Tìm hiểu về laser

  • Số trang: 87 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 19 |
  • Lượt tải: 0
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ LASER GVHD: Thầy Lê Văn Nhạn GVPB: Thầy Hồ Hữu Hậu Cô Dương Bích Thảo SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm MSSV: 1080316 Lớp: SP Vật lý – CN K34 Cần Thơ, 05/2012 LỜI CẢM ƠN   Để hoàn thành đề tài “Tìm hiểu về laser”, em đã gặp không ít khó khăn về mặt kiến thức. Nhưng với sự hướng dẫn tận tâm, chu đáo, và sự động viên của Thầy Lê Văn Nhạn đã giúp em hoàn thành đề tài đúng tiến độ. Em xin chân thành cám ơn Thầy Lê Văn Nhạn, Thầy luôn chỉ bảo, góp ý cho em về nội dung và hình thức để đề tài hoàn thành một cách tốt nhất. Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trường đại học Cần Thơ và quý Thầy, Cô trong bộ môn vật lý đã tận tình truyền đạt cho em những tri thức quý báo trong suốt quá trình học tập. Em xin cám ơn các bạn tập thể lớp vật lý_công nghệ K34 đã nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài này. Và lòng biết ơn chân thành với những người thân trong gia đình đã luôn ủng hộ em về mặt vật chất lẫn tinh thần để em yên tâm học tập tốt. Cần Thơ, ngày 22 tháng 04 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Hồng Đậm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ---------- ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ---------………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012 Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn…………………………………………………………………………… Nhận xét của giáo viên hướng dẫn………………………………………………….. Nhận xét của giáo viên phản biện…………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………………… Phần mở đầu………………………………………………………………………… Phần nội dung……………………………………………………………………….. Chương I: Tổng quan về laser………………………………………………………... 1 1.1 Lịch sử hình thành tia laser……………………………………………….. 1 1.2 Sơ lược về laser………………………………………………………........ 2 1.3 Ứng dụng của laser………………………………………………………... 4 Chương II: Cơ sở vật lý của laser…………………………………………………….. 5 2.1 Sự hình thành ánh sáng laser……………………………………………… 5 2.2 Đặc điểm của tia laser…………………………………………………......16 2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất………………………20 2.4 Các chế độ hoạt động của laser……………………………………………24 2.5 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học……………………………….30 Chương III: Các loại laser…………………………………………………………….36 3.1 Laser rắn…………………………………………………………………...36 3.2 Laser khí…………………………………………………………………...42 3.3 Laser lỏng………………………………………………………………….51 Chương IV: Các ứng dụng của tia laser……………………………………………....57 4.1 Trong y học………………………………………………………………..57 4.2 Ứng dụng laser trong quân sự……………………………………………..59 4.3 Ứng dụng laser trong công nghiệp hiện đại……………………………….61 4.4 Ứng dụng laser trong nghiên cứu vũ trụ…………………………………..71 Phần kết luận………………………………………………………………………….73 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………....74 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật lý học là ngành khoa học thực nghiệm, vật lý có mặt khắp nơi trong mọi lĩnh vực. Cuộc sống ngày càng phát triển thì con người không ngừng tìm tòi và khám phá và ứng dụng những thành tựu vật lý vào phục vụ nhu cầu cuộc sống. Vào thế kỉ 20 việc phát hiện ra tia laser là một phát hiện vĩ đại. Ánh sáng laser đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu, California. Laser chính là nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng, và chùm phát ra bức xạ được gọi là chùm laser. Từ một khái niệm mơ hồ trong phòng thí nghiệm tia laser đã bắt đầu trở thành một phần không thể thiếu trong các ngành công nghệ hiện đại. Rất nhiều điều kỳ diệu mà tia laser đã mang lại cho con người như: -Trong y học, thẩm mỹ: các khối u ung thư, phẫu thuật bên trong mắt không còn gây khó khăn trong việc chữa trị khi đã có tia laser. - Trong thương mại, các khâu kiểm tra hàng hóa cuối cùng thường sử dụng mã vạch có thể đọc bằng một laser helium-neon ánh sáng đỏ lắp tại quầy tính tiền. - Trong công nghiệp, laser là những lưỡi cưa, những máy khoan hiện đại, nó có thể cắt và xuyên thủng những vật liệu cứng như kim loại, kim cương…. - Trong quân sự, các loại vũ khí laser như súng laser, bom định vị bằng tia laser…. Sự ra đời của tia laser như một lời giải cho bài toán khó, nó đã góp phần quan trọng trong đời sống của con người, là một phần không thể thiếu trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay. Bên cạnh những mặt tích cực mà laser đã mang lại thì chúng còn không ít những hạn chế. Laser tuy đã ra đời cách đây 50 năm nhưng nó vẫn còn gì đó là thuộc về tương lai mà chúng ta cần phải quan tâm và khai phá. Đó cũng là lý do mà em chọn đề tài này. 1.2 Mục đích của đề tài Đề tài nhằm để trả lời các câu hỏi về: - Tia laser được hình thành như thế nào? - Bản chất của tia laser? - Các loại tia laser? - Tia laser tương tác với vật chất như thế nào? - Nguyên lý hoạt động của máy phát laser? - Các ứng dụng hiện đại của tia laser. 2. Giới hạn của đề tài Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ đề cập những vấn đề cơ bản nhất của tia laser như: các cơ sở vật lý của laser, nguyên lý làm việc của các loại máy phát laser và những ứng dụng của tia laser. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về vật lý lượng tử, cơ sở vật lý laser. Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu từ sách, báo, internet… - Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn. 4. Các bước thực hiện Đề tài thực hiện theo các bước: Bước 1: Nhận đề tài, xác định những nội dung cần đạt được của đề tài. Bước 2: Tìm, nghiên cứu tài liệu có liên quan đến đề tài và lập đề cương của đề tài. Bước 3: Viết báo cáo, sữa chữa theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Bước 4: Báo cáo đề tài. B. NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về tia laser 1.1 Lịch sử hình thành tia laser 1.2 Sơ lược về tia laser Chương 2: Cơ sở vật lý của tia laser 2.1 Sự hình thành ánh sáng laser 2.1.1 Mức năng lượng, các loại bức xạ.Các hệ số Einstein 2.1.2 Cấu trúc hệ thống của tia laser 2.1.3 Dịch chuyển quang học 2.1.4 Độ rộng và đường bao vạch phổ 2.2 Đặc điểm của tia laser 2.2.1 Tính chất nở rộng vạch phổ 2.2.2 Tính đơn sắc 2.2.3 Tính định hướng cao 2.2.4 Tính kết hợp 2.2.5 Cường độ của tia laser 2.2.6 Mật độ phổ (độ chói cao) 2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất 2.3.1 Phương pháp bơm năng lượng 2.4 Các cơ chế hoạt động của tia laser Chương 3: Các loại tia laser 3.1 Laser rắn 3.2 Laser khí 3.3 Laser lỏng Chương 4: Các ứng dụng của tia laser 4.1 Trong y học 4.2 Trong quân sự 4.3 Trong công nghiệp hiện đại C. PHẦN KẾT D. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Lịch sử hình thành tia laser 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, đèn huỳnh quang,…đó là những ánh sáng được sinh ra do nguyên tử bị kích thích phát ra photon. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra do sự tự chuyển mức năng lượng của nguyên tử hay phân tử, tuy nhiên có loại ánh sáng chỉ phát ra và tồn tại khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ trạng thái kích thích của nó cho đến khi bị cưỡng bức và phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. 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). 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. Sự ra đời của laser dựa vào thuyết lượng tử của Albert Einstein. 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. Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H. Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950, nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser. 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, nhiều khái niệm cơ sở cho sự hình thành tia laser đã được phát triển bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Ánh sáng laser đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu, California do Theodore Maiman chế tạo đó là một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 1 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh với 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. 1.2 Sơ lược về laser 1.2.1 Khái niệm về laser 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 ánh sáng nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật và đời sống, tạo nên một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật khi nó ra đời. 1.2.2 Các loại laser Tùy theo loại hoạt chất laser, môi trường kích hoạt, các kĩ thuật bơm kích thích nguyên tử nó sẽ phát ra những bước sóng khác nhau thì ta sẽ thu được các tia laser với các tên gọi khác nhau nhưng chúng đều có cùng nguyên lý cơ bản chung: - Laser rắn: môi trường hoạt chất ở thể rắn. Có hàng trăm loại như laser Ruby, laser YAG, laser bán dẫn, laser thủy tinh,…. - Laser lỏng: môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có 50 loại khác nhau. Các hoạt chất thể lỏng có màu sẽ cho laser màu, đó là những laser rất thông dụng hiện nay. - Laser khí: môi trường hoạt chất ở thể khí. Cũng có hơn hàng trăm loại khí đã được sử dụng như laser CO2, laser heli-neon, laser Argon,…. Người ta còn phân loại theo tính chất như: laser nóng như laser CO2, và laser lạnh như laser He-Ne, laser hồng ngoại. 1.2.3 Sơ lược về cấu tạo nguyên tắc hoạt động của laser Laser là một máy phát lượng tử vùng quang học, cấu tạo gồm ba bộ phận chính: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (nguồn bơm). Cả ba bộ phận chính ở trên không thể tách rời nhau và tạo thành một máy phát Laser. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 2 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp Hình 1.1: Mô hình cấu tạo chung máy phát Laser. 1.2.4 Hoạt chất Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại sóng điện từ (ánh sáng) đi qua nó và cũng quyết định phương pháp kích thích tạo nên môi trường hoạt tính. Căn cứ vào pha vật chất hay đặc tính của hoạt chất này mà ta có các loại Laser rắn, Laser lỏng, Laser khí và Laser bán dẫn. Chúng ta có thể phân loại như sau: - Hoạt chất ở thể khí bao gồm: các khí đơn nguyên tử: ArI, XeI, NeI…., các ion khí đơn nguyên tử: ArII, KrII…, các khí phân tử: CO2, CO, N2, H2O,…, các hợp chất khí đơn nguyên tử: He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như CO2-N2-He, CO-N2H2O… - Hoạt chất ở thể rắn bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như: Cr+3, Nd+3,Eu+3…. Laser rắn điển hình là Ruby có hoạt chất tinh thể Al2O3 trộn thêm ion Cr+3. Hoạt chất là bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe… về cơ bản những hoạt chất này là những chất phát quang. Hoạt chất ở thể lỏng bao gồm các chất peperidin Eu (BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol + methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3, Nd+3…. 1.2.5 Buồng cộng hưởng Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ. Một gương có hệ số phản xạ rất cao cỡ 99,999% còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầu. Nhiệm vụ chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để khuếch đại lên (thực hiện phản hồi dương). Hai gương phản xạ có thể để xa hoặc gắn chặt với hoạt chất. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 3 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp 1.2.6 Nguồn bơm Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo môi trường mật độ đảo lộn trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì hoạt động của laser. Tùy theo các loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau, nhưng chủ yếu là hai cách cơ bản sau: - Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học (nhờ sự hấp thụ), đây là loại kích thích phổ biến. - Kích thích bằng va chạm điện tử (ống phóng điện): năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ va chạm. Quá trình này diễn ra khá phức tạp. 1.2.7 Đặc điểm của Laser - Tính đơn sắc: trong buồng cộng hưởng chỉ có một số ánh sáng có bước sóng phù hợp mới được khuếch đại lên, các ánh sáng có bước sóng còn lại sẽ bị dập tắt. Do đó, laser phát ra chỉ gồm những ánh sáng có bước sóng gần nhau và được coi là đơn sắc. - Tính kết hợp: bức xạ cảm ứng phát ra photon có pha, tần số giống nhau và giống trường điện từ kích thích nên bức xạ laser là kết hợp. - Tính định hướng và cường độ cao: trong buồng cộng hưởng chỉ những dao động dọc theo trục của buồng cộng hưởng mới được giữ lại và khuếch đại lên. Nên bức xạ laser phát ra có cường độ cao và định hướng. - Tính phân cực: các photon phát ra do bức xạ cảm ứng có tần số, pha dao động, mặt phẳng dao động điện từ giống hệt nhau và giống với trường điện từ kích thích nên bức xạ Laser có tính phân cực. 1.3 Ứng dụng của laser Sự ra đời của laser đã nhanh chóng ứng dụng rộng khắp trong nhiều lĩnh vực như: quang học ứng dụng, điện tử, cơ khí, công nghệ thông tin, y học, công nghiệp, quân sự, giải trí…Laser phát huy hiệu quả tốt nhất trong công nghiệp và lĩnh vực nghiên cứu, laser ứng dụng trong quang phổ học cho phép thăm dò các đặc tính của GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 4 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp vật chất, ta có thể tìm các thiết bị phát laser trong các đầu đọc đĩa CD, DVD, các dòng máy PC và các bộ game console…. CHƯƠNG II CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LASER 2.1 Sự hình thành ánh sáng laser 2.1.1 Mức năng lượng. Các loại bức xạ. Các hệ số Einstein 2.1.1.1 Mức năng lượng Trong điện tử học cổ điển, khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở động năng của điện tử (đèn điện tử, clistron, manhetron…). Trong điện tử học lượng tử, khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở biến đổi nội năng của nguyên tử, phân tử, ion… Theo thuyết lượng tử, nội năng của hạt là lượng tử có nghĩa là giá trị năng lượng của hạt là xác định và gián đoạn theo từng mức (hay gọi là trạng thái năng lượng của hạt) gồm mức cơ bản và mức kích thích. Khi hạt chuyển dời từ một mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì dẫn đến nội năng của hạt bị biến đổi một lượng bằng hiệu năng lượng của hai mức năng lượng đó. Khi hạt dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn thì hạt sẽ hấp thụ năng lượng, ngược lại khi dịch chuyển xuống mức thấp hơn thì hạt sẽ truyền năng lượng. Những dịch chuyển như vậy có thể xảy ra bức xạ hay hấp thụ lượng tử. 2.1.1.2 Bức xạ của ánh sáng kích thích Theo định đề II (định đề về cơ chế hấp thụ và cơ chế bức xạ của nguyên tử) của thuyết Bo thì nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, khi đó nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác (tức là ứng với sự chuyển electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác). Nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và electron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất, đây chính là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và các electron chuyển động trên các quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Đó chính là trạng thái kích thích. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 5 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp E4 E3 E2 Các trạng thái kích thích E1 hf1 = E1 − E0 E0 Trạng thái cơ bản Hình 2.1: Sơ đồ các mức năng lượng 2.1.1.3 Sự hấp thụ Nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái cơ bản, là trạng thái có năng lượng thấp nhất. Muốn cho nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là mức năng lượng kích thích thì phải cung cấp cho nó một năng lượng đủ lớn để lên tới mức đó. Sự hấp thụ photon chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng cộng thêm đúng bằng độ tăng năng lượng tới một trong các giá trị được phép. E2 Sự hấp thụ hf E1 Hình 2.2: Sự hấp thụ 2.1.1.4 Sự bức xạ * Bức xạ tự phát Khi nguyên tử đạt đến trạng thái kích thích, nó chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn (khoảng 10−8 s đối với sự chuyển trong miền khả kiến), rồi chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn, đồng thời năng lượng bức xạ dưới dạng sóng điện từ (tức là GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 6 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp 1 photon). Sự chuyển này không bị bất kỳ một ngoại lực nào gây ra gọi là bức xạ tự phát. Tần số của bức xạ tự phát và các mức năng lượng đầu và cuối liên hệ với nhau bởi định luật Planck. hf = E2 − E1 (2.1) Với h = 6,625.10−34 Js : hằng số Planck Ánh sáng có được do bức xạ tự phát là ánh sáng không định hướng, không đơn sắc , không kết hợp. E2 hf E1 Hình 2.3 Sơ đồ bức xạ tự phát * Bức xạ cảm ứng Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Albert Einstein đã chúng minh được rằng ngoài hiện tượng phát xạ tự phát còn có phát xạ do cảm ứng. Nếu một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε = hf ,bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra sóng điện từ ứng với photon ε hoàn toàn cùng pha với sóng điện từ có photon ε’(Hình: a) Nếu có một photon ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì số photon này sẽ tăng lên.(Hình: b) Nguyên tắc phát quang của laser được dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 7 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp a) b) Hình 2.4 Sơ đồ quá trình bức xạ cảm ứng 2.1.1.5 Các hệ số Einstein Khi khảo sát các hạt trong điện tử trường, dưới tác dụng của điện từ trường thì có thể xảy ra ba quá trình là bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ. Gọi ρv : là mật độ năng lượng trường điện từ. ∞ Mật độ năng lượng toàn phần của trường điện từ là: ρ = ∫ ρv (v )dv 0 tp là xác suất dịch chuyển tự phát một hạt từ mức m xuống mức n và bức xạ Gọi dwmn tp photon hv = Em − En trong khoảng thời gian dt: dwmn = Amn dt Hệ số tỉ lệ Amn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ. dwmn là xác suất dịch chuyển cảm ứng từ mức m xuống mức n và bức xạ photon hv trong khoảng thời gian dt dưới tác dụng của trường điện từ. dwmn = Amn ρ v dt Hệ số tỉ lệ Bmn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ. dwnm là xác suất dịch chuyển cảm ứng từ mức n lên mức m và hấp thụ photon hv trong khoảng thời gian dt dưới tác dụng của trường điện từ. dwnm = Bnm ρv dt Bmn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ. Từ các phương trình trên, xác suất bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng trong một đơn vị thời gian là: tp dwmn = Amn dt GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 8 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp dwmn = Bmn ρ v dt dwnm = Bnm ρ v dt Để khảo sát hệ thức giữa Amn , Bmn , Bnm Einstein đã khảo sát tập hợp hạt ở trạng thái cân bằng khi nhiệt độ T không đổi. - Gọi N m , N n lần lượt là số hạt của các mức n và m trong một cm3 hệ hạt. Đối với hệ không suy biến thì N m , N n gọi là mật độ năng lượng m và n. Với V là thể tích hệ thì: Số photon bức xạ tự phát trong thời gian dt là: N mVdWmntp = N mVAmn dt Số photon bức xạ cảm ứng trong thời gian dt là: N mVdWmn = N mVBmn dt Số photon hấp thụ trong thời gian dt là: N nVdWnm = N nVBnm dt Trong trạng thái cân bằng nhiệt: N m ( Amn + Bmn ρv ) = N n Bnm ρv Theo phân bố Boltzman thì số hạt ở mức năng lượng thứ i trong 1 cm3 của hệ hạt thì: Ni = Ng~i ∑ − Ei .e KT N là tổng số hạt trong tất cả các mức trong 1 cm3 (mật độ hạt) − wi ∑ = ∑ g~ie KT là tổng số thống kê. i g~i trọng số thống kê của mức i. Để đơn giản ta chỉ xét hệ không suy biến ( g~i =1) Suy ra số hạt ở mức m trong 1 cm3 là: N m = Số hạt ở mức n trong 1 cm là: N n = 3 Từ đó ta được: ( Amn + Bmn ρv )e − Em KT N ∑ .e = Bnm ρ v e N ∑ − Em .e KT −W n KT − En KT Khi T → ∞ , mật độ phổ năng lượng rất lớn nên Bmn ρv >> Amn và e Nên Bmn ρv = Bnm ρv ⇒ Bmn = Bnm GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn ⇒ ρv = Amn . Bmn 9 1 e E m −E KT n ⇒ ρv = −1 − Ei KT →1 Amn . Bmn 1 e hv KT −1 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm Đề tài “Tìm hiểu về laser” Luận văn tốt nghiệp Amn ta áp dụng công thức Relay khi tần số hv< - Xem thêm -