BIỆN LUẬN VỀ KẾT QUÁ THU ĐƯỢC
5.6. LASER DUNG HIEU UNG PHAN LY PHAN TU
Trong những năm gần đây người ta quan tâm nhiều tới loại Laser xung mà cơ chế hoạt động của nó dựa vào hiệu ứng phân ly phân tử.
Đó là sự phân ly phân tử thành những nguyên tử khi chiếu bức xạ vào phân tử. Nếu phân tử gồm có hai nguyên tử A; A; hap thu photon, thì phân tử sẽ phân ly thành hai nguyên tử A, va A, và nếu năng lượng của photon đủ lớn thì một trong hai nguyên tử được tách ra đó sẽ ở trạng thái kích thích, tức là:
(ho)+ (A, A) =A +A.
"Như vậy sự phân ly phân tử sẽ tạo tích lũy có chọn lọc một trạng thái kích thích nào đó của nguyên tử và có thể đùng trạng thái kích thích đó của nguyên tử để làm mức Laser trên. Sau khi bức xạ, những nguyên tử ( À; ) và (A; ) sẽ tái hợp với nhau và lại tạo thành phân tử (A;¡A; ) ở trạng thái ban đầu như lúc chưa bị phân ly và chu trình lại được lặp lại.
Như vậy, nguyên lý tạo nghịch đảo nồng độ ở đây khác với nguyên lý tạo nghịch đảo nồng độ mà chúng ta đã khảo sát trong phóng điện chất khí. Trong Laser đùng hiệu ứng phân ly phân tử này bơm được thực hiện bằng việc chiếu bức xạ thích hợp vào các phân tử khí ( hoạt chất). Phương pháp đó gọi là bơm quang học. Đèn bơm cần thỏa mãn hai yêu cầu cơ bản : đủ dài ( để chiếu toàn bộ chiều đài của bình khí ) và có phổ thích hợp cho sự phân ly các phân tử của hoạt chất. Phổ phân ly thường có độ rộng khoảng vài trăm A° nằm trong đoạn phổ ở đó năng lượng của photon bằng tổng năng lượng liên kết nguyên tử của phân tử và năng lượng của trạng thái Laser trên. Vì năng lượng liên kết thường lớn hơn 3 eV, nên năng lượng bơm phải nằm trong dải tử ngơại.
Như chúng ta đã biết, hiệu suất bơm rất quan trọng trong kỹ thuật Laser. Nhưng hiệu suất bơm lại phụ thuộc rất nhiều vào độ rộng của dai phé hấp thụ của hoạt chất. Laser dùng hiệu ứng phân ly phân tử có
210
được ưu điểm này so với loại Laser nguyên tử cũng dùng bơm quang học. Trong Laser nguyên tử dùng bơm quang học để tạo nghịch đảo nồng độ người ta dùng quá trình :
(hứ)+A = A"
Quá trình này cũng kích thích chọn lọc nguyên tử, nhưng vi cong hưởng ở đây quá nhọn, tức là năng lượng của photon kích thích phải đúng bằng năng lượng của trạng thái kích thích của nguyên tử. Do đó độ rộng của phổ hấp thụ chỉ rất hẹp, cỡ (~0,01A°) và làm cho hiệu suất bơm rất thấp. Do đó loại Laser nguyên tử dùng bơm quang học ít được dùng.
Còn đối với Laser dùng hiệu ứng phân ly phân tử thì độ rộng của dai hấp thụ rất lớn ( cỡ hàng trăm A° ) tức là hàng chục ngần lần lớn hơn độ rộng phổ hấp thụ của Laser nguyên tử. Do đó có thể chọn đèn bơm đễ đàng hơn và có thể dùng một số vạch phổ của phóng điện phân tử hoặc phổ liên tục của đèn dây tóc.
Tóm lại những ưu điểm của loại Laser này là :
1. Quá trình phân ly phân tử được dùng làm quá trình tích lũy chọn lọc cho trạng thái Laser trên, nó khác với Laser khí kiểu phóng điện ở chỗ, năng lượng của các điện tử trong platma của Laser phóng điện sẽ tiêu hao vô ích trong việc tích lũy rất nhiều trạng thái kể cả việc tích lũy cho trạng thái Laser dưới.
2. Không có platma, do đó Laser sẽ làm việc ổn định hơn, bởi vì như chúng ta đã biết trong platma có nhiều hiện tượng làm ảnh hưởng tới độ ổn định của bức xạ ví dụ những dao động cao tan, hiện tượng đồn khí, v.v...
3. Không có phóng điện do đó những hiện tượng tiêu khí hoặc thoát khí từ điện cực ra sẽ không tôn tại.Tuổi thọ của Laser sẽ lớn hơn và Laser sẽ làm việc ổn định hơn.
Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát kỹ nguyên lý làm việc và cấu tạo của Laser mà hoạt chất là hơi Tellure Bromure (TaBr). Bức xạ Laser được hình thành ở dịch chuyển 7 s” S„_>§8p” P”„; của nguyên tử 211
Tellure. Đèn bơm là đèn phóng điện thủy ngân và năng lượng bơm lấy từ một vạch cộng hưởng của nó.
Đồ thị năng lượng các trạng thái thấp của nguyên tử Te được biểu diễn trên hình 5.22 . Cấu hình trạng thái cơ bản của Te là 6s?óp'. Bằng những phương pháp đã dùng để khảo sát Heli và Neon, chúng ta dễ đàng tìm được tập hợp các số lượng tử đối với trạng thái cơ bản:
set, pai, sal
2 2
và được kí hiệu là ốp? P°,„.
Cấu hình 6s? 6p' cũng tương ứng với trạng thái J = 1 + 1/2 = 3/2 và là trạng thái kích thích đầu tiên của nguyên tử Te ( hệ thống ký hiệu các trạng thái kích thích của nguyên tử Te tương ứng với liên kết LS).
Ký hiệu rút gọn của trạng thái đó ( không kể phần đư của nguyên tử ) được viết 6s” P',„. Trạng thái này là trạng thái siêu bền vì địch chuyển quang học giữa các trạng thái của cùng một cấu hình sẽ bị cấm. Do đó trạng thái siêu bên 6p”P',„ sẽ chỉ được nghèo hóa do tích thoát va chạm.
E [emr'10°]
‡ Vạch tử ngoại của Hg
Ts?S¡
50
401 Q 3776A”
3116A OPPs
30 ° Tích thoát
1850A vachạm óp?P?„
Mức cơ bản
Nan; + 4
20 2337A° lượng của nguyễn tử Te
lien | 3.19€V
10 kết
Mức cơ bản của
0 phân tử TeBr
Hình 5-22 212
er
Những trạng thái kích thích sẽ xuất hiện khí một điện tử chuyển lên vành 7s. Cấu hình 6s? 7s! sẽ cho một tập hợp số lượng tử duy nhất là:
$=0;L'=0;J'=0;s=1/2;10 S=1/2;L=0;J=1/2
Cấu hình này sẽ tương ứng với trạng thái kích thích 7s? Sựa.
Trong phân tử BrTe, năng lượng liên kết của các nguyên tử bằng 3,19eV. Vì vậy giản đồ các mức năng lượng thấp của nguyên tử Te trong phân tử được biểu diễn trên hình 5.22, Quá trình tạo nghịch đảo nồng độ trong môi trường hoạt tính TeBr xảy ra như sau. Nhỡng phân tử TeBr hấp thu vạch bức xạ của thủy ngân 4 = 1850 A°. Nang lượng đó đủ làm phân ly phân tử. Ngoài ra cân bằng năng lượng còn phải bảo đảm sao cho khi phân tử bị phân ly thì nguyên tử Te sẽ tồn tại ở trạng thái kích thích 7s?S,;. Trạng thái 7s?S„ được tích lũy một cách chọn lọc đo có sự trùng hợp năng lượng của trạng thái đó của nguyên tử Te trong phân tử với năng lượng photon của bức xạ của thủy ngân.
Tích lũy chọn lọc trạng thái 782S\„ sẽ tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển 7s?S,„ ~> 6p°P^,„. Dịch chuyển này sẽ bức xạ ở bước sóng À = 5350A° (ánh sáng xanh). Mức Laser đưới sẽ được giải tỏa do tích thoát va chạm ở trong môi trường. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Laser TeBr được biểu điễn trên hình 5.23. Ống phóng Laser có đường kính khoảng 5mm và được bao một cách đồng trục bằng đèn phóng điện thủy ngân có đường kính 25mm. Như ta thấy Laser được cấu tạo theo kiểu gương ngoài, ở hai đầu ống phóng Laser có gắn hai cửa sổ Brewster. Giữa ống Laser và đèn thủy ngân có đệm bằng gốm. Ống phóng Laser được chế tạo bằng vật liệu đặc biệt Suprasin là loại vật liệu cho qua bức xạ tử ngoại A = 1850 A°. Bromure Tellure được đặt trong một bầu đặc biệt. Toàn bộ thiết bị (trừ gương) được đặt trong bình giữ nhiệt để đuy trì nhiệt độ làm việc ở 660°C, khi đó áp suất của hơi BrTe sẽ vao khoang 0,5 mmHg.
213
sàn Là tp:
Việc sử dụng vạch bức xạ A = 1850 A°của thủy ngân để làm phân ly BrTe không tối ưu vì quá trình phân ly lại nhạy ở bước sóng d= 2000A°. Vi vay tốt nhất nên dùng đèn bơm có bức xạ cực đại ở
^= 2000 A°
Trong chương này chúng ta đã trình bày một số loại Laser khí cơ bản.
Đèn phóng điện Hg
^“-è —= na“.
Bộ ổn nhiệt
TeBr Điện cực Hg |
Hinh 5.23. So dé nguyén lý cấu tạo của Laser TeBr.
Hiện nay có hàng chục loại Laser khí khác nhau. Nhưng trên cơ sở này chúng ta có thể đễ đàng tìm hiểu những loại Laser khác. Trong bảng 5-3 giới thiệu đặc tính của một số loại Laser khí thường gặp giúp các bạn có thể làm quen và tìm hiểu để ứng đụng.
Bảng 5-3. Đặc tính một số loại Laser khi thường gặp
Hoạt Dịch Dai phé bitc Điều kiện phóng điện
chất chuyển xa (um)
Argon Laser nguyên tử Phóng điện toả sáng trong Argon Arl 3d—2p 1,62:3,14 thuần, áp suất 0,05 mm Hg.
3p—3d
3p->2s
214
Neon 3s 2p 0,59+3,45 | Phóng điện toả sáng trong hỗn
Nel 2s—x2p hợp khí He-Ne, áp suất Neon :
3po2s 0,1 + 0,2mmHg ap sudt Heli. 0,5 +1 mmHg
4d—>3p 3s-3p
Kripton 3d—2p 1,69 + 5,30 | Phéng điện tỏa sáng trong
KrI 3p—92s Kripton thuần, áp suất 0,07 +
3p->2s 0,016mmHg
Xenon 3d — 2p 2,06 + 4,61 | Phóng điện toả sáng trong hỗn
Xe] 3p—2s hợp Xenon-Heli, áp suất Xenon
0,01: 0,04mmHg, áp suất Heli 1+2 mmHg
Argon. Laser Ion Phóng điện hồ quang dòng một
ion 4p-s4s | 0/45+ 0,543 | chiều áp suất 0,5mmHg, mật độ
hóa một đồng 100+1000 A/cm,
lần
Ar II
Argon 4p > 4s 0,32+0,42 |Phéng dién xung áp suất
ion hóa 0,01mmHg mật độ đồng100 +
hai lần 1.000 A/cm”. Phóng điện xung
Ar Ill ấp suất 0,01 mmHg, mat dé
dong 9000 A/cm’.
Kripton 5p > 5s 0,45 + 0,80 | Phóng điện xung, ấp suất 0,01
ion hóa mmHg mat d6 dong 1000A/cm?
một lần Kril
Xenon, 6p 35d 0,30 + 0,49 | Phóng điện xung, ấp suất 0,001
ton hóa mmHg mật độ đòng lớn hơn
hai lần 1000 A/cm”.
Xe HI
215
co, Laser phan tir Phóng điện tổa sáng trong hỗn 00°1 > 02°O 1,06 hợp CO;-He - N,, áp suất ~
00°1 —> 10°0 ImmHg
Nhánh P
Nitơ Dịch 10,77+11,04 | Phong điện tổa sáng trong hỗn (N,) chuyén dao hợp N; - N;O áp suất ~0,5mmHg.
động - quay
Nhánh P
Chú ý : Những dịch chuyển nguyên tử của khí hiếm theo truyền thống thường dùng hệ thống ký hiện Paschen
216
&
oor &
PHULUCA