1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Tiểu luận Vật lý lazer: Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của laser, sự khuếch đại bức xạ và điều kiện ngưỡng, các cơ chế mở rộng vạch ? Trình bày về sự nghịch đảo độ tích luỹ

42 45 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 42
Dung lượng 863,41 KB

Nội dung

Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vây nên hãy tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện như thế nào? Những tính chất gì của Laser được ứng dụng vào trong đời sống? Chúng tôi nghĩ đó hẳn là câu hỏi đã có từ rất lâu và nhiều trong chúng ta cần hiểu rõ về vấn đề này. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài tiểu luận dưới đây để nắm rõ hơn.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ================== TIỂU LUẬN MÔN VẬT LÝ LAZER Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện : TS  1.  2.  3.           Thái Nguyên, tháng 12/2021 Giáo viên chấm điểm Chữ ký và họ tên giáo viên 1 STT Chữ ký và họ tên  giáo viên 2 Họ và tên học viên Điểm số Lý Văn Nhì Nguyễn Thị Anh Thư Vũ Văn Chinh Bằng chữ MỤC LỤC MỞ ĐẦU Thế kỉ XXI là thế kỉ của những cơng nghệ cao, cơng nghệ kĩ thuật số,  chúng ta khơng những quan tâm tới những máy đáp  ứng nhu cầu của cơng  việc mà cịn đánh giá cao sự gọn nhẹ của nó. Các nhà khoa học đã cơng bố hai   phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng rất lớn đến nền cơng nghệ ngày nay:  Thứ  nhất, sự  ra đời của Tranzitor đã kích thích sự  phát triển của vi điện tử,   cơng nghệ  “vi mơ”. Thứ  hai, quan trọng hơn là sự  phát minh ra Laser, mở  ra  một con đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng   sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống Laser, hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này ít nhất một vài  lần. Ngày nay Laser hiện diện  ở nhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng  ta hiểu về  nó cịn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 1980,  thời điểm này nước ta mới vượt ra khỏi cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp   cận với Laser cịn chưa nhiều, mặt khác sản phẩm của nó bán trên thị trường  q đắt so với túi tiền khi đó của chúng ta. Nhưng Laser phát triển rất nhanh,   nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vây nên hãy tìm hiểu kỹ  thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện như thế nào ? Những tính chất gì của Laser  được ứng dụng vào trong đời sống ? Chúng tơi nghĩ đó hẳn là câu hỏi đã có từ  rất lâu và nhiều trong chúng ta cần hiểu rõ về vấn đề này A. Phần chung (6 điểm) Đề  bài: Hãy trình bày ngun lý hoạt động của laser, sự  khuếch đại  bức xạ  và điều kiện ngưỡng, các cơ  chế  mở  rộng vạch ? Trình bày về  sự  nghịch đảo độ tích luỹ laser? Bài làm: 1. Tổng quan về Laser 5|Page 1.1. Laser là gì? ­ Laser là từ  viết tắt của cụm từ  tiếng anh: “Light Amplification by   Stimulated Emission of Radition” nghĩa là sự  khuếch đại ánh sáng bằng phát  xạ cưỡng bức – Đây cũng là thuộc tính quan trọng nhất của laser.  1.2. Cấu tạo cơ bản của một laser.  ­  Ở  dạng đơn giản nhất, laset bao gồm một mơi trường khuếch đại  (hay cịn gọi là mơi trường hoạt chất); buồng cộng hưởng và nguồn bơm  ( bơm năng lượng),  ­ Các gương được dùng trong buồng cộng hưởng quang học khơng  phải là hoạt chất bất kì. Thơng thường các gương dùng trong thiết kế buồng   cộng hưởng loại này cần phải có chất lượng quang học rất cao ­ Năng lượng dao động khơng phải tự  phát trong lịng khuếch đại, nó  được cung cấp từ  bên ngồi gọi là năng lượng bơm: năng luuwongj điện,   quang học, nhiệt, hóa học, hạt nhân… ­ Mơi trường hoạt chất là mơi trường vật chất có khả  năng khuếch  ánh sáng đi qua nó.  ­ Nguồn bơm là bộ  phận cung cấp năng lượng để  tạo được nghịch  đảo độ  tích lũy trong hai mức năng lượng laset và duy trì sự  hoạt động của   laser ­ Buồng cộng hưởng thành phần chủ  yếu gồm 2 gương phản xạ, 1   gương có hệ  số  phản xạ  cao, 1 gương phản xạ  một phần đóng vai trị liên   kết đầu ra. Buồng cộng hưởng có vai trị quan trọng  ảnh hưởng đến cơng  suất phát laset, tính chất phổ  bức xạ, tính chất bức xạ  và phân bố  xác định  trường bức xạ.  1.3. Các đặc trưng của laser Ánh sáng từ  laser chủ  yếu phát sinh từ  phát xạ  cưỡng bức và buồng  cộng hưởng mà mơi trường khuếch đại giữ  trong đó dẫn đến các tính chất   đặc biệt  6|Page ­Tính định hướng cao ­ Độ sạch quang phổ cao ­ Năng lượng cao ­ Khoảng xung cực ngắn Bảng 1.3 Một số tính chất đặc biệt của chùm laser từ các loại laser khác  Tính định hướng Độ sạch quang phổ Cơng suất cao Độ phân kỳ ∼ 10­7 rad λ ∼ 10­9 μm P ∼ 1018 W/cm2 Xung cực ngắn t ∼ 10­15 s Điện trường cao E ∼ 1012 V/m Vết hội tụ nhỏ ∼ 10­12 m Tính định hướng: Ánh sáng từ một nguồn sáng như  bóng đèn có thể  phân kỳ rõ rệt khi nó lan truyền (xem Hình 1.3.1). Nhưng chùm tia đến từ laser  có dạng một tia sáng và dường như lan truyền mà khơng có bất kỳ sự phân kỳ  nào. Chùm tia laser cũng phân kỳ nhưng  ở mức độ  nhỏ  hơn nhiều. Bản chất   sóng của ánh sáng tạo ra sự  phân kỳ  nội tại đối với chùm do hiện tượng   nhiễu xạ. Do đó, khơng giống như  bóng đèn trong đó sự  phân kỳ  là do kích   thước nhỏ nhất của laser, sự phân kỳ của chùm laser bị giới hạn bởi nhiễu xạ  phụ  thuộc vào các loại laser và có thể nhỏ  hơn 10 ­5 rad. Sự phân kỳ cực nhỏ  này dẫn đến nhiều ứng dụng của laser trong khảo sát, viễn thám, lidar 7|Page Hình 1.3.1. Ánh sáng từ ngọn đèn có sự phân kỳ chủ yếu do ánh sáng   phát ra từ các điểm khác nhau trên tấm chắn lan truyền theo các hướng khác   nhau sau khi phản xạ lại từ gương parabol Sự hội tụ tại một điểm nhỏ: Do đặc tính định hướng cao của chùm tia  laser, chúng  có thể  được hội tụ  đến những diện tích rất nhỏ  trong một vài   (μm)2. Giới hạn hội tụ lại được xác định bởi hiệu  ứng nhiễu xạ. Bước sóng  càng nhỏ, kích thước của điểm hội tụ  càng nhỏ. Tính chất này dẫn đến các  ứng dụng trong phẫu thuật, xử lý vật liệu, đĩa compact,… Khi thấu kính lồi  chụp ảnh một vật điểm, kích thước của điểm ảnh tỉ lệ thuận với bước sóng  của sóng ánh sáng và tỉ  lệ giữa tiêu cự  với đường kính. Tỷ  số  độ  dài tiêu cự  trên đường kính của thấu kính cịn được gọi là số  f (f­number). Thơng số này  được sử dụng để chỉ định chất lượng của ống kính máy ảnh.  Hình 1.3.2 Nếu một sóng phẳng (đường kính 2a) tới một TK mà khơng có  quang sai có tiêu cự f, thì sóng ló ra khỏi TK sẽ hội tụ đến điểm có bán kính  f/a Hình 1.3.3 Sự hội tụ chùm tia laser Ruby xung cơng suất đỉnh 3 MW. Ở  điểm hội tụ, cường độ điện trường có thể đạt một tỷ V/m dẫn đến sự tạo ra   tia lửa trong khơng khí 8|Page Do đó, ống kính f/2 ngụ ý rằng tỷ số độ dài tiêu cự trên đường kính là   2. Nếu độ dài tiêu cự của ống kính máy ảnh này là 50 mm thì đường kính của  nó là 25 mm. Số  f càng nhỏ cho độ  dài tiêu cự  đã cho lớn hơn là đường kính  của thấu kính. Bước sóng nhỏ  hơn, kích thước đốm nhỏ  hơn, và tương tự  như vậy, số f nhỏ hơn, kích thước hình ảnh nhỏ hơn.  Độ sạch quang phổ: Chùm tia laser có thể có độ rộng quang phổ cực   kỳ  nhỏ, vào khoảng 10­6  Å. So sánh điều này với một nguồn điển hình như  đèn natri có độ rộng quang phổ khoảng 0,1 Å. Q trình phát xạ cưỡng bức từ  một mơi trường khuếch đại đặt trong buồng cộng hưởng quang học sẽ  cho  các độ rộng phổ rất nhỏ. Nói chung, laser có thể dao động đồng thời ở một số  tần số trừ khi áp dụng các kỹ thuật đặc biệt. Điều này bao gồm việc sử dụng  bộ lọc Fabry­Perot bên trong buồng cộng hưởng laser để chỉ cho phép một tần   số dao động. Ngay cả trong một laser dao động ở một tần số, có thể có những  thay đổi ngẫu nhiên nhưng nhỏ trong tần số dao động do sự thay đổi nhiệt độ  và rung động của các gương trong buồng cộng hưởng.  Cơng suất cao: Laser có thể tạo ra cơng suất cực cao và vì chúng cũng  có thể  được hội tụ  vào các diện tích rất nhỏ, nên có thể  tạo ra các giá trị  cường độ  cực cao. Hình 1.3.4 cho thấy cường độ  có thể  đạt được khi sử  dụng chùm tia laser đã tăng lên như thế nào hàng năm. Ở cường độ như 1021  W/m2, điện trường cao đến mức các điện tử có thể được gia tốc đến vận tốc   tương đối tính (vận tốc tiến gần đến vận tốc ánh sáng) dẫn đến những hiệu   ứng rất thú vị. Ngồi các nghiên cứu khoa học về điều kiện khắc nghiệt, laser   liên tục có mức cơng suất ~ 105 W và laser xung có tổng năng lượng ~ 50000 J  có ứng dụng trong hàn, cắt, nhiệt hạch laser, chiến tranh giữa các vì sao,    9|Page Hình 1.3.4: Sự gia tăng cường độ laser có thể đạt được theo năm. Sự   gia tăng có độ dốc lớn vào khoảng năm 1960 do sự phát minh ra tia laser và   sau đó một lần nữa sau năm 1985. (Theo Mourou và Yanovsky (2004) © 2004   OSA) 2. Ngun lý hoạt động của laser Ngun tắc của laser dựa trên ba đặc điểm riêng biệt: a) phát xạ kích thích trong mơi trường khuếch đại b) nghịch đảo dân số của điện tử c) bộ cộng hưởng quang học Theo cơ  học lượng tử, một electron trong ngun tử  hoặc mạng tinh   thể     có   thể   có     số   giá   trị     lượng     mức     lượng   nhất  định. Có nhiều mức năng lượng mà một electron có thể  chiếm, nhưng   đây  chúng ta sẽ chỉ xem xét hai mức. Nếu một electron ở trạng thái kích thích với  năng lượng E 2, nó có thể tự phát phân rã về trạng thái cơ bản, với năng lượng  E 1 , giải phóng sự  chênh lệch về  năng lượng giữa hai trạng thái dưới dạng  một photon (xem Hình 2.1a)  Q trình này  được gọi là phát xạ  tự  phát , tạo ra  ánh sáng huỳnh  quang. Pha và hướng của photon trong phát xạ tự phát là hồn tồn ngẫu nhiên  do Ngun lý bất  định. Tần số  góc  ω  và năng lượng của phơtơn là:   E2– E1= ℏω (1) , trong đó ћ là hằng số ván giảm 10 | P a g e sang trạng thái cơ  bản 1. Chúng ta cũng giả  định rằng sự  tách biệt năng   lượng giữa các mức 2 và 1 đủ  lớn để  mức 2 khơng bị  tích lũy do nhiệt từ  mức 1. Sau đó, chúng ta có thể  đưa ra N ≈  0 và N ≈  0, dẫn đến phương  4  2  trình tốc độ :    (5.22)       (5.23)                             (3.24) Và do đó:  với    (5.25) Khi độ  tích lũy   mức thấp hơn là  N ≈  0, bức xạ  laser trên dịch  2  chuyển từ 3 → 2  khơng bị tái hấp thụ và bất kỳ độ tích lũy nào ở mức 3 đều  gây ra hiện tượng nghịch đảo độ  tích lũy. Do đó, laser bốn mức năng lượng  này sẽ cho ngưỡng thấp nhất có thể c. Laser gần 3 mức Trong thực tế, các phép tính gần đúng được thực hiện cho laser ba và  bốn mức  khơng phải lúc nào cũng đạt được đầy đủ, dẫn đến độ tích lũy thực   mức thấp hơn  N     cũng làm giảm phát xạ  ngược nhưng hiện có vào  bơm. Điều này thường xuất phát từ  sự  phân chia thấp giữa các mức 1 và 2  cũng  như  4  và  3,  đặc  biệt  là  trong  trường  hợp  của  laser thái  rắn.  Vì  sơ  đồ  laser này có thể được thấy nằm giữa laser ba và bốn mức, nó được gọi là sơ  đồ  gần  ba  mức  (Quasi­Three­Level).  Đơi  khi  cũng  có  thể  tìm  thấy  sơ  đồ  gần bốn mức trong các tài liệu. Trong phần sau, chúng ta sẽ  suy ra một số  mối quan hệ quan trọng đối với laser gần như ba mức, cũng như thúc đẩy mơ  tả này Mơ tả  phương trình tốc độ  quang phổ  của mơi trường laser, vì cần   phải mơ tả  hồn tồn laser gần ba mức, có thể  được xem như  mơ tả  chung   28 | P a g e nhất, và do đó, sẽ  được nghiên cứu chi tiết trong phần sau.  Ở đây chúng ta   làm theo mơ tả đơn giản để  so sánh hệ  gần ba mức với những hệ được mơ   tả trước đó. Chúng ta giả định một lần nữa rằng sự hồi phục rất nhanh xảy   ra từ mức 4 đến mức 3 với tốc độ  nhanh hơn nhiều so với việc bơm ở mức   4. Tuy nhiên, mức laser thấp hơn (mức 2) bây giờ gần với trạng thái cơ  bản  (mức 1) đến mức nó sẽ  tích lũy do nhiệt. Vì q trình nhiệt hóa này nhanh  hơn nhiều so với các q trình khác được thảo luận ở đây, chúng ta có thể  giả định rằng mật độ độ tích lũy của mức 2 là một phần khơng đổi > 0 của  N = f N (5.26) mật độ độ tích lũy của mức 1.  2  1  Điều này dẫn tới phương trình tốc độ    (5.27)    (5.28) Và do đó:  đối với   (5.29) Ở  đây, thời gian sống  ở mức trên tương  ứng với  τ = (A + A )­1.  3  32  31 Bức xạ  laser trên  quá trình dịch chuyển 3  →  2 bây giờ  bị  tái hấp thụ  và sự  đảo ngược độ tích lũy giữa mức 3 và mức 2 chỉ đạt được với tốc độ bơm tối  thiểu. Tuy nhiên, do f 

Ngày đăng: 09/03/2022, 09:42

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w