Laser siêu ngắn cơ chế phát xạ sóng hài

íJĨP.JịCJ\ị.
trang

ấg

uớí

Luôn

hi

i-ính

lự
ƯÌ

£/72
diu
lự

dắt

dã
của

nghíẽịi

trang
các

giáo

hí

Cịug
dục,

cho

thầg

cô,
tương

mình
những
Lai

chúng £/72.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM TP. Hồ CHÍ
xòú CcĂJW
ỒJV
MINH
KHOA VẬT LÝ
lự hoàn df\Lến
thành thức
củahuôn
L’uận
íà hành

ưăn, trang
£/72 hước
xin cTào
chãn cuộc
thành
dờicảm
củadến:
ơn
mỗi
Ẩhễ.
conQdãn
người.(ơHoàng
dDrong íuốt
dã ặnhiệt
năm ụtình
tại trường
hướng dan , giứịi dỡ ,
dóng góỊj g hiến , hễ trợ tài híẽu tham hhảo
nhưNGHIỆP
ủng hộ
LUẬN cũng
VĂN TỐT
£/72 trong các ìj tưởng mới , tận tình 1 ủa chữa những íai 1 ót
ĐỀ TÀI:
giứỊi £/72 hoàn thành tốt huân văn nàg .
_ Dhầg <ơd\fgugễn cdVgọc dJg dã hễ trợ trong CỊUÚ trình íã
dụng các Ịihần mềm tin học mới, gtứịi dỡ , dóng góịi g hiến và
những hời hhugên chân thành cho huận vãn của £/72 .
dác anh chị trong hhoa dã ủng hộ, dộng viên oà hễ trợ về tín học cho huân văn của

|5
£/72.
_ hdd'ia dinh , người thăn dã dộng viên tính than gi-ứỊi £/72
GVHD : TSKH. LÊ VĂN
hoàn
HOÀNG
thành tốt huận văn.
SVTH
PHẠM
THỊ TUYẾT MAI
dJ

ng: ày
27/04/2009
dPhạm dJhị hUugết <ơA/[aí
NIÊN KHÓA: 2005-2009

hành

người
của

íuôn
tíế

&


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐÀU
Mặc dù hiệu suất của những thiết bị Laser rất thấp - chỉ trên duới 1% nhung
những tia sáng Laser ki diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con
nguời.
Các ứng dụng của Laser có thể dễ dàng đuợc tìm thấy trong đời sống hàng ngày,
từ
máy đọc đĩa CD, máy quét mã vạch ở siêu thị, máy in Laser trong các văn
phòng,
... đến phẫu thuật bằng Laser trong y khoa hoặc những ứng dụng trong thông tin
liên lạc, quân sự và nghiên cứu khoa học [4].
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học - kỹ thuật, kỹ thuật
Laser
cũng đã có những buớc phát triển đáng kể. Đặc biệt, trong những năm gần đây,
các
nhà khoa học đã tạo ra đuợc những xung Laser siêu ngắn với thời gian của mỗi
xung chỉ vài femto giây (lfs = 10"15s)[7]. Thành tựu này đã mở đuờng cho một
loạt
các ứng dụng kỳ diệu mà truớc nay chua từng đạt đuợc. Sử dụng một xung
Laser
siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sóng hài bậc cao của phân tử,
các
nhà khoa học có thể thu đuợc những thông tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân
tử.
Thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài “Laser siêu ngắn và cơ chế phát
xạ


Luận Văn Tốt Nghiệp

thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học khi chưa thật sự cần thiết, tăng

cường minh họa bằng hình ảnh.
Với yêu cầu về nội dung và hình thức trình bày như trên, tác giả thực
hiện
luận văn với những nội dung chính như sau:
Phần 1 trình bày những kiến thức cơ bản về Laser bao gồm lịch sử phát
minh
Laser, đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, các loại Laser, ứng dụng của
Laser[12]. Có nhà khoa học đã nhận định rằng: trong vòng hai thế kỷ trở lại đây,
những phát minh khoa học quan trọng đều là những phát minh do sự tình cờ. Sự
phát minh ra Laser cũng là một trong những phát minh như vậy. Khi hai nhà
khoa
học Townes và Schawlow nghiên cứu chế tạo một công cụ để giúp họ nghiên
cứu
cấu trúc phân tử, không ai nghĩ rằng sẽ chế tạo được một thiết bị đã cách mạng
hóa
nhiều lĩnh vực trong đời sống, từ công nghệ thông tin đến y khoa, từ dân sự đến
quân sự, ... Để người đọc có cái nhìn tổng quát trước khi nghiên cứu chi tiết về
Laser, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Laser[3],
các
đặc điểm của Laser như tính định hướng, độ tụ cao, đơn sắc[l],.. .có minh họa
bằng
hình ảnh hoạt động của Laser ruby, Laser khí He-Ne, Laser bán dẫn,... về cơ
bản,
nguyên tắc hoạt động của Laser khá đơn giản, tuy nhiên để nghiên cứu chi tiết
hơn
về Laser thì cần phải có những khái niệm cơ bản dùng cho Laser, mà quan trọng
nhất là khái niệm sự bức xạ cưỡng bức[2] và sự đảo lộn mật độ cư trú. Các khái


Luận Văn Tốt Nghiệp

tính riêng. Ở đây tác giả giới thiệu hai phương pháp, đó là phương pháp bơm
năng
lượng thường dùng cho Laser rắn và phương pháp phóng điện thường dùng
trong
Laser khí.
Cuối cùng, tác giả trình bày về môi trường hoạt tính của Laser. Thông
thường Laser được phân loại theo môi trường hoạt tính của chúng, ví dụ như
Laser
rắn, Laser khí, Laser bán dẫn, ... Ngoài ra còn một cách phân loại khác mà trong
luận văn không đề cập đến, đó là cách phân loại dựa theo tác dụng sinh học của
Laser đối với con người. Trong cách phân loại này, Laser được chia thành 4 loại
từ

I

đến IV tùy theo tác dụng và sự nguy hiểm của chúng đối với cơ thể người. Cách
phân loại này thường được dùng trong các môi trường làm việc tiếp xúc với bức
xạ
Laser, còn thông thường, người ta vẫn dùng cách phân loại theo môi trường
hoạt
tính. Trong mục này đề cập đến các loại Laser quan trọng và được sử dụng phổ
biến
là Laser rắn, Laser khí và Laser bán dẫn; đồng thời giới thiệu một số Laser
thông
dụng như Laser Nd:YAG, Laser C02, Laser He-Ne,...
Phần 2 và phần 3 trình bày hai nội dung chính của luận văn. Nội dung
của
phần 2 chủ yếu xoay quanh sự phát sóng hài bậc cao - HHG, vì đó là cơ chế tạo
ra

các xung Laser siêu ngắn[7]. Thực ra, có nhiều cơ chế để tạo ra các xung Laser


Luận Văn Tốt Nghiệp

trạng thái kế tiếp. Đồng thời chúng tôi trình bày khá rõ ràng quá trình phát xạ
sóng
hài bậc cao dựa trên mô hình Lewenstein[7]. Mô hình Lewenstein có thể tóm tắt
gồm 3 bước: sự ion hóa xuyên hầm dưới tác dụng của trường Laser siêu ngắn,
các
electron tự do ở lóp ngoài cùng (HOMO) được gia tốc trong điện trường của
Laser
và cuối cùng các electron tái va chạm với ion mẹ của nó bức xạ các photon năng
lượng cao. Nguyên nhân Lewenstein chỉ cho HOMO tương tác với Laser vì các
electron ở lóp ngoài liên kết rất yếu với hạt nhân, do đó chịu tác dụng của
trường
Coloumb yếu hơn các electron bên trong gần hạt nhân, vì vậy trường Laser dễ
tác
động lên các electron ở lóp ngoài nhất. Chúng tôi đã sử dụng Source code do
nhóm
nghiên cứu của TSKH Lê Văn Hoàng viết trẽn phần mềm FORTRAN để tính
toán
sóng hài do Laser tương tác với HOMO phân tử dựa trên mô hình Lewenstein.
Từ
đó chúng tôi đã sử dụng các số liệu thu được vẽ sự phụ thuộc của sóng hài và
các
bậc khác nhau, trong luận văn này chúng tôi sử dụng phần mềm Origin 7.5 để
vẽ
các số liệu dạng cột.
Trong phần 3, tác giả tiến hành cho phân tử HCN tương tác với Laser

dựa
trên mẫu 3 bước Lewenstien. Bằng cách thay đổi các góc định hướng[l 1] giữa
phân


Luận Văn Tốt Nghiệp

Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ có thể trình bày những nét chính
của
vấn đề. Tuy vậy, tác giả vẫn mong rằng các bạn đã có được một cái nhìn khái
quát
và những kiến thức sơ bộ về lĩnh vực này để có thể nghiên cứu tiếp trong tương
lai.

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2009
Tác giả


Luận Văn Tốt Nghiệp

Chương 1-Tổng quan về Laser

1.1. Góc nhìn lích sử
Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng
cách
sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là Laser
[12].
Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Tròi,
các
vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều

xảy

ra

tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng.
Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự
thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự
can
thiệp từ bên ngoài. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên
tử
hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải
phát
ra năng lượng dưới dạng ánh sáng.
Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này
thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của Light
Ampliíĩcation by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng
bằng
sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng Laser khiến cho kĩ
thuật
Laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng


Luận Văn Tốt Nghiệp

Năm 1958 có thể coi là năm đánh dấu sự phát minh ra Laser, với sự ra
mắt
của bài báo khoa học có tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của
Arthur
L.Schawlow - khi đó là một nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell, và
Charles

H. Townes - khi đó là một cố vấn của phòng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp
chí
Physical Review của Hội Vật lý Mỹ.
Tại ĐH Columbia, Townes nghiên cứu về khả năng sử dụng bức xạ cảm
ứng
để nghiên cứu phổ học phân tử. Chính công trình này đã dẫn đến sự phát minh ra
maser và sau đó là Laser.
Townes biết rằng, khi bước sóng của bức xạ vô tuyến giảm dần thì tưong
tác
giữa nó với nguyên tử càng mạnh, làm cho nó trở thành một công cụ trắc phổ
hữu
hiệu hon. Tuy nhiên, trình độ kỹ thuật lúc bấy giờ chưa cho phép chế tạo một
thiết

bị

đủ nhỏ để phát ra bước sóng như mong muốn. Townes nảy ra ý tưởng vượt qua
hạn
chế kỹ thuật này bằng cách sử dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như
mong muốn. Năm 1951, Townes đề nghị một sinh viên mới tốt nghiệp là James
p.
Gordon cùng hợp tác với ông, và thuê H.L. Zeiger làm phụ tá. Cũng trong năm
ấy,
Schawlow chia tay Townes, rời ĐH Columbia để nhận công việc nghiên cứu tại


Luận Văn Tốt Nghiệp

sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký bản quyền sáng
chế

tại ĐH Columbia. Thành tựu buớc đầu này vẫn không xua tan được sự hoài nghi
của
các nhà khoa học đương thời. Nhiều người chế nhạo nhóm của Townes và gọi
thiết
bị MASER là “Means of Acquiring Sponsor for Expensive Research”, tạm dịch
là
“cách thức để nhận được sự tài trợ cho một nghiên cứu tốn kém”.
Sau khi chế tạo maser, Townes lại nhận thấy rằng vùng sóng ánh sáng
hồng
ngoại và khả kiến có thể giúp cho việc nghiên cứu phổ học hiệu quả hơn là vùng
sóng vô tuyến do maser phát ra. Do đó, ông tiếp tục nghiên cứu khả năng mở
rộng
nguyên lý của maser cho vùng sóng hồng ngoại và khả kiến nhằm chế tạo một
thiết
bị giống như maser, nhưng phát ra các bước sóng ở vùng hồng ngoại và khả
kiến.
Năm 1956 khi còn đang ở ĐH Columbia, Townes chuyển sang làm cố
vấn
cho phòng thí nghiệm Bell. Ông vừa làm công việc của một cố vấn vừa suy nghĩ
về
việc kích thích sự phát xạ ánh sáng. Tại phòng thí nghiệm Bell, ông gặp lại
Schawlow. Thật tình cờ là cả hai ông đều đang suy nghĩ về khả năng mở rộng
nguyên lý của maser từ vùng sóng vô tuyến ra vùng các bước sóng ngắn hơn,
như
vùng hồng ngoại và khả kiến. Hai nhà khoa học đã từng hợp tác với nhau trong


Luận Văn Tốt Nghiệp

của họ đăng trên tạp chí Physical Review số tháng 12-1958, khẳng định rằng

nguyên
lý của maser có thể được mở rộng cho những vùng khác của quang phổ, và gọi
thiết
bị đó là Laser, dù cho họ vẫn chưa chế tạo được một Laser thực sự. Các nhà
khoa
học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ
lực
tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hon. Nhiều
khái niệm cơ sở cho sự ra đời của Laser được phát triển cũng khoảng thời gian
đó,
cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm
Bell) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Gould đi thẳng tới việc
đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình, và mặc dù ông
được
công nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông
mới
nhận được một vài bằng sáng chế. Hai năm sau (1960), Schawlow vàTownes
nhận
được bằng sáng chế cho phát minh ra Laser.
Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực
to
lớn nhằm chế tạo một hệ Laser hoạt động được. Tháng 5/1960, Theodore
Maiman,
làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi
ruby
tổng hợp, được công nhận là Laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các


Luận Văn Tốt Nghiệp

Mặc dù Laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các
nguyên

lí

cơ bản có thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức
đầu
tiên thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay Laser có mặt
trên

thị

trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực
hiện
theo hướng tạo ra Laser trong vùng phổ tia X.
Các Laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từ dưới 1

Hình 1: Một số loại Laser


Luận Văn Tốt Nghiệp

1.2.

Nguyên tắc hoạt động

Laser là một thiết bị dùng để tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh [3]. Nó
kích thích các nguyên tử để chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc
biệt.
Một Laser gồm có 3 bộ phận chính:

- Một môi trường hoạt tính - là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chất

rắn
(gọi chung là hoạt chất). Nó là chất liệu để tạo ra ánh sáng Laser.
- Một nguồn năng lượng phát xạ mạnh - còn gọi là nguồn bơm - thường

là
một đèn ống quấn quanh hoạt chất để “bơm” năng lượng vào hoạt chất.
- Một buồng cộng hưởng - là một hệ gương đặt ở hai đầu khối hoạt chất

để
tạo liên kết phản hồi dương trong dãy tần số khả kiến.
Bình thường, các nguyên tử của khối chất ở trạng thái cơ bản, có năng
lượng
thấp nhất [12]. Khi Laser hoạt động, nguồn bơm cung cấp năng lượng cho các
nguyên tử của khối chất này để đưa chúng lên trạng thái kích thích. Đe Laser có
thể
hoạt động được thì các nguyên tử phải được kích thích đến trạng thái có năng
lượng
gấp 2 - 3 lần năng lượng của mức cơ bản. Sau đó các nguyên tử trở về trạng thái
cơ
bản và phát ra các photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa mức kích
thích
và mức cơ bản. Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo ra trong môi


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2. Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp Laser
Hình 2 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đuờng

truyền tăng lên trong hộp cộng huởng do các guơng đặt ở hai đầu mang lại.
Hình

2a

cho thấy sự bắt đầu của phát xạ cuông bức, ánh sáng được khuếch đại trong
hình

2b

đến hình 2g khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp.
Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạ một phần ở phía
bên
phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 2b, d và f). Cuối cùng, ở trạng thái cân
bằng (hình 2h), hộp bão hòa bức xạ cưỡng bức.
Mức độ khuếch đại thu được trong một Laser, biểu diễn bằng thuật ngữ
độ
lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà một photon có thể tạo ra khi nó truyền đi
một


Luận Văn Tốt Nghiệp

Trong Laser có hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ống chứa đầy
khí,
ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường Laser làm phát sinh nhiều
phát
xạ cưỡng bức hơn ánh sáng truyền vuông góc với trục của hộp cộng hưởng. Do
đó,
sự phát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi không

dùng
gương để giới hạn đường truyền của nó theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở
hai
đầu của hộp Laser cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch
đại

do

đường truyền qua môi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm
tập
trung cao (một đặc trưng quan trọng của Laser), do chỉ có những photon truyền
song song với thành hộp là bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi
là
dao động tử, và nó cần thiết, vì đa số vật liệu Laser có độ lợi rất thấp và sự
khuếch
đại đầy đủ chỉ có thể thu được với đường truyền dài qua môi trường.
Đa số Laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả hai đầu của hộp
cộng
hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường Laser.
Cường

độ

phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức
cân
bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ


Luận Văn Tốt Nghiệp

Một nhận thức sai lầm về Laser là ý tưởng cho rằng tất cả ánh sáng phát
xạ
bị phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nó đạt tới giới hạn, rồi thì
một
số “thoát ra” ngoài qua gương ra dưới dạng chùm tia. Trong thực tế, gương ra
luôn
luôn truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại
Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp Laser, nên hiện
tượng
cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ
Laser.
Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ
từ
các gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là
giao
thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động Laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn
toàn cùng pha, chững sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gưong. Các sóng
cũng
sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng
một
số nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh
trong hộp, sóng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài
hộp.
Neu khoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng
thêm
biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội
số
nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động Laser.

Luận Văn Tốt Nghiệp

trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của Laser, vừa khít trong
dải

Q.

Mode hộp

Dải thông độ lợi

Hình 3. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi
Các chùm Laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác
nhau
ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh
sáng
qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết
kế
hộp Laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả
bên
trong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù Laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi
khi
chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau
trong
tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế
hộp
cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân ki chùm tia, số đo mức độ trải rộng
của
chùm tia khi khoảng cách tới Laser tăng lên
Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai

Luận Văn Tốt Nghiệp

ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng
hàng
với nhau, hoặc nếu ánh sáng không đuợc phát ra chính xác dọc theo trục của
hộp.
Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết họp cả guơng phẳng và gương cầu để
đảm
bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc
loại
này có tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới
gương
kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu như không có ánh sáng nào bị thất thoát.
Trong môi trường Laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng
trong
việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong Laser độ lợi cao, sự mất
mát
mức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp
cộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng
lượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường Laser, mặc dù chúng cho phép
ánh
sáng thất thoát. Các gương trong Laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn
các
gương trong Laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thể
truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng
hàng của các gương không có tính quyết định như trong Laser độ lợi thấp, nơi
mà
hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất

hiện
ra ngoài.


Luận Văn Tốt Nghiệp

bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho
mode

E

và n cho mode M).
Một chùm Laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ
về
phía ngoài rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(OO) và có
cường độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 4 minh họa một vài trong
số
nhiều mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số Laser hộp cộng hưởng bền, đặc
biệt

là

những Laser được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều
mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode
bậc

/v\ —OD

AAA TEM"°0°
Hình 4. Mo de ngang của chùm Laser

Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của
đốm Laser có thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia
trong hộp cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đó phân kì ở một số góc phụ
thuộc
vào thiết kế hộp cộng hưởng, kích thước của lỗ hở ra, và gây ra các hiệu ứng
nhiễu
xạ trên chùm tia. Sự nhiễu xạ thường được mô tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia,
hình thành nên các vòng nhiễu xạ (gọi là vòng Airy) bao quanh chùm tia khi


Luận Văn Tốt Nghiệp

kính tối thiểu của đốm sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với
Laser,
chùm trải rộng từ guơng ra có thể đuợc xem là qua một lồ nhỏ, và hiệu ứng
nhiễu
xạ trên chùm tia do guong gây ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thuớc
đốm
sáng của chùm. Đối với các chùm mode TEM(OO), nhiễu xạ thuờng là nhân tố
giới
hạn sự phân kì của chùm.
Neu chùm tia Laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đuờng kính
thích
hợp trong phuơng trình trên là đuờng kính của thành phần cuối mà chùm tia
truyền
qua. Hằng số trong phuơng trình phụ thuộc vào sự phân bố cuờng độ trong
chùm,
và có giá trị rất gần thống nhất với nhau. Mối quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân
kì
chùm tia tăng theo buớc sóng, và giảm khi đuờng kính chùm (hoặc thấu kính ra)

tăng. Nói cách khác, đuờng kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều
và
càng trải rộng ra theo khoảng cách so với chùm lớn.
Giá trị của độ phân kì chùm tia đối với một Laser cho truớc có thể có ý
nghĩa
thực hành rất lớn. Laser helium-neon và Laser bán dẫn trở thành những công cụ
chuẩn trong lĩnh vực trắc địa. Nguời ta gởi một xung Laser nhanh tới một guong
phản xạ góc đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung Laser phản xạ lại có
thể
đuợc đo chính xác để thu đuợc khoảng cách tới nơi đặt Laser. Trẽn những


Luận Văn Tốt Nghiệp

công suất lớn để truyền và nhận các xung ánh sáng từ một vài guơng phản xạ đặt
trên Mặt Trăng để làm giảm hơn nữa sai số đo, có thể chỉ khoảng lmm.
Do cơ chế tạo ra hoạt động Laser liên quan tới việc làm tăng số nguyên tử
hay phân tử lên trạng thái kích thích cao nhằm tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần
thiết,
nên hiển nhiên một số dạng năng lượng phải được đưa vào hệ Laser. Các photon
có
thể được áp dụng để cung cấp năng lượng cần thiết trong một quá trình gọi là
bơm
quang học. Bằng cách chiếu sáng vật liệu Laser với ánh sáng có bước sóng thích
hợp, nguyên tử hay phân tử phát xạ có thể được đưa lên mức năng lượng cao, từ
đó
nó rơi xuống mức siêu bền, và rồi bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng.
Thật may mắn, trong đa số Laser, ánh sáng dùng để bơm không nhất thiết
phải có bước sóng đặc biệt, chủ yếu do Laser có thể có nhiều mức cao có thể
phân

hủy hoàn toàn xuống mức siêu bền. Do đó, một nguồn ánh sáng không đắt tiền
phát
ra một ngưỡng rộng bước sóng, như đèn nóng sáng hay đèn tlash, thường có thể
được dùng làm bơm quang học cho Laser. Một nhân tố quan trọng giới hạn hiệu
suất Laser là photon của ánh sáng bơm phải có năng lượng cao (hay có bước
sóng
ngắn hơn) so với ánh sáng Laser.

1.3.

Đặc trưng của ánh sáng Laser

1.3.1. Ánh sáng Laser có độ đơn sắc cao


Một
Phát xạ tự . Mức ___--photon
phát
hay phân
Tốt Nghiệp
r caoLuận VănJW^
hủy

1.4.

Cơ sở lý thuyết của việc chế tạo Laser
có hiệu quang lộ cỡ khoảng cách nói trên. Chiều dài kết hợp tương ứng đối với
ánh 1.4.1. Sự hấp thụ và bức xạ năng lượng của hệ lượng tử
sáng từ đèn tungsen hoặc từ ống phóng điện qua chất khí chỉ cỡ nhỏ hơn 1 mét
[3] Từ Laser viết tắt của cụm từ Tiếng Anh Light Ampliíĩcation by

[1].
Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ
cảm 1.3.3. Ánh sáng Laser có tính định hướng cao
ứng. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi bức xạ cảm ứng chính là chìa khóa cho
Chùm sáng Laser không còn có tính song song chỉ do có các hiệu ứng
sự
nhiễuđộng của Laser. Einstien đã đưa ra khái niệm này vào năm 1913; mặc dù
hoạt
xạ, đuợc quyết định bởi bước sóng của ánh sáng và khẩu độ lối ra. Ánh sáng từ
thế
các phải đợi tới 1960 mới được nhìn thấy một Laser hoạt động, nhưng cơ sở để
giới
nguồn khác có thể đuợc tạo thành chùm gần nhu song song nhờ thấu kính qua
phát
guơng,
độđặt
phân
của điểm
chùmrất
lớnsớm
hơnđó.
nhiều so với tia Laser.
triển
nónhưng
đã được
vàokìthời

sáng

Bởi vì, mỗi một điểm trên đèn tungsen, chẳng hạn, đều tạo ra một chùm

Trước
Sau

riêng của nó, do đó độ phân kì góc của tia hợp thành sẽ đuợc xác định-không
phải
nhờ sự nhiễu xạ-mà bởi kích thước của dây tóc đèn.

Hình 4: Laser có khả năng hội tụ và độ tụ cao


Luận Văn Tốt Nghiệp

-

Sự hấp thụ:
Hình (a) dưới đây cho thấy một nguyên tử ban đầu ở trạng thái thấp hơn

trong
hai trạng thái, có năng lượng En. chúng ta sẽ giả thiết có một phổ bức xạ liên tục
có
mặt ở đó.
đang

Nếu một photon có năng lượng: hv = E m - E n tương tác với nguyên tử

xét, thì photon sẽ biến mất và nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái năng lượng cao
hơn. Chúng ta gọi quá trình này là sự hấp thụ.
-

Bửc xạ tự phát:

Trong hình (b), nguyên tử ở trạng thái cao hơn và không có một bức xạ

nào
có mặt ở đó. Sau khoảng thời gian trung bình X nào đó, nguyên tử tự động
chuyển
sang trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và trong quá trình đó phát ra một
photon có năng lượng là hv. Chúng ta gọi quá trình này là bức xạ tự phát vì nó
không xảy ra dưới tác động của bên ngoài nào. Ánh sáng từ dây tóc nóng sáng

Hình 5. Quá trình hấp thụ và phát xạ

Hình 6. Sự hấp thụ và bức xạ năng lượng


v Y~
Luận Văn Tốt Nghiệp

- Bức xạ cảm ứng:
Khi nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao như trường họp bức xạ tự
phát,
nhưng bên cạnh đó còn có một phổ liên tục của bức xạ. Cũng như trong sự hấp
thụ,
photon có năng lượng hv = Em - En sẽ tương tác với nguyên tử. Kết quả là,
nguyên tử
sẽ di chuyển xuống trạng thái có năng lượng thấp hơn, nhưng bây giờ có hai
photon
thay vì chỉ có một photon như trước kia.
hv

Bức xạ

Em
Vật
chất

Ẹ

Bức xạ
cưỡng
bức
Bức xạ Vật chất

1.4.2. Sư đảo lôn mât đô cư trú - Nhiêt đô âm
••••••
Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ Laser cưỡng bức là
dưới
những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường, dân cư, hay số
nguyên

tử

hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức.
Do
các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp
hơn
nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy,


Luận Văn Tốt Nghiệp

Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi
xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ
một
trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ
có
thể dễ dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một
số
có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra
phát
xạ. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở
trạng
thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số
phát
xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng
nhiệt
động lực học).
Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở
trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn,
sao
cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp
thụ.
Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là
sự
đảo lộn mật độ cư trú. Miễn là có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao
hơn
so với ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu
được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của
nhiều

Luận Văn Tốt Nghiệp

[4] Yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cuỡng bức và khuếch đại, hay hoạt
động
Laser, là ít nhất phải có một trạng thái năng luợng cao hơn có dân cư nhiều hơn
một
trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự đảo lộn mật độ cư trú có thể được tạo ra qua
hai
cơ chế cơ bản: hoặc là tạo ra dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạng thái
năng
lượng cao, hoặc là làm giảm số nguyên tử, phân tử ở một trạng thái năng lượng
thấp.
Cũng có thể chọn một hệ không bền ở mức năng lượng thấp, nhưng đối với hoạt
động Laser liên tục, phải chú ý vừa làm tăng số nguyên tử, phân tử ở mức cao
vừa
làm giảm số nguyên tử, phân tử ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân
tử
tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt
động
Laser dừng lại.
Phương pháp thông dụng nhất tạo ra sự đảo lộn mật độ cư trú trong môi
trường Laser là bơm năng lượng cho hệ để kích thích các nguyên tử hay phân tử
lên
mức năng lượng cao. Cách cấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy
động môi trường không đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học) để tạo
ra

sự

đảo lộn mật độ cư trú, do nhiệt chỉ làm tăng năng lượng trung bình của các hạt,

chứ
không làm tăng số loại trạng thái kích thích tương đối so với trạng thái thấp. Tỉ
số