LASER - MÁY PHÁT LƯỢNG TỬ

Chương Laser- máy phát lượng tử • Ta xét ảnh hưởng bên lên xạ nguyên tử • Các dạng xạ: Bức xạ tự phát xạ cưỡng • ứng dụng: Máy phát laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ⇔ Energy Excited level ΔE = hν Ground level Energy Excited level Ground level Energy Decay from an excited state can occur in many steps Ultraviolet Infra-red Visible Microwave The light that’s eventually re-emitted after absorption may occur at other colors Độ rộng mức lượng vạch quang phổ ν= • Thực tế: vạch quang phổ Ng tử ln có độ rộng -> độ bất định lượng ΔE n • Nếu En ± • hay: h.Δν = ± ΔEni ν ± Δν = ± ΔEni ( Eni ± ΔEni Eni − Enk h ) − ( Enk ± ΔEni ) h ≅ ΔE 2 Ta gọi ΔE , Δν độ rộng mức lượng vạch phổ • Tr.thái n=1- bền vững=> Δt → ∞, hay ΔE = • Các tr.thái khác n=2,3 , khơng bền => có độ rộng mức lượng, giá trị tuỳ vào n • Các trình Bức xạ tự phát xạ cưỡng • Ng.tử nhận xạ (hấp thụ phơton)-> bị kích thích, chuyển lên tr thái cao: chuyển cưỡng • Khi chuyển trạng thái thấp hơn: tự phát, cưỡng • xạ tự phát- tự nhiên: phát phôton hν = E2 − E1 • Bức xạ cưỡng bức: ng.tử tr.thái kích thích, chịu tác động phơton, chuyển sang tr.thái thấp xạ photon giống hệt photon tới (còn gọi xạ cảm ứng) • Có nghĩa: khuếch đại chùm tới (~ mơi trường có hệ số hấp thụ âm, Anhxtanh 1913)=> khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- Laser) Môi trường khuếch đại ánh sáng Excited medium Đọc thêm: Einstein showed that stimulated emission can also occur Before After Spontaneous emission Absorption Stimulated emission Blackbody emission spectrum •The higher the temperature, the more the emission and the shorter the average wavelength Blue hot is hotter than red hot Wien's Law: Blackbody peak wavelength scales as 1/Temperature •Writing the Blackbody spectrum vs wavelength: ⎡⎣ 2π hc / λ ⎤⎦ Iλ = {exp [ hc / λ kBT ] − 1} 10 Color temperature Blackbodies are so pervasive that a light spectrum is often characterized in terms of its temperature even if it’s not exactly a blackbody 11 Phân bố nghịch đảo, nhiệt độ âm −E • Hệ nhiều ng.tử, theo phân bố Bônxman: kT n ( T ) = Ce số hạt mức thấp nhiều mức cao (a) Để có xạ cưỡng phải có điều ngược lại: Số hạt mức nhiều số hạt mức dưới, gọi phân bố nghịch đảo (a)T>0 (b) T1 (En-Em)>0, so với phân bố thơng thường Bơnxman ta có T âm Vì vậy, trạng thái phân bố đảo gọi trạng thái với nhiệt độ tuyệt đối âm 12 Energy Inversion “Negative temperature” Molecules 13 • Hệ với mức lượng khơng thể tạo phân bố đảo • Hệ mức • Laser đầu tiên: mức Rubi đỏ Fast decay Pump Transition Laser Transition 14 E3 Ec B¬m E1 xạ cảm ứng ã Cỏch to: Kớch thớch cho ng tử nhảy lên mức cao để tạo phân bố đảo • (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation- Maser (1954) VL Liênxô cũ phát minh • Laser đầu tiên, 1960 Mayman (Mỹ) • Rubin đỏ (hồng ngọc) oxit nhơm Al2O3 , vài chỗ, nguyên tử Al thay nguyên tử Chrom Cr ( dạng Cr+++ ), 0,5%• Cr để tạo mức tạp chất Ec có thời gian sống lớn so với mức kích thích thơng thường E3 15 • Khi hấp thụ ánh sáng, ion Cr chuyển sang trạnh thái kích thích E3 trở E1 theo bước : • Bước 1- truyền phần lượng cho dao động mạng (phonon) chuyển vào trạng tháI trung gian Ec • Bước -từ Ec trạng thái ban đầu theo qui luật lựa chọn, phát xạ với bước sóng λ = 6943 A • thời gian sống trung bình ion trạng thái trung gian (~ 10-3 s) lớn chừng 105 lần thời gian sống trạng thái kích thích thông thường=> E3 số hạt Ec lớn E1, Ec Bơm cú phõn b o=> xạ cảm E1 øng có xạ cảm ứng chuyển từ Ec E1 16 Một hình trụ tinh thể Rubin đỏ, đường kính 1cm, dài 5cm Hai đầu hình trụ mài cẩn thận cho gương hoàn toàn song song với Một đầu tráng bạc không cho ánh sáng qua, đầu tráng bạc cho 8% ánh sáng qua.(cịn có tác dụng cộng hưởng sóng phản xạ hai đầu, độ dài buồng cộng hưởng l=n lần bước sóng) - Bơm laser đèn Xenon (phát xung sáng xanh lục- ánh sáng kích thích) Bức xạ cảm ứng nhân lên chiều dài Rubi, phản xạ nhiều lần, nhân tiếp, đủ mạnh, phát xung // với trục Rubi-ánh sáng màu đỏ (6943A) 17 18 Laser mức (khí He-Ne) • Có thể làm việc liên tục Pump Transition Fast decay Laser Transition Fast decay 19 20 21 Carbon dioxide laser (khí CO2- N2) 22 Laser làm việc chế độ xung, vài xung phút Bên tinh thể, lượng nhiệt lớn toả ra, phải làm lạnh chất lỏng (Ni ) Tia laser mang tích chất đặc biệt: đơn sắc cao (sai lệch 0.1Å) tính kết hợp cao không gian thời gian: cường độ lớn kích thước chùm nhỏ có nhiều ứng dụng Ngồi laser bán dẫn, cịn có nhiều laser khí (Ar, Ni, ), theo nguyên tắc chung laser cho công suất lớn hơn, làm việc chế độ liên tục, cồng kềnh 23 24 Bảng Công suất Độ dài xung Bước sóng Cơng dụng 633nm 488nm 10,6μm 10,6μm Scaner siêu thị Y học, trang trí Cắt, hàn Xử lý nhiệt 840nm 760nm 1,3μm Đĩa laser In laser Truyền tin sợi quang 694nm 1,06μm 1,06μm 1,06μm 1,06μm Chụp ảnh khối Gia công bán dẫn Y học Nghiên cứu xung Nấu chảy kim loại thay đổi 600nm Quang phổ Nghiên cứu Tên laser Khí HeNe Ar CO2 CO2 TEA 10mW 210W 200W 5MW liên tục liên tục liên tục 20ns Bán dẫn GaAs AlGaAs GaInAsP 5mW 50mW 20mW liên tục biến điệu biến điệu Chất rắn Rubi Nd:YAG Nd (QS) Nd (ML) Nd thuỷ tinh 100mW 50W 50MW 2kW 100TW 10ns liên tục 20ns 60ns 11ps Laser màu Chất màu Rh6G Dye 100mW 10kW liên tục 10fs Hoá chất (phản ứng hoá học) Hf 50MW 50ns 3μm Quân Excimer (các phân tử gồm khí halogen) ArF XeCl 100MW50MW 20ns 10ns 193nm 375nm Nghiên cứu vật liệu Y học 25