Tài liệu Nguyên lí về laser

Chương 1.

NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ 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.
+Bản chất: ánh sáng là trường sóng điện từ ngang phẳng lan truyền
trong không gian
+Nguồn gốc: sóng điện từ ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển
từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ
nguyên tử.
+Tính chất:
- Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt ( là phô tôn ) :

E=h.
-E: năng lượng , h: hằng số Plăng 6,025.10 -34 , : tần số sóng ánh sáng

-Nếu coi ánh sáng có tính chất sóng ( là sóng điện từ trường ngang
phẳng):

. = c
-: là bước sóng ánh sáng,c: vận tốc ánh sáng (c≈3.108 m/s)


Mô hình hiệu ứng quang điện

Hiện tượng giao thoa

Mô hình tán xạ Côm-tơm

Hiện tượng nhiễu xạ

Phổ trường sóng điện từ ngang phẳng

Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng từ 10nm đến 1mm
( tần số 30PHz đến 300GHz)




Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ
Bước
sóng
B Bước
sóng

Tên

TầnTần
sốsố (Hz)

Năng lượng photon (eV)
Phô tôn

(eV)
Radio
Radio

1 mm - 100000 km

300 GHz - 3 Hz

12.4 feV - 1.24 meV

ViViba
ba

1 mm - 1 met

300 GHz - 300 MHz

1.7 eV - 1.24 meV

Tia hồng ngoại

700 nm - 1 mm

430 THz - 300 GHz

1.24 meV - 1.7 eV

380 nm-700 nm

790 THz - 430 THz

1.7 eV - 3.3 eV

Tia
tử ngoại
Tia

tử ngoại

10 nm - 380 nm

30 PHz - 790 THz

3.3 eV - 124 eV

Tia X

0,01 nm - 10 nm

30 EHz - 30 PHz

124 eV - 124 keV

TiaTia
gamma
gamma

≤ 0,01 nm

≥ 30 EHz

124 keV - 300+ GeV

Tia hồng ngoại

Ánh
sángsáng

nhìn thấy
Ánh
nhìn

Tia X

thấy


Mô hinh mẫu nguyên tử Bohr
Cấu tạo lớp điện tử trong nguyên tử
1s2 2s2 2p6 3s 2
3p 6
3d 10 4p 6
- 1,2,3: Chỉ số lớp của vỏ nguyên tử
- s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp
- 2,6,10.. số điện tử trong mỗi phân lớp

Sự suy biến thành các phân lớp
hoặc siêu phân lớp do các nguyên
nhân tương tác khác nhau giữa các
nguyên tử làm cho các điện tử của
nó có rất nhiều mức năng lương
khác nhau

5s2

4d10

- Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể chuyển lên các mức năng
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
khoảng 10 -8 ÷ đến 10 -9. giây, sẽ chuyển về mức năng lượng
thấp hơn sau khi phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ, nhiệt


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  = 10nm ÷ 1mm.
- Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số  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 điều hòa thoả mãn phương trình sóng :

2S 1 2S
 2 2

2
z
v t
Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian:
2S 2S 2S 1 2S
S  2  2  2  2 2
x
y
z
v t


-Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng
tính và đẳng hướng phát ra mặt sóng là các mặt cầu đồng
tâm ta có sóng cầu .
-Sóng cầu có 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 = a.cos[(t – kr) + 0 ]
-a: là biên độ sóng cầu tại r =1
-: tần số sóng
-0 : pha ban đầu
2
-Số sóng k 



• 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[(t – kz) + 0 ]
Biểu diễn theo Ơ-le: ei= cos + isin

S ae

i   t  kz   0 


Tính phân cực của sóng ánh sáng

Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng :

v

có tính đồng pha của 2 véc tơ E và H và tạo với một tam
diện thuận .


v

→
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 E.


Sự phân cực chùm 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.

→




HIỆN TƯỢNG CHỒNG SÓNG
Nếu trên đường truyền sóng có 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 dạng:
E1 = a cos(t+ 01)
E2 = a cos(t+ 02)
Dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để
xác định pha  và biên độ A của sóng tổng hợp
E = Acos(t+) :

tg  =

a1sin  10  a2 sin  20
a1 cos 10  a2 cos 20
A2 =2a2 + 2acos(01 - 02)


Hiện tượng giao thoa xảy ra:
-Nếu 10 -20= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a
-Nếu 10 -20 =  thì A sẽ nhỏ nhất A = 0

Hiện tượng giao
thoa hoàn toàn


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

- µ &  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 đơn giản:


Biểu diễn dưới dạng phức :
*

i

I c.c a.e a.e

 i

a

2

Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất
kỳ:

c
c
v

n
r r

-c:vận tốc ánh sáng trong chân không
c = 299.792.458 m/s
- n: chiết suất môi trường

r 


0

r 


0


Đặc điểm của sóng điện từ ánh sáng
Nguồn phát
Dịch chuyển mức năng lượng điện tử trong nguyên tử
Nguồn thu
Thu lượng tử E=h và năng lượng tỉ lệ với bình phương biên độ
sóng – hay luỹ thừa bậc 4 của tần số
Lan truyền

Truyền thẳng và Giao thoa ( Hiện tượng chồng 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 = h = 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 ở trạng thái
kích thích có hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép
tuwng ứng với năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ
kích thích”.

Mức laser trên

Mức laser dưới