Khảo sát độ mở rộng doppler của một số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí

PHẠM BIÊN THÙY KHẢO SÁT ĐỘ MỞ RỘNG DOPPLER CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ HOẠT CHẤT LASER KHÍ KHÓA CH25_VL BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM BIÊN THÙY KHẢO SÁT ĐỘ MỞ RỘNG DOPPLER CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ HOẠT CHẤT LASER KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM BIÊN THÙY KHẢO SÁT ĐỘ MỞ RỘNG DOPPLER CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ HOẠT CHẤT LASER KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8.44.01.10 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Phú Nghệ An, 2019 i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu sau đại học trường Đại học Vinh, tiếp thu nhiều kiến thức phong phú bổ ích nhờ giảng dạy hướng dẫn thầy giáo, cô giáo cán khác Trường Đại học Vinh Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS, TS Nguyễn Văn Phú, thầy giúp định hướng đề tài, dẫn tận tình chu đáo dành nhiều cơng sức ưu cho suốt q trình hồn thành luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học K25-Vật lý chuyên ngành Quang học san sẻ vui, buồn vượt qua khó khăn học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, người thân u bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Vinh, tháng 06 năm 2019 Tác giả ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MỞ RỘNG VẠCH PHỔ 1.1 Mở rộng tự nhiên 1.1.1 Theo quan điểm cổ điển: 1.1.2 Theo quan điểm lượng tử 1.2 Mở rộng Doppler 1.2.1 Độ rộng Doppler vạch 1.2.2 Tác dụng đồng thời tắt dần xạ hiệu ứng Doppler 1.3 Mở rộng va chạm, Mở rộng Lorentz 12 1.3.1 Cơ sở lý thuyết 12 1.3.2 Tác dụng đồng thời ba hiệu ứng 16 Kết luận chương 17 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘ MỞ RỘNG DOPPLER CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỬ HOẠT CHẤT LASER KHÍ 18 2.1 Cấu tạo chung tính chất laser khí 18 2.1.1 Cấu tạo chung laser khí 18 2.1.2 Một số tính chất laser khí 19 2.2 Khảo sát độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí 19 2.2.1 Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Ne 19 2.2.2 Khảo sát độ rộng Doppler laser CO2 21 2.2.3 Khảo sát độ rộng Doppler laser Ar+ 22 2.2.4 Khảo sát độ rộng Doppler laser Hydro 24 2.2.5 Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Cd 25 2.2.6 Khảo sát độ rộng Doppler laser kim loại Cu 26 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên độ rộng Dopler 27 Kết luận chương 27 KẾT LUẬN CHUNG 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Laser Nghĩa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation "Khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích" iv DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH Từ tiếng anh Nghĩa DC power supply Cathode Laser output Output coupler Glass tube Helium-Neon gas mixture Anode High reflector Energy Excitation by electron collision Helium Nguồn điện DC (nguồn điện chiều) Bản cực âm (cực âm) Laser Gương laser Ống thủy tinh chưa khí Hỗn hợp khí Helium-Neon Bản cực dương (cực dương) Phản xạ cao Năng lượng Kích thích va chạm điện tử Khí Heli Va chạm phân tử khí He Ne (q trình truyền năng) Trạng thái (nguyên tử trạng thái có mức lượng bản) Chuyển dời xạ nhanh Khuếch tán vào thành bình (va chạm với thành bình) Khí Neon Sự kích thích (q trình kích thích) Va chạm Bơm Dịch chuyển phát xạ laser Sự suy giảm xạ Mức lượng ion Ar Mức lượng nguyên tử Ar He-Ne collision Ground state Fast radiative transitions Diffusion to walls Neon Excitation Collisions Pumping Laser Transitions Radiative Decay Ground level of Ar lon Ground level of Ar Atom Excitations by Collisions with Electrons Upper Laser Levels Fast Decay Ground level Lower Laser Levels Sự kích thích điện tử (electrons) Mức laser Suy giảm nhanh Mức lượng (mức lượng thấp nhất) Mức laser v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị độ rộng Doppler 𝛥𝜆đ nguyên tố nhiệt độ khác 27 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình dạng độ mở rộng vạch phổ Hình 1.2 Sự dịch chuyển tự phát từ mức k xuống mức Hình 1.3 Sự mở rộng mức lượng kích thích Hình 1.4 Mơ tả thí nghiệm hiệu ứng Doppler Hình 1.5 So sánh độ mở rộng tự nhiên mở rộng Doppler 10 Hình 1.6 Biểu diễn cơng tua vạch phổ 11 Hình 1.7 So sánh cường độ hai cánh cơng tua tự nhiên Doppler 12 Hình 1.8 Các dao động trước sau va chạm 13 Hình 1.9 Mơ tả quan điểm Lorentz Lentz mở rộng va chạm 16 Hình 1.10 Mơ tương tác hạt A hạt B 17 Hình 2.1 Cấu tạo laser khí He-Ne điển hình 18 Hình 2.2 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí He-Ne [5] 20 Hình 2.3 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí CO2 [6] 21 Hình 2.4 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí Ar+ [5] 23 Hình 2.5 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí Cu [5] 26 MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng laser có bước phát triển to lớn Laser áp dụng nhiều ngành khoa học công nghệ, mà sử dụng nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực sống hàng ngày Trong tính chất chùm laser, độ đơn sắc cao tính chất quan trọng nhất, định nghĩa qua độ rộng vạch phổ chùm tia laser Việc tính tốn, so sánh độ rộng vạch phổ laser đóng vai trị quan trọng nghiên cứu, giúp cho thực nghiệm định hướng ứng dụng cho lĩnh vực cụ thể Vì để góp phần tìm hiểu mặt vật lý ứng dụng q trình này, chúng tơi chọn đề tài “Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí” để nghiên cứu Các kết nghiên cứu đề tài " Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí” nhằm nâng cao hiểu biết thân góp phần nhỏ phát triển lĩnh vực khoa học quan tâm nghiên cứu ứng dụng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí khí Heli - Neon (He – Ne), Cacbonic (CO2), ion Argon ( Ar+), Hydro, He-Cd, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu đề tài Hiện tượng mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí khí Heli - Neon (He – Ne), Cacbonic (CO2), ion Argon ( Ar+), Hydro, He-Cd, 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Các loại mở rộng vạch phổ ảnh hưởng chúng lên độ đơn sắc - Tính tốn mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất loại khí - So sánh mức độ ảnh hưởng mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất loại khí có bước sóng nhiệt độ thay đổi NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu lý thuyết loại mở rộng vạch phổ - Tính tốn mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí thơng qua số liêu bước sóng nhiệt độ thay đổi - Đánh giá mức độ ảnh hưởng tượng lên độ đơn sắc laser PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với phương pháp số phần mềm Matlab ĐĨNG GĨP MỚI CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Về mặt lí luận: Đưa nhận xét ảnh hưởng mở rộng Doppler lên độ đơn sắc laser 6.2 Về khả ứng dụng: Ứng dụng đào tạo, nghiên cứu khoa học thực nghiệm CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Cấu trúc luận văn phần mở đầu kết luận, nội dung trình bày chương: Chương 1: Tổng quan loại mở rộng vạch phổ Tìm hiểu loại mở rộng vạch phổ: mở rộng tự nhiên, mở rộng va chạm, mở rộng Doppler Ảnh hưởng độ mở rộng vạch phổ lên độ đơn sắc laser Chương 2: Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí Trong chương từ cơng thức tính độ mở rộng vạch phổ Doppler dẫn Chương chúng tơi tính toán độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí khí Heli - Neon (He – Ne), Cacbonic (CO2), ion Argon ( Ar+), Hydro, He-Cd, Phần kết luận chung nêu số kết mà luận văn đạt 16 1.3.2 Tác dụng đồng thời ba hiệu ứng Khi có tác dụng đồng thời ba hiệu ứng, công thức cường độ vạch phải tổng hợp phức tạp biểu thức cường độ thu trên, tương tự cách suy luận tìm cường độ vạch tác dụng đồng thời hiệu ứng tắt dần tự nhiên xạ hiệu ứng Doppler, tính đến tác dụng đồng thời hiệu ứng va chạm tắt dần tự nhiên công thức cường độ Iv có dạng: 𝐼𝑣 𝑑𝑣 = 𝐼𝑜 với: 𝛾𝜏 = 𝛾 𝛾 ( 𝑘𝑖 + 𝜏 )2 4𝜋2 (𝑣 𝛾𝑘𝑖 𝛾𝜏 2 𝑘𝑖 −𝑣𝑜 ) +( + ) 𝑑𝑣 (1.49) 𝜏𝑜 Từ công thức (1.49) ta thấy việc tìm cơng thức tồn phần tính đến tác dụng đồng thời hiệu ứng vấn đề khó mặt tốn học Trong nội dung luận văn này, không sâu vào vấn đề Lý thuyết Lorentz cho giải thích đơn giản mở rộng vạch va chạm ý niệm đoạn dao động hình sin xảy q trình va chạm tương ứng với quan điểm học lượng tử va chạm loại hai Lentz (1924) phát triển ý tưởng Lorentz khảo sát biến thiên pha dao động q trình va chạm Từ nhận xạ cấu tạo khơng phải từ đoạn hình sin riêng rẽ mà từ tồn dao động hình sin thời gian chịu biến đổi pha (hình 1.9) Hình 1.9 Mơ tả quan điểm Lorentz Lentz mở rộng va chạm Về sau Weisskoff dùng phương pháp giải tích sở lượng tử xác định biến đổi pha toàn phần theo thời gian tương tác hạt: 17 +∞ 𝜂 = 2𝜋 ∫−∞ 𝛥𝑣𝑑𝑡 với: 𝛥𝑣 = (1.45) 𝐶𝑛 𝑟𝑛 𝛥𝑣 biến đổi tần số hạt xạ ảnh hưởng hạt B, bay qua gần hạt xạ với khoảng r; Cn số phụ thuộc dạng tương tác tính theo học lượng tử (hình 1.10) Hình 1.10 Mơ tương tác hạt A hạt B Khơng xét tính tốn chi tiết, biểu thức  có dạng: 𝜂= +𝜋⁄2 𝑐𝑜𝑠 𝑛−2 𝜙 𝑑𝜙 ∫ 𝑣𝜌𝑛−1 −𝜋⁄2 𝐶𝑛 𝑛−1 = √𝜋𝐶𝑛 𝛤( ) 𝑛 𝑣𝜌𝑛−1 𝛤( ) (1.46) đó:  hàm đặc biệt ga-ma Lý thuyết mở rộng vạch va chạm phát triển sở học lượng tử [1,2] Kết luận chương Trong chương tìm hiểu loại mở rộng vạch phổ mở rộng tự nhiên, mở rộng va chạm, mở rộng Doppler ảnh hưởng độ mở rộng vạch phổ lên độ đơn sắc laser Trong loại mở rộng mở rộng Doppler đặc biệt quan tâm độ mở rộng Doppler lớn nhiều so với hai loại mở rộng tự nhiên mở rộng va chạm Kết chúng ảnh hưởng đánh kể đến độ đơn sắc laser Ở chương tiếp theo, chúng tơi tính tốn độ mở rộng Doppler số loại laser cụ thể đánh giá ảnh hưởng chúng lên tính đơn sắc laser 18 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘ MỞ RỘNG DOPPLER CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỬ HOẠT CHẤT LASER KHÍ Trong chương này, từ phương trình tính tốn độ mở rộng vạch phổ Doppler kết hợp với phần mềm matlab, chúng tơi tính tốn độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử làm hoạt chất laser khí nguyên tử khí Heli - Neon (He – Ne), Cacbonic (CO2), ion Argon ( Ar+), Hydro, He-Cd, bước sóng chuyển laser nhiệt độ khác 2.1 Cấu tạo chung tính chất laser khí 2.1.1 Cấu tạo chung laser khí Laser khí có mơi trường hoạt chất khí cấu tạo từ phận gồm: hoạt chất, buồng cộng hưởng nguồn bơm hình 2.1 Hình 2.1 Cấu tạo laser khí He-Ne điển hình Hoạt chất laser khí gồm khí đơn nguyên tử Ar, Xe, Ne, ion khí đơn nguyên tử Ar, Kr, khí phân tử CO2, CO, N2, hỗn hợp khí đơn nguyên tử He-Ne, He-Cd, , hỗn hợp khí phân tử CO2-N2He, CO-N2-H2O Buồng cộng hưởng gồm 02 gương phản xạ, gương có hệ số phản xạ cao gương cịn lại có hệ số phản xạ thấp để tia laser ngồi Một gương thay lăng kính hay cách tử Vai trò buồng cộng hưởng làm cho xạ truyền qua mơi trường hoạt chất nhiều lần để khuếch đại lên 19 Nguồn bơm phận cung cấp lượng để tạo nghịch đảo độ tích lũy hai mức lượng mơi trường hoạt chất trì hoạt động laser Nguồn bơm laser khí thường sử dụng bơm điện, lượng điện tử gia tốc điện trường truyền cho nguyên tử môi trường họat chất thơng qua q trình va chạm 2.1.2 Một số tính chất laser khí - Laser khí phát chế độ liên tục, vùng bước sóng phát rộng từ miền tử ngoại đến hồng ngoại xa - Các laser khí phát cơng suất lớn (từ mW đến 10kW) mà không cần phương pháp biến điệu độ phẩm chất - Có thể thực kích thích hai q trình bơm điện bơm quang học Ngồi laser khí hoạt động sở mức lượng nên phương pháp kích thích trực tiếp hay gián tiếp sử dụng - Chế độ phát laser chủ yếu chế độ phát liên tục, số laser kim loại phát chế độ xung 2.2 Khảo sát độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí Trong mục áp dụng công thức (1.34a) 𝛥𝜆đ = 7,16.10−7 𝜆√ 𝑇 𝜇 tính tốn độ mở rộng Doppler số nguyên tử môi trường vật chất làm hoạt chất laser Các số liệu hoạt chất laser khí bước sóng phát chúng dịch chuyển laser lấy theo [3,4,5,6] 2.2.1 Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Ne Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Ne dịch chuyển 0 hình 2.2 với bước sóng  = 11500 (A) ,  = 6328 (A) ,  = 6119 (A) ,  = 0 5941 (A)  = 3390 (A) nhiệt độ 400K, biết 𝜇𝑁𝑒 = 20𝑢 Áp dụng cơng thức tính độ mở rộng Doppler thang bước sóng: 𝛥𝜆đ ≈ 7,16.10−7 𝜆√ 𝑇 𝜇 với 𝜇𝑁𝑒 = 20𝑢 20 Hình 2.2 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí He-Ne [5] + Trong dịch chuyển  = 11500 (A) ta có Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 11500.10−10 √ 20 𝛥𝜆đ1 = 0,0368 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 6328 (A) ta có Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 6328.10−10 √ 20 𝛥𝜆đ2 = 0,0203 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 6119 (A) ta có Δ𝜆đ3 = 7,16.10−7 𝜆3 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ3 = 7,16.10−7 6119.10−10 √ 20 21 𝛥𝜆đ3 = 0,0196 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 5941 (A) ta có Δ𝜆đ4 = 7,16.10−7 𝜆4 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ4 = 7,16.10−7 5941.10−10 √ 20 𝛥𝜆đ4 = 0.0190 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 3390 (A) ta có Δ𝜆đ5 = 7,16.10−7 𝜆5 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ5 = 7,16.10−7 3390.10−10 √ 20 𝛥𝜆đ5 = 0,0109 10−10 m Như vậy, bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi, bước sóng khác nhiệt độ độ rộng Doppler laser He-Ne giảm theo độ giảm bước sóng 2.2.2 Khảo sát độ rộng Doppler laser CO2 Khảo sát độ rộng Doppler laser CO2 dịch chuyển 0 hình 2.3 với bước sóng  = 10600 (A)  = 9600 (A) nhiệt độ 400K , biết 𝜇CO2 = 44𝑢 Hình 2.3 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí CO2 [6] 22 Áp dụng cơng thức Δ𝜆đ = 7,16.10−7 𝜆√ 𝑇 𝜇 với 𝜇CO2 = 44𝑢 + Trong dịch chuyển  = 10600 (A) ta có Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 10600.10−10 √ 44 𝛥𝜆đ1 = 0,0229 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 9600 (A) ta có Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 9600.10−10 √ 44 𝛥𝜆đ2 = 0,0207 10−10 m Như vậy, bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi, nhiệt độ độ rộng Doppler bước sóng khác laser CO2 khác nhỏ với bước sóng bé 2.2.3 Khảo sát độ rộng Doppler laser Ar+ Khảo sát độ rộng Doppler laser Ar+ dịch chuyển có bước 0 0 sóng  = 5145 (A) ,  = 4880 (A) ,  = 4579 (A)  = 3510 (A) nhiệt độ 400K , biết 𝜇Ar = 40𝑢 23 Hình 2.4 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí Ar+ [5] Áp dụng công thức Δ𝜆đ = 7,16.10−7 𝜆√ 𝑇 𝜇 với 𝜇Ar = 40𝑢 + Trong dịch chuyển  = 5145 (A) ta có Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 5145.10−10 √ 40 𝛥𝜆đ1 = 0,0117 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 4880 (A) ta có Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 4880.10−10 √ 40 𝛥𝜆đ2 = 0,0111 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 4579 (A) ta có Δ𝜆đ3 = 7,16.10−7 𝜆3 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ3 = 7,16.10−7 4579.10−10 √ 40 𝛥𝜆đ3 = 0,0104 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 3510 (A) ta có Δ𝜆đ4 = 7,16.10−7 𝜆4 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ4 = 7,16.10−7 3510.10−10 √ 40 𝛥𝜆đ4 = 0,0080 10−10 m 24 Như vậy, bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi, bước sóng khác nhiệt độ độ rộng Doppler laser Ar+ giảm theo độ giảm bước sóng 2.2.4 Khảo sát độ rộng Doppler laser Hydro Khảo sát độ rộng Doppler laser Hydro dịch chuyển có 0 0 bước sóng  = 1600 (A) ,  = 1230 (A) ,  = 1160 (A)  = 3510 (A) nhiệt độ 400K , biết 𝜇H = 1,00794𝑢 Áp dụng công thức (1.29a) với 𝜇H = 1,00794𝑢 + Trong dịch chuyển  = 1600 (A) ta có Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 1600.10−10 √ 1,00794 𝛥𝜆đ1 = 0,0228 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 1230 (A) ta có Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 1230.10−10 √ 1,00194 𝛥𝜆đ2 = 0,0175 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 1160 (A) ta có Δ𝜆đ3 = 7,16.10−7 𝜆3 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ3 = 7,16.10−7 1160.10−10 √ 1,00794 𝛥𝜆đ3 = 0,0166 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 3510 (A) ta có 25 Δ𝜆đ4 = 7,16.10−7 𝜆4 √ 𝑇 𝜇 400 𝛥𝜆đ4 = 7,16.10−7 1230.10−10 √ 1,00794 𝛥𝜆đ4 = 0,0501 10−10 m Như vậy, bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi, bước sóng khác nhiệt độ độ rộng Doppler laser Hydro giảm theo độ giảm bước sóng 2.2.5 Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Cd Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Cd dịch chuyển có 0 bước sóng  = 4420 (A)  = 3250 (A) nhiệt độ 300K, biết 𝜇Cd = 48𝑢 𝑇 Áp dụng công thức Δ𝜆đ = 7,16.10−7 𝜆√ với 𝜇Cd = 48𝑢 𝜇 + Trong dịch chuyển  = 4420 (A) ta có Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 300 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 4420.10−10 √ 48 𝛥𝜆đ1 = 0,0079 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 3250 (A) ta có Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 300 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 3250.10−10 √ 48 𝛥𝜆đ2 = 0,0058 10−10 m Nhận xét: Khi bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi theo Khi bước sóng giảm độ rộng Doppler giảm Vậy để hạn chế mở động rộng Doppler tăng lên cần giảm bước sóng đến giá trị nhỏ thích hợp 26 2.2.6 Khảo sát độ rộng Doppler laser kim loại Cu Xét laser kim loại Cu hoạt động chế độ xung có lượng 1mJ cơng suất trung bình 55W Bước sóng phát dịch chuyển 0 hình 2.5 có giá trị  = 5105 (A)  = 5782 (A) nhiệt độ 1773K Hình 2.5 Một số bước sóng dịch chuyển laser khí Cu [5] Áp dụng cơng thức Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 với 𝜇Cu = 64𝑢 + Trong dịch chuyển  = 5105 (A) ta có : Δ𝜆đ1 = 7,16.10−7 𝜆1 √ 𝑇 𝜇 1773 𝛥𝜆đ1 = 7,16.10−7 5105.10−10 √ 64 𝛥𝜆đ1 = 0,0192 10−10 m + Trong dịch chuyển  = 5782 (A) ta có: Δ𝜆đ2 = 7,16.10−7 𝜆2 √ 𝑇 𝜇 1773 𝛥𝜆đ2 = 7,16.10−7 5782.10−10 √ 64 𝛥𝜆đ2 = 0,0218 10−10 m 27 Như vậy, bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi, nhiệt độ độ rộng Doppler bước sóng khác laser kim loại đồng khác độ rộng Doppler tăng bước sóng tăng 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên độ rộng Doppler Từ công thức (1.34a) ta thấy, thang bước sóng độ rộng Doppler vạch phụ thuộc bậc vào bước sóng điều khác với độ rộng tự nhiên số  Trong mục chúng tơi tính tốn giá trị độ mở rộng Doppler 𝛥𝜆đ nguyên tố nhiệt độ khác tính theo cơng thức (1.34a) Bước sóng phát dịch chuyển nguyên tố xác định theo [3-6] Kết tính tốn trình bày bảng 2.1 Bảng 2.1 Giá trị độ rộng Doppler 𝛥𝜆đ nguyên tố nhiệt độ khác Nguyên tố   (A) H He Ne N2 F2 CO2 Ar Cd Cu Kr 1,00794 1600 5876 4,000 20,000 28,000 38,000 40,000 44,000 48,000 64,000 84,000 đ nhiệt độ 3390 3371 1570 9600 5145 4420 5782 6470 T = 100K T = 300K T = 1000K 0,0114 0,0210 0,0054 0,0046 0,0018 0,0109 0,0056 0,0046 0,0052 0,0051 0,0198 0,0364 0,0094 0,0079 0,0032 0,0189 0,0096 0,0079 0,0090 0,0088 0,0361 0,0666 0,0172 0,0144 0,0058 0,0344 0,0176 0,0144 0,0164 0,0160 Từ bảng 2.1 có nhận xét sau tăng nhiệt độ, độ mở rộng Doppler tăng, nên để hạn chế mở rộng cần tạo nên nguồn nhiệt độ thấp áp suất thấp Ở nhiệt độ chất có khối lượng nguyên tử, phân tử lớn độ mở rộng Doppler nhỏ Kết luận chương Trong chương tính tốn độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường hoạt chất laser khí 28 khí Heli - Neon (He – Ne), Cacbonic (CO2), ion Argon ( Ar+), Hydro, HeCd, điều kiện nhiệt độ không đổi Chúng khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên độ mở rộng Doppler lên loại laser khác Kết thu cho thấy: i) Khi bước sóng thay đổi độ rộng Doppler thay đổi; ii) Ở nhiệt độ độ rộng Doppler tăng lên giá trị bước sóng laser tăng; iii) Độ rộng Doppler tăng nhiệt độ tăng; 29 KẾT LUẬN CHUNG Nghiên cứu độ mở rộng Doppler ảnh hưởng lên tính chất chùm laser khí đóng vai trị quan trọng việc tạo chùm laser đơn sắc có nhiều ứng dụng thực tiễn Trong luận văn này, đã: - Trình bày kiến thức chung loại mở rộng môi trường vật chất mở rộng tự nhiên, mở rộng Doppler, mở rộng va chạm hay mở rộng Lorentz - Đã tính tốn cụ thể giá trị độ rộng Doppler số nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường hoạt chất laser khí Kết cho thấy nhiệt độ, độ rộng Doppler tăng lên giá trị bước sóng laser tăng - Độ rộng Doppler tăng nhiệt độ tăng nhiệt độ chất có khối lượng nguyên tử, phân tử lớn độ mở rộng Doppler nhỏ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2001), Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội Đinh Văn Hoàng (1974), Cấu trúc phổ nguyên tử, NXB KHKT Orazio Svelto (2010), Principles of Laser, 5th Ed Springer https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-andmolecular-biology/gas-laser https://www.rp-photonics.com/gas_lasers.html https://www.photonics.com/Articles/New_CO_Laser_Technology_Offers _Processing_Benefits/a57681 ... đề tài ? ?Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí? ?? để nghiên cứu Các kết nghiên cứu đề tài " Khảo sát độ mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí? ?? nhằm... khí 19 2.2 Khảo sát độ mở rộng vạch phổ Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất laser khí 19 2.2.1 Khảo sát độ rộng Doppler laser He-Ne 19 2.2.2 Khảo sát độ rộng Doppler. .. lên độ đơn sắc - Tính tốn mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất loại khí 2 - So sánh mức độ ảnh hưởng mở rộng Doppler số nguyên tử, phân tử hoạt chất loại khí có bước sóng nhiệt độ