LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 1 pot

LASER VÀ

ỨNG DỤNG
TS. Nguyễn Thanh Phương
Bộ

môn Quang học và

Quang điện tử
Mởđầu
31/08/2011 3
Out line
30 lý

thuyết + 15 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
31/08/2011 4
What

is

a laser?
femto-second

TiSa

laser

Femtosource-200, by

Femtosource
standing-wave

fs-oscillator
standing-wave

fs-oscillator
31/08/2011 5
What

is

a laser?
amplifier: Titan-

Saphire crystal

amplifier: Titan-

Saphire crystal
multilayer

dielectric

mirror

on piezo-

electric

transducer

multilayer

dielectric

mirror

on piezo-

electric

transducer
multilayer

dielectric

chirped

mirror

multilayer

dielectric

chirped

mirror
single-axis

translation

stage

single-axis

translation

stage

triple

control

mirror

mount
triple

control

mirror

mount
lens

for

mode
matching

of
pump beam

lens

for

mode
matching

of
pump beam
pump beam:
frequency

doubled,
diode

pumped

YAG laser

pump beam:
frequency

doubled,
diode

pumped

YAG laser
water-cooling
of crystal
water-cooling
of crystal
standing-wave

fs-oscillator
standing-wave

fs-oscillator
flexure

stage
flexure

stage
femto-second

TiSa

laser

Femtosource-200, by

Femtosource
31/08/2011 6
What

is

a laser?
31/08/2011 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
What

is

a laser?
folded

feedback

cavity

with

confocal

geometry

folded

feedback

cavity

with

confocal

geometry
volume

holographic

transmission

phase

grating

volume

holographic

transmission

phase

grating
laser

diode

mount

with

TEC-cooler

laser

diode

mount

with

TEC-cooler
λ/4-waveplate for

frequency-stabilization
λ/4-waveplate for

frequency-stabilization
31/08/2011 9
Why

are

these

NO

lasers?
some

devices

EMIT laser

radiation
although
they

are

NO laser
31/08/2011 10
Why

to deal with

lasers?
Lasers are

used

for

medical

applications
31/08/2011 11
Why

to deal with

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
31/08/2011 12
Why

to deal with

lasers?
Lasers are

a key

part

of todays
consumer

electronics, telecommunication, and computer

technology

Digital Video Disk (DVD)
31/08/2011 13
Why

to deal with

lasers?
Lasers can

be

cheap

(few

US$ per piece)
most

laser

diodes

are

complete

diode

laser

systems
laser

diodes

& diode

lasers
31/08/2011 14
Why

to deal with

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
31/08/2011 15
Why

to deal with

lasers?
Last but

not

least: lasers

are

cool…
31/08/2011 16
What

is

a laser?
in short: a LASER (Light Amplification

by

Stimulated

Emission of Radiation)
consists

of two

units:
(i)

the

optical

amplifier

converts

pump energy

into

"coherent

radiation"
(ii)

the

optical

resonator

provides

optical

feedback

which

is

mandatory
for

sustaining

optical

oscillation
optical

amplifier
optical

resonator
Chương I:

photon và

nguyên tử
I.1. Nguyên tử, phân tử

và

chất rắn
I.1.1. Mức năng lượng
31/08/2011 18
a) Phương trình Schrödinger
I.1.1 Mức năng lượng
Trong đó: ψ: hàm sóng của hạt

ħ:hằng số

Planck rút gọn ~ 1,054×10
−34

Js

V: thế

năng của hạtm: khối lượng của hạt
r: tọa độ

của hạt t: thời gian

j: đơn vịảo
t
tr
jtrtrVtr
m ∂
Ψ∂
−=Ψ+Ψ∇−
),(
),(),(),(
2
2
2
h
h
(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 h
ψ
=
Ψ
(1.2)
)()()()(
2
2
2
rErrVr
m
ψψψ
=+∇−
h
(1.3)
(1.1) ⇔
(1.3) là phương trình Schrödinger đối với các trạng thái dừng
1
2

=
∫∫∫
+∞
∞−
dxdydz
ψ
(1.4)
31/08/2011 19
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
h
πε
(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
ψ(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
31/08/2011 20
I.1.1 Mức năng lượng

)()()(),,(
φ
θ
φ
θ
ψ
mlmnlnlm
rRr
Φ
Θ
=
(1.7)
Điện tử

có

khối lượng xác định, luôn luôn chuyển động xung quanh hạt
nhân do đótrạng 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 quỹđạo lên
hướng của trường ngoài l
H
= mħ. Như

vậy:
)1( += lll h
r
(1.6)

l = 0,1,2 n-1: số

lượng tử

quỹđạo xác định độ

lớn mômen động lượng quỹ

đạo của điện tử
31/08/2011 21
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
r
)1( += SSS h
r
(1.8)
SlJ
r
r
r
+=
(1.9)
)1( += JJJ h
r
(1.10)
J = |l + S|

là

số

lượng tử

mômen toàn phần hay số

lượng tử

nội
31/08/2011 22

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

ψψψ
=+∇−
∑
=
h
(1.11)
(1.12)
∑∑∑
===
+=
Z
i
Z
j
ji
Z
i
i
r
e
r
Ze
rV
11
,
2
1
2
)(
r

j

là

khoảng cách từđiện 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

quỹđạo
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+=
nJn
Z
n
eZm
E
e
n
4
3

2/1
1
1
2
22
22
42
α
h
(1.13)
α

= e
2
/ħc là

hằng số

cấu trúc tinh vi, m
e

là

khối lượng nguyên tử
31/08/2011 23
I.1.1 Mức năng lượng
Nguyên lý

Pauli: Ở

mỗi trạng thái lượng tửđược 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

quỹđạo (l)
0
Ký

hiệu phân
lớp
1s
Sốđiện tử

tối
đa trong 1
phân lớp
2
Sốđiện tử

tối
đa trong lớp
2
31/08/2011 24
I.1.1 Mức năng lượng
Nguyên lý

Pauli: Ở

mỗi trạng thái lượng tửđược 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

quỹđạo (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
Sốđiện tử

tối
đa trong 1
phân lớp
2 2 6 2 6 10 2 6 10 14
Sốđiện tử

tối
đa trong lớp
2 8 18 32
31/08/2011 25
I.1.1 Mức năng lượng
Cấu hình điện tử: nl
u
Ví dụ:

He có 2 điện tử cấu hình ở trạng thái cơ bản: 1s
2

, Ne có 10 điện tử: 1s
2
2s
2
2p
6
trong đó

l kí

hiệu bằng s, p, d, f, g, h, i

tương ứng với l = 0, 1, 2, 3, 4
u chỉ

sốđiện tử

trong mỗi phân lớp
K có

19 điện tử: ???