LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về LASER

phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh với bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD: Thầy Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm

GVPB: Thầy Hồ Hữu Hậu MSSV: 1080316

Cô Dương Bích Thảo Lớp: SP Vật lý – CN K34

Cần Thơ, 05/2012

tận tâm, chu đáo, và sự động viên của Thầy Lê Văn Nhạn đã

giúp em hoàn thành đề tài đúng tiến độ Em xin chân thành cám

ơn Thầy Lê Văn Nhạn, Thầy luôn chỉ bảo, góp ý cho em về nội

dung và hình thức để đề tài hoàn thành một cách tốt nhất

Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trường đại học Cần Thơ

và quý Thầy, Cô trong bộ môn vật lý đã tận tình truyền đạt cho

em những tri thức quý báo trong suốt quá trình học tập

Em xin cám ơn các bạn tập thể lớp vật lý_công nghệ K34 đã nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài này

Và lòng biết ơn chân thành với những người thân trong gia

đình đã luôn ủng hộ em về mặt vật chất lẫn tinh thần để em yên

tâm học tập tốt

Cần Thơ, ngày 22 tháng 04 năm 2012

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Hồng Đậm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-
-

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

-
-

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012 Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn………

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn………

Nhận xét của giáo viên phản biện………

Mục lục………

Phần mở đầu………

Phần nội dung………

Chương I: Tổng quan về laser……… 1

1.1Lịch sử hình thành tia laser……… 1

1.2Sơ lược về laser……… 2

1.3Ứng dụng của laser……… 4

Chương II: Cơ sở vật lý của laser……… 5

2.1 Sự hình thành ánh sáng laser……… 5

2.2 Đặc điểm của tia laser……… 16

2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất………20

2.4 Các chế độ hoạt động của laser………24

2.5 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học……….30

Chương III: Các loại laser……….36

3.1 Laser rắn……… 36

3.2 Laser khí……… 42

3.3 Laser lỏng……….51

Chương IV: Các ứng dụng của tia laser……… 57

4.1 Trong y học……… 57

4.2 Ứng dụng laser trong quân sự……… 59

4.3 Ứng dụng laser trong công nghiệp hiện đại……….61

4.4 Ứng dụng laser trong nghiên cứu vũ trụ……… 71

Phần kết luận……….73

Tài liệu tham khảo……… 74

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật lý học là ngành khoa học thực nghiệm, vật lý có mặt khắp nơi trong mọi lĩnh vực Cuộc sống ngày càng phát triển thì con người không ngừng tìm tòi và khám phá và ứng dụng những thành tựu vật lý vào phục vụ nhu cầu cuộc sống

Vào thế kỉ 20 việc phát hiện ra tia laser là một phát hiện vĩ đại Ánh sáng laser đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu, California

Laser chính là nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng, và chùm phát ra bức xạ được gọi là chùm laser Từ một khái niệm mơ hồ trong phòng thí nghiệm tia laser đã bắt đầu trở thành một phần không thể thiếu trong các ngành công nghệ hiện đại Rất nhiều điều kỳ diệu mà tia laser đã mang lại cho con người như:

-Trong y học, thẩm mỹ: các khối u ung thư, phẫu thuật bên trong mắt không còn gây khó khăn trong việc chữa trị khi đã có tia laser.

- Trong thương mại, các khâu kiểm tra hàng hóa cuối cùng thường sử dụng mã vạch có thể đọc bằng một laser helium-neon ánh sáng đỏ lắp tại quầy tính tiền

- Trong công nghiệp, laser là những lưỡi cưa, những máy khoan hiện đại, nó có thể cắt và xuyên thủng những vật liệu cứng như kim loại, kim cương…

- Trong quân sự, các loại vũ khí laser như súng laser, bom định vị bằng tia laser…

Sự ra đời của tia laser như một lời giải cho bài toán khó, nó đã góp phần quan trọng trong đời sống của con người, là một phần không thể thiếu trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay Bên cạnh những mặt tích cực mà laser đã mang lại thì chúng còn không ít những hạn chế Laser tuy đã ra đời cách đây 50 năm nhưng nó vẫn còn gì

đó là thuộc về tương lai mà chúng ta cần phải quan tâm và khai phá Đó cũng là lý do

mà em chọn đề tài này

1.2 Mục đích của đề tài

Đề tài nhằm để trả lời các câu hỏi về:

- Tia laser được hình thành như thế nào?

- Bản chất của tia laser?

- Các loại tia laser?

- Tia laser tương tác với vật chất như thế nào?

- Nguyên lý hoạt động của máy phát laser?

- Các ứng dụng hiện đại của tia laser

2 Giới hạn của đề tài

Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ đề cập những vấn đề cơ bản nhất của tia laser như: các cơ sở vật lý của laser, nguyên lý làm việc của các loại máy phát laser và những ứng dụng của tia laser

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về vật lý lượng tử, cơ sở vật lý laser Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu từ sách, báo, internet…

- Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn

4 Các bước thực hiện

Đề tài thực hiện theo các bước:

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

Bước 2: Tìm, nghiên cứu tài liệu có liên quan đến đề tài và lập đề cương của đề tài

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

Bước 4: Báo cáo đề tài

B NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về tia laser

1.1Lịch sử hình thành tia laser

1.2Sơ lược về tia laser

Chương 2: Cơ sở vật lý của tia laser

2.1 Sự hình thành ánh sáng laser

2.1.1 Mức năng lượng, các loại bức xạ.Các hệ số Einstein 2.1.2 Cấu trúc hệ thống của tia laser

2.1.3 Dịch chuyển quang học 2.1.4 Độ rộng và đường bao vạch phổ 2.2 Đặc điểm của tia laser

2.2.1 Tính chất nở rộng vạch phổ 2.2.2 Tính đơn sắc

2.2.3 Tính định hướng cao 2.2.4 Tính kết hợp

2.2.5 Cường độ của tia laser 2.2.6 Mật độ phổ (độ chói cao) 2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất

2.3.1 Phương pháp bơm năng lượng 2.4 Các cơ chế hoạt động của tia laser

Chương 3: Các loại tia laser

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER

1.1 Lịch sử hình thành tia laser

Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng mặt trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng, đèn huỳnh quang,…đó là những ánh sáng được sinh ra do nguyên tử bị kích thích phát ra photon Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra do sự tự chuyển mức năng lượng của nguyên tử hay phân tử, tuy nhiên có loại ánh sáng chỉ phát ra và tồn tại khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ trạng thái kích thích của nó cho đến khi bị cưỡng bức và phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng Laser là từ viết tắt của light amplification by the stimulated emission of radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức) Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm

cường độ mạnh và tập trung

Sự ra đời của laser dựa vào thuyết lượng tử của Albert Einstein Albert Einstein

đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng

có hai loại phát xạ Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức

Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950, nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser Các nhà khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các

nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được phát triển cũng khoảng thời gian

đó Cuối thập niên 1950, nhiều khái niệm cơ sở cho sự hình thành tia laser đã được phát triển bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và Gordon Gould ở trường đại học Columbia

Ánh sáng laser đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu, California do Theodore Maiman chế tạo đó là một dụng

cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên Laser ruby của Maiman

phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh với bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay

1.2 Sơ lược về laser

1.2.1 Khái niệm về laser

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 ánh sáng nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật và đời sống, tạo nên một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật khi nó ra đời

1.2.2 Các loại laser

Tùy theo loại hoạt chất laser, môi trường kích hoạt, các kĩ thuật bơm kích thích nguyên tử nó sẽ phát ra những bước sóng khác nhau thì ta sẽ thu được các tia laser với các tên gọi khác nhau nhưng chúng đều có cùng nguyên lý cơ bản chung:

- Laser rắn: môi trường hoạt chất ở thể rắn Có hàng trăm loại như laser Ruby, laser YAG, laser bán dẫn, laser thủy tinh,…

- Laser lỏng: môi trường hoạt chất ở thể lỏng Có 50 loại khác nhau Các hoạt chất thể lỏng có màu sẽ cho laser màu, đó là những laser rất thông dụng hiện nay

- Laser khí: môi trường hoạt chất ở thể khí Cũng có hơn hàng trăm loại khí đã được

sử dụng như laser CO2, laser heli-neon, laser Argon,…

Người ta còn phân loại theo tính chất như: laser nóng như laser CO2, và laser lạnh như laser He-Ne, laser hồng ngoại

1.2.3 Sơ lược về cấu tạo nguyên tắc hoạt động của laser

Laser là một máy phát lượng tử vùng quang học, cấu tạo gồm ba bộ phận chính: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (nguồn bơm) Cả ba bộ phận chính ở trên không thể tách rời nhau và tạo thành một máy phát Laser

Hình 1.1: Mô hình cấu tạo chung máy phát Laser

1.2.4 Hoạt chất

Đây là các 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 này mà ta có các loại Laser rắn, Laser lỏng, Laser khí và Laser bán dẫn Chúng ta có thể phân loại như sau:

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

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

1.2.5 Buồng cộng hưởng

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 được thay 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 (thực hiện phản hồi dương) Hai gương phản xạ có thể để xa hoặc gắn chặt với hoạt chất

1.2.6 Nguồn bơm

Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo môi trường mật độ đảo lộn 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 va chạm Quá trình này diễn ra khá phức tạp

1.2.7 Đặc điểm của Laser

- Tính đơn sắc: trong buồng cộng hưởng chỉ có một số ánh sáng có bước sóng phù hợp mới được khuếch đại lên, các ánh sáng có bước sóng còn lại sẽ bị dập tắt

Do đó, laser phát ra chỉ gồm những ánh sáng có bước sóng gần nhau và được coi là đơn sắc

- Tính kết hợp: bức xạ cảm ứng phát ra photon có pha, tần số giống nhau

và giống trường điện từ kích thích nên bức xạ laser là kết hợp

- Tính định hướng và cường độ cao: trong buồng cộng hưởng chỉ những dao động dọc theo trục của buồng cộng hưởng mới được giữ lại và khuếch đại lên Nên bức xạ laser phát ra có cường độ cao và định hướng

- Tính phân cực: các photon phát ra do bức xạ cảm ứng có tần số, pha dao động, mặt phẳng dao động điện từ giống hệt nhau và giống với trường điện từ kích thích nên bức xạ Laser có tính phân cực

1.3 Ứng dụng của laser

Sự ra đời của laser đã nhanh chóng ứng dụng rộng khắp trong nhiều lĩnh vực như: quang học ứng dụng, điện tử, cơ khí, công nghệ thông tin, y học, công nghiệp, quân sự, giải trí…Laser phát huy hiệu quả tốt nhất trong công nghiệp và lĩnh vực nghiên cứu, laser ứng dụng trong quang phổ học cho phép thăm dò các đặc tính của

vật chất, ta có thể tìm các thiết bị phát laser trong các đầu đọc đĩa CD, DVD, các dòng máy PC và các bộ game console…

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 dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn thì hạt sẽ hấp thụ năng lượng, ngược lại khi dịch chuyển xuống mức thấp hơn thì hạt sẽ truyền năng lượng Những dịch chuyển như vậy có thể xảy ra bức xạ hay hấp thụ lượng tử

2.1.1.2 Bức xạ của ánh sáng kích thích

Theo định đề II (định đề về cơ chế hấp thụ và cơ chế bức xạ của nguyên tử) của thuyết Bo thì nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, khi đó nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác (tức là ứng với sự chuyển electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác) Nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và electron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất, đây chính là trạng thái cơ bản Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và các electron chuyển động trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn Đó chính là trạng thái kích thích

Hình 2.1: Sơ đồ các mức năng lượng

2.1.1.3 Sự hấp thụ

Nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái cơ bản, là trạng thái có năng lượng thấp nhất Muốn cho nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là mức năng lượng kích thích thì phải cung cấp cho nó một năng lượng đủ lớn để lên tới mức đó

Sự hấp thụ photon chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng cộng thêm đúng bằng độ tăng năng lượng tới một trong các giá trị được phép

hf = −

E 0

Trạng thái cơ bản

Các trạng thái kích thích

1 photon) Sự chuyển này không bị bất kỳ một ngoại lực nào gây ra gọi là bức xạ tự phát

Tần số của bức xạ tự phát và các mức năng lượng đầu và cuối liên hệ với nhau bởi

= : hằng số Planck Ánh sáng có được do bức xạ tự phát là ánh sáng không định hướng, không đơn sắc , không kết hợp

Nếu có một photon ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì số photon này sẽ tăng lên.(Hình: b)

Nguyên tắc phát quang của laser được dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng

hf

E 2

E 1

Gọi ρv: là mật độ năng lượng trường điện từ

Mật độ năng lượng toàn phần của trường điện từ là: =∞∫ v( )v dv

0ρρ

B không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ

Từ các phương trình trên, xác suất bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng trong một đơn vị thời gian là:

dw nm = nmρv

Với V là thể tích hệ thì:

Số photon bức xạ tự phát trong thời gian dt là: N m VdW mn tp =N m VA mn dt

Số photon bức xạ cảm ứng trong thời gian dt là: N m VdW mn =N m VB mn dt

Số photon hấp thụ trong thời gian dt là: N n VdW nm =N n VB nm dt

Trong trạng thái cân bằng nhiệt: N m(A mn +B mnρv)=N n B nmρv

Theo phân bố Boltzman thì số hạt ở mức năng lượng thứ i trong 1 3

v mn mn

n m

e B e

B A

mn

e B

A

1

1

−

=

KT hv mn

mn v

e B A

ρ

1

c

hv B

A

hv

KT B

A KT

hv e

mn

mn

mn

mn v

−

=

KT hv v

e

hv c

v

πρ

2.1.2 Cấu trúc hệ thống của tia laser

2.1.2.1 Nguồn năng lượng

- Nguồn năng lượng hay còn gọi là nguồn bơm là nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống laser Quá trình kích thích nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên mức trên của laser gọi là quá trình bơm Có 2 phương pháp bơm chủ yếu là bơm quang học và bơm điện

- Phương pháp bơm quang học sử dụng quang năng từ nguồn bơm để kích thích môi trường hoạt tính Để đưa quang năng vào môi trường hoạt tính người ta sử dụng những hệ quang học đặc biệt

Bức xạ nguồn ánh sáng của bơm quang học có 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 với laser rắn và laser lỏng, do phổ hấp thụ của thể rắn và thể lỏng rất rộng, phù hợp với phổ bức xạ của nguồn bơm thông thường là phổ đám Vì vậy những đám này sẽ được hấp thụ một phần lớn năng lượng bức xạ nguồn bơm Ngày nay các nguồn bơm quang học phổ biến là các đèn khí trơ Kr, Xe, Ar,

- 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 vạch quang phổ hấp thụ rất hẹp nên

không thể dùng phương pháp bơm quang học Laser bán dẫn có thể làm việc hiệu quả với phương pháp bơm quang học mặc dù bơm điện có nhiều thuận lợi hơn

Một đặc trưng quan trọng là khi cho laser hoạt động khi bơm thì 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 lúc đầu vì chưa tạo được

sự phân bố mật độ đảo lộn nên sẽ gây mất mát lớn cho bức xạ Khi công suất bơm tiếp tục tăng lên thì những mất mát này sẽ được bù lại bởi khuếch đại là hệ số của bức xạ cưỡng bức, lúc này dao động laser lập tức xảy ra Vì mật độ bức xạ tăng nhanh nên phân bố mật độ đảo lộn giảm đi rất nhanh Dao động sẽ ngừng nếu nguồn bơm không cung cấp đủ công suất bơm để duy trì cho sự phân bố ở mức laser trên đạt trị số yêu cầu

Ví dụ các nguồn bơm bao gồm ống phóng điện, đèn chớp, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường hoạt tính là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường Laser He-Ne dùng ống phóng điện trong hỗn hợp khí Hêli Neon Laser Nd:YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đèn chớp Xenon Laser hai nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng lượng

2.1.2.2 Môi trường hoạt tính

Môi trường hoạt tính là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất khác của tia laser Môi trường hoạt tính bị kích thích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ cảm ứng các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuếch đại ánh sáng

2.1.2.3 Hệ thống cộng hưởng quang học

Gương hay hệ thống gương tạo nên hệ thống cộng hưởng quang học Các chùm tia laser có những đặc điểm chung nhất định Nhưng cũng khác nhau ở độ rộng vạch phổ, sự phân kỳ, sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia Những đặc điểm này phụ thuộc vào việc thiết kế laser (hệ cộng hưởng quang học) Trong giai đoạn đầu phát triển người ta thường dùng gương phản xạ có đế được làm bằng thủy tinh và lớp phản xạ được làm bằng bạc hoặc nhôm…Các chất liệu này có hệ số hấp thụ rất lớn (5%-10%) nên công suất tổn hao rất lớn Hệ số phản xạ của các gương này ở vùng ánh sáng khả kiến thông thường không vượt quá 90%-95%

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 12 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm

Nếu sử dụng chúng để làm gương phản xạ sẽ làm giảm phẩm chất của buồng cộng hưởng Để giảm công suất tổn hao và tăng phẩm chất của buồng cộng hưởng người ta dùng gương điện môi nhiều lớp Gương này có nhiều ưu điểm là tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tổn hao do hấp thụ rất nhỏ Gương điện môi nhiều lớp cũng có đế được làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh Người ta dùng phương pháp bốc bay chân không để phủ lên lần lượt các lớp kế tiếp nhau của hai chất điện môi trong suốt có chiết suất n1 và n2 và chiều dày quang học bằng ¼ bước sóng bức xạ nhằm thõa mãn điều kiện tạo ra sóng kết hợp: n1h1=n2h2 = =λ/4

Trong đó h1 và h2 là chiều dày quang học của các lớp phủ Hệ số phản xạ gương tăng theo số lớp điện môi được phủ

2.1.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ

Các mức năng lượng của hạt ngay khi không có tác động bên ngoài thì các mức cũng có độ rộng nhất 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

10

10− → − s nên độ rộng của các mức năng lượng ∆E sẽ khá lớn Như vậy, chính do có sự nghèo hóa mức năng lượng, mà ngay đối với những nguyên tử ở trạng thái cơ bản, những vạch phổ bức xạ

và hấp thụ của chúng cũng có độ rộng nhất định Ở hình 2.5, ta thấy độ rộng không xác định về tần số giữa hai mức năng lượng bị nghèo hóa được xác định bởi độ rộng

của các mức năng lượng và: ki ( E i E k)

Hinh 2.5: Sự bất định tần số bức xạ

Dựa vào đồ thị năng lượng của hệ, ta có thể xác định một cách định tính cường độ và

độ rộng của vạch phổ Ví dụ ở hình 2.6, giản đồ có 3 trạng thái của nguyên tử Mức ứng với trạng thái cơ bản nên độ rộng ∆E i = 0 Giả sử xác suất dịch chuyển từ 1

2 → rất lớn (γ21 rất lớn), khi đó thời gian sống mức 2 là

21 2

độ của 2 vạch 3 → 2 và vạch 3 → 1 nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhưng

độ rộng vạch bức xạ của chúng lại khác nhau Độ nghèo hóa tổng hợp của mức 2 và mức 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 và mức 1

Hình 2.6: Phổ bức xạ

Đường bao vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phương pháp cơ học lượng

tử, nhưng kết quả cũng trùng với kết quả khi khảo sát một dao động tử điều hòa cổ điển nhưng tính toán đơn giản hơn rất nhiều Có thể dùng một lưỡng cực điều hòa biên

độ suy giảm theo hàm mũ để thay thế cho dịch chuyển lượng tử, tức là:

.)

t Khi

Mức 2 Mức 3

Mức 1

Áp dụng cặp biến đổi Fourier ta có:

αωππ

e Ae

g t j t

22

1 )

(ω = g′ω+ω + g′ω−ω

( )

) (

*

2

αωω

αω

Hình 2.7: Đường bao Lorentz

- Trong thực tế, những vạch phổ thường rộng hơn rất nhiều so với vạch phổ tự nhiên, vì có nhiều tác động làm mở rộng vạch phổ mà khi tính toán ta chưa xét đến

0ω

1ω

) (ω

J

- Trước hết phải kể đến tương tác của các hạt với nhau, và đây là nguyên nhân rất quan trọng Chính tương tác giữa các hạt (từ trường hợp khí hiếm) sẽ quyết định độ rộng thực của vach phổ Trường hợp đơn giản nhất, tương tác giữa các hạt sẽ làm giảm thời gian sống của các hạt Dạng của vạch phổ khi đó sẽ giữ nguyên như vạch

phổ tự nhiên nhưng độ rộng thì tăng lên do thời gian sống giảm….người ta gọi là mở rộng đồng nhất Ngoài ra do mở rộng do hiệu ứng Doppler, loại mở rộng này chủ yếu

là do môi trường khí loãng hay trong chân không Ta biết rằng các hạt khí không bao giờ đứng yên, chúng luôn luôn chuyển động 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 được 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 bằng sơ đồ đơn giản dưới đây :

Hình 2.8: Hiệu ứng Doppler

Giả sử máy phát đặt tại A, máy thu đặt tại B và chúng cách nhau một khoảng L Nếu máy phát không di động và phát ra tín hiệu chuẩn đơn sắc có tần số ω(chu kỳ τ ), bất kì giá trị pha nào của tín hiệu do máy phát phát ra cũng được máy thu thu lại sau

một khoảng thời gian giống nhau:

3

t và:

C

L t

L C t

2.2 Đặc điểm của tia laser

Mặc dù laser có bản chất là sóng điện từ nhưng do nguồn phát tia laser khác hẳn so với nguồn phát của ánh sáng thông thường nên tia laser có những đặc điểm đặc biệt khác với ánh sáng thông thường

2.2.1 Tính đơn sắc

Là một đặc trưng khác biệt giữa nó với các bức xạ thông thường khác Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không có nguồn sáng nào có

- Đối với ánh sáng thông thường chủ yếu được hình thành do quá trình bức xạ

tự phát nên các phôton sẽ có các bước sóng khác nhau lan truyền theo các phương

khác nhau với các pha ban đầu khác nhau, do đó chúng không bao giờ là ánh sáng đơn sắc

Độ đơn sắc của một chùm tia được định nghĩa là độ rộng vạch phổ của chùm Khi độ rộng của vạch phổ của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học độ rộng vạch được xác định bằng công thức:

τ 2π

)

1 (

2.2.2 Tính định hướng cao (tính chất song song)

Tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng ngàn km mà không bị tán xạ

Do cấu tạo đặc biệt của buồng cộng hưởng quang học nên chùm bức xạ laser khi ra khỏi buồng cộng hưởng chủ yếu lan truyền theo phương của quang học

Để đặc trưng cho độ song song người ta xác định góc phân kì của nó Do tính chất song song nên mật độ công suất hầu như không thay đổi trong quá trình lan truyền nếu ta bỏ qua sự hấp thụ của chùm bức xạ laser trong không khí, điều đó cho

∆ν

phép chúng ta truyền năng lượng chùm bức xạ laser đi rất xa trong môi trường trong suốt

- Do tính chất song song cao của chùm bức xạ laser nên người ta có thể dùng các thiết bị quang học đơn giản như thấu kính mỏng, gương, để hội tụ chùm tia laser vào một điểm có kích thước vô cùng nhỏ Trong kĩ thuật người ta dùng tính chất này của tia laser để cắt, khoan,

2.2.3 Tính kết hợp (tính đồng bộ)

Do bức xạ laser hình thành nhờ hiệu ứng bức xạ cảm ứng nên các photon laser

là các photon kết hợp, nghĩa là các photon này có cùng phương lan truyền, cùng tần

số, có cùng hiệu pha ban đầu Nếu bức xạ sóng điện từ là không kết hợp thì khi chúng

ta tập hợp các bó sóng lại chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau, còn nếu các photon là kết hợp thì khi kết hợp lại với nhau thì ta sẽ thu đựoc sóng điện từ mạnh lên và có cùng tần số của photon kết hợp

Để đặc trưng cho tính chất kết hợp của chùm tia laser, người ta phân biệt tính kết hợp theo thời gian và không gian Thời gian kết hợp giữa các photon laser chính là khoảng thời gian mà các photon được hình thành nhờ hiệu ứng bức xạ cảm ứng ở những thời điểm khác nhau vẫn còn là các photon kết hợp, nói một cách ngắn gọn là các photon của cùng 1 thế hệ (các photon sinh ra trong khoảng thời gian kết hợp bằng thời gian sống ở mức siêu bền 10-3 s), thời gian này là rất lớn so với thời gian của bức

xạ không kết hợp 10-9s)

Từ thời gian kết hợp ta xác định không gian kết hợp, đó là khoảng không gian

có bán kính bằng độ dài kết hợp lấy tâm làm nguồn phát ra chùm tia laser

Độ dài kết hợp: L kh =cτ = 3 105m= 300km

Ánh sáng càng gần đơn sắc thì độ kết hợp của chúng càng tăng Vì vậy hai sóng ánh sáng cùng bước sóng đi theo một hướng thì pha giữa chúng không đổi Nếu hai sóng có bước sóng khác nhau, khi chuyển động trong không gian, pha tương đối giữa chúng vẫn thay đổi Những sóng này khi đi qua một điểm trong không gian lúc thì chúng cùng pha, lúc thì chúng khác pha Kết quả là khi hai sóng không kết hợp hiệu ứng của chúng thay đổi theo thời gian Vậy sự thay đổi hiệu ứng thay đổi theo thời gian nói lên một kiểu không kết hợp Chỉ khi ánh sáng rất là đơn sắc thì mới có độ kết

hợp cao Sự kết hợp này gọi là sự kết hợp thời gian, những sóng có cùng bước sóng

chúng chỉ kết hợp nếu pha của chúng không thay đổi theo thời gian

Ngoài sự kết hợp về thời gian còn có sự kết hợp về không gian của nguồn sáng

ta gọi đó là kết hợp không gian Đó là sự kết hợp của ánh sáng đi từ các vị trí khác

nhau trên mặt sóng Điều này đã được Young chú ý trong thí nghiệm giao thoa ánh

sáng qua khe kép Ánh sáng laser có cả độ kết hợp không gian cũng như độ kết hợp

thời gian rất tốt

2.2.4 Cường độ của tia laser

Cường độ của tia laser lớn gấp nhiều lần so với cường độ của ánh sáng nhiệt

Để làm rõ điều này ta sẽ so sánh cường độ của bức xạ laser với bức xạ nhiệt

Với laser khí He - Ne có công suất thấp cỡ 1mW ở chế độ liên tục phát ra phôton nằm

trong vùng nhìn thấy được ( 0,6328µm), với năng lượng một phôton là hν ≈ 10-19 J thì

số photon phát ra trong 1 giây là:

Nhưng với nguồn nhiệt có T cỡ 1000K bức xạ từ diện tích ∆A = 1cm2 và cùng phát

sóng trong vùng thấy được (6000

0

A) thì số phôton phát ra trong một giây là:

12 /

So sánh (2.11) và (2.12) ta thấy cường độ của laser khí thông thường đã gấp cỡ

1 vạn lần so với ánh sáng do bức xạ nhiệt Với nguồn laser có công suất lớn cỡ 1GW

thì nó gấp hàng tỉ lần Chính lý do đó nên nó trở thành nguồn sáng quý giá cho những

ứng dụng cụ thể

2.2.5 Mật độ phổ (độ chói) cao

Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độ

rộng của phổ.Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng

rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồi sáng khác.Ví dụ: laser có

công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của ánh sáng

mặt trời Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời

Ngoài ra, chùm tia laser có bán kính rất nhỏ (1-2mm) và có thể giảm xuống còn 0,1mm bằng cách sử dụng hệ thấu kính đơn giản Do đó, toàn bộ thông lượng của nguồn kích thích có thể hội tụ lên mẫu kích thước nhỏ, rất thuận lợi cho việc nghiên cứu chất lỏng có thể tích rất bé (bán kính cỡ µm) và các tinh thể (thể tích cỡ 1mm3

) Trong quang phổ Micro-Raman người ta có thể nghiên cứu các mẫu nhỏ có bán kính

cỡ 2µm

Chùm tia laser thì hầu như phân cực hoàn toàn, tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ

2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất

2.3.1 Phương pháp bơm năng lượng

Đối với hệ thuộc sơ đồ 3 hoặc 4 mức năng lượng, người ta dùng phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ nhờ bức xạ điện từ trường ngoài Đối với hệ 2 mức năng lượng thì không thể dùng phương pháp này, vì hệ hai mức năng lượng có hiện tượng bão hòa dịch chuyển

2.3.1.1 Hệ hai mức năng lượng

Khảo sát một hệ hai mức năng lượng E1<E2 Ở trạng thai cân bằng nhiệt động thì hạt được phân bố theo định luật Boltzmann với nhiệt độ bất kỳ thì nồng độ N2 <N1 Giả

sử hệ chịu tác động của điện từ trường ngoài với tần số

h

2 1 12

Vận tốc dịch chuyển lên và vận tốc dịch chuyển xuống sẽ bằng nhau:

kt

ht

M

M12 = 21 (2.15)

Khi đó hệ trở nên trong suốt đối với tần số ω12vì tốc độ hấp thụ và bức xạ bằng nhau Trạng thái đó gọi là trạng thái bão hòa của những dịch chuyển

Khi (E3−E2) > (E2 −E1) nghịch đảo nồng độ lại thực hiện ở hai mức E2 và E1 và

1

N > ′ Do đó, ở trường hợp thứ nhất bức xạ cảm ứng chỉ có thể xảy ra ở mức 2

3 → với tần số

h

2 3 32

N3 = N1 kT

E E

là N1

Thông thường E2−E1<<KTvà E3−E2 <<KT , do đó hàm mũ (1) và (2) có thể phân thành chuỗi, nếu chỉ lấy số hạng thứ nhất thì ta có:

) 1

N

N ≈ − −

(2.18)

) 1

3

1

N N

N

N′− ′ = +

(2.20) Thay (4) vào (5) ta được:

N N

N

N

2

1 2

1 3 1

3 1

3

Nếu dịch chuyển laser từ 2 → 1 thì N2 >N1′ Do đó

1 1 2 1

kT

E E

N

N = − − > ′ (2.22)

Từ đó suy ra:

1 2 1 3 1 2

E E

Kết luận trên chỉ đúng cho trường hợp khi chưa kể ảnh hưởng của những quá trình tích thoát mạnh Nếu quá trình tích thoát mạnh xảy ra (H2.10) giữa các mức E2 và E3thì thời gian sống của hạt ở mức E3 là τ3 sẽ rất nhỏ và thời gian sống của mức E2 là

2

τ lại rất lớn, mức E2 sẽ tích lũy mạnh và dịch chuyển laser lại là 2 → 1, cũng tương tự nghịch đảo nồng độ có thể dịch chuyển 3 → 2 nếu giữa những mức E3 và E2 sẽ xảy ra tích thoát mạnh

Hình 2.10: hiện tượng tích thoát mạnh

2.3.1.3 Hệ bốn mức năng lượng

Hình 2.11 Sơ đồ dịch chuyển của hệ 4 mức

Hệ sơ đồ 4 mức có nhiều ưu điểm hơn hơn với hệ sơ đồ 3 mức, nó tạo được nghịch đảo nồng độ lớn hơn, làm giảm tần số bơm xuống, không cần lớn hơn 2 lần tần

số bức xạ như hệ ở hệ sơ đồ 3 mức mà chỉ cần tần số 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

- Hình 2.11 a, bơm được thực hiện bằng cách làm giàu mức trên

- Hình 2.11 b, bơm được thực hiện ở cả hai dịch chuyển 1 → 3và 3 → 4một cách đồng thời gọi là bơm kép Mức laser dưới sẽ bị nghèo hóa rất mạnh và dịch chuyển laser sẽ là 2 → 1

- Hình 2.11 c, thì ∆E13=∆E24, do đó tần số bơm ωbơm>2ωbxạ như hệ sơ đồ 3 mức năng lượng

- Hình 2.11 d, có thể đồng thời dịch chuyển tự phát ω43=ω21 Năng lượng bơm

có tần số ω14 sẽ đồng thời làm nghèo mức dưới E1 của dịch chuyển tự phát 2 → 1và làm giừu mức trên là E4 của dịch chuyển tự phát 4 → 3

- Hình 2.11 e, tần số bức xạ lớn hơn tần số bơm, tần số bơm ω13=ω34 sẽ làm giàu mức trên mức 4 của dịch chuyển 4 → 2, nghịch đảo nồng độ sẽ thực hiện do xác suất dịch chuyển tích thoát 2 → 1 rất lớn

2.4 Các chế độ hoạt động của laser

2.4.1 Chế độ phát liên tục (continuous wave)

Laser chỉ có thể phát liên tục ở trạng thái dừng và khi tốc độ bơm Wp không phụ thuộc vào thời gian (bơm dừng)

2.4.2 Chế độ phát xung (Pulsed mode)

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng

là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên

bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

- Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

- Phương pháp kiểu khóa (modelocking)

- Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

2.4.3 Máy phát laser và nguyên lý hoạt động

2.4.3.1 Hoạt chất

Đây là môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó Cho đến nay nhiều chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn…đã được dung làm hoạt chất laser Người ta phân loại như sau:

- Hoạt chất là chất khí bao gồm:

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

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

+ Các khí phân tử như : CO2, CO, N2

+ Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử : He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như

- Buồng cộng hưởng chứa môi trường hoạt tính gọi là buồng cộng hưởng hoạt động Buồng cộng hưởng không chứa môi trường hoạt tính gọ là buồng cộng hưởng thụ động

- Khi khảo sát 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 phân bố trường (cấu rúc mode) ta chỉ khảo sát buồng cộng hưởng thụ động, môi trường giữa hai gương là đồng nhất lý tưởng

- Chức năng của buồng cộng hưởng:

+ Thực hiện hồi tiếp dương: môi trường hoạt tính có khả năng khuếch đại cường độ sóng đi qua nó theo quy luật (G G )L

e I

Cơ chế thực hiện

Giả sử dịch chuyển tự phát của một nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sáng Sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất Khi tới mặt 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 kia Tại đây sẽ xảy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản xạ ta thu được dòng bức xạ

có cường độ lớn

Hình 2.12: sự hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng

+ Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp: Do buồng cộng hưởng là hở nên những sóng lan truyền với những góc lệch tương đối lớn so với trục buồng cộng hưởng thì sau vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài Do đó, bức xạ laser có tính định hướng rất cao Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương, do bức xạ cảm ứng nên pha sóng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng không đổi nên bức xạ laser là kết hợp Nhờ có buồng cộng hưởng chọn lọc các dao động khác nhau (chọn lọc mode) ta thu được một dải phổ rất hẹp dài gần như đơn sắc

Các loại buồng cộng hưởng

- Buồng cộng hưởng quang học có nhiều dạng khác nhau: loại đơn giản và thông dụng nhất là hệ gồm hai gương phẳng đặt song song nhau Trong quang học

người ta gọi hệ cộng hưởng này là giao thoa kế Fabri-Perot Buồng cộng hưởng gồm hai gương phẳng đòi hỏi rất khắc khe về độ song song của các gương và vì thế rất khó chỉnh, nhưng nó lại cho bức xạ định hướng rất cao Loại này được sử dụng trong các loại laser rắn và laser bán dẫn

- Trong laser khí: buồng cộng hưởng có gương phản xạ thường là gương cầu hoặc gương parabol

- Buồng cộng hưởng đồng tiêu: gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng nhau được phân bố trên khoảng đúng bằng bán kính cong đó, nên tiêu điểm đó trùng nhau

- Buồng cộng hưởng cấu tạo bởi một gương phẳng và một gương cầu (laser rắn cũng thường dùng)

Ngoài ra còn có một loại các buồng cộng hưởng thẳng đặt nối tiếp nhau, hệ thống các gương lái chùm tia bức xạ, dùng phản xạ Bragg…để tăng công suất cho laser

Hình 2.13: Các loại buồng cộng hưởng

2.4.3.3 Bộ phận bơm hay kích thích

Đây là bộ phận để 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:

- Kích thích bằng ánh sáng hay bơm quang học, đây là loại kích thích phổ biến Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ

- Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm Sự truyền năng lượng kích thích này sang dạng kích thích năng lượng bức xạ của laser thường xảy ra phức tạp tùy theo từng loại laser

Các bộ phận trên không thể tách rời và là cơ cấu chính của một máy phát laser

2.4.3.4 Nguyên lý hoạt động của máy phát laser

Để có được ánh sáng laser thì cần phải có bức xạ kích thích Để có bức xạ kích thích phải có môi trường hoạt động, phương pháp cung cấp năng lượng cho môi trường sao cho tạo mật độ đảo lộn và tạo ra hồi tiếp dương trước khi ánh sáng thoát khỏi môi trường Quá trình kích thích môi trường laser gọi là quá trình bơm

Thực hiện những điều này bằng cách đặt môi trường hoạt động trong buồng cộng hưởng quang học Ánh sáng phát ra nếu đi đúng trục của hệ quang thì bị phản xạ nhiều lần tạo ra thêm nhiều bức xạ kích thích Còn ánh sáng đi lệch khỏi trục hệ quang thì biến mất khỏi hệ

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 là hạt ở mức 1 dịch

chuyển lên mức 3 Giả sử mật độ phổ khối có tín hiệu bơm đủ lớn để tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ laser ω32

Nếu đưa trong buồng cộng hưởng tín hiệu khuếch đại có tần số ω32thì trong buồng cộng hưởng sẽ hình thành sóng đứng do phản xạ Dưới tác dụng của sóng đứng, trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển những 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 sẽ duy trì hoạt động cho buồng cộng hưởng Nói cách khác năng lượng điện từ trong buồng cộng hưởng được bức xạ cảm ứng khuếch đại lên

Nhưng chúng ta cần kể đến tiêu hao trong buồng cộng hưởng, tiêu hao do 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 của năng lượng bức xạ cảm ứng P bx và tiêu hao tổng cộng P th Trong đó tiêu hao tổng cộng bằng:

h hc

P : Công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng

Nếu P bx+P v<P ththì 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 được đảm bảo khi công suất của bức xạ tín hiệu vào lớn công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng và trong hoạt chất nhưng nhỏ hơn công suất tiêu hao tổng cộng:

hc h v

bx

P > + > +

Chế độ tự kích của máy lượng tử sẽ tồn tại nếu: P bx >P th

Điều kiện tự kích của máy phát lượng tử sẽ được thỏa mãn nếu hệ số khuếch đại của môi trường k( )ω lớn hơn giá trị ngưỡng nào đó

Để đơn giản ta coi gương vào G1 có hệ số phản xạ r1=1 và gương ra G2 có hệ số phản

xạ r2 <1 Quá trình hình thành tự kích trong laser thực hiện khi tia bức xạ phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200-300 lần, sau mỗi chu kỳ phản xạ qua hoạt chất công suất bức xạ tăng lên Dựa vào khái niệm đó ta thiết lập điều kiện tự kích của máy phát laser Khi ánh sáng đập vào gương G1 thì một công suất sẽ 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 có phản xạ lớn nên ta có thể coi q= 0, do đó: r+t = 1

Giả sử tia sáng có công suất là P A =P0 bắt đầu truyền trong buồng cộng hưởng từ điểm

A tới điểm B tức qua chiều dài L của môi trường ánh sáng đã được khuếch đại lên

KL

e

P 0 Khi từ B phản xạ trở lại, mật độ công suất chùm tia sẽ là KL

e P

r2. 0. Khi trở lại tới A, tức tới gương G1 thì mật độ công suất sẽ là KL

e P

r2. 0. 2 Sau khi phản xạ từ gương

2 trở lại tới A và phản xạ tiếp, tức sau một chu kỳ, thì mật độ công suất chum tia là

C N

B

B

N

iK K

iK

Ki i

2

ωγ

h

Như vậy điều kiện tự kích của máy phát laser phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương, chiều dài thanh hoạt chất và tham số dịch chuyển của môi trường Đó là một vấn đề rất quan trọng trong lý thuyết cũng như trong thực hành Tuy nhiên muốn laser phát thì công suất bơm phải đủ lớn để đảm bảo được điều kiện nghịch đảo của ngưỡng đó

2.5 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học

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

Cho buồng cộng hưởng như hình vẽ 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 lan truyền theo phương hợp với Oz 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 (2.25)

q là số nguyên dương rất lớn (khoảng 106 với ánh sáng vùng quang học) Khi sóng truyền theo trục Oz: 2L=qλ (2.26) mỗi giá trị q đặc trưng cho một loại dao động cộng hưởng, mỗi bước sóng thỏa mãn công thức trên gọi là một mode dao động, mỗi mode thỏa mãn công thức (2.26) được gọi là 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: Khoảng cách tần số hay bước sóng đối với hai mode liên tiếp tỷ lệ nghịch với khoảng cách hai gương Để đơn giản ta xét mode dọc thỏa mãn công thức (2.26):

Lấy vi phân hai vế:

Pha hai mode liên tiếp dịch chuyển nhau một góc 2π

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

z= 2 ⇒ = ⇒ϕq = ω − 2π

Với mode thứ q+1 : ϕq+1 =(ωt− 2π(q+ 1 ))⇒ ∆ϕ =ϕq+1−ϕq = 2π