tiểu luận lý thuyết đề tài: laser

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG

TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT
ĐỀ TÀI:
LASER
CBHD: Th.S NGÔ HẢI ĐĂNG
SVTH: Đặng Đình Tư 1019317
Dương Thị Hà Trang 1019175
Lê Thị Phương Thùy 1019163
Phạm Thanh Thế 1019149



TP HỒ CHÍ MINH - 2013
1

Tiểu luận lý thuyết LASER

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG

TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT
ĐỀ TÀI:
LASER
CBHD: Th.S NGÔ HẢI ĐĂNG

SVTH: Đặng Đình Tư 1019317
Dương Thị Hà Trang 1019175
Lê Thị Phương Thùy 1019163
Phạm Thanh Thế 1019149



TP HỒ CHÍ MINH - 2013
2

Tiểu luận lý thuyết LASER

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 8
LỜI CẢM ƠN 9
MỞ ĐẦU 10
1. Lý do chọn đề tài 10
2. Mục đích đề tài 10
3. Nhiệm vụ 10
4. Đối tƣợng nghiên cứu 11
5. Phạm vi nghiên cứu 11
6. Phƣơng pháp nghiên cứu 11
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12
1.1. Mức năng lƣợng. Bức xạ. Hệ số Einstein 12
1.1.1. Mức năng lƣợng 12
1.1.2. Bức xạ 12
1.1.3. Các hệ số Einstein 13
1.2. Nhiệt độ tuyệt đối âm 15
1.3. Điều kiện tự kích thích 16

1.4. Độ rộng vạch phổ 18
CHƢƠNG 2: HỆ CỘNG HƢỞNG QUANG HỌC 19
2.1. Buồng cộng hƣởng laser 19
2.1.1. Cấu tạo 19
2.1.2. Chức năng 20
2.2. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hƣởng 22
2.3. Các mode trong buồng cộng hƣởng 23
CHƢƠNG 3: SỰ LAN TRUYỀN CHÙM LASER 25
3.1. Chùm Gauss trong không gian tự do 25
3

Tiểu luận lý thuyết LASER

3.2.Sự truyền của chùm Gauss qua hệ quang học 26
CHƢƠNG 4. CÁC LOẠI LASER 27
4.1. Laser khí 27
4.1.1. Đặc điểm chung của laser khí 27
4.1.2. Laser Heli – Neon 31
4.1.3. Laser ion 32
4.1.4. Laser phân tử khí 34
4.2. Laser rắn. 35
4.2.1. Đặc điểm chung của laser rắn. 35
4.2.2. Laser Ruby 36
4.2.3. Laser rắn có ion hoạt hóa thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm 38
4.3. Laser bán dẫn 39
4.3.1. Cấu tạo laser diode 40
4.3.2. Nguyên tắc hoạt động 42
4.3.3. Tính chất của laser bán dẫn 51
4. 4. Laser màu 54
4.4.1. Các mức năng lƣợng của điện tử trong chất màu 55

4.4.2. Cấu tạo và hoạt động của laser màu 57
CHƢƠNG 5: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER 62
5.1. Trong y học: 62
5.1.1. Lịch sử: 62
5.1.2. Nguyên tắc hoạt động: 63
5.1.3. Ƣu điểm: 66
5.2. Trong đời sống: 66
5.2.1. Lịch sử: 66
5.2.2 Nguyên tắc hoạt động: 67
5.3. Trong công nghiệp: 70
4

Tiểu luận lý thuyết LASER

5.3.1. Sơ lƣợc: 70
5.3.2. Nguyên tắc hoạt động: 70
5.3.3. Ƣu điểm: 72
5.4. Trong khoa học – công nghệ: 73
5.4.1. Lịch sử: 73
5.4.2. Nguyên tắc hoạt động: 74
5.5. Một số ứng dụng khác: 76
Tài liệu tham khảo 78


5

Tiểu luận lý thuyết LASER

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình nguyên tử Bohr 12

Hình 1.2. Quá trình hấp thụ 12
Hình 1.3. Quá trình phát xạ cảm ứng 12
Hình 1.4. Các trạng thái của hệ gồm hai mức năng lượng 15
Hình 1.5. Sự hình thành mật độ đảo lộn 15
Hình 1.6. Sự truyền sóng trong buồng cộng hưởng 17
Hình 1.7. Độ rộng vạch phổ 18
Hình 2.1. Một số loại buồng cộng hưởng 20
Hình 2.2. Mode dao động ngang của chùm laser 23
Hình 4.1. Sơ đồ laser khí 30
Hình 4.2. Các mức He và Ne 31
Hình 4.3. Giản đồ năng lượng của các mức phía dưới của ion Ar 33
Hình 4.4. Phổ năng lượng tạp chất Cr
3+
37
Hình 4.5. Giản đồ mức năng lượng của Nd trong YAG và thủy tinh 38
Hình 4.6. Cấu trúc của một laser bán dẫn đơn giản 40
6

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 4.7. Các mode cộng hưởng lan truyền bên trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot
41
Hình 4.8. Giản đồ vùng năng lượng chuyển tiếp p-n khi chưa áp điện 43
Hình 4.9. Phân cực nối p-n 43
Hình 4.10. Giản đồ vùng năng lượng đơn giản của bán dẫn suy biến loại n (a) và loại p
(b) 44
Hình 4.11. Giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn suy biến 44
Hình 4.12. Sơ đồ năng lượng của tiếp xúc p-n suy biến 45
Hình 4.13. Điều kiện dòng ngưỡng của laser 47
Hình 4.14. Cấu trúc laser tiếp xúc đồng thể và dị thể 48

Hình 4.15. So sánh hoạt động của chuyển tiếp đồng thể và dị thể kép 49
Hình 4.16. Mức năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép khi chưa phân cực 49
Hình 4.17. Mức năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép khi phân cực thuận 50
Hình 4.18: Cấu trúc Gain-guided laser và Index-guided laser 50
Hình 4.19. Sơ đồ mức năng lượng đối với chất màu trong dung dịch 55
Hình 4.20. Laser màu liên tục với nguồn bơm laser Argon 57
Hình 4.21. Cấu trúc phân tử của Rhodamine B và Na-flourescein 58
Hình 5.1. Quy trình các bước trong kĩ thuật LASIK (từ trái qua phải, từ trên xuống
dưới) 65
7

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 5.2. Ổ đĩa quang 67
Hình 5.3. Sơ đồ khối nguyên tắc ghi đĩa của ổ quang 68
Hình 5.4. Sơ đồ nguyên tắc đọc đĩa quang (a) và cấu tạo đĩa quang (b) 68
Hình 5.5. Cấu tạo mắt đọc đĩa quang 69
Hình 5.6. Sơ đồ nguyên tắc cắt bằng laser (a) và đầu căt laser (b) 71
Hình 5.7. Cắt bằng tia laser với độ chính xác cao 72
Hình 5.8. Một số chi tiết được cắt bằng laser 72
Hình 5.9. Nhà vật lý Dennis Gabor (1900 – 1979) 74
Hình 5.10. Sơ đồ cách thức tạo ảnh toàn kí (a) và trính chiếu ảnh toàn kí (b) 74
Hình 5.11. Ảnh toàn kí của một cô gái 75
8

Tiểu luận lý thuyết LASER

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Các loại laser khí 28
Bảng 4.2. Bước sóng của một số laser 53

Bảng 4.3. Một số chất màu hữu cơ và dung môi được sử dụng trong laser 59
Bảng 4.4. Một số chất tạo màu phi hữu cơ 60
Bảng 4.5. Nguồn bơm laser cho laser màu 61

9

Tiểu luận lý thuyết LASER

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài này ngoài việc học thêm nhiều kiến thức mới,
chúng em còn được củng cố thêm nhiều kĩ năng trong hoạt động nhóm, trích lọc kiến
thức từ tài liệu, cách thức trình bày một khóa luận tốt nghiệp, kĩ năng tiếng Anh và
nhiều kiến thức bổ ích khác. Đây thực sự là một kinh nghiệm cho chúng em hôm nay
cũng như quá trình làm khóa luận tốt nghiệp sau này.
Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Hải Đăng đã
hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài này cũng như sự dạy
dỗ tận tình trong suốt thời gian qua. Kính chúc thầy luôn thành công, khỏe mạnh và
công tác tốt
Nhóm cũng xin cảm ơn tập thể lớp 10MM đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua.
Chúc các bạn học tập tốt.

TP HCM, ngày 20 tháng 11 năm 2013
Nhóm 9

10

Tiểu luận lý thuyết LASER

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật hiện đại bắt đầu vào những năm 40 của thế kỉ
20. Những phát minh khoa học, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán
dẫn là tiền đề cho cuộc cách mạng này.Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới
đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển, giảm tiêu hao năng lượng và tài nguyên, giảm
tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm. Bên cạnh đó hai lĩnh vực
nghiên cứu mới cũng được đông đảo các nhà khoa học quan tâm đó là siêu dẫn và
laser. Laser là một nguồn phát ánh sáng có tầm quan trọng ngày càng cao trong khoa
học và đời sống. Nó là nguồn sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng
phát xạ cảm ứng. Laser có nhiều tính chất đặc biệt, hơn hẳn các nguồn sáng tự nhiên
hay nhân tạo khác. Do đó mà laser có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và
đời sống. Nhằm hiểu rõ hơn về cơ sở lý thuyết, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động cũng
như ứng dụng của laser, đó là lý do chúng tôi chọn đề tài này.
2. Mục đích đề tài
Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi của laser chúng tôi tìm hiểu đề tài này
với mục đích:
- Hiểu được cơ sở lý thuyết của laser
- Nêu được cấu tạo và hoạt động của một số loại laser
- Phân tích được vai trò của laser trong một số ứng dụng tiêu biểu
3. Nhiệm vụ
Để hoàn thành đề tài này chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ sau:
- Dịch tài liệu giáo trình tiếng Anh
11

Tiểu luận lý thuyết LASER

- Tìm kiếm thêm tài liệu giáo trình tiếng Việt
- Tìm hiểu thêm trên internet và các đề tài liên quan
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu và nhiệm vụ chúng tôi xác định đối tượng tìm hiểu như
sau:

- Cơ sở lý thuyết của laser
- Cấu tao, nguyên lý hoạt đông, tính chất của laser
- Phân biệt các loại laser
- Ứng dụng của laser
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài này chúng tôi chỉ tìm hiểu sơ lược về cơ sở lý thuyết, cấu tạo và hoạt
động của laser, nêu và phân tích sơ lược ứng dụng của laser
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu
- Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được
- Dịch tài liệu tiếng Anh

12

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 1.3. Quá trình phát x cm ng
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Mức năng lƣợng. Bức xạ. Hệ số Einstein
1.1.1. Mức năng lƣợng
Mức năng lượng theo thuyết Bohr nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân nằm ở
trung tâm và các electron quay xung quanh. Khi
không bị kích thích các electron chuyển động trên
những quỹ đạo tròn quanh hạt nhân, có năng lượng
xác định gọi là quỹ đạo dừng. Lúc này electron
không hấp thụ và bức xạ năng lượng. Khi electron
hấp thụ năng lượng nó chuyển lên mức năng lượng
cao, còn khi chuyển về mức thấp nó bức xạ năng
lượng.
1.1.2. Bức xạ

Bức xạ cảm ứng và bức
xạ tự phát giả thiết rằng hạt có
hai trạng thái với năng lượng
tương ứng W
m
> W
n
. Nếu hạt
đang ở mức n nhận năng lượng
hν = W
m
– W
n
hạt sẽ chuyển lên
mức m. Ngược lại hạt đang ở
mức m có thể chuyển về mức n và bức
xạ năng lượng hν. Nếu quá trình chuyển mức này xảy ra do một bức xạ khác duy
Hình 1.1. Mô hình nguyên t Bohr
Hình 1.2. Quá trình hp th
13

Tiểu luận lý thuyết LASER

chuyển ngang qua thì gọi là bức xạ cảm ứng, ngược lại nếu chuyển mức này xảy ra mà
không có tác dụng nào từ bên ngoài gọi là bức xạ tự phát.
Photon phát ra do bức xạ cảm ứng có các tính chất quan trọng: tần số, sự phân
cực, pha, biên độ của nó trùng với photon đầu gây ra nó.
1.1.3. Các hệ số Einstein
Một hệ lượng tử có tương tác với trường ngoài có thể xảy ra cả ba quá trình hấp
thụ, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích như đã nói ở trên.

Gọi dω
tp
, dW
mn
,dW
nm
lần lượt là xác suất chuyển mức tự phát, chuyển mức cảm
ứng và hấp thụ, Einstein giả thuyết:
dω
tp
= A
mn
dt
dW
mn
= B
mn
ρ
ν
dt
dW
nm
= B
nm
ρ
ν
dt
với ρ
ν
là mật độ phổ năng lượng trường điện từ

A
mn
, B
mn
, B
nm
là các hệ số không phụ thuộc thời gian và mật độ phổ năng lượng
trường điện từ.
Gọi N
n
, N
m
lần lược là số hạt trên mức n,m, V là thể tích chứa hạt ta có:
Số photon tự phát: N
m
Vdω
tp
= N
m
A
mn
dt
Số photon cảm ứng: N
m
VdWmn = N
m
VB
mn
ρ
ν

dt
Số photon hấp thụ: N
n
VdW
nm
= N
n
VB
nm
ρ
ν
dt
Trong trạng thái cân bằng nhiệt sự phân bố hạt tuân theo phân bố Boltzmann,
số hạt tại mức I trong 1 cm
3

14

Tiểu luận lý thuyết LASER
















Từ các phương trình trên ta có:



 





















Ở nhiệt độ lớn, một cách gần đúng ta có:





a suy ra:













 

Khi KT >> hν ta có:











Mặt khác theo nhiệt động lực học ta có:








Từ hai phương trình trên ta có:










15

Tiểu luận lý thuyết LASER

ưvậy để mô tả các quá trình xảy ra khi hệ lượng tử tương tác với điện từ
trường ta chỉ cần biết một trong ba hệ số Einstein.
Hình 1.4. Các trng thái ca h gm hai mng

1.2. Nhiệt độ tuyệt đối âm
Ta xét hệ gồm hai mức năng lượng không suy biến m,n với năng lượng tương
ứng W
m
, W
n
ta có số hạt trên mỗi mức là:
























Ta có thể rút ra:



 









ư vậy khi N
n
< N
m
ta có T < 0
Trạng thái này của hệ gọi là có nhiệt độ tuyệt đối âm
hay trạng thái mật độ đảo lộn. Khả năng tạo ra mật độ đảo lộn
của môi trường hoạt tính là yếu tố cơ bản để có thể khuếch
đại ánh sáng và phát laser.

Hình 1.5. S hình thành mt
 o ln
16

Tiểu luận lý thuyết LASER

Những đặc điểm của nhiệt độ âm:
a. Trạng thái ứng với nhiệt độ âm có năng lượng cao hơn trạng thái ứng với
nhiệt độ thường.
b. Chỉ có thể nhận được trạng thái có nhiệt độ âm đối với hệ có số mức năng
lượng hữu hạn
c. Nhiệt độ âm chỉ mô tả trạng trái của môi trường hoạt tính chứ không phải là
nhiệt độ của môi trường xung quanh laser. Laser có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ
từ nhiệt độ heli lỏng đến nhiệt độ phòng, nhưng môi trường hoạt tính luôn luôn có
trạng thái mật độ đảo lộn.
1.3. Điều kiện tự kích thích
Giả sử sóng đơn sắc có cường độ I truyền trong môi trường hoạt tính theo trục z,
ta có:
dI = GIdz với G là hệ số khếch đại lượng tử trong môi trường hoạt tính.
Vì sóng truyền đi trong môi trường bị mất mát do nhiều nguyên nhân như nhiễu
xạ,… do đó:
dI = (G - G
n
)Idz
với G
n
là hệ số mất mát.
Lấy tích phân phương trình trên ta được:
I = I
0
exp[(G - G
n
)z]
17

Tiểu luận lý thuyết LASER

Gọi cường độ sóng xuất phát từ gương thứ nhất là I
10
, ta có cường độ sóng sau
khi phản xạ tại gương thứ hai là:
I
20
= r
2
I
10
exp[(G - G
n
)l]
Với r
2
là hệ số mất mát trên gương hai, l là khoảng cách hai gương.

Hình 1.6. S truyn sóng trong bung cng
Cường độ sóng phản xạ lần thứ hai trên gương thứ nhất là:
I
10
’ = r
1
r
2
I
10
exp[2(G - G

n
)l]
Như vậy để hệ tự kích thích thì:
I
10
’ = I
10

Hay:










