CAO HỌC CHUYÊN NGHÀNH QUANG HỌC

vẬt lý laser nHA TRANG, THÁNG 5 NĂM 2008 A. Các khái niệm cơ bản (trạng thái, mức năng lượng, độ tích luỹ, các chuyển dời quang học cơ bản .) B. Nội dung B1. Hoạt động laser trên hai mức (hẹp) Hoạt động laser trên 03 mức Hoạt động laser trên 04 mức B2. các phương pháp bơm (kích thích và khử kích thích) B3. các môi trường hoạt chất. Môi trường mở rộng đồng nhất và MT MR không ĐN. khuêch đại bão hoà B4. buồng cộng hưởng quang học B5. laser hoạt động ở chế độ phát liên tục và phát xung. Biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng (các pp thụ động và tích cực) B6. laser màng mỏng B7. Các phương pháp phát xung cực ngắn Cấu trúc các mức năng lượng và trạng thái 2 1 Phân Tử A Phân bố Boltzmann: sô phân tử - độ tích lũy (cân bằng nhiệt)       − − KT EE 0i 0i expn~n       − KT EE 0i i n 3 1 Phân Tử B 2 4 1 Phân Tử C 2 3 Các chuyển dời quang học cơ bản Hấp thụ Phát xạ tự động Phát xạ cưỡng bức Các sơ đồ laser có thể 0 nn i i = ∑ 1 2 Hoạt động laser trên 2 mức 2 1 3 τ 2 >> τ 3 1 2 3 4 τ 3 << τ 4 n 1 n 2 n 3 n 4 Phát xạ laser Phát xạ laser Bơm Bơm Bơm Hoạt động laser trên 4 mức Hoạt động laser trên 3 mức Laser là gì? Laser là chữ viết tắt tiếng Anh L = Light A = Amplification by S = Stimulated E = Emission of R = Radiation khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức Các quá trình kích thích (bơm) • Bơm quang học (laser: bơm quang học kết hợp; đèn flash: bơm quang học không kết hợp) • Va chạm không đàn hồi với điện tử • Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ • Bơm hóa học • Bơm do tái hợp • Bơm nhiệt . Các quá trình khử kích thích • Bằng phát xạ tự động • Va chạm không đàn hồi với điện tử • Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ • Va chạm vào thành bình • phản ứng Hóa học • Nhiệt (phonon, dao động) . • Hiệu suất laser (optical conversion efficiency and slope efficiency) 4 I 9/2 4 I 11/2 Bơm (1) (3) (4) (2) 2 S 9/2 4 G 9/2 4 S 3/2 2 S 3/2 4 F 3/2 2 G 7/2 phát xạ laser các chyển dời không cho laser các chuyển dời từ mức cơ bản lên các mức cao hơn Hình I.2.9. Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một nền rắn (các số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số hạng phổ nguyên tử) Cấu hình nguyên tắc của laser Bơm CHÙM LASER MÔI TRƯỜNG LASER BCH QUANG HỌC ) Bơm quang học  Kích thích điện tử  Va chạm không đàn hồi giữa nguyên tử - nguyên tử hoặc phân tử - phân tử  Phản ứng hóa học ) chất rắn  chất khí  chất lỏng  chất bán dẫn Hình 1.2.13: Sơ đồ mức năng lượng của ion Cr3+ trong laser ruby. Hình 1.2.14: a) Phổ hấp thụ . b) Phổ phát xạ của Cr3+ trong Al2O3 [...]... C1,C2 F2 F1 , F2 M2 M2 Hình I.2.21: Sơ đồ vùng ổn định của các buồng cộng hưởng quang học có hai gương C và F là tâm điểm chính khúc và điểm tiêu cự của các gương M y2 α2 y1 y (∑) y2 α1 y1 y α 0 A A1 A2 Trục chính Yếu tố quang học nào đó Hình I.2.22: Các đặc điểm quang học của một tia sáng trước khi và sau khi đi qua một yếu tố quang (không chỉ rõ trên hình vẽ) Hình I.2.27: a) Cấu trúc phân bố cường độ... của các trạng thái điện tử được sử dụng từ lý thuyết nhóm) Hình 1.2.15: Laser khí nguyên tử He-Ne Các chuyển dời quang học trong laser Những chuyển dời quang học trong laser hơi đồng (nguyên tử) Hình 1.2.11 Cấu trúc phân tử màu Pyrromethene 576 Các phổ hấp thụ (đường liền nét) và phổ huỳnh quang (đường chấm) của Pyrromethene 576 Hình I.2.12a: Các mức năng lượng của phân tử màu hữu cơ dùng làm hoạt chất... kích thích S1 Cấu trúc dao động của các S0 và S1 không biểu diễn (eV) C3∏g (3) 10 337,1 nm (2) B3∏g A3∑u -Siêu bền X1∑g 2 (1) 1 1,6 r(A0) Những chuyển dời quang học trong laser khí phân tử Ni tơ Hình 1.2.16: a) Cơ chế hoạt động và các chuyển dời quang học giữa các mức dao động – quay trong trạng thái điện tử cơ bản ( laser khí phân tử CO2) Hình 1.2.16: b) Vài cấu trúc ống phóng điện của laser CO2 Các... gương Laser (buồng cộng hưởng quang học) , 5 - hoạt chất, 6 - Chất làm lạnh, 7 – Tia Laser S 9/2 2 G 7/2 4 G 9/2 4 S 3/2 2 S 3/2 4 F 2 (4) (3) 3/2 Bơm Phát xạ Laser I 11/2 (2) 4 (1) 4 I 9/2 Hình I.2.9 Laser Nd: YVO4 Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một nền rắn YVO4 (các số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số hạng phổ nguyên tử) Hình 1.2.17: Các chuyển dời quang học trong laser ion Ar+ Hồi... 1.2.25: Hiệu ứng Hole-Burning không có ở trong môi trường mở rộng đồng nhất n(ω)-n(ω0) 0 (ω-ω0) Hình 1.2 26: Sự phụ thuộc của chiết suất môi trường vào tần số BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC Hình I.2.18 Nguyên lý Huyghen và hình học để tính tích phân Huyghen trong gần đúng Fresnel Hình I.2.19 Sự lan truyền của một cấu trúc ngang cơ bản Gauss Hình 1.2.20 Sự thích ứng của sóng cơ bản Gauss trong buồng cộng... (temporal coherence ) • Tính định hướng (Directionality) + góc phân kỳ (giới hạn nhiễu xạ): θd= βλ/D • Độ chói (Brightness) B=4P/(π D θ )2 (P: công suất laser) Bmax=4P/(πλβ ) θd (khi có độ kết hợp không gian cao nhất) Trong trường hợp giới hạn nhiễu xạ: (θd= βλ/D, D=λβ / θd, θd = θ ) Hình 1.2.23: Các công-tua phát xạ của các môi trường mở rộng đồng nhất (F1) và không đồng nhất (F2) Hình 1.2.24: Các khuếch . cưỡng bức Các quá trình kích thích (bơm) • Bơm quang học (laser: bơm quang học kết hợp; đèn flash: bơm quang học không kết hợp) • Va chạm không đàn hồi với. LASER BCH QUANG HỌC ) Bơm quang học  Kích thích điện tử  Va chạm không đàn hồi giữa nguyên tử - nguyên tử hoặc phân tử - phân tử  Phản ứng hóa học )