§§3. SỰ KHUYẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG ĐI QUA MỘT MÔI TRƯỜNG. Bây giờ ta thử giả thuyết có một trường hợp: Trong một môi trường số hạt ở trạng thái kích thích lớn hơn số hạt ở trạng thái căn bản : n2 > n1. Trong trường hợp này, photon kích động sẽ gặp các hạt ở trạng thái kích thích nhiều hơn ở trạng thái căn bản. Khi đó hiện tượng bức xạ sẽ mạnh hơn hiện tượng hấp thụ và kết quả ng ược với trường hợp trên, khi truyền qua môi trường, ánh sáng mạnh hơn lên. Thực vậy, khi một photon kích động gặp một hạt ở trạng thái kích thích và gây ra sự phát xạ thì một photon thành hai. Cứ như thế số photon tăng lên rất nhanh, Và khi truyền qua môi trường, ta được một chùm tia sáng có cường độ mạnh. Như vậy, vấn đề là: Muốn có một chùm tia sáng cực mạnh bằng cách được khuyếch đại lên như trên, ta phải làm cách nào có n2 > n1. Đ ó là sự “đảo ngược dân số“. Môi trường khi bị đảo ngược dân số như vậy được gọi là môi trường hoạt tính. Để số hạt có năng lượng cao nhiều hơn hạt số hạt có năng lượng thấp, người ta phải cung cấp năng lượng cho môi trường, phải “bơm” năng lượng cho nó. Một trong các cách làm nghịch đảo dân số là phương pháp “bơm” quang học. Kỹ thuật này đưa đế n giải Nobel về vật lý cho nhà bác học Pháp Kastler năm 1966 (công trình này của Kastler được thực hiện từ năm 1950). Kastler dùng một chùm tia sáng có cường độ mạnh làm bơm để bơm năng lượng cho môi trường khiến nó trở thành hoạt tính. Phương pháp bơm quang học thường được dùng với các chất rắn và chất lỏng. Với laser khí, người ta thường nghịch đảo dân số bằng cách phóng điện trong khí kém. §§4. BỘ CỘNG HƯỞNG. Với điều kiện n2 > n1, môi trường cho khả năng có thể thực hiện sự khuyếch đại cường độ ánh sáng, nhưng muốn có được một chùm tia Laser có đặc tính định hướng cao độ thì chỉ có môi trường hoạt tính thì chưa đủ, mà còn cần một bộ phận gọi là bộ cộng hưởng. Bộ phận này vừa có tác dụng tăng cường cường độ ánh sáng, vừa có tác dụng định hướng chùm tia laser khi nó phóng ra khỏ i máy. Trong trường hợp đơn giản nhất, bộ phận cộng hưởng gồm hai gương phẳng M1 và M2, thiết trí ở hai đầu máy. Các photon có phương di chuyển thẳng góc với hai gương sẽ dội đi, dội lại nhiều lần trong môi trường hoạt tính. Như vậy bộ phận cộng hưởng đóng vai trò như một cái bẫy ánh sáng. Trong khi phản chiếu qua lại như thế, các photon đập vào các hạt ở trạng thái kích thích, làm phóng thích các photon khác. Các photon này lại phản chiếu qua lại giữa M1 và M2, đập vào các hạt ở trạng thái kích thích và lại làm bật ra các photon mới nữa, cứ như thế cường độ ánh sáng tăng lên rất mạnh. Các photon này không di chuyển thẳng góc với hai gương thì sau một hồi di chuyển, chúng bị lọt ra ngoài máy. §§5. THỀM PHÁT XẠ KÍCH ĐỘNG. Ta nhận thấy trong cách cấu tạo trên của máy laser, có thể một phần năng lượng sẽ bị mất đi do sự phản chiếu trên hai gương M1, M2 và do sự nhiễu xạ làm lệch phương di chuyển của các photon. Do đó, ta chỉ thực sự có hiện tượng khuyếch đại cường độ ánh sáng nếu công suất P sinh ra do sự phát xạ kích động lớn hơn công suất P’ bị mất đi Ta có ν h dt dn dt dw P == Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m dn/dt là số photon phát ra do sự phát xạ kích động trong một đơn vị thời gian. Vậy P = (n2 – n1)B ( h( * Mất năng lượng do phản chiếu : Trên thực tế, năng suất phản xạ ( của các gương bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Do đó một phần ánh sáng bị mất đi do sự phản xạ trên các gương. Cường độ ánh sáng mất đi trong một đơn vị thời gian do sự phản xạ là : với L = chiều dài giữa hai gương M1 và M2 C = vận tốc truyền sáng. * Mất năng lượng do nhiễu xạ : Một phần ánh sáng cũng bị mất đi do hiện tượng nhiễu xạ khi ánh sáng tới các gương M1 và M2. Cường độ ánh sáng mất đi trong một đơn vị thời gian do hiện tượng này là : với Cường độ giảm tổng cộng là : Với Máy càng tốt thì T có trị số càng lớn, năng lượng mất đi do các hiện tượng trên càng nhỏ. Từ điều kiện P > P’ hay (n2 – n1) B( h( > P’, ta suy ra (trị số dương) () () ζ Bnn dt dn dt dn dt dn 12 1 * 2 −= − − − = 1 T I dt dt px − = )1( 1 α − = C L T 2nx dI I dt T − = λ C D T 2 2 = T I TT I dt dI − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +−= 21 11 21 111 TTT += νζ hB p nn ' 12 >− TBh nn T P ν ζ 1 12 ' >−⇒= M 1 H. 2 L D M 2 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m P’ được tính bởi công thức Như vậy muốn có được sự khuyếch đại cường độ ánh sáng, không những ta phải có điều kiện đầu tiên n2 > n1 mà n2 – n1 phải lớn hơn một trị số (dương) xác định. Trị số này được gọi là thềm phát xạ kích động. Ta có trị số càng lớn thì thềm phát xạ kích động càng thấp. Chỉ khi vào n2 – n1 vượt qua thềm, thì mới có ánh sáng laser phát ra. §§6. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA TIA LASER. 1. Tính đơn sắc. Các photon phát xạ kích động mang cùng một năng lượng h( nên ánh sáng rất đơn sắc. Nếu xét ánh sáng phát ra bởi ngọc hồng tảo thì trong trường hợp laser, bề rộng PP’ của vạch 6943Ao hẹp khoảng 10-4 lần so với bề rộng QQ’ của vạch này trong trường hợp phát xạ thông thường. 2. Tính điều hợp . Với một nguồn sáng thông thường, ánh sáng phát ra bởi các hạt là ánh sáng không điều hợp nhau, nghĩa là không có m ột sự liên hệ nào về pha giữa các chấn động phát ra bởi các hạt. Trong trường hợp nguồn sáng laser, các photon phát ra đều đồng pha nên ánh sáng laser là một chùm ánh sáng điều hợp. Chính vì vậy, chùm tia laser có thể gây ra những tác dụng rất mạnh (tổng hợp các chấn động đồng pha). 3. Tính song song. Chùm tia laser phát ra song song với trục, với một góc loe rất nhỏ. Năm 1962, một chùm tia laser được chiếu lên mặt trăng có góc loe là 3 x 10-5 rad. §§7. CHẾ TẠO LASER. 1. Laser hồng ngọc (Ngọc hồng tảo). Hồng ngọc (Rubis) là tính thể oxid nhôm Al2O3 có lẫn một lượng nho ion Cr +++, chính các ion Cr +++ này đóng vai trò hạt hoạt tính. Loại máy này gồm một thanh hồng ngọc hình trụ dài vài cm, đường kính vài mm (gần đây người ta dùng thanh hồng ngọc tới 20cm) để làm đảo ngược dân số. M 1 H . 4 M 2 λ (A o) Q’ Q 2 M I (A o) I I M P’ P 6943 H . 3 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Khi máy tụ điện phóng điện vào đèn Xênon, đèn phát ra xung ánh sáng có cường độ rất mạnh rọi vào thanh hồng ngọc trong một thời gian ngắn. Các xung phát ra liên tiếp này đã bơm năng lượng để biến môi trường thành hoạt tính. Các photon do đèn phát ra tới thẳng góc với thanh hồng ngọc. Các ion Cr +++ hấp thụ ánh sáng trong vùng vàng lục của đèn chiếu tới, nhảy từ mức năng lượng cơ bản E1 lên mức nă ng lượng E3. Đời sống ở mức này rất ngắn nên gần như tức thời các hạt Cr +++ rơi xuống mức năng lượng E2 có đời sống khá dài (( 5.10-3s), chính vì vậy hạt ở mức E2 mới có thể lớn hơn số hạt ở mức E1. Khi bị kích thích, các ion Cr +++ từ E2 rơi trở về mức căn bản E1 và phát ánh sáng đỏ có độ dài sóng 6.943Ao. các photon này di chuyển song song với trục của thanh hồng ngọc, b ị dội đi dội lại giữa hai gương M1 và M2 khiến số photon tăng lên nhanh và gấp bội, khi đã vượt qua thềm phát xạ kích thích, tia laser bắn ra ngoài. Như vậy ta thấy laser hồng ngọc tảo đỏ hoạt động theo chế độ phát xung. Tia laser bắn ra cách nhau chừng vài phút, tác động mỗi lần trong một thời gian rất ngắn (( 10-6s) và phát ra một năng lượng ( 0,1 joule, nghĩa là có công suất 105 watt (trong thời gian đó tiêu thụ tớ i 1.000J). Người ta cũng chế tạo được laser hồng ngọc phát xạ liên tục nhưng công suất rất yếu. 2. Laser khí He – Ne. Trong hỗn hợp này, Ne là chất chính, còn He chỉ đóng vai trò trung gian (chất môi). Sỡ dĩ phải cần chất mồi vì năng suất hấp thụ của Ne kém và nhất là mức năng lượng của Ne hẹp nên nếu kích thích trực tiếp Ne thì gặp phải khó khăn là phải có ánh sáng kích thích rất đơn sắc. Ống ch ứa hỗn hợp khí He – Ne có hình trụ dài 1m. đường kính 25mm. Hai đầu ống là hai tấm kính trong suốt A và B nghiêng sao cho góc tới của tia sáng là góc tới Brewster (để làm giảm ánh sáng mất đi do phản chiếu). Nguyên tử He bị kích thích nhảy từ mức cơ bản E1 lên mức E4 và chuyển năng lượng của nguyên tử Ne đang ở mức cơ bản. A M 2 i B M 1 B H . 6 H .5 E 3 E 2 6943A E 1 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Các nguyên tử Ne ở mức năng lượng kích thích nhảy xuống mức E3 rồi rơi xuống E2 phát ra ánh sáng đỏ 6328Ao. Số hạt ở mức E2 nhỏ nên sự đảo ngược dân số dễ thực hiện hơn và sự phát xạ chỉ đòi hỏi một thềm năng lượng tương đối nhỏ hơn trường hợp Laser hồng ngọc. Laser He – Ne hoạt động theo hế độ phát xạ liên tục nhưng công suất rất yếu (vài miliwatt). Tia sáng Laser bắn ra qua lỗ thủng ở gương M2. Ngày nay, người ta thực hiện được sự phát xạ laser với rất nhiều môi trường khác nhau : rắn, lỏng hay khí chất bán dẫn. §§8. ỨNG DỤNG CỦA LASER. - Dùng để tạo các mật độ năng lượng rất lớn, nhiệt độ cao. - Vì tính đơn sắc nên rất đắc dụng trong việc áp dụng vào giao thoa kế học . - Áp dụng vào ngành vô tuyến điện. - Đo khoảng cách và định vị trí - Trong y khoa để giải phẩu các tế bào. - Hướng dẫn mục tiêu. - Chụp ảnh toàn ký. v.v… §§9. GIỚI THIỆU VỀ QUANG HỌC PHI TUYẾN. Quang học khảo sát với các nguồn sáng thông thường (không phải là nguồn laser) được gọi là quang học tuyến tính. Các nguồn sáng thông thường này cho ta các chùm bức xạ với cường độ điện trường tương đối yếu (khoảng 103 V/cm) so với cường độ điện trường bên trong nguyên tử (từ 107 V/cm đến 109 V/cm). Khi các chùm tia bức xạ này truyền qua một môi trường thì sẽ tạo ra véctơ phân cực điệnĠ là một hàm tuyến tính theo điện trườngĠ của bức xạ truyền qua. ( ) ( ) ,,Pt Et γ λγ = rr rr H . 7 E 1 E 4 He He * E 1 E 3 E 4 6328A o E 2 Ne N e * He * + Ne Æ Ne * + He Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . ánh sáng bị mất đi do sự phản xạ trên các gương. Cường độ ánh sáng mất đi trong một đơn vị thời gian do sự phản xạ là : với L = chiều dài giữa hai gương M1 và M2 C = vận tốc truyền sáng. . * Mất năng lượng do nhiễu xạ : Một phần ánh sáng cũng bị mất đi do hiện tượng nhiễu xạ khi ánh sáng tới các gương M1 và M2. Cường độ ánh sáng mất đi trong một đơn vị thời gian. lượng h( nên ánh sáng rất đơn sắc. Nếu xét ánh sáng phát ra bởi ngọc hồng tảo thì trong trường hợp laser, bề rộng PP’ của vạch 6943Ao hẹp khoảng 10-4 lần so với bề rộng QQ’ của vạch này trong trường