Đang tải... (xem toàn văn)
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