Phân tích một vài khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm tia laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------

NGUYỄN HỮU TÀI

PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN
TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ


2

VINH, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------

NGUYỄN HỮU TÀI

PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN
TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC
MÃ SỐ: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học:

TS. NGUYỄN VĂN PHÚ


3

Vinh, 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG
ĐẠI HỌC VINH

Người hướng dẫn khoa học:
TS. Nguyễn Văn Phú

Phản biện 1: TS. Nguyễn Huy Bằng
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Huy Công


4

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn chân
thành sâu sắc nhất của tác giả đến với Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú - thầy giáo
hướng dẫn, thầy đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ
tác giả trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Đối với tác giả, được học
tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy là một niềm vinh hạnh lớn.
Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm
khoa Sau đại học, khoa Vật lí, quý thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy trong quá
trình tác giả học tập. Đồng thời, tác giả cũng chân thành biết ơn đến TS.

Nguyễn Huy Bằng (phản biện 1) và PGS.TS. Nguyễn Huy Công (phản biện 2)
đã tận tình góp ý, giúp đỡ tác giả thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến với những sự quan
tâm, chăm sóc và động viên của gia đình, cảm ơn Ban giám hiệu trường
THPT Mỹ Quí cùng đồng nghiệp, bạn bè đã đồng hành và tạo điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học.

Vinh, tháng 5 năm 2013
Tác giả


5

MỤC LỤC
Trang
Mở đầu................................................................................................................. 5

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của laser ............................................. 7
1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser ..............................10
1.3. Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser .............................................16
Kết luận chương 1 ...............................................................................................24

Chương 2. PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN
TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER
2.1. Dựa trên tính chất kết hợp không – thời gian ......................................25
2.2. Dựa trên tính chất cường độ và tính chất kết hợp...............................27
2.3. Dựa trên tính chất cường độ, định phương, không gian và tính chất

thời gian ............................................................................................................. 34
2.4. Dựa vào tính chất thay đổi bước sóng .................................................38
2.5. Dựa vào tính chất đơn sắc và tính chất kết hợp .................................48
Kết luận chương 2................................................................................................50
KẾT LUẬN CHUNG..........................................................................................51
Tài liệu tham khảo ..............................................................................................53


6

MỞ ĐẦU
Laser là một trong những phát minh lớn trong thế kỷ XX. Thuật ngữ
LASER là viết tắt từ các từ tiếng Anh là: “Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation”, nghĩa là “khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng
bức”. Vật lí Laser đã mở rộng tầm nhìn của con người về ánh sáng. Ánh sáng
thông thường do bức xạ của mặt trời, là tập hợp các bức xạ điện từ có bước
sóng từ 0,2µm đến 40µm. Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được chỉ chiếm
một phần rất nhỏ (từ 0,35µm đến 0,79µm) trong toàn bộ bức xạ điện từ của
bức xạ mặt trời. Quá trình bức xạ của mặt trời là quá trình tự nhiên, nên bức
xạ không kết hợp, không định hướng. Khác với bức xạ mặt trời, bức xạ laser
là một chùm ánh sáng kết hợp, có cường độ cực lớn, đơn sắc với độ phân kỳ
nhỏ, và có thể thay đổi được bước sóng trong một vùng phổ nhất định. Với
khả năng có được chùm ánh sáng như thế, laser đã tạo ra điều kiện để có thể
nghiên cứu hàng loạt các hiện tượng khác thường trong tự nhiên [1].
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng laser đã có
những bước phát triển hết sức to lớn. Laser không những được áp dụng trong
nhiều ngành khoa học và công nghệ, mà còn được sử dụng cả trong những
nghiên cứu thuộc lĩnh vực của cuộc sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho
cộng đồng. Nhiều ý kiến cho rằng “Thời đại Photonic” sẽ thay thế “Thời đại
Electronic” trong một tương lai không xa nữa [2].

Cách đây hơn 50 năm, lần đầu tiên laser ra đời với tư cách là một nguồn
sáng có nhiều tính chất kỳ diệu đến nỗi ngay cả những nhà kỹ thuật giàu trí
tưởng tượng nhất cũng chưa có thể mường tượng được có bao nhiêu ứng dụng
để có thể tận dụng hết những đặc tính ưu việt của ánh sáng mà laser phát ra.


7
Vậy, một số tính chất ưu việt và khả năng ứng dụng cụ thể của chùm tia laser
đó là gì?
Để có thể làm rõ vấn đề ấy nên tác giả chọn đề tài: “Phân tích một vài
khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm
tia laser”.
Trong thực tế thì laser có rất nhiều những ứng dụng khác nhau, bởi lẽ
mỗi ngày lại có thêm những ứng dụng mới cũng như các loại laser mới. Khả
năng ứng dụng của laser là rất đa dạng và rộng lớn, nhưng trong một khoảng
thời gian ngắn thì không thể trình bày hết được những ứng dụng đó. Đối
tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là một vài khả năng ứng dụng cụ thể
gần đây nhất của laser. Qua luận văn có thể giúp chúng ta có một cái nhìn sâu
sắc hơn về một số ứng dụng khoa học của laser, góp phần hạn chế những tác
động xấu, đồng thời nâng cao khả năng ưu việt của ánh sáng laser thông qua
việc chế tạo, sửa chữa, cải tiến các máy móc, thiết bị....
Bố cục của luận văn ngoài các phần: mở đầu, kết luận chung và tài liệu
tham khảo, thì luận văn gồm hai chương chính có nội dung như sau:
- Chương 1: Tổng quan về Laser
Trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của laser, cấu tạo và
nguyên tắc hoạt động của máy phát laser, một số tính chất đặc biệt của chùm
tia laser. Chương này sẽ là cơ sở lý thuyết tiền đề cho chương 2 sau này.
- Chương 2: Một số ứng dụng cụ thể của Laser
Chương này chủ yếu trình bày về một vài khả năng ứng dụng gần đây
nhất của laser vào nghiên cứu khoa học, dựa trên những tính chất của nó,

không hàm ý an ninh hay kinh tế. Cụ thể là nghiên cứu về Quang học phi
tuyến, Holography, điều khiển các phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser trong
công nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử và thông tin liên lạc. Qua chương này


8
sẽ giúp chúng ta có được cái nhìn tổng quan hơn về khả năng ứng dụng mới
của laser.
Chương 1. TỔNG

QUAN VỀ LASER

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của laser
Cơ sở lý thuyết quyết định cho laser đã được Anhxtanh đặt ra từ năm
1917, khi ông đưa ra những ý tưởng cơ bản về bức xạ cưỡng bức và tự phát.
Ông giả thiết rằng: khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùng
với sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng còn xảy ra hai loại bức xạ khác nhau:
bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi
một lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã được kích thích.
a)

τ

E2

hʋ

1. Hấp thụ

E2 – E1 = hʋ

E1
τ

b)

E2

hʋ

2. Phát xạ tự phát

E1

c)

hʋ

E2

hʋ
hʋ

3. Phát xạ cưỡng bức

E1

Hình 1.1.Quá trình tương tác [3]

Hình vẽ thể hiện các quá trình tương tác cơ bản giữa bức xạ điện từ
với vật chất đối với một nguyên tử giả định chỉ có hai trạng thái năng lượng

cho phép. Hấp thụ (a) xảy ra khi năng lượng của lượng tử bức xạ hʋ chính
bằng hiệu năng lượng E1 và E2 giữa hai trạng thái. Sau thời gian tồn tại trung
bình τ hệ đã kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản (b), đồng thời bức xa tự
phát một photon hʋ. Thông qua tương tác của một photon hʋ với một nguyên
tử đã được kích thích, sẽ dẫn tới bức xạ kích thích hay cưỡng bức (c), ở đó sẽ


9
có một photon hʋ được trao cho trường bức xạ, khi đó nguyên tử trở về lại
trạng thái cơ bản.
Ngay từ năm 1928, R. Ladenburg và các cộng tác viên ở Viện Hóa lý Điện hóa đã chứng minh được bức xạ cưỡng bức. Họ cho thấy có bức xạ
cưỡng bức trong sự phóng điện ở dòng điện rất cao trong một ống thủy tinh
có chứa khí hiếm là Neon. Chỉ có điều còn cần nhiều thời gian cho tới khi
người ta có thể dùng bức xạ cưỡng bức này để khuếch đại ánh sáng. Vì có sự
phụ thuộc vào tần số của tỷ lệ giữa bức xạ cưỡng bức và bức xạ tự phát vừa
nói ở trên nên lúc đầu người ta mới chỉ thành công trong miền sóng cao tần.
Đến năm 1954, maser amoniac đầu tiên trên thế giới được chế tạo, maser phát
xạ trong miền sóng vô tuyến cao tần.
Ngày 16/5/1960, tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu California, T. H. Maiman đã thành công trong việc chứng minh bằng thực
nghiệm cho nguyên lý laser và lần đầu tiên ông đã chế tạo được laser ruby
bơm bằng đèn chớp. Laser ruby (hay laser hồng ngọc) là một laser chất rắn.
Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây
và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Laser này phát ra
những xung ánh sáng kết hợp trong miền đỏ của quang phổ khả kiến với bước
sóng 694nm.
Tiếp sau laser rắn xung, năm 1961, chúng ta đã có laser liên tục là laser
Heli - Neon, đồng thời đó là chiếc máy đầu tiên của một loại laser mới là laser
khí (vì môi trường khuếch đại của nó là chất khí) và trên nguyên tắc nó được
kích thích bằng sự phóng điện. Sau đó nhiều laser khí lần lượt ra đời như:
Laser khí ion Argon phát xạ ánh sáng xanh lá và xanh lơ ; Laser khí Cacbonic

phát ra ánh sáng liên tục trong miền hồng ngoại trung bình (nhiệt) với công


10
suất trung bình rất cao ; Laser Excimer là một nguồn ánh sáng mạnh, bền,
phát xung laser trong miền ánh sáng tử ngoại và có công suất trung bình rất
cao. Tất cả các loại laser vừa nêu chỉ phát một loạt những bước sóng cố định.
Năm 1966, Sorokin và Lankard đã có thể biến đổi được bước sóng của
laser và laser màu từ đó ra đời. Laser màu có môi trường hoạt tính là một chất
lỏng mang màu (thật ra là dung dịch thuốc nhuộm có màu).
Trước đây, chúng ta vẫn thường quan niệm rằng laser phải là những hệ
thiết bị cồng kềnh với một loạt các linh kiện quang học được điều chỉnh trên
bàn quang học đặc biệt chống rung và chống dao động. Nhưng từ những năm
1960, nhờ sự kết hợp tài tình giữa quang học và điện tử nên người ta đã chế
tạo ra laser bán dẫn hay laser điốt. Như vậy, lại bắt đầu một bước phát triển
mới làm đảo lộn quan điểm nói trên. Laser bán dẫn không những gọn nhẹ mà
còn có độ tin cậy cao. Nhưng ngay từ bây giờ với nhiệm vụ làm nguồn bơm
cho các laser rắn thông thường, các laser bán dẫn này thay thế cho đèn chớp
và các laser khí quá phức tạp và tốn kém (vì chúng dựa trên hiện tượng phóng
điện rất khó thực hiện).
Với những phương pháp ngày càng chính xác và phức tạp hơn, các hệ
laser càng ngày càng thích nghi hơn. Từ những năm 70 của thế kỷ trước, laser
được bán rộng rãi trên thị trường và đã trở thành công cụ rất dễ sử dụng trong
một phạm vi hết sức rộng lớn.
Từ những năm 1980 đã ra đời một loạt các laser rắn, điển hình là laser
YAG (yttri-aluminium-granat). Để phủ kín miền phổ rộng hơn, bằng những
phương pháp quan trọng nhất để tạo ra ánh sáng đơn sắc, kết hợp và không
phân kỳ, ngày nay người ta chủ yếu dựa trên các vật liệu chất rắn càng ngày

11
càng mới hơn, chẳng hạn Titan-Saphir. Các phương pháp của ngành quang
phi tuyến càng ngày được phổ biến hơn. Đồng thời dãi phổ khuếch đại rộng
vốn có của các vật liệu laser rắn hiện đại cũng đã giải quyết được vấn đề khó
khăn nhất là: những xung ngắn nhất và có cường độ cao nhất, kèm theo một
sự lặp lại các thông số của xung [3].

1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát laser
1.2.1. Cấu tạo của máy phát laser
Laser hay còn gọi là máy phát lượng tử vùng quang học, gồm ba bộ
phận chính: hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (hay còn gọi
là nguồn bơm).

Hình 1.2.Sơ đồ cấu tạo tối thiếu của một laser [3]

1.2.1.1. Hoạt chất
Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua
nó. Đây là môi trường gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc
năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là 3 mức hoặc 4 mức năng
lượng để tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Hoạt chất của laser có rất nhiều loại,
có thể người ta dùng chất rắn, chất lỏng, chất khí, chất bán dẫn,…


12
- Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh được pha
trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như : Sm +3 , Eu+3 , Nd+3 , Cr+3 , …
Laser rắn điển hình là laser Rubi có hoạt chất là tinh thể Al 2O3 trộn
thêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion
Nd+3.
- Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như peperidin

Eu(BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol, methol và có thêm ít
nguyên tố hiếm như Eu+3, Nd+3, …
- Hoạt chất là chất khí bao gồm:
+ Các khí đơn nguyên tử, như: ArI, XeI, NeI,…
+ Các ion khí đơn nguyên tử, như: ArII, KrII,…
+ Các khí phân tử, như: CO2 , CO , N2 , H2O , …
+ Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử, như He - Ne, hay hỗn hợp khí phân
tử như là CO2 – N2 – He , CO – N2 – H2O , …
- Hoạt chất là chất bán dẫn như: GaAs, PbS, PbTe , …Hoạt chất loại này
phải là những chất phát quang [5].
1.2.1.2. Buồng cộng hưởng
Thành phần chủ yếu của buồng cộng hưởng là 2 gương. Một gương có
hệ số phản xạ rất cao (cỡ 99,999%), còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn
để tia laser thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể thay bằng lăng kính
hay cách tử (tùy theo yêu cầu). Hai gương phản xạ có thể để xa hoạt chất hay
gắn chặt với nó [5].
Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ (do hoạt chất
phát ra) có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên, hay nói
cách khác là tạo ra sự phản hồi ngược dương cho môi trường khuếch đại là


13
hoạt chất [5]. Ngoài ra, buồng cộng hưởng còn có tác dụng tạo dao động riêng
(MODE) của trường quang học, đồng thời định hướng cho chùm tia laser phát
ra ngoài [1].
1.2.1.3. Bộ phận kích thích (hay nguồn bơm)
Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tích
lũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động
của laser.
Tùy theo các laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác

nhau, để tạo ra môi trường khuếch đại cho laser, như: kích thích bằng dòng
điện (chủ yếu cho laser khí, laser bán dẫn), kích thích bằng nguồn ánh sáng
không kết hợp hoặc ánh sáng kết hợp, kích thích bằng phản ứng hóa học, kích
thích bằng khí động học, ... Tuy nhiên, mỗi một loại laser chỉ có thể áp dụng
một phương pháp kích thích, phụ thuộc vào bản chất của hoạt chất [5].
* Ngoài ba bộ phận chính vừa nêu ở trên thì trong cấu tạo của laser còn
có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu viêt của chùm tia
laser, như: hộp phản xạ – tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng
trong trường hợp bơm quang học) ; diaphragma – lọc mode ngang, tập trung
năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản ; chất làm lạnh –
giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm mục đích nâng cao độ ổn định của laser [1].
1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của máy phát laser
Muốn có quá trình khuếch đại liên tục các photon ánh sáng thì ta cần
tạo ra tín hiệu phản hồi ngược, tức là làm thế nào để một phần trong số các
photon sau khi đi qua môi trường khuếch đại sẽ quay trở lại đóng vai trò là tín
hiệu vào.


14

Hình 1.3.Nguyên tắc hoạt động của máy phát laser [1]

Bước thứ nhất, một số nguyên tử thực hiện quá trình bức xạ tự nhiên
từ mức năng lượng trên và phát ra photon theo nhiều hướng khác nhau. Trong
số các photon đó có photon truyền theo phương vuông góc với gương phản
xạ. Trong số các photon truyền theo phương vuông góc ấy, có một số sẽ
truyền qua gương và một số sẽ quay trở lại môi trường khuếch đại. Chính
photon này đóng vai trò là tín hiệu quang ban đầu. Quá trình các photon quay
lại môi trường khuếch đại chính là quá trình phản hồi quang học dương.
Bước thứ hai, photon này sẽ kích thích phát xạ cưỡng bức từ mức năng

lượng trên và một photon thứ hai sẽ được phát ra. Hai photon này sẽ truyền
cùng pha với nhau và hướng tới gương thứ hai.
Bước thứ ba, hai photon sẽ quay lại môi trường và tiếp tục kích thích
bức xạ cưỡng bức sinh ra bốn photon truyền tới gương thứ nhất. Từ gương
thứ nhất, một số photon thoát ra ngoài khỏi buồng cộng hưởng. Chùm tia
laser được sinh ra.
Các photon khác được phản xạ lại sẽ tiếp tục hành trình qua lại trong
môi trường khuếch đại và kích thích bức xạ tiếp tục để sinh ra laser.
Nhưng cần phải lưu ý là một số photon khi đi qua môi trường khuếch
đại cũng bị hấp thụ để kích thích các nguyên tử chuyển từ mức năng lượng
dưới lên mức năng lượng trên (như quá trình 3). Đồng thời, sau một lần qua


15
lại giữa hai gương của buồng cộng hưởng, một số photon đi ra ngoài. Như
vậy đã xảy ra quá trình mất mát photon (hay mất mát năng lượng) trong mỗi
lần qua lại buồng cộng hưởng. Hệ số mất mát

β=

Wmm
Wch

(trong đó: Wmm là

năng lượng mất mát tổng cộng trong và ngoài buồng cộng hưởng, còn Wch là
năng lượng tích lũy của buồng cộng hưởng). Quá trình khuếch đại trong
buồng cộng hưởng và phát photon ra ngoài (bức xạ laser) xảy ra liên tục (ổn
Wr

định) khi và chỉ khi hệ số mất mát β cân bằng với hệ số khuếch đại g ( g = W

v

trong đó: Wr và Wv lần lượt là năng lượng tín hiệu ra và năng lượng tín hiệu
vào tương ứng). Hoạt chất của laser chỉ có được khi giữa hai mức năng lượng
nào đó trong đó hoạt chất có nghịch đảo độ tích lũy. Để năng lượng bơm dẫn
tới sự nghịch đảo này thì cần phải có ba hay bốn mức tham gia vào quá trình
tương tác [1].
a. Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng
Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.4
Nhờ bơm quang học, các nguyên tử
sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3. Để
đảm bảo tần số ánh sáng bơm không quá
đơn sắc, người ta thường chọn mức 3 có
một độ rộng tương đối lớn. Khi tới mức 3,

3

2
laser

1
Hình 1.4. Cơ chế bơm ba mức

hệ nguyên tử định cư ở đây không lâu và sẽ chuyển không bức xạ sang mức 2
nằm gần đó và tại đây nó không thể chuyển tự phát xuống mức 1, vì mức 2 là
loại mức siêu bền, các nguyên tử có thời gian cư trú rất lâu. Như vậy, nhờ
bơm mà các nguyên tử sẽ chuyển từ mức 1 sang mức 2 và tạo được sự nghịch
đảo độ tích lũy ở hai mức 2 và 1. Trong chế độ này đòi hỏi xác suất dịch

16
chuyển không bức xạ Γ32 là rất lớn, Γ32 >> Γ31 và mức 2 là mức siêu bền.
Tuy nhiên, do hai mức 3 và 2 khá gần nhau nên bức xạ tự phát ν31 rất
gần bức xạ laser ν21 , và điều này làm nhiễu loạn phần nào hoạt động của
laser. Người ta gọi bức xạ tự phát ν31 là “sum” của máy laser làm việc với chế
độ ba mức năng lượng.
Ta thấy rằng, trong cơ chế bơm ba mức, trạng thái nghịch đảo mật độ cư
trú chỉ xảy ra khi số nguyên tử ở mức 1 ít hơn số nguyên tử ở mức 2. Như
vậy, cần phải có một bức xạ điện từ lớn (công suất lớn) để đưa ít nhất một nửa
nguyên tử ở mức 1 lên mức 3. Cơ chế này hoàn toàn không hiệu quả so với cơ
chế bơm bốn mức năng lượng sau đây [5].

b. Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng
Sơ đồ hoạt động của máy phát laser như hình vẽ 1.5
Nhờ bơm, các nguyên tử ở mức 1

4

sẽ dịch chuyển lên mức 4. Mức này có độ
rộng lớn để không đòi hỏi ánh sáng bơm là
đơn sắc. Tại mức 4, các nguyên tử sẽ
chuyển không bức xạ xuống mức 3 và tại

3
laser

2
1

Hình 1.5. Cơ chế bơm bốn mức

đây nó không chuyển tự phát xuống các
mức dưới do mức 3 cũng thuộc loại mức siêu bền. Mức 2 rất gần mức 1 và có
liên kết quang với mức 4. Vì vậy, các bức xạ tự phát từ 4 xuống 2 sẽ qua quá
trình tích thoát mà chuyển ngay xuống mức 1. Theo quá trình bơm, các
nguyên tử sẽ được chuyển từ mức 1 lên mức 3 và tạo ra sự nghịch đảo độ tích
lũy giữa hai mức 3 và 2. Bức xạ laser xuất hiện trong dịch chuyển 3 và 2 sẽ
không bị ảnh hưởng của bức xạ tự phát 4 và 2. Đấy là ưu điểm của chế độ làm


17
việc theo bốn mức năng lượng.
Điều kiện cần thiết cho sự làm việc này là: xác suất dịch chuyển Γ 43
lớn hơn rất nhiều Γ32 và Γ42 (với Γ32 ≈ 0) , xác suất dịch chuyển Γ21 lớn hơn rất
nhiều Γ42 và Γ12

[5].

1.3. Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser
Bức xạ đặc biệt của laser là gì mà đã làm cho laser trở nên một nguồn
sáng có ứng dụng đặc biệt và đa dạng như thế? Vì laser có những tính chất
đặc biệt khác ánh sáng thông thường, như là:
1.3.1. Kết hợp
Trước hết, nhất thiết phải kể đến tính kết hợp của ánh sáng laser. Điều
đó có nghĩa là trong trường bức xạ, các sóng có quan hệ pha cố định cả về
thời gian và không gian.

Hình 1.6. Tính kết hợp [3]

Nếu dùng các nguồn sáng nhiệt thông thường, chúng ta chỉ có thể thu
được ánh sáng kết hợp khi chịu mất mát rất lớn về cường độ, bởi vì chúng ta
phải đặt một phin lọc màu có dải hết sức hẹp và một điaphram có lỗ rất nhỏ


18
trước nguồn sáng về mặt không gian là rất lớn (hình 1.6.a).
Bức xạ cưỡng bức xuất hiện trong môi trường hoạt tính trái lại tạo
được ánh sáng rất mạnh, có độ kết hợp thời gian cao. Nếu chọn buồng cộng
hưởng quang học thích hợp sẽ xuất hiện tia sáng hình Gauss kết hợp không
gian được đặc trưng bởi một góc mở nhỏ, mặt sóng hình cầu và phân bố
cường độ hướng tâm ứng với bình phương của một đường cong hình Gauss
(hình 1.6.b), tức là trên một màn ở xa laser có một vết sáng đơn sắc rất sáng,
tương đối nhỏ.
Tính kết hợp thời gian được xác định bằng phương pháp giao thoa.
Người ta định nghĩa chiều dài kết hợp là chiều dài ứng với khác biệt tối đa
giữa hai sóng giao thoa nhau, mà chúng ta vẫn còn quan sát được hiện tượng
giao thoa [3].
Trong khi các đèn quang phổ dùng sự phóng điện trong chất khí
thông dụng, chúng ta sẽ đo được chiều dài kết hợp ở bậc lớn hàng mét, thì đối
với một laser Heli-Neon đã được ổn định hóa, chúng ta thậm chí có thể đạt tới
chiều dài kết hợp khoảng hơn một trăm mét. Chiều dài kết hợp lớn có nghĩa là
độ rộng dải phổ của bức xạ rất nhỏ. Như vậy, ánh sáng laser là một dải hẹp
thuần nhất về tần số. Bởi vậy, những laser đặc biệt được ổn định hóa rất thích
hợp dùng làm chuẩn tần số để xác định các đơn vị cơ bản: mét (m) và giây (s).

1.3.2. Cường độ (hay mật độ số photon)
Cường độ tia laser lớn gấp nhiều lần cường độ tia sáng nhiệt thông
thường.
Để rõ tính chất này, ta hãy so sánh cường độ của bức xạ laser khi

công suất thấp bình thường với bức xạ nhiệt.


19
Với laser khí Heli – Neon phát công suất cỡ 1mW ở chế độ liên tục
và với photon nằm trong miền thấy được (0,6328µm) có năng lượng
hν = 10-19J thì số photon laser phát trong một giây sẽ là:
P 10−3
Nφ =
= −19 = 1016 (photon)
hν 10

(1.1)

Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ T ≈ 10000K, bức xạ từ một diện tích
∆A = 1cm2 và cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng ∆ν ≈ 1000Å
thì số photon nhiệt tính theo công thức:
NN =

∆A.∆ν
e

hc
kTλ

≈ 1012 (photon)

(1.2)

(với λ ≈ 6000Å)

−1

So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy, số photon laser gấp 10000 lần số
photon nhiệt. Nếu so sánh với bức xạ laser công suất lớn như của laser Ruby
có công suất cỡ 1GW = 109W thì số photon laser Nφ là 1028 photon, sẽ gấp số
photon nhiệt NN hàng tỉ lần.
Chính nhờ tính chất này mà laser trở thành nguồn sáng quý giá trong
nhiều ứng dụng cụ thể sau này [5].

1.3.3. Định phương
Độ định phương của laser là cao. Tia laser phát ra hầu như là chùm
song song, do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn kilomet mà không bị phân
tán. Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ
và tạo nên cường độ lớn. Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong
không gian. Tuy nhiên, nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang


20
học đã biết, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt
phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng pha trong
toàn bộ khẩu độ của nguồn.
Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với
gương có đường kính d (hoặc diện tích S =

πd 2
) , sau gương chùm tia laser sẽ
4

tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ ∆θ =

d
, ở đây λ là
λ

bước sóng laser, và chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối :
∆Ω = (∆θ ) 2 =

d2 S
≈
λ2 λ2

(1.3)

Góc khối: là phần không gian giới hạn bởi một mặt nón, được đo
bằng diện tích S mà nó chắn trên một hình cầu có tâm ở đỉnh của mặt nón và
bán kính bằng một đơn vị chiều dài. Góc khối cực đại bằng 4π sterađian.
Giá trị góc khối ∆Ω này là cỡ 2π sterađian, rất nhỏ so với góc khối
bức xạ của một nguồn sáng nhiệt [5].
1.3.4. Đơn sắc
Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch ∆ν
của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm bằng 0 thì chùm có độ đơn sắc cao
nhất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định.
Trong trường hợp gần đúng với buồng
cộng hưởng quang học, độ rộng vạch ∆ν có thể
xác định bằng công thức:
Hình 1.7. Độ rộng vạch phổ [1]


21

1
8πhν 0 ( ) 2
τc
∆ν =
P

(1.4)

ở đây: ν 0 là tâm tần số phát,
là thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng,
P là công suất phát của bức xạ, h là hằng số Planck.

Với laser công suất phát P = 10−3W ,

mất mát của buồng cộng

1

hưởng τ ≈ 1MHz ở vùng bước sóng đỏ có ∆ν ≈ 5.10−3 Hz . Đây là độ rộng rất bé.
c
Với các laser, để có được sự ổn định tần số độ đơn sắc cao thì buồng
cộng hưởng phải rất ổn định, độ dài của nó phải thay đổi rất ít, bố trí không
rung động và đặt trong những điều kiện đặc biệt.
Chùm sáng chỉ có một màu duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán
xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây
là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có [5].

1.3.5. Không gian
Tính chất không gian của laser thể hiện ở ba điểm sau:
a. Sự ổn định của các mode ngang

Trong chế độ dừng, người ta gọi mode ngang là ổn định khi sự
phân bố không gian của biên độ trường của sóng là ổn định trong mặt phẳng
trực giao với trục của buồng cộng hưởng. Điều đó có nghĩa là biên độ và pha
của sóng được lặp giá trị của chính mình và không biến đổi trong mặt tiết diện
ngang của buồng cộng hưởng, sau quá trình sóng truyền đi và về giữa hai
gương phản xạ.


22
Với các buồng cộng hưởng có gương cầu, sóng có dạng hình Gauss. Do
đó ở bất kỳ điểm nào trong buồng cộng hưởng, sự phân bố cường độ cũng là

dạng Gauss:

I ( r ) = I 0e

−

2r 2

(1.5)

W 2 (z)

với I 0 là cường độ trên trục của buồng cộng hưởng,

là bán kính của

W (z)

vòng tròn ở đó cường độ giảm một thừa số e2 so với I 0
Khi buồng cộng hưởng là ổn định thì tính chất không gian còn biểu
hiện ở chỗ là chùm tia ló ra sẽ giữ nguyên tính chất phân bố Gauss khi trong
buồng cộng hưởng chúng là phân bố Gauss [5].

b. Độ phân kỳ của chùm tia
Đây cũng là một đặc trưng của tính chất không gian của chùm tia
laser. Đặc trưng này quy định bởi hiện tượng nhiễu xạ.
Tùy vào từng loại laser mà độ chuẩn trực có giá trị cụ thể:

Laser

λ(µm)
Độ chuẩn trực
2θ (mrad)

CO2

Nd:

Nd:

thủy

YAG

AsGa

Rubi

He-Ne

Ar

tinh

10,6

1,06

1,06

0,905

0,6943

0,6328

0,488

1-10

2-10

0,5-10

20-200

0,5-10

0,2-1

0,5-1

ở đây góc nhiễu xạ ∆θ = d/λ

(với λ là bước sóng laser) [5].

c. Sự hội tụ của chùm tia
Với các chùm sáng thông thường, ta không thể hội tụ chùm tia vào
một điểm với đường kính nhỏ tùy ý do gặp hiện tượng nhiễu xạ.


23
Với chùm tia laser thì khác. Laser có thể tập trung hội tụ ở một
điểm có diện tích cỡ λ2 . Chính vì thế, bản thân tia laser đã tập trung năng
lượng ở diện tích nhỏ và là một đặc điểm của tính chất không gian. Nhờ tính
chất này mà với một laser công suất bé ta luôn thu được một mật độ công suất
đáng kể tiện lợi cho nhiều ứng dụng.
Ví dụ với laser He - Ne công suất 2mW dùng thêm thấu kính có
thể hội tụ chùm tia trong một diện tích 10-8 cm2 và sẽ đạt được mật độ công
suất cỡ 200kW/cm2 .
Nếu sử dụng một nguồn điện thông thường thì để có được mật độ
trên, nguồn điện phải có công suất 20kW

[5].

Đây là đặc tính nổi trội của laser so với nguồn sáng thông thường.
1.3.6. Thời gian
Tính chất thời gian của laser biểu hiện cụ thể trong chế độ làm việc

liên tục hay xung của laser.
- Chế độ phát liên tục: Trong chế độ phát liên tục, công suất của một

laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự nghịch đảo mật độ cần thiết
cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn.
- Chế độ phát xung: Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay
đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép
tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể.
Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng
cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu
vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng
tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để
xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn.


24
Hầu hết các laser đều có thể phát liên tục (trừ laser ruby hay laser
thủy tinh ion hiếm). Ngoài ra, các laser cũng dễ dàng làm việc ở chế độ xung
nhờ những biện pháp kỹ thuật riêng.
Trong tính chất thời gian này cần chú ý:
- Khi phát liên tục, theo thời gian, laser có sự thăng giáng về tần số phát
(cỡ vài MHz). Nguyên nhân là do cơ cấu của chính laser, các tác động ngoại
cảnh với buồng cộng hưởng, …
- Khi phát xung năng lượng hay công suất phát liên hệ với nhau qua độ
rộng xung (thời khoảng xung) nhờ công thức: Pc =

E
, với Pc là công suất đỉnh
τ

của xung, E là năng lượng xung, τ là độ rộng xung. Ngoài ra, công suất trung
bình của xung được xác định bằng công thức: Pm = E.νR , với νR là nhịp nhắc
lại của xung, thông thường νR ∈ (1;100)Hz.
- Ngày nay, với kỹ thuật tiến bộ, người ta tạo được dễ dàng các xung cực
ngắn với công suất cực lớn ở các mức độ nano giây, pico giây, femto giây, và
có thể auto giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời
gian cực ngắn [5].

1.3.7. Thay đổi bước sóng
Đây là tính chất cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng. Mỗi
laser đều có thể điều chỉnh tần số trong một miền nhất định dù rằng rất nhỏ.
Người ta thực hiện điều đó bằng cách đưa một yếu tố chọn lọc tần số vào
buồng cộng hưởng, và xác định các mode trong miền phát xạ của môi trường
laser bằng cách thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng.
Riêng laser màu lại cho phép biến đổi liên tục bước sóng trong một


25
miền tương đối rộng. Khi dùng một số chất màu laser thích hợp làm môi
trường laser, ta có thể tạo ra bức xạ laser trong toàn bộ miền phổ từ tử ngoại
gần đến hồng ngoại gần. Mỗi chất màu cho phép biến đổi trong dải bức xạ
của nó từ 20nm đến 50nm nhờ dùng các phương pháp khác nhau. Điều này
hết sức ưu việt cho các nghiên cứu quang phổ và cả sự kích thích chọn lọc các
phân tử trong các quá trình quang hóa [3].

Kết luận chương 1
Trải qua một chặng đường dài hơn 50 năm, Laser có nguồn gốc lịch
sử phát triển riêng của nó.
Laser có cấu tạo gồm ba bộ phận chính: buồng cộng hưởng, hoạt chất
và nguồn bơm. Để có thể có môi trường khuếch đại lớn và ổn định, ta cần sử

dụng môi trường các nguyên tử có cấu trúc năng lượng tuân thủ cơ chế bơm
ba mức năng lượng hay cơ chế bơm bốn mức năng lượng. Nhưng để có hiệu
suất khuếch đại lớn và ổn định theo thời gian thì ta nên chọn các nguyên tử
tuân thủ cơ chế bơm bốn mức năng lượng.
Laser cũng là một loại ánh sáng. Nhưng ánh sáng laser lại khác hẳn
những ánh sáng thông thường (mặt trời, mặt trăng, lửa, …), bởi vì nó có
những tính chất đặc trưng riêng vượt trội hơn hẳn, như là: kết hợp, đơn sắc,
cường độ, định phương, không gian, thời gian và có thể thay đổi được bước
sóng tùy vào mục đích sử dụng.
Chương 2. PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN