Tài liệu Phân tích một vài khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm tia laser Luận văn Thạc sỹ Vật lý

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG Ì)ẠI HỌC VINH --------- ------------------------ NGUYỄN HỮU TÀI PHẬN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DUNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DựA TREN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER LUẬN VĂN THẠC Sĩ VẬT • • • r VINH, 2013 - 1 - BỌ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----------------— NGUYỄN HỮU TÀI PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DUNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DựA TREN TÍNH CHÁT CỦA CHÙM TIA LASER CIIUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC Sĩ VẬT LÝ • • • Người hướng dân khoa học: TS. NGUYỄN VĂN PHÚ CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Phú Phản biện 1: TS. Nguyễn Huy Bằng Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Huy Công LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng kỉnh trọng và sự biết ơn chân thành sâu sắc nhất của tác giả đến với Tiến s ĩ Ngiryễn Văn Phủ - thầy giáo hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gicm hoàn thành luận vãn. Đổi với tác giả, được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy là một niềm vinh hạnh lớn. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lị quỷ thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy trong quá trình tác giả học tập. Đồng thòi, tác giả cũng chân thành biết ơn đến TS. Nguyễn Hĩty Bằng (phản biện 1) và PGS.TS. Ngỉtyễn Huy Công (phản biện 2) đã tận tình góp ỷ, giúp đỡ tác giả thực hiện luận văn. Cuoi cùng, tác giả xỉn bày tỏ lòng biết ơn đến với những sự quan tâm, chăm sóc và động viên của gia đình, cảm ơn Ban giảm hiệu trường THPT M ỹ Quỉ cùng đồng nghiệp, bạn bè đã đồng hành và tạo điều kiện thuận ỉợi đế tác giả hoàn thành khỏa học. Vinh, tháng 5 năm 2013 Tác giả MỤC LỤC Trang Mở đầu...................................................................................................................5 Chương 1. TỎNG QUAN VÈ LASER 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của laser ................................................ 7 1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser ...............................10 1.3. Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser ............................................. 16 Kết luận chương 1 ................................................................................................24 Chương 2. PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN c ứ ủ KHOA HỌC DựA TRÊN TÍNH CHÁT CỦA CHÙM TIA LASER 2.1. Dựa trên tính chất kết hợp không - thòi gian.......................................25 2.2. Dựa trên tính chất cường độ và tính chất kết hợp................................27 2.3. Dựa trên tính chất cường độ, định phương, không gian và tính chất thòi gian ............................................................................................................. 34 2.4. Dựa vào tính chất thay đổi bước sóng ..................................................38 2.5. Dựa vào tính chất đon sắc và tính chất kết hợp .................................. 48 Kết luận chương 2.................................................................................................50 KÉT LƯẬN CIIƯNG........................................................................................... 51 Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 53 - 5 - M Ở ĐÀU Laser là một trong những phát minh lớn trong thế kỷ XX. Thuật ngữ LASER là viết tắt từ các từ tiếng Anh là: “Light Amplification by Stimulated Emission o f Radiation”, nghĩa là “khuếch đại ánh sáng bang bức xạ cưỡng bức”. Vật lí Laser đã mở rộng tầm nhìn của con người về ánh sáng. Ánh sáng thông thường do bức xạ của mặt trời, là tập họp các bức xạ điện từ có bước sóng từ 0,2|xm đến 40|am. Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được chỉ chiếm một phần rất nhỏ (từ 0,3 5 | i m đến 0,79|im) trong toàn bộ bức xạ điện từ của bức xạ mặt trời. Quá trình bức xạ của mặt trời là quá trình tự nhiên, nên bức xạ không kết hợp, không định hướng. Khác với bức xạ mặt trời, bức xạ laser là một chùm ánh sáng kết hợp, có cường độ cực lớn, đơn sắc với độ phân kỳ nhỏ, và có thể thay đổi được bước sóng trong một vùng phổ nhất định. Với khả năng có được chùm ánh sáng như the, laser đã tạo ra điều kiện để có thể nghiên cứu hàng loạt các hiện tượng khác thường trong tự nhiên [ 1 ]. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng laser đã có những bước phát triển hết sức to lớn. Laser không những được áp dụng trong nhiều ngành khoa học và công nghệ, mà còn được sử dụng cả trong những nghiên cứu thuộc lĩnh vực của cuộc sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho cộng đồng. Nhiều ý kiến cho rằng “Thời đại Photonic” sẽ thay thế “Thời đại Electronic” trong một tương lai không xa nữa [2]. Cách đây hơn 50 năm, lần đầu tiên laser ra đời với tư cách là một nguồn sáng có nhiều tính chất kỳ diệu đến nỗi ngay cả những nhà kỹ thuật giàu trí tưởng tượng nhất cũng chưa có thể mường tượng được có bao nhiêu ứng dụng để có thể tận dụng hết những đặc tính ưu việt của ánh sáng mà laser phát ra. Vậy, một số tính chất ưu việt và khả năng ứng dụng cụ thể của chùm tia laser đó là gì? Để có thể làm rõ vấn đề ấy nên tác giả chọn đề tài: “Phân tích một vài khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tỉnh chất của chùm tia laser” Trong thực tế thì laser có rất nhiều những ứng dụng khác nhau, bởi lẽ mỗi ngày lại có thêm những ứng dụng mới cũng như các loại laser mới. Khả năng ứng dụng của laser là rất đa dạng và rộng lớn, nhưng trong một khoảng thời gian ngắn thì không thể trình bày hết được những ứng dụng đó. Đối tượng và phạm vi nghiên CÚ11 của đề tài là một vài khả năng ứng dụng cụ thể gần đây nhất của laser. Qua luận văn có thể giúp chúng ta có một cái nhìn sâu sắc hơn về một số ứng dụng khoa học của laser, góp phần hạn chế những tác động xấu, đồng thời nâng cao khả năng ưu việt của ánh sáng laser thông qua việc chế tạo, sửa chữa, cải tiến các máy móc, thiết bị.... Bố cục của luận văn ngoài các phần: mở đầu, kết luận chung và tài liệu tham khảo, thì luận văn gồm hai chương chính có nội dung như sau: - Chương 1: Tổng quan về Laser Trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của laser, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser, một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser. Chương này sẽ là cơ sở lý thuyết tiền đề cho chương 2 sau này. - Chương 2: Một số ứng dụng cụ thế của Laser Chương này chủ yếu trình bày về một vài khả năng ứng dụng gần đây nhất của laser vào nghiên cứu khoa học, dựa trên những tính chất của nó, không hàm ý an ninh hay kinh tế. Cụ thể là nghiên cứu về Quang học phi tuyến, Holography, điều khiển các phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser trong công nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử và thông tin liên lạc. Qua chương này sẽ giúp chúng ta có được cái nhìn tổng quan hơn về khả năng ứng dụng mới của laser. Chương 1. TONG QUAN VE LASER 1.1. Lịch sử hình thành và phát triến của laser Cơ sở lý thuyết quyết định cho laser đã được Anhxtanh đặt ra từ năm 1917, khi ông đưa ra những ý tưởng cơ bản về bức xạ cưỡng bức và tự phát. Ồng giả thiết rằng: khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùng với sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng còn xảy ra hai loại bức xạ khác nhau: bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã được kích thích. a) hũ -Q - E, — o ------1. Hấp thụ E2-Er - E, - ■CH- E: b) hũ r IV\A^ 2. Phát xạ tự phát E, ---- 0 c) hũ o — lĩĩr AM-} AA/Lị hũ 3. Phát xạ cưỡng bức -o Hình 1.1. Quá trình tương tác [3] Hình vẽ thể hiện các quá trình tương tác cơ bản giữa bức xạ điện từ với vật chất đổi với một nguyên tử giả định chỉ có hai trạng thái năng lượng cho phép. Hấp thụ (a) xảy ra khi năng ỉượng của lượng tử bức xạ hũ chỉnh bằng hiệu năng lượng EỊ và E2 giữa hai trạng thái. Sau thời gian tồn tại trung bình T hệ đã kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản (b), đồng thời bức xa tự phát một photon h □. Thông qua tương tác của một photon h □ với một nguyên tử đã được kích thích, sẽ dẫn tới bức xạ kích thích hay cưỡng bức (c), ở đó sẽ có một photon hũ được trao cho trường bức xạ, khi đó ngưyên tử trở về lại trạng thái cơ bản. Ngay từ năm 1928, R. Ladenburg và các cộng tác viên ở Viện Hóa lý Điện hóa đã chứng minh được bức xạ cưỡng bức. Họ cho thấy có bức xạ cưỡng bức trong sự phóng điện ở dòng điện rất cao trong một ống thủy tinh có chứa khí hiếm là Neon. Chỉ có điều còn cần nhiều thời gian cho tới khi người ta có thể dùng bức xạ cưỡng bức này để khuếch đại ánh sáng. Vì có sự phụ thuộc vào tần số của tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và bức xạ tự phát vừa nói ở trên nên lúc đầu người ta mới chỉ thành công trong miền sóng cao tần. Đen năm 1954, maser amoniac đầu tiên trên thế giới được chế tạo, maser phát xạ trong miền sóng vô tuyến cao tần. Ngày 16/5/1960, tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu California, T. H. Maiman đã thành công trong việc chứng minh bằng thực nghiệm cho nguyên lý laser và lần đầu tiên ông đã chế tạo được laser ruby bơm bằng đèn chóp. Laser ruby (hay laser hong ngọc) là một laser chat ran. Hong ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Laser này phát ra những xung ánh sáng kết họp trong miền đỏ của quang phổ khả kiến với bước sóng 694nm. Tiếp sau laser rắn xung, năm 1961, chúng ta đã có laser liên tục là laser Heli - Neon, đồng thời đó là chiếc máy đầu tiên của một loại laser mới là laser khí (vì môi trường khuếch đại của nó là chất khí) và trên nguyên tắc nó được kích thích bằng sự phóng điện. Sau đó nhiều laser khí lần lượt ra đời như: Laser khí ion Argon phát xạ ánh sáng xanh lá và xanh lơ ; Laser khí Cacbonic phát ra ánh sáng liên tục trong miền hồng ngoại trung bình (nhiệt) với công suất trung bình rất cao ; Laser Excimer là một nguồn ánh sáng mạnh, bền. phát xung laser trong miền ánh sáng tử ngoại và có công suất trung bình rất cao. Tất cả các loại laser vừa nêu chỉ phát một loạt những bước sóng cố định. Năm 1966, Sorokin và Lankard đã có thể biến đổi được bước sóng của laser và laser màu từ đó ra đời. Laser màu có môi trường hoạt tính là một chất lỏng mang màu (thật ra là dung dịch thuốc nhuộm có màu). Trước đây, chúng ta vẫn thường quan niệm rang laser phải là những hệ thiết bị cồng kềnh với một loạt các linh kiện quang học được điều chỉnh trên bàn quang học đặc biệt chống rung và chống dao động. Nhưng từ những năm 1960, nhờ sự kết hợp tài tình giữa quang học và điện tử nên người ta đã chế tạo ra laser bán dẫn hay laser điốt. Như vậy, lại bắt đầu một bước phát triển mới làm đảo lộn quan điểm nói trên. Laser bán dẫn không những gọn nhẹ mà còn có độ tin cậy cao. Nhưng ngay từ bây giờ với nhiệm vụ làm nguồn bơm cho các laser rắn thông thường, các laser bán dẫn này thay thế cho đèn chớp và các laser khí quá phức tạp và tốn kém (vì chúng dựa trên hiện tượng phóng điện rất khó thực hiện). Với những phương pháp ngày càng chính xác và phức tạp hơn, các hệ laser càng ngày càng thích nghi hơn. Từ những năm 70 của thế kỷ trước, laser được bán rộng rãi trên thị trường và đã trở thành công cụ rất dễ sử dụng trong một phạm vi hết sức rộng lớn. Từ những năm 1980 đã ra đời một loạt các laser rắn, điển hình là laser YAG (yttri-aluminium-granat). Đe phủ kín miền phổ rộng hơn, bằng những phương pháp quan trọng nhất để tạo ra ánh sáng đơn sắc, kết họp và không phân kỳ, ngày nay người ta chủ yếu dựa trên các vật liệu chất rắn càng ngày càng mới hơn, chẳng hạn Titan-Saphir. Các phương pháp của ngành quang - 10 - phi tuyến càng ngày được phổ biến hơn. Đồng thời dãi phổ khuếch đại rộng vốn có của các vật liệu laser rắn hiện đại cũng đã giải quyết được vấn đề khó khăn nhất là: những xung ngắn nhất và có cường độ cao nhất, kèm theo một sự lặp lại các thông số của xung [3]. 1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser 1.2.1. Cấu tạo của máy phát laser Laser hay còn gọi là máy phát lượng tử vùng quang học, gồm ba bộ phận chính: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (hay còn gọi là nguồn bơm). 1.2.1.1. Hoạt chất Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Đây là môi trường gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là 3 mức hoặc 4 mức năng lượng để tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Hoạt chất của laser có rất nhiều loại, có thể người ta dùng chất rắn, chất lỏng, chất khí, chất bán dẫn,... -11 - - Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như : Sm+3 , Eu+3 , NcT3 , Cr+3, Laser rắn điển hình là laser Rubi có hoạt chất là tinh thể AI2O 3 trộn thêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y 3A 150 12 trộn thêm ion Nd+3. - Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như peperidin Eu(BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol, methol và có thêm ít nguyên tố hiếm như Eu+3, Nd+3, ... - Hoạt chất là chất khí bao gồm: + Các khí đơn nguyên tử, như: Arl, Xel, N el,... + Các ion khí đơn nguyên tử, như: Arll, K rll,... + Các khí phân tử, như: CO2 , c o , N 2 , H20 , ... + Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử, như He - Ne, hay hỗn họp khí phân tử như là CO2 - N 2 - He , c o - N 2 - H 2O , ... - Hoạt chất là chất bán dẫn như: GaAs, PbS, PbTe , ...Hoạt chất loại này phải là những chất phát quang [5]. 1.2.1.2. Buồng cộng hưởng Thành phần chủ yếu của buồng cộng hưởng là 2 gương. Một gương có hệ số phản xạ rất cao (cỡ 99,999%), còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể thay bằng lăng kính hay cách tử (tùy theo yêu cầu). Hai gương phản xạ có thể đểxa hoạt chất hay gắn chặt với nó [5]. Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ (do hoạt chất phát ra) có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên, hay nói cách khác là tạo ra sự phản hồi ngược dương cho môi trường khuếch đại là - 12 - hoạt chất [5]. Ngoài ra, buồng cộng hưởng còn có tác dụng tạo dao động riêng (MODE) của trường quang học, đồng thời định hướng cho chùm tia laser phát ra ngoài [ 1 ]. 1.2.1.3. Bộ phận kích thích (hay nguồn bơm) Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tùy theo các laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau, để tạo ra môi trường khuếch đại cho laser, như: kích thích bằng dòng điện (chủ yếu cho laser khí, laser bán dẫn), kích thích bằng nguồn ánh sáng không kết hợp hoặc ánh sáng kết họp, kích thích bằng phản ứng hóa học, kích thích bằng khí động học, ... Tuy nhiên, mỗi một loại laser chỉ có thể áp dụng một phương pháp kích thích, phụ thuộc vào bản chất của hoạt chất [5]. * Ngoài ba bộ phận chính vừa nêu ở trên thì trong cấu tạo của laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu viêt của chùm tia laser, như: hôp phản xa - tập trung năng lưựng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm quang h ọ c); diaphragm a - lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản ; chất làm lạnh giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm mục đích nâng cao độ ổn định của laser [ 1 ]. 1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của máy phát laser Muốn có quá trình khuếch đại liên tục các photon ánh sáng thì ta cần tạo ra tín hiệu phản hồi ngược, tức là làm thế nào để một phần trong số các photon sau khi đi qua môi trường khuếch đại sẽ quay trở lại đóng vai trò là tín hiệu vào. - 13 - Mt (95%) M2 (99,999%) a a a a /\* . VWW\ *yww\ /V W w *. /W w v > . ịộậịộ VVV\M I AA/W V*. A /W vv *. /W w v » . M /W v * . M ô i t r ư ờ n g k h u ế c h đại la s e r /W W W //«;/; 1.3.Nguyên ứ c hoạt động của máy phátlaser [1] Bước thứ nhất, một số nguyên tử thực hiện quá trình bức xạ tự nhiên từ mức năng lượng trên và phát ra photon theo nhiều hướng khác nhau. Trong số các photon đó có photon truyền theo phương vuông góc với gương phản xạ. Trong số các photon truyền theo phương vuông góc ấy, có một số sẽ truyền qua gương và một số sẽ quay trở lại môi trường khuếch đại. Chính photon này đóng vai trò là tín hiệu quang ban đầu. Quá trình các photon quay lại môi trường khuếch đại chính là quá trình phản hồi quang học dưong. Bước thứ hai, photon này sẽ kích thích phát xạ cưỡng bức từ mức năng lượng trên và một photon thứ hai sẽ được phát ra. Hai photon này sẽ truyền cùng pha vói nhau và hướng tới gương thứ hai. Bước thứ ba, hai photon sẽ quay lại môi trường và tiếp tục kích thích bức xạ cưỡng bức sinh ra bốn photon truyền tới gương thứ nhất. Từ gương thứ nhất, một số photon thoát ra ngoài khỏi buồng cộng hưởng. Chùm tia laser được sinh ra. Các photon khác được phản xạ lại sẽ tiếp tục hành trình qua lại trong môi trường khuếch đại và kích thích bức xạ tiếp tục để sinh ra laser. Nhưng cần phải lưu ý là một số photon khi đi qua môi trường khuếch đại cũng bị hấp thụ để kích thích các nguyên tử chuyển từ mức năng lượng dưới lên mức năng lượng trên (như quá trình 3). Đồng thòi, sau một lần qua - 14 - lại giữa hai gương của buồng cộng hưởng, một số photon đi ra ngoài. Như vậy đã xảy ra quá trình mất mát photon (hay mất mát năng lượng) trong mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng. Hệ số mất mát P =^™L (trong đó: Winin là W., năng lượng mất mát tổng cộng trong và ngoài buồng cộng hưởng, còn W ch là năng lượng tích lũy của buồng cộng hưởng). Quá trình khuếch đại trong buồng cộng hưởng và phát photon ra ngoài (bức xạ laser) xảy ra liên tục (ổn wr định) khi và chỉ khi hệ số mất mát ß cân bằng với hệ số khuếch đại g ( g trong đó: w r và w v lần lượt là năng lượng tín hiệu ra và năng lượng tín hiệu vào tương ímg). Hoạt chất của laser chỉ có được khi giữa hai mức năng lượng nào đó trong đó hoạt chất có nghịch đảo độ tích lũy. Đe năng lượng bơm dẫn tới sự nghịch đảo này thì cần phải có ba hay bốn mức tham gia vào quá trình tương tác [ 1]. a. Hệ nguyên tử làm việc vói ba mức năng lượng Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.4 Nhờ bơm quang học, các nguyên tử sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3. Đe đảm bảo tần số ánh sáng bơm không quá đơn sắc, người ta thường chọn mức 3 có một độ rộng tương đối lớn. Khi tới mức 3, hệ nguyên tử định cư ở đây không lâu và sẽ chuyển không bức xạ sang mức 2 nằm gần đó và tại đây nó không thể chuyển tự phát xuống mức 1 , vì mức là 2 loại mức siêu bền, các nguyên tử có thời gian cư trú rất lâu. Như vậy, nhờ bơm mà các nguyên tử sẽ chuyển từ mức 1 sang mức 2 và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy ở hai mức 2 và 1. Trong chế độ này đòi hỏi xác suất dịch chuyển không bức xạ T32 là rất lớn, T32 » T31 và mức 2 là mức siêu bền. - Tuy n h iê n , do hai m ứ c 3 và 2 15 - khá gần nhau nên bức xạ tự p h á t V31 rất gần bức xạ laser V21 , và điều này làm nhiễu loạn phần nào hoạt động của laser. Người ta gọi bức xạ tự phát V 31 là “sh/m” của máy laser làm việc với chế độ ba mức năng lượng. Ta thấy rằng, trong cơ chế bơm ba mức, trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú chỉ xảy ra khi số nguyên tử ở mức 1 ít hơn số nguyên tử ở mức 2. Như vậy, cần phải có một bức xạ điện từ lớn (công suất lớn) để đưa ít nhất một nửa nguyên tử ở mức 1 lên mức 3. Cơ chế này hoàn toàn không hiệu quả so với cơ chế bơm bốn mức năng lượng sau đây [5]. b. Hệ nguyên tử làm việc vói bốn mửc năng lượng Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.5 Nhờ bơm, các nguyên tử ở mức 1 4 sẽ dịch chuyển lên mức 4. Mức này có độ rộng lớn để không đòi hỏi ánh sáng bơm là í đơn săc. Tại mức 4, các nguyên tử sẽ X , X chuyến không bức xạ xuông mức 3 và tại •laser 2 -------------------1 Hinh ] s Ce ché bơm bến ^ đây nó không chuyển tự phát xuống các mức dưới do mức 3 cũng thuộc loại mức siêu bền. Mức 2 rất gần mức 1 và có liên kết quang với mức 4. Vì vậy, các bức xạ tự phát từ 4 xuống 2 sẽ qua quá trình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1. Theo quá trình bơm, các nguyên tử sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3 và tạo ra sự nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức 3 và 2. Bức xạ laser xuất hiện trong dịch chuyển 3 và 2 sẽ không bị ảnh hưởng của bức xạ tự phát 4 và 2. Đấy là ưu điểm của chế độ làm việc theo bốn mức năng lượng. - 16 - Điều kiện cần thiết cho sự làm việc này là: xác suất dịch chuyển r 43 lớn hơn rất nhiều r 32 và r 42 (với r 32 —0 ) , xác suất dịch chuyển r 2i lớn hơn rất nhiều Tị 2 và r 12 [5]. 1.3. Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser Bức xạ đặc biệt của laser là gì mà đã làm cho laser trởnên một nguồn sáng có ứng dụng đặc biệt và đa dạng như thế? Vì laser cónhững tính chất đặc biệt khác ánh sáng thông thường, như là: 1.3.1. Kết hợp Trước hết, nhất thiết phải kể đến tính kết họp của ánh sáng laser. Điều đó có nghĩa là trong trường bức xạ, các sóng có quan hệ pha cố định cả về thời gian và không gian. Tia G a u s s M ôi tr ư ờ n g h o ạ t tín h (b) G ương 1 G ương 2 Các m ặ t só n g á n h s á n g kết h ợ p k h ô n g - t h ờ i gia n Hình 1.6. Túth kết hợp [3] Nếu dùng các nguồn sáng nhiệt thông thường, chúng ta chỉ có thể thu được ánh sáng kết họp khi chịu mất mát rất lớn về cường độ, bởi vì chúng ta phải đặt một phin lọc màu có dải hết sức hẹp và một điaphram có lỗ rất nhỏ trước nguồn sáng về mặt không gian là rất lớn {hình 1.6. a). - 17 - Bức xạ cưỡng bức xuất hiện trong môi trường hoạt tính trái lại tạo được ánh sáng rất mạnh, có độ kết họp thời gian cao. Neu chọn buồng cộng hưởng quang học thích hợp sẽ xuất hiện tia sáng hình Gauss kết hợp không gian được đặc trưng bởi một góc mở nhỏ, mặt sóng hình cầu và phân bố cường độ hướng tâm ứng với bình phương của một đường cong hình Gauss {hình 1.6.b), tức là trên một màn ở xa laser có một vết sáng đơn sắc rất sáng, tương đối nhỏ. Tính kết họp thời gian được xác định bằng phương pháp giao thoa. Người ta định nghĩa chiều dài kết hợp là chiều dài ứng với khác biệt tối đa giữa hai sóng giao thoa nhau, mà chúng ta vẫn còn quan sát được hiện tượng giao thoa [3]. Trong khi các đèn quang phổ dùng sự phóng điện trong chất khí thông dụng, chúng ta sẽ đo được chiều dài kết hợp ở bậc lớn hàng mét, thì đối với một laser Heli-Neon đã được ổn định hóa, chúng ta thậm chí có thể đạt tới chiều dài kết hợp khoảng hơn một trăm mét. Chiều dài kết họp lớn có nghĩa là độ rộng dải phổ của bức xạ rất nhỏ. Như vậy, ánh sáng laser là một dải hẹp thuần nhất về tần số. Bởi vậy, những laser đặc biệt được ốn định hóa rất thích hợp dùng làm chuẩn tần số để xác định các đơn vị cơ bản: mét (m) và giây (s). 1.3.2. Cường độ (hay mật độ số photon) Cường độ tia laser lớn gấp nhiều lần cường độ tia sáng nhiệt thông thường. Đe rõ tính chất này, ta hãy so sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất thấp bình thường với bức xạ nhiệt. - 18 - Với laser khí Heli - Neon phát công suất cỡ lm W ở chế độ liên tục và với photon nằm trong miền thấy được (0,6328|Lun) có năng lượng hv = 10’19J thì số photon laser phát trong một giây sẽ là: p 1f r 3 hv 10 = ^ =~ ~ j^ - 1016 (photon) (1.1) Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ T ~ 1000°K, bức xạ từ một diện tích AA = lcm 2 và cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng Av ~ 1000Ẩ th ì s ố p h o t o n n h iệ t t ín h t h e o c ô n g th ứ c : Nn = * 10" (photon) (1.2) (với X ~ 6000Â ) e k ĩl_ 1 So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy, số photon laser gấp 10000 lần số photon nhiệt. Nếu so sánh vói bức xạ laser công suất lớn như của laser Ruby có công suất cỡ 1GW = 109w thì số photon laser là 1028 photon, sẽ gấp số photon nhiệt N n hàng tỉ lần. Chính nhờ tính chất này mà laser trở thành nguồn sáng quý giá trong nhiều ứng dụng cụ thể sau này [5]. 1.3.3. Định phương Độ định phương của laser là cao. Tia laser phát ra hầu như là chùm song song, do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn kilomet mà không bị phân tán. Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn. Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Tuy nhiên, nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học đã biết, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt - 19 - phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn. Với chùm laser sóng phang, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích s = ——) , sau gương chùm tia laser sẽ ° ° ° v • 4 tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ Aỡ =— , ở đây X là Ắ bước sóng laser, và chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối : (1.3) An = (AỠ)i = | - » | Góc khối: là phần không gian giới hạn bởi một mặt nón, được đo bằng diện tích s mà nó chắn trên một hình cầu có tâm ở đỉnh của mặt nón và bán kính bằng một đơn vị chiều dài. Góc khối cực đại bằng 4ĩt sterađian. Giá trị góc khối AÍ2 này là cỡ 2ĩt sterađian, rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn sáng nhiệt [5]. 1.3.4. Đơn sắc Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch Av của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm bằng 0 thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch Av có thể xác định bằng công thức: v0 V Hình 1.7. Độ rộng vạch phổ [1] 87ĩhvữ{—)2 (1.4)