Chương 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER 1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser. 1.1.1 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng. Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử. Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt thì có thể mô tả: E=h.υ -E: năng lượng -h: hằng số Plăng 6,025.10 -34 -υ: tần số sóng ánh sáng Nếu coi là sóng: λ.υ = c -λ: là bước sóng ánh sáng -c: vận tốc ánh sáng Mặc đù ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng hạt, song trong các tương tác của ánh sáng với các môi trường vật chất khác thường thể hiện tính chất sóng nhiều hơn, còn tính chất hạt chỉ có ý nghĩa khi mô tả tính lượng tử gián đoạn của vật chất vi mô ánh sáng. Cấu tạo lớp vỏ điện tử của nguyên tử: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp - s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp -6,10 số điện tử trong mỗi phân lớp Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài. Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể chuyển lên các mức cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển. Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng được gọi là các dịch chuyển quang học. Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử - còn gọi là hạt, tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định. - Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản - Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích thích 1 Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao, đó là quá trình kích thích. Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ,nhiệt. Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10 -8 đến 10 -10 giây. 1.1.2. Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser. Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 10 12 ÷10 14 Hz, ứng với bước sóng λ = 0,4 ÷ 3 µm. Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số υ xác định. Sóng ánh sáng truyền trong các môi trường dẫn quang và chân không chính là sự lan truyền của sóng điện từ. Khi sóng ánh sáng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là : S = F(t - z/v) - F là hàm mô tả dạng sóng dạng cơ bản thường là sin hoặc cos, thoả mãn phương trình sóng : Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian: Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng tính và đẳng hướng thì mặt sóng là các mặt cầu đồng tâm. Khi đó có sóng cầu mà phương truyền sóng là các đường xuyên tâm vuông góc với các mặt sóng gọi là tia sóng. Biểu thức của sóng cầu sin tính : 2 - gọi là số sóng. -a : biên độ sóng cầu tại r =1 đơn vị. -ω: tần số sóng. -ϕ 0 : pha ban đầu. (b)(a) λ λ z z Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳng Khi ở rất xa nguồn, một phần nhỏ của sóng cầu được coi là sóng phẳng. Sóng phẳng có các tia sóng song song và vuông góc với mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên đường truyền. Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng phẳng. Biểu thức sóng phẳng: Biểu diên theo Ơ-le: e i ϕ = cosϕ + isinϕ Hiệu pha hai mặt sóng tại hai điểm z 1 và z 2 ϕ 1 = ωt –kz 1 + ϕ 0 ϕ 2 = ωt –kz 2 + ϕ 0 3 ∆ϕ= ϕ 2 -ϕ 1 =k∆z = Như vậy, nếu các mặt sóng cách nhau một số nguyên lần bước sóng: ∆z =m λ với m= 1,2… thì hiệu pha là 2π khi đó cac mặt sóng là đồng pha. Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng và có tính đồng pha của 2 véc tơ E và H , tạo với v một tam diện thuận . Hình1. 2 Mô tả sóng điện từ ngang phẳng- ánh sáng Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó chỉ dao động trong mặt phẳng xác định chứa phương truyền v còn H dao động trong một mặt phẳng vuông góc với E thì sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân cực trùng với H. Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần E x và E y . khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là phân cực elíp. Khi E x =E y ta có ánh sáng phân cực tròn .Ánh sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn. Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại hai sóng phân cực cùng phương dao động thì sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng phương dao động nếu hai sóng thành phần có cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức: E 1 = a 1 cos(ωt+ ϕ 1 ) ϕ 1 = –kz + ϕ 10 E 2 = a 2 cos(ωt+ ϕ 2 ) ϕ 1 = –kz + ϕ 20 4 Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để xác định biểu đồ pha ϕ = (-kz+ ϕ 0 ) của sóng tổng hợp E = acos(ωt+ϕ) có kết quả: tg ϕ = 1 10 2 20 1 10 2 20 a a a a sin sin cos cos ϕ ϕ ϕ ϕ + + Hiện tượng giao thoa xảy ra: -nếu kz= const thì ϕ 10 -ϕ 20 = ϕ 1 - ϕ 2 = 0 thì A sẽ lớn nhất -nếu = = π thì A sẽ nhỏ nhất Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật độ năng lượng sóng được tính theo biểu thức sau: S= v.ω Khi tính theo cường độ sáng (hay độ rọi) - µ và ε là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường truyền sóng. Thường trong các tính toán về năng lượng sóng người ta chỉ tính với cho đơn giản. Khi biểu diễn sóng ánh sáng dưới dạng phức : 5 Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ: -C=3.10 8 m/s 1.2 Phát xạ kích thích sóng ánh sáng laser. 1.2.1 Nguyên lý phát xạ kích thích Anhxtanh Các hạt khi hấp thụ năng lượng sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ. Khi ở trạng thái kích thích, sau một thời gian tồn tại rất ngắn sẽ chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một phô tôn có mức năng lượng: E = hν = E i - E k -E i : mức năng lượng trên. -E k : mức năng lượng dưới. Quá trình trên được gọi là quá trình phát xạ tự nhiên. Hình 1.3 Tương tác giữa trườngbức xạ và các hạt 6 Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát xạ tự nhiên là hai quá trình thuận nghịch. Năm 1917 Anh-xtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích. Theo Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện tử có hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”. Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích: -Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích phải phù hợp với năng lượng của phô tôn kích thích. Đây là điều kiện cần của quá trình phát xạ kích thích. -Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số, biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích thích. Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên trạng thái ban đầu. Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của nguồn phát ánh sáng laser. Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser. 1.2.2 Điều kiện phát xạ bức xạ laser thành chùm tia laser. Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền theo hướng z trong môi chất laser có mức năng lượng N i , N k thoả mãn điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo định luật Bowger: I(z) = I(0) e - α z Hệ số hấp thụ: α= (c 2 /4πf 2 τ)( ln2/ π) 1/2 ( N k / ∆f) -τ: thời gian sống của vật chất trong môi trường -N k :Số hạt ở mức k -C: tốc độ ánh sáng trong môi trường đó -f và ∆f: tần số và độ rộng phổ của ánh sáng hấp thụ 7 Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích: I(z)= I( 0) e gz g: hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại: G = (c 2 /4πf 2 τ) ( ln2/ π)] 1/2 ( Ni/ ∆f) Quá trình hấp thụ và bức xạ là quá trình thuận nghịch. Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất: I(z) = I(0) exp [(c 2 /4πf 2 τ) ( ln2/ π) 1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- N k )z ] Nếu N i > N k thì I(z) tăng, ngược lại N i < N k thì I(z) giảm. Vậy điều kiện cần để nguồn laser có thể phát xạ ra tia laser là N i >N k .Trạng thái đó trong môi chất laser gọi là nghịch đảo mật độ tích luỹ. Nghịch đảo độ tích luỹ là trạng thái không bình thường. Nếu vật chât nằm ở nhiệt độ T của môi trường cân bằng nhiệt, thì phân bố mật độ các hạt theo luật Bonzerman: N 2 / N 1 = exp [-(Ei – E k ) / kT ] Với k là hằng số Bonzerman và luôn có N i < N k . Vậy để có hiệu ứng laser ta cần phải phá vỡ sự cân bằng nhiệt tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ với N i >>N k bằng quá trình bơm kích thích. Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng đường ∆z mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ lớn để đạt được độ khuếch đại cần thiết. Tuy nhiên kích thước của của môi trường laser bị hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật , vì vậy cần phải sử dụng một hệ 2 gương đạt song song đối xứng với nhau tạo nên một buồng cộng hưởng để tăng quang lộ của tia laser đi qua môi chất laser. Các mất mát khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt hai gương có hệ số phản xạ R 1 và R 2 nhỏ hơn 100% và sự không đồng nhất của môi trường laser làm giảm cường độ trên khoảng L cách giữa hai gương được xác định bởi hệ số -βz. Sử dụng biểu thức I(z)= I 0 e - β z ta có thể xác định được hệ số biến đổi cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường hoạt chất ở khoảng cách giữa hai gương. 8 Cường độ bức xạ laser sau khi đi qua hai gương và môi chất laser: I(z) = I(0) R 1 R 2 exp [-2β L(c 2 /4πf 2 τ) ( ln2/ π) 1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- N k )z ] Để đảm bảo khuếch đại ánh sáng thì cần thiết hệ số này phải lớn hơn 1. Khi logarit hai vế ta có: ( Ni- N k ) > (c 2 /4πf 2 τ) ( ln2/ π) 1/2 ( 1/ ∆f)( 2β L – 0,5ln R 1 R 2 ) Đây là điều kiện ngưỡng xác định độ nghịch đảo tối thiểu để hiệu ứng laser xuất hiện trên môi chất đã chọn. 1.3 Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser. 1.3.1 Môi chất laser: là chất làm môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser. Nó cần có các hiệu mức năng lượng tương ứng có khả năng dịch chuyển lượng tử cho phép ứng với tần số laser cần phát. Hiện nay, có khoảng trên 1000 chất có thể sử dụng làm môi chất laser. Ví dụ: laser Rubi AlO 2 có môi chất laser là Cr ++ , laser CO 2 là khí CO 2 ,Laser HeNe là Ne… Để phát xạ tia laser, môi chất laser cần phải được kích thích đạt độ nghịch đảo cần thiết để trở thành môi trường nghịch đảo. Quá trình kích thích là quá trình cung cấp cho các hạt của môi chất laser năng lượng cần thiết để các điện tử chuyển lên mức năng lượng laser trên làm tăng N i và làm suy giảm mật độ N k ở mức laser dưới. Tuỳ theo các loại môi chất laser có các dạng tạo độ nghịch đảo: 2, 3,4 mức song phổ biến dùng loại 3 và 4 mức 9 Hình1. 4 Sơ đồ các loại mức Laser Laser 2 mức ít dùng vì chóng bão hoà. Laser 3 có tần số bơm thường gần gấp đôi tần số laser Laser 4 mức hiệu suất bơm cao. Các biện pháp thực hiện nghịch đảo mật độ tích luỹ là: kích thích bằng ánh sáng, kích thích bằng điện tử, cộng hưởng cao tần… 1.3.2 Các dạng bơm kích thích. Bơm kích thích là khái niệm chỉ chung các bộ phận thực hiện việc cấp năng lượng để kích thích các phần tử của môi chất laser lên trạng thái kích thích để tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ. Phương thức thực hiện bơm phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại môi chất laser. Có mấy dạng chính sau: + Bơm quang học thực hiện dịch chuyển điện tử lên mức cao bằng hấp thụ ánh sáng như trong laser Rubi dùng đèn phóng điện chớp sáng. Các đèn thường dùng là đèn khí Xenon, Argon, He…. phổ đèn thường rộng hơn dải phổ hấp thụ của laser do dòng điện tử trong đèn đi qua khí. dạng bơm kiểu xung thường dùng cho các laser rắn. 10 [...]... kính khẩu độ số : -d: đường kính khẩu độ số -k: đối với phân bố đều là 1, 22 và đối với phân bố Gausse là 2/π Góc mở của một số laser thông dụng: HeNe θ 0, 2 -1 ’ Ar CO2 0, 5 -1 ’ 1- 1 0’ Rubi 1- 1 0 GaAs 2 0-2 00 Thuỷ tinh Nd 0, 5 -1 0 Để giảm góc mở của tia laser người ta thường dùng hệ vô tiêu Hình 1. 14 Hai dạng hệ vô tiêu Vì θ1D1 = θ2D2 , nếu chọn D1 < D2 thì 1 > θ2 Ví dụ: Laser HeNe có 1 =1. 1 0-4 độ nếu dùng hệ... laser thông dụng Nguồn laser Bước Độ rộng Chiều dài Số mod sóng đường phổ tự buồng cộng nằm trong (µm) nhiên (MHz) hưởng (cm) đường phổ ∆f/ (c/2d) HeNe 0.6328 17 00 10 0 ∼ 10 Ar 0.4880 3500 10 0 ∼ 20 0. 514 5 CO2 (áp suất 10 .6 60 10 0 1 thấp) CO2 (áp suất 10 .6 3000 10 0 ∼ 20 khí quyển) Rubi ở T0 0.6943 3 .10 5 10 ∼ 200 phòng Rubi ở 770K 0.6943 10 4 10 ∼6 6 Thủy tinh 1. 06 6 .10 10 ∼ 4000 Mêodim 15 Độ rộng đường phổ... tia laser Nếu trong tia laser chỉ có 1 mod ngang thì giá trị tuyệt đối hàm rất gần 1 ví dụ laser khí chất lượng cao Với laser khí liên tục: thời gian kết hợp tỉ lệ nghịch độ rộng phổ và giá trị tuyệt đối của hàm kết hợp không gian gần 1 khi laser làm việc ở chế độ một mod Ví dụ laser HeNe dài 1m làm việc ở một số mốt dọc là gần xấp xỉ 4 .1 0 -1 0s tương ứng độ dài kết hợp c∆t ≈ 12 cm khi ở chế độ 1 mod... 1. 9 Các loại buồng cộng hưởng thẳng a -2 gương phẳng b-:1phẳng 1 cầu c -2 gương cầu đồng tâm d -2 cầu đồng tiêu e - Guơng quay - Loại lăng kính quang với vận tốc lớn ( chế độ điều chỉnh hệ số phẩm chất) tạo xung laser có độ rộng nhỏ & công suất rất lớn + Dạng buồng vòng: 14 Hình1 10 Các loại buồng cộng hưởng vòng 1. 4 Các đặc điểm của tia laser Tia laser khác biệt ánh sáng thường: - Độ đơn sắc cao -. .. chiều trong laser bán dẫn với các hạt dẫn cơ bản gồm ion dương và điện tử Hình1 6 Kích thích bằng điện tử trong laser khí 11 + Kích thích bằng điện tử trong laser khí sự va chạm của điện tử chuyển động nhanh với các nguyên tử ở áp suất thấp từ 1 0-2 đến 1 tor, làm các phân tử và nguyên tử bị kích thích Trong laser khí, điện cực đựoc đặt trong ống laser là môi trường khí Điện tử bắn ra từ catốt dịch chuyển... pháp: - Dùng vật liệu có hệ số dãn nở thấp như hợp kim Invar - Điều khiển nhiệt độ, ổn định nhiệt các chi tiết cơ khí và dùng chân không - Với laser khí: ổn định nguồn cấp để duy trì hệ số chiết suất không thay đổi Bằng các biệp pháp như vậy người ta có thể tạo ra các laser 1 mod đạt độ rộng xấp xỉ 1KHz trong những khoảng thời gian ngắn -Khi ổn định thời gian dài: người ta sử dụng cơ cấu servo với laser. .. laser hai tần Laser 1 mod có công suất ra cực tiểu địa phương là võng Lemba Khi tần số laser nằm ở tâm đường phổ, Hệ gương được điều khiển bởi cơ cấu sensơ áp điện Sự ổn định tần số đạt được đến 20Hz trong thời gian ngắn Sự trôi tần số không quá vài chục Hz trong khoảng thời gian 1 giây 17 Laser HeNe một mod công nghiệp đạt 2KHz, sự ổn định nhiệt đến 1MHz và sự ổn định tần số dễ dàng đến 1 0-9 1. 4.2 Độ kết... ngang của laser HeNe làm việc ở chế độ liên tục Độ dài kết hợp của một số laser thông dụng: HeNe đa mod HeNe đơn mod Ar nhiều mod Nd, NAT Thủy tinh Neondin GnAs c.∆t= 20 cm 10 0.000 2 1 0.02 0 .1 Độ kết hợp đặc biệt rất quan trọng khi sử dụng ở: -Giao thoa kế: xác định phạm vi đo bởi độ dài giao thoa 20 -Kĩ thuật Hologram với đặc trưng không gian của các tia 1. 4.3 Đặc tính không gian của tia laser Đặc... trục y 21 Hình 1. 13.Phân bố năng lượng trong mod ngang Khi laser làm việc ở chế độ nhiều mod thì góc ra sẽ lớn hơn một mod ngang Khi các gương bị lỗi hoặc bụi bẩn sẽ làm cho laser chuyển sang mod ngang cao hơn: góc phân kỳ tia phụ thuộc số mod -x: số mod ngang -a: hệ số Khi đó góc ra của chùm gauss nó được gọi là giới hạn nhiễu xạ và góc của tia tính được trên góc tạo bởi tiết diện thắt ω0 Khi laser. .. mod Tuy nhiên hiệu ứng laser chỉ nảy sinh trên các mod nằm trong phạm vi giới hạn đường phổ của hoạt chất laser W W W ∆ful f 13 ful ful a)Phổ của buông cộng hưởng a)Phổ của môi chất laser f f a)Phổ của laser Hình1 8 Phổ phát xạ của laser Phổ tần số của laser gồm một số tần số rời rạc gọi là các mod dọc vì sự sai khác tần số là rất nhỏ so với tần số làm việc của laser nên bức xạ laser có thể coi là đơn . (cm) Số mod nằm trong đường phổ ∆f/ (c/2d) HeNe 0.6328 17 00 10 0 ∼ 10 Ar 0.4880 0. 514 5 3500 10 0 ∼ 20 CO 2 (áp suất thấp) 10 .6 60 10 0 ∼ 1 CO 2 (áp suất khí quyển) 10 .6 3000 10 0 ∼ 20 Rubi ở. ánh sáng. Cấu tạo lớp vỏ điện tử của nguyên tử: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 Với: - 1, 2,3: Chỉ số lớp - s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp -6 ,10 số điện tử trong mỗi. không gian gần 1 khi laser làm việc ở chế độ một mod. Ví dụ laser HeNe dài 1m làm việc ở một số mốt dọc là gần xấp xỉ 4 .10 -1 0 s tương ứng độ dài kết hợp c∆t ≈ 12 cm khi ở chế độ 1 mod thì c∆t