LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU LASER HE NE

Các quá trình dịch chuyển quang học a Quá trình hấp thụ ánh sáng;b Quá trình bức xạ tự phát;c Quá trình bức xạ cưỡng bức Như vậy, năng lượng tích luỹ trong nguyên tử sẽ được cung cấp tr

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM -oOo -

TÌM HIỂU LASER HE-NE

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Ngành : Vật Lý

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thu Thuỷ Lưu Quốc Thanh

Giáo viên phản biện MSSV 1000140

Cần Thơ - 2004

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Trang 2

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, em đã gặp không ít khó khăn và thiếu sót Nhưng nhờ sự giúp đỡ của quý Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý – Khoa Sư Phạm và các bạn sinh viên Đặc biệt là sự chỉ bảo của cô Nguyễn Thị Thu Thuỷ và thầy Lê Văn Nhạn đã giúp em hoàn thành đề tài của mình Em xin chân thành cảm ơn!

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn

Sinh viên thực hiện

Lưu Quốc Thanh

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

1.1 Hoàn cảnh thực tế 1

1.2 Mục đích của đề tài 1

1.3 Giới hạn đề tài 1

2 Các giả thuyết của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Các bước thực hiện 1

Chương 1 Cơ sở vật lý laser 2

1.Bức xạ kích thích 2

2.Cấu tạo một laser 6

2.1.Môi trường hoạt tính 6

2.2.Buồng cộng hưởng quang học 7

2.3.Nguồn bơm 11

3.Các tính chất của ánh sáng laser 11

3.1 Tính công suất lớn 11

3.2 Định phương cao 11

3.3 Tính đơn sắc 12

3.4.Tính kết hợp 13

3.5 Biến đổi bước sóng 14

Chương 2 Laser khí He-Ne 16

1 Laser khí 16

1.1 Đặc điểm chung của laser khí 16

1.2 Các loại laser khí điển hình 17

1.3 Cấu tạo laser khí 18

2 Laser khí He-Ne 22

2.1 Lịch sử phát minh 22

2.2 Sơ đồ trạng thái của He và Ne 22

2.3 Cơ chế thành lập môi trường nghịch đảo nồng độ 25

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất đầu ra của laser He-Ne 27

2.4.1 Dòng phóng điện 28

2.4.1 Áp suất khí 29

2.4.1 Áp suất riêng phần của hổn hợp khí 30

2.4.5 Hình dạng tiết diện ống phóng điện 31

Chương 3 Khảo sát một laser He- Ne công suất nhỏ 32

1 Môi trường hoạt tính và các mức năng lượng 32

2 Sự khống chế những vạch laser không cần thiết 33

3 Tỉ lệ áp suất 34

4 Tối ưu hoá ống phóng điện 34

5 Đặc trưng dòng điện trong sự phóng điện trong chất khí 35

Trang 4

6 Ống phóng điện 37

7 Cơ chế hư hỏng thường gặp của ống laser He-Ne 39

8 Các đầu ra laser He-Ne khác 39

Chương 4 Ứng dụng 40

1 Chụp ảnh nổi 40

2 Đo khoảng cách và định vị 41

3 Con quay Laser 42

4 Ứng dụng laser trong y học 42

5 Những ứng dụng của laser vào thực tế của Việt Nam 43

5.1 Liệu pháp laser He-Ne nội mạch 44

5.2 Sử dụng laser điều trị bệnh phong và cai nghiện ma tuý 45

5.3 Dùng Laser He-Ne trị bệnh viêm quanh khớp vai 46

Kếtluận …48

Phụ lục1 49

phụ lục 2 51

Trang 5

ta cũng nghe nhắc đến; tuy nhiên không phải ai cũng hiểu về nó Laser có nhiều loại tuỳ thuộc vào môi trường phát Laser là chất rắn, lỏng, khí, hay bán dẫn mà nó được gọi tên tương ứng Nếu để ý chúng ta sẽ thấy có một loại Laser rất phổ biến đó là Laser He-Ne Điều này làm cho nhiều người quan tâm phải thắc mắc: Tại sao Laser He-Ne lại phổ biến? Tại sao hình ảnh chụp bằng phép toàn ảnh lại sống động hơn so với cách thông thường ? Tại sao có thể dùng ánh sáng Laser He- Ne làm “kim châm cứu” ? Tại sao có thể dùng Laser He-Ne để cai nghiện ma tuý? Việc sử dụng chúng có nguy hại gì không ? Đây là những vấn đề mà những người quan tâm đến Laser cần trang bị cho mình Là một giáo viên vật lý thì cũng cần phải nắm rõ được những vấn đề trên Vì vậy, tôi chọn đề tài “ Tìm hiểu Laser He-Ne”

1.2 Mục đích của đề tài:

Mục đích của đề tài là tìm hiểu Laser He-Ne, một loại Laser được sử dụng phổ biến và tìm hiểu được những ứng dụng của Laser này Thông qua việc nghiên cứu đề tài, trang bị cho mình những kiến thức cơ bản về ngành Laser nói chung, Laser He-Ne nói riêng

1.3 Giới hạn đề tài:

Do thời gian nghiên cứu có hạn, sự hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên tôi chỉ nêu lên những vấn đề cơ bản nhất của Laser, nguyên tắc cấu tạo sự hoạt động của Laser He-Ne và các ứng dụng dễ thấy nhất của nó Không đi sâu tìm hiểu ngành điện tử - lượng tử

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI:

• Ánh sáng Laser khác ánh thông thường

• Laser He-Ne phát ra ánh sáng đỏ và có công suất nhỏ

• Laser He-Ne được ứng dụng rộng rãi

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Nghiên cứu lý thuyết: Lý thuyết về cơ sở vật lý Laser;

Cơ sở kỹ thuật Laser

• Bước 3: Tìm tài liệu

• Bước 4: Trao đổi với giáo viện hướng dẫn, viết đề tài

Trang 6

• Bước 5: Viết báo cáo

• Bước 6: Báo cáo

Trang 7

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ VẬT LÝ LASER

So với những tiến bộ vượt bậc của vật lý hạt nhân, vật lý vô tuyến và vật lý bán dẫn, cho đến những năm 50, bốn mươi năm sau khi Einstein giới thiệu khái niệm bức xạ kích thích, Laser đã phát triển vô cùng mạnh mẽ Laser không những làm trẻ hóa ngành quang học đã phát triển lâu đời mà còn ảnh hưởng rất sâu sắc đến nhiều ngành và khoa học kỹ thuật khác Laser là một trong những thành tựu vĩ đại của khoa học kỹ thuật của thế kỷ này

Năng lượng của nguyên tử là gián đoạn, những mức năng lượng này của nguyên tử quyết định tần số của ánh sáng phát ra hay ánh sáng hấp thụ Xác suất các hạt phân bố ở trạng thái có mức năng lượng E tuân theo phân bố Boltzmann: e-E/kT

Trong đó: E: là năng lượng của trạng thái

k: hằng số Boltzmann

T: nhiệt độ

Lý thuyết về sự hấp thụ và bức xạ của Einstein

Xét môi trường vật chất có mật độ nguyên tử là N và mỗi nguyên tử trong môi trường chỉ có hai trạng thái lượng tử Trạng thái ứng với mức năng lượng cơ bản là E1 và trạng thái kích thích E2

Lý thuyết nhiệt động lực cho thấy:

- Khi nhiệt độ của hệ là 00K thì tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái cơ bản

- Khi nhiệt độ của hệ T> 00

K, do chuyển động nhiệt mà các electron va chạm không đàn hồi với nhau làm cho nội năng của nó tăng Do đó, một số electron bị kích thích lên trạng thái kích thích E2

Giả sử rằng các mức năng lượng không suy biến và hệ ở trạng thái cân bằng thống kê Và mật độ hạt ở mức E1và E2 là N1 và N2.Theo phân bố Boltzmann

ở điều kiện cân bằng:

Trang 8

Ở trạng thái kích thích E2, thời gian sống của electron thường rất ngắn nên chúng tự phát quay về trạng thái cơ bản có năng lượng E1 dù không có tác nhân kích thích nào từ bên ngoài

Khi về trạng thái cơ bản, năng lượng sẽ được trả lại môi trường dưới dạng bức xạ điện từ Quá trình này gọi là bức xạ tự nhiên

E2-E1= hν21Quá trình chuyển mức được đặc trưng bằng xác suất chuyển mức tự phát A21 được định nghĩa như sau:

Ở thời điểm ban đầu (t=0) mật độ nguyên tử ở mức kích thích N2(0)

Ở thời điểm t, mức kích thích có mật độ nguyên tử N2(t) Độ biến thiên mật độ ở mức kích thích do chuyển mức tự phát là:

(dN2/dt)TP= - A21N2Dấu trừ cho thấy số hạt ở mức N2 giảm

τ = 1/A21→N2 (t) = N2(0) exp (-t/τ) Thông thường có thể đo được A21= 108 thì τ =1/A21 = 10-8s

Sự hấp thụ

Nếu dùng năng lượng bên ngoài có giá trị tần số bằng ν21 để kích thích nguyên tử thì electron trong nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái kích thích Vậy số electron chuyển dời lên mức E2 tỉ lệ với xác suất chuyển dời từ E1 lên E2 là B12 Đồng thời nó cũng tỉ lệ với mật độ điện từ kích thích Uν12

và mật độ nguyên tử ở mức E1:

(dN2/dt)HT= Uν12B12.N1Biểu thức trên chứng tỏ mật độ nguyên tử N2 tăng

Bức xạ cảm ứng

Khi dùng một photon có giá trị bằng tần số ν12 đến kích thích điện tử đang ở mức năng lượng E2 thì điện tử dễ dàng chuyển về mức cơ bản và phát xạ ra thêm một photon có tần số đúng bằng tần số của photon kích thích ν21 Quá trình này gọi là bức xạ cảm ứng

Đặc điểm của bức xạ cảm ứng:

- Tần số của bức xạ cảm ứng bằng tần số của photon kích thích

- Phương phân cực của photon phát xạ trùng với phương phân cực của sóng điện từ kích thích

- Xác suất chuyển dời từ mức kích thích xuống mức cơ bản là:

(dN2/dt)CU= - Uν12.B12N2 Phương trình Einstein viết cho sự hấp thụ và phát xạ, trong điều kiện có

sự ổn định của mật độ N2 là:

Trang 9

dN2/dt= (dN2/dt)TP+(dN2/dt)HT+(dN2/dt)CU=0 hay là :

A21N2 + Uν12(B21N2 – B12N1) = 0 Phương trình này gọi là phương trình Einstein

Với các hệ số A21, B12, B21 là các hệ số Einstein Từ phương trình trên

ta tính được:

Uν12 =

( 21)

2 N 1 N 12

21

BB

g kT

E E g

1

2 1

2 exp expN

vào ta có:

Uν12 =

( )

hν 1

2 g 12

21

expB

21

B-B

kT 21 hν

hν81exp

B

A

kT 21 hν 2

3 21 kT

21 hν 21

Biểu thức trên gọi là công thức Planck

Từ đó ta có thể rút ra mối quan hệ của các hệ số Einstein

B21=

3 21

h8

cA

ν

π = B12

Trang 10

Hình 1 Các quá trình dịch chuyển quang học

(a) Quá trình hấp thụ ánh sáng;(b) Quá trình bức xạ tự phát;(c) Quá trình bức xạ cưỡng bức

Như vậy, năng lượng tích luỹ trong nguyên tử sẽ được cung cấp trở lại môi trường bức xạ ở dạng một photon có năng lượng hν Theo tính lưỡng nguyên

trong cơ lượng tử thì các photon mang năng lượng hν cũng là sóng điện từ có tần

số ν Nghĩa là photon có năng lượng hν đã làm cho nguyên tử ở trạng thái kích

thích phát ra một photon giống hệt nó còn photon ban đầu chỉ đóng vai trò như là một chất xúc tác (hình c) Quá trình này gọi là quá trình kết hợp

Trang 11

mức laser trên

dịch chuyển laser

trạng thái cơ bản

2 CẤU TẠO LASER:

Hình 2 Cấu tạo một laser

Một thiết bị laser nhất thiết phải gồm ba thành phần chính như sau:

* Môi trường Laser (thường gọi là môi trường hoạt tính)

* Nguồn năng lượng phát xạ rất mạnh thường gọi là nguồn bơm vì qua

đó, năng lượng được “bơm” vào môi trường Laser

* Thiết bị phản hồi cho phép “mồi” dao động gây ra sự phát xạ trong môi trường Laser

1.Môi trường hoạt tính:

Môi trường hoạt tính có thể là chất khí vì nó có cấu trúc các mức năng lượng đơn giản Ví dụ như các Laser khí He, Ne, CO2…Cũng có thể chọn chất lỏng như các dung dịch sơn, chất hữu cơ hoặc chất rắn như thủy tinh, chất bán dẫn, hồng ngọc, …

Hồng ngọc Rubi là hợp chất AL2O3 chuas 0,03 đến 0,05% tạp chất Br Trong thực tế người ta thường dùng các hoạt chất làm việc ở chế độ ba mức năng lượng (hình vẽ)

Hình 3:Môi trường hoạt tính 3 mức năng lượng

Các electron của nguyên tử được kích thích bởi một chùm bức xạ mạnh

có tần số υ31 nên nó sẽ chuyển mức từ cơ bản E1lên E3 :

Trang 12

mức bơm trên

trạng thái cơ bản dịch chuyển không bức xạ

dịch chuyển không bức xạ

dịch chuyển laser

mức laser trên

mức laser dưới dịch chuyển bơm

>A21, thì phần lớn electron sẽ ở lại toàn bộ mức 2 Mức 2 lúc đó gọi là mức siêu bền

Đến một thời điểm nào đó N2 >N1, ta nói hệ đã đạt trạng thái mật độ đảo lộn Khi đó với tác dụng của vài photôn kích thích ban đầu đẩy các electron từ mức 2 về mức 1 thì sẽ có quá trình nhân số photôn xảy ra và các photon bức xạ được tạo ra liên tục với tần số υ21

E2-E1= hυ21 Tần số bức xạ υ31 có tác dụng đẩy các electron lên mức 3 gọi là bức xạ bơm

Đối với các Laser khí thông thường ta có:

T32= 1/A32 =10-7s

T21= 1/A21 =10-3s Trong môi trường này phải đợi cho đến khi có hơn 50% nguyên tử ở trạng thái trên thì mới xảy ra sự phân bố đảo Do vậy, để cho thuận tiện hơn, người

ta dùng cấu trúc bốn mức:

Hình 4 sơ đồ laser bốn mức năng lượng

Ở môi trường này thì không chỉ mức bơm trên mà cả mức laser dưới dều có thời gian tồn tại ngắn và nó luôn luôn được làm trống ngay Trên thực tế, mức laser dưới luôn luôn trống nên môi trường nghịch đảo nồng độ được hình thành ngay ở hệ bốn mức khi hệ được bơm

2.Buồng cộng hưởng:

Buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ đặt đối diện nhau Một gương phản xạ hoàn toàn và một gương phản xạ một phần Buồng cộng hưởng có hai chức năng:

Trang 13

- Thực hiện hồi tiếp dương: Giả sử một dịch chuyển tự phát làm xuất hiện một sóng ánh sáng trong buồng cộng hưởng, sóng được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua môi trường hoạt tính Khi tới mặt phản xạ một phần ánh sáng bị mất đi do hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần lớn được phản xạ trở lại và khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia Tại đây cũng xảy ra quá trình tương tự Nhờ vậy, bức xạ ta thu được có cường độ lớn

- Tạo ra bức xạ định hướng đơn sắc, kết hợp:

Do buồng cộng hưởng hở nên sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua môi trường hoạt tính nhiều lần và được khuếch đại lên Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Laser Còn những sóng lan truyền với một góc lệch tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau vài lần phản

xạ sẽ thoát ra ngoài Vì vậy, bức xạ Laser có tính định hướng cao Trong quá trình phản xạ nhiều lần của hai gương pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng không đổi nên sóng là kết hợp Mặt khác nhờ buồng cộng hưởng có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc các dao động khác nhau để thu được các bức xạ trong dãy phổ hẹp gần như đơn sắc Do đó buồng cộng hưởng có vai trò quyết định trong việc hình thành tính chất cơ bản của bức xạ Laser

Buồng cộng hưởng có nhiều dạng Đơn giản nhất là hai gương phẳng đặt song song gọi là hệ Fabri- Perot Nó cho bức xạ định hướng cao nhưng lại khó điều chỉnh Do vậy, người ta thường dùng các gương Parabol hoặc gương cầu Thông dụng nhất là buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng nhau, đặt cách nhau một khoảng bằng bán kính của hai gương gọi là buồng cộng hưởng đồng tiêu Ưu điểm là dễ chỉnh và rất ít tổn hao do nhiễu xạ Các gương lúc đầu làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh có phủ bạc, nhôm hoặc vàng Hệ số phản

xạ trong vùng khả kiến từ 90-95% Hiện nay, người ta dùng gương điện môi nhiều lớp có tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, tiêu hao nhỏ (hình vẽ)

Chất dùng để phủ gương thường là ZnS, Na3AlP6, MgF…

Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng :

Q=2πν

0

d

PE

Ed:Năng lượng dự trữ trong buồng cộng hưởng

P0: Năng lượng trunh bình tiêu hao trong 1s

Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng càng cao thì tiêu hao càng nhỏ Nếu chỉ tính tiêu hao do phản xạ:

Q= 2πL/λ(1-R) Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Trang 14

với R: hệ số phản xạ

Ví dụ : VớI L= 10cm, λ= 0,6µm, R=0,9 thì Q= 1,2 107 tức là hệ số phẩm chất có giá trị rất cao

Tiêu hao chủ yếu là do nhiễu xạ và sự không song song của các gương Nếu tiêu hao do nhiễu xạ:

Q=2πL/λ(1-R+

2

2DL

λ )

Với D:Kích thước gương

Do một trong hai gương lệch góc β thì

Q=

β

cn

Ví dụ: Nếu L= 10cm,D=1cm,λ=1µm, Q= 107 thì β=10-3 Ngoài ra còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng như tổn hao do tán xạ, do bề mặt của buồng cộng hưởng

Nên hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng được tính

∑

=

i Q i c

Q

11

Nếu nhìn theo góc độ sóng, thì do có sự chồng chất của các sóng mà giữa các gương sẽ xuất hiện một sóng đứng có cường độï ngày càng gia tăng

Nếu khoảng cách giữa các gương bằng một số nguyên lần nửa bước sóng thì trong buồng cộng hưởng sẽ xuất hiện nhiều bụng sóng (khoảng cách giữa hai gương thường từ vài centimet đến vài mét) Người ta gọi các sóng đứng khác nhau là các mode của buồng cộng hưởng Vì môi trường laser bên trong buồng cộng hưởng chỉ có thể bức xạ ánh sáng nằm trong miền phổ đặc trưng cho dịch chuyển tương ứng nên phổ của bức xạ laser được đặc trưng bởi một dãy các vạch nằm rất gần nhau (các mode dọc của buồng cộng hưởng) Các mode trong miền bức xạ sẽ được tạo ra với cường độ lớn nhất và cường độ này sẽ giảm gần như dựng đứng ở hai phía biên của miền này

Bởi vì khi laser bắt đầu hoạt động thì những mode mạnh nhất ở gần cực đại sẽ xuất hiện trước tiên và làm cho sự phân bố dư thừa giảm đi rất nhanh Do vậy các mode yếu hơn sẽ không còn nữa

Trang 15

Trong buồng cộng hưởng quang học không chỉ hình thành các dạng sóng dao động song song với mặt gương mà cả các sóng tạo một góc nhỏ so với đường thẳng góc với gương Do đó mỗi mode dọc còn có thêm một sự phân bố cường độ theo phương ngang gọi là các “mode ngang”

Hình 4 Các mode của buồng cộng hưởng

Hình vẽ cho thấy các phân bố này có cấu trúc rất phức tạp Với rất nhiều ứng dụng thì mode cơ bản (TEM00) – có phân bố cường dộ ngang đối xứng dưới dạng đường cong Gauss – có nhiều khả năng về mặt thực nghiệm: Một mặt trong số các mode ngang chỉ tạo ra duy nhất mode này mặt khác cũng giới hạn số mode dọc trong dao động

Cần chú ý rằng để quan sát và sử dụng được bức xạ laser ngoài buồng cộng hưởng thì một trong hai gương phải có độ truyền qua ít nhất vài phần trăm

Trang 16

Hình 5 Một vài dạng buồng công hưởng

2.3 Nguồn bơm:

Quá trình kích thích nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên mức trên của laser gọi là quá trình bơm Có hai phương pháp bơm chủ yếu là bơm quang học và bơm điện Với bơm quang học, bức xạ của nguồn ánh sáng công suất lớn được môi trường hoạt tính hấp thụ và do đó nguyên tử của môi trường chuyển lên mức trên Phương pháp này thuận lợi đối với các laser rắn và lỏng Phổ hấp thụ của thể rắn và thể lỏng thường rất rộng, phù hợp với phổ bức xa ïcủa nguồng bơm thông thường là phổ đám Vì vậy những đám này sẽ hấp thụ một phần lớn năng lượng bức xạ nguồn bơm Bơm điện được thực hiện trực tiếp bằng sự phóng điện Đặc biệt thuận lợi đối với laser khí và laser bán dẫn Trong laser khí nói chung vạch phổ hấp thụ rất hẹp nên không dùng bơm quang học được Ngược lại, laser bán dẫn có thể làm việc hiệu quả hơn với bơm quang học mặc dù bơm điện có nhiều thuận lợi hơn

Một đặc trưng quan trọng khi cho laser hoạt động là khi bơm phải chú ý là sẽ có xuất hiện các ngưỡng rất rõ Từ một nguồn bơm khi chúng ta cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính, ngay lập tức sẽ xuất hiện bức xạ tự phát

và tất nhiên lúc đầu gây mất mát rất lớn cho bức xạ vì chưa tồn tại được sự phân

bố đảo Khi công suất bơm tiếp tục được tăng lên, những mất mát này sẽ được bù lại bởi khuếch đại là hệ quả của bức xạ cưỡng bức và ở chính điểm này dao động laser ngay lập tức xảy ra Vì mật độ bức xạ gia tăng như thác lũ nên phân bố đảo giảm đi rất nhanh Dao động sẽ ngừng nếu nguồn bơm không tiếp tục cung ứng đủ công suất bơm để duy trì cho sự cư trú ở mức laser trên đạt trị số yêu cầu Nhờ những tiến bộ của công nghệ các nhà khoa học đã chế tạo được những nguồn bơm

có công suất lớn và có phương pháp hữu hiệu để duy trì dao động liên tục hoặc tạo

ra các xung có thời gian xác định

10

10h

Trang 17

Với nguồn nhiệt cở 10000K bức xạ từ một diện tích ∆A = 1 cm2

và cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng ∆ν= 1000A0 (lấy λ= 6000A0

) thì

số photon nhiệt là:

NN=

1e

A

T k

/d2 ≈ λ2

/AGiá trị góc khối ∆Ω này rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt cở 2π Steradians

Tính chất này được sử dụng trong kỹ thuật trắc địa, xác định chính xác

vị trí các vật thể, thiên thể trong vũ trụ, điều khiển các con tàu vũ trụ…

Độ đơn sắc: Được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm, có thể xác

Trang 18

Hình 6 Mối liên hệ giữa tần số và biên độ của ánh sáng laser

Ngoài ra, để độ đơn sắc cao đòi hỏi tần số phải ổn định (độ sạch của phổ): Ta có

10.5.0

10.5

15 3 0

với ∆d: độ thay đổi của độ dài cộng hưởng d

Úng dụng: trong nghiên cứu hoá sinh hiện nay, thước đo chiều dài chuẩn với độ sai số rất nhỏ

3.4 Tính kết hợp Một bức xạ Laser bất kỳ đều có tính kết hợp, biểu hiện ở độ đơn sắc

(kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian)

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, nếu pha là gống với pha mà sóng có được sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c (với khoảng

cách L tuỳ ý) thì sóng được xem là có tính kết hợp thời gian

a Tính kết hợp thời gian:

Tính chất thời gian của Laser biểu hiện cụ thể trong chế độ làm việc liên tục hay xung của Laser Khi phát xung, năng lượng và công suất phát liên hệ với nhau qua độ rộng xung (thời khoảng xung) theo công thức :Pc= τE

Trang 19

Pc: Công suất đỉnh xung E: Năng lượng xung τ: Độ rộng xung Công suất trung bình của xung được xác định bằng công thức:

Pm=EνR

νR: Nhịp lặp lại của xung νR= 1 ÷100 Hz

Tính kết hợp thời gian còn liên hệ chặt chẻ đến độ đơn sắc của sóng được biểu hiện qua hệ thức bất định Heisenberg:

τ∗ ∆νc ≥ π41 với τc: Thời gian kết hợp, ∆νc: Độ rộng vạch phổ của bức xạ Ngoài ra người ta còn sử dụng khái niệm độ dài kết hợp: Lc=c.τc

b Tính kết hợp không gian:

Thể hiện ở 3 điểm:

- Sự ổn định của mode ngang (dạng dao động ngang)

Biên độ và pha của sóng có giá trị không đổi trong mặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình truyền sóng đi và về giữa hai gương phản xạ

Với buồng cộng hưởng có gương cầu, sóng có dạng hình Gauss Do đó

ở bất kì điểm nào trong buồng cộng hưởng sự phân bố cường độ cũng là dạng Gauss

với : I0: Cường độ trên trục của buồng cộng hưởng

W(z): Bán kính vòng tròn ở đó cường độ giảm một thừa số e2 so với I0 Tính chất không gian còn biểu hiện ở chổ chùm tia Laser ló ra sẽ giữ nguyên tính chất phân bố Gauss khi trong buồng cộng hưởng chúng là phân bố Gauss

- Tính chuẩn trực của chùm tia (đặc trưng tính chất không gian của

chùm tia Laser ) Tính chất này quy định bởi hiện tượng nhiễu xạ và góc nhiễu xạ

θ được xác định bởi: ∆θ= d/λ

Người ta có thể thay đổi độ chuẩn trực θ theo yêu cầu ứng dụng bằng cách sử dụng các kính với cách bố trí “đồng tiêu” Góc chuẩn trực liên hệ theo công thức θ1d1=θ2d2

với: θ1,θ2:Góc nhiễu xạ

d1, d2: Đường kính

Sự xê dịch một trong hai thấu kính có thể thu được chùm song song với góc θ1,2 hầu như bằng 0

-Sự hội tụ của chùm tia: (thể hiện tính chất không gian)

Đối với Laser, chùm tia có thể được tập trung hội tụ tại một điểm có diện tích cở λ2

Trang 20

Với Laser He-Ne công suất 2mW, dùng thêm thấu kính có thể hội tụ chùm tia trong một diện tích 18-8cm, và sẽ đạt được mật độ công suất cở 200 KW/

cm2

Vì mật độ tập trung ánh sáng là rất lớn nên nhiệt độ tại điểm hội tụ có thể đạt đến 6000 - 8000 0K Ở nhiệt độ như thế, các chất rắn và chất lỏng đều bị chảy hoặc hóa hơi trong một thời gian ngắn

Hình ảnh giao thoa rõ ràng là thước đo tính kết hợp không gian của các nguồn sáng

c Độ kết hợp:

Độ nét hay chói của hình ảnh giao thoa cho biết về tính kết hợp không gian hay thời gian của sóng Từ lý thuyết giao thoa sóng ta có độ kết hợp (độ tương phản) của vân giao thoa là:

VP=

min max

II

II+

−

0≤ Vp≤1 Khi Vp=1: Sự tương phản là cực đại và ta có tính kết hợp thời gian và không gian hoàn toàn

Khi Vp =0: Không có tương phản giữa các vân do Imax-Imin=0, trong trường hợp này không có hiện tượng giao thoa và sóng hoàn toàn không kết hợp

Khi 0< Vp<1: Sóng kết hợp một phần

Tính chất này được dùng trong phép chụp ảnh giao thoa, truyền tải thông tin lớn gấp bội lần sóng vô tuyến, thông tin liên lạc vũ trụ…

3.5 Biến đổi bước sóng:

Mỗi laser đều có khả năng điều chỉnh tần số trong một miền nhất định

dù rất nhỏ Người ta thực hiện điều đó bằng cách đưa một yếu tố chọn lọc tần số vào buồng cộng hưởng và xác định các mode trong miền phát xạ của môi trường laser bằng cách thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng Riêng laser màu, có thể cho phép ta thay đổi liên tục bước sóng trong một miền tương đối rộng khi dùng một chất màu laser thích hợp làm môi trường laser Ta có thể tạo ra bức xạ laser trong toàn bộ miền phổ từ tử ngoại đến hồng ngoại gần

Tóm tắt chương 1: Để tạo được một máy phát laser chúng ta cần

phải tạo ra được sự bức xạ cưỡng bức trong môi trường laser Để làm được điều này, môi trường hoạt tính phải có ít nhất là ba mức năng lượng, nguồn bơm để tạo

sự phân bố đảo Đồng thời, bức xạ phải được khuếch đại bởi buồng cộng hưởng Như vậy, ta có thể nói laser là sự khuếch đại lượng photon ánh sáng của một môi trường nào đó bằng cách dùng ánh sáng kích thích có cùng tần số với tần số của photon bức xạ từ môi trường đó Nhờ vậy, ánh sáng laser có tính đơn sắc, kết hợp rất tốt, định phương rất cao và có công suất rất lớn

Trang 21

CHƯƠNG 2 LASER KHÍ HE-NE

1 LASER KHÍ:

1.1 Đặc điểm chung của laser khí:

Laser khí là một máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt tính nằm trong pha khí Nó có thể là khí nguyên tử, hỗn hợp hay ở dạng plasma khí phóng điện Những điểm khác nhau chủ yếu của laser khí với các loại laser khác là:

a) Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của nguyên

tử, ion hay phân tử khí cô lập Trong những điều kiện ấy, sự tương tác giữa các hạt trong môi trường là cực tiểu Vì vậy vạch phổ của các mức năng lượng này có độ rộng rất hẹp (10-7-10-6 µm) Tính chất đó cho phép chúng ta nói trước được rằng có

vô số sơ đồ dịch chuyển mức năng lượng trong các khí khác nhau để thành lập môi trường nghịch đảo nồng độ

b) Môi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn Mật độ khí nhỏ nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu nên góc loe của chùm tia rất nhỏ Điều này cho phép ta dùng khoảng cách hai gương phản xạ lớn Vì vậy, laser khí

có chùm bức xạ định hướng cao và độ đơn sắc lớn Với laser khí nếu dùng hai gương phẳng song song và không dùng đến một thiết bị phụ nào thì góc loe đã đạt dưới một phút

c) Trong laser khí, nghịch đảo nồng độ thường được thực hiện bằng phóng điện trong chất khí ở ngay trong ống laser

d) Laser khí có nhược điểm là mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong thể rắn Vì vậy với một centimét khối khí không thể nhận đủ lượng nguyên

tử kích thích để bức xạ như ở thể rắn Do đó laser khí thường có kích thước lớn

Trang 22

1.2 Các loại laser khí điển hình:

Laser khí có thể được chia làm ba loại:

Laser nguyên tử, laser ion và laser phân tử nói chung là khác nhau ở

cơ chế thành lập môi trường nghịch đảo nồng độ và độ dài sóng phát ra Dãy bước sóng khác nhau là do phổ năng lượng của nguyên tử trung hòa, ion và phân tử là khác nhau

Đối với nguyên tử trung hoà: năng lượng ion hóa wi=5~15eV Còn hiệu số năng lượng giữa mức trên và mức dưới của laser cỡ ∆ε ∼0,141,0 eV Giá trị ∆ε này tương ứng với độ dài sóng λ nằm trong vùng hồng ngoại Như vậy laser nguyên tử khí chủ yếu là nguồn bức xạ hồng ngoại

Laser ion: khí bị ion hóa mạnh hầu như không còn nguyên tử trung hòa Năng lượng ion hóa 2-3 bậc wi=12-25eV Còn ∆ε ~ 2-5eV Điều này có nghĩa

là laser ion chủ yếu là nguồn bức xạ ánh sáng trong vùng thấy được và tử ngoại

Laser phân tử: năng lượng phân ly không lớn wi≈2-3eV, dịch chuyển giữa các mức làm việc tương ứng với độ dài sóng từ 10 – 150µm tức là vùng hồng ngoại và vùng gần mm

Trang 23

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

Trong dãy sóng đó, laser khí các loại có thể phát đến vài trăm tần số khác nhau

Bảng 1: Một số loại laser khí điển hình:

(µm)

Chế độ làm việc

ngoại Phân tử H2O

1.3 Cấu tạo laser khí:

Bộ phận chủ yếu của một laser khí là ống phóng điện chứa khí (hình vẽ) Ống (bằng thuỷ tinh hay thạch anh) có đường kính cở vài milimet đến vài decimet và độ dài từ vài cetimet đến vài met Bên trong ống được gắn hai điện cực

để tạo môi trường phasma khí phóng điện (nếu kích thích laser bằng phóng điện cao tần thì các điện cực được đặt bên ngoài)

Trang 24

Trong ống phóng điện, Cathode có thể là catod oxit hoặc Cathode kim loại có nhiệm vụ phát xạ điện tử, ống phóng điện phát xạ Cathode được chế tạo theo công nghệ chế tạo điện tử chân không Tức là bơm tới chân không cao rồi mới nạp khí vào Chính khí này là môi trường hoạt tính

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

đó, bức xạ phân cực thẳng trong mặt phẳng tới sẽ không bị mất mát do phản xạ và triệt tiêu những bức xạ có phân cực vuông góc với mặt phẳng tới

Ống phóng khí thường được đặt giữa hai gương laser tức là được đặt trong buồng cộng hưởng quang học gương laser cần được chỉnh thật song song với nhau Người ta thường đặt gương trong những giá gương và nhờ giá gương này

mà người ta có thể điều chỉnh gương đến độ song song cần thiết

Có hai cách bố trí gương hoặc đặt gương trong ống phóng khí tức là gương đặt trong môi trường khí, giá đỡ gương khi đó là ống silfon hoặc đặt gương ở ngoài ống phóng khí Cấu trúc kiểu gương ngoài có nhiều ưu điểm vì hệ thống điều chỉnh gương đơn giản, không cần đòi hỏi đảm bảo độ kín chân không Khi đó ống phóng Laser sẽ có độ bền cao hơn vì nó không gắn với những linh kiện bằng kim loại của giá đỡ gương, do kim loại dễ tác dụng với khí làm giảm chất lượng khí Chế tạo ống phóng cũng đơn giản hơn vì không phải hàn nối giữa thuỷ tinh với kim loại Độ bền của gương lớn hơn nhiều so với trường hợp gương đặt trong ống Vì mặt gương không bị ion bắn phá, mặt khác, trong chân không cao, những lớp phủ ở mặt gương có thể bị bong ra Ngoài ra có thể dể dàng thay thế riêng rẽ gương và ống phóng khi chúng bị hỏng, đồng thời có thể dể dàng đặt vào trong buồng cộng hưởng những linh kiện điều chế hoặc lựa chọn những dịch chuyển bức

xạ cần thiết Chính vì những ưu điểm kể trên mà hiện nay các Laser khí chủ yếu được chế tạo theo kiểu gương ngoài

Tuy vậy, trong thực tế gặp nhiều khó khăn trong chế tạo chủ yếu là tiêu hao

ở hai đầu ống phóng điện, bởi vì ở hai đầu ống, ngoài việc phải bảo đảm chất lượng bề mặt cao, còn phải bảo đảm tiêu hao nhỏ Đầu ống phóng thường được gắn những tấm thuỷ tinh phẳng song song Tiêu hao cơ bản là do phản xạ từ hai mặt phẳng của tấm thuỷ tinh đó Như chúng ta đã biết, hệ số phản xạ từ bề mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau phụ thuộc vào góc tới, chiết suất và dạng phân cực của tia sáng

Nếu tia sáng đập vuông góc vào tấm phẳng có hai mặt song song nhau thì tiêu hao sẽ chỉ phụ thuộc vào chiết suất của tấm phẳng đó và được tính theo công thức:

( )21n1-n200+

=

α

Trong đó: α Hệ số suy giảm (%)

n: chiết suất của tấm phẳng

Sự phụ thuộc α = f(n) được biểu diễn trên hình vẽ:

Trang 25

Hình 8 Sự phụ thuộc của α vào chiết suất môi trường

Với những giá trị thường gặp của chiết suất, ta thấy tiêu hao ở tấm phẳng khá lớn từ 7-43 % Tiêu hao lớn sẽ làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng và sẽ hạn chế sự tự kích phần lớn những dịch chuyển trong chất khí

Để giải quyết vấn đề trên ta làm như sau:

Ta biết rằng bất kỳ bức xạ có dạng phân cực nào cũng có thể coi như xếp chồng của hai bức xạ phân cực phẳng vuông góc nhau Nếu pha của hai bức xạ thành phần này trùng nhau thì tổng của chúng sẽ là bức xạ phân cực phẳng Nếu những bức xạ thành phần lệch nhau một góc không đổi thì bức xạ tổng sẽ là bức

xạ phân cực elíp Bức xạ tự nhiên cũng có thể coi như xếp chồng của hai bức xạ phân cực vuông góc nhau

Khi bức xạ chiếu vuông góc vào tấm phẳng đặt ở đầu ống phóng khí thì tính phân cực không giữ vai trò quan trọng Nhưng nếu bức xạ đập vào tấm phẳng theo một góc tới nào đó thì phản xạ từ tấm phẳng lại sẽ phụ thuộc rất nhiều vào chiều của mặt phân cực của bức xạ tới Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng

sẽ lớn nhất khi mặt phẳng phân cực vuông góc với mặt tới và hệ số phản xạ sẽ phụ thuộc vào góc tới theo luật

r⊥= ( )

( )

2i'isin

i'-isin







+i: góc tới; i’: góc khúc xạ

Còn nếu mặt phân cực của bức xạ trùng với mặt phẳng tới thì hệ số phản xạ cực tiểu và

r// = ( )

( )

2i'itg

i'-itg







+Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Trang 26

Hình 9 Hệ số phản xạ khi mặt phân cực song song và vuông góc với mặt tới

Đối với những bức xạ có phương phân cực bất kỳ thì sự phụ thuộc r = ϕ(i)

sẽ nằm trong giới hạn của r⊥ và r// Nếu mặt phân cực tạo với mặt tới một góc bất

kỳ thì

rϕ = sin2ϕ ( )

2'

'cos

2'sin

'sin







+

−+

i

i i

ϕ

Ta thấy r// = 0 tại i0 nghĩa là nếu bức xạ đập vào tấm phẳng song song với một góc tới là i0 và bức xạ có mặt phân cực nằm trong mặt phẳng tới thì bức xạ sẽ truyền qua hoàn toàn Tấm phẳng được coi như là trong suốt đối với bức xạ

Người ta gọi đó là định luật Brewster và góc tới i0 gọi là góc Brewster

r// = 0 → i0 + i0’= π/2

Theo định luật khúc xạ:

n i

i ='sinsin

tgi0 = n

Như vậy, nhờ định luật Brewster, chúng ta có thể giảm tiêu hao ở đầu ống phóng khí Muốn vậy, tấm phẳng phải đặt sau cho pháp tuyến của nó lệch với trục của ống một góc bằng góc Brewster ( hình vẽ)

Bức xạ tự phát lúc đầu không phân cực nhưng hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng lại chịu ảnh hưởng rất lớn của bức xạ phân cực và phân cực đó lại do

vị trí của tấm phẳng đầu ống tạo nên Vì bức xạ cảm ứng lặp lại phân cực của bức

xạ kích thích nó Do đó, trong buồng cộng hưởng sẽ hình thành phân cực phẳng tương ứng với vị trí của cửa Brewster

Trang 27

Hình 8 Cấu tạo một laser khí

1 Gương cộng hưởng; 2 Cửa sổ Brewster; 3 Ống mao dẫn thạch anh; 4 Ống phóng điện trong chất khí; 5 Nguồn điện; 6 Điện trở phụ; 7 Tia laser

Trong thực tế, ánh sáng phân cực song song đập vào tấm phẳng đúng với góc Brewster i0 thì hệ số phản xạ cũng không bằng không được Vì giữa hai lớp có chiết suất khác nhau n1và n2 luôn luôn tồn tại những vi lớp có chiết suất biến đổi liên tục từ n1 đến n2 Do chiết suất biến đổi một cách từ từ nên tia sang mặc dù đập vào bảng một góc bằng góc Brewster thì vẫn có phản xạ Tuy nhiên,

hệ số phản xạ này rất nhỏ, cở 0,1% Ngoài ra còn phải kể đến tiêu hao do hấp thụ của tấm phẳng Khoảng 2% trên 1 cm đối với thuỷ tinh và 0,2% trên 1cm đối với thạch anh Chiều dày tấm phẳng phải nằm trong khoảng từ 3- 4 cm

Laser khí tiêu biểu nhất và được sử dụng rộng rãi nhất là laser khí He – Ne

Trang 28

2 LASER KHÍ HE – NE:

2.1 Lịch sử phát minh:

Mặc dù ý nghĩ của Einstein về sự tồn tại của bức xạ cưỡng bức đã được người ta biết đến từ năm 1917, nhưng mãi đến năm 1960, laser dựa trên cơ

sở này mới được phát triển mạnh mẽ

Năm 1917, để dẫn ra công thức bức xạ Planck, Einstein giả thiết rằng: khi tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùng với sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng còn xảy ra hai loại bức xạ khác nhau: bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

Năm 1928, R.ladenburg và các cộng tác viên ở Viện Hóa Lý và Điện Hóa mang tên hoàng đế Wilhelm ở Beclin đã chứng minh được bức xạ cưỡng bức

Họ cho thấy có sự bức xạ cưỡng bức trong sự phóng điện ở dòng rất cao trong một ống thủy tinh có chứa khí hiếm là Neon

Năm 1939, nhà vật Lý người Nga V.A Fabrikan đã đặt cơ sở cho khả năng ứng dụng bức xạ cưỡng bức để tạo ra môi trường khuếch đại ánh sáng trong luận án tiến sĩ của mình

Đến năm 1951, V.A Fabrikan đã cùng với nhóm cộng tác viên của mình đã trình bày báo cáo “đề nghị một phương pháp khuếch đại bức xạ điện từ dựa trên hiện tượng bức xạ cưỡng bức, đã được Einstein nghiên cứu vào năm

1917 Phương pháp đó có hiệu lực trong việc khuếch đại bức xạ tử ngoại, bức xạ nhìn thấy được, bức xạ hồng ngoại và sóng vô tuyến điện…”

Đến năm 1954, các nhà Vật Lý học Xô Viết A.M.Prokhorov và N.G.Basov đồng thời với nhà bác học Mỹ C.H.Townes đã tạo được máy phát lượng tử cao tần đầu tiên bằng chất Amôniac

Năm 1958, N.G.Basov và A.M.Prokhorov cũng như các nhà bác học

Mỹ A.Savlôp và C.H.Townes và đã chứng minh được rằng có thể chế tạo ra được máy phát ánh sáng nhìn thấy

Hai năm sau đó, T.Meiman (viện nghiên cứu của công ty hàng không Hughes – Mỹ) đã thành công trong việc cho phát một bức xạ đỏ hết sức mạnh dạng xung trong một thanh đơn tinh thể hồng ngọc nhân tạo và chứng minh được rằng bức xạ này là do phát xạ cưỡng bức gây ra

Đến cuối năm 1960, Javan A, Benneti W_R và Herriott.D.R đã chế tạo được máy phát liên tục bằng hỗn hợp khí He – Ne Từ đó vì sao laser đã phát triển rất mạnh mẽ và người ta đã tạo ra được nhiều loại laser khác nhau với tần số của bước sóng bức xạ phát ra trong một phạm vi rất rộng, từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại của quang phổ

2.2 Sơ đồ trạng thái của He và Ne:

Ta hãy chú ý sơ đồ trạng thái kích thích phía dưới của hai nguyên tử

He và Ne (hình vẽ) Để đơn giản ta chỉ xét một vài trạng thái kích thích phía dưới của hai nguyên tố này

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	660,13 KB