Nguyên Lý Hoạt Động Của Nguồn Sáng Laser

1. Chương 1.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER
1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser.
1.1.1Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng.
Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng
cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử.
Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt thì có thể mô tả:
E=h.υ
-E: năng lượng
-h: hằng số Plăng 6,025.10 -34
-υ: tần số sóng ánh sáng
Nếu coi là sóng:
λ.υ = c
-λ: là bước sóng ánh sáng
-c: vận tốc ánh sáng

2. Phæ cña Sãng §iÖn tõ tæng qu¸t
Trong ®ã: sãng ¸nh s¸ng tõ hång ngo¹i ®Õn tö ngo¹i lµ
sãng ®iÖn tõ ngang ph¼ng

3. M« hinh mÉu nguyªn tö

4. Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử
1s2
2s2
2p6
3s 2
3p 6
3d 10
4p 6
5s2
4d10
Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp
- s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp
-6,10.. số điện tử trong mỗi phân lớp
Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp
đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài.
Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể dịch chuyển lên các mức
cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển.
Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng gọi là các
dịch chuyển quang học..

5. Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử ( còn gọi là
hạt) tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định
- Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản
- Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích
thích
Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển
từ mức thấp lên mức cao, đó là quá trình kích thích.
Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ
chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc
năng lượng cơ,nhiệt.Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai
hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây.

6. 1.1.2. Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser.
Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 1017
÷1011
Hz, ứng
với bước sóng λ = 1nm ÷ 1mm. Mỗi hạt photon ánh sáng là
một đoàn sóng điện từ có tần số υ xác định.
Khi sóng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên
độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là :
S = F(t - z/v)
- F là hàm mô tả dạng sóng (mà dạng cơ bản thường là
sin hoặc cos) thoả mãn phương trình sóng :
Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian:

7. Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng
tính và đẳng hướng thì mặt sóng là các mặt cầu đồng tâm ta
có sóng cầu mà phương truyền sóng là các đường xuyên tâm
vuông góc với các mặt sóng gọi là tia sóng.
Biểu thức của sóng cầu sin tính :
gọi là số sóng
-a là biên độ sóng cầu tại r =1 đơn
vị.
-ω:tần số sóng
-ϕ0
: pha ban đầu
S=acos[(ωt – kr) + ϕ0 ]

8. • Khi ở rất xa nguồn một phần nhỏ của sóng
cầu được coi là sóng phẳng. Sóng phẳng có
các tia sóng song song và vuông góc với
mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên
đường truyền .
• Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng
phẳng.
• Biểu thức sóng phẳng:
Biểu diên theo Ơ-le: eiϕ= cosϕ + isinϕ
S=acos[(ωt – kz) +
ϕ0 ]

9. (b)
(a)
λ
λ
z
z
Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳng

10. Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng :
có tính đồng pha của 2 véc tơ E và H và tạo với v một tam
diện thuận .
Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó
chỉ dao động trong mặt phẳng xác định chứa phương truyền v
còn H dao động trong một mặt phẳng vuông góc với E thì
sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân
cực trùng với H.

11. Sự phân cực ánh sáng
Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong
không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey .
khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là
phân cực elíp. Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn .Ánh
sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn.

13. • Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại
hai sóng phân cực cùng phương dao động thì
sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng
phương dao động nếu hai sóng thành phần có
cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức:
• E1 = a cos(ωt+ ϕ01)
• E2= a cos(ωt+ ϕ02)
• Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc
tơ quay để xác định pha ϕ và biên độ A của
sóng tổng hợp E = Acos(ωt+ϕ) :
tg ϕ =
1 10 2 20
1 10 2 20
a a
a a
sin sin
cos cos
ϕ ϕ
ϕ ϕ
+
+ A2
=2a2
+ 2acos(ϕ01 - ϕ02)

14. Hiện tượng giao thoa xảy ra:
-nếu ϕ10
-ϕ20
= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a
A
-nếu ϕ10 -ϕ20 = π thì A sẽ nhỏ nhất A = 0
= =

15. Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật đô năng
lượng sóng được tính theo biểu thức sau:
S= v.ω
Khi tính theo cường độ sáng (hay độ rọi)
- µ & ε là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường truyền
sóng.
Thường trong các tính toán về năng lượng sóng người ta
chỉ tính với cho đơn giản:

16. Biểu diễn dưới dạng phức:
Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất
kỳ:

17. Sù kh¸c biÖt cña sãng ®iÖn tõ ¸nh s¸ng vµ
sãng ®iÖn tõ ra®i«
Nguån ph¸t
Sãng ¸nh s¸ng
DÞch chuyÓn møc
n¨ng l­îng ®iÖn tö
Thu l­îng tö E=hν
vµ
N¨ng l­îng tØ lÖ víi
b×nh ph­¬ng biªn ®é
sãng
Sãng Radio
ChuyÓn ®éng cã gia
tèc cña ®iÖn tö
Thu liªn tôc vµ
N¨ng l­îng tØ lÖ víi
diÖn tÝch biªn ®é
sãng
Nguån thu

18. 1.2 Phát xạ kích thích sóng ánh sáng laser.
1.2.1 Nguyên lý phát xạ kích thích Anhxtanh
Các hạt khi hấp thụ năng lượng sẽ chuyển từ trạng thái cơ
bản sang trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ.
Khi ở trạng thái kích thích, sau một thời gian tồn tại rất ngắn
sẽ chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một
phô tôn có mức năng lượng:
E = hν = Ei - Ek
-Ei : mức năng lượng trên
-Ek : mức năng lượng dưới
Gọi là quá trình phát xạ tự nhiên

19. Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát
xạ tự nhiên là hai quá trình thuận nghịch.

20. Năm 1928 Anhxtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen
tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích. Theo
Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện tử có hiệu mức
năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương
ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”.
Mức laser trên
Mức laser dưới

21. Mô tả các quá trình hấp thụ và phát xạ trong tự nhiên

22. Trạng thái bị kích thích
Trạng thái chưa
ổn định
Quá trình phát
xạ bức xạ kích
thích
N
ă
n
g
l
ư
Quá trình phát
x t nhiên
ạ ự
Trạng thái ổn
định
Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch

23. Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích:
-Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích
phải phù hợp với phô tôn. Đây là điều kiện của quá trình phát
xạ kích thích.
-Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số,
biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích
thích.Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên
trạng thái ban đầu.

24. Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của
nguồn phát ánh sáng laser . Tuy nhiên để phát ra được tia
laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích
luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính
chất cơ bản của chùm tia laser.

25. §Æc tÝnh cña bøc x¹ kÝch thÝch
-Cùng biên độ
- Cùng tần số
- Cùng hướng
- Đồng pha
- Cùng phân cực
-Đơn sắc
-Kết hợp
-Độ tập trung (định
hướng)
-Khả năng đạt mật
độ cao
§Æc tÝnh cña Tia LASER

26. 1.2.2 Điều kiện phát xạ bức xạ laser thành chùm tia laser.
Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền trong
hướng z, và môi chất laser có mức năng lượng Ni, Nk thoả mãn
điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo
định luật Bowger:
I(z) = I(0) e -αz
Hệ số hấp thụ:
α= (c2 /4πf2τ)( ln2/ π)1/2 ( Nk/ ∆f)
-τ: thời gian sống của vật chất trong môi trường
-Nk :Số hạt ở mức k
-C: tốc độ ánh sáng trong môi trường đó
-f và∆f: tần số và độ rộng phổ của ánh sáng hấp thụ

27. Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích:
I(z)= I(0)e gz
g: hệ số khuếch đại
Hệ số khuếch đại:
g= (c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)]1/2 ( Ni/ ∆f)
Quá trình hấp thụ và bức xạ là quá trình thuận nghịch

28. Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất:
I(z) = I(0) exp [(c2 /4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)( Ni- Nk)z ]
Nếu Ni > N-k thì I(z) tăng, ngược lại Ni < Nk thì I(z) giảm
Vậy điệu kiện cần để laser làm việc là Ni >Nk : gọi là
nghịch đảo mật độ tích luỹ.
Nghịch đảo độ tích luỹ là trạng thái không bình thường:

29. Nếu vật chât nằm ở nhiệt độ T của môi trường cân bằng nhiệt
thì phân bố mật độ các hạt theo luật Bonzerman:
N2 / N1 = exp [-(Ei – Ek) / kT ]
Với k là hằng số Bonzerman và luôn có Ni < Nk.
Vậy để có hiệu ứng laser ta cần phải phá vỡ sự cân bằng nhiệt
tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ với Ni >>Nk bằng quá trình
bơm kích thích.

30. Khi sử dụng buồng cộng hưởng để tạo ra tia laser
Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng
đường ∆z mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ
lớn.Tuy nhiên kích thước của của môi trường laser bị hạn chế
bởi điều kiện kỹ thuật , vì vậy cần phải sử dụng một hệ 2
gương đạt song song đối xứng với nhau tạo nên một buồng
cộng hưởng để tăng lộ trình của tia laser đi qua môi chất laser.
Các mất mát khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt hai gương có hệ
số phản xạ R1 và R2 nhỏ hơn 100% và sự không đồng nhất của
môi trường laser làm giảm cường độ trên khoảng L cách giữa
hai gương được xác định bởi hệ số -βz.

31. Cường độ bức xạ laser sau khi đi qua hai gương và môi chất
laser:
I(z) = I(0) R1 R2 exp [-2β L(c2
/4πf2τ) ( ln2/ π)1/2 ( 1/ ∆f)
( Ni- Nk)z ]
Để đảm bảo khuếch đại ánh sáng cần thiết hệ số này phải lớn
hơn 1; logarit 2 về ta có:
(Ni- Nk)> (c2
/4πf2τ)( ln2/ π)1/2( 1/ ∆f)( 2β L – 0,5ln R1R2 )
Đây là điều kiện ngưỡng xác định độ nghịch đảo tối thiểu để
hiệu ứng laser xuất hiện trên môi chất đã chọn với một buồng
cộng hưởng.

32. Cấu tạo cơ bản của laser
1- M«i chÊt Laser
2- Nguồn nuôi
3 & 4- Gương phản xạ toàn phần và Gương bán mạ
5- Tia laser
1.3 Các thành phần cấu tạo cơ bản
của nguồn phát laser.

33. +M«i chÊt Laser: Tuỳ loại hoạt chất khác nhau mà
môi trường hoạt chất khác nhau :
+Bộ cộng hưởng :Khuyếch đại bức xạ laser
+Bơm Laser: Cung cấp năng lượng cho hoạt chất
laser ®Ó t¹o nghÞch ®¶o møc n¨ng l­îng
3 thµnh phÇn chính cña mét nguån Laser

34. 1.3.1 Môi chất laser:
Môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser. Nó cần
có các hiệu mức năng lượng tương ứng có khả năng dịch
chuyển lượng tử cho phép ứng với tần số laser cần phát. Hiện
nay, có khoảng trên 1000 chất có thể sử dụng làm môi chất
laser.
Ví dụ: -Laser Rubi AlO2 có môi chất laser là Cr++
-Laser CO2 là khí CO2 ,
-Laser HeNe là Ne…

35. C
Các dạng môi chất laser
ác dạng môi chất laser
Dạng rắn Dạng khí

36. Môi chất laser
• Có nhiều phương pháp để phân loại laser dựa
theo vật liệu cấu tạo nên môi chất laser có thể
chia là 3 loại:
- Laser rắn (laser hồng ngoc, laser bán dẫn)
- Laser lỏng
- Laser khí (HeNe, CO2,..),
trong đó: laser rắn là có độ bức xạ cao nhất.

37. Để phát xạ tia laser, môi chất laser cần phải được kích thích
đạt độ nghịch đảo cần thiết để trở thành môi trường nghịch
đảo
Tuỳ theo các loại môi chất laser có các dạng tạo độ nghịch
đảo: 2, 3,4 mức song phổ biến dùng loại 3 và 4 mức
Hình1. 4 Sơ đồ các loại mức Laser

38. 1) Môi chất Laser chất rắn:
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi
trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn
thông dụng:
* YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium
Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước
sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát
liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-
10.000Hz.
* Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể
Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng
694,3nm
* Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium
Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại
gần. Loai GaAsAl có bước sóng 620-680nm

39. 2) Môi chất Laser chất khí:
* He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng
632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy,
công suất nhỏ từ một đến vài chục mW.
Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và
514,5nm.
* CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại
xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW).
Trong y học ứng dụng làm dao mổ.
• * ¤ xy-iot bước sóng 1.315 μm; Nguồn kích thích
là phản ứng hóa học trong giữa çxy vµ iot; Ứng dụng
trong lĩnh vực Vò khÝ laser ,nghiên cứu vật liệu và
khoa học

40. 3) Môi chấtLaser chất lỏng:
Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là
laser màu
• Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm. Sử dụng các
dung môi như metan, etan,, thêm vào chất nhuộm hữu
cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và
florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước
sóng hoạt động của laser

41. 1.3.2 Bơm laser
• Nguồn bơm là phần cung cấp n¨ng l­îng cho hệ thống
laser. Ví dụ bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ
quang, ánh sáng từ laser khác
• Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ
yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là
yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng
truyền vào trong môi trường lín nhÊt
• Laser He-Nedùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí
Heli-Neon. Laser Nd: YAG dùng ánh sáng hội tô tõ ®Ìn
phãng ®iÖn ngoµi

42. Quá trình bơm
• Bơm: là khái niệm chỉ chung các bộ phận thực hiện
việc cấp năng lượng để kích thích các phần tử của môi
chất laser nên trạng thái kích thích để tạo ra nghịch đảo
mật độ tích luỹ.
• Phương thức thực hiện bơm phụ thuộc vào đặc điểm
của từng loại môi chất laser. Có mấy dạng chính sau:
• Qu¸ trinh b¬m kÝch thÝch tuú thuéc vµo lo¹i hÖ, cã thÓ
thùc hiÖn b»ng nhiÒu c¸ch: ph­¬ng ph¸p kÝch thÝch
quang häc (b¬m quang häc) vµ ph­¬ng ph¸p kÝch thÝch
b»ng ®iÖn tö (b¬m ®iÖn tö).

43. + Bơm quang học thực hiện dịch chuyển điện tử lên mức
cao bằng hấp thụ ánh sáng như trong laser Rubi dùng đèn
phóng điện chớp sáng
Các đèn thường dùng là đèn khí Xenon, Argon, He…. phổ
đèn thường rộng hơn dải phổ hấp thụ của laser do dòng điện tử
trong đèn đi qua khí. dạng bơm kiểu xung thường dùng cho
các laser rắn

44. Kích thích bằng điện tử: dòng tử năng lượng cao va chạm
với nguyên tử kích thích nó chuyển lên mức năng lượng cao.
Kích thích bằng điện tử trực tiếp với laser dạng bán dẫn người
ta có thể cấp trực tiếp dòng điện tử vào lớp chuyển tiếp p-n
hiệu quả cao sẽ tạo ra laser có công suất mạnh
Kích thích bằng cấp điện tử qua nguồn một chiều trong laser
bán dẫn trong các hạt dẫn cơ bản ion (+) và e (-)

45. + Kích thích điện tử: trong laser khí sự va chạm điện tử nhanh
với các nguyên tử ở áp suất thấp (10-2 ÷ 1 tor) làm các phân tử
và nguyên tử kích thích. Thường các chất khí co dạng 4 mức
năng lượngvậy quá trình kích thích phải tạo tích luỹ mức trên
đủ lớn và sự suy thoái mức dưới đủ nhanh. Tuy nhiên do phổ
vận tốc điện tử lớn nên quá trính tích luỹ mức dưới thường
sảy ra nhanh hơn, khó tạo ra nghịch đảo tích luỹ N2 >N1

46. Để khắc phục thường dùng phương pháp truyền năng lượng
cộng hưởng: sử dụng một phần khí có cùng mức năng lượng
kích thích nhưng có phổ hấp thụ rộng hơn
ví dụ trong laser HeNe thì He là nguyên tử truyền năng lượng
cộng hưởng cho Ne,

47. + Phân rã nguyên tử: dùng môi chất là các hợp chất phân tử.
Khi phân rã thành các nguyên tử, phân tử, hoặc va chạm hoặc
ánh sáng mạnh chuyển thành trạng thái kích thích , ví dụ :
CF3I chiếu sáng mạnh___.> CF3 + I+
+ Trong laser khí động học: phun khí qua miệng hẹp tạo biến
dạng phân tủ khí.

48. 1.3.3 Buồng cộng hưởng laser
Chức năng: gồm 2 chức năng chính
• Thực hiện hồi tiếp dương
• Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc và kết hợp
• Buồng cộng hưởng là 2 gương đặt ở hai đầu buồng chứa
môi trường hoạt chất. Hai gương có tác dụng làm cho tia
sáng phản xạ đi lại với quãng đường quang học dài hơn.
• Các tia có phương song song với trục buồng cộng hưởng
được khuếch đại mạnh hơn nhờ hồi tiếp dương.
• Do là buồng cộng hưởng mở nên các tia có góc với trục
quang đủ lớn sẽ đi ra ngoài buồng công hưởng sau một số
lần phản xạ.
Tải bản FULL (94 trang): https://bit.ly/3ovRJoF
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

49. • Buång céng h­ëng quang häc Fabry-Perot lµ hai hÖ g­¬ng
ph¼ng ®Æt song song, trong ®ã mét g­¬ng ph n x¹ toµn
ả
phÇn, mét g­¬ng b¸n ph n x¹
ả
• Trong buång céng h­ëng chïm s¸ng sau nhiÒu lÇn ph n x¹
ả
®­îc khuÕch ®¹i lªn vµ ®­îc truyÒn ra ngoµi mét phÇn qua
g­¬ng b¸n ph n x¹
ả
Nguyªn lÝ buång céng h­ëng Fabry-Perot
Tải bản FULL (94 trang): https://bit.ly/3ovRJoF
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

50. Các sóng ánh sáng lan truyền dọc theo trục buồng
cộng hưởng đi qua môi trường hoạt chất nhiều nhất
và được khuếch đại mạnh nhất. Nó sẽ quyết định
công suất phát thực của laser và có tính định hướng
rất cao.
Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà vẫn bảo
toàn pha, đồng thời các sóng bức xạ kích thích có tần
số pha, tính phân cực giống ánh sáng kích thích nên
bức xạ ra là bức xạ kết hợp.