Cơ sở kỹ thuật laser trần đức hân, nguyễn minh hiển

TH U VIEN D AI H O C N H A T R A N G N H A X U Ä T B Ä N G IA O D U C GS TS TRẦN ĐỨC HÂN (Chủ biên) - PGS TS NGUYỄN m i n h m en C SỞ KỸ THUẬT LASER (Tái bẩn lần thứ nhất) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC 537 21/298-05 G D -05 Mã số: 7B568T5-DAI L Ờ I N Ó I ĐẦU Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) phát minh khoa học quan trọng kỷ XX Từ phát minh lý thuyết xạ kích thích Einstein năm 1917, đến quan sát thực nghiệm xạ kích thích Fabricant, giáo sư trường Đại học lượng Moskva năm 1940 sở để Townes, nhà vật lý học người Mỹ phát minh máy khuếch đại sóng điện từ xạ kích thích Tháng năm 1960, Maiman chế tạo Laser Rubi, Laser giới, tháng sau tức tháng năm 1960, Javan chế tạo Laser khí He-Ne Từ dấy lên cao trào nghiên cứu chế tạo ứng dụng Laser Cho tới hầu hết loại Laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn, trải hầu hết dải sống chế tạo mang tính cơng nghiệp Laser ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành khoa học, công nghệ y tế Nhưng ứng dụng quan trọng Laser phải kể đến thông tin cáp sợi quang Khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách khoa Hà nội đưa vào giảng dạy môn học “Kỹ thuật Laser" từ năm 1975 môn liKỹ thuật thông tin cáp sợi quang ” từ năm 1984 Giáo trình “ Cơ sở kỹ thuật Laser ” cung cấp cho sinh viên kỉêh thức Laser hiểu Laser công cụ để nghiên cứu ứng dụng chúng số chuyên ngành kỹ thuật thông tin, kỹ thuật điện tử, điện tử - y sinh, cồng nghệ khí, cơng nghệ hóa học Bằng cơng cụ tốn vật lý khơng phức tạp chúng tơi trình bày nội dung lý thuyết Laser để bạn đọc hiểu chất Laser Trong cần ý đến tượng xạ kích thích, nghịch đảo nồng độ modes Laser Vì hạn chế số ứng dụng, nên khảo sát số loại Laser sản xuất công nghiệp có ứng dụng rộng rãi Trong giáo trình chương 1, 4, 5, GS TS Trần Đức Hân biên soạn, chương phần phụ lục A, B PGS TS Nguyễn Minh Hiển biên soạn chương hai tác giả biên soạn Các tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới : KS Lê Văn Hải KS Nguyễn Đỗ Hùng giúp đỡ hoàn thành thảo Các tác giả hoan nghênh ý kiến đóng góp xây dựng bạn đọc Các tác giả CHƯƠNG Cơ s LÝ THUYẾT LASER 1.1 ĐỘNG H Ọ C TRẠNG T H Á I K ÍC H T H ÍC H Nguyên lý làm việc máy phát Laser (Light Amplifica­ tion by Stimulated Emission of Radiation) có quan hệ mật thiết với tính chất quang mơi trường đặc biệt gọi môi trường nghịch đảo nồng độ,với khái niệm nồng độ trạng thái hay nồng độ mức số hạt đồng then tổn đom vị thể tích mơi trường trạng thái lượng tử hay lượng (xem phụ lục 1) Như ta biết, hạt, nguyên tử, ion phân tử, môi trường cỏ thể tồn trạng thái khác nhau, ví dụ khác cấu trúc đám mây điện tử, nguyên tử ion gọi trạng thái điện tử, khác đặc tính chuyển động tương đối ion phân tử trạng thái dao động trạng thái quay Nghiên cứu đặc tính trạng thái nguyên tử, ion phân tử đối tượng ngành quang phổ học quan điểm Laser Maser quan tâm đến lượng nội hạt Năng lượng gồm động điện tử đám mây điện tử nguyên tử ion Còn đối vói phân tử xét thêm động năng, phân bố ion phân tử Mỗi trạng thái dừng hạt tương ứng vói giá trị lượng định tập họp giá trị lượng nguyên tử riêng rẽ dãy giá trị gián đoạn (xem phụ lục 2) gọi giản đồ lượng Trạng thái ứng với lượng cực tiểu gọi trạng thái ổn định hay trạng thái hạt Còn trạng thái ứng với lượng nội hạt lớn trạng thái gọi trạng thái kích thíclì Số hạt tổn m ột trạng thái đơn vị thể tích mơi trường gọi nồng độ trạng thái Nếu môi trường vật chất có nhiều hạt trạng thái bình thường trạng thái kích thích thời tồn nhiều hạt Tập hợp tất nồng độ ừạng thái môi trường gọi phân bố nồng độ theo trạng thái phân bố đặc trưng cho môi trường Trong điều kiện bình thường hạt ỏ trạng thái bình thường tuân theo phân bố Boltzmann Muốn tăng nồng độ trạng thái kích thích cần có tác động bên ngồi vào mơi trường ví du xạ, dịng điện, nhiệt lượng V.V m ôi trường chứa nhiều hạt trạng kích thích gọi mơi trường kích thích Có thể có trường họp, m ột số trạng thái kích thích lại ứng vói m ột giá trị lương, người ta gọi trạng thái suy biến Số trạng thái ứng vói m ột mức lượng gọi độ suy biến hay gọi trọng lượng thống kê mức mức thứ / ta ký hiệu gj Ta gọi số hạt ừong đon vị thể tích mơi trường có m ột giá tri lượng nồng độ mức ký hiệu Nj Như nồng độ mức khác với nồng độ trạng thái Phần khảo sát kỹ giáo trình vật lý điện tử Các hạt môi trường thường không tồn lâu trạng thái kích thích tác động vật lý, hạt chuyển từ mức lượng (trạng thái) sang mức lượng (trạng thái) khác Ta gọi dịch chuyển dịch chuyển hạt hấp thụ xạ m ột lượng tử lượng tuân theo định luật bảo toàn lượng Năng lượng xạ hốc hấp thụ dịch chuyển dạng khác nhau, ví dụ nguyên tử chuyển từ trạng thái lượng thấp lên trạng thái lượng cao ví dụ nguyên tử va chạm với điện tử phóng điện chất khí, phần lượng nội mà nguyên tử có thêm động điện tử bị giảm va chạm Còn hạt lại dịch chuyển từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp phần lượng nội thừa cửa hạt lại chuyển thành lượng nhiệt hạt tức thành động để hạt chuyển động hỗn loạn Đó dịch chuyển khơng quang học hay dịch chuyển không xạ Chúng ta không quan tâm đến dịch chuyển Dịch chuyển lên xuống hấp thụ xạ lượng tử lượng điên từ Khi tần số lượng tử xạ hấp thụ xác định bằng: _ AE co = — h (1-1) : h - sốPlanck = 1,05.10'34 Joule.sec h - — ; 2n AE = E j - E k - hiệu lượng trạng thái đầu trạng thái cuối Đó dịch chuyển quang học Để tiện mô tả dịch chuyển quang học dùng ký hiệu sau: A - hạt trạng thái thưòng ; A* - hạt trạng thái kích thích thấp ; A** - hạt trạng thái kích thích cao ; A+ - ion dương ; e - điện tử chậm ; ẽ - điên tử nhanh ; hv= h(ũ - lượng photon Ví dụ mơ tả hạt kích thích va chạm với điện tử nhanh ta có đẳng thức: A + ẽ = A* + e ( 1- 2) Để định lượng trình dịch chuyển người ta dùng khái niệm vạn tốc trình: số dịch chuyển m ột đơn vị thịi gian m ột đơn vị thể tích Tốc độ ký hiệu Mik thứ nguyên cm A sec'1 Ta phân biệt vận tốc tích lũy vận tốc nghèo hóa Vận tốc tích lũy mức i ^T M ki vận tốc nghèo hóa mức i Mik, tổng lấy vói m ọi mức trừ mức thứ ỉ mức Đ ể khảo sát biến thiên nồng độ trạng thái cân vận tốc q trình tích lũy nghèo hóa: (1-3) Đó phương trình động học dùng để xác định phân bố nồng độ hệ Vận tốc q trình nghèo hóa từ mức i mức k tỷ lệ với nồng độ trạng thái ỉ N j : M* = y & Ni (1-4) : y iklà hệ số tỷ lệ đặc trưng cho môi trường vật chất Hệ số YikCÓ thứ nguyên [sec'1] giá trị xác suất dịch chuyển i—> k Thay (1-4) vào (1-3) ta có phương trình động học trạng thái i: (1-5) Nếu q trình tích lũy mức i kết thúc, tức có dịch chuyển từ mức i m khơng có dịch chuyển mức ỉ nồng độ mức i bắt đầu giảm xuống Q trình mơ tả phương trình: dN, ~dt ( 1- 6) - L N Y * Như nồng độ mức ỉ giảm theo hàm mũ thòi gian N, ít) = N10 exp IX X (1-7) Vk*! Vói Ni0 nồng độ hạt mức i ban đầu Tốc độ giảm nồng độ mức i phụ thuộc vào tổng xác suất nghèo hóa mức i ký hiệu bằng: Y i = z Y tk k