2.1.Đèn Laser khí He —Ne
2.1.1.Sơ lược về Laser
4 Cơ sở lý thuyết của Laser:
Cơ sở lý thuyết của Laser là giả thuyết được Einstein phát biểu nam 1917 dé dẫn ra công thức bức xạ của Planck: bức xạ ánh sáng có thé phát ra do sự
kích thích của các lượng tử ánh sáng từ bên ngoài có năng lượng tương ứng
với hiệu năng lượng giữa hai trạng thái được kích thích và trạng thái ban đầu.
Xét nguyên tử chi có hai trạng thái năng lượng E; và E>, có 3 cách làm
cho nguyên tử chuyên từ trạng thái này sang trạng thái kia:
E> +
/WNy Ea-Ei=hv Hắp thụ
Eì
———— E;
Ne Bức xạ tự phat
E¡
—c-—-—-— CE;
Bức xạ cảm ứng
{Ny {Ny
E;
Hình 2.1: Sự hap thụ và phát xạ photon của nguyên tử.
- — Hấp thu xay ra khi năng lượng hv của photon tới đúng bằng hiệu hai mức năng lượng: E; - E¡ = hv. Lúc nay nguyên tử sẽ chuyên lên trạng thái có
mức năng lượng cao hơn E>.
Bức xạ tự phát: Sau thời gian tồn tại trung bình +, nguyên tử được kích thích sẽ trở về trang thái cơ bản, đồng thời phát ra một photon hy.
Bức xạ cảm ứng: Khi có sự tương tác của một photon hv với nguyên tử được kích thích, sẽ có một photon hv được trao cho trường bức xạ và
nguyên tử trở về trạng thái cơ bản. Do sự tương tác này đã sinh ra hai photon có cùng tan số, được truyền trong cùng một hướng dưới dang sóng.
Hay nói cách khác, hai sóng tạo thành có cùng tần SỐ, cùng pha. Vậy bức
xạ cảm ứng có sự kết hợp cao.
Phân biệt sự bức xạ tự phát và bức xạ cảm ứng của các Hguyên tit:
+ Bức xạ cảm ứng: hai sóng điện từ tạo thành có sự &ếr hợp. cùng tần số, cùng pha và hướng chuyên động, cũng như sự phân cực.
+ Bức xạ tự phát: xảy ra khi không có sự tương tác giữa nguyên tử và
trường bức xạ bên ngoài nên bức xạ tự phát không kết hợp, có tính hỗn độn
của các quá trình ngẫu nhiên.
4 Nguyên tắc tao ra sự đảo mật độ hat của laser:
Đối với trang thái cân bang nhiệt động lực, các nguyên tử ở trạng thái cơ bản nhiều hơn trạng thái kích thích nên sự hấp thụ bức xạ sẽ chiếm ưu thế hơn bức xạ cảm ứng. Như vậy, để có sự bức xạ cảm ứng và khuếch đại thì cần phải tạo ra trạng thái không can bằng của hệ các nguyên tử, trong đó trạng thái năng lượng cao phải đông đân cư hơn trạng thái năng lượng thấp.
Phương pháp thông dụng dé tạo ra sự dao mật độ của môi trường Laser la bom năng lượng. Người ta có the thực hiện quá trình bom năng lượng bằng
phương pháp quang học, phương pháp điện và các phương pháp khác. Trong
môi trường có sự đảo mật độ hạt, bức xạ cảm ứng trội hơn sự hấp thụ và do đó chùm ánh sáng truyền qua môi trường sẽ được khuyếch đại. Môi trường này
gọi là môi trường hoạt tính.
4 Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của Laser:
Thiết bị Laser gồm 3 thành phan chính:
Môi trường hoạt tinh: chất khí, lỏng hay thỏi chat ran.
Nguôn bơm: là nguồn năng lượng phát xạ mạnh.
Buông cộng hưởng: là hệ hai gương đặt ở hai đầu của khối hoạt chất.
Khoảng cách giữa hai gương thoả mãn điều kiện cộng hưởng quang học.
| Nguằn bơm |
Hình 2.2: Cấu tạo của Laser.
Nguồn bơm cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính tạo ra sự đảo mật độ hạt. Khi chiếu sóng ánh sáng có năng lượng thích hợp vào môi trường
nay thì xảy ra sự bức xạ cảm ứng. Như vậy sóng điện từ hay ánh sang này đã
được khuyéch đại. Dé tăng sự khuyếch đại người ta đặt môi trường hoạt tính trong buồng cộng hưởng. Sóng ánh sáng sẽ được phán xạ nhiều lần qua môi trường hoạt tính đó và được khuyếch đại lên. Ánh sáng Laser phát theo một chùm hẹp (song song), có cường độ rat lớn và tính đơn sắc cao.
4+ Phân loại:
Laser được phân loại tuỳ theo môi trường hoạt tính:
- Laser ran.
- Laser lỏng,
- Laser khí.
- — Laser ban dan.
2.1.2.Laser khí He - Ne
Gồm hai khí He và Ne với ti lệ 80%-20%, trong đó Ne là chất chính, He chỉ đóng vai trò chat môi. Việc bom năng lượng được thực hiện băng cách cho
phóng điện qua hỗn hợp khí tạo ra các ion và electron tự do. Các ion va
electron thường xuyên va chạm với các nguyên tử He làm nó chuyển lên mức Ey với Ey - E; = 19.81leV và chuyên năng lượng cho các nguyên tử Ne dang ở
mức cơ bản.
Sau sự chuyên năng lượng từ Ne’ sang Ne, các nguyên tử Ne’ rớt từ E¿
xuống E; rồi Ea và phát ra ánh sảng mau đỏ hơi cam có 4 = 6328 A. Laser He
— Ne là laser liên tục nhưng công suất của nó yếu, chi vài mW.
He” N e
E E Ba
He’ + Ne ơ He +Ne` 6328 A°
E2
He Bì Ne Bì
Hình 2.3: Nguuyên tị hoạt động của đèn Laser khí He — Ne.
Dén laser khí He — Ne sử dụng trong bài thí nghiệm:
Hình 2.4: Đèn Laser khí He _ Ne.
2.1.3. Thanh quang học
Là dụng cụ dùng cô định các dụng cụ quang học đồng trục với nhau.
Trên thanh quang học có thước đo đề xác định khoảng cách của các dụng cụ.
Hình 2.5: Thanh quang học.
2.2.Kính phân cực:
Chỉ cho thành phần phân cực của ánh sáng tới có phương song song với trục quang học đi qua. Có thê thay đôi phương của trục quang học bằng thanh quay trên kính.Phía trên kính phân cực có thước đo góc giúp xác định số đo góc khi quay trục
quang học.
2.3.Photo diode:
Hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vo diode là một miếng thay tinh dé anh sáng chiếu vào mối p-n, dòng điện ngược qua diode ti lệ với cường độ ánh sáng
chiêu vào diode.
Hình 2.7: Photo diode.
2.4.Đồng hồ điện tử:
Dùng dé đo hiệu điện thé của photo diode.
Lăng kính:
Làm bằng flint có chiết suất n = 1,5 . Dùng dé phản xa chùm sáng đến lăng kính.
Hai mặt bên của lăng kính có dán giấy đen để ngăn cản sự phản xạ ở 2 thành kính phía sau, mau đen sẽ hap thụ anh sáng truyền qua.
Hình 2.9: Lăng kính, giá đỡ lăng kính, bộ nỗi chia gốc.
2.5.Giá đỡ lăng kính.
2.6.Bộ nối có chia gốc.