CAO HỌC CHUYÊN NGHÀNH QUANG HỌC

vẬt lý laser
nHA TRANG, THÁNG 5 NĂM 2008
A. Các khái niệm cơ bản (trạng thái, mức năng lượng, độ tích luỹ, các
chuyển dời quang học cơ bản...)
B. Nội dung
B1. Hoạt động laser trên hai mức (hẹp)
Hoạt động laser trên 03 mức
Hoạt động laser trên 04 mức
B2. các phương pháp bơm (kích thích và khử kích thích)
B3. các môi trường hoạt chất. Môi trường mở rộng đồng nhất và MT MR không
ĐN. khuêch đại bão hoà
B4. buồng cộng hưởng quang học
B5. laser hoạt động ở chế độ phát liên tục và phát xung. Biến điệu độ phẩm chất
của buồng cộng hưởng (các pp thụ động và tích cực)
B6. laser màng mỏng
B7. Các phương pháp phát xung cực ngắn
Cấu trúc các mức năng lượng và trạng thái
2
1
Phân Tử A
Phân bố Boltzmann: sô phân tử - độ
tích lũy (cân bằng nhiệt)






−
−
KT

EE
0i
0i
expn~n







−
KT
EE
0i

i
n

3
1
Phân Tử B
2
4
1
Phân Tử C
2
3
Các chuyển dời quang học cơ bản
Hấp thụ Phát xạ tự động

Phát xạ cưỡng bức
Các sơ đồ laser có thể
0
nn
i
i
=
∑
1
2
Hoạt động laser trên 2 mức
2
1
3
τ
2
>> τ
3

1
2
3
4
τ
3
<< τ
4

n
1

n
2
n
3
n
4
Phát xạ laser
Phát xạ laser
Bơm
Bơm
Bơm
Hoạt động laser trên 4 mức
Hoạt động laser trên 3 mức
Laser là gì?
Laser là chữ viết tắt tiếng Anh
L = Light
A = Amplification by
S = Stimulated
E = Emission of
R = Radiation
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức
Các quá trình kích thích (bơm)
•
Bơm quang học (laser: bơm quang học kết hợp; đèn flash: bơm quang học không kết hợp)
•
Va chạm không đàn hồi với điện tử
•
Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ
•
Bơm hóa học

•
Bơm do tái hợp
•
Bơm nhiệt ...
Các quá trình khử kích thích
•
Bằng phát xạ tự động
•
Va chạm không đàn hồi với điện tử
•
Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ
•
Va chạm vào thành bình
•
phản ứng Hóa học
•
Nhiệt (phonon, dao động)...
•
Hiệu suất laser (optical conversion efficiency and slope efficiency)
4
I
9/2



4
I
11/2

Bơm

(1)


(3)


(4)


(2)


2
S
9/2

4
G
9/2

4
S
3/2

2
S
3/2

4
F
3/2

2
G
7/2

phát xạ laser
các chyển dời
không cho laser
các chuyển dời từ
mức cơ bản lên các
mức cao hơn
Hình I.2.9. Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một nền rắn (các số hiệu của các trạng
thái điện tử cũng là các số hạng phổ nguyên tử)
Cấu hình nguyên tắc của laser
Bơm
CHÙM LASER
MÔI TRƯỜNG LASER
BCH QUANG HỌC
) Bơm quang học
 Kích thích điện tử
 Va chạm không đàn hồi giữa
nguyên tử - nguyên tử hoặc
phân tử - phân tử
 Phản ứng hóa học
) chất rắn
 chất khí
 chất lỏng

 chất bán dẫn

Hình 1.2.13: Sơ đồ mức năng lượng
của ion Cr3+ trong laser ruby.
Hình 1.2.14: a) Phổ hấp thụ .
b) Phổ phát xạ của Cr3+ trong Al2O3
Mặt phản xạ
Hoạt chất
Đèn bơm
Hộp phản xạ (reflector) cho các laser rắn bơm bằng đèn chớp flash
1
5
4
H
2
O
H
2
O
6
Cấu tạo đầu Laser rắn: 1 - đèn bơm, 3 - hộp phản xạ, 4- gương Laser (buồng cộng
hưởng quang học), 5 - hoạt chất, 6 - Chất làm lạnh, 7 – Tia Laser
3
Hình I.2.9. Laser Nd: YVO
4
. Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một
nền rắn YVO4 (các số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số
hạng phổ nguyên tử)
4
I

9/2



4
I
11/2


Bơm


Phát xạ Laser

(1)


(3)


(4)


(2)


2
S
9/2

4
G
9/2


4
S
3/2


2
S
3/2


4
F
3/2


2
G
7/2


Hình 1.2.17: Các chuyển dời quang học trong laser ion Ar+.
Hồi phục
(3)
2E

g
Laser (650 – 1100 nm)
2T
2g
Bơm
(2)
Hồi phục
(1)
Hình I.2.10. Laser Ti:saphire. Cấu trúc của các mức năng lượng của Ti 3+
trong saphire (các số hạng của các trạng thái điện tử được sử dụng từ lý
thuyết nhóm).
(4)
Hình 1.2.15: Laser khí nguyên tử He-Ne. Các chuyển dời quang học trong laser
Những chuyển dời quang học trong laser hơi đồng (nguyên tử).
Hình 1.2.11. Cấu trúc phân tử màu Pyrromethene 576. Các phổ hấp thụ
(đường liền nét) và phổ huỳnh quang (đường chấm) của Pyrromethene 576
Hình I.2.12a: Các mức năng lượng của phân tử màu hữu cơ dùng làm hoạt chất laser
(4)
S1
Hồi phục dao động
Laser
(3)
Bơm
Hồi phục dao động
(2)
(1)
S0
Hình I.2.12b. Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại của chất màu trên các mức điện tử đơn cơ bản
S0 và mức kích thích S1. Cấu trúc dao động của các S0 và S1 không biểu diễn.
C

3
∏
g
(eV)
1
1,6
2
10
X
1
∑
g
A
3
∑
u
B
3
∏
g
r(A
0
)
(1)
(2)
(3)
-Siêu bền
337,1 nm
Những chuyển dời quang học trong laser khí phân tử Ni tơ
Hình 1.2.16: a) Cơ chế hoạt động và các chuyển dời quang học giữa các mức dao

động – quay trong trạng thái điện tử cơ bản ( laser khí phân tử CO
2
)
Hình 1.2.16: b) Vài cấu trúc ống phóng điện của laser CO
2
Các mức năng lượng điện tử của một phân tử khí hiếm hai nguyên tử
(laser excimer)
Các đặc điểm cơ bản của tia laser
•
Tính đơn sắc (Monochromaticity)
+ độ rộng vạch ν
0
= (E
2
– E
1
)/h (linewidth hẹp)
+ BCH chỉ khuếch đại các tần số cộng hưởng
•
Tính kết hợp (Coherence)
+ kết hợp không gian (spatial coherence )
+ kết hợp thời gian (temporal coherence )
•
Tính định hướng (Directionality)
+ góc phân kỳ (giới hạn nhiễu xạ): θ
d
= βλ/D
•
Độ chói (Brightness)
B=4P/(π D θ )

2
(P: công suất laser)
B
max
=4P/(πλβ ) θ
d
(khi có độ kết hợp không gian cao nhất)
Trong trường hợp giới hạn nhiễu xạ: (θ
d
= βλ/D, D=λβ / θ
d
, θ
d
= θ )