ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ================== họ c TIỂU LUẬN lu ận M ơn MƠN VẬT LÝ LAZER tiể Học viên thực u Giảng viên hướng dẫn : TS Bà i Thái Nguyên, tháng 12/2021 Giáo viên chấm điểm Chữ ký họ tên Chữ ký họ tên giáo viên giáo viên STT Họ tên học viên họ ôn M Vũ Văn Chinh ận lu Nguyễn Thị Anh Thư u tiể Lý Văn Nhì Bà i Bằng chữ c Điểm số MỤC LỤC MỞ ĐẦU A Phần chung (6 điểm) .1 Tổng quan Laser 1.1 Laser gì? 1.2 Cấu tạo laser 1.3 Các đặc trưng laser 2 Nguyên lý hoạt động laser .5 Sự khuếch đại xạ điều kiện ngưỡng 3.1 Tương tác xạ đơn sắc với hệ hai mức 3.2 Hệ số khuếch đại 3.3 Điều kiện ngưỡng 10 c Cơ chế mở rộng vạch 13 họ 4.1 Sự mở rộng tự nhiên 14 ôn 4.2 Sự mở rộng va chạm 15 4.3 Sự mở rộng Doppler 17 M Sự nghịch đảo độ tích lũy 18 ận 5.1 Hệ hai mức lượng 20 lu 5.2 Hệ ba bốn mức lượng 21 a Laser ba mức lượng 21 iể u b Laser mức lượng 23 it c Laser gần mức 24 Bà B Phần riêng (4 điểm/ bài) 32 Bài Học viên - Vũ Văn Chinh 32 Bài Học viên – Nguyễn Thị Anh Thư 33 Bài Học viên – Lý Văn Nhì 34 KẾT LUẬN 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO .36 PHỤ LỤC 36 MỞ ĐẦU Thế kỉ XXI kỉ công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, quan tâm tới máy đáp ứng nhu cầu cơng việc mà cịn đánh giá cao gọn nhẹ Các nhà khoa học công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng lớn đến cơng nghệ ngày nay: Thứ nhất, đời Tranzitor kích thích phát triển vi điện tử, cơng nghệ “vi mô” Thứ hai, quan trọng phát minh Laser, mở đường cho nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống Laser, hầu hết nghe nhắc đến cụm từ vài họ hiểu cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 1980, thời c lần Ngày Laser diện nhiều nơi, khách quan mà nói, ơn điểm nước ta vượt khỏi chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với M Laser chưa nhiều, mặt khác sản phẩm bán thị trường đắt so ận với túi tiền Nhưng Laser phát triển nhanh, xâm lu nhập vào nhiều ngõ ngách sống, vây nên tìm hiểu kỹ thêm: Laser u ? Laser xuất ? Những tính chất Laser ứng A Phần chung (6 điểm) Bà i nhiều cần hiểu rõ vấn đề tiể dụng vào đời sống ? Chúng nghĩ câu hỏi có từ lâu Đề bài: Hãy trình bày nguyên lý hoạt động laser, khuếch đại xạ điều kiện ngưỡng, chế mở rộng vạch ? Trình bày nghịch đảo độ tích luỹ laser? Bài làm: Tổng quan Laser 1.1 Laser gì? - Laser từ viết tắt cụm từ tiếng anh: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radition” nghĩa khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng – Đây thuộc tính quan trọng laser |Page 1.2 Cấu tạo laser - Ở dạng đơn giản nhất, laset bao gồm mơi trường khuếch đại (hay cịn gọi mơi trường hoạt chất); buồng cộng hưởng nguồn bơm ( bơm lượng), - Các gương dùng buồng cộng hưởng quang học hoạt chất Thơng thường gương dùng thiết kế buồng cộng hưởng loại cần phải có chất lượng quang học cao - Năng lượng dao động tự phát lịng khuếch đại, cung cấp từ bên gọi lượng bơm: luuwongj điện, quang học, nhiệt, hóa học, hạt nhân… c - Mơi trường hoạt chất mơi trường vật chất có khả khuếch ánh họ sáng qua ơn - Nguồn bơm phận cung cấp lượng để tạo nghịch đảo độ M tích lũy hai mức lượng laset trì hoạt động laser ận - Buồng cộng hưởng thành phần chủ yếu gồm gương phản xạ, gương lu có hệ số phản xạ cao, gương phản xạ phần đóng vai trị liên kết đầu u Buồng cộng hưởng có vai trị quan trọng ảnh hưởng đến cơng suất phát laset, tiể tính chất phổ xạ, tính chất xạ phân bố xác định trường xạ Bà i 1.3 Các đặc trưng laser Ánh sáng từ laser chủ yếu phát sinh từ phát xạ cưỡng buồng cộng hưởng mà môi trường khuếch đại giữ dẫn đến tính chất đặc biệt -Tính định hướng cao - Độ quang phổ cao - Năng lượng cao - Khoảng xung cực ngắn Bảng 1.3 Một số tính chất đặc biệt chùm laser từ loại laser khác Tính định hướng |Page Độ phân kỳ ∼ 10-7 rad Độ quang phổ λ ∼ 10-9 μm Công suất cao P ∼ 1018 W/cm2 Xung cực ngắn t ∼ 10-15 s Điện trường cao E ∼ 1012 V/m Vết hội tụ nhỏ ∼ 10-12 m Tính định hướng: Ánh sáng từ nguồn sáng bóng đèn phân kỳ rõ rệt lan truyền (xem Hình 1.3.1) Nhưng chùm tia đến từ laser có dạng tia sáng dường lan truyền mà khơng có phân kỳ Chùm tia laser phân kỳ mức độ nhỏ nhiều Bản chất sóng ánh sáng tạo phân kỳ nội chùm tượng nhiễu xạ Do đó, khơng giống bóng đèn phân kỳ kích thước nhỏ họ loại laser nhỏ 10 -5 rad Sự phân kỳ cực nhỏ dẫn đến nhiều u lu ận M ôn ứng dụng laser khảo sát, viễn thám, lidar tiể Hình 1.3.1 Ánh sáng từ đèn có phân kỳ chủ yếu ánh sáng Bà i phát từ điểm khác chắn lan truyền theo hướng khác sau phản xạ lại từ gương parabol Sự hội tụ điểm nhỏ: Do đặc tính định hướng cao chùm tia laser, chúng hội tụ đến diện tích nhỏ vài (μm)2 Giới hạn hội tụ lại xác định hiệu ứng nhiễu xạ Bước sóng nhỏ, kích thước điểm hội tụ nhỏ Tính chất dẫn đến ứng dụng phẫu thuật, xử lý vật liệu, đĩa compact,… Khi thấu kính lồi chụp ảnh vật điểm, kích thước điểm ảnh tỉ lệ thuận với bước sóng sóng ánh sáng tỉ lệ tiêu cự với đường kính Tỷ số độ dài tiêu cự đường kính thấu kính cịn gọi số f (f-number) Thông số sử dụng để định chất lượng ống kính máy ảnh |Page c laser, phân kỳ chùm laser bị giới hạn nhiễu xạ phụ thuộc vào Hình 1.3.2 Nếu sóng phẳng (đường kính 2a) tới TK mà khơng có quang f/a M ơn họ c sai có tiêu cự f, sóng ló khỏi TK hội tụ đến điểm có bán kính Hình 1.3.3 Sự hội tụ chùm tia laser Ruby xung công suất đỉnh MW Ở ận điểm hội tụ, cường độ điện trường đạt tỷ V/m dẫn đến tạo tia lu lửa khơng khí tiể u Do đó, ống kính f/2 ngụ ý tỷ số độ dài tiêu cự đường kính Bà i Nếu độ dài tiêu cự ống kính máy ảnh 50 mm đường kính 25 mm Số f nhỏ cho độ dài tiêu cự cho lớn đường kính thấu kính Bước sóng nhỏ hơn, kích thước đốm nhỏ hơn, tương tự vậy, số f nhỏ hơn, kích thước hình ảnh nhỏ Độ quang phổ: Chùm tia laser có độ rộng quang phổ nhỏ, vào khoảng 10-6 Å So sánh điều với nguồn điển đèn natri có độ rộng quang phổ khoảng 0,1 Å Q trình phát xạ cưỡng từ mơi trường khuếch đại đặt buồng cộng hưởng quang học cho độ rộng phổ nhỏ Nói chung, laser dao động đồng thời số tần số trừ áp dụng kỹ thuật đặc biệt Điều bao gồm việc sử dụng lọc FabryPerot bên buồng cộng hưởng laser phép tần số dao động Ngay laser dao động tần số, có thay đổi ngẫu |Page nhiên nhỏ tần số dao động thay đổi nhiệt độ rung động gương buồng cộng hưởng Cơng suất cao: Laser tạo cơng suất cực cao chúng hội tụ vào diện tích nhỏ, nên tạo giá trị cường độ cực cao Hình 1.3.4 cho thấy cường độ đạt sử dụng chùm tia laser tăng lên hàng năm Ở cường độ 1021 W/m2, điện trường cao đến mức điện tử gia tốc đến vận tốc tương đối tính (vận tốc tiến gần đến vận tốc ánh sáng) dẫn đến hiệu ứng thú vị Ngoài nghiên cứu khoa học điều kiện khắc nghiệt, laser liên tục có mức cơng suất ~ 105 W laser xung có tổng lượng ~ 50000 J có ứng dụng Bà i tiể u lu ận M ôn họ c hàn, cắt, nhiệt hạch laser, chiến tranh sao, Hình 1.3.4: Sự gia tăng cường độ laser đạt theo năm Sự gia tăng có độ dốc lớn vào khoảng năm 1960 phát minh tia laser sau lần sau năm 1985 (Theo Mourou Yanovsky (2004) © 2004 OSA) Nguyên lý hoạt động laser Nguyên tắc laser dựa ba đặc điểm riêng biệt: a) phát xạ kích thích mơi trường khuếch đại b) nghịch đảo dân số điện tử c) cộng hưởng quang học Theo học lượng tử, electron nguyên tử mạng tinh thể có số giá trị lượng mức lượng định. Có |Page nhiều mức lượng mà electron chiếm, xem xét hai mức. Nếu electron trạng thái kích thích với lượng E 2, nó tự phát phân rã trạng thái bản, với lượng E 1 , giải phóng chênh lệch lượng hai trạng thái dạng photon (xem Hình 2.1a) Quá trình gọi là phát xạ tự phát , tạo ánh sáng huỳnh quang Pha hướng photon phát xạ tự phát hoàn toàn ngẫu nhiên Nguyên lý bất định Tần số góc ω lượng phôtôn là: E2– E1= ℏω (1) , trong ћ số ván giảm Ngược lại, photon có tần số cụ thể thỏa mãn eq (1) bị hấp thụ họ khoảng thời gian thường nhỏ hơn 10-6 giây. Sau đó, trở trạng thái thấp c điện tử trạng thái bản. Electron trạng thái kích thích ơn cách tự nhiên photon phonon. Các trình hấp thụ M phát xạ tự phát thông thường làm phát sinh khuếch đại ánh ận sáng. Điều tốt đạt photon hấp thụ Bà i tiể u lu photon khác phát (a) |Page (b) Hình 2.1. Sơ đồ (a) Phát xạ tự phát; (b) Sự phát xạ kích thích Ngồi ra, ngun tử trạng thái kích thích bị nhiễu điện trường photon có tần số ω, giải phóng photon thứ hai có tần số, pha với photon thứ Nguyên tử lại phân rã trạng thái họ c Q trình gọi phát xạ kích thích. (xem Hình 2.1b) Phơtơn phát giống với phơtơn kích thích có tần số, phân cực ơn hướng lan truyền. Và có mối quan hệ pha cố định ánh sáng phát từ ận nhau. Đây đặc tính quan trọng cho phép khuếch đại quang học M nguyên tử khác nhau. Kết photon hoàn toàn gắn kết với lu Tất ba trình xảy đồng thời môi trường. Tuy nhiên, tiể u trạng thái cân nhiệt, phát xạ kích thích khơng chiếm mức độ đáng kể. Lý có nhiều electron trạng thái nhiều so với trạng thái Bà i kích thích. Và tốc độ hấp thụ phát xạ tỷ lệ thuận với số lượng electron trạng thái trạng thái kích thích, tương ứng. Vì q trình hấp thụ chiếm ưu Mặc dù với nghịch đảo quần thể, có khả khuếch đại tín hiệu thơng qua phát xạ kích thích, độ lợi đoạn tổng thể nhỏ, hầu hết nguyên tử kích thích tổng thể phát cách tự phát khơng đóng góp vào sản lượng tổng thể. Sau đó, cộng hưởng áp dụng để tạo chế phản hồi tích cực Một cộng hưởng quang học thường có hai gương phẳng gương lõm, hai đầu, phản xạ photon qua lại để phát xạ kích thích tiếp tục tạo ngày nhiều ánh sáng laze Các photon tạo phân rã tự phát |Page