bài giảng laser và ứng dụng - mở đầu

LASER VÀ ỨNG DỤNG
TS. Nguyễn Thanh Phương
Bộ môn Quang học và Quang điện tử

Mở đầu
06/11/2013 3
Out line
45 lý thuyết + bài tập:
Chương I: photon và nguyên tử
Chương II: khuếch đại laser
Chương III: phát xạ laser
Chương IV: các loại laser và ứng dụng
Giáo trình: B. E.A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics,
John Wiley & Sons, Inc. 2007.

Chương 13, 14, 15

06/11/2013 4
Laser là gì?
femto-second TiSa laser Femtosource-200, by Femtosource
standing-wave fs-oscillator
06/11/2013 5
Laser là gì?
amplifier: Titan-
Saphire crystal
multilayer dielectric
mirror on piezo-
electric transducer
multilayer dielectric
chirped mirror
single-axis

translation stage
triple control mirror
mount
lens for mode
matching of
pump beam
pump beam:
frequency doubled,
diode pumped YAG
laser
water-cooling
of crystal
standing-wave fs-oscillator
flexure stage
femto-second TiSa laser Femtosource-200, by Femtosource
06/11/2013 6
Laser là gì?
06/11/2013 7
Menlo Systems FC 8003/8004
SHG
PCF
f
0
f
REP
external
Ti:Sa
Pump-laser
for Ti:Sa



MASER
laser
Complex laser system:
octave-spanning optical frequency comb
Grating Enhanced
External Cavity Diode Laser
A.Wicht et al.,
Appl. Phys. B 78 (2004) 137
Laser là gì?
folded feedback cavity
with confocal geometry
volume holographic
transmission phase grating
laser diode mount
with TEC-cooler
l/4-waveplate for frequency-stabilization
06/11/2013 9
Tại sao phải nghiên cứu lasers?
Lasers are used for medical applications
06/11/2013 10
Tại sao phải nghiên cứu lasers?
Lasers may be the key part for future power plants (fusion reactors)
tubes contain the laser beams
1 ns pulse duration, 45 kJ/pulse,
100 TW peak power
Lawrence-Livermore Laboratory, USA,
National Ingnition Facilty, NOVA laser system
06/11/2013 11
Tại sao phải nghiên cứu lasers?

Lasers are a key part of todays
consumer electronics, telecommunication, and computer technology
Digital Video Disk (DVD)
06/11/2013 12
Laser Transmitter modules for Fiber
Optics Communication
Diode laser for optical data storage
Why to deal with lasers?
06/11/2013 13
Plastics welding with diode lasers
[ Leister Process Technologies]
Heat Treatment of Metal
Material processing
Why to deal with lasers?
06/11/2013 14
Tại sao phải nghiên cứu lasers?
Lasers are used in many ultra-high precision physics experiments.
Lasers will soon replace microwave-clocks to define the unit of time
laser gyro
laser ranging
06/11/2013 15
Tại sao phải nghiên cứu lasers?
Lasers can be cheap (few US$ per piece)
most laser diodes are complete
diode laser systems
laser diodes & diode lasers
06/11/2013 16
Tại sao phải nghiên cứu lasers?
Last but not least: lasers are cool…
06/11/2013 17

Laser là gì?
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of
two units:
(i) Khuếch đại quang: Biến đổi năng lượng bơm thành “bức xạ kết hợp"
(ii) Buồng cộng hưởng: cung cấp hồi tiếp quang học để duy trì dao dộng
Buồng cộng hưởng
Chùm tia
laser
Môi trường khuếch đại
Chương I: photon và nguyên tử
I.1. Nguyên tử, phân tử và chất rắn
I.1.1. Mức năng lượng
06/11/2013 19
a) Phương trình Schrödinger
I.1.1 Mức năng lượng
Trong đó: : hàm sóng của hạt ħ: hằng số Planck rút gọn ~ 1,054×10
−34
Js
V: thế năng của hạt m: khối lượng của hạt

r: tọa độ của hạt t: thời gian j: đơn vị ảo
t
tr
jtrtrVtr
m 


),(
),(),(),(
2

2
2


(1.1)
hạt chuyển động tự do trong trường thế
giả thiết thế năng là hàm chỉ phụ thuộc vào tọa độ và không thay đổi theo
thời gian
])/(exp[)(),( tEjrtr 


(1.2)
)()()()(
2
2
2
rErrVr
m



(1.3)
(1.1) 
(1.3) là phương trình Schrödinger đối với các trạng thái dừng
1
2

 



dxdydz

(1.4)
06/11/2013 20
b) Mức năng lượng nguyên tử
- nguyên tử Hydro và các ion tương tự:
hạt nhân có điện tích +Ze, 1 điện tử có điện
tích - e: V(r ) = - Ze
2
/r, từ PT (1.3):
I.1.1 Mức năng lượng
M
r
: khối lượng nguyên tử rút gọn; Z: số thứ tự
nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn
n: số lượng tử chính xác định các giá trị năng
lượng có thể của điện tử trong nguyên tử
3,2,1,
1
2)4(
222
42
 n
n
eZM
E
o
r
n



(1.5)
n = 1: Trạng thái cơ bản
n = 2,3,4 : Trạng thái kích thích
chỉ với một số giá trị năng lượng E
1
, E
2
E
n
nhất định mới tồn tại hàm
sóng thỏa mãn (1.3) và (1.4). E
1
, E
2
E
n
là các giá trị riêng, các hàm sóng
(r,t) tương ứng là các hàm riêng. Tập hợp các giá trị riêng tạo thành phổ
các mức năng lượng có thể của hạt
06/11/2013 21
I.1.1 Mức năng lượng
)()()(),,(

mlmnlnlm
rRr 
(1.7)
Điện tử có khối lượng xác định, luôn luôn chuyển động xung quanh hạt
nhân do đó trạng thái chuyển động của nó được đặc trưng bằng mô men
động lượng nhất định.

Với giá trị l cho trước, số lượng tử từ m có thể nhận các giá trị m = 0,

1,

2

l: xác định độ lớn hình chiếu của mômen động lượng quỹ đạo lên
hướng của trường ngoài l
H
= mħ. Như vậy:
)1(  lll 

(1.6)
l = 0,1,2 n-1: số lượng tử quỹ đạo xác định độ lớn mômen động lượng quỹ
đạo của điện tử
06/11/2013 22
I.1.1 Mức năng lượng
Mômen toàn phần của điện tử:
Số lượng tử spin s mô tả trạng thái chuyển động của điện tử trong nguyên
tử, s = 1/2, xác định độ lớn hình chiếu của mômen động lượng spin lên
hướng của trường ngoài S
H
= sħ.
S

)1(  SSS 

(1.8)
SlJ





(1.9)
)1(  JJJ 

(1.10)
J = |l + S| là số lượng tử mômen toàn phần hay số lượng tử nội
06/11/2013 23
I.1.1 Mức năng lượng
Thế năng bao gồm năng lượng tương tác giữa các điện tử với hạt
nhân và giữa các điện tử với nhau:
- Nguyên tử nhiều điện tử:
hạt nhân có điện tích +Ze, bao quanh bởi Z điện tử mỗi điện tử có điện
tích - e
)()()()(
2
1
2
2
rErrVr
m
Z
i
i






(1.11)
(1.12)

 

Z
i
Z
j
ji
Z
i
i
r
e
r
Ze
rV
1 1
,
2
1
2
)(
r
j
là khoảng cách từ điện tử i tới hật nhân, r
i,j
là khoảng cách giữa các điện tử i và j
Trạng thái của mỗi được mô tả bởi n, l, m và s. Tuy nhiên năng lượng của

điện tử phụ thuộc cả vào số lượng tử quỹ đạo















nJn
Z
n
eZm
E
e
n
4
3
2/1
1
1
2
22

22
42


(1.13)
 = e
2
/ħc là hằng số cấu trúc tinh vi, m
e
là khối lượng nguyên tử
06/11/2013 24
I.1.1 Mức năng lượng
Nguyên lý Pauli: Ở mỗi trạng thái lượng tử được đặc trưng bằng bốn số
lượng tử n, l, m, s chỉ có thể có tối đa một điện tử
Số điện tử có chung n, l, m là 2
Số điện tử có chung n, l là 2(2l +1)
Số điện tử có chung n là 2n
2

Số lượng tử
chính (n)
1 2 3 4
Số lượng tử
quỹ đạo (l)
0
Ký hiệu phân
lớp
1s
Số điện tử tối
đa trong 1

phân lớp
2
Số điện tử tối
đa trong lớp
2
06/11/2013 25
I.1.1 Mức năng lượng
Nguyên lý Pauli: Ở mỗi trạng thái lượng tử được đặc trưng bằng bốn số
lượng tử n, l, m, s chỉ có thể có tối đa một điện tử
Số điện tử có chung n, l, m là 2
Số điện tử có chung n, l là 2(2l +1)
Số điện tử có chung n là 2n
2

Số lượng tử
chính (n)
1 2 3 4
Số lượng tử
quỹ đạo (l)
0 0 1 0 1 2 0 1 2 3
Ký hiệu phân
lớp
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
Số điện tử tối
đa trong 1
phân lớp
2 2 6 2 6 10 2 6 10 14
Số điện tử tối
đa trong lớp
2 8 18 32