Nguyên Lý Hoạt Động Của Nguồn Sáng Laser

Chương 1.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER
1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser.
1.1.1Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng.
Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng
cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử.
Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt thì có thể mô tả:
E=h.υ
-E: năng lượng
-h: hằng số Plăng 6,025.10 -34
-υ: tần số sóng ánh sáng
Nếu coi là sóng:
λ.υ = c
-λ: là bước sóng ánh sáng
-c: vận tốc ánh sáng


Phæ cña Sãng §iÖn tõ tæng qu¸t
Trong ®ã: sãng ¸nh s¸ng tõ hång ngo¹i ®Õn tö ngo¹i lµ
sãng ®iÖn tõ ngang ph¼ng


M« hinh mÉu nguyªn tö


Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử
1s2 2s2 2p6
3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s2
Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp
- s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp
-6,10.. số điện tử trong mỗi phân lớp

4d10

Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp
đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài.
Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể dịch chuyển lên các mức
cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển.
Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng gọi là các
dịch chuyển quang học..


Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử ( còn gọi là
hạt) tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định
- Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản
- Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích
thích
Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển
từ mức thấp lên mức cao, đó là quá trình kích thích.
Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ
chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc
năng lượng cơ,nhiệt.Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai
hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây.


1.1.2. Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser.
Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 1017 ÷1011 Hz, ứng
với bước sóng λ = 1nm ÷ 1mm. Mỗi hạt photon ánh sáng là
một đoàn sóng điện từ có tần số υ xác định.
Khi sóng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên
độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là :

S = F(t - z/v)
- F là hàm mô tả dạng sóng (mà dạng cơ bản thường là
sin hoặc cos) thoả mãn phương trình sóng :

Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian:


Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng
tính và đẳng hướng thì mặt sóng là các mặt cầu đồng tâm ta
có sóng cầu mà phương truyền sóng là các đường xuyên tâm
vuông góc với các mặt sóng gọi là tia sóng.

Biểu thức của sóng cầu sin tính :
S=acos[(ωt – kr) + ϕ0 ]
gọi là số sóng
-a là biên độ sóng cầu tại r =1 đơn
vị.
-ω:tần số sóng
-ϕ0 : pha ban đầu


• Khi ở rất xa nguồn một phần nhỏ của sóng
cầu được coi là sóng phẳng. Sóng phẳng có
các tia sóng song song và vuông góc với
mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên
đường truyền .
• Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng
phẳng.

• Biểu thức sóng phẳng:

S=acos[(ωt – kz) +
ϕ0 ]Ơ-le: eiϕ= cosϕ + isinϕ
Biểu diên theo


z

λ

λ

(a)

(b)

Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳng

z


Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng :
có tính đồng pha của 2 véc tơ E và H và tạo với v một tam
diện thuận .

Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó
chỉ dao động trong mặt phẳng xác định chứa phương truyền v
còn H dao động trong một mặt phẳng vuông góc với E thì
sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân
cực trùng với H.

Sự phân cực ánh sáng
Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong
không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey .
khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là
phân cực elíp. Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn .Ánh
sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn.



• Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại
hai sóng phân cực cùng phương dao động thì
sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng
phương dao động nếu hai sóng thành phần có
cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức:
E1 = a cos(ωt+ ϕ01)
•
E2 = a cos(ωt+ ϕ02)
•
• Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc
tơ quay để xác định pha ϕ và biên độ A của
sóng tổng hợp
E = Acos(ωt+ϕ) :
a1 sin ϕ10 + a2 sin ϕ20
tg ϕ = cos ϕ + cos ϕ A2 =2a2 + 2acos(ϕ01 - ϕ02)
a1
a2
10
20

Hiện tượng giao thoa xảy ra:
-nếu ϕ10 -ϕ20= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a
A

-nếu ϕ10 -ϕ20 = π thì A sẽ nhỏ nhất A = 0
=
=


Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật đô năng
lượng sóng được tính theo biểu thức sau:
S= v.ω
Khi tính theo cường độ sáng (hay độ rọi)

- µ & ε là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường truyền
sóng.
Thường trong các tính toán về năng lượng sóng người ta
chỉ tính với cho đơn giản:


Biểu diễn dưới dạng phức :
Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất
kỳ:


Sự khác biệt của sóng điện từ ánh sáng và
sóng điện từ rađiô
Sóng ánh sáng

Sóng Radio

Nguồn phát

Nguồn thu

Dịch chuyển mức
năng lượng điện tử

Chuyển động có gia
tốc của điện tử

Thu lượng tử E=h
và

Thu liên tục và

Năng lượng tỉ lệ với
bình phương biên độ
sóng

Năng lượng tỉ lệ với
diện tích biên độ
sóng


1.2 Phát xạ kích thích sóng ánh sáng laser.
1.2.1 Nguyên lý phát xạ kích thích Anhxtanh
Các hạt khi hấp thụ năng lượng sẽ chuyển từ trạng thái cơ
bản sang trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ.

Khi ở trạng thái kích thích, sau một thời gian tồn tại rất ngắn
sẽ chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một
phô tôn có mức năng lượng:
E = hν = Ei - Ek
-Ei : mức năng lượng trên
-Ek : mức năng lượng dưới
Gọi là quá trình phát xạ tự nhiên


Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát
xạ tự nhiên là hai quá trình thuận nghịch.


Năm 1928 Anhxtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen
tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích. Theo
Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện tử có hiệu mức
năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương
ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”.
Mức laser trên

Mức laser dưới


Mô tả các quá trình hấp thụ và phát xạ trong tự nhiên


Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch

Trạng thái bị kích thích

ưl gnă N

Trạng thái chưa
ổn định

Trạng thái ổn
định

Quá trình phát
xạ tự nhiên

Quá trình phát
xạ bức xạ kích
thích


Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích:
-Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích
phải phù hợp với phô tôn. Đây là điều kiện của quá trình phát
xạ kích thích.
-Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số,
biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích
thích.Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên
trạng thái ban đầu.


Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của
nguồn phát ánh sáng laser . Tuy nhiên để phát ra được tia
laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích
luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính

chất cơ bản của chùm tia laser.


§Æc tÝnh cña bøc x¹ kÝch thÝch
-Cùng biên độ
- Cùng tần số
- Cùng hướng
- Đồng pha
- Cùng phân cực

-Đơn sắc
-Kết hợp
-Độ tập trung (định
hướng)
-Khả năng đạt mật
độ cao

§Æc tÝnh cña Tia LASER