6. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.2.2. Laser Ruby
Máy phát quang học lượng tử đầu tiên là máy phát mà chất hoạt tính được chế tạo bằng tinh thể Ruby năm 1960. Vì tính chất vật lý và cơ học của mình mà Ruby là một trong những vật liệu laser tốt nhất.
Tiểu luận lý thuyết LASER Ruby là một tinh thể rắn. Thành phần cơ bản cua nó là chất cách điện – corudium, tinh thể oxit nhôm (Al2O3). Nó chỉ trở thành Ruby khi một phần nhỏ nguyên tử Al trong tinh thể được thay bằng Cr3+. Hàm lượng nguyên tử Cr trong tinh thể không lớn, thường khoảng 1019 nguyên tử Cr trong 1 cm3.
Màu sắc của nguyên tử Ruby được quy định bởi sự phân bố của mức năng lượng nguyên tử Cr trong tinh thể.
Vì nồng độ nguyên tử Cr bé nên điện trường do bản thân chúng gây ra trong tinh thể không đáng kể và sự tương tác giữa chúng với nhau có thể bỏ qua. Ion Cr3+ trong tinh thể chủ yếu bị tác động của điện trường gây nên bởi nguyên tử O và Al. Phổ năng lượng của Cr3+ tương ứng với phổ của ion
Cr3+ tự do nhưng tác động của điện trường mạnh đó với lớp điện tử 3d sẽ tách thành vùng (hiệu ứng Stark).
Cấu trúc mức năng lượng Cr3+ trong Ruby được trình bày trên hình 4.4. W1 là trạng thái cơ bản. Trong thực tế, mức W1 có cấu trúc phức tạp và được dùng để khuếch đại lượng tử thuận từ. Chuyển mức laser thực hiện giữa các mức hẹp W2b, W2a với W1. Độ dài sóng bức xạ tương ứng
với chuyển mức giữa W2 - W1 ~ 7000 Å đó là ánh sáng đỏ. Chuyển mức giữa W3 - W1 là ánh sáng xanh còn chuyển mức W4 - W1 là ánh sáng da trời.
Nếu kích thích ion Cr3+ chuyển từ trạng thái cơ bản lên vùng W3 hay W4 thì sau thời gian rất ngắn (~10- 8 s), nó sẽ chuyển về mức W2, chuyển mức này không kèm theo
Tiểu luận lý thuyết LASER bức xạ, nội năng thừa của ion sẽ kích thích dao động mạng tinh thể Ruby. Chuyển mức W3 và W4 xuống W2. Thời gian sống của ion trên mức W2 khá lớn, khoảng 10-3 s. Điều đó cho phép tích tụ nguyên tử trên mức W2 và thành lập mật độ đảo lộn giữa mức W2 và W1.