Tài liệu Tìm hiểu một số laser rắn

Đề tài: Một số laser rắn 1 MỤC LỤC MỤC LỤC................................................................................................................................1 MỞ ĐẦU...................................................................................................................................5 1. Lý do chọn đề tài............................................................................................................5 2. Mục đích nghiên cứu.....................................................................................................8 3. Nhiệm vụ nghiên cứu.....................................................................................................8 4. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................................8 5. Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................................9 6. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................................9 NỘI DUNG.............................................................................................................................10 Chương 1: Cơ sở lý thuyết..............................................................................................10 1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử10 1.1.1. Quá trình hấp thụ......................................................................11 1.1.2. Quá trình phát xạ tự phát..........................................................12 1.1.3. Quá trình phát xạ cưỡng bức....................................................13 1.2. Hiện tượng khuếch đại.............................................................................................15 1.3. Sự nghịch đảo mật độ cư trú....................................................................................16 1.4. Ngưỡng phát............................................................................................................16 Chương 2: Tổng quan về Laser......................................................................................18 2.1. Khái niệm................................................................................................................18 2.2. Lịch sử nghiên cứu Laser........................................................................................20 2.3. Cơ chế phát Laser....................................................................................................23 2.4. Cấu tạo của máy phát laser......................................................................................29 2.4.1. Môi trường hoạt chất................................................................30 2.4.2. Nguồn bơm của Laser...............................................................31 2.4.3. Buồng cộng hưởng Laser..........................................................32 2.4.3.1 Cấu tạo............................................................................32 2.4.3.2 Chức năng.......................................................................33 2.4.3.3. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng....................35 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 2 2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng................................35 2.5. Đặc điểm của chùm tia Laser..................................................................................36 2.5.1. Tính chất vật lý.........................................................................36 2.5.1.1. Độ định hướng cao.........................................................36 2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao.......................................................37 2.5.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn...................................37 2.5.1.4. Độ rộng phổ...................................................................37 2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn........................................................38 2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser...................................................39 2.5.2. Tính chất sinh học.....................................................................39 2.5.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học.........................................39 2.5.2.2. Hiệu ứng nhiệt................................................................40 2.5.2.3. Hiệu ứng quang ion........................................................40 Chương 3: Một số laser rắn............................................................................................41 3.1. Khái niệm laser rắn..................................................................................................41 3.2. Đặc điểm của Laser rắn...........................................................................................41 3.3. Laser Ruby...............................................................................................................41 3.3.1. Khái niệm..................................................................................41 3.3.2 Cấu tạo của Ruby.......................................................................41 3.3.3 Cấu tạo của Laser Ruby.............................................................42 3.3.3.1. Môi trường hoạt chất......................................................43 3.3.3.2. Buồng cộng hưởng.........................................................44 3.3.3.3. Nguồn bơm....................................................................45 3.3.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby.......................................46 3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby..........................................52 3.2.5.1. Ưu điểm.........................................................................52 3.2.5.2. Nhược điểm....................................................................52 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 3 3.4. Laser Ti: sapphire....................................................................................................53 3.4.1. Khái niệm..................................................................................53 3.4.2. Cấu tạo của Sapphire................................................................53 Công thức hóa học của sapphire là Al2O3 ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti3+ thay thế vị trí của Al3+ trong mạng tinh thể. Mỗi ion Ti3+ liên kết với 6 ion O2nằm ở các đỉnh của hình tám mặt........................................................................................53 3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire.................................................53 3.4.3.1. Môi trường hoạt chất......................................................53 3.4.3.2. Buồng cộng hưởng.........................................................54 3.4.3.3. Nguồn bơm....................................................................57 3.4.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire............................57 3.4.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire................................59 3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm...............................................................................60 3.5.1. Laser Nd:YAG..........................................................................60 3.5.1.1. Khái niệm.......................................................................60 3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG.....................................................60 3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG...........................................61 3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG......................62 3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG..........................66 3.5.2. Laser Yb: YAG.........................................................................67 3.5.2.1. Khái niệm.......................................................................67 3.5.2.2. Cấu tạo của Yb:YAG.....................................................67 3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG...........................................67 3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG......................68 3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG..........................69 3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác.................70 3.6. Laser Tm:Ho: YAG.................................................................................................71 3.7. Ứng dụng của Laser rắn..........................................................................................73 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 4 3.7.1 Gia công vật liệu........................................................................73 3.7.2 Trong quân sự............................................................................80 3.7.3 Dùng trong y học.......................................................................81 KẾT LUẬN............................................................................................................................84 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................85 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 5 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại bắt đầu giữa những năm 40 thế kỉ 20. Những phát minh trong khoa học - kĩ thuật cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 là tiền đề của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại này. Cuộc cách mạng trong giai đoạn này chủ yếu về công nghệ. Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất. Một trong hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật của ngành vật lý trong thế kỷ 20 là laser. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser đầu tiên. Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo. Laser là một nguồn phát ánh sáng có tầm quan trọng ngày càng cao trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao nồng 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. Laser trở thành một vật thiết yếu trong công việc hàng ngày, và thông dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng tạp hóa. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng tên lửa, ngay cả những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 6 ấn hoặc in sao các văn bản giấy cũng sử dụng đến laser. Đặc biệt laser được sử dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu thuật, và trong gia công vật liệu. Hay mạng viễn thông trên thế giới phần lớn được truyền dẫn bằng việc gởi những tín hiệu laser dạng xung đi hàng dặm đường trong các sợi cáp quang, và những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa như những bức tranh thời cổ đại thường được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thành sự thật. Laser đầu tiên được chế tạo là laser Ruby, laser này sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất. Ngay sau đó các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo ra nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất. Từ đó công nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser lỏng... Ban đầu laser tạo ra có công suất thấp ứng dụng không nhiều, các nhà khoa học đã nghiên cứu và dùng nhiều cách đã tạo ra được laser công suất cao với nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế. Công nghệ laser phát triển mạnh mẽ nữa sau thế kỷ 20, nhưng hiện nay công nghệ laser được nghiên cứu theo những hướng mới. Đặc biệt là trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công nghệ laser. Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân thành nhiều ngành khác nhau: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí... Trong đó laser rắn được phát minh đầu tiên mở màn cho các loại laser sau này phát triển. Laser rắn sử dụng môi trường hoạt chất là chất rắn. Laser rắn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực y học, gia công vật liệu, quân sự... Ở Việt Nam công nghệ laser được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đã đạt được rất nhiều thành tựu, nhất là triển khai ứng dụng công nghệ laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 7 vào cuộc sống. Ở nước ta có Trung tâm công nghệ Laser ở Hà Nội đã đạt được rất nhiều thành tựu to lớn về công nghệ laser góp phần không nhỏ trong chương trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước như: - Laser trong công nghiệp. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Laser trong xử lý vật liệu (cắt, hàn, khắc,...). Tư vấn chuyển giao công nghệ cho các cơ sở, đơn vị trong lĩnh vực trên. - Laser trong Y tế. Chế tạo các loại Laser He-Ne trị liệu 2-50mW; Các loại Laser CO2 phẫu thuật 10-40W; Laser Diode châm cứu; Laser He-Cd, Laser Nd: YAG, Laser Ruby. Từ khai thác, làm chủ hệ laser CO 2 công suất lớn, laser bán dẫn, Trung tâm đã chế tạo thành công nhiều hệ laser và đưa vào ứng dụng trong gia công cắt gọt, và sử dụng trong phẫu thuật. Thành công trong nghiên cứu theo phương pháp chuẩn trực công nghiệp chùm tia laser bán dẫn, đã chế tạo thành công những hệ đo laser không tiếp xúc với cự ly từ 30m đến 1500m, phục vụ hiệu quả trong công nghiệp, xây dựng và nhất là trong an ninh quốc phòng. Đặc biệt thiết bị laser He- Ne đã đem lại kết quả tốt trong điều trị các bệnh ngoài da, dị tật phong, nội tĩnh mạch và cai nghiện ma tuý. Ngoài Trung tâm công nghệ laser ra nước ta còn có Phân viện quang học và quang phổ cũng khảo sát các tính chất vật lý của laser bán dẫn, laser công suất cao. Đã phát triển, chế tạo và ứng dụng các laser công suất cao. Ngoài ra có rất nhiều nhà khoa học, nhiều trung tâm khoa học vật liệu như Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia, nhiều Viện khoa học đang nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng laser vào cuộc sống. Cùng với những thành tựu đạt được của công nghệ laser vào cuộc sống của Việt Nam cũng như trên thế giới. Laser không còn là lĩnh vực mới lạ đối với nước ta. Khi đi ra đường hay bất kỳ đâu chúng ta đều nghe nhắc đến laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 8 như dao laser, máy in laser, bút laser, và ngay cả trò chơi của trẻ em... Rất rất nhiều và bạn có thể mua bút laser bất kỳ đâu. Với những ứng dụng rất rộng rãi của laser ngày nay thì việc tìm hiểu hoạt động, cấu tạo, cơ chế phát laser cũng rất cần thiết đối với mỗi chúng ta. Laser rắn cũng là một trong những laser được biết đến nhiều nhất và được ứng dụng nhiều nhất trong y học, gia công vật liệu. Với những ứng dụng quan trọng đó laser rắn cũng phần nào trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài này: “Một số laser rắn”. Để tìm hiểu rõ hơn một số loại laser rắn về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng. 2. Mục đích nghiên cứu Với tầm quan trọng của laser cũng như laser rắn trong cuộc sống của con người ngày nay, tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra như sau: - Nắm vững được cơ sở lý thuyết của laser rắn. - Nêu được một số loại laser rắn về nhiều phương diện như cấu tạo, cơ chế hoạt động, ứng dụng, và tầm quan trọng của nó trong cuộc sống. - Đề tài phân biệt được laser rắn với các loại laser khác. - Đề tài nêu được những ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là: - Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của laser cũng như laser rắn. - Thu thập tài liệu ở các sách và trên mạng Internet. - Tổng hợp, phân tích, so sánh, khái quát tài liệu thu thập được. - Dịch tài liệu tiếng anh để đề tài được phong phú hơn. 4. Đối tượng nghiên cứu Để đạt được mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu tôi xác định đối tượng nghiên cứu như sau: GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 9 - Cơ sở lý thuyết của laser. - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính chất của laser. - Phân biệt laser rắn với các loại laser khác. - Cấu tạo, đặc điểm, cơ chế phát của laser rắn. - Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb: YAG, laser Tm:Ho:YAG, một số laser dùng một số nguyên tố đất hiếm khác. - Ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống. 5. Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ nghiên cứu sơ lược cơ sở lý luận của laser và cấu tạo, cơ chế hoạt động của laser. Đề tài nghiên cứu kỹ các loại laser rắn về cấu tạo, cơ chế hoạt động, ưu và nhược điểm. Đề tài nêu sơ lược ứng dụng của laser rắn trong quân sự, trong y học và trong gia công kim loại. 6. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách. - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được. - Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận. - Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 10 NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử Electron trong nguyên tử không phân bố đều mà xếp theo từng lớp, mỗi lớp chỉ có thể có tối đa một số electron nhất định. Mỗi lớp tương ứng với mỗi mức năng lượng riêng biệt. Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ, phát xạ các tia sáng, theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước sóng (hay màu Hình 1: Mô tả phát xạ tự phát (a), phát xạ cưỡng bức (b), hấp thụ (c) sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. Giả sử ta có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một mức gọi là mức 1 tương ứng với năng lượng là E 1 còn mức kia gọi là mức 2 tương ứng với năng lượng là E 2. Mật độ cư trú trên các mức đó được xác định là N1 và N2. Theo định luật phân bố Boltzmann thì: N1 = N 0 e − N 2 = N0e E1 kT − E2 kT với N0 là mật độ cư trú của hạt ở trạng thái cơ bản, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của hệ hạt. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 11 Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng hν = E2 − E1 ( h là hằng số Planck, ν là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon ρ chiếu vào tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra: 1.1.1. Quá trình hấp thụ Quá trình hấp thụ là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các nguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng của photon ngoài để nhảy lên mức kích thích. Năm 1943 Bohr đề xuất: mỗi nguyên tử bất kỳ gồm một hạt nhân và các điện tử quay theo các quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân. Mỗi quỹ đạo tương ứng với một mức năng lượng khác nhau. Hạt ở mức năng lượng E1, khi được cung cấp một nguồn năng lượng hν , chúng sẽ hấp thụ và có sự dịch chuyển lên các mức năng lượng E2 với năng lượng mà nó nhận được (từ mức thấp E1 lên mức E2). Năng lượng photon khi đó phải bằng hiệu hai mức năng lượng của Hình 2: Quá trình hấp thụ dịch chuyển. hν = E2 − E1 Quá trình hấp thụ được mô tả như sau : A * + hν → A ** , với : A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, hν là năng lượng của photon kích thích. Xác suất hấp thụ khi hạt dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2 trên một đơn vị thời gian P12 được tính như sau : dP12 = B12 ρ dt trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ, ρ là mật độ photon chiếu vào. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 12 Quá trình hấp thụ khác quá trình tự phát ở chỗ nó phụ thuộc vào tác động bên ngoài. Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường sẽ xảy ra mạnh hơn. 1.1.2. Quá trình phát xạ tự phát Phát xạ tự phát là quá trình các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao hơn tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài (không cần ánh sáng kích thích). Khi đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện Hình 3: Phát xạ tự phát từ (photon). Ví dụ hạt ở mức kích thích E2, mức năng lượng này không bền nên hạt sẽ dịch chuyển về mức năng lượng bền hơn, đó là mức năng lượng cơ bản E 1, khi dịch chuyển về thì hạt cũng phát ra photon có bước sóng tương ứng với hai mức năng lượng đó: hν = E2 − E1 Ta có thể mô tả bức xạ tự phát bằng mô hình: A ** → A * + hν , với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, hν là năng lượng của photon. Xác suất phát xạ tự phát từ mức 2 về mức 1 của photon trên một đơn vị thời gian P21 thì: dP21 = A21 , dt với A21 là hệ số Einstein. Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử và chỉ xác định được bằng thực nghiệm. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 13 Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng vẫn tồn tại ở trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. 1.1.3. Quá trình phát xạ cưỡng bức Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Einstein đã chứng minh rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự phát, còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cưỡng bức (hay phát xạ cảm ứng). Hiện tượng như sau: Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε = hν , bắt gặp một photon có năng lượng ε ' đúng bằng ε = hν , bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon ε . Photon ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon ε ' . Ngoài ra, sóng điện từ ứng với photon ε hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với photon ε ' . Khi 1 photon Hình 4: Hai photon ε và ε ' thích hợp bay qua một nguyên tử ở trạng thái kích thích thì do hiện tượng phát xạ cảm ứng sẽ xuất hiện hai photon như nhau bay cùng phương. Hai photon này bay qua 2 nguyên tử trong trạng thái kích thích sẽ xuất hiện 4 photon giống nhau bay cùng phương… Do đó số photon tăng theo cấp số nhân. Vậy quá trình phát xạ cưỡng bức là quá Hình 5: Photon tăng theo cấp số nhân trình khi có tác động của photon có năng lượng E, các hạt nhảy đang ở mức kích thích bị cưỡng bức nhảy về mức cơ bản sớm hơn. Cùng với sự dịch chuyển này sẽ phát ra Photon cũng có năng lượng E có tính chất giống hệt với GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 14 Phonton đã cưỡng bức hạt nhảy xuống mức thấp. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4.... Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản cơ bản trên một đơn vị thời gian P xác định Hình 6: Phát xạ cưỡng bức như sau: dP = B21 ρ dt trong đó: B21 là hệ số Einstein của dịch chuyển cưỡng bức, ρ là mật độ photon phát ra. Quá trình phát xạ cưỡng bức được mô tả như sau: A ** + (hν )1 → A *(hν )1 + (hν ) 2 với A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp, A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn, (hν )1 là năng lượng của photon sơ cấp (kích thích), (hν ) 2 là năng lượng của photon thứ cấp. Einstein chứng minh được rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt động, số photon bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau: B21 = B12 Vấn đề quan trọng nhất trong việc tạo được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường số hạt ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Muốn duy trì cơ chế phát xạ cưỡng bức thì phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 15 có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Đây chính là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự nghịch đảo mật độ dân cư. 1.2. Hiện tượng khuếch đại Với quá trình phát xạ tự phát thì photon tăng theo cấp số nhân. Muốn duy trì quá trình phát xạ cưỡng bức ta phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn. Lúc đó phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là dòng thác photon tăng lên với số lượng lớn ta gọi đây là hiện tượng khuếch đại ánh sáng. Giả sử có hệ nguyên tử, phân tử hai mức năng lượng với số nguyên tử nằm ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng lượng thấp (N2>N1). Tức hệ nguyên tử, phân tử đang ở môi trường nghịch đảo mật độ cư trú. Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức: hν = E2 − E1 Khi đó một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức E1 lên E2, đồng thời hai photon còn lại sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng thái E2 chuyển về trạng thái E1 và sinh thêm 2 photon. Vậy với 3 photon vào ta Hình 7 Khuếch đại ánh sáng sẽ có 4 photon ra. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 16 Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức : g= Wr , Wv trong đó Wr, Wv là năng lượng photon ra và năng lượng photon vào. Môi trường có g>1 gọi là môi trường khuếch đại, nếu g<1 là môi trường hấp thụ. Trên cơ sở lí thuyết khuếch đại ánh sáng người ta chế tạo laser. 1.3. Sự nghịch đảo mật độ cư trú Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số dịch chuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số dịch chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng hν lượng nào. Theo phân bố Boltzmann số hạt ở trạng thái E2 là : N 2 = N1e − kT với nhiệt độ dương số nguyên tử ở trạng thái có năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao tức là N 1>N2. Mà yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn tức là N2>N1. Đây được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú. Trạng thái này gọi là trạng thái ‘nhiệt độ âm’ không tuân theo phân bố Boltzmann. Tùy vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để nghịch đảo mật độ cư trú khác nhau. Ví dụ đối với chất rắn thì dùng bơm quang học, đối với chất khí thì dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài, đối với bán dẫn thì dùng phương pháp bơm bằng dòng điện. 1.4. Ngưỡng phát GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 17 Để phát ra được photon sau khi được khuếch đại thì hệ số khuếch đại phải vượt qua một giới hạn, giới hạn đó chính là ngưỡng phát. Giá trị ngưỡng này phụ thuộc vào sự mất mát xảy ra trong quá trình khuếch đại, quá trình nghịch đảo mật độ tích lũy. Trong buồng cộng hưởng của laser xảy ra cả hai quá trình: khuếch đại photon và photon bị mất mát. Mất mát này có thể do nhiễu xạ, phản xạ hay tán xạ. Xét buồng cộng hưởng của một laser có hai gương M 1 có hệ số phản xạ là R1 và M2 có hệ số phản xạ là R2, khoảng cách giữa hai gương là L. Gọi I0 là cường độ chùm sáng đến M1. Cường độ tia sáng truyền tới M2 có cường độ là: I1 = I 0e( γ − k ) L , trong đó: γ là hệ số khuếch đại, k là hệ số mất mát. Cường độ chùm sáng sau khi phản xạ tại gương M 2 rồi lan truyền tới phản xạ tại gương M1 là : I 2 = I 0 R1 R2 e 2( γ − k ) L , G là sự khuếch đại trong một chu trình tính bằng công thức : G= I2 I1 ⇒ G = R1 R2e 2( γ − k ) L Mà điều kiện ngưỡng cho hoạt động laser là G=1, khi đó : R1 R2 e Suy ra : 2( γ th − k ) L γ th = k + =1 1  1  ln  ÷ 2 L  R1 R2  với γ th là hệ số khuếch đại ngưỡng, đó là giá trị mà khi vượt qua giá trị này thì laser bắt đầu hoạt động. Ngưỡng phát càng thấp thì L càng dài. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 18 Chương 2: Tổng quan về Laser 2.1. Khái niệm Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức". Cụm từ này nêu rõ những sự kiện chính của quá trình sinh ra ánh sáng laser. Mô tả một cách đơn giản nhất hoạt động của Laser như sau: một nguồn năng lượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc biệt. Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất để làm tăng độ đồng pha cho đến khi ánh sáng được phát ra là một chùm tia laser. Vậy Laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. Chùm bức xạ phát ra cũng được gọi là chùm tia laser. Mỗi loại laser phát ra các bước sóng khác nhau, bảng 1 sau trình bày bước sóng của một số laser thông dụng. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn GVHD: Hoàng Hữu Hòa 19 SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 20 Hình 8: Albert Einstein Bảng 1: Bước sóng phát của một số laser thông dụng 2.2. Lịch sử nghiên cứu Laser Năm 1900 Max Planck là người đầu tiên chứng minh rằng năng lượng của sóng điện từ được diễn tả như những gói rời rạc gọi là lượng tử, có mức năng lượng tương ứng với tần số của sóng. Năm 1905, Albert Einstein đã phát triển giả thuyết của Planck lên một bước và đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng. Năm 1917, Albert Einstein đã đưa ra định đề về lý thuyết của phát xạ cưỡng bức. Tạo nền tảng cho những nghiên cứu về Laser sau này. Năm 1954, Townes, cùng với James P. Gordon và Herbert Zigler tại đại học Columbia, đã chế tạo thành công máy đầu tiên tạo ra được siêu sóng khuếch đại bức xạ cưỡng bức phát ra gọi là Maser. Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1964 với GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên