Chương 1. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER 1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser. 1.1.1Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng. +Bản chất: ánh sáng là trường sóng điện từ ngang phẳng lan truyền trong không gian +Nguồn gốc: sóng điện từ ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử. +Tính chất: Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt ( là phô tôn ) : E=h. E: năng lượng , h: hằng số Plăng 6,025.10 34 , : tần số sóng ánh sáng Nếu coi ánh sáng có tính chất sóng ( là sóng điện từ trường ngang phẳng): . = c : là bước sóng ánh sáng,c: vận tốc ánh sáng (c≈3.108 ms)
Chương NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER 1.1 Cơ sở vật lý nguồn sáng laser 1.1.1Nguyên lý xạ sóng điện từ ánh sáng +Bản chất: ánh sáng trường sóng điện từ ngang phẳng lan truyền khơng gian +Nguồn gốc: sóng điện từ ánh sáng phát điện tử dịch chuyển từ mức lượng cao sang mức lượng thấp lớp vỏ nguyên tử +Tính chất: - Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt ( phơ tôn ) : E=h. -E: lượng , h: số Plăng 6,025.10 -34 , : tần số sóng ánh sáng -Nếu coi ánh sáng có tính chất sóng ( sóng điện từ trường ngang phẳng): . = c -: bước sóng ánh sáng,c: vận tốc ánh sáng (c≈3.108 m/s) Mơ hình hiệu ứng quang điện Hiện tượng giao thoa Mơ hình tán xạ Cơm-tơm Hiện tượng nhiễu xạ Phổ trường sóng điện từ ngang phẳng Ánh sáng sóng điện từ có bước sóng từ 10nm đến 1mm ( tần số 30PHz đến 300GHz) Bảng phân chia xạ sóng điện từ Bước sóng B Bước sóng Tên TầnTần sốsố (Hz) Năng lượng photon (eV) Phơ tơn (eV) Radio Radio 1 mm - 100000 km 300 GHz - 3 Hz 12.4 feV - 1.24 meV ViViba ba 1 mm - met 300 GHz - 300 MHz 1.7 eV - 1.24 meV Tia hồng ngoại 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz 1.24 meV - 1.7 eV 380 nm-700 nm 790 THz - 430 THz 1.7 eV - 3.3 eV Tia tử ngoại Tia tử ngoại 10 nm - 380 nm 30 PHz - 790 THz 3.3 eV - 124 eV Tia X 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 eV - 124 keV TiaTia gamma gamma ≤ 0,01 nm ≥ 30 EHz 124 keV - 300+ GeV Tia hồng ngoại Ánh sángsáng nhìn thấy Ánh nhìn Tia X thấy Mô hinh mẫu nguyên tử Bohr Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử 1s2 2s2 2p6 3s 3p 3d 10 4p - 1,2,3: Chỉ số lớp vỏ nguyên tử - s, p,d: thứ tự phân lớp lớp - 2,6,10 số điện tử phân lớp Sự suy biến thành phân lớp siêu phân lớp nguyên nhân tương tác khác nguyên tử làm cho điện tử có nhiều mức lương khác 5s2 4d10 - Các điện tử lớp vỏ ngồi chuyển lên mức cao ngược lại gọi dịch chuyển - Các dịch chuyển hấp thụ phát xạ ánh sáng gọi dịch chuyển quang học -Mỗi trạng thái dừng nguyên tử phân tử ( gọi hạt) tương ứng với giá trị lượng định : * Năng lượng cực tiểu ổn định: trạng thái * Năng lượng lớn khơng ổn định: trạng thái kích thích - Khi cấp cho hạt lượng, điện tử chuyển từ mức thấp lên mức cao, q trình kích thích - Hạt trạng thái kích thích có thời gian tồn ngắn khoảng 10 -8 ÷ đến 10 -9 giây, chuyển mức lượng thấp sau phát xạ ánh sáng lượng cơ, nhiệt 1.1.2 Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser -Bức xạ laser sóng điện từ có tần số từ 1017 ÷1011 Hz, ứng với bước sóng = 10nm ÷ 1mm - Mỗi hạt photon ánh sáng đồn sóng điện từ có tần số xác định Khi sóng lan truyền theo phương oz với vận tốc v biên độ sóng điểm z thời điểm t : S = F(t - z/v) - F hàm mô tả dạng sóng điều hòa thoả mãn phương trình sóng : 2S 2S 2 z v t Trường hợp tổng qt mà sóng lan truyền khơng gian: 2S 2S 2S 2S S 2 x y z v t Độ dài kết hợp số laser thông dụng: HeNe đa mod HeNe đơn mod Ar nhiều mod Nd, NAT Thủy tinh Neodim GnAs t=20 cm 100.000 0.02 0.1 Độ kết hợp đặc biệt quan trọng sử dụng ở: -Giao thoa kế: xác định phạm vi đo độ dài giao thoa -Kĩ thuật Hologram với đặc trưng không gian tia 1.4.3-Độ định hướng cao Độ định hướng tia laser liên quan đến mod ngang hình ảnh phân bố lượng tiết diện ngang chùm tia .Phân bố lượng mod ngang Khi sóng phẳng lan truyền góc trục buồng cộng hưởng tạo thành mod ngang thoả mãn: Lcos = q / Và tần số mod ngang q = cq/ 2L Khoảng cách hai mod ngang =q -q+1 = /2D Với D bán kính gương Người ta chia mod ngang thành mặt phẳng vng góc m n Số mod ngang m,n thường không lớn bị triệt tiêu thường vài mod với TEM0,0 mod Với gương vuông số m đặc trưng cho số lần thay đổi hướng từ trường dọc theo trục x n theo hướng trục y Khi laser làm việc chế độ nhiều mod góc lớn mod ngang Khi gương bị lỗi bụi bẩn làm cho laser chuyển sang mod ngang cao hơn: góc phân kỳ tia phụ thuộc số mod x a -x: số mod ngang -a: hệ số Khi góc chùm gauss 0 gọi giới hạn nhiễu xạ góc tia tính góc tạo tiết diện thắt Khi laser có dạng mod ngang TEM0,0 gọi dạng mod ngang Gauss Cường độ tính từ tâm I( r ) 2r I exp r0 ω0 - - r: bán kính tính từ tâm I0 cường độ chùm tâm r0: bán kính Gauss ( bán kính cường độ giảm e lần so với tâm) Khi cơng suất 0 r I P Góc chùm tia mod 0,0, nhỏ Dạng Gausse chùm tia không đổi qua mơi trường quang, mod khác khơng thể Để giảm mod ngang: - Dùng Diaphram để triệt tiêu nhiễu xạ mod ngang bậc cao giảm đường kính ống laser để giảm độ thắt 0 Hai phương pháp làm giảm công suất tia laser - Phương pháp chọn lọc mod ngang tăng đột ngột giá trị tổn hao nhiễu xạ mod bậc cao phân bố xa trục mod - Phương pháp khác: dùng gương cầu cầu phản xạ, gương có hệ số phản xạ biến đổi 1.4.4-Khả đạt mật độ cơng suất cao • Có thể nói laser He-Ne 1mW có độ chói gấp hàng trăm lần ánh sáng mặt trời • (Nếu so sánh lượng phát xạ ( W/cm2sr) đèn thuỷ ngân cao áp 250w/cm2sr, nguồn laser HeNe đạt 25.104 w/cm2sr) a- Phương pháp hội tụ Ánh sáng thường góc mở 4 (str) ánh sáng laser có độ định hướng cao nên coi chùm sáng song song Khi sử dụng hệ quang hội tụ diện tích nhỏ tiêu điểm hệ quang ta nhận mật độ lượng lớn, đạt mật độ đến 10 121014 W/cm2 Nguyên nhân tạo lên khả hội tụ lớn tia laser: -Độ đơn sắc cao -Độ định hướng cao( góc mở nhỏ) Giới hạn góc nhiễu xạ đường kính độ số : k d -d: đường kính độ số -k: phân bố 1,22 phân bố Gausse 2/ Góc mở số laser thơng dụng: HeNe Ar CO2 Rubi GaAs Thuỷ tinh Nd 0,2-1’ 0,5-1’ 1-10’ 1-10 20-500 0,5-10 Nếu góc ban đầu tia xác định hiệu ứng nhiễu xạ khoảng cách đến thấu kính đủ nhỏ để khơng taọ nên mở rộng tia đường kính vết tiêu tụ: dht = f. -: góc chùm tia -f tiêu cự thấu kính Vì f ln lớn nên dht đạt vài bước sóng Trong thực tế kể đến ảnh hưởng nhiễu xạ Giới hạn đường kính hội tụ nhỏ : dht = 2,4 Ví dụ: chùm gauss 10mW với = 10-4 rad hội tụ với thấu kính khơng quang sai Khi diện tích vết nhận là: 10-8 cm2 mật độ công suất nhận 10-6 W/cm2 Nguồn sáng thường phải dùng đến nguồn cỡ MW đạt Để giảm góc mở tia laser người ta thường dùng hệ vô tiêu Galiler Kepler Hai dạng hệ vô tiêu Vì 1D1 = 2D2 , chọn D1 < D2 1 > 2 Ví dụ: Laser HeNe có 1 =1.10-4 độ dùng hệ vơ tiêu có D2 =10cm 2 = 6.10-6 độ Chiều sâu hội tụ : Nếu dùng thấu kính có F nhỏ tiêu tụ tốt song lại có quang sai khuyết tật ảnh hưởng Khảo sát nguồn laser đơn mod có thấu kinh chất lượng cao khơng có quang sai Zht = dht. Đương kính độ sâu hội tụ B- Phương pháp xung Khả đạt mật độ công suất cao với nguồn sang laser sử dụng nguồn sáng làm việc chế độ phát xung tự bơm dạng xung đặc biệt chế độ phát xung chế độ điều biến hệ số phẩm chất Một nguồn laser có cơng suất 1W, song phát chế độ xung có độ dài xung 10-9s cho biên độ lượng đỉnh xung đạt 109W đủ để đốt cháy tất loại vật liệu +Chuyển mạch Q (Q-switching) Trong laser chuyển mạch Q, đảo ngược mật độ phân bố thực cách làm giảm điều kiện cộng hưởng hay gọi giảm yếu tố chất lượng 'Q' buồng cộng hưởng Khi đó, lượng bơm tích trữ mơi trường laser đạt tới mức tối đa tạo xung ngắn có cơng suất đỉnh cao Cơ chế giảm Q: - Điện quang: Van điện quang, Van âm quang - Cơ quang: Diaphram , Gương quay Mode-locking là kĩ thuật trong quang học nhờ đó laser có thể tạo các xung ánh sáng cực ngắn, cỡ picô giây (10-12 s) or femto giây (10-15s) Trong laser đơn giản, mode dao động độc lập, khơng có quan hệ cố định với nhau. Pha ánh sáng mode không cố định, mode laser giao thoa với tạo thành xung ánh sáng Khi đó, laser thường gọi “khóa mode” hay “khóa pha” Độ dài xung tỉ lệ nghịch với độ rộng dải tần bị khóa là NΔν Dải tần rộng, xung laser ngắn Với laser He-Ne 300 pi-cơ giây, với laser Ti:sapphire cỡ 3,4 fem-tô giây Độ rộng xung ... sángsáng nhìn thấy Ánh nhìn Tia X thấy Mơ hinh mẫu nguyên tử Bohr Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử 1s2 2s2 2p6 3s 3p 3d 10 4p - 1,2,3: Chỉ số lớp vỏ nguyên tử - s, p,d: thứ tự phân lớp lớp - 2,6,10... phân lớp lớp - 2,6,10 số điện tử phân lớp Sự suy biến thành phân lớp siêu phân lớp nguyên nhân tương tác khác nguyên tử làm cho điện tử có nhiều mức lương khác 5s2 4d10 - Các điện tử lớp vỏ ngồi... chuyển mức lượng thấp sau phát xạ ánh sáng lượng cơ, nhiệt 1.1.2 Mơ tả vật lý sóng ánh sáng laser -Bức xạ laser sóng điện từ có tần số từ 1017 ÷1011 Hz, ứng với bước sóng = 10nm ÷ 1mm - Mỗi hạt