực nóng bỏng nhất hiện nay Với nhiều tính năng vượt trội nhất Chỉ cái đèn trỏ nhỏ xíu bằng chiếc pin tiểu chiếu lên tường ở xa hơn nữa cây số mà vẫn thấy vết sáng đỏ rực Hơn thế, các đĩa VCD nhìn mắt thường chỉ thấy vết sáng ánh kim thế mà tia laser của đầu đọc đĩa VCD có thể lần theo những vòng tròn trên đĩa để nhận ra hàng tỉ các chấm gạch và biến thành nhạc nỗi, hình ảnh màu sắc sóng động Không chỉ vậy, ở các siêu thị các nhân viên chỉ cần cầm máy đọc mã vạch quét nhẹ thì đã tính được số tiền Và còn nhiều tính năng ưu việt khác Vậy laser là gì? Có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào? Mà laser lại làm được những điều kỳ diệu như vậy Và loại laser nào là phổ biến và ứng dụng hiệu quả cao nhất hiện nay Vì muốn tìm hiểu để giải thích những câu hỏi đó nên đó là lí do em chọn đề tài này

2 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Do thời gian, kiến thức và điều kiện còn hạn chế nên đề tài chỉ nghiên cứu những vấn đề cơ bản nhất như cơ sở nguyên lý hoạt động của laser Chứ không đi sâu vào kỹ thuật laser Vì điều kiện không cho phép nên đề tài chỉ nghiên cứu trên cơ sở về lý thuyết mà không đi sâu vào thực hành

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Tìm hiểu được laser là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser, tìm hiểu sâu hơn về đặc điểm chung của laser bán dẫn, nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn và ứng dụng của laser bán dẫn

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu lý thuyết, lý thuyết vật lý lượng tử, cơ sở vật lý laser, cơ sở kỹ thuật laser, ứng dụng vật lý laser

Đọc tài liệu, tư liệu, sách, báo, internet, các vấn đề liên quan đến đề tài, từ đó rút ra nhận xét trao đổi với giáo viên hướng dẫn

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Đề tài được thực hiện từ tháng 6/2011 đến 5/2012 trải qua các bước sau :

B1 Nhận đề tài xác lập nhiệm vụ mục tiêu đề tài

B2 Nghiên cứu đề tài, viết đề cương nộp cho giáo viên hướng dẫn

B3 Trao đổi với giáo viên hướng dẫn và tiến hành thực hiện đề tài

B4 Viết báo cáo và sửa chữa đề tài theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn

B5 Báo cáo

PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LASER

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của laser

Laser (Light Amplification by stimulated Emisson of Radiation) là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX Từ phát minh ra lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein năm 1917 Đến được quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của Fabricant, giáo

sư trường đại học năng lượng Moskva năm 1940, là cơ sở để Townes, nhà vật lý người Mỹ đã phát minh ra máy khuếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích Sau đó, tháng 2 năm 1960, Maiman đã chế tạo ra laser Rubi, một laser đầu tiên trên thế giới được ra đời Cách vài tháng sau, tháng 6 năm 1960, Javan đã chế tạo ra laser khí He-Ne, đây là một chiếc máy đầu tiên của một loại laser mới là laser khí Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu và chế tạo laser Vì vậy

mà sau đó các loại laser khác được chế tạo, như laser màu với môi trường hoạt tính của nó là một chất lỏng mang màu, đó cũng chính là dung dịch thuốc nhuộm, nhưng laser màu còn nhiều yếu điểm, để khắc phục yếu điểm đó năm 1980 laser Rắn được ra đời đã phần nào cải thiện được hiệu quả Nhưng laser rắn lại có một nhược điểm có thể nói là cồng kềnh Người ta muốn cho tiện lợi và đỡ tốn kém chi phí nên một laser nữa được ra đời Đó là laser bán dẫn Một laser gọn nhẹ nhưng mang lại độ tin cậy và hiệu quả rất cao

1.2 Khái niệm về laser

Laser là tên của những chữ cái đầu tiên của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation’’(Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt) Nói cách khác, Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát

ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời

1.3 Giới thiệu các loại laser

Trong số rất nhiều loại laser khác nhau, thì có 4 loại laser cơ bản được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trong khoa học kỹ thuật

1.3.2 Laser rắn

Laser rắn là loại laser cổ nhất “Maser quang học” của Maiman 1960, dùng tinh thể ruby làm môi trường hoạt tính Đó là đơn tinh thể saphir có pha tạp 0,05% ion crôm Nhưng ngày nay người ta dùng laser neodym-YAG (nd-YAG), với môi trường hoạt tính ở đây là một đơn tinh thể nhân tạo ytri-nhôm (al)-granat (YAG) có 1% các ion Y+3 được thay bởi các ion đất hiếm Nd+3 Laser rắn có ứng dụng nhiều trong y học và trong công nghiệp

1.3.3 Laser màu

Laser màu được phát minh vào năm 1966 bởi F.P.Schafer và các cộng tác viên ở viện hóa

lý, trường đại học tổng hợp Marburg (Đức) và P.Sorokin và J.R.Lankard ở IBM Watson Research centrer (trung tâm nghiên cứu của cty IBM) ở New York Môi trường hoạt tính là các dung dịch lỏng như dùng các chất hữu cơ hòa tan trong cồn hay nước, hoặc các dung môi chất hữu cơ khác Chất màu thông thường là thuốc nhuộm, ưu điểm ở đây là số lớn chất màu có hoạt tính quang học, và miền phổ phát xạ rất rộng Nhờ đó laser màu tạo được xung siêu ngắn, hiện nay đã đạt tới 4 femtogiây (10-15s) Với xung này chúng ta có thể bom một laser tia X để nghiên cứu cấu trúc sinh học bằng một kính hiển vi tia X

1.3.4 Laser bán dẫn

Vào năm 1960, nhờ sự kết hợp tài tình giữa laser (quang học) và điện tử, người ta đã chế tạo ra laser bán dẫn hay laser diôt Từ đó laser bán dẫn đã dành cho mình một thị trường lớn, tới hàng trăm triệu USD.Laser bán dẫn không chỉ gọn nhẹ mà còn mang lại tính tin cậy cao Với sự tiến bộ của laser bán dẫn, ngày nay dùng trong truyền thông, người ta dùng các xung ánh sáng của laser bán dẫn để truyền trong môi trường truyền thông Laser bán dẫn luôn đi cùng với sự phát triển quang học ít bị mất mát Vì hệ truyền thông quang học có ưu điểm :

- Dung lượng truyền lớn (hệ quang gấp 4 bậc độ lớn so với hệ điện)

- Tỉ lệ mất mát thấp (nhỏ hơn 2 bậc độ lớn so với hệ điện)

- Tỉ lệ sai hỏng nhỏ

Tuy vậy laser bán dẫn hiện nay vẫn chưa đủ lí tưởng cho ngành truyền thông quang học vì mất phải một nhược điểm là: tính đơn sắc của laser bán dẫn yếu, nên bước sóng này chuyển động trong sợi quang học với các vận tốc khác nhau thì tín hiệu bị biến dạng Để khắc phục yếu điểm đó người ta dùng laser C3, đó là một laser có buồng cộng hưởng tách ra rồi ghép nối lại (thật ra, đó chỉ là một sự ghép nối hai laser bán dẫn thông thường có định hướng để sao cho chúng tương tác quang học với nhau, nhưng về mặt điện phải độc lập với nhau)

1.4 Các ứng dụng của laser

Người ta thường nói “nhanh như ánh sáng” có nghĩa là tốc độ rất nhanh vào khoảng 300000km/s, nhưng nói “nhanh như laser” có nghĩa là cực nhanh, tắt nhanh, có để đến femtô giây Chính vì nhanh và mạnh mẽ như thế laser có nhiều ứng dụng quan trọng Một số ứng dụng nhiều nhất là: Dựa vào khả năng tập trung của laser một chấm nhỏ cực sáng,điều khiển được với tốc độ cực mạnh Dùng để đọc mã vạch, đọc thẻ thư viện, xử lí quang học

Ngoài ra người ta dùng các laser có công suất lớn để truyền tin đi xa và điều biến tần số để tải tín hiệu, hàn, điều trị các bệnh nan y, nấu chảy trong công nghiệp Định hướng đường hầm trong

công nghệ đào hầm trong lòng đất Đặc biệt laser có tính đóng mở trong thời gian rất ngắn, trong khoảng femto giây nên được dùng để theo dõi những quá trình xãy ra rất nhanh như quá trình kết hợp, quá trình phân li các nguyên tử, phân tử Đến đây có một vấn đề đặc ra là thật ra laser có cấu tạo như thế nào mà lại có khả năng ưu việt đến thế

CHƯƠNG II CƠ SỞ VẬT LÝ LASER

đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng bằng năng lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay

gì trả nấy” Đó là hiện tượng bức xạ Tuy nhiên các hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ

lệ với số phân tử có ở mức B, mà số phân tử ở trạng thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A Các photon bức xạ này phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi

là bức xạ tự do Khi ta làm cho các photon tương tác với các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về

A sớm hơn và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao nhất, rồi được chọn lọc

và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính chất giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser Như vậy nguyên lý của máy phát laser chính là làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu đi để có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở mức A, như vậy số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa Khi đó, bằng các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra một chùm ánh sáng đơn sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng,

có bước sóng gần tương đương và có độ tập trung cao Đó chính là laser

2.2 Dịch chuyển quang học

Dịch chuyển quang học là dịch chuyển có kèm theo bức xạ hấp thụ hoặc bức xạ điện từ Ngay khi không có tác động nào ở bên ngoài vào hệ thì hạt củng tồn tại ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn nào đó và ở một thời điểm tùy ý nào đó hạt sẽ dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức năng lượng thấp hơn, khi đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện từ(photon) Quá trình đó gọi là bức xạ tự phát, vì cường độ bức xạ không phụ thuộc vào tác động bên ngoài Quá trình bức xạ được mô tả bằng mô hình :

A**
A* + ( hω) (1-1) Trong đó A** là hạt ở trạng thái kích thích thấp

A* là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn

)

( hω là năng lượng photon

Quá trình quang học thứ hai trong môi trường là quá trình hấp thụ năng lượng Hạt tương ứng với photon có thể hấp thụ photon và dịch chuyển sang trạng thái ứng với mức năng lượng cao hơn Quá trình đó được mô tả như sau :

A* + ( hω)
A** (1-2) Năng lượng của photon khi đó phải bằng hiệu hai mức năng lượng của dịch chuyển Quá trình hấp thụ năng lượng này khác với quá trình bức xạ tự phát không chỉ về năng lượng mà chính ở chổ nó phụ thuộc vào tác động bên ngoài Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường sẽ xãy ra mạnh hơn, do đó vận tôc của quá trình sẽ được xác định khhong chỉ bằng nồn độ của mức thấp Nk mà còn phụ thuộc vào mật độ phổ khối ζ của tần số kidịch chuyển, tức là phần năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích của chùm bức xạ trong một đơn vị quãng phổ :

k ki ki ht

M = ζ . (1-3) Với Bki là hệ số tỉ lệ có thứ nguyên là [cm3 Joule.sec-2] và đặc trưng riêng có dịch chuyển

đó, còn có thư nguyên là Joule/cm3 Hz = Joule.sec.cm-3

Xác suất hấp thụ sẽ được xác định bởi các tích số Bki.ζki Như vậy, rõ ràng xác suất hấp thụ sẽ phụ thuộc vào mật độ phổ khối cảu bức xạ ở tần số dịch chuyển Công suất hấp thụ của một đơn

vị thể tích của môi trường sẽ là :

pht

ki=Mki hωik =Bkiζki.Nk.hωik (1-4) Ngoài hai quá trình hấp thụ và bức xạ kể trên còn có một quá trình nữa là quá trình bức xạ cảm ứng hay bức xạ kích thích, người ta đã chứng minh giả thuyết này bằng thực nghiệm Giả thuyết đó như sau: khi tương tác của hạt kích thích với photon thì có thể còn dịch chuyển của hạt xuống trạng thái ứng với mức năng lượng thấp hơn, tức hạt không chỉ hấp thụ năng lượng để dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn như quan niệm Eintein Kết quả là ta sẽ có thêm một photon thứ hai nữa ngoài photon sơ cấp Quá trình đó được mô tả như sau :

i ik ik kt

M = ζ (1-6) Trong đó Bik là hệ số tỉ lệ giống như Bbi trong quá trình hấp thụ Đặc điểm của quá trình bức

xạ kích thích là photon phát ra do quá trình này hoàn toàn giống photon sơ cấp cả về tần số, pha,

xung lượng…Trong các nguồn bức xạ truyền thống thông thường thì bức xạ kích thích không đóng vai trò quan trọng, vì cường độ bức xạ của nó rất nhỏ so với bức xạ tự phát và quá trình hấp thụ Đó là do môi trường của những bức xạ thông thường, tức phân bố hạt tuân theo phân bố Boltzmann, cũng chính vì vậy mà trong suốt thời gian dài người ta không quan sát được bức xạ kích thích bằng thực nghiệm Môi trường laser là môi trường nghịch đảo nồng độ, phân bố hạt không tuân theo phân bố Boltzmann và bức xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu, nó quyết định cơ chế làm việc cảu laser, tức là nó có tác dụng nhân số photon thứ cấp lên Mặt khác củng do không có sự khác nhau giữa photon sơ cấp và thứ cấp nên bức xạ laser có tính đơn sắc, kết hợp

và định hướng cao

2.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ

Các mức năng lượng của hạt ngay khi không có tác động bên ngoài nào vào hệ thì các mức

có độ rộng xác định Độ rộng của mức năng lượng Ei có thể xác định bằng nguyên lý bất định Heisenberg và sẽ phụ thuộc vào thời gian sống của hạt ở trạng thái đó, tức là :

h

E i i ≥

∆ τ (1-7) Thời gian sống của trạng thái sống được xác định bằng tổng các xác suất của dịch chuyển tự phát xuống trạng thái thấp k, tức xác suất chuyển về mức i :

k i ik i

do có độ nhòe hóa năng lượng, nên đối với những nguyên tử không bị kích thích, những vạch phổ bức xạ và hấp thụ của chúng có độ rộng nhất định Từ hình 1.1 ta thấy độ rộng không xác định về tần số giữa 2 mức năng lượng bị nhòe hóa được xác định bởi độ rộng của cac mức năng lượng và :

) (

1

k i

với trạng thái cơ bản nên có đọ rộng EI =0 Giả sử xác suất dịch chuyển 2
1 rất lớn, khi đó tuổi

thọ của mức 2 là :

21

1γ

τ = Rất nhỏ, do đó ∆E2 sẽ rất rộng,

Hình 1.2 Phổ bức xạ

Cường độ của 2 vạch 3-2 và 3-1 củng nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhưng độ rộng vạch bức xạ của chúng thì khác nhau Độ nghèo hóa tổng hợp của mức 2 mức 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 va mức 1 Đường bao vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phương pháp

cơ học lượng tử Độ rộng của vạch phổ được xác định bằng biểu thức :

ki 1( E i E k)

h ∆ + ∆

=

∆ω (1-10) Dạng đường bao đó gọi là dạng tự nhiên hay dạng Lorentz

(Hình 1.3)

Hình 1.3 Đường bao Lorentz

Nhưng trước hết phải nói đến tương tác của các hạt với nhau, và đây là nguyên nhân rất quan trọng Chính tương tác giữa các hạt sẽ quyết định độ rộng thực của cạch phổ Ví dụ trong trường hợp đơn giản nhất, tương tác của các hạt sẽ làm giảm tuổi thọ hạt Dạng của vạch phổ khi

đó sẽ giữ nguyên như vạch phổ tự nhiên nhưng độ rộng thì tăng lên do tuổi thọ giảm.Ta dã biết, các hạt không khí không khi nào đứng im chúng luôn chuyển đọng hỗn loạn mà trong môi trường laser thì những hạt đó lại là những nguồn bức xạ, nếu bức xạ do máy phát di động phát ra

sẽ thu bằng một máy thu cố định thì tần số sẽ phụ thuộc vào vận tốc và chiều chuyển động của máy phát Hiện tượng Doppler này có thể mô tả được bằng sơ đồ đơn giản

(Hình 1.4):

2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser

Để cho đơn giản ta coi hoạt chất có phổ năng lượng E1 < E2 < E3 được đặt trong buồng cộng hưởng, năng lượng bơm có tần số ω13để tạo nghịch đảo nồng độ, tức hạt ở mức 1 dịch

chuyển lên mức 3 Giả sử mật độ phổ khối có t ín hiệu bơm đủ lớn để tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ laser ω32.(Hình 1.5)

Hình 1.5 Nguyên lý máy phát laser

Nếu đưa vào buồng cộng hưởng tín hiệu cần khuếch đại có tần số ω32 thì trong buồng cộng hưởng hình thành sóng đứng do sóng phản xạ Dưới tác dụng của sóng đứng, trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình bức xạ cảm ứng Những lượng tử năng lượng được sinh ra do hạt dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 2 sẽ kết hợp với sóng điện từ kích thích và sẽ duy trì dao động sinh ra trong buồng cộng hưởng Nói một cách khác, năng lượng điện từ trong buồng cộng hưởng được bức xạ cảm ứng khuếch đại lên Nhưng phải kể đến có tiêu hao trong buồng cộng hưởng, tiêu hao trong hoạt chất và tiêu hao do bức xạ đưa ra ngoài qua cửa ra

Do đó, chế độ công tác của laser là phát xạ hay khuếch đại sẽ phụ thuộc vào quan hệ giữa năng lượng bức xạ cảm ứng Pbx và tiêu hao tổng cộng Pth Trong đó tiêu hao tổng cộng bằng :

Pth =Pt + Phc +Ph (1-13) Với Pt là công suất đưa ra tải

Phc là công suất tiêu hao trong hoạt chất

Ph là công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng

Nếu Pbx + Pv < Pth thì năng lượng tín hiệu vào bị hệ thống hấp thụ mà không khuếch đại lên, tức là biên độ tín hiệu ra nhỏ hơn biên độ tín hiệu vào Chế độ khuếch đại sẽ dược bảo đảm khi công suất bức xạ của tín hiệu vào lớn hơn công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng và trong hoạt chất nhưng nhỏ hơn hoạt chất tiêu hao tổng cộng :

Pth > Pbx + Pv > Ph + Phc (1-14) Chế độ tự kích của máy phát lượng tử sẽ tồn tại nếu :

Pbx > Pth (1-15) Điều kiện kích thích của máy phát lượng tử sẽ dược thỏa mãn nếu hệ số khuếch đại của môi trường kω lớn hơn giá trị ngưỡng nào đó Ta có mô hình khảo sát như hình 1.6 :

Hình 1.6 Buồng cộng hưởng

Từ mô hình, Gương vào G1 có hệ số phản xạ r1 =1, gương ra G2 có hệ số phản xạ r2 < 1 Qúa trình hình thành tự kích thích trong laser được thực hiện khi tia bức xạ phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200 ÷ 300 lần, tất nhiên sau mỗi chu kỳ phản xạ qua hoạt chất, công suất bức

xạ tăng lên Dựa vào đó ta thiết lập điều kiện kích thích của máy phát laser Khi ánh sáng đập vào gương G1 thì một phần công suất truyền qua t%, một phần sẽ phản xạ trở lại trong buồng cộng hưởng r% và một phần mất mát tiêu hao đi q% Như vậy điều kiện bảo toàn năng lượng là

: r + t+ q =1

Vì gương phản xạ lớn, ta có thể coi q = 0, do đó biểu thức trên viết lại là : r + t = 1

Giả sử tia sáng có công suất PA=P0 bắt đầu truyền trong BCH từ điểm A tới điểm B tức qua chiều dài L của môi trường ánh sáng đã được khuếch đại lên.: P0.eKL Khi từ B phản xạ trở lại, mật độ công suất chùm tia sẽ là r2.P0.eKL Khi trở lại A, tức tới gương G1, thì mật độ công suất sẽ

là :r2.P0.2KL Sau khi phản xạ từ gương 2 trở lại A và phản xạ tiếp, tức sau một chu ky, thì mật độ công suất của chum tia là : P’A= r1.r2.P0.2KL.Vì r1 = 1 nên P’A= r2.P0.2KL; Điều kiên tự kích thích được viết :P’A/PA> 1 nghĩa là :

r2.e2KL> 1 (1-16)

Vì r2 < 1 nên ta gọi γ = -ln(r2) và r2 =e-γ Khi đó (1-16) sẽ thành e2KL-γ>1

Muốn vậy 2KL - γ > 0 và thay K bằng biểu thức của nó ta được :

Kng =(BikNi - BikNk)

L

γω

C N

B

B N

ik k

ik

ki i

2

.)

2.5 Cấu tạo một laser

2.5.1 Môi trường hoạt chất

Ta khảo sát một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2 Số nguyên tử trong một đơn vị thể tích nằm ở một mức năng lượng gọi là mật độ tích lũy của mức năng lượng đó Gọi mật độ tích lũy tương ứng của hai mức trên là N1 và N2, ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyên tử này như hình 1.7 :

Hình 1.7 Các quá trình dịch chuyển bức xạ

Sự biến thiên độ tích lũy của các mức có thể gây nên bởi các quá trình sau :

-Quá trình bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1, quá trình này được quy định bởi :

(N2)tp = -A.N2, (1-18) Trong đó, A đặc trưng cho xác suất bức xạ tự phát gọi là hệ số Einstein

Đại lượng τ = 1/A được gọi là thời gian sống tự phát, nó phụ thuộc vào từng dịch chuyển bức

xạ cụ thể

-Quá trình bức xạ cưỡng bức từ mức 2 xuống mức 1 :

Nếu sống điện từ có tần số v với hv = E2 - E1 và trên mức 2 đang được tích lũy các trạng thái nguyên tử thì sẽ có một xác suất dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1 gọi là dịch chuyển bức xạ cưỡng bức Khi đó:

(N2)tp = -B21.N2, (1-19) Trong đó B21 là xác suất dịch chuyển cưỡng bức B21 = σ21.F ,Trong đó F là mật độ dòng photon của sóng tới,σ21 là tiết diện bức xạ cưỡng bức

-Quá trình hấp thụ từ mức 1 lên mức 2

Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng lượng photon tới có tần số v để chuyển lên trạng thái 2 Do đó : (N1)ht =-B12.N1, trong đó B12 = σ12.F , vớiσ12 là tiết diện hấp thụ phụ thuộc vào từng dịch chuyển cụ thể Theo Einstein ,σ12 =σ21 =σ,nghĩa là xác suất bức xạ cưỡng bức hấp thụ là bằng nhau Giả sử trong môi trường này theo hướng Z có một sóng phẳng đong sắc tần số

v, cường độ ứng với mật độ dòng photon F truyền qua Khi đó biến thiên mật độ dòng photon dF qua một lớp dz của môi trường được xác định như sau :

exp 2 1 1

2 (1-20) Với k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối

Kết luận: như vậy ở cân bằng nhiệt động thì N2 < N1 và môi trường hấp thụ ánh sáng tần số

v Tuy nhiên nếu tạo được trạng thái không cân bằng nhiệt động sao cho N2 > N1 thì sẽ có một môi trường khuếch đại ánh sáng Khi đó người ta đã tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong môi trường và môi trường có nghịch đảo độ tích lũy được gọi là môi trường hoạt chất

2.5.2 Buồng cộng hưởng quang học

2.5.2.1 Cấu tạo

BCH là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bất kỳ máy phát laser nào Đó là một

hệ gồm hai mặt phản xạ đặt đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất Do BCH này chỉ được

giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu, còn các mặt khác đều để hở nên người ta gọi đó là buồng cộng hưởng hở BCH kín không sử dụng được vì có nhứng lý do :Ta không thể chế tạo được các BCH có kích thước cỡ bằng bước sóng ở dãy quang học, điều ấy chỉ có thể làm được ở dãy sóng centimet Thứ 2 là, dù có chế tạo được BCH như vậy thì nó củng không có ý nghĩa về mặt năng lượng, kích thước quá nhỏ của hệ không đủ khả năng để tạo ra công suất bức xạ cần thiết Như vậy việc sử dụng BCH hở trong kỹ thuật Laser là một điều bắt buộc Thông thường trong BCH quang học, một gương chỉ làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng, còn gương kia vừa phản xạ một phần ánh sáng đập vào nó, vừa cho một phần ánh sáng truyền qua (gương bán trong suốt) Tuy nhiên

có một số trường hợp ta lại dùng cả hai gương trong suốt, như laser bán dẫn mà ta sẽ nghiên cứu chương sau

2.5.2.2 Chức năng BCH

+ Thực hiện hồi tiếp dương

Như trên đã trình bày, môi trường hoạt chất đặt trong BCH, tuy có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nó theo luật hàm mũ Buerger, nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất có hạn Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần Chẳng hạn, nếu dùng hoạt chất là khí CO2 có hệ số khuếch đại tương đối lớn trong số các loại hoạt chất thông dụng, thì để có được công suất ra 1 Wat, cần phải sử dụng một ống chứa khí dài

104mét Điều này không thể thực hiện được.Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài hoạt chất phải được giả quyết bằng một cách khác Chính nhờ BCH quang học mà việc tăng chiều dài của hoạt chất một cách đơn giản Trong BCH, tia sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện pháp làm tăng quãng đường đi của tia Quá trình được mô tả bằng mô hình sau :

Hình 1.8.Sự hình thành hồi tiếp dương trong BCH

Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong BCH xuất hiện một sóng ánh sáng Bước sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất Khi tới nặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được tiếp tục khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia Tại đây củng có xãy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản

xạ ta sẽ thu được dòng phản xạ có cường độ lớn Tuy nhiên khuếch đại ở đây không thể nào lớn

vô cùng được Nó bị giới hạn bởi công suất nguồn bơm Vì vậy cường độ bức xạ ra chỉ tăng khi

đã thiết lập được điều kiện cân bằng năng lượng

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

Do BCH là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của BCH sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần

và được khuếch đại lên Nhứng sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Laser Còn những

sóng ánh sáng nào lan truyền dưới những góc lệch tương đối lớn so với trục BCH thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài Vì vậy, bức xạ hình thành ở của ra của BCH sẽ có tính định hướng rất cao Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn

và quan hệ pha của các sóng củng không đổi, do dó, bức xại ra là bức xạ kết hợp Cuối cùng nhờ

có BCH, có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc các dao động khác nhau để thu được các bắc xạ trong một dãy phổ rất hẹp, gần như đơn sắc Như vậy có thể nói rằng, BCH quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của bức xạ Laser

2.6 Các loại BCH

Buồng cộng hưởng mở (open resonator)

Trong laser ta dùng BCH mở khác với hộp cộng hưởng sóng điện từ ở hai điểm: thứ nhất BCH mở chỉ có 2 thành bên đó chính là 2 gương đối diện cố định trục BCH trong không gian (hình 2.9 ) Thứ hai là kích thước BCH lớn hơn rất nhiều bước sóng bức xạ

Hình 2.9 Buồng cộng hưởng mở

Loại buồng cộng hưởng này, đòi hỏi rất khắc khe về độ song song giữa các gương (tới vài giây góc) và vì thế nên rất khó chỉnh, nhưng nó lại cho bức xạ có độ định hướng cao Loại này thường được dung trong các Laser rắn và Laser bán dẫn

Buồng cộng hưởng chủ động và bị động

Nếu không có môi trường hoạt chất khuếch đại bên trong thì BCH được gọi là BCH bị động Trong trường hợp khuếch đại BCH được gọi là BCH chủ động Tuy nhiên, để nghiên cứu các quá trình hình thành trường bức xạ trong laser người ta dùng buồng cộng hưởng bị động và hầu hết các nghiên cứu về BCH là trên cơ sở BCH bị động

Để thiết lập sự phản hồi cần thiết tạo nên dao động laser người ta có thể dùng BCH dẫn sóng Trong BCH dẫn sóng phần lớn bức xạ được truyền đi trong một óng dẫn sóng Điều này đòi hỏi những cấu hình đặc biệt đảm bảo ánh sáng sau phản xạ trên gương quay trở lại ghép nối tốt với ống dẫn sóng

Buồng cộng hưởng lọc lựa

Là BCH trong đó chứa các yếu tố lọc lựa phổ như là kính lọc phổ,giao thoa kế Fabry-Perot, lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ

2.7 Gương điện môi

Hiện nay trong kỹ thuật laser phần lớn các gương đều mạ bạc, nhôm hoặc vàng đã được thay bằng các gương điện môi nhiều lớp So với các gương có phủ kim loại thì gương điện môi nhiều lớp có một số ưu điểm nỗi bật: Tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ, vì vậy các gương điện môi nhiều lớp có thể đảm bảo được hệ số phẩm chất của BCH rất cao, chịu được mật độ năng lượng bức xạ lớn, tuổi thọ của gương này rất cao

Gương điện môi nhiều lớp được cấu tạo như hình 2.11:

Hình 2.11 Gương điện môi nhiều lớp

Trên đế bằng thủy tinh (hoặc thạch anh) người ta dùng phương pháp bốc bay trong chân không

để phủ lên đó lần lượt các lớp kế tiếp nhau của hai chất điện môi trong suốt để có tính chiết suất

n1, n2 và có chiều dày quang học bằng một phần tư bước sóng bức xạ, nghĩa là :

n1.h1 = n2.h2 = …=

4

λ (1-21) Trong đó h1, h2 là chiều dài hình học của các lớp phủ

Đối với vùng phổ khả vi và vùng hồng ngoại gần, các chất điện môi thường được dùng để phủ là ZnS (có chiết suất n1 = 2,36) và Cryolit Na3AlP6 (có chiết suất nhỏ n2 = 1,34) Tuy nhiên cũng có thể dùng các chất điện môi khác Chẳng hạn, nếu thay ZnS bằng vật liệu khác có chiết suất cao hơn,Ví dụ như PbO, thì với cùng một lớp phủ bằng nhau có thể nhận được hệ số phản

xạ lớn hơn Các gương điện môi nhiều lớp được cấu tạo sao cho lớp ngoài có chiết suất cao

Để hiểu rõ cơ chế phản xạ trong gương điện môi nhiều lớp, ta xét một chúm ánh sáng đập vào bề mặt gương dưới một góc bất kỳ (hình mô phỏng 2.11) Do hiện tượng phận trên bề mặt giới hạn của các lớp điện môi nên xuất hiện một số lớn các tia sáng giao thoa Nếu điều kiện (1-21) được thỏa thì các tia phản xạ đồng pha với nhau, tức là chúng được cộng lại và khuếch đại lên Giả sử xét các tia 1,2,3 từ mặt của các lớp điện môi Tia 1 xuất hiện do hiện tượng phản xạ

tại bề mặt phân chia giữa môi trường bên ngoài và lớp điện môi thứ nhất có chiết suất n1 > n0 Tại đây bắt đầu có sự thay đổi pha của tia sáng với giá trị bằng π (vì tia sáng đi từ môi trường quang học có chiết suất nhỏ vào môi trường quang học có chiết suất lớn hơn thì hiện tượng phản

xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường xãy ra với sự thay đổi pha bằng π )

Tia 2 cũng có pha bằng π , vì hiện tượng phản xạ trên bề mặt tiếp giáp n1 - n2 xãy ra không kèm theo sự thay đổi pha (do n1 < n2), còn hiệu đường đi của nó bằng : 2n1.h1 = λ/2 Đối với 3 tia thì hiệu đường đi bằng: 2n1.h1 +2n2.h2 = λ và sự phản xạ trên bề mặt n2 - n1 xãy ra đối với sự thay đổi pha bằng π Như vậy, pha của 3 tia trùng với pha của tia 1 và tia 2 Nếu xét các tia phản xạ khác ta cũng thấy kết quả tương tự Hệ số phản xạ và tính chọn lọc của gương laser phụ thuộc vào số lớp điện môi Các gương được cấu tạo từ 3 đến 7 lớp là những gương bán dẫn trong suốt

Hệ số truyền qua của các gương này được xác định từ công thức:

100% - R ≈ t (ở đây phần năng lượng bị hấp thụ vào khoãng cỡ 0,1 ÷ 0,3 %, nên thực tế có thể

bỏ qua) Hệ số phản xạ rất cao (R > 99%) có thể đạt được trong các gương gồm từ 15 lớp trở lên Nhưng việc chế tạo các gương nhiều lớp như vậy thật sự không đơn giản, nó đòi hỏi phải đảm bảo độ chính xác cao về chiều dày và độ đồng nhất của các lớp phủ Ngoài ra sai số về độ bằng phẳng của bề mặt đế gương không được vượt quá giá trị cho phép là :

Trong kỹ thuật Laser một điểm rất quan trọng là phải biết được giá trị mật độ công suất tới hạn mà gương có thể chịu đựng được Dưới đây là một số số liệu tham khảo :

Bảng 2.1 Mật độ tới hạn của một số gương Laser

Đối với các Laser có gương phản xạ hoàn toàn (R1 ≈1) và một gương bán trong suốt (R2 < 1) thì cần phải chọn giá trị R2 cho tối ưu, tức là đảm bảo được công suất ra của laser là cực đại Giá trị tối ưu của R2 phụ thuộc vào từng loại sơ đồ làm việc cụ thể của các Laser

Ví dụ, đối với laser làm việc theo sơ đồ 3 mức ta có :

−

1

1 0 21

k k n l

β

σ β

(1-22) Trong đó β là hệ số suy hao do tán xạ trên các tâm không đồng nhất quang học của môi trường hoạt tính và quá trình hấp thụ không cộng hưởng

l là chiều dài hiệu dụng của môi trường hoạt tính

n0 là số nguyên lẻ hoạt tính trong 1 cm3 của môi trường

k là tham số không có thứ nguyên chỉ số lần mà công suất bơm lớn hơn mức bơm ngưỡng

21

σ là thiết diện hấp thụ ở dịch chuyển 2 → 1

Với Laser Rubi thì β = 0,03 cm-1, l = 12 cm, n0 =1,6.10-19 cm-3, σ21 = 2,5.10-20 cm2,

khi τ = 3000K, n nếu lấy k =2 thì R2 =0,5

2.8 Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng

Để đánh giá chất lượng của BCH quang học theo quan điểm năng lượng, người ta sử dụng khái niệm hệ số phẩm chất Tương tự như đối với các BCH dùng trong kỹ thuật siêu cao tần, hệ

số phẩm chất của BCH quang học được xác định bởi công thức sau :

P0 là naeng lượng trung bình bị tiêu hao trong một giây, hay còn gọi là công suất trung bình của các tổn hao đối với một dạng dao động cho trước

Theo công thức trên, hệ số phẩm chất của BCH hưởng càng cao khi độ tổn hao trong BCH càng nhỏ và ngược lại Các tổn hao trong BCH được xác định trước hết bởi chất lượng phản xạ của các gương Nếu coi các gương là hoàn toàn giống nhau và có cùng hệ số phản xạ r thì phần năng lượng BCH bị giảm đi trong khoảng thời gian dt do hiện tượng truyền qua và hấp thụ có thể được xác định như sau :

Giả sử sóng phẳng mang năng lượng E/2 đi từ gương G1 đến gương G2 Tại gương G2 sóng này phản xạ trở lại một phần, còn phần tổn hao bằng :

c R E t

R E

2

).

1 (

2

) 1

c R E

) 1 ( −

− (2-26)

Mặt khác, nếu coi cac mode của BCH như các dao động điện từ độc lập thì mỗi một dao đọng điện từ này được đặt trưng bằng một tần số cộng hưởng và có tốc độ tán xạ năng lượng, có thể biểu diễn qua hệ số phẩm chất q như sau :

Q t e E E

ω

−

= 0 (2-27)

Trong đó, E0 là năng lượng dự trữ ở thời điểm ban đầu

Lấy vi phân 2 vế ta được :

2 ) 1 (

.

R

Ln R

c

n L Q

(2-29)

Tuy nhiên, trên thức tế ngoài các tổn hao khi phản xạ, còn có rất nhiều nguyên nhân khác làm giảm hệ số phẩm chất của BCH quang học Có thể kể một số nguyên nhân sau: Hiện tượng nhiễu xạ gây bởi kích thước hữu hạn của các gương, sự không song song của các gương, độ nhám của bề mặt gương Trong các nguyên nhân đó thì nguyên nhân không song song của các gương trong buồng cộng hưởng sẽ làm giảm đi nhanh hệ số phẩm chất Q Giả sử có một gương đặt lệch một góc β

hình 2.12

Hình 2.12 Buồng cộng hưởng với gương đặt lệch Trong trường hợp này các photon khi phản xạ tại các gương không song song sẽ bị lệch đi một góc β , và cứ sau mỗi lần phản xạ góc lệch lại tăng thêm một lượng là 2 β Số lần phản xạ trong khoảng thời gian t bằng

n L

t c

c

n

) 1 (

.

) 1

(

D

L R C

nL Q

Khi θ << thì Q giảm không đáng kể

Đối với trường hợp tổn hao qua các bề ngoài mặt bên của BCH :

2

2 2

2 2

λ

ππ

c

D n

(2-34) Nghĩa là nghịch đảo hệ số phẩm chất toàn phần của BCH quang học bằng tổng nghịch đảo của các hệ số phẩm chất thành phần

2.9 Chọn lọc mode

Như ở các mục trên ta thấy, trong BCH quang học, bình thường có một số lượng rất lớn các mode dọc và các mode xiên được kích thích đồng thời Do đó, khi làm việc Laser sẽ bức xạ ra một tập hợp rất nhiều các tần số rất gần nhau nằm trong phạm vi của đường bao vạch phổ phát quang của hoạt chất Môi trường mode tương ứng với một tần số xác định và một phân bố trường trên bề mặt gương

Nói chung chế độ đa mode của Laser làm giảm đáng kể tính kết hợp, tính đơn sắc của bức

xạ, làm mở rộng giản đồ định hướng của chùm tia ra Các kết quả tính toán cho thấy độ rộng vạch phổ bức xạ tỉ lệ thuận với mode dọc

Góc phân kì của chùm tia laser phụ thuộc vào số mode xiên theo công thức :

p

a

λ

θ ≈

Trong đó p là số mode xiên

Còn độ kết hợp theo không gian được xác định qua số mode xiên như sau :

) 2 ( sin 2

sin

|

|

2 2

2 12

na

l p

na

l p

Với ∆llà khoảng cách mà trên đó xác định độ kết hợp của bức xạ

Để sử dụng được Laser trong thông tin tin, trong kỹ thuật chụp ảnh khối và trong nhiều lĩnh vực khác, việc đầu tiên là phải nén được những dao động không cần thiết và tập trung năng lượng bức xạ vào một vài mode mà tốt nhất là tạo điều kiện cho Laser hoạt động trong các chế

độ đơn mode Quá trình này gọi là quá trình trình chọn lọc mode Hiện may tồn tại nhiều phương pháp chọn lọc mode khác nhau, nhưng chỉ có 2 phương pháp sau là thông dụng nhất

2.9.1 Chọn lọc mode xiên

Trong quá trình chọn lọc xiên, việc nén các dao động không cần thiết được thực hiện bằng cách tăng đột ngột giá trị tổn hao do nhiễu xạ Để làm được việc đó có thể đưa vào trong BCH một loại màn chắn đặt biệt Như chúng ta đã biết từ sơ đồ phân bố trường của các dạng dao động xiên, mode TEM00 có trường luôn luôn tập trung ở gần trục của BCH, còn các mode xiên bậc cao hơn như TEM11 ,TEM20 vv thì trường được phân bố xa dần trục và bậc dao động của nó càng cao thì trường càng phân bố xa trục Vì vậy, nếu ta đặt vào trong buồng cộng hưởng một màn chắn có kích thước thích hợp thì có thể dễ dàng tăng được tổn hao nhiễu xạ và do đó có thể nén được tất cả các mode bậc cao,chỉ giữ lại một mode cơ bản Dĩ nhiên trong hợp này màn chắn không chỉ gây tổn hao nhiễu xạ đối với các mode bậc cao mà ngay mode cơ bản củng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ màn chắn, tuy ở mức độ ít hơn Điều này thể hiện qua việc giảm công suất bức xạ khi chuyển từ chế độ đa mode sang chế đọ đơn mode

Hiện nay người ta đã hoàn thiện thêm phương pháp chọn lọc mode xiên bằng cách đưa vào trong BCH hai thấu kính hội tụ (hình 2.13)

Hình 2.13.Chọn lọc mode xiên dùng màn chắn và hai thấu kính

Màn chắn M được đặt trong mặt phẳng đòng tiêu giữa hai thấu kính và có kích thước đúng bằng vùng sáng tại tiêu điểm của thấu kính l

2.9.2 Chọn lọc mode dọc

Để chọn lọc các mode có thể sử dụng các phương pháp sau đây:

-Thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng

-Đưa vào phòng buồng cộng hưởng mẫu chuẩn Fabri-Perot hoặc tấm phẳng song song

-Dùng gương phản xạ có hệ số truyền qua thay đổi dọc theo thiết diện

-Dùng phản xạ Bragg tạo hồi tiếp chọn lọc tần số

Số mode dọc kích thích trong BCH được xác định bởi độ rộng phổ phát quang của hoạt chất và chiều dài của BCH Do đó, về nguyên tắc nếu cứ rút ngắn dần chiều dài của BCH, ta có thể giảm dần số mode dọc Tuy nhiên, cách làm này không được sử dụng vì nó dẫn đến việc giảm chiều dài của hoạt chất và làm giảm công suất ra của Laser

Phương pháp chọn lọc mode dọc thông dụng hơn cả là phương pháp dùng BCH kép

(hình 2.14)

Hình 2.14 Chọn lọc mode với BCH kép

BCH kép được cấu tạo bằng 3 gương phẳng G1, G2, G3 Khoảng cách giữa hai gương G1 và G2

là L1 Trong phần này của BCh sẽ hình thành các mode dọc với hiệu tần số được xác định bằng công thức :

1 12

Hiệu suất của phương pháp chọn lọc mode dọc này tăng lên khi ta tăng số gương phản xạ đặt trong BCH Tính chất này được sử dụng rộng rãi trong các laser rắn mà ở đó người ta dùng một tập hợp gồm hai hoặc miền tấm phẳng đặ song song làm một mặt phản xạ còn mặt phản xạ kia là một gương điếc Các phương pháp chọn lọc này hay được dùng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu về thông tin quang

2.10 Tính chất của laser

Laser là một loại sóng điện từ nhưng do nguồn laser khác hẳn nguồn sang nhiệt ,điên… thông thường nên tia laser có những tính chất đặt biệt khác với những bức xạ điện từ thông thường

hv P

Nφ (2-36)

Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ T ≈10000K, bức xạ từ một diện tích ∆A=1 cm2 và cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng ∆v≈1000 A0 , thì số photon nhiệt tính theo công thức:

2.10.2 Tính định hướng của laser

Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian Tuy nhiên, nguồn laser do cơ cấu buồng cộng hưởng quang học đã biết, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực Công suất phát đươch phân bố đều và phân bố đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích A=πd24 ), sau gương chum laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu

2 2

) (

λλ

θ = d ≈ A

∆

=

∆Ω (2-38) Giá trị góc khối ∆Ωnày rất nhỏ so với góc khối bức xạ cảu một nguồn sang nhiệt là cỡ

1 (

P công suất phát của bức xạ

c

τ thời gian sống photon trong buồng cộng hưởng

h = hằng số Planck

Khi sử dụng khái niệm về độ sạch phổ :

0 0

d ∆

=

∆

( 2-40) tức thay đổi ∆d của độ dài buồng cộng hưởng d thỏa mãn hệ thức (2-40)

Như vậy cho thấy với các laser, để có sự ổn định tần số, độ đơn sắc cao thì buồng cộng hưởng phải được bố trí không rung động và đặt trong những điều kiện đặt biệt( các gương phản

xạ phải được kẹp chặt nhờ các thanh giá đỡ bằng thép invar chịu nhiệt tốt)

2.10.4 Tính kết hợp của laser

Một trong các tính chất quan trọng của laser là tính kết họp Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc và tính đẳng pha của các mặt sóng, do đó người ta định nghĩa :

Sóng có tính kết hợp không gian khi ở bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không đổi trên khắp mặt sóng của nó Tương tự, tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động, nếu pha là giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù thế nào thì sóng được xem là có tính kết hợp thời gian hoàn toàn

Như vậy, một sóng phẳng đơn sắc trải vô hạn sẽ là hoàn toàn kết hợp vừa không gian vừa thời gian Các laser hoạt động ở chế độ mode dọc hay ngang đều được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thòi gian cao và một cách tự động Khái niệm kết hợp thời gian liên hệ mật thiết với khả năng thu được hình ảnh giao thoa của hai chùm sóng đi những khoảng thời gian khác nhau và cùng xuất phát từ một nguồn điểm Người ta đã chứng minh được rằng tính kết hợp có mối quan hệ với hệ thức bất dịnh Heisenberg:

π

τ

4

1 ∆ c ≥

c v (2-41) Trong đó, τcgọi là thời gian kết hợp

c

v

∆ là độ rộng vạch phổ của bức xạ

Ngoài đặc trưng cho thời gian kết hợp τc người ta còn sử dụng khái niệm độ dài kết hợp

Lc=c.τc Những sóng đơn sắc có độ dài kết hợp là vô cùng do thời gian kết hợp vô cùng Ngoài tính kết hợp thời gian thì còn có tính kết hợp không gian Biểu hiện tính kết hợp không gian này được tìm thấy trong các hình ảnh giao thoa khi sóng xuất phát từ hai điểm khác nhau Nếu pha của sóng xuất phát từ 2 điểm không đổi theo thời gian thì hiệu số pha của chúng củng không đổi khi đi dọc màn., hình ảnh giao thoa là thước đo tính kết hợp không gian giữa các nguồn sáng

CHƯƠNG III LASER BÁN DẪN

3.1 Một số tiêu chuẩn của vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn sử dụng làm nguồn quang học phải có một số tiêu chuẩn nhất định sau đây:

-Tạo thành chuyển tiếp p - n: các vật liệu phải thích hợp với việc tạo ra các chuyển tiếp p - n có những đặc tính phù hợp để bơm hạt tải

-Điện phát quang hiệu quả: các thiết bị được chế tạo phải có xác suất dịch chuyển bức xạ cao và

do đó hiệu suất lượng tử nội cao Như vậy các vật liệu được sử dụng phải là hoặc bán dẫn vùng cấm trực tiếp hoặc bán dẫn vùng cấm gián tiếp có tâm tạp thích hợp

- Bước sóng bức xạ hữu ích: các vật liệu phải phát ra ánh sáng ở bước sóng thích hợp để được dùng với các sợi quang và đầu thu hiện nay (0,8µm đến 1,7µm) Trong trường hợp lý tưởng chúng có thể cho phép thay đổi vùng cấm nhờ pha tạp thích hợp và có thể bức xạ ở bước sóng đặc trưng mong muốn

Một vài hệ vật liệu phổ biến được sử dụng hiện nay để chế tạo các thiết bị chuyển tiếp dị thể kép cùng với bước sóng hữu ích được trình bày trong bảng 3.1 bên dưới:

Bảng 3.1 một số hệ vật liệu phổ biến được sử dụng trong

chế tạo các nguồn điện phát quang

Hệ vật liệuLớp hoạt chất/lớp

hãm

Miền bước sóng hữu ích (µ ) m Đế GaAs/(AlxGa1-x)As 0,8 - 0,9 GaAs

GaAs/ InxGa1-xP 0,9 GaAs

AlyGa1-yAs/ AlxGa1-yAs 0,65 - 0.9 GaAs

InyGa1-yAs/ AlxGa1-xAs 0.85 - 1,1 GaAs

GaAs1-xSbxAs/ Ga1-yAlyAs1-xSbx 0,9 - 1,1 GaAs

Ga1-yAlyAs1-xSbx/ GaSb 1,0 - 1,7 GaSb

In1-xGaxAsyP1-y/ InP 0,92 - 1,7 InP

Hiện nay, hệ vật liệu InGaAsP/InP đang được sử dụng rộng rãi nhất vì dễ chế tạo và là vật liệu có năng lượng vùng cấm 1,35 eV ở 3000 K

3.2 Một số đặc điểm của laser bán dẫn

Laser bán dẫn đầu tiên được chế tạo vào năm 1962, dựa trên nguyên tắc phun dòng tải điện qua lớp tiếp xức p - n của GaAs Ngày nay, người ta đã dùng nhiều vật liệu khác và thêm nhiều phương pháp kích thích laser bán dẫn khác: bơm quang học, kích thích bằng chùm điện tử nhanh Đặc tính của laser bán dẫn là có kích thước rất nhỏ, hệ số tác dụng có ích rất lớn và có khả năng tạo dãy sóng phát tùy ý khá rộng nhưng bậc đơn sắc và độ định hướng kém, công suất phát thường phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Độ dài sóng phát và nhiệt độ làm việc của laser bán dẫn được trình bày trong bảng 3.2:

0,84 (4,20) 0,907 (770) 0,9 - 1,5

1.01 0,91 - 3,5 1.6 (770) 0,84 - 3,1

3,1 (770) 3,0 (4,20)

3,1 - 5,4 3,15 3,72 (4,20) 4,26 (4,20) 5,26 (100) 6,5 (120) 3,9 - 8,5 8,5

6 -28

8 - 31,2 0,68

(*) O - bơm quang học

E - bơm bằng chùm điện tử

p – n: phun dòng qua lớp tiếp p - n

Từ bảng 3.2 ta thấy rằng, tùy thuộc vào thành phần hợp kim (tức là đại lượng của x) của phức chất bán dẫn ba thành phần, độ dài sóng phát xạ của laser có thể biến đổi

Ví dụ : khi biến đổi đại lượng x từ 0 đến 0,5 thì độ dài sóng bức xạ của laser

Ga(As1-xPx) biến đổi từ 0,84 đến 0,65 µ m

Dãy sóng của laser bán dẫn trải dài trong khoảng 0,33 µ m đến 31 µ m

3.3 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn

3.3.1 Chất bán dẫn thuần

Ở nhiệt độ thấp trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử, hầu hết các điện

tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó bán dẫn là chất không dẫn điện Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên một số điện tử được kích thích bởi năng lượng nhiệt và nếu năng lượng đủ lớn để điện tử vượt qua được dải cấm, chúng sẽ chiếm được một số mức năng lượng trong dải dẫn Các điện tử sau khi dịch chuyển lên dải dẫn đồng thời cũng để lại các lổ trống tương ứng trong dải hóa trị Quá trình trên tạo ra điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tức là tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể bán dẫn, chúng tạo ra khả năng dẫn điện của bán dẫn Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo phân bố xác suất Fermi -Dirac :

F(E) =

) exp

1 (

1

kT

E

E− f+

(3-1)

Trong đó F(E) là xác suất tìm thấy điện tử tại mức năng lượng E

Ef là năng lượng tương ứng khi F(Ef) = 0,5 hay còn gọi là năng lượng Fermi

Như vậy, theo biểu thức (3-1) thì khi tăng nhiệt độ T thì xác suất phân bố điện tử trong dải dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong dải dẫn Ngược lại khi nhiệt độ giảm dần về không thì xác suất xuất hiện điện tử trong dải dẫn tiến dần về không (Hình 3.1)

Hình 3.1 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng

trong bán dẫn thuần

Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn được xác định bằng tích giữa nồng độ mức năng lượng trong vùng dẫn và xác suất xuất hiện điện tử trong các mức năng lượng đó rồi tích phân lên toàn dải :

c

E

dE E F E S

n Cexp C r (3-3)

Trong đó 2(2. . 2. )3/2

h

KT m

p V exp f V (3-4) Với N V = 2

2 / 3

) 2

mp khối lượng hiệu dụng của lỗ trống

Các điện tử trong vùng hóa trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển lên dải dẫn và

để lại các lỗ trống tương ứng trong dải hóa trị Do đó, trong chất bán dẫn thuần nồng độ điện tử trong dải n phải bằng nồng độ lỗ trống trong dải hóa trị

E E

=

c

V g

f

N

N KT E

22

Trong đó, Eg là độ rộng dải cấm của bán dẫn Do NV ≈ NC nên Ef ≈ Eg/2 Như vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mức năng lượng Fermi nằm ở giữa dải dẫn và dải hóa trị Nếu coi nồng

độ hiệu dụng hạt dẫn trong bán dẫn là ni đặc trưng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì :

ni = p.n

2 / 1

exp

KT

E E

m h

KT

2exp)()2(

2

2 / 3

π

(3-7)

Tóm lại, trong chất bán dẫn, nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ hạt dẫn hiệu dụng luôn không đổi cả đối với bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp và không phụ thuộc vào Ef nhưng lại phụ thuộc vào độ rộng dải cấm của bán dẫn

3.3.2 Bán dẫn pha tạp

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, người ta pha một lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn Có hai loại bán dẫn pha tạp là loại p nếu nguyên tử tạp chất có ít hơn một điện tử ở lớp ngoài cùng so với bán dẫn, và loại n nếu nguyên tử tạp chất có nhiều hơn một nguyên tử ở lớp ngoài cùng so với bán dẫn Trong bán dẫn loại n một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết chặt với mạng tinh thể sẵn sàng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Phân bố tập trung điện tử lỗ trống

hình 3.2)

Trong bán dẫn loại p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp một lỗ trống trong dải hóa trị Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là Nd và loại p là Na xác định giá trị mức năng lượng Fermi của bán dẫn theo biểu thức :

C fn c

KT

E E N

=

C

d C

fn

N

N KT

fp

N

N KT

E

Như vậy, theo biểu thức (3-9) và (3-11) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng lượng Fermi tăng dần tiến tới gần đáy của dải dẫn khi nồng độ pha tạp Nd tăng, và ngược lại mức năng lượng Fermi trong bán dẫn loại p giảm dần tới đỉnh dải hóa trị khi nồng độ pha tạp Na tăng

Hình 3.2 Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong :

a/ bán dẫn loại n ;b/ bán dẫn loại p

3.4 Tiếp giáp P - N

Cấu tạo cơ bản của các loại nguồn quang là các tiếp giáp bán dẫn p - n Có 2 loại tiếp giáp, tiếp giáp p - n hình thành từ hai chất bán dẫn và nếu chúng có độ rộng dải cấm như nhau thì được gọi là tiếp giáp đơn thể, ngược lại gọi là tiếp giáp dị thể

Đặt một nguồn cung cấp điện cho bán dẫn thì trạng thái cân bằng dòng trôi và dòng kích thích bị phá vỡ do đó sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua tiếp giáp Nếu V là điện áp ngoài phân cực thuận thì điện áp đặt lên tiếp giáp sẽ là : Vd = VB - V Nồng độ hạt dẫn thiểu số tại bờ của vùng nghèo bây giờ được tính bởi :