Download miễn phí Chuyên đề Vật lý Laser và khả năng ứng dụng



Khi dùng bơm quang học, ánh sáng bơm tương tác với các hệ nguyên tử hoạt
chất để chuyển chúng lên trạng thái kích thích. Có hai quá trình sẽ đồng thời xảy ra:
quá trình hấp thụ ánh sáng để chuyển hệ nguyên tử từ mức 1 lên mức kích thích 2 và
quá trình bức xạ cưỡng bức và tự phát của các hệ nguyên tử từ mức 2 xuống mức 1.
Chúng ta xét quá trình trên xảy ra tại một lớp mỏng dx của môi trường hoạt
chất (xem hình 2). Do ánh sáng bơm đi dọc theo phương của trục buồng cộng hưởng
nên có thể bỏ qua bức xạ tự phát do chúng phát theo mọi phương


http://s1.liketly.com/flash/edoc/jh2i1fkjb33wa7b577g9lou48iyvfkz6-swf-2014-03-03-chuyen_de_vat_ly_laser_va_kha_nang_ung_dung.ov9rfLAqVL.swf /tai-lieu/de-tai-ung-dung-tren-liketly-61952/
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí

Tóm tắt nội dung tài liệu:

1
Chuyên đề 6
Vật lý Laser và khả năng ứng dụng
Cơ sở động học của Laser
Đ1: Cấu tạo của một máy phát Laser
Laser hay còn gọi là một máy phát lượng tử vùng quang học. Laser là tên viết
tắt mà các từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emssion of Radiation có
nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ cảm ứng.
Khi chúng ta thực hiện được một sự phản hồi cho môi trường khuếch đại ánh
sáng thì ta sẽ được một máy phát gọi là máy phát lượng tử ánh sáng.
Laser gồm có ba bộ phận chính là: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận
kích thích hay nguồn bơm.
1.1. Hoạt chất
Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.
Cho đến nay nhiều chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn v.v… đã được dùng làm hoạt chất
Laser. Chúng ta có thể tạm 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, H2O,…
+ Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như
CO2-N2-He, CO-N2-H2O,…
- Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha
trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như: Sm+3, Nd+3, Cr+3 v.v… Laser rắn điển hình là
Laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm ion Cr
+3 hay Laser YAG có hoạt
chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd
+3 v.v…
- Hoạt chất là chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe… Về cơ bản những hoạt
chất này phải là những chất phát quang.
Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software
For evaluation only.
2
- Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như peperidin Eu (BA)4
hòa tan trong dung môi rượu ethanol+methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3,
Nd3… Hoạt chất cũng có thể là các chất màu hữu có như Rôđamin B (RhB),
Rôđamin 6G (Rh6G), Cumarin…
1.2. 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 thay được bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu
cầu. Vai trò 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 được khuếch đại lên. Hai gương phản xạ có thể
để xa hoạt chất hay gắn chặt với nó. Buồng cộng hưởng có thể có hai hay nhiều
gương, là cộng hưởng tuyến tính hay cộng hưởng vòng tùy theo đường đi của tia
sáng trong cộng hưởng là dạng thẳng (hay gấp khúc) hay là đường vòng khép kín
1.3. Bộ phận kích thích hay nguồn bơm
Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy
trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của Laser.
Tùy theo các loại Laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau.
Nói chung có thể phân loại:
- Kích thích bằng ánh áng háy gọi là 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 năng lượng bức xạ của tia Laser thường xảy ra
phức tạp tùy theo loại Laser.
Cả ba bộ phận kể trên không thể tách rời và là cơ cấu chính của một máy phát
Laser. Mô hình tổng quát của một máy Laser xem hình 1.
Hình 1
1. Các gương phản xạ, 2. Hoạt chất, 3. Bộ phận kích thích
2
3
1 1
Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software
For evaluation only.
3
Đ2: Lý thuyết của A. Einstein về bức xạ cảm ứng
Năm 1917 A. Einstein đã phát triển quan điểm lượng tử về ánh sáng của
M. Planck đưa ra lý thuyết về bức xạ cảm ứng mà nó là cơ sở cho hoạt động
của Laser.
Chúng ta khảo sát tương tác của bức xạ điện từ có tần số 21 với một hệ
nguyên tử (khối chất) giả thiết chỉ có hai mức năng lượng là E1 và E2.
Mức E1 là mức cơ bản còn E2 là mức kích thích. Theo lý thuyết của Einstein
có thể xảy ra các quá trình bức xạ và hấp thụ như sau:
2.1. Bức xạ tự nhiên
Trong khối chất ở trạng thái kích thích, các
nguyên tử ở trạng thái kích thích là trạng thái không
bền vững. Do đó các nguyên tử ở trạng thái kích thích
thường “tự nhiên” trở về trạng thái cơ bản không cần
một tác động nào từ bên ngoài. Khi chuyển dời như
vậy mỗi nguyên tử phát xạ một Phôtôn và quá trình phát xạ như vậy gọi là quá trình
phát xạ tự nhiên. Giữa những cặp mức năng lượng khác nhau khả năng xảy ra phát
xạ tự nhiên là khác nhau. Khả năng này được đặc trưng bằng xác suất chuyển dời
được xây dựng từ lý luận sau:
Xét một đơn vị thể tích khối chất. Giả sử ở thời điểm t=0, mức E2 có n2(o)
nguyên tử (hạt), còn ở thời điểm t số nguyên tử ở mức E2 là n2(t). Tốc độ biến đổi số
hạt ở mức E2 do phát xạ tự nhiên ở thời điểm t sẽ tỷ lệ với số hạt n2(t) ở mức này. Hệ
số tỷ lệ A21 phụ thuộc vào khả năng chuyển dời giữa hai mức đó được gọi là xác suất
chuyển dời:
)(
)(
221
2 tnA
dt
tdn
tn





 (1)
Dấu (-) trong biểu thức trên chỉ ra rằng chuyển dời tự nhiên này làm giảm số
hạt ở mức E2. Nghiệm của (1) là:
tAeontn 21)()( 22
 (2)
E2
E1
h21
Generated by Foxit PDF Creator â Foxit Software
For evaluation only.
4
Sau một khoảng thời gian
21
1
A
t  số hạt ở mức E2 là: )(
1
)( 22 on
e
n  tức là
số hạt giảm đi e lần.
Nếu A21 là lớn thì  nhỏ và tốc độ biến đổi hạt hay tốc độ hạt thoát khỏi E2 càng
lớn hay thời gian sống của hạt ở E2 càng nhỏ. Vì vậy  có ý nghĩa là thời gian đặc
trưng, gọi là thời gian sống của trạng thái kích thích 2. Thông thường  vào cỡ 10-8s.
2.2. Bức xạ cảm ứng
Nếu khối chất vừa nói trên nằm trong trường điện từ gồm các Phôtôn có tần số
21 thỏa mãn đẳng thức:
h21=E2-E1
Thì dưới tác dụng của trường điện từ này số nguyên tử (hạt) ở mức E2 cũng
giảm đi. Các nguyên tử sẽ chuyển từ mức E2 về mức E1. Chuyển dời trong trường
hợp này không mang tính chất tự phát mà do tác dụng của trường điện từ ngoài. Vì
vậy ta gọi là hiện tượng bức xạ cảm ứng.
Tốc độ thay đổi số hạt ở mức E2 này sẽ tỷ lệ với số hạt n2(t), với mật độ năng
lượng của trường điện từ (21). Đưa vào hệ số tỷ lệ B21 ta có thể viết:
)()(
)(
22121
2 tnB
dt
tdn
 (3)
So sánh (3) với (1) ta thấy (21)B21 chính là xác suất của quá trình bức xạ
cảm ứng.
Sự bức xạ cảm ứng có các đặc điểm quan trọng sau:
* Bức xạ có tần số bằng tần số của bức xạ kích thích.
* Phương phân cực của bức xạ cảm ứng và của bức xạ kích thích trùng nhau.
2.3. Hấp thụ cảm ứng
Các nguyên tử ở mức năng lượng E1 có thể hấp thụ Phôtôn h21 của trường
ngoài để chuyển lên mức năng lượng E2. Chuyển dời như vậy gọi là hấp thụ cảm
ứng. Tốc độ thay đổi số hạt ở mức E2 bây giờ tỷ lệ với số hạt n1(t) ở mức E1, với mật
độ năng lượng của trường điện từ (21). Đưa vào hệ số tỷ lệ B12 ta có th

---