Tài liệu Laser bán dẫn và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ
 TÊN ĐỀ TÀI : LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Luận văn tốt nghiệp Ngành SP VẬT LÝ – TIN HỌC GV hướng dẫn: ThS. Dương Quốc Chánh Tín. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Pha Lớp SP Lý –Tin, K34 MSSV 1080291 Cần Thơ, 2012 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN LỜI CẢM ƠN Khi nhận được đề tài trong lòng em không tránh khỏi trước sự bỡ ngỡ và lo lắng, không biết mình có hoàn thành tốt đề tài hay không. Nhưng với sự hướng dẫn tận tình, sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu và thực hiện,cuối cùng đề tài của em củng hoàn thành. Đó củng là nhờ vào sự cố gắng và nỗ lực của bản thân trong thời gian học tập và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong những tháng qua. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trường Đại Học Cần Thơ, và các thầy cô ở bộ môn vật lý đã truyền đạt cho em kiến thức quý báu. Đặc biệt em chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến để em hoàn thành tốt đề tài một cách nhanh chóng. Em xin chân thành cảm ơn những tác giả của các tài liệu, đã cung cấp cho em nguồn thông tin chính xác, hỗ trợ em trong việc thực hiện tốt đề tài. Em cũng xin cảm ơn đến các bạn cùng lớp đã ủng hộ và chia sẽ kinh nghiệm để em thêm kiến thức và tư liệu để bổ sung đề tài. Em xin cảm ơn đến gia đình và những người thân nhất của em vì họ là chổ dựa tinh thần và là nguồn động viên trong thời gian em thực hiện đề tài. Sau cùng em xin gửi quý thầy cô lời chúc sức khỏe và hạnh phúc. Tuy đã rất cố gắng nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Pha LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN MỤC LỤC PHẦN I. MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................................... 3 2. GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. ................................................................ 3 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI.................................................................................. 3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. ........................................................................ 3 5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. ................................................................................... 3 PHẦN II. NỘI DUNG ...........................................................................................................4 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LASER. .............................................................4 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của laser. .............................................................................. 4 1.2 Khái niệm về laser. .............................................................................................................. 4 1.3 Giới thiệu các loại laser....................................................................................................... 4 1.3.1 Laser khí........................................................................................................................ 4 1.3.2 Laser rắn. ...................................................................................................................... 5 1.3.3 Laser màu...................................................................................................................... 5 1.3.4 Laser bán dẫn. .............................................................................................................. 5 1.4 Các ứng dụng của laser....................................................................................................... 5 CHƯƠNG II. CƠ SỞ VẬT LÝ LASER. .............................................................................7 2.1 Cơ sở hình thành ánh sáng laser........................................................................................ 7 2.2 Dịch chuyển quang học. ...................................................................................................... 7 2.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ. ....................................................................................... 9 2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser. .............................................................................. 11 2.5 Cấu tạo một laser. ............................................................................................................. 13 2.5.1 Môi trường hoạt chất. ................................................................................................ 13 2.5.2 Buồng cộng hưởng quang học. .................................................................................. 14 2.5.2.1 Cấu tạo. ................................................................................................................. 14 2.5.2.2 Chức năng BCH. .................................................................................................. 15 2.6 Các loại BCH. .................................................................................................................... 16 2.7 Gương điện môi. ................................................................................................................ 17 2.8 Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng. ....................................................................... 19 2.9 Chọn lọc mode. .................................................................................................................. 21 2.9.1 Chọn lọc mode xiên. ................................................................................................... 22 2.9.2 Chọn lọc mode dọc...................................................................................................... 22 2.10 Tính chất của laser. ......................................................................................................... 23 2.10.1 Tính cường độ lớn. ................................................................................................... 23 2.10.2 Tính định hướng của laser....................................................................................... 24 2.10.3 Tính đơn sắc. ............................................................................................................. 24 2.10.4 Tính kết hợp của laser.............................................................................................. 25 CHƯƠNG III. LASER BÁN DẪN.....................................................................................26 3.1 Một số tiêu chuẩn của vật liệu bán dẫn........................................................................... 26 3.2 Một số đặc điểm của laser bán dẫn. ................................................................................ 26 3.3 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn. ................................................................. 28 3.3.1 Chất bán dẫn thuần.................................................................................................... 28 LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 3.3.2 Bán dẫn pha tạp.......................................................................................................... 30 3.4 Tiếp giáp P - N. .................................................................................................................. 31 3.4.1 Tiếp giáp P - N được phân cực thuận. ...................................................................... 31 3.4.2 Tiếp giáp P - N không được phân cực. ..................................................................... 34 3.4.3 Điều kiện nghịch đảo nồng độ trong môi trường bán dẫn tinh thể ....................... 36 3.5 Cấu trúc tiếp giáp dị thể p - n. ......................................................................................... 38 3.6 Các phương pháp kích thích và nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn. ................. 41 3.6.1 Phương pháp kích thích bằng điện trường. ............................................................. 41 3.6.2 Phương pháp phun dòng tải điện qua lớp tiếp xúc p - n. ....................................... 41 3.6.3 Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích. ..................................................... 43 3.6.4 Phương pháp bơm quang học. .................................................................................. 44 3.7 Các loại laser bán dẫn....................................................................................................... 45 3.7.1 Laser bán dẫn dạng phun. ......................................................................................... 45 3.7.2 Laser bán dẫn dùng bơm quang học. ....................................................................... 45 CHƯƠNG IV. CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER BÁN DẪN ..............................................47 4.1 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong đời sống. .............................................. 47 4.1.1 Dùng trong máy in laser............................................................................................. 47 4.1.2 Máy đọc mã vạch trong các siêu thị.......................................................................... 50 4.1.3 Đọc và ghi đĩa DVD, CD. ........................................................................................... 51 4.2 Các ứng dụng cơ bản của laser bán dẫn trong y học: ................................................... 54 4.3 Ứng dụng laser bán dẫn trong khoa học kỹ thuật. ........................................................ 56 4.3.1 Ứng dụng laser để tạo ra vũ khí hạt nhân: .............................................................. 56 4.3.2 Chế tạo máy laser lớn nhất thế giới .......................................................................... 56 4.3.3 Nam châm hoạt động bằng ánh sáng: ...................................................................... 57 4.3.4 Dùng laser di chuyển xung sáng trong khí lạnh ...................................................... 57 4.3.5 Chế tạo thiết bị điều khiển giúp người tàn tật đi lại. .............................................. 57 4.3.6 Nghiên cứu hóa sinh hiện đại. ................................................................................... 58 4.4 Ứng dụng laser bán dẫn trong vũ trụ.............................................................................. 59 4.4.1 Trong quang học phi tuyến........................................................................................ 59 4.4.2 Trong thông tin liên lạc.............................................................................................. 60 4.4.3 Tia laser phóng tàu vũ trụ. ........................................................................................ 60 4.4.4 Cầu nối laser giữa các vệ tinh.................................................................................... 62 4.4.5 Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimet .................................. 63 PHẦN III. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................64 3.1 KẾT LUẬN. ....................................................................................................................... 64 3.2 KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 64 3.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO. .................................................................................................65 LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN PHẦN I. MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Đến cuối thế kỷ XIX vật lý học đã phát triển mạnh mẽ trên tất cả mọi lĩnh vực như cơ học, nhiệt học, điện học, quang học nên dẫn đến hình thành một nền công nghiệp đồ sộ và hiện đại. Với laser là một lĩnh vực nóng bỏng nhất hiện nay. Với nhiều tính năng vượt trội nhất. Chỉ cái đèn trỏ nhỏ xíu bằng chiếc pin tiểu chiếu lên tường ở xa hơn nữa cây số mà vẫn thấy vết sáng đỏ rực. Hơn thế, các đĩa VCD nhìn mắt thường chỉ thấy vết sáng ánh kim thế mà tia laser của đầu đọc đĩa VCD có thể lần theo những vòng tròn trên đĩa để nhận ra hàng tỉ các chấm gạch và biến thành nhạc nỗi, hình ảnh màu sắc sóng động. Không chỉ vậy, ở các siêu thị các nhân viên chỉ cần cầm máy đọc mã vạch quét nhẹ thì đã tính được số tiền. Và còn nhiều tính năng ưu việt khác. Vậy laser là gì? Có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào? Mà laser lại làm được những điều kỳ diệu như vậy. Và loại laser nào là phổ biến và ứng dụng hiệu quả cao nhất hiện nay. Vì muốn tìm hiểu để giải thích những câu hỏi đó nên đó là lí do em chọn đề tài này. 2. GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. Do thời gian, kiến thức và điều kiện còn hạn chế nên đề tài chỉ nghiên cứu những vấn đề cơ bản nhất như cơ sở nguyên lý hoạt động của laser. Chứ không đi sâu vào kỹ thuật laser. Vì điều kiện không cho phép nên đề tài chỉ nghiên cứu trên cơ sở về lý thuyết mà không đi sâu vào thực hành. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. Tìm hiểu được laser là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser, tìm hiểu sâu hơn về đặc điểm chung của laser bán dẫn, nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn và ứng dụng của laser bán dẫn. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. Đề tài nghiên cứu lý thuyết, lý thuyết vật lý lượng tử, cơ sở vật lý laser, cơ sở kỹ thuật laser, ứng dụng vật lý laser. Đọc tài liệu, tư liệu, sách, báo, internet, các vấn đề liên quan đến đề tài, từ đó rút ra nhận xét trao đổi với giáo viên hướng dẫn. 5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. Đề tài được thực hiện từ tháng 6/2011 đến 5/2012 trải qua các bước sau : B1 Nhận đề tài xác lập nhiệm vụ mục tiêu đề tài. B2 Nghiên cứu đề tài, viết đề cương nộp cho giáo viên hướng dẫn. B3 Trao đổi với giáo viên hướng dẫn và tiến hành thực hiện đề tài. B4 Viết báo cáo và sửa chữa đề tài theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. B5 Báo cáo. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LASER. 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của laser. Laser (Light Amplification by stimulated Emisson of Radiation) là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Từ phát minh ra lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein năm 1917. Đến được quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của Fabricant, giáo sư trường đại học năng lượng Moskva năm 1940, là cơ sở để Townes, nhà vật lý người Mỹ đã phát minh ra máy khuếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích. Sau đó, tháng 2 năm 1960, Maiman đã chế tạo ra laser Rubi, một laser đầu tiên trên thế giới được ra đời. Cách vài tháng sau, tháng 6 năm 1960, Javan đã chế tạo ra laser khí He-Ne, đây là một chiếc máy đầu tiên của một loại laser mới là laser khí. Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu và chế tạo laser. Vì vậy mà sau đó các loại laser khác được chế tạo, như laser màu với môi trường hoạt tính của nó là một chất lỏng mang màu, đó cũng chính là dung dịch thuốc nhuộm, nhưng laser màu còn nhiều yếu điểm, để khắc phục yếu điểm đó năm 1980 laser Rắn được ra đời đã phần nào cải thiện được hiệu quả. Nhưng laser rắn lại có một nhược điểm có thể nói là cồng kềnh. Người ta muốn cho tiện lợi và đỡ tốn kém chi phí nên một laser nữa được ra đời. Đó là laser bán dẫn. Một laser gọn nhẹ nhưng mang lại độ tin cậy và hiệu quả rất cao. 1.2 Khái niệm về laser. Laser là tên của những chữ cái đầu tiên của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’’(Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt). Nói cách khác, 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 nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời. 1.3 Giới thiệu các loại laser. Trong số rất nhiều loại laser khác nhau, thì có 4 loại laser cơ bản được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trong khoa học kỹ thuật. 1.3.1 Laser khí. Ngày nay laser khí được sử dụng tương đối phổ biến và có giá bán rẻ và vậy mà người ta chế tạo với số lượng tương đối lớn. Trong đó thông dụng là các laser He-Ne, laser Ne-Ne, laser CO2. Với môi trường hoạt tính của laser là hỗn hợp các chất khí ở thể nguyên tử heli và nion, được bom vào một ống mao dẫn ở áp suất vài trăm pascal. Các loại laser này được ứng dụng làm các dụng cụ để điều chỉnh cho các hệ cơ và quang học… LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 1.3.2 Laser rắn. Laser rắn là loại laser cổ nhất “Maser quang học” của Maiman 1960, dùng tinh thể ruby làm môi trường hoạt tính. Đó là đơn tinh thể saphir có pha tạp 0,05% ion crôm. Nhưng ngày nay người ta dùng laser neodym-YAG (nd-YAG), với môi trường hoạt tính ở đây là một đơn tinh thể nhân tạo ytri-nhôm (al)-granat (YAG) có 1% các ion Y+3 được thay bởi các ion đất hiếm Nd+3. Laser rắn có ứng dụng nhiều trong y học và trong công nghiệp. 1.3.3 Laser màu. Laser màu được phát minh vào năm 1966 bởi F.P.Schafer và các cộng tác viên ở viện hóa lý, trường đại học tổng hợp Marburg (Đức) và P.Sorokin và J.R.Lankard ở IBM Watson Research centrer (trung tâm nghiên cứu của cty IBM) ở New York. Môi trường hoạt tính là các dung dịch lỏng như dùng các chất hữu cơ hòa tan trong cồn hay nước, hoặc các dung môi chất hữu cơ khác. Chất màu thông thường là thuốc nhuộm, ưu điểm ở đây là số lớn chất màu có hoạt tính quang học, và miền phổ phát xạ rất rộng. Nhờ đó laser màu tạo được xung siêu ngắn, hiện nay đã đạt tới 4 femtogiây (10-15s). Với xung này chúng ta có thể bom một laser tia X để nghiên cứu cấu trúc sinh học bằng một kính hiển vi tia X. 1.3.4 Laser bán dẫn. Vào năm 1960, nhờ sự kết hợp tài tình giữa laser (quang học) và điện tử, người ta đã chế tạo ra laser bán dẫn hay laser diôt. Từ đó laser bán dẫn đã dành cho mình một thị trường lớn, tới hàng trăm triệu USD.Laser bán dẫn không chỉ gọn nhẹ mà còn mang lại tính tin cậy cao. Với sự tiến bộ của laser bán dẫn, ngày nay dùng trong truyền thông, người ta dùng các xung ánh sáng của laser bán dẫn để truyền trong môi trường truyền thông. Laser bán dẫn luôn đi cùng với sự phát triển quang học ít bị mất mát. Vì hệ truyền thông quang học có ưu điểm : - Dung lượng truyền lớn. (hệ quang gấp 4 bậc độ lớn so với hệ điện). - Tỉ lệ mất mát thấp. (nhỏ hơn 2 bậc độ lớn so với hệ điện). - Tỉ lệ sai hỏng nhỏ. Tuy vậy laser bán dẫn hiện nay vẫn chưa đủ lí tưởng cho ngành truyền thông quang học vì mất phải một nhược điểm là: tính đơn sắc của laser bán dẫn yếu, nên bước sóng này chuyển động trong sợi quang học với các vận tốc khác nhau thì tín hiệu bị biến dạng. Để khắc phục yếu điểm đó người ta dùng laser C3, đó là một laser có buồng cộng hưởng tách ra rồi ghép nối lại (thật ra, đó chỉ là một sự ghép nối hai laser bán dẫn thông thường có định hướng để sao cho chúng tương tác quang học với nhau, nhưng về mặt điện phải độc lập với nhau). 1.4 Các ứng dụng của laser. Người ta thường nói “nhanh như ánh sáng” có nghĩa là tốc độ rất nhanh vào khoảng 300000km/s, nhưng nói “nhanh như laser” có nghĩa là cực nhanh, tắt nhanh, có để đến femtô giây. Chính vì nhanh và mạnh mẽ như thế laser có nhiều ứng dụng quan trọng. Một số ứng dụng nhiều nhất là: Dựa vào khả năng tập trung của laser một chấm nhỏ cực sáng,điều khiển được với tốc độ cực mạnh. Dùng để đọc mã vạch, đọc thẻ thư viện, xử lí quang học... Ngoài ra người ta dùng các laser có công suất lớn để truyền tin đi xa và điều biến tần số để tải tín hiệu, hàn, điều trị các bệnh nan y, nấu chảy trong công nghiệp. Định hướng đường hầm trong LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN công nghệ đào hầm trong lòng đất. Đặc biệt laser có tính đóng mở trong thời gian rất ngắn, trong khoảng femto giây nên được dùng để theo dõi những quá trình xãy ra rất nhanh như quá trình kết hợp, quá trình phân li các nguyên tử, phân tử...Đến đây có một vấn đề đặc ra là thật ra laser có cấu tạo như thế nào mà lại có khả năng ưu việt đến thế. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN CHƯƠNG II. CƠ SỞ VẬT LÝ LASER. 2.1 Cơ sở hình thành ánh sáng laser. Theo những khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử, khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất (thuật ngữ vật lý học gọi là hệ vật lý tượng tử) thì chùm ánh sáng sẽ yếu dần đi do bị hấp thu bởi môi trường vật chất. Bản chất quá trình bị hấp thu ấy là các hạt ánh sáng (photon) đã truyền năng lượng kích hoạt các phân tử vật chất “nhảy” từ trạng thái ổn định A lên một trạng thái B với mức năng lượng cao hơn. Vì B là một trạng thái không ổn định, nên sau một thời gian nhất định, các phân tử đang ở mức B lại “nhảy” về mức A và trong lúc “nhảy về” đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng bằng năng lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay gì trả nấy”. Đó là hiện tượng bức xạ. Tuy nhiên các hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ lệ với số phân tử có ở mức B, mà số phân tử ở trạng thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A. Các photon bức xạ này phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi là bức xạ tự do. Khi ta làm cho các photon tương tác với các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về A sớm hơn và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt. Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao nhất, rồi được chọn lọc và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính chất giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser. Như vậy nguyên lý của máy phát laser chính là làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu đi để có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở mức A, như vậy số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa. Khi đó, bằng các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra một chùm ánh sáng đơn sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng, có bước sóng gần tương đương và có độ tập trung cao. Đó chính là laser. 2.2 Dịch chuyển quang học. Dịch chuyển quang học là dịch chuyển có kèm theo bức xạ hấp thụ hoặc bức xạ điện từ. Ngay khi không có tác động nào ở bên ngoài vào hệ thì hạt củng tồn tại ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn nào đó và ở một thời điểm tùy ý nào đó hạt sẽ dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức năng lượng thấp hơn, khi đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện từ(photon). Quá trình đó gọi là bức xạ tự phát, vì cường độ bức xạ không phụ thuộc vào tác động bên ngoài. Quá trình bức xạ được mô tả bằng mô hình : A**
A* + (hω ) (1-1) ** Trong đó A là hạt ở trạng thái kích thích thấp. A* là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn. ( hω ) là năng lượng photon. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN Quá trình quang học thứ hai trong môi trường là quá trình hấp thụ năng lượng. Hạt tương ứng với photon có thể hấp thụ photon và dịch chuyển sang trạng thái ứng với mức năng lượng cao hơn. Quá trình đó được mô tả như sau : A* + ( hω )
A** (1-2) Năng lượng của photon khi đó phải bằng hiệu hai mức năng lượng của dịch chuyển. Quá trình hấp thụ năng lượng này khác với quá trình bức xạ tự phát không chỉ về năng lượng mà chính ở chổ nó phụ thuộc vào tác động bên ngoài. Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường sẽ xãy ra mạnh hơn, do đó vận tôc của quá trình sẽ được xác định khhong chỉ bằng nồn độ của mức thấp Nk mà còn phụ thuộc vào mật độ phổ khối ζ ki của tần số dịch chuyển, tức là phần năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích của chùm bức xạ trong một đơn vị quãng phổ : M ikht = Bki .ζ ki . N k (1-3) Với Bki là hệ số tỉ lệ có thứ nguyên là [cm3 .Joule.sec-2] và đặc trưng riêng có dịch chuyển đó, còn có thư nguyên là Joule/cm3 . Hz = Joule.sec.cm-3. Xác suất hấp thụ sẽ được xác định bởi các tích số Bki. ζ ki .Như vậy, rõ ràng xác suất hấp thụ sẽ phụ thuộc vào mật độ phổ khối cảu bức xạ ở tần số dịch chuyển. Công suất hấp thụ của một đơn vị thể tích của môi trường sẽ là : p htki =Mki hωik = Bki ζ ki .Nk. hωik (1-4) Ngoài hai quá trình hấp thụ và bức xạ kể trên còn có một quá trình nữa là quá trình bức xạ cảm ứng hay bức xạ kích thích, người ta đã chứng minh giả thuyết này bằng thực nghiệm. Giả thuyết đó như sau: khi tương tác của hạt kích thích với photon thì có thể còn dịch chuyển của hạt xuống trạng thái ứng với mức năng lượng thấp hơn, tức hạt không chỉ hấp thụ năng lượng để dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn như quan niệm Eintein. Kết quả là ta sẽ có thêm một photon thứ hai nữa ngoài photon sơ cấp. Quá trình đó được mô tả như sau : A** + ( hω ) 1
A* ( hω ) 1+ ( hω ) 2 (1-5) Năng lượng photon thứ cấp này ( hω ) 2 đúng bằng hiệu năng lượng của trạng thái đầu và trạng thái cuối của dịch chyển và sự tồn tại về phương diện năng lượng của photon sơ cấp ( hω ) 1 là không cần thiết. Ở đây nó có tác dụng giống như cưỡng bức, để kích thích, để cảm ứng quá trình như chất xúc tác trong các phản ứng hóa học. Cũng chính vì vậy mà người ta gọi quá trình đó là quá trình bức xạ cảm ứng hay bức xạ kích thích. Để định lượng quá trình này ta có khái niệm vận tốc của quá trình. Vận tốc quá trình bức xạ cảm ứng không chỉ phụ thuộc vào nồng độ của trạng thái mà còn phụ thuộc vào mật độ phổ khối ζ ki của bức xạ kích thích ở tần số dịch chuyển. Đó là năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị quãng phổ của dịch chuyển từ i
k. Mật độ photon kích thích càng lớn thì số photon bức xạ ra càng nhiều và : M ikkt = Bik ζ ik N i (1-6) Trong đó Bik là hệ số tỉ lệ giống như Bbi trong quá trình hấp thụ. Đặc điểm của quá trình bức xạ kích thích là photon phát ra do quá trình này hoàn toàn giống photon sơ cấp cả về tần số, pha, LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN xung lượng…Trong các nguồn bức xạ truyền thống thông thường thì bức xạ kích thích không đóng vai trò quan trọng, vì cường độ bức xạ của nó rất nhỏ so với bức xạ tự phát và quá trình hấp thụ. Đó là do môi trường của những bức xạ thông thường, tức phân bố hạt tuân theo phân bố Boltzmann, cũng chính vì vậy mà trong suốt thời gian dài người ta không quan sát được bức xạ kích thích bằng thực nghiệm. Môi trường laser là môi trường nghịch đảo nồng độ, phân bố hạt không tuân theo phân bố Boltzmann và bức xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu, nó quyết định cơ chế làm việc cảu laser, tức là nó có tác dụng nhân số photon thứ cấp lên. Mặt khác củng do không có sự khác nhau giữa photon sơ cấp và thứ cấp nên bức xạ laser có tính đơn sắc, kết hợp và định hướng cao. 2.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ. Các mức năng lượng của hạt ngay khi không có tác động bên ngoài nào vào hệ thì các mức có độ rộng xác 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 đó, tức là : ∆Ei .τ i ≥ h (1-7) Thời gian sống của trạng thái sống được xác định bằng tổng các xác suất của dịch chuyển tự phát xuống trạng thái thấp k, tức xác suất chuyển về mức i : ∆E i = h τi = h ∑ γ ik (1-8) ifk Trạng thái cơ bản của nguyên tử có tuổi thọ rất lớn, nên độ rộng của mức sẽ rất nhỏ, còn những mức kích thích thông thường có τ =10-8 ÷ 10-9 sec, nên độ rộng E rất lớn, chính vì vậy, do có độ nhòe hóa năng lượng, nên đối với những nguyên tử không bị kích thích, những vạch phổ bức xạ và hấp thụ của chúng có độ rộng nhất định. Từ hình 1.1 ta thấy độ rộng không xác định về tần số giữa 2 mức năng lượng bị nhòe hóa được xác định bởi độ rộng của cac mức năng lượng và : ∆ω ki = 1 (∆E i + ∆E k ) h (1-9) Độ rộng vạch phổ nguyên tử riêng rẽ và không bị kích thích gọi là độ rộng tự nhiên của vạch phổ. Hình 1.1. Sự bất định tần số bức xạ Mặt khác dựa vào đồ thị của hệ năng lượng của hệ, ta có thể xác định một cách định tính cường độ và độ rộng của cạch phổ. Như hình 1.2, giản đò có 3 trạng thái nguyên tử. Mức ứng LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN với trạng thái cơ bản nên có đọ rộng EI =0. Giả sử xác suất dịch chuyển 2
1 rất lớn, khi đó tuổi thọ của mức 2 là : τ = 1 γ 21 Rất nhỏ, do đó ∆E 2 sẽ rất rộng, Hình 1.2 Phổ bức xạ Cường độ của 2 vạch 3-2 và 3-1 củng nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhưng độ rộng vạch bức xạ của chúng thì khác nhau. Độ nghèo hóa tổng hợp của mức 2 mức 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 va mức 1. Đường bao vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phương pháp cơ học lượng tử. Độ rộng của vạch phổ được xác định bằng biểu thức : ∆ωki = 1 ( ∆Ei + ∆E k ) h (1-10) Dạng đường bao đó gọi là dạng tự nhiên hay dạng Lorentz. (Hình 1.3) Hình 1.3. Đường bao Lorentz Nhưng trước hết phải nói đến tương tác của các hạt với nhau, và đây là nguyên nhân rất quan trọng. Chính tương tác giữa các hạt sẽ quyết định độ rộng thực của cạch phổ. Ví dụ trong trường hợp đơn giản nhất, tương tác của các hạt sẽ làm giảm tuổi thọ hạt. Dạng của vạch phổ khi đó sẽ giữ nguyên như vạch phổ tự nhiên nhưng độ rộng thì tăng lên do tuổi thọ giảm.Ta dã biết, các hạt không khí không khi nào đứng im chúng luôn chuyển đọng 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 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 được bằng sơ đồ đơn giản. (Hình 1.4): LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN Hình 1.4 Hiệu ứng Doppler Sơ đồ được mô tả như sau: Giả sử máy phát được đặt tại A, máy thu đặt tại B và cách nhau một khoang L. Nếu máy phát không di động và phát ra tin hiệu chuẩn đơn sắc tần số ω (chu ky τ ), thì bất cứ giá trị pha nào của tín hiệu do máy phát ra củng máy thu thu lại sau một thời gian giống nhau : ∆ t = L/C. Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong môi trường. Do đó tần số của tín hiệu mà máy thu thu được đúng bằng tần số của máy phát phát ra. Nếu bây giờ máy phát lại chuyển động tương đối đối với máy thu với vận tốc v thì sau chu kỳ τ khoảng cách giữa máy thu và máy phát đã thay đổi đi một đoạn v τ cos θ . Trong đó θ là góc giữa phương chuyển động của máy phát với trục giữa máy phát và máy thu.Giả sử pha ϕ = 0, của tín hiệu do máy phát phát ra luc t =0 và tại điểm A, thì máy thu sẽ thu được ϕ = 0, tại thời điểm t1=L/C.Còn pha ϕ = 2 π thì máy phát phát ra lúc t2 = τ (tại điểm A’) nhưng máy thu lại thu được pha đó vào t3 và : t3 = t2 + ∆ t’ = τ + L’/C ,trong đó : L’ = L - v τ cos θ ; do đó t3 = τ + 1 ( L − v τ cos θ ) C (1-11). Như vậy , chu kỳ của tính hiệu mà máy thu được sẽ không phải là τ mà là τ ’ với : τ ’ = t3 - t1 = τ + 1 L ( L − v τ cos θ ) - ; C C v cos θ ) ; và tần số tương ứng là : C 2π v ω ' ≅ ' ≈ ω (1 + cos θ ) C τ τ ’ = τ (1 - (1-12) 2.4 Nguyên lý hoạt động máy phát laser. Để cho đơn giản ta coi hoạt chất có phổ năng lượng E1 < E2 < E3 được đặt trong buồng cộng hưởng, năng lượng bơm có tần số ω13 để tạo nghịch đảo nồng độ, tức hạt ở mức 1 dịch LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN chuyển lên mức 3. Giả sử mật độ phổ khối có t ín hiệu bơm đủ lớn để tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ laser ω32 .(Hình 1.5) Hình 1.5 Nguyên lý máy phát laser Nếu đưa vào buồng cộng hưởng tín hiệu cần khuếch đại có tần số ω32 thì trong buồng cộng hưởng hình thành sóng đứng do sóng phản xạ. Dưới tác dụng của sóng đứng, trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình 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 và sẽ duy trì dao động sinh ra trong buồng cộng hưởng. Nói một cách khác, năng lượng điện từ trong buồng cộng hưởng được bức xạ cảm ứng khuếch đại lên. Nhưng phải kể đến có tiêu hao trong buồng cộng hưởng, tiêu hao trong 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 giữa năng lượng bức xạ cảm ứng Pbx và tiêu hao tổng cộng Pth .Trong đó tiêu hao tổng cộng bằng : Pth =Pt + Phc +Ph (1-13) Với Pt là công suất đưa ra tải. Phc là công suất tiêu hao trong hoạt chất . Ph là công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng. Nếu Pbx + Pv < Pth thì 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 dược bảo đảm khi công suất bức xạ của tín hiệu vào lớn hơn công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng và trong hoạt chất nhưng nhỏ hơn hoạt chất tiêu hao tổng cộng : Pth > Pbx + Pv > Ph + Phc (1-14) Chế độ tự kích của máy phát lượng tử sẽ tồn tại nếu : Pbx > Pth (1-15) Điều kiện kích thích của máy phát lượng tử sẽ dược thỏa mãn nếu hệ số khuếch đại của môi trường k ω lớn hơn giá trị ngưỡng nào đó. Ta có mô hình khảo sát như hình 1.6 : LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 12 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN Hình 1.6 Buồng cộng hưởng Từ mô hình, Gương vào G1 có hệ số phản xạ r1 =1, gương ra G2 có hệ số phản xạ r2 < 1. Qúa trình hình thành tự kích thích trong laser được thực hiện khi tia bức xạ phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200 ÷ 300 lần, tất nhiên sau mỗi chu kỳ phản xạ qua hoạt chất, công suất bức xạ tăng lên. Dựa vào đó ta thiết lập điều kiện kích thích của máy phát laser. Khi ánh sáng đập vào gương G1 thì một phần công suất 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 phản xạ lớn, ta có thể coi q = 0, do đó biểu thức trên viết lại là : r + t = 1. Giả sử tia sáng có công suất PA=P0 bắt đầu truyền trong BCH từ điểm A tới điểm B tức qua chiều dài L của môi trường ánh sáng đã được khuếch đại lên.: P0.eKL. Khi từ B phản xạ trở lại, mật độ công suất chùm tia sẽ là r2.P0.eKL. Khi trở lại A, tức tới gương G1, thì mật độ công suất sẽ là :r2.P0.2KL. Sau khi phản xạ từ gương 2 trở lại A và phản xạ tiếp, tức sau một chu ky, thì mật độ công suất của chum tia là : P’A= r1.r2.P0.2KL.Vì r1 = 1 nên P’A= r2.P0.2KL; Điều kiên tự kích thích được viết :P’A/PA> 1 nghĩa là : r2.e2KL> 1 (1-16) -γ Vì r2 < 1 nên ta gọi γ = -ln(r2) và r2 =e Khi đó (1-16) sẽ thành e2KL- γ >1. Muốn vậy 2KL - γ > 0 và thay K bằng biểu thức của nó ta được : Kng =(BikNi - BikNk).  B hω γ γ .C  > Hay ( N i − ki N k ) ≥ (1-17) Bik h.ω. B ik .2 L  C 2L  Như vậy, điều kiện kích thích 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 quan trọng trong lý thuyết và trong thực nghiệm. 2.5 Cấu tạo một laser. 2.5.1 Môi trường hoạt chất. Ta khảo sát một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2. Số nguyên tử trong một đơn vị thể tích nằm ở một mức năng lượng gọi là mật độ tích lũy của mức năng lượng đó. Gọi mật độ tích lũy tương ứng của hai mức trên là N1 và N2, ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyên tử này như hình 1.7 : LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 13 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN Hình 1.7 Các quá trình dịch chuyển bức xạ Sự biến thiên độ tích lũy của các mức có thể gây nên bởi các quá trình sau : -Quá trình bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1, quá trình này được quy định bởi : (N2)tp = -A.N2, (1-18) Trong đó, A đặc trưng cho xác suất bức xạ tự phát gọi là hệ số Einstein. Đại lượng τ = 1/A được gọi là thời gian sống tự phát, nó phụ thuộc vào từng dịch chuyển bức xạ cụ thể. -Quá trình bức xạ cưỡng bức từ mức 2 xuống mức 1 : Nếu sống điện từ có tần số v với hv = E2 - E1 và trên mức 2 đang được tích lũy các trạng thái nguyên tử thì sẽ có một xác suất dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1 gọi là dịch chuyển bức xạ cưỡng bức. Khi đó: (N2)tp = -B21.N2, (1-19) Trong đó B21 là xác suất dịch chuyển cưỡng bức B21 = σ 21 .F ,Trong đó F là mật độ dòng photon của sóng tới, σ 21 là tiết diện bức xạ cưỡng bức . -Quá trình hấp thụ từ mức 1 lên mức 2. Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng lượng photon tới có tần số v để chuyển lên trạng thái 2. Do đó : (N1)ht =-B12.N1, trong đó B12 = σ 12 .F , với σ 12 là tiết diện hấp thụ phụ thuộc vào từng dịch chuyển cụ thể .Theo Einstein , σ 12 = σ 21 = σ ,nghĩa là xác suất bức xạ cưỡng bức hấp thụ là bằng nhau. Giả sử trong môi trường này theo hướng Z có một sóng phẳng đong sắc tần số v, cường độ ứng với mật độ dòng photon F truyền qua. Khi đó biến thiên mật độ dòng photon dF qua một lớp dz của môi trường được xác định như sau : dF = σF ( N 2 − N 1 )dz Ở trạng thái cân bằng nhiệt động ,độ tích lũy mức năng lượng tuân theo phân bố Boltzmann: N2  ( E − E1 )  = exp − 2  N1 kT   (1-20) Với k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối. Kết luận: như vậy ở cân bằng nhiệt động thì N2 < N1 và môi trường hấp thụ ánh sáng tần số v. Tuy nhiên nếu tạo được trạng thái không cân bằng nhiệt động sao cho N2 > N1 thì sẽ có một môi trường khuếch đại ánh sáng. Khi đó người ta đã tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong môi trường và môi trường có nghịch đảo độ tích lũy được gọi là môi trường hoạt chất. 2.5.2 Buồng cộng hưởng quang học. 2.5.2.1 Cấu tạo. BCH là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bất kỳ máy phát laser nào. Đó là một hệ gồm hai mặt phản xạ đặt đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất. Do BCH này chỉ được LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 14 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu, còn các mặt khác đều để hở nên người ta gọi đó là buồng cộng hưởng hở. BCH kín không sử dụng được vì có nhứng lý do :Ta không thể chế tạo được các BCH có kích thước cỡ bằng bước sóng ở dãy quang học, điều ấy chỉ có thể làm được ở dãy sóng centimet. Thứ 2 là, dù có chế tạo được BCH như vậy thì nó củng không có ý nghĩa về mặt năng lượng, kích thước quá nhỏ của hệ không đủ khả năng để tạo ra công suất bức xạ cần thiết. Như vậy việc sử dụng BCH hở trong kỹ thuật Laser là một điều bắt buộc. Thông thường trong BCH quang học, một gương chỉ làm nhiệm vụ phản xạ ánh sáng, còn gương kia vừa phản xạ một phần ánh sáng đập vào nó, vừa cho một phần ánh sáng truyền qua (gương bán trong suốt). Tuy nhiên có một số trường hợp ta lại dùng cả hai gương trong suốt, như laser bán dẫn mà ta sẽ nghiên cứu chương sau. 2.5.2.2 Chức năng BCH. + Thực hiện hồi tiếp dương. Như trên đã trình bày, môi trường hoạt chất đặt trong BCH, tuy có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nó theo luật hàm mũ Buerger, nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất có hạn. Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần. Chẳng hạn, nếu dùng hoạt chất là khí CO2 có hệ số khuếch đại tương đối lớn trong số các loại hoạt chất thông dụng, thì để có được công suất ra 1 Wat, cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 104 mét. Điều này không thể thực hiện được.Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài hoạt chất phải được giả quyết bằng một cách khác. Chính nhờ BCH quang học mà việc tăng chiều dài của hoạt chất một cách đơn giản. Trong BCH, tia sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện pháp làm tăng quãng đường đi của tia. Quá trình được mô tả bằng mô hình sau : Hình 1.8.Sự hình thành hồi tiếp dương trong BCH Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong BCH xuất hiện một sóng ánh sáng. Bước sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới nặt 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 xạ kia. Tại đây củng có xãy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản xạ ta sẽ thu được dòng phản xạ có cường độ lớn. Tuy nhiên khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng được. Nó bị giới hạn bởi công suất nguồn bơm. Vì vậy cường độ bức xạ ra chỉ tăng khi đã thiết lập được điều kiện cân bằng năng lượng. + Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp. Do BCH là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của BCH sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên. Nhứng sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Laser. Còn những LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 15 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN sóng ánh sáng nào lan truyền dưới những góc lệch tương đối lớn so với trục BCH thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy, bức xạ hình thành ở của ra của BCH sẽ có tính định hướng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha của các sóng củng không đổi, do dó, bức xại ra là bức xạ kết hợp. Cuối cùng nhờ có BCH, có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc các dao động khác nhau để thu được các bắc xạ trong một dãy phổ rất hẹp, gần như đơn sắc. Như vậy có thể nói rằng, BCH quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của bức xạ Laser. 2.6 Các loại BCH. Buồng cộng hưởng mở (open resonator) Trong laser ta dùng BCH mở khác với hộp cộng hưởng sóng điện từ ở hai điểm: thứ nhất BCH mở chỉ có 2 thành bên đó chính là 2 gương đối diện cố định trục BCH trong không gian. (hình 2.9 ). Thứ hai là kích thước BCH lớn hơn rất nhiều bước sóng bức xạ. Hình 2.9 .Buồng cộng hưởng mở. Loại buồng cộng hưởng này, đòi hỏi rất khắc khe về độ song song giữa các gương (tới vài giây góc) và vì thế nên rất khó chỉnh, nhưng nó lại cho bức xạ có độ định hướng cao. Loại này thường được dung trong các Laser rắn và Laser bán dẫn. Buồng cộng hưởng chủ động và bị động. Nếu không có môi trường hoạt chất khuếch đại bên trong thì BCH được gọi là BCH bị động. Trong trường hợp khuếch đại BCH được gọi là BCH chủ động. Tuy nhiên, để nghiên cứu các quá trình hình thành trường bức xạ trong laser người ta dùng buồng cộng hưởng bị động và hầu hết các nghiên cứu về BCH là trên cơ sở BCH bị động. Buồng cộng hưởng vòng. Ngoài BCH dùng 2 gương người ta còn sử dụng BCH vòng trong đó tia sáng đi lại theo một mạch khép kín tạo bởi 3 hoặc nhiều gương. (hình 2.10) Hình 2.10. Buồng cộng hưởng vòng Buồng cộng hưởng dẫn sóng. LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 16 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN Để thiết lập sự phản hồi cần thiết tạo nên dao động laser người ta có thể dùng BCH dẫn sóng. Trong BCH dẫn sóng phần lớn bức xạ được truyền đi trong một óng dẫn sóng. Điều này đòi hỏi những cấu hình đặc biệt đảm bảo ánh sáng sau phản xạ trên gương quay trở lại ghép nối tốt với ống dẫn sóng . Buồng cộng hưởng lọc lựa. Là BCH trong đó chứa các yếu tố lọc lựa phổ như là kính lọc phổ,giao thoa kế Fabry-Perot, lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ. 2.7 Gương điện môi. Hiện nay trong kỹ thuật laser phần lớn các gương đều mạ bạc, nhôm hoặc vàng đã được thay bằng các gương điện môi nhiều lớp. So với các gương có phủ kim loại thì gương điện môi nhiều lớp có một số ưu điểm nỗi bật: Tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ, vì vậy các gương điện môi nhiều lớp có thể đảm bảo được hệ số phẩm chất của BCH rất cao, chịu được mật độ năng lượng bức xạ lớn, tuổi thọ của gương này rất cao. Gương điện môi nhiều lớp được cấu tạo như hình 2.11: Hình 2.11. Gương điện môi nhiều lớp. Trên đế bằng thủy tinh (hoặc thạch anh) người ta dùng phương pháp bốc bay trong chân không để phủ lên đó lần lượt các lớp kế tiếp nhau của hai chất điện môi trong suốt để có tính chiết suất n1, n2 và có chiều dày quang học bằng một phần tư bước sóng bức xạ, nghĩa là : λ n1.h1 = n2.h2 = …= (1-21) 4 Trong đó h1, h2 là chiều dài hình học của các lớp phủ. Đối với vùng phổ khả vi và vùng hồng ngoại gần, các chất điện môi thường được dùng để phủ là ZnS (có chiết suất n1 = 2,36) và Cryolit Na3AlP6 (có chiết suất nhỏ n2 = 1,34). Tuy nhiên cũng có thể dùng các chất điện môi khác. Chẳng hạn, nếu thay ZnS bằng vật liệu khác có chiết suất cao hơn,Ví dụ như PbO, thì với cùng một lớp phủ bằng nhau có thể nhận được hệ số phản xạ lớn hơn. Các gương điện môi nhiều lớp được cấu tạo sao cho lớp ngoài có chiết suất cao. Để hiểu rõ cơ chế phản xạ trong gương điện môi nhiều lớp, ta xét một chúm ánh sáng đập vào bề mặt gương dưới một góc bất kỳ (hình mô phỏng 2.11). Do hiện tượng phận trên bề mặt giới hạn của các lớp điện môi nên xuất hiện một số lớn các tia sáng giao thoa. Nếu điều kiện (121) được thỏa thì các tia phản xạ đồng pha với nhau, tức là chúng được cộng lại và khuếch đại lên. Giả sử xét các tia 1,2,3 từ mặt của các lớp điện môi. Tia 1 xuất hiện do hiện tượng phản xạ LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 17 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN tại bề mặt phân chia giữa môi trường bên ngoài và lớp điện môi thứ nhất có chiết suất n1 > n0. Tại đây bắt đầu có sự thay đổi pha của tia sáng với giá trị bằng π (vì tia sáng đi từ môi trường quang học có chiết suất nhỏ vào môi trường quang học có chiết suất lớn hơn thì hiện tượng phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường xãy ra với sự thay đổi pha bằng π ). Tia 2 cũng có pha bằng π , vì hiện tượng phản xạ trên bề mặt tiếp giáp n1 - n2 xãy ra không kèm theo sự thay đổi pha (do n1 < n2), còn hiệu đường đi của nó bằng : 2n1.h1 = λ /2. Đối với 3 tia thì hiệu đường đi bằng: 2n1.h1 +2n2.h2 = λ và sự phản xạ trên bề mặt n2 - n1 xãy ra đối với sự thay đổi pha bằng π . Như vậy, pha của 3 tia trùng với pha của tia 1 và tia 2. Nếu xét các tia phản xạ khác ta cũng thấy kết quả tương tự. Hệ số phản xạ và tính chọn lọc của gương laser phụ thuộc vào số lớp điện môi. Các gương được cấu tạo từ 3 đến 7 lớp là những gương bán dẫn trong suốt. Hệ số truyền qua của các gương này được xác định từ công thức: 100% - R ≈ t (ở đây phần năng lượng bị hấp thụ vào khoãng cỡ 0,1 ÷ 0,3 %, nên thực tế có thể bỏ qua). Hệ số phản xạ rất cao (R > 99%) có thể đạt được trong các gương gồm từ 15 lớp trở lên. Nhưng việc chế tạo các gương nhiều lớp như vậy thật sự không đơn giản, nó đòi hỏi phải đảm bảo độ chính xác cao về chiều dày và độ đồng nhất của các lớp phủ. Ngoài ra sai số về độ bằng λ (1 − R ) phẳng của bề mặt đế gương không được vượt quá giá trị cho phép là : . 2π R Trong kỹ thuật Laser một điểm rất quan trọng là phải biết được giá trị mật độ công suất tới hạn mà gương có thể chịu đựng được. Dưới đây là một số số liệu tham khảo : Các chất thành Bước sóng Công suất tới hạn phần của lớp phản Số lớp 2 λ[µ ] [mW/cm ] xạ 15 350 0,6943 ZnS + MgF2 15 30 0,53 ZnS + MgF2 ZnS 1 350 0,6943 CeO2 + MgF2 15 400 0.6943 Bảng 2.1 .Mật độ tới hạn của một số gương Laser. Đối với các Laser có gương phản xạ hoàn toàn (R1 ≈ 1) và một gương bán trong suốt (R2 < 1) thì cần phải chọn giá trị R2 cho tối ưu, tức là đảm bảo được công suất ra của laser là cực đại. Giá trị tối ưu của R2 phụ thuộc vào từng loại sơ đồ làm việc cụ thể của các Laser . Ví dụ, đối với laser làm việc theo sơ đồ 3 mức ta có :  σ 21 . n0 k −1  − βl  . −1  β k +1   R2 = e (1-22) Trong đó β là hệ số suy hao do tán xạ trên các tâm không đồng nhất quang học của môi trường hoạt tính và quá trình hấp thụ không cộng hưởng . l là chiều dài hiệu dụng của môi trường hoạt tính. n0 là số nguyên lẻ hoạt tính trong 1 cm3 của môi trường . k là tham số không có thứ nguyên chỉ số lần mà công suất bơm lớn hơn mức bơm ngưỡng. σ 21 là thiết diện hấp thụ ở dịch chuyển 2 → 1. Với Laser Rubi thì β = 0,03 cm-1, l = 12 cm, n0 =1,6.10-19 cm-3, σ 21 = 2,5.10-20 cm2, LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG Trang 18