6. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.1.1. Đặc điểm chung của laser khí
Laser khí là máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt tính nằm trong pha khí. Nó có thể là khí nguyên chất hỗn hợp dưới dạng plasma khí phóng điện. Khác biệt cơ bản giữa laser khí và các loại laser khác là:
a. Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của nguyên tử ion hay phân tử cô lập. Trong những điều kiện ấy, sự tương tác giữa các hạt trong môi trường là cực tiểu, vì vậy vạch phổ của các mức năng lượng có độ rộng rất hẹp (10-7 - 10-6 μm). Tính chất đó cho phép chúng ta nói trước rằng, có vô số sơ đồ dịch chuyển các mức năng lượng trong các khí khác nhau để thành lập mật độ đảo lộn.
b. Môi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn. Mật độ khí nhỏ nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu. Điều đó cho phép chúng ta dùng khoảng cách giữa hai gương phản xạ lớn.Vì vậy, laser khí có chùm bức xạ định hướng cao và đơn sắc lớn.
c. Laser khí có nhược điểm là: mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong thể rắn. Vì vậy, với 1 cm3 không thể nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để bức xạ ánh sáng như thể rắn. Do đó, laser khí có kích thước lớn.
Có thể chia laser khí ra làm 3 loại: laser nguyên tử, laser ion và laser phân tử. Chúng nó khác nhau do cơ chế thành lập mật độ đảo lộn và độ dài sóng phát. Dãy bước
Tiểu luận lý thuyết LASER sóng phát khác nhau là do phổ năng lượng của nguyên tử trung hòa, phân tử và ion khác nhau.
Đối với nguyên tử trung hòa, năng lượng ion hóa Wi = 5 ÷ 15 eV, còn hiệu số năng lượng giữa hai mức trên và dưới của laser là ∆ε ~ 0,1 ÷ 1.0 eV. Giá trị ∆ε này tương ứng với độ dài sóng từ 25 µm đến 1 µm. Như vậy, laser nguyên tử chủ yếu là nguồn bức xạ hồng ngoại. Trong laser ion, khí bị ion hóa mạnh, hầu như không còn nguyên tử trung hòa. Năng lượng ion hóa 2 – 3 bậc Wi = 12 – 25 eV, còn ∆ε ~ 2 – 5 eV. Điều đó có nghĩa rằng, laser ion chủ yếu là nguồn bức xạ ánh sáng khả kiến và tử ngoại. Trong Laser phân tử, năng lượn phân ly không lớn, Wi ≈ 2 – 3 eV, dịch chuyển giữa các mức làm việc tương ứng với độ dài sóng = 10 – 100 µm, tức là vùng hồng ngoại xa và vùng gần mm
Như vậy, laser khí là nguồn bức xạ có độ dài sóng trong một dải khá rộng: từ bức xạ tử ngoại (2000 Å) tới vùng gần mm (0,4 mm)
Trong dải sóng đó, laser khí các loại có thể phát đến vài trăm tần số khác nhau.Trên bảng 2.1 trình bài các loại laser khí điển hình.
Bảng 4.1. Các loại laser khí Laser Độ dài sóng (µm) Chế độ làm việc Đặc điểm Phân tử H2 0,116 0,160 Xung - Độ dài sóng nhỏ nhất trong vùng tử ngoại chân không. Dòng và công suất rất lớn.
Ion Ne+++ 0,2358 - Độ dài sóng nhỏ, dòng phóng điện lớn.
Tiểu luận lý thuyết LASER Ion Ne++ 0,3324 - Còn phát những bước sóng khác. Phân tử N2 0,3371 - Công suất (xung) rất lớn, cần cao
thế. Ion Ar++ 0,4480 0,5145 Liên tục -
Công suất lớn trong miền phổ xanh. Công suất lớn trong miền phổ lục. Ion Kr++ 0,5682 - Công suất lớn trong miền phổ vàng.
Nguyên tử He và Ne
0,06328
0,1528
-
-
Công suất trung bình trong miền phổ đỏ (được ứng dụng rộng rãi). Laser hồng ngoại công suất nhỏ. Nguyên tử Xe 2,061 - Môi trường hoạt tính có hệ số
khuếch đại lớn. Phân tử CO2 + N2 + He 10,6 Liên tục và xung Hệ số tác dụng có ích cao và công suất rất cao. Phân tử H2O 27,9 118,6 Xung -
Công suất cao trong miền hồng ngoại
Một trong số ít laser vùng hồng ngoại xa.
Tiểu luận lý thuyết LASER Bộ phận chủ yếu của laser khí là ống phóng điện chứa khí (hình 4.1). Ống (bằng thủy tinh hay thạch anh) có đường kính từ một vài mm đến vài dm và độ dài từ vài cm đến vài m. Bên trong ống được gắn hai điên cực để tạo môi trường plasma khí phóng điện. Nếu kích thích laser bằng các điện cực cao tần thì các điện cực được đặt bên ngoài.
Hình 4.1.Sơ đồ laser khí.
Hai đầu ống phóng điện được gắn kín bằng hai bản phẳng song song với độ dày khoảng 3 – 5 mm và lệch so với trục ống phóng một góc bằng góc Brewter. Với cửa sổ đó bức xạ phân cực thẳng trong mặt phẳng tới (mặt phẳng tới là mặt phẳng chứa tia tới và tia phản xạ) sẽ không bị mất mát do phản xạ và triệt tiêu những bức xạ có phân cực vuông góc với mặt phẳng tới.
Tiểu luận lý thuyết LASER