6. Phương pháp nghiên cứu
3.3.4.Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby
Laser ruby làm việc làm việc theo chế độ ba mức năng lượng. Các dịch
chuyển bức xạ xảy ra trong ion Cr3+. Cấu hình điện tử của trạng thái cơ bản của
ion Cr3+ là 3d3 (3
F4/3), lớp 3d ngoài cùng chưa được lấp đầy. Do các ion Cr3+ nằm trong trường tinh thể Al2O3 mà trạng thái cơ bản ion Cr3+ sẽ phân thành nhiều mức: Hình 29: Cơ chế tác động của đèn bơm dạng xoắn Hình 30: Dạng elip với 4 đèn bơm Hình 28: Đèn bơm dạng elip
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- Mức 1: Mức cơ bản 4 2
A có số lượng tử
chính l=3, s=3/2, độ bội 4 (chỉ số
phía trên), theo lý thuyết nhóm trong trường tám mặt và độ dài bước sóng thì chia mức này thành 4 mức đơn.
- Mức 2: Mức E2, gồm 2 mức con phân
bố gần nhau là E và 2A, đây là những
mức siêu bền, thời gian sống khoảng 10-
3
s. Dịch chuyển từ 2A về E bị cấm theo
nguyên lý Pauli.
- Mức 3: Gồm 2 dải rộng 4F1 và 4F2, là những mức có thời gian sống nhỏ
khoảng 10-7s nên dễ dàng dịch chuyển tự phát không bức xạ từ mức 3 về mức 2.
Sự hấp thụ của Ruby tùy thuộc vào
phương truyền của ánh sáng đối với quang
trục của tinh thể. Ruby hấp thụ mạnh ở dải
sóng cực tím (4F1) nhưng do suất lượng tử
nhỏ nên dải đó ít ảnh hưởng tới nghịch đảo
nồng độ. Chủ yếu hấp thụ bức xạ ánh sáng
màu lục và lam. Do đó, bức xạ bơm cho Laser Ruby chủ yếu là ánh sáng lục và lam.
Laser ruby hoạt động theo sơ đồ ba mức năng lượng. Hai mức 2A và E
đóng vai trò là mức Laser trên. Mức cơ bản 4A2 đóng vai trò mức Laser dưới. Nghịch đảo nồng độ giữa các trạng thái được thực hiện theo cơ chế sau: Khi dùng một đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh Ruby. Những ion
Cr3+ hấp thụ được bức xạ bơm sẽ chuyển lên trạng thái kích thích 4F2 (màu xanh
m 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0 0, 6 0, 5 0, 4 1 ( ) X cm Hình 32: Phổ hấp thụ của ion Cr3+ Hình 31: Các mức năng lượng của ion Crom trong Ruby.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 550nm ), và chuyển lên trạng thái kích 4F1 (màu lục 420nm ). Thời gian sống của những ion Cr3+ở 2 trạng thái 4F1 và 4F2 làm mật độ hạt ở mức 3 tăng vọt, nhưng thời gian sống ở mức 3 rất nhỏ chỉ khoảng 5.10-8 s. Một số ít những ion Cr3+ kích thích có thể dịch chuyển
xuống trạng thái cơ bản 4A2 , còn đại đa số (70%- 75%) dịch chuyển không bức
xạ xuống mức 2E vì hiệu năng lượng giữa mức 2 và mức 3 bé, cỡ 3,6. 10-3 eV. Hai mức con ở mức 2 đó tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt và theo phân bố (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Boltzmann thì nồng độ của các mức con E sẽ lớn hơn 2A. Mặc dù mức 2 cũng
là trạng thái không bền nhưng thời gian sống của hạt lâu hơn mức 3. Khi tiếp
tục bơm làm mật độ hạt ở mức 2 tăng lên, có sự nghịch đảo mật độ cư trú, khi
sự nghịch đảo này đạt đến ngưỡng thì phát ra Laser. Quá trình này diễn ra rất
nhanh, ở E và 2A đã có hạt nên khi ta bơm thì laser đã phát ngay. Laser ruby
phát ra hai bước sóng: R1 do dịch chuyển từ E về 4 2
A , R2 từ 2A về 4 2
A .
Bức xạ ở dịch chuyển R1 đạt được độ nghịch đảo ngưỡng sớm hơn. Bức
xạ ở dịch chuyển R2 sẽ cản trở việc tăng nồng độ của mức 2A. Như vậy có thể
coi mức 2A là mức cung cấp (nuôi) cho mức E, nó sẽ bù liên tục những hạt
kích thích mức E bị mất đi.
- Khi phân tích những quá trình công tác của Laser Ruby có thể coi hai mứcE và 2A như một mức với trọng số thống kê là g2 = 2.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
- Mức laser dưới 4A2 gồm 4 mức đơn, do đó trọng số thống kê của nó là g2=4.
- Mức E được tích lũy những hạt kích thích là do thời gian sống của hạt ở
mức đó rất lớn, khoảng 3.10-3 s. Quá trình tích tụ hạt sẽ liên tục cho tới
khi nồng độ của mức 2 còn nhỏ hơn giá trị ngưỡng vì như chúng ta đã biết bức xạ chỉ xảy ra khi hiệu số hạt ở hai mức 1 và 2 gọi là N được tính như sau: 2 2 1 1 0 g N N N g .
Nếu coi N0= N1+N2 là tổng số các hạt thì chúng ta dễ dàng tính được giá trị ngưỡng của N2 là: * 2 2 2 1 0 2 1 1 * 0 2 ( ) 3 g g N N N N g g N N
Tức là Laser sẽ phát khi nồng độ của mức 2 phải lớn hơn 1/3 tổng số các hạt.
Nếu hệ số phẩm chất Q0 của buồng cộng hưởng nhỏ thì để tự kích cần có số hạt ở mức hai lớn hơn N0/3.
Năng lượng cực tiểu mà Ruby cần hấp thụ được để đạt chế độ tự kích:
0 min 13
3
b
N
E với 13là tần số bơm để hạt chuyển từ mức 1 lên 3. Trong thực tế, để tạo tự kích thích cho Laser
Ruby cần năng lượng lớn hơn năng lượng
tính theo biểu thức trên hàng chục lần vì phổ
của đèn bơm lớn hơn rất nhiều phổ hấp thụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4
F1 và 4F2. Do đó Ruby chỉ hấp thụ được một
phần năng lượng bức xạ rất nhỏ của đèn bơm.
Vùng phổ hấp thụ thích hợp nhất tương
Hình 34: Sơ đồ phổ hấp thụ của Laser Ruby
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
ứng với tâm của hai mức 4F1 và 4F2 là vùng từ 360 nm đến 450 nm và vùng từ
510 nm đến 600 nm như hình 34.
Bức xạ phát ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh hoạt chất. Khi nhiệt độ tăng lên bước sóng của bức xạ phát ra cũng tăng lên và độ rộng vạch phát
cũng tăng lên.
Bảng so sánh bước sóng của laser Ruby khi nhiệt độ thay đổi:
Vạch (nm)
T = 3000K T = 770K
R1 694,3 693,4
R2 692,8 692,0
Khi nhiệt độ tăng thì ion ở nút mạng dao động nhanh hơn, ion Cr3+ linh
động hơn dễ dàng dịch chuyển lên trạng thái kích thích hơn, các mức dao động
bị lấp đầy dần từ thấp lên cao. Mức dao động càng thấp thì độ lấp đầy càng cao. Lúc này sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra nhanh hơn, hạt dễ dàng chuyển
mức năng lượng hơn. Và khoảng cách giữa các trạng thái năng lượng rút ngắn
lại. Mà Laser phát ra bước sóng E
, khi E giảm xuống thì bước sóng sẽ tăng lên. Kết quả thu được là khi tăng nhiệt độ thì bước sóng tăng. Trong thực
tế khi nhiệt độ tăng lên thì độ rộng phổ bức xạ giảm xuống.
Laser ruby phát ở chế độ xung. Khi đèn xenon phát sáng thì tất cả các
quá trình hấp thụ cộng hưởng, nghịch đảo mật độ cư trú, phát xạ kích thích,
khuếch đại cộng hưởng đều xảy ra trong một thời gian rất ngắn. Nếu coi
10
xg ms
thì công xuất trung bình mà Laser phát khoảng 1kW và hiệu xuất nhỏ hơn 1%. Hiện nay người ta đã chế tạo được Laser ruby hoạt động ở chế độ liên tục. Thanh ruby có kích thước tương đối nhỏ và phải được làm lạnh. Công suất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
bơm ngưỡng lớn hơn 1000W. Công suất bức xạ khoảng vài trăm miliwatt.
Laser ruby phát liên tục đầu tiên là thanh ruby trộn sapphire, để nó phát liên tục
cần bố trí đèn bơm một cách thích hợp.
Vậy ta có thể khái quát lại cơ chế phát Laser như sau: a) Dưới sự tác động của hiệu điện thế
cao, hạt khoáng (Crôm) sẽ phát sáng,
do có sự kích thích và di chuyển từ
tầng năng lượng thấp lên tầng năng lượng cao.
b) Ở tầng năng lượng xác định ,thành phần nguyên tử phát sáng được gọi
là photon. Các hạt photon này sẽ toả
ra nhiều hướng khác nhau từ một
nguyên tử, và bị kích thích bức xạ
bởi những hạt photon từ những
nguyên từ khác, và được khuếch đại
c) Các hạt photon bị phản xạ ngược
trở lại bởi các gương của buồng cộng hưởng. Tiếp tục va chạm, kích thích
các nguyên tử khác tạo ra quá trình khuếch đại ánh sáng phát xạ.
d) Ánh sáng bức xạ được khuếch đại lên đi theo một đường nhất định ra bên ngoài. Đó chính là tia Laser.
GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên
e) Phát ra Laser.