BIỆN LUẬN VỀ KẾT QUÁ THU ĐƯỢC
5.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA LASER KHÍ
Cấu tạo của Laser khí về nguyên tắc giống như sơ để khối của Laser nói chung đã khảo sát trong chương trước. Ống phóng điện chứa khí thường là một ống thủy tỉnh hoặc ống thạch anh đường kính khoảng từ 1 minimet đến vài centimet, còn chiều dài thì khoảng vài chục centimet đến vài chục mét. Ở gần hai đầu ống thường đặt các
175
điện cực. Catốt có thể là catốt oxyt hoặc catốt kim loại có nhiệm vụ phát xạ điện tử. Nếu là phóng điện cao tần thì điện cực được bao ở ngoài ống. Ống phóng điện phát xạ catốt 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.
Ống phóng khí thường được đặt ở giữa hai gương Laser tức 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 những giá gương này mà ta có thể điều chỉnh gương đến độ song song cần thiết.
Có hai cách bố trí gương hoặc đặt gương ngay trong ống phóng khí tức là gương được 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 cơ khí điều chỉnh gương đơn giản, không cần phải đòi hỏi bảo đảm 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 để tác dụng với khí và làm giảm chất lượng khí. Chế tạo ống phóng cũng đơn giản hơn vì không phải hàn nối giữa thủy tỉnh với kim loại. Độ bên của gương lớn hơn nhiều so với trường hợp gương đặt ở 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 để đàng thay thế riêng rế gương và ống phóng khi chúng bị hỏng, đồng thời có thể dễ dàng đặt vào trong buồng cộng hưởng những linh kiện điều chế hoặc chọn lọc 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, mà vấn để cơ bản là tiêu hao ở đầu của ống phóng điện, bởi vì ở hai đầu ống, ngoài việc phải bảo đảm chất lượng bể mặt cao, còn phải bảo đảm tiêu
hao nhỏ. Đầu ống phóng thường được gắn những tấm thủy tỉnh phẳng
song song. Tiêu hao ở đây cơ bản là do phản xạ từ hai mặt phẳng của 176
tấm thủy tính đó. Như chúng ta đã biết hệ số phản xạ từ bề mặt phân cách bởi hai môi trường có chiết suất khác nhau phụ thuộc vào góc tới, vào chiết suất và vào dạng phân cực của tia sáng.
a%
10
6 1 1,5 2 1
Hình 5.1. Sự phụ thuộc của œ vào chiết suất môi trường.
Nếu tia sáng đập vuông góc với tấm phẳng có hai mặt song song nhau thì tiêu hao sẽ chỉ phụ thuộc vào chiết suất của tấm phẳng đó và được xác định theo công thức sau:
n-1)
œ=200| —— 5-1
( n 4] 6-0
trong đó : n - là chiết suất của phiến ;
œ - là hệ số suy giảm tính theo phần trăm.
Sự phụ thuộc œ = f (n) được biểu diễn trên hình 5.1, với những giá trị n thường gặp, ta thấy tiêu hao ở tấm phẳng khá lớn từ 743%. Tiêu hao lớn sẽ làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng quang học và sẽ hạn chế tự kích phần lớn những địch chuyển trong chất khí.
Trong kỹ thuật Laser người ta dùng phương pháp sau để giải quyết vấn đề trên. Ta đã biết bất kỳ bức xạ có dạng phân cực nào cũng có thé 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 (hướng của mặt phân cực tổng hợp được
12- GTC§ 177
xác định bởi tỷ số biên độ của những bức xạ phân cực thành phần).
Nếu những bức xạ phân cực thành phần lệch pha nhau một góc không đổi thì bức xạ tổng sẽ là bức xạ phân cực clíp. Bức xạ tự nhiên không phân cực cũng có thể coi như xếp chồng hai bức xạ có phân cực vuông góc nhau, trong đó biên độ của những bức xạ thành phần bằng nhau, còn hiệu pha của chúng sẽ biến đổi hỗn loạn.
Như chúng ta đã biết khi bức xạ chiếu vuông góc vào tấm phẳng đặt ở đầu ống phóng khí thì tính phân cực không đóng vai trò quan trọng gì. Nhưng nếu bức xạ đập vào phiến 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 xa tới. Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng sẽ lớn nhất khi mặt phân cực vuông góc với mặt tới và hệ số phản xạ sẽ phụ thuộc vào góc tới theo luật.
h + ." 2
1, =| Se) sin(it+i) (5-2)
trong d6 : iva i' 1a géc tới và góc khúc xa (xem hình 5.2).
Còn nếu mặt phân cực của bức xạ tới trùng với mặt tới thì hệ số phản xạ lại cực tiểu và:
. 2
_| teG-i) 5-3
4 In] 6-3
178 Hình 5.2 Hình 5.3
Sư?
Những quan hệ (5 - 2) và (5 - 3) được biểu diễn trên hình 5.4. Đối với những bức xạ cú phương phõn cực bất kỳ thỡ sự phụ thuộc r = @ (ù) sẽ nằm trong hai giới hạn của r, va ry. Néu mat phân cực tạo với mặt
tới một góc bất kỳ thì:
7 Pr 73
rosin of 32D | scone] w=) | sing+i) tg +1) (6-4)
Từ hình (5 .3) ta thấy r„ sẽ bằng không tại một góc tới iạ nào đó, có nghĩa là nếu bức xạ đập vào tấm phẳng song song với một góc tới iạ, và bức xạ có mặt phân cực nằm trong mặt phẳng tới thì bức xạ sẽ truyền qua hoàn toàn, không bị tiêu hao tức là tấm phẳng được coi như trong suốt đối với bức xạ. Người ta gọi đó là định luật Brewster và góc tới ig gọi là góc Brewster, tên nhà vật lý người Anh.
Từ (5-3) suy ra rằng r„sẽ bằng không khi :
lạ +ẽạ =/2. (5 - 5)
Dua vao (5 - 5) và định luật khúc xạ:
ren (5-6)
sini
ta cé: tglạ=n.
Như vậy nhờ định luật Brewster chúng ta có thể giảm được tiêu hao ở đầu ống phóng khí. Muốn vậy, phiến phải đặt thế nào để cho pháp tuyến của nó lệch với trục ống một góc bằng góc Brewster. Bức xạ tự phát không phân cực nhưng hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng quang học lại chịu ảnh hưởng rất lớn đối với bức xạ có phân cực và phân cực đó lại do vi tri của phiến đầu ống tạo nên. Vì bức xạ cảm ứng lặp lại phân cực của bức xạ kích thích nó, do đó trong BCH sẽ hình
thành phân cực phẳng tương ứng với vị trí của cửa Brewster. Ống
phóng Laser khi đó sẽ có dạng như biểu diễn trên hình 5.4. Thực tế cũng cần chú ý rằng ngay khi tia tới của ánh sáng phân cực song song đập vào tấm phẳng đúng với góc Brewster iạ thì hệ số phản xạ cũng 179
không thể bằng không được, mà vẫn có một giá trị nào đó. Cơ sở lý thuyết của hiện tượng này ra ngoài khuôn khổ của công thức (5 - 2) và (5 - 4) mà chỉ có thể giải thích bằng sự tồn tại những lớp chuyển tiếp.
Người ta cho rằng giữa những chất có chiết suất khác nhau n¡ và n;
luôn luôn tôn tại những vi lớp có chiết suất biến đổi từ liên tục từ nạ sang nạ. Những vi lớp này có thể được hình thành đo tác dụng của không khí lên bể mặt, hoặc do hấp thụ khí.v.v... Chiêu dày của vi lớp rất nhỏ, chỉ vào khoảng vài phần mười bước sóng. Chính vì tại mặt phân cách giữa hai môi trường, chiết suất không biến đổi nhảy vọt mà biến đổi từ từ, mà tia sáng mặc dù đập vào tấm phẳng với góc Brewster nhưng vẫn có phản xạ. Tuy vậy hệ số phản xạ sẽ rất nhỏ, chỉ cỡ 0,1%.
Hình 5.4. Ống phóng Laser.
“Ngoài ra, còn phải kể đến tiêu hao do hấp thụ của tấm phẳng đó nữa. Tiêu hao này vào khoảng 2% trên lcm đối với thủy tính và khoảng 0,2% trên lem đối với thạch anh. Chiểu dày của tấm phẳng phải nằm trong khoảng 3 + 4mm để bảo đảm độ bền cơ học. Cho nên đối với cấu trúc kiểu gương ngoài nhất thiết phải kể đến các đạng tiêu hao ở đầu ống này.
Các dạng phóng điện đùng trong Laser khí thường là các dạng đã quen dùng trong đèn có khí mà chúng ta đã khảo sát trong giáo trình đụng cụ điện tử và bán dẫn.