Phân tích một vài khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm tia laser

Khác với bức xạ mặt trời, bức xạ laser là một chùm ánh sáng kết hợp, có cường độ cực lớn, đơn sắc với độ phân kỳnhỏ, và có thể thay đổi được bước sóng trong một vùng phổ nhất định.. Cách

PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -NGUYỄN HỮU TÀI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT

LÝ

VINH, 2013

PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

- -NGUYỄN HỮU TÀI

CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Vinh, 2013

Người hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN VĂN PHÚ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC VINH

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Văn Phú

Phản biện 1: TS Nguyễn Huy Bằng

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Công

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn chân thành sâu sắc nhất của tác giả đến với Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú - thầy giáo hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy là một niềm vinh hạnh lớn.

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lí, quý thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy trong quá trình tác giả học tập Đồng thời, tác giả cũng chân thành biết ơn đến TS Nguyễn Huy Bằng (phản biện 1) và PGS.TS Nguyễn Huy Công (phản biện 2)

đã tận tình góp ý, giúp đỡ tác giả thực hiện luận văn

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến với những sự quan tâm, chăm sóc và động viên của gia đình, cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Mỹ Quí cùng đồng nghiệp, bạn bè đã đồng hành và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học.

Vinh, tháng 5 năm 2013

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của laser 7

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser 10

1.3 Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser 16

Kết luận chương 1 24

Chương 2 PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER 2.1 Dựa trên tính chất kết hợp không – thời gian 25

2.2 Dựa trên tính chất cường độ và tính chất kết hợp 27

2.3 Dựa trên tính chất cường độ, định phương, không gian và tính chất thời gian 34

2.4 Dựa vào tính chất thay đổi bước sóng 38

2.5 Dựa vào tính chất đơn sắc và tính chất kết hợp .48

Kết luận chương 2 50

KẾT LUẬN CHUNG 51

Tài liệu tham khảo 53

MỞ ĐẦU

Laser là một trong những phát minh lớn trong thế kỷ XX Thuật ngữ

LASER là viết tắt từ các từ tiếng Anh là: “Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation”, nghĩa là “khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng

bức” Vật lí Laser đã mở rộng tầm nhìn của con người về ánh sáng Ánh sáng

thông thường do bức xạ của mặt trời, là tập hợp các bức xạ điện từ có bướcsóng từ 0,2µm đến 40µm Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được chỉ chiếmmột phần rất nhỏ (từ 0,35µm đến 0,79µm) trong toàn bộ bức xạ điện từ củabức xạ mặt trời Quá trình bức xạ của mặt trời là quá trình tự nhiên, nên bức

xạ không kết hợp, không định hướng Khác với bức xạ mặt trời, bức xạ laser

là một chùm ánh sáng kết hợp, có cường độ cực lớn, đơn sắc với độ phân kỳnhỏ, và có thể thay đổi được bước sóng trong một vùng phổ nhất định Vớikhả năng có được chùm ánh sáng như thế, laser đã tạo ra điều kiện để có thểnghiên cứu hàng loạt các hiện tượng khác thường trong tự nhiên [1]

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng laser đã cónhững bước phát triển hết sức to lớn Laser không những được áp dụng trongnhiều ngành khoa học và công nghệ, mà còn được sử dụng cả trong những

cộng đồng Nhiều ý kiến cho rằng “Thời đại Photonic” sẽ thay thế “Thời đạiElectronic” trong một tương lai không xa nữa [2]

Cách đây hơn 50 năm, lần đầu tiên laser ra đời với tư cách là một nguồnsáng có nhiều tính chất kỳ diệu đến nỗi ngay cả những nhà kỹ thuật giàu trítưởng tượng nhất cũng chưa có thể mường tượng được có bao nhiêu ứng dụng

để có thể tận dụng hết những đặc tính ưu việt của ánh sáng mà laser phát ra

Vậy, một số tính chất ưu việt và khả năng ứng dụng cụ thể của chùm tia laser

đó là gì?

Để có thể làm rõ vấn đề ấy nên tác giả chọn đề tài: “Phân tích một vài

khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm tia laser”.

Trong thực tế thì laser có rất nhiều những ứng dụng khác nhau, bởi lẽmỗi ngày lại có thêm những ứng dụng mới cũng như các loại laser mới Khảnăng ứng dụng của laser là rất đa dạng và rộng lớn, nhưng trong một khoảngthời gian ngắn thì không thể trình bày hết được những ứng dụng đó Đốitượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là một vài khả năng ứng dụng cụ thểgần đây nhất của laser Qua luận văn có thể giúp chúng ta có một cái nhìn sâusắc hơn về một số ứng dụng khoa học của laser, góp phần hạn chế những tácđộng xấu, đồng thời nâng cao khả năng ưu việt của ánh sáng laser thông quaviệc chế tạo, sửa chữa, cải tiến các máy móc, thiết bị

Bố cục của luận văn ngoài các phần: mở đầu, kết luận chung và tài liệutham khảo, thì luận văn gồm hai chương chính có nội dung như sau:

- Chương 1: Tổng quan về Laser

Trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của laser, cấu tạo vànguyên tắc hoạt động của máy phát laser, một số tính chất đặc biệt của chùmtia laser Chương này sẽ là cơ sở lý thuyết tiền đề cho chương 2 sau này

- Chương 2: Một số ứng dụng cụ thể của Laser

Chương này chủ yếu trình bày về một vài khả năng ứng dụng gần đâynhất của laser vào nghiên cứu khoa học, dựa trên những tính chất của nó,không hàm ý an ninh hay kinh tế Cụ thể là nghiên cứu về Quang học phituyến, Holography, điều khiển các phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser trongcông nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử và thông tin liên lạc Qua chương này

sẽ giúp chúng ta có được cái nhìn tổng quan hơn về khả năng ứng dụng mớicủa laser.

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ LASER1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của laser

Cơ sở lý thuyết quyết định cho laser đã được Anhxtanh đặt ra từ năm

1917, khi ông đưa ra những ý tưởng cơ bản về bức xạ cưỡng bức và tự phát.Ông giả thiết rằng: khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùngvới sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng còn xảy ra hai loại bức xạ khác nhau:bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức một lượng tử ánh sáng được gây ra bởimột lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã được kích thích

Hình 1.1.Quá trình tương tác [3]

Hình vẽ thể hiện các quá trình tương tác cơ bản giữa bức xạ điện từ với vật chất đối với một nguyên tử giả định chỉ có hai trạng thái năng lượng cho phép Hấp thụ (a) xảy ra khi năng lượng của lượng tử bức xạ hʋ chính bằng hiệu năng lượng E 1 và E 2 giữa hai trạng thái Sau thời gian tồn tại trung bình τ hệ đã kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản (b), đồng thời bức xa tự phát một photon hʋ Thông qua tương tác của một photon hʋ với một nguyên

tử đã được kích thích, sẽ dẫn tới bức xạ kích thích hay cưỡng bức (c), ở đó sẽ

có một photon hʋ được trao cho trường bức xạ, khi đó nguyên tử trở về lại trạng thái cơ bản.

Ngay từ năm 1928, R Ladenburg và các cộng tác viên ở Viện Hóa lý Điện hóa đã chứng minh được bức xạ cưỡng bức Họ cho thấy có bức xạcưỡng bức trong sự phóng điện ở dòng điện rất cao trong một ống thủy tinh

-có chứa khí hiếm là Neon Chỉ -có điều còn cần nhiều thời gian cho tới khingười ta có thể dùng bức xạ cưỡng bức này để khuếch đại ánh sáng Vì có sựphụ thuộc vào tần số của tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và bức xạ tự phát vừanói ở trên nên lúc đầu người ta mới chỉ thành công trong miền sóng cao tần.Đến năm 1954, maser amoniac đầu tiên trên thế giới được chế tạo, maser phát

xạ trong miền sóng vô tuyến cao tần

Ngày 16/5/1960, tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu

-California, T H Maiman đã thành công trong việc chứng minh bằng thựcnghiệm cho nguyên lý laser và lần đầu tiên ông đã chế tạo được laser rubybơm bằng đèn chớp Laser ruby (hay laser hồng ngọc ) là một laser chất rắn

Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây

những xung ánh sáng kết hợp trong miền đỏ của quang phổ khả kiến với bướcsóng 694nm

Tiếp sau laser rắn xung, năm 1961, chúng ta đã có laser liên tục là laserHeli - Neon, đồng thời đó là chiếc máy đầu tiên của một loại laser mới là laserkhí (vì môi trường khuếch đại của nó là chất khí) và trên nguyên tắc nó đượckích thích bằng sự phóng điện Sau đó nhiều laser khí lần lượt ra đời như:Laser khí ion Argon phát xạ ánh sáng xanh lá và xanh lơ ; Laser khí Cacbonicphát ra ánh sáng liên tục trong miền hồng ngoại trung bình (nhiệt) với công

suất trung bình rất cao ; Laser Excimer là một nguồn ánh sáng mạnh, bền,phát xung laser trong miền ánh sáng tử ngoại và có công suất trung bình rấtcao Tất cả các loại laser vừa nêu chỉ phát một loạt những bước sóng cố định.

Năm 1966, Sorokin và Lankard đã có thể biến đổi được bước sóng củalaser và laser màu từ đó ra đời Laser màu có môi trường hoạt tính là một chấtlỏng mang màu (thật ra là dung dịch thuốc nhuộm có màu)

Trước đây, chúng ta vẫn thường quan niệm rằng laser phải là những hệthiết bị cồng kềnh với một loạt các linh kiện quang học được điều chỉnh trênbàn quang học đặc biệt chống rung và chống dao động Nhưng từ những năm

1960, nhờ sự kết hợp tài tình giữa quang học và điện tử nên người ta đã chếtạo ra laser bán dẫn hay laser điốt Như vậy, lại bắt đầu một bước phát triểnmới làm đảo lộn quan điểm nói trên Laser bán dẫn không những gọn nhẹ màcòn có độ tin cậy cao Nhưng ngay từ bây giờ với nhiệm vụ làm nguồn bơmcho các laser rắn thông thường, các laser bán dẫn này thay thế cho đèn chớp

và các laser khí quá phức tạp và tốn kém (vì chúng dựa trên hiện tượng phóngđiện rất khó thực hiện)

Với những phương pháp ngày càng chính xác và phức tạp hơn, các hệlaser càng ngày càng thích nghi hơn Từ những năm 70 của thế kỷ trước, laserđược bán rộng rãi trên thị trường và đã trở thành công cụ rất dễ sử dụng trongmột phạm vi hết sức rộng lớn

Từ những năm 1980 đã ra đời một loạt các laser rắn, điển hình là laserYAG (yttri-aluminium-granat) Để phủ kín miền phổ rộng hơn, bằng nhữngphương pháp quan trọng nhất để tạo ra ánh sáng đơn sắc, kết hợp và khôngphân kỳ, ngày nay người ta chủ yếu dựa trên các vật liệu chất rắn càng ngày

càng mới hơn, chẳng hạn Titan-Saphir Các phương pháp của ngành quangphi tuyến càng ngày được phổ biến hơn Đồng thời dãi phổ khuếch đại rộngvốn có của các vật liệu laser rắn hiện đại cũng đã giải quyết được vấn đề khókhăn nhất là: những xung ngắn nhất và có cường độ cao nhất, kèm theo một

sự lặp lại các thông số của xung [3]

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser

1.2.1 Cấu tạo của máy phát laser

Laser hay còn gọi là máy phát lượng tử vùng quang học, gồm ba bộphận chính: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (hay còn gọi

là nguồn bơm)

1.2.1.1 Hoạt chất

Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua

nó Đây là môi trường gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúcnăng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là 3 mức hoặc 4 mức nănglượng để tạo nghịch đảo mật độ cư trú Hoạt chất của laser có rất nhiều loại,

có thể người ta dùng chất rắn, chất lỏng, chất khí, chất bán dẫn,…

Hình 1.2.Sơ đồ cấu tạo tối thiếu của một laser [3]

- Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh được phatrộn thêm các ion nguyên tố hiếm như : Sm+3 , Eu+3 , Nd+3 , Cr+3 , …Laser rắn điển hình là laser Rubi có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộnthêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion

Nd+3

- Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như peperidinEu(BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol, methol và có thêm ítnguyên tố hiếm như Eu+3, Nd+3, …

- Hoạt chất là chất khí bao gồm:

+ Các khí đơn nguyên tử, như: ArI, XeI, NeI,…

+ Các ion khí đơn nguyên tử, như: ArII, KrII,…

Thành phần chủ yếu của buồng cộng hưởng là 2 gương Một gương có

hệ số phản xạ rất cao (cỡ 99,999%), còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn

để tia laser thoát ra ngoài Một trong các gương có thể thay bằng lăng kínhhay cách tử (tùy theo yêu cầu) Hai gương phản xạ có thể để xa hoạt chất haygắn chặt với nó [5]

Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ (do hoạt chấtphát ra) có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên, hay nóicách khác là tạo ra sự phản hồi ngược dương cho môi trường khuếch đại là

hoạt chất [5] Ngoài ra, buồng cộng hưởng còn có tác dụng tạo dao động riêng(MODE) của trường quang học, đồng thời định hướng cho chùm tia laser phát

ra ngoài [1]

1.2.1.3 Bộ phận kích thích (hay nguồn bơm)

Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tíchlũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt độngcủa laser

Tùy theo các laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khácnhau, để tạo ra môi trường khuếch đại cho laser, như: kích thích bằng dòngđiện (chủ yếu cho laser khí, laser bán dẫn), kích thích bằng nguồn ánh sángkhông kết hợp hoặc ánh sáng kết hợp, kích thích bằng phản ứng hóa học, kíchthích bằng khí động học, Tuy nhiên, mỗi một loại laser chỉ có thể áp dụngmột phương pháp kích thích, phụ thuộc vào bản chất của hoạt chất [5]

* Ngoài ba bộ phận chính vừa nêu ở trên thì trong cấu tạo của laser còn

có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu viêt của chùm tia

laser, như: hộp phản xạ – tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm quang học) ; diaphragma – lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản ; chất làm lạnh –

giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm mục đích nâng cao độ ổn định của laser [1]

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của máy phát laser

Muốn có quá trình khuếch đại liên tục các photon ánh sáng thì ta cầntạo ra tín hiệu phản hồi ngược, tức là làm thế nào để một phần trong số cácphoton sau khi đi qua môi trường khuếch đại sẽ quay trở lại đóng vai trò là tínhiệu vào

Bước thứ nhất, một số nguyên tử thực hiện quá trình bức xạ tự nhiên

từ mức năng lượng trên và phát ra photon theo nhiều hướng khác nhau Trong

số các photon đó có photon truyền theo phương vuông góc với gương phản

xạ Trong số các photon truyền theo phương vuông góc ấy, có một số sẽtruyền qua gương và một số sẽ quay trở lại môi trường khuếch đại Chínhphoton này đóng vai trò là tín hiệu quang ban đầu Quá trình các photon quay

lại môi trường khuếch đại chính là quá trình phản hồi quang học dương

Bước thứ hai, photon này sẽ kích thích phát xạ cưỡng bức từ mức

năng lượng trên và một photon thứ hai sẽ được phát ra Hai photon này sẽtruyền cùng pha với nhau và hướng tới gương thứ hai

Bước thứ ba, hai photon sẽ quay lại môi trường và tiếp tục kích thích

bức xạ cưỡng bức sinh ra bốn photon truyền tới gương thứ nhất Từ gươngthứ nhất, một số photon thoát ra ngoài khỏi buồng cộng hưởng Chùm tialaser được sinh ra

Các photon khác được phản xạ lại sẽ tiếp tục hành trình qua lại trongmôi trường khuếch đại và kích thích bức xạ tiếp tục để sinh ra laser

Nhưng cần phải lưu ý là một số photon khi đi qua môi trường khuếchđại cũng bị hấp thụ để kích thích các nguyên tử chuyển từ mức năng lượngdưới lên mức năng lượng trên (như quá trình 3) Đồng thời, sau một lần qua

Hình 1.3.Nguyên tắc hoạt động của máy phát laser [1]

lại giữa hai gương của buồng cộng hưởng, một số photon đi ra ngoài Nhưvậy đã xảy ra quá trình mất mát photon (hay mất mát năng lượng) trong mỗi

lần qua lại buồng cộng hưởng Hệ số mất mát

định) khi và chỉ khi hệ số mất mát β cân bằng với hệ số khuếch đại g (

a Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng

Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.4

Nhờ bơm quang học, các nguyên tử

sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3 Để

đảm bảo tần số ánh sáng bơm không quá

đơn sắc, người ta thường chọn mức 3 có

một độ rộng tương đối lớn Khi tới mức 3,

hệ nguyên tử định cư ở đây không lâu và sẽ chuyển không bức xạ sang mức 2nằm gần đó và tại đây nó không thể chuyển tự phát xuống mức 1, vì mức 2 làloại mức siêu bền, các nguyên tử có thời gian cư trú rất lâu Như vậy, nhờbơm mà các nguyên tử sẽ chuyển từ mức 1 sang mức 2 và tạo được sự nghịch

đảo độ tích lũy ở hai mức 2 và 1 Trong chế độ này đòi hỏi xác suất dịchchuyển không bức xạ Γ32 là rất lớn, Γ32 >> Γ31 và mức 2 là mức siêu bền.

Tuy nhiên, do hai mức 3 và 2 khá gần nhau nên bức xạ tự phát ν 31 rất

gần bức xạ laser ν 21 , và điều này làm nhiễu loạn phần nào hoạt động của

laser Người ta gọi bức xạ tự phát ν 31 là “sum” của máy laser làm việc với chế

độ ba mức năng lượng

Ta thấy rằng, trong cơ chế bơm ba mức, trạng thái nghịch đảo mật độ cưtrú chỉ xảy ra khi số nguyên tử ở mức 1 ít hơn số nguyên tử ở mức 2 Nhưvậy, cần phải có một bức xạ điện từ lớn (công suất lớn) để đưa ít nhất một nửanguyên tử ở mức 1 lên mức 3 Cơ chế này hoàn toàn không hiệu quả so với cơchế bơm bốn mức năng lượng sau đây [5]

b. Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng

Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.5

Nhờ bơm, các nguyên tử ở mức 1

sẽ dịch chuyển lên mức 4 Mức này có độ

rộng lớn để không đòi hỏi ánh sáng bơm là

đơn sắc Tại mức 4, các nguyên tử sẽ

chuyển không bức xạ xuống mức 3 và tại

đây nó không chuyển tự phát xuống các

mức dưới do mức 3 cũng thuộc loại mức siêu bền Mức 2 rất gần mức 1 và cóliên kết quang với mức 4 Vì vậy, các bức xạ tự phát từ 4 xuống 2 sẽ qua quátrình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1 Theo quá trình bơm, cácnguyên tử sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3 và tạo ra sự nghịch đảo độ tíchlũy giữa hai mức 3 và 2 Bức xạ laser xuất hiện trong dịch chuyển 3 và 2 sẽ

không bị ảnh hưởng của bức xạ tự phát 4 và 2 Đấy là ưu điểm của chế độ làmviệc theo bốn mức năng lượng.

Điều kiện cần thiết cho sự làm việc này là: xác suất dịch chuyển Γ43

lớn hơn rất nhiều Γ32 và Γ42 (với Γ32 ≈ 0) , xác suất dịch chuyển Γ21 lớn hơn rấtnhiều Γ42 và Γ12 [5]

1.3. Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser

Bức xạ đặc biệt của laser là gì mà đã làm cho laser trở nên một nguồnsáng có ứng dụng đặc biệt và đa dạng như thế? Vì laser có những tính chấtđặc biệt khác ánh sáng thông thường, như là:

1.3.1 Kết hợp

Trước hết, nhất thiết phải kể đến tính kết hợp của ánh sáng laser Điều

đó có nghĩa là trong trường bức xạ, các sóng có quan hệ pha cố định cả vềthời gian và không gian

Hình 1.6 Tính kết hợp [3]

Nếu dùng các nguồn sáng nhiệt thông thường, chúng ta chỉ có thể thuđược ánh sáng kết hợp khi chịu mất mát rất lớn về cường độ, bởi vì chúng taphải đặt một phin lọc màu có dải hết sức hẹp và một điaphram có lỗ rất nhỏ

trước nguồn sáng về mặt không gian là rất lớn (hình 1.6.a).

Bức xạ cưỡng bức xuất hiện trong môi trường hoạt tính trái lại tạođược ánh sáng rất mạnh, có độ kết hợp thời gian cao Nếu chọn buồng cộnghưởng quang học thích hợp sẽ xuất hiện tia sáng hình Gauss kết hợp khônggian được đặc trưng bởi một góc mở nhỏ, mặt sóng hình cầu và phân bốcường độ hướng tâm ứng với bình phương của một đường cong hình Gauss

(hình 1.6.b), tức là trên một màn ở xa laser có một vết sáng đơn sắc rất sáng,

tương đối nhỏ

Tính kết hợp thời gian được xác định bằng phương pháp giao thoa.Người ta định nghĩa chiều dài kết hợp là chiều dài ứng với khác biệt tối đagiữa hai sóng giao thoa nhau, mà chúng ta vẫn còn quan sát được hiện tượnggiao thoa [3]

Trong khi các đèn quang phổ dùng sự phóng điện trong chất khíthông dụng, chúng ta sẽ đo được chiều dài kết hợp ở bậc lớn hàng mét, thì đốivới một laser Heli-Neon đã được ổn định hóa, chúng ta thậm chí có thể đạt tớichiều dài kết hợp khoảng hơn một trăm mét Chiều dài kết hợp lớn có nghĩa là

độ rộng dải phổ của bức xạ rất nhỏ Như vậy, ánh sáng laser là một dải hẹpthuần nhất về tần số Bởi vậy, những laser đặc biệt được ổn định hóa rất thích

hợp dùng làm chuẩn tần số để xác định các đơn vị cơ bản: mét (m) và giây (s).

1.3.2 Cường độ (hay mật độ số photon)

Cường độ tia laser lớn gấp nhiều lần cường độ tia sáng nhiệt thôngthường

Để rõ tính chất này, ta hãy so sánh cường độ của bức xạ laser khicông suất thấp bình thường với bức xạ nhiệt

Với laser khí Heli – Neon phát công suất cỡ 1mW ở chế độ liên tục

và với photon nằm trong miền thấy được (0,6328µm) có năng lượng

hν = 10 -19 J thì số photon laser phát trong một giây sẽ là:

10 10 (photon)

10 hν

Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ T ≈ 1000 0 K, bức xạ từ một diện tích

∆A = 1cm 2 và cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng ∆ν ≈ 1000Å

thì số photon nhiệt tính theo công thức:

e 1 10 (photon)

A.

kT hc

Chính nhờ tính chất này mà laser trở thành nguồn sáng quý giá trong

nhiều ứng dụng cụ thể sau này [5].

1.3.3 Định phương

Độ định phương của laser là cao Tia laser phát ra hầu như là chùmsong song, do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn kilomet mà không bị phântán Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ

và tạo nên cường độ lớn Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trongkhông gian Tuy nhiên, nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quanghọc đã biết, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặtphẳng phân cực Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng pha trongtoàn bộ khẩu độ của nguồn

Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với

gương có đường kính d (hoặc diện tích

4

d S

2



 ) , sau gương chùm tia laser sẽ

tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ

Góc khối: là phần không gian giới hạn bởi một mặt nón, được đo

bằng diện tích S mà nó chắn trên một hình cầu có tâm ở đỉnh của mặt nón và bán kính bằng một đơn vị chiều dài Góc khối cực đại bằng 4π sterađian.

Giá trị góc khối ∆ΩΩ này là cỡ 2π sterađian, rất nhỏ so với góc khối

bức xạ của một nguồn sáng nhiệt [5]

1.3.4 Đơn sắc

Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch ∆νcủa chùm Khi độ rộng vạch của chùm bằng 0 thì chùm có độ đơn sắc caonhất Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định

Trong trường hợp gần đúng với buồng

là thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng,

P là công suất phát của bức xạ, h là hằng số Planck

Với laser công suất phát P 10  3W

Với các laser, để có được sự ổn định tần số độ đơn sắc cao thì buồngcộng hưởng phải rất ổn định, độ dài của nó phải thay đổi rất ít, bố trí khôngrung động và đặt trong những điều kiện đặc biệt

Chùm sáng chỉ có một màu duy nhất Do vậy chùm laser không bị tán

xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây

là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có [5].

1.3.5 Không gian

Tính chất không gian của laser thể hiện ở ba điểm sau:

a Sự ổn định của các mode ngang

Trong chế độ dừng, người ta gọi mode ngang là ổn định khi sựphân bố không gian của biên độ trường của sóng là ổn định trong mặt phẳng

Hình 1.7 Độ rộng vạch phổ [1]

trực giao với trục của buồng cộng hưởng Điều đó có nghĩa là biên độ và phacủa sóng được lặp giá trị của chính mình và không biến đổi trong mặt tiết diệnngang của buồng cộng hưởng, sau quá trình sóng truyền đi và về giữa haigương phản xạ

Với các buồng cộng hưởng có gương cầu, sóng có dạng hình Gauss Do

đó ở bất kỳ điểm nào trong buồng cộng hưởng, sự phân bố cường độ cũng làdạng Gauss: ( )

2 0 2 2

)

r

e I r

I   (1.5)

với I0 là cường độ trên trục của buồng cộng hưởng, W ( z) là bán kính của

vòng tròn ở đó cường độ giảm một thừa số e 2 so với I0

Khi buồng cộng hưởng là ổn định thì tính chất không gian còn biểuhiện ở chỗ là chùm tia ló ra sẽ giữ nguyên tính chất phân bố Gauss khi trong

buồng cộng hưởng chúng là phân bố Gauss [5].

b Độ phân kỳ của chùm tia

Đây cũng là một đặc trưng của tính chất không gian của chùm tialaser Đặc trưng này quy định bởi hiện tượng nhiễu xạ

Tùy vào từng loại laser mà độ chuẩn trực có giá trị cụ thể:

AsGa Rubi He-Ne Ar

c Sự hội tụ của chùm tia

Với các chùm sáng thông thường, ta không thể hội tụ chùm tia vàomột điểm với đường kính nhỏ tùy ý do gặp hiện tượng nhiễu xạ

Với chùm tia laser thì khác Laser có thể tập trung hội tụ ở một

điểm có diện tích cỡ λ 2 Chính vì thế, bản thân tia laser đã tập trung năng

lượng ở diện tích nhỏ và là một đặc điểm của tính chất không gian Nhờ tínhchất này mà với một laser công suất bé ta luôn thu được một mật độ công suấtđáng kể tiện lợi cho nhiều ứng dụng

Ví dụ với laser He - Ne công suất 2mW dùng thêm thấu kính cóthể hội tụ chùm tia trong một diện tích 10-8 cm2 và sẽ đạt được mật độ côngsuất cỡ 200kW/cm2

Nếu sử dụng một nguồn điện thông thường thì để có được mật độtrên, nguồn điện phải có công suất 20kW [5]

Đây là đặc tính nổi trội của laser so với nguồn sáng thông thường

1.3.6 Thời gian

Tính chất thời gian của laser biểu hiện cụ thể trong chế độ làm việcliên tục hay xung của laser

- Chế độ phát liên tục: Trong chế độ phát liên tục, công suất của một

laser tương đối không đổi so với thời gian Sự nghịch đảo mật độ cần thiếtcho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

- Chế độ phát xung: Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay

đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phéptập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể.Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượngcần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu

vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưngtiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian đểxuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn.

Hầu hết các laser đều có thể phát liên tục (trừ laser ruby hay laserthủy tinh ion hiếm) Ngoài ra, các laser cũng dễ dàng làm việc ở chế độ xungnhờ những biện pháp kỹ thuật riêng

Trong tính chất thời gian này cần chú ý:

- Khi phát liên tục, theo thời gian, laser có sự thăng giáng về tần số phát(cỡ vài MHz) Nguyên nhân là do cơ cấu của chính laser, các tác động ngoạicảnh với buồng cộng hưởng, …

- Khi phát xung năng lượng hay công suất phát liên hệ với nhau qua độ

rộng xung (thời khoảng xung) nhờ công thức:



E

P c  , với P c là công suất

đỉnh của xung, E là năng lượng xung,  là độ rộng xung Ngoài ra, công suất

trung bình của xung được xác định bằng công thức: P m = E.ν R , với ν R là nhịp

nhắc lại của xung, thông thường ν R (1;100)Hz

- Ngày nay, với kỹ thuật tiến bộ, người ta tạo được dễ dàng các xung cựcngắn với công suất cực lớn ở các mức độ nano giây, pico giây, femto giây, và

có thể auto giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thờigian cực ngắn [5]

1.3.7 Thay đổi bước sóng

Đây là tính chất cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng Mỗilaser đều có thể điều chỉnh tần số trong một miền nhất định dù rằng rất nhỏ.Người ta thực hiện điều đó bằng cách đưa một yếu tố chọn lọc tần số vào

buồng cộng hưởng, và xác định các mode trong miền phát xạ của môi trườnglaser bằng cách thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng.

Riêng laser màu lại cho phép biến đổi liên tục bước sóng trong mộtmiền tương đối rộng Khi dùng một số chất màu laser thích hợp làm môitrường laser, ta có thể tạo ra bức xạ laser trong toàn bộ miền phổ từ tử ngoạigần đến hồng ngoại gần Mỗi chất màu cho phép biến đổi trong dải bức xạcủa nó từ 20nm đến 50nm nhờ dùng các phương pháp khác nhau Điều nàyhết sức ưu việt cho các nghiên cứu quang phổ và cả sự kích thích chọn lọc cácphân tử trong các quá trình quang hóa [3]

Kết luận chương 1

Trải qua một chặng đường dài hơn 50 năm, Laser có nguồn gốc lịch

sử phát triển riêng của nó

Laser có cấu tạo gồm ba bộ phận chính: buồng cộng hưởng, hoạt chất

và nguồn bơm Để có thể có môi trường khuếch đại lớn và ổn định, ta cần sửdụng môi trường các nguyên tử có cấu trúc năng lượng tuân thủ cơ chế bơm

ba mức năng lượng hay cơ chế bơm bốn mức năng lượng Nhưng để có hiệusuất khuếch đại lớn và ổn định theo thời gian thì ta nên chọn các nguyên tửtuân thủ cơ chế bơm bốn mức năng lượng

Laser cũng là một loại ánh sáng Nhưng ánh sáng laser lại khác hẳnnhững ánh sáng thông thường (mặt trời, mặt trăng, lửa, …), bởi vì nó cónhững tính chất đặc trưng riêng vượt trội hơn hẳn, như là: kết hợp, đơn sắc,

cường độ, định phương, không gian, thời gian và có thể thay đổi được bướcsóng tùy vào mục đích sử dụng

Chương 2. PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN

TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

Sự ra đời của laser với tư cách là một nguồn sáng đặc biệt đã mở ranhiều hướng phát triển mới của khoa học

2.1 Dựa trên tính chất kết hợp không – thời gian

Dựa vào tính chất này, ta có thể ứng dụng laser vào Holography.

Holography thường gọi là chụp ảnh khối (hay còn gọi là chụp ảnh toàn ký)

để thu được những hình ảnh ba chiều của vật thể, một ngành khoa học chophép tạo ra các ảnh nổi ba chiều mà không cần sử dụng các thấu kính Đây làmột trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser, dựa trên tính chất kếthợp không – thời gian của chùm tia laser Phương pháp ghi và phục hồi hìnhảnh dựa trên hiện tượng giao thoa sóng

Nguyên lý của Holography được Dennis Gabor đề xuất từ năm 1948,nhưng do nguồn sáng để chụp

không đủ mạnh nên không thu

được kết quả Chỉ từ khi có

laser, người ta đã sử dụng nguồn

sáng này để thu được ảnh khối

của vật thể và nghiên cứu về

Holography được phát triển rất

Hình 2.1 Nguyên lý Holography [7.(a)]

nhanh và đã trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lý và quang học kỹthuật [5].

Người ta dùng một chùm tia laser chia thành hai phần: phần thứ nhấtgọi là “chùm vật” được hướng đến vật thể cần chụp ảnh và được vật này phảnchiếu đến phim ; phần thứ hai gọi là “chùm tựa” (hay chùm quy chiếu) đượcgương phản xạ và đi thẳng đến phim mà không hề gặp vật Hai chùm lasernày tương tác với nhau để tạo ra “môtíp giao thoa” và môtíp này được phimlưu lại Phim sẽ chứa toàn bộ các thông tin về các pha của sóng ánh sáng,đóng vai trò như “âm bản” của ảnh chụp thông thường

Muốn đọc được các môtíp

giao thoa và tái dựng lại hình ảnh

nổi “dương bản” phải dùng một

chùm laser có cùng bản chất với

chùm đã được dùng để tạo ra môtíp

Khi bức tranh laser được chùm laser

chiếu sáng thì môtíp này tái tạo lại

cấu trúc không gian của vật, vật

hiện ra ba chiều, lơ lửng trong không trung như đang trong trường hợp nhìnvật thật Ảnh toàn ký trông rất thực, có thể xoay chúng được và phát hiện ra

cả những phần của vật thể không thể thấy được nếu nhìn đối diện [5]

Ảnh toàn ký còn có tính chất hết sức kỳ lạ: đó là mỗi phần của ảnh toàn

ký đều chứa toàn bộ thông tin của cả bức ảnh Nếu một phần bức tranh giaothoa tạo nên âm bản của ảnh toàn ký bị cắt mất, thì khi chiếu sáng phần cònlại bằng một chùm laser thích hợp vẫn thu được toàn bộ bức ảnh, mặt dù độsáng yếu hơn và với các phối cảnh hạn chế hơn Sở dĩ có được như vậy là vìtoàn bộ cảnh được ghi lại ở tất cả các điểm của âm bản ảnh toàn ký Nói cách

Hình 2.2 Hình ảnh ba chiều của vật thể

[7.(a)]