5. Các bƣớc thực hiện đề tài
8.4.2. Nguồn gốc của tia Laser
* Mô hình nguyên tử của Bohr (1913).
Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân có kích thước rất nhỏ và các điện tử quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Mỗi quỹ đạo điện tử tương ứng với một năng lượng xác định, điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài có năng lượng lớn hơn quỹ đạo trong. Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức cơ bản, các mức năng lượng ở trên mức cơ bản gọi là mức kích thích [1].
* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
Giả sử một hệ có hai mức năng lượng và được chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc. Khi photon đi vào môi trường vật chất, nó có thể bị các điện tử ở mức năng lượng thấp E1 hấp thụ và điện tử này có thể nhảy lên mức năng lượng cao E2. Hiện tượng này gọi là hiện tượng hấp thụ (8.12.a). Hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức năng lượng thấp hấp thụ photon để nhảy lên mức nang lượng cao, hấp thụ làm ánh sáng yếu đi.
Hình 3.10. Loạn cận đơn theo quy tắc đã sửa [1].
* Hiện tượng phát xạ tự do
Điện tử sau khi nhảy lên mức kích thích một thời gian nhất định (gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích (108s) lại trở về mức cơ bản. Khi trở về mức cơ bản nó sẽ giải phóng ra phần năng lượng thừa mà nó nhận được do các photon truyền cho:
- Nếu năng lượng giải phóng ra không đủ lớn thì năng lượng giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng (photon) làm cho môi trường nóng lên.
- Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn thì năng lượng được giải phóng ra dưới dạng các hạt ánh sáng (photon thứ cấp).
EhE1E2 (8.1)
Trường hợp phát xạ photon gọi là hiện tượng phát xạ tự do (8.12.b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi theo mọi hướng.
* Hiện tượng phát xạ cưỡng bức
Cũng như hiện tượng hấp thụ, khi ta chiếu vào môi trường vật chất một chùm ánh sáng đơn sắc với năng lượng của mỗi photon = hλ, photon sẽ tương tác với các điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử này rời bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó (8.12.c). Cùng với sự dịch chuyển này, nguyên tử sẽ phát xạ ra một photon có cùng năng lượng hλ và có cùngcác tính chất với photon đã gây cưỡng bức như hướng truyền, độ phân cực, pha...
Trong trường hợp này photon gây cưỡng bức không bị mất mát như trong hiện tượng hấp thụ mà vẫn tồn tại và duy trì hoàn toàn tính năng của nó đến mức ta không thể phân biệt đâu là photon gây cưỡng bức, đâu là photon sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh 2, 2 sinh 4... Như vậy bức xạ cưỡng bức làm tăng số photon, tác dụng ngược lại với sự hấp thụ và có khả năng khuyếch đại ánh sáng qua môi trường. Sự phóng photon cưỡng bức là nguồn gốc của chùm tia laser [8].