Laser siêu ngắn cơ chế phát xạ sóng hài

  • Số trang: 84 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 15 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27670 tài liệu

Mô tả:

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA VAÄT LYÙ  ÑEÀ TAØI: GVHD : TSKH. LEÂ VAÊN HOAØNG SVTH : PHẠM THỊ TUYẾT MAI NIEÂN KHOÙA: 2005-2009 LÔØI CAÛM ÔN Kieán thöùc luoân laø haønh trang böôùc vaøo cuoäc ñôøi cuûa moãi con ngöôøi. Trong suoát 4 naêm hoïc taïi tröôøng ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM TP.HCM, em ñaõ trang bò cho mình haønh trang aáy vôùi söï dìu daét cuûa caùc quyù thaày coâ, nhöõng ngöôøi luoân luoân hi sinh vì söï nghieäp giaùo duïc, vì töông lai cuûa theá heä chuùng em. Cuøng vôùi söï hoaøn thaønh cuûa luaän vaên, em xin chaân thaønh caûm ôn ñeán: _ Thaày Leâ Vaên Hoaøng ñaõ nhieät tình höôùng daãn , giuùp ñôõ , ñoùng goùp yù kieán , hoã trôï taøi lieäu tham khaûo cuõng nhö uûng hoä em trong caùc yù töôûng môùi , taän tình söûa chöõa nhöõng sai soùt giuùp em hoaøn thaønh toát luaän vaên naøy . _ Thaày Nguyeãn Ngoïc Ty ñaõ hoã trôï trong quaù trình söû duïng caùc phaàn meàm tin hoïc môùi, giuùp ñôõ , ñoùng goùp yù kieán vaø nhöõng lôøi khuyeân chaân thaønh cho luaän vaên cuûa em . _ Caùc anh chò trong khoa Vaät Lyù vaø baïn sinh vieân cuøng khoùa ñaõ uûng hoä, ñoäng vieân vaø hoã trôï veà tin hoïc cho luaän vaên cuûa em. _ Gia ñình , ngöôøi thaân ñaõ ñoäng vieân tinh thaàn giuùp em hoaøn thaønh toát luaän vaên. TP HCM, ngaøy 27/04/2009 Sinh vieân Phaïm Thò Tuyeát Mai Luận Văn Tốt Nghiệp MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu suất của những thiết bị Laser rất thấp - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng Laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Các ứng dụng của Laser có thể dễ dàng được tìm thấy trong đời sống hàng ngày, từ máy đọc đĩa CD, máy quét mã vạch ở siêu thị, máy in Laser trong các văn phòng, … đến phẫu thuật bằng Laser trong y khoa hoặc những ứng dụng trong thông tin liên lạc, quân sự và nghiên cứu khoa học[4]. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – kỹ thuật, kỹ thuật Laser cũng đã có những bước phát triển đáng kể. Đặc biệt, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra được những xung Laser siêu ngắn với thời gian của mỗi xung chỉ vài femto giây (1fs = 10-15s)[7]. Thành tựu này đã mở đường cho một loạt các ứng dụng kỳ diệu mà trước nay chưa từng đạt được. Sử dụng một xung Laser siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sóng hài bậc cao của phân tử, các nhà khoa học có thể thu được những thông tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử. Thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài “Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài”, tác giả mong muốn trang bị cho mình những kiến thức cơ bản về Laser[3] và cơ chế phát xạ sóng hài, làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Hướng vào mục tiêu đó, luận văn được trình bày với ba mảng nội dung chính như sau:  Phần 1: Tổng quan về Laser.  Phần 2: Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài.  Phần 3: Sóng hài do phân tử HCN tương tác với Laser. Luận văn được trình bày sao cho những bạn đọc có kiến thức vật lý đại cương có thể hiểu được. Mục tiêu này đòi hỏi tác giả phải viết bằng ngôn ngữ phổ Luận Văn Tốt Nghiệp thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học khi chưa thật sự cần thiết, tăng cường minh họa bằng hình ảnh. Với yêu cầu về nội dung và hình thức trình bày như trên, tác giả thực hiện luận văn với những nội dung chính như sau: Phần 1 trình bày những kiến thức cơ bản về Laser bao gồm lịch sử phát minh Laser, đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, các loại Laser, ứng dụng của Laser[12]. Có nhà khoa học đã nhận định rằng: trong vòng hai thế kỷ trở lại đây, những phát minh khoa học quan trọng đều là những phát minh do sự tình cờ. Sự phát minh ra Laser cũng là một trong những phát minh như vậy. Khi hai nhà khoa học Townes và Schawlow nghiên cứu chế tạo một công cụ để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, không ai nghĩ rằng sẽ chế tạo được một thiết bị đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực trong đời sống, từ công nghệ thông tin đến y khoa, từ dân sự đến quân sự, … Để người đọc có cái nhìn tổng quát trước khi nghiên cứu chi tiết về Laser, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Laser[3], các đặc điểm của Laser như tính định hướng, độ tụ cao, đơn sắc[1],…có minh họa bằng hình ảnh hoạt động của Laser ruby, Laser khí He-Ne, Laser bán dẫn,… Về cơ bản, nguyên tắc hoạt động của Laser khá đơn giản, tuy nhiên để nghiên cứu chi tiết hơn về Laser thì cần phải có những khái niệm cơ bản dùng cho Laser, mà quan trọng nhất là khái niệm sự bức xạ cưỡng bức[2] và sự đảo lộn mật độ cư trú. Các khái niệm này được trình bày ở mục 1.1.4. Tiếp theo, tác giả lần lượt trình bày chi tiết về ba bộ phận chính của Laser, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của chúng. Đầu tiên là buồng cộng hưởng quang học. Đây là một bộ phận quan trọng của Laser, có tác dụng khuếch đại bức xạ điện từ đến cường độ đủ mạnh để thoát ra ngoài thành chùm sáng Laser, và cũng chính nó tạo cho Laser những tính chất đặc biệt như tính định hướng và tính đơn sắc rất cao. Một bộ phận quan trọng khác của Laser là nguồn năng lượng bức xạ để kích thích các nguyên tử của hoạt chất khi Laser hoạt động, nói cách khác là tạo môi trường hoạt tính cho Laser. Với mỗi loại Laser sẽ có một cách tạo môi trường hoạt Luận Văn Tốt Nghiệp tính riêng. Ở đây tác giả giới thiệu hai phương pháp, đó là phương pháp bơm năng lượng thường dùng cho Laser rắn và phương pháp phóng điện thường dùng trong Laser khí. Cuối cùng, tác giả trình bày về môi trường hoạt tính của Laser. Thông thường Laser được phân loại theo môi trường hoạt tính của chúng, ví dụ như Laser rắn, Laser khí, Laser bán dẫn, … Ngoài ra còn một cách phân loại khác mà trong luận văn không đề cập đến, đó là cách phân loại dựa theo tác dụng sinh học của Laser đối với con người. Trong cách phân loại này, Laser được chia thành 4 loại từ I đến IV tùy theo tác dụng và sự nguy hiểm của chúng đối với cơ thể người. Cách phân loại này thường được dùng trong các môi trường làm việc tiếp xúc với bức xạ Laser, còn thông thường, người ta vẫn dùng cách phân loại theo môi trường hoạt tính. Trong mục này đề cập đến các loại Laser quan trọng và được sử dụng phổ biến là Laser rắn, Laser khí và Laser bán dẫn; đồng thời giới thiệu một số Laser thông dụng như Laser Nd:YAG, Laser CO2, Laser He-Ne,… Phần 2 và phần 3 trình bày hai nội dung chính của luận văn. Nội dung của phần 2 chủ yếu xoay quanh sự phát sóng hài bậc cao – HHG, vì đó là cơ chế tạo ra các xung Laser siêu ngắn[7]. Thực ra, có nhiều cơ chế để tạo ra các xung Laser siêu ngắn, nhưng trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp đại học, tác giả chỉ tập trung trình bày một cơ chế quan trọng nhất, đó là HHG. Chúng tôi trình bày sơ lược về lịch sử ra đời cũng như nguyên tắc hoạt động của Laser, tương tác phi tuyến của phân tử với Laser, tức là phân tử tương tác khác nhau đối với trường Laser có cường độ khác nhau. Có thể nói ngắn gọn về tương tác giữa nguyên tử - phân tử với Laser[8] như sau: Khi trường Laser yếu so với trường tương tác Coloumb của nguyên tử thì Laser chỉ khuấy nhiễu trạng thái của các nguyên tử và sự ion hoá chỉ xảy ra theo cơ chế hấp thụ đa photon để chuyển lên trạng thái kích thích. Còn khi cường độ Laser mạnh hơn trường tương tác Coloumb trong nguyên tử (khoảng 1014W/cm2 ) thì sự ion hóa xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức các electron sẽ xuyên hầm qua rào thế tạo bởi thế Coloumb của nguyên tử và thế năng của Laser để sang Luận Văn Tốt Nghiệp trạng thái kế tiếp. Đồng thời chúng tôi trình bày khá rõ ràng quá trình phát xạ sóng hài bậc cao dựa trên mô hình Lewenstein[7]. Mô hình Lewenstein có thể tóm tắt gồm 3 bước: sự ion hóa xuyên hầm dưới tác dụng của trường Laser siêu ngắn, các electron tự do ở lớp ngoài cùng (HOMO) được gia tốc trong điện trường của Laser và cuối cùng các electron tái va chạm với ion mẹ của nó bức xạ các photon năng lượng cao. Nguyên nhân Lewenstein chỉ cho HOMO tương tác với Laser vì các electron ở lớp ngoài liên kết rất yếu với hạt nhân, do đó chịu tác dụng của trường Coloumb yếu hơn các electron bên trong gần hạt nhân, vì vậy trường Laser dễ tác động lên các electron ở lớp ngoài nhất. Chúng tôi đã sử dụng Source code do nhóm nghiên cứu của TSKH Lê Văn Hoàng viết trên phần mềm FORTRAN để tính toán sóng hài do Laser tương tác với HOMO phân tử dựa trên mô hình Lewenstein. Từ đó chúng tôi đã sử dụng các số liệu thu được vẽ sự phụ thuộc của sóng hài và các bậc khác nhau, trong luận văn này chúng tôi sử dụng phần mềm Origin 7.5 để vẽ các số liệu dạng cột. Trong phần 3, tác giả tiến hành cho phân tử HCN tương tác với Laser dựa trên mẫu 3 bước Lewenstien. Bằng cách thay đổi các góc định hướng[11] giữa phân tử HCN và Laser, chúng tôi phát hiện sóng hài thay đổi khi góc định phương thay đổi. Tiếp theo chúng tôi dựa vào tín hiệu sóng hài thu được khi cho Laser tương tác với HCN và đồng phân của nó HNC, chúng tôi đi đến kết luận có thể sử dụng tín hiệu sóng hài để phát hiện được đồng phân của HCN cũng như trạng thái chuyển tiếp của chúng. Trong tương lai, chúng tôi sẽ cố gắng ứng dụng phương pháp này cho các phân tử phức tạp hơn và theo dõi các kết quả thực nghiệm từ các nhà khoa học nhằm tiếp thu một cách trọn vẹn phương pháp này. Trong quá trình làm luận văn, chúng tôi đã nâng cao thêm được kĩ năng tìm kiếm các tài liệu trên internet cũng như khả năng đọc các tài liệu khoa học bằng tiếng nước ngoài. Bên cạnh đó, chúng tôi còn tiếp xúc thêm được các chương trình phần mềm mới như GAUSSIAN, GAUSSVIEW, ORIGIN 7.5 … và rèn luyện thêm kĩ năng máy tính. Luận Văn Tốt Nghiệp Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ có thể trình bày những nét chính của vấn đề. Tuy vậy, tác giả vẫn mong rằng các bạn đã có được một cái nhìn khái quát và những kiến thức sơ bộ về lĩnh vực này để có thể nghiên cứu tiếp trong tương lai. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý xây dựng của các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Hy vọng luận văn này sẽ là một tài liệu hữu ích cho các bạn trong việc học tập và nghiên cứu Vật lý. Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2009 Tác giả Luận Văn Tốt Nghiệp Chương 1-Tổng quan về Laser 1.1. Góc nhìn lịch sử Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là Laser [12]. Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng Laser khiến cho kĩ thuật Laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa. Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển Laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà Vật Lý cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta mới bắt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ. Luận Văn Tốt Nghiệp Năm 1958 có thể coi là năm đánh dấu sự phát minh ra Laser, với sự ra mắt của bài báo khoa học có tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của Arthur L.Schawlow – khi đó là một nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell, và Charles H. Townes – khi đó là một cố vấn của phòng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp chí Physical Review của Hội Vật lý Mỹ. Tại ĐH Columbia, Townes nghiên cứu về khả năng sử dụng bức xạ cảm ứng để nghiên cứu phổ học phân tử. Chính công trình này đã dẫn đến sự phát minh ra maser và sau đó là Laser. Townes biết rằng, khi bước sóng của bức xạ vô tuyến giảm dần thì tương tác giữa nó với nguyên tử càng mạnh, làm cho nó trở thành một công cụ trắc phổ hữu hiệu hơn. Tuy nhiên, trình độ kỹ thuật lúc bấy giờ chưa cho phép chế tạo một thiết bị đủ nhỏ để phát ra bước sóng như mong muốn. Townes nảy ra ý tưởng vượt qua hạn chế kỹ thuật này bằng cách sử dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1951, Townes đề nghị một sinh viên mới tốt nghiệp là James P. Gordon cùng hợp tác với ông, và thuê H.L. Zeiger làm phụ tá. Cũng trong năm ấy, Schawlow chia tay Townes, rời ĐH Columbia để nhận công việc nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bell. Townes quyết định thí nghiệm với NH3, là chất hấp thụ và tương tác rất mạnh với bức xạ. Tuy nhiên, ý tưởng về maser của Townes không được nhiều nhà khoa học khác lúc bấy giờ ủng hộ. Một số người gọi điện đến phòng thí nghiệm nơi nhóm của Townes đã làm việc trong 2 năm để chế tạo thiết bị maser để khuyên Townes nên dừng ngay công việc vô nghĩa và hao tốn tiền của nhà nước (khi đó nhóm của Townes đã sử dụng hết 30.000 USD trong tổng số tiền được cấp). Townes nói: “Họ không ủng hộ chúng tôi, nhưng chúng tôi đã lặng lẽ làm việc và cuối cùng cũng đã thành công”. Năm 1953, Townes, Gordon và Zeiger công bố một thiết bị mà Townes gọi là MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), nghĩa là Luận Văn Tốt Nghiệp sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký bản quyền sáng chế tại ĐH Columbia. Thành tựu bước đầu này vẫn không xua tan được sự hoài nghi của các nhà khoa học đương thời. Nhiều người chế nhạo nhóm của Townes và gọi thiết bị MASER là “Means of Acquiring Sponsor for Expensive Research”, tạm dịch là “cách thức để nhận được sự tài trợ cho một nghiên cứu tốn kém”. Sau khi chế tạo maser, Townes lại nhận thấy rằng vùng sóng ánh sáng hồng ngoại và khả kiến có thể giúp cho việc nghiên cứu phổ học hiệu quả hơn là vùng sóng vô tuyến do maser phát ra. Do đó, ông tiếp tục nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của maser cho vùng sóng hồng ngoại và khả kiến nhằm chế tạo một thiết bị giống như maser, nhưng phát ra các bước sóng ở vùng hồng ngoại và khả kiến. Năm 1956 khi còn đang ở ĐH Columbia, Townes chuyển sang làm Cố vấn cho phòng thí nghiệm Bell. Ông vừa làm công việc của một cố vấn vừa suy nghĩ về việc kích thích sự phát xạ ánh sáng. Tại phòng thí nghiệm Bell, ông gặp lại Schawlow. Thật tình cờ là cả hai ông đều đang suy nghĩ về khả năng mở rộng nguyên lý của maser từ vùng sóng vô tuyến ra vùng các bước sóng ngắn hơn, như vùng hồng ngoại và khả kiến. Hai nhà khoa học đã từng hợp tác với nhau trong quá khứ và năm 1955 đã cùng viết cuốn sách “Phổ học vô tuyến”, nay lại gặp nhau tại phòng thí nghiệm Bell. Họ tiếp tục hợp tác với nhau và chính sự hợp tác này đã dẫn đến sự ra đời của Laser vài năm sau đó. Schawlow đưa ra ý tưởng đặt ở mỗi đầu của buồng cộng hưởng một tấm gương để phản xạ ánh sáng qua lại nhằm làm tăng sự bức xạ cưỡng bức. Ông nghĩ rằng có thể tạo ra ánh sáng khuếch đại chỉ có duy nhất một tần số bằng cách điều chỉnh hướng của các gương phản xạ này. Schawlow thảo luận với Townes về khả năng này và cả hai ông đều rất hứng thú với nó. Mùa thu năm 1957, họ bắt đầu thử nghiệm ý tưởng của mình. Sau 8 tháng làm việc, sự hợp tác của hai ông đã đạt được kết quả. Năm 1958, hai ông viết bài báo “Các maser quang học và hồng ngoại” trình bày về công trình Luận Văn Tốt Nghiệp của họ đăng trên tạp chí Physical Review số tháng 12-1958, khẳng định rằng nguyên lý của maser có thể được mở rộng cho những vùng khác của quang phổ, và gọi thiết bị đó là Laser, dù cho họ vẫn chưa chế tạo được một Laser thực sự. Các nhà khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của Laser được phát triển cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Gould đi thẳng tới việc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được một vài bằng sáng chế. Hai năm sau (1960), Schawlow vàTownes nhận được bằng sáng chế cho phát minh ra Laser. Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ Laser hoạt động được. Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là Laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều Laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Vẫn có sự bất đồng về người xứng đáng được công nhận cho khái niệm Laser. Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser và laser. Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông về Laser. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển Laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối. Luận Văn Tốt Nghiệp Mặc dù Laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ bản có thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay Laser có mặt trên thị trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo hướng tạo ra Laser trong vùng phổ tia X. Các Laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từ dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn. Hình 1 cho thấy một số loại Laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng rãi. Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị Laser chiếm cả một tòa nhà, trong khi những Laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thước bằng một hạt cát. Hình 1: Một số loại Laser Luận Văn Tốt Nghiệp I.2. Nguyên tắc hoạt động Laser là một thiết bị dùng để tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh [3]. Nó kích thích các nguyên tử để chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc biệt. Một Laser gồm có 3 bộ phận chính: - Một môi trường hoạt tính – là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chất rắn (gọi chung là hoạt chất). Nó là chất liệu để tạo ra ánh sáng Laser. - Một nguồn năng lượng phát xạ mạnh – còn gọi là nguồn bơm – thường là một đèn ống quấn quanh hoạt chất để “bơm” năng lượng vào hoạt chất. - Một buồng cộng hưởng – là một hệ gương đặt ở hai đầu khối hoạt chất để tạo liên kết phản hồi dương trong dãy tần số khả kiến. Bình thường, các nguyên tử của khối chất ở trạng thái cơ bản, có năng lượng thấp nhất [12]. Khi Laser hoạt động, nguồn bơm cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của khối chất này để đưa chúng lên trạng thái kích thích. Để Laser có thể hoạt động được thì các nguyên tử phải được kích thích đến trạng thái có năng lượng gấp 2 – 3 lần năng lượng của mức cơ bản. Sau đó các nguyên tử trở về trạng thái cơ bản và phát ra các photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa mức kích thích và mức cơ bản. Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo ra trong môi trường Laser thường có một bước sóng, nhưng được trích ra có hiệu quả từ môi trường bằng một số cơ chế bao gồm sự khuếch đại. Công việc này được hoàn thành trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ một số ánh sáng phát xạ trở lại môi trường Laser, và qua nhiều lần tương tác, hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Ví dụ, sau sự phát xạ cưỡng bức ban đầu, hai photon có cùng năng lượng và cùng pha mỗi hạt có thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồi thì sẽ phát ra nhiều photon hơn có cùng năng lượng và cùng pha. Số photon được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanh chóng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách mà ánh sáng truyền trong môi trường Laser. Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 2. Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp Laser Hình 2 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đường truyền tăng lên trong hộp cộng hưởng do các gương đặt ở hai đầu mang lại. Hình 2a cho thấy sự bắt đầu của phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình 2b đến hình 2g khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp. Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạ một phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 2b, d và f). Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 2h), hộp bão hòa bức xạ cưỡng bức. Mức độ khuếch đại thu được trong một Laser, biểu diễn bằng thuật ngữ độ lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà một photon có thể tạo ra khi nó truyền đi một khoảng cách cho trước. Ví dụ, độ lợi 1,5 /cm nghĩa là một photon sinh ra thêm 1,5 photon nữa trên mỗi cm mà nó truyền đi. Hệ số khuếch đại này tăng lên theo chiều dài đường truyền của hộp Laser. Độ lợi thực tế phức tạp hơn nhiều, và ngoài những nhân tố khác, nó phụ thuộc vào những dao động trong sự phân bố dân cư giữa các mức năng lượng Laser cao và thấp. Điều quan trọng là lượng khuếch đại tăng rõ rệt với khoảng cách truyền trong môi trường Laser. Luận Văn Tốt Nghiệp Trong Laser có hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ống chứa đầy khí, ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường Laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng bức hơn ánh sáng truyền vuông góc với trục của hộp cộng hưởng. Do đó, sự phát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi không dùng gương để giới hạn đường truyền của nó theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp Laser cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại do đường truyền qua môi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm tập trung cao (một đặc trưng quan trọng của Laser), do chỉ có những photon truyền song song với thành hộp là bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi là dao động tử, và nó cần thiết, vì đa số vật liệu Laser có độ lợi rất thấp và sự khuếch đại đầy đủ chỉ có thể thu được với đường truyền dài qua môi trường. Đa số Laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả hai đầu của hộp cộng hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường Laser. Cường độ phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ gần như toàn bộ ánh sáng tới, còn gương kia (gương ra) phản xạ một số ánh sáng và truyền một phần ra ngoài dưới dạng chùm Laser. Trong một Laser có độ lợi thấp, gương ra được chọn sao cho chỉ truyền một phần nhỏ ánh sáng ra ngoài (có lẽ chỉ vài phần trăm) và phản xạ đa phần ánh sáng trở lại hộp. Ở trạng thái cân bằng, công suất Laser ở trong hộp cao hơn bên ngoài, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyền qua gương ra. Bằng cách làm tăng hệ số truyền của gương ra, sự chênh lệch công suất giữa bên trong và bên ngoài hộp có thể được làm giảm xuống. Tuy nhiên, chỉ cần gương ra phản xạ một số phần ánh sáng trở lại hộp, công suất ở bên trong vẫn cao hơn bên ngoài trong chùm tia xuất hiện. Luận Văn Tốt Nghiệp Một nhận thức sai lầm về Laser là ý tưởng cho rằng tất cả ánh sáng phát xạ bị phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nó đạt tới giới hạn, rồi thì một số “thoát ra” ngoài qua gương ra dưới dạng chùm tia. Trong thực tế, gương ra luôn luôn truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở vào hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép Laser đạt tới trạng thái cân bằng, với các mức công suất Laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên không đổi. Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp Laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ Laser. Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ các gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động Laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn toàn cùng pha, chũng sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sóng cũng sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một số nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh trong hộp, sóng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp. Nếu khoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động Laser. Điều kiện cộng hưởng thật ra không quan trọng vì những sự chuyển trạng thái Laser thực tế trong hộp phân bổ trong một phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cực kì nhỏ so với chiều dài của một hộp Laser điển hình, và nói chung một quãng đường truyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánh sáng được khuếch đại. Cộng hưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguyên (ví dụ 200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng rất gần nhau, chúng rơi trong dải thông độ lợi của Laser. Hình 3 minh họa một ví dụ điển hình, trong đó một vài giá Luận Văn Tốt Nghiệp trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của Laser, vừa khít trong dải thông độ lợi. Hình 3. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi Các chùm Laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hộp Laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù Laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới Laser tăng lên Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai đầu của hộp cộng hưởng Laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khó được thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho Laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, Luận Văn Tốt Nghiệp ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết hợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu như không có ánh sáng nào bị thất thoát. Trong môi trường Laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trong việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong Laser độ lợi cao, sự mất mát mức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng lượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường Laser, mặc dù chúng cho phép ánh sáng thất thoát. Các gương trong Laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn các gương trong Laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thể truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng hàng của các gương không có tính quyết định như trong Laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện ra ngoài. Chiều dài hộp Laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm. Những phân bố có khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang (Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m và n là các số nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ Luận Văn Tốt Nghiệp bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho mode E và n cho mode M). Một chùm Laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về phía ngoài rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và có cường độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 4 minh họa một vài trong số nhiều mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số Laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là những Laser được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode bậc nhất có thể thu được dễ dàng trong các Laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền, và là mode được ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cực tiểu lí thuyết. Hình 4. Mode ngang của chùm Laser Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của đốm Laser có thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia trong hộp cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đó phân kì ở một số góc phụ thuộc vào thiết kế hộp cộng hưởng, kích thước của lỗ hở ra, và gây ra các hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia. Sự nhiễu xạ thường được mô tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia, hình thành nên các vòng nhiễu xạ (gọi là vòng Airy) bao quanh chùm tia khi sóng ánh sáng truyền qua một lỗ nhỏ. Hiện tượng nhiễu xạ này đặt ra giới hạn về đường Luận Văn Tốt Nghiệp kính tối thiểu của đốm sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với Laser, chùm trải rộng từ gương ra có thể được xem là qua một lỗ nhỏ, và hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia do gương gây ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thước đốm sáng của chùm. Đối với các chùm mode TEM(00), nhiễu xạ thường là nhân tố giới hạn sự phân kì của chùm. Nếu chùm tia Laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đường kính thích hợp trong phương trình trên là đường kính của thành phần cuối mà chùm tia truyền qua. Hằng số trong phương trình phụ thuộc vào sự phân bố cường độ trong chùm, và có giá trị rất gần thống nhất với nhau. Mối quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân kì chùm tia tăng theo bước sóng, và giảm khi đường kính chùm (hoặc thấu kính ra) tăng. Nói cách khác, đường kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều và càng trải rộng ra theo khoảng cách so với chùm lớn. Giá trị của độ phân kì chùm tia đối với một Laser cho trước có thể có ý nghĩa thực hành rất lớn. Laser helium-neon và Laser bán dẫn trở thành những công cụ chuẩn trong lĩnh vực trắc địa. Người ta gởi một xung Laser nhanh tới một gương phản xạ góc đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung Laser phản xạ lại có thể được đo chính xác để thu được khoảng cách tới nơi đặt Laser. Trên những khoảng cách ngắn thông thường, độ phân kì chùm tia không phải là vấn đề quan trọng, những đối với những phép đo khoảng cách xa, sự phân kì quá mức có thể làm giảm cường độ chùm tia phản xạ, và cản trở việc đo đạc. Các nhà du hành người Mĩ trên sứ mệnh Apollo 11 và Apollo 14 đã đặt một cái gương phản xạ góc trên Mặt Trăng, nó sẽ phản xạ ánh sáng từ một Laser ruby xung công suất lớn đặt tại đài quan sát MacDonald, ở Texas. Mặc dù chùm tia trải ra trong bán kính 3km trên bề mặt Mặt Trăng, ánh sáng phản xạ vẫn có cường độ đủ mạnh để thu nhận được trên Trái Đất. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến đài quan sát Texas được đo với độ chính xác 15cm trong thí nghiệm này, nhưng kể từ thập niên 1980, những tiến bộ kĩ thuật đã tăng độ chính xác lên dưới 2cm. Những cố gắng hiện nay đang được thực hiện sử dụng các kính thiên văn
- Xem thêm -