LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về LASER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ LASER

GVHD: Thầy Lê Văn Nhạn
GVPB: Thầy Hồ Hữu Hậu
Cô Dương Bích Thảo

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm
MSSV: 1080316
Lớp: SP Vật lý – CN K34

Cần Thơ, 05/2012


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài “Tìm hiểu về laser”, em đã gặp
không ít khó khăn về mặt kiến thức. Nhưng với sự hướng dẫn
tận tâm, chu đáo, và sự động viên của Thầy Lê Văn Nhạn đã
giúp em hoàn thành đề tài đúng tiến độ. Em xin chân thành cám
ơn Thầy Lê Văn Nhạn, Thầy luôn chỉ bảo, góp ý cho em về nội
dung và hình thức để đề tài hoàn thành một cách tốt nhất.
Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trường đại học Cần Thơ
và quý Thầy, Cô trong bộ môn vật lý đã tận tình truyền đạt cho
em những tri thức quý báo trong suốt quá trình học tập.

Em xin cám ơn các bạn tập thể lớp vật lý_công nghệ
K34 đã nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài này.
Và lòng biết ơn chân thành với những người thân trong gia
đình đã luôn ủng hộ em về mặt vật chất lẫn tinh thần để em yên
tâm học tập tốt.

Cần Thơ, ngày 22 tháng 04 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hồng Đậm


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
-----

-----

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
-----

-----

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2012
Giáo viên phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn……………………………………………………………………………
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn…………………………………………………..
Nhận xét của giáo viên phản biện……………………………………………………
Mục lục………………………………………………………………………………
Phần mở đầu…………………………………………………………………………
Phần nội dung………………………………………………………………………..
Chương I: Tổng quan về laser………………………………………………………... 1
1.1 Lịch sử hình thành tia laser……………………………………………….. 1
1.2 Sơ lược về laser………………………………………………………........ 2
1.3 Ứng dụng của laser………………………………………………………... 4
Chương II: Cơ sở vật lý của laser…………………………………………………….. 5
2.1 Sự hình thành ánh sáng laser……………………………………………… 5
2.2 Đặc điểm của tia laser…………………………………………………......16
2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất………………………20
2.4 Các chế độ hoạt động của laser……………………………………………24
2.5 Lý thuyết về buồng cộng hưởng quang học……………………………….30
Chương III: Các loại laser…………………………………………………………….36

3.1 Laser rắn…………………………………………………………………...36
3.2 Laser khí…………………………………………………………………...42
3.3 Laser lỏng………………………………………………………………….51
Chương IV: Các ứng dụng của tia laser……………………………………………....57
4.1 Trong y học………………………………………………………………..57
4.2 Ứng dụng laser trong quân sự……………………………………………..59
4.3 Ứng dụng laser trong công nghiệp hiện đại……………………………….61
4.4 Ứng dụng laser trong nghiên cứu vũ trụ…………………………………..71
Phần kết luận………………………………………………………………………….73
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………....74


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lý học là ngành khoa học thực nghiệm, vật lý có mặt khắp nơi trong mọi
lĩnh vực. Cuộc sống ngày càng phát triển thì con người không ngừng tìm tòi và khám
phá và ứng dụng những thành tựu vật lý vào phục vụ nhu cầu cuộc sống.
Vào thế kỉ 20 việc phát hiện ra tia laser là một phát hiện vĩ đại. Ánh sáng laser
đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở
Malibu, California.
Laser chính là nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa vào hiện
tượng phát xạ cảm ứng, và chùm phát ra bức xạ được gọi là chùm laser. Từ một khái
niệm mơ hồ trong phòng thí nghiệm tia laser đã bắt đầu trở thành một phần không thể
thiếu trong các ngành công nghệ hiện đại. Rất nhiều điều kỳ diệu mà tia laser đã mang
lại cho con người như:
-Trong y học, thẩm mỹ: các khối u ung thư, phẫu thuật bên trong mắt không còn
gây khó khăn trong việc chữa trị khi đã có tia laser.
- Trong thương mại, các khâu kiểm tra hàng hóa cuối cùng thường sử dụng mã
vạch có thể đọc bằng một laser helium-neon ánh sáng đỏ lắp tại quầy tính tiền.
- Trong công nghiệp, laser là những lưỡi cưa, những máy khoan hiện đại, nó có

thể cắt và xuyên thủng những vật liệu cứng như kim loại, kim cương….
- Trong quân sự, các loại vũ khí laser như súng laser, bom định vị bằng tia
laser….
Sự ra đời của tia laser như một lời giải cho bài toán khó, nó đã góp phần quan
trọng trong đời sống của con người, là một phần không thể thiếu trong thời đại khoa
học kỹ thuật ngày nay. Bên cạnh những mặt tích cực mà laser đã mang lại thì chúng
còn không ít những hạn chế. Laser tuy đã ra đời cách đây 50 năm nhưng nó vẫn còn gì
đó là thuộc về tương lai mà chúng ta cần phải quan tâm và khai phá. Đó cũng là lý do
mà em chọn đề tài này.
1.2 Mục đích của đề tài
Đề tài nhằm để trả lời các câu hỏi về:
-

Tia laser được hình thành như thế nào?

-

Bản chất của tia laser?


-

Các loại tia laser?

-

Tia laser tương tác với vật chất như thế nào?

-

Nguyên lý hoạt động của máy phát laser?

-

Các ứng dụng hiện đại của tia laser.

2. Giới hạn của đề tài
Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ đề cập những
vấn đề cơ bản nhất của tia laser như: các cơ sở vật lý của laser, nguyên lý làm việc của
các loại máy phát laser và những ứng dụng của tia laser.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về vật lý lượng tử, cơ sở vật lý laser. Nghiên cứu dựa
trên cơ sở phân tích tài liệu từ sách, báo, internet…
- Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn.
4. Các bước thực hiện
Đề tài thực hiện theo các bước:
Bước 1: Nhận đề tài, xác định những nội dung cần đạt được của đề tài.
Bước 2: Tìm, nghiên cứu tài liệu có liên quan đến đề tài và lập đề cương của đề
tài.
Bước 3: Viết báo cáo, sữa chữa theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
Bước 4: Báo cáo đề tài.
B. NỘI DUNG
Chương 1: Tổng quan về tia laser
1.1 Lịch sử hình thành tia laser
1.2 Sơ lược về tia laser
Chương 2: Cơ sở vật lý của tia laser
2.1 Sự hình thành ánh sáng laser
2.1.1 Mức năng lượng, các loại bức xạ.Các hệ số Einstein
2.1.2 Cấu trúc hệ thống của tia laser
2.1.3 Dịch chuyển quang học

2.1.4 Độ rộng và đường bao vạch phổ
2.2 Đặc điểm của tia laser
2.2.1 Tính chất nở rộng vạch phổ
2.2.2 Tính đơn sắc


2.2.3 Tính định hướng cao
2.2.4 Tính kết hợp
2.2.5 Cường độ của tia laser
2.2.6 Mật độ phổ (độ chói cao)
2.3 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất
2.3.1 Phương pháp bơm năng lượng
2.4 Các cơ chế hoạt động của tia laser
Chương 3: Các loại tia laser
3.1 Laser rắn
3.2 Laser khí
3.3 Laser lỏng
Chương 4: Các ứng dụng của tia laser
4.1 Trong y học
4.2 Trong quân sự
4.3 Trong công nghiệp hiện đại
C. PHẦN KẾT
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ LASER
1.1 Lịch sử hình thành tia laser
Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng mặt trời,
các vì sao, các bóng đèn nóng sáng, đèn huỳnh quang,…đó là những ánh sáng được
sinh ra do nguyên tử bị kích thích phát ra photon. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân
tạo thông thường được phát ra do sự tự chuyển mức năng lượng của nguyên tử hay
phân tử, tuy nhiên có loại ánh sáng chỉ phát ra và tồn tại khi nguyên tử hay phân tử
vẫn giữ trạng thái kích thích của nó cho đến khi bị cưỡng bức và phải phát ra năng
lượng dưới dạng ánh sáng. Laser là từ viết tắt của light amplification by the stimulated
emission of radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). 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.
Sự ra đời của laser dựa vào thuyết lượng tử của Albert Einstein. Albert Einstein
đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng
có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề
xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức.
Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H. Townes, là người
đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950,
nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so
với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser. 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 hơn.
Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được phát triển cũng khoảng thời gian
đó. Cuối thập niên 1950, nhiều khái niệm cơ sở cho sự hình thành tia laser đã được
phát triển bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và
Gordon Gould ở trường đại học Columbia .
Ánh sáng laser đầu tiên xuất hiện vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, tại phòng
nghiên cứu Hughes ở Malibu, California do Theodore Maiman chế tạo đó là một dụng
cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

1

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh với bước sóng 694 nm, trong
một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện
bởi nhiều laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để
phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay.
1.2 Sơ lược về laser
1.2.1 Khái niệm về laser
Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng
bức xạ phát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương
ứng. Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay ánh
sáng nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều
lĩnh vực khoa học kĩ thuật và đời sống, tạo nên một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật
khi nó ra đời.
1.2.2 Các loại laser
Tùy theo loại hoạt chất laser, môi trường kích hoạt, các kĩ thuật bơm kích thích
nguyên tử nó sẽ phát ra những bước sóng khác nhau thì ta sẽ thu được các tia laser với
các tên gọi khác nhau nhưng chúng đều có cùng nguyên lý cơ bản chung:
- Laser rắn: môi trường hoạt chất ở thể rắn. Có hàng trăm loại như laser Ruby, laser
YAG, laser bán dẫn, laser thủy tinh,….
- Laser lỏng: môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có 50 loại khác nhau. Các hoạt chất thể

lỏng có màu sẽ cho laser màu, đó là những laser rất thông dụng hiện nay.
- Laser khí: môi trường hoạt chất ở thể khí. Cũng có hơn hàng trăm loại khí đã được
sử dụng như laser CO2, laser heli-neon, laser Argon,….
Người ta còn phân loại theo tính chất như: laser nóng như laser CO2, và laser lạnh như
laser He-Ne, laser hồng ngoại.
1.2.3 Sơ lược về cấu tạo nguyên tắc hoạt động của laser
Laser là một máy phát lượng tử vùng quang học, cấu tạo gồm ba bộ phận chính: hoạt
chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích (nguồn bơm). Cả ba bộ phận chính ở
trên không thể tách rời nhau và tạo thành một máy phát Laser.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

2

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.1: Mô hình cấu tạo chung máy phát Laser.
1.2.4 Hoạt chất
Đây là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại sóng điện từ (ánh sáng)
đi qua nó và cũng quyết định phương pháp kích thích tạo nên môi trường hoạt tính.
Căn cứ vào pha vật chất hay đặc tính của hoạt chất này mà ta có các loại Laser rắn,
Laser lỏng, Laser khí và Laser bán dẫn. Chúng ta có thể phân loại như sau:
- Hoạt chất ở thể khí bao gồm: các khí đơn nguyên tử: ArI, XeI, NeI…., các
ion khí đơn nguyên tử: ArII, KrII…, các khí phân tử: CO2, CO, N2, H2O,…, các hợp
chất khí đơn nguyên tử: He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như CO2-N2-He, CO-N2H2O…

- Hoạt chất ở thể rắn bao gồm các dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn
thêm các ion nguyên tố hiếm như: Cr+3, Nd+3,Eu+3…. Laser rắn điển hình là Ruby
có hoạt chất tinh thể Al2O3 trộn thêm ion Cr+3. Hoạt chất là bán dẫn như GaAs, PbS,
PbTe… về cơ bản những hoạt chất này là những chất phát quang. Hoạt chất ở thể
lỏng bao gồm các chất peperidin Eu (BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol +
methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3, Nd+3….
1.2.5 Buồng cộng hưởng
Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ. 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 được thay bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầu. Nhiệm vụ
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 khuếch đại lên (thực hiện phản hồi dương). Hai gương
phản xạ có thể để xa hoặc gắn chặt với hoạt chất.
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

3

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

1.2.6 Nguồn bơm
Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo môi trường mật độ đảo lộn trong
hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì hoạt động của laser. Tùy theo các
loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau, nhưng chủ yếu
là hai cách cơ bản sau:
- Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học (nhờ sự hấp thụ), đây

là loại kích thích phổ biến.
- Kích thích bằng va chạm điện tử (ống phóng điện): năng lượng điện tử được
gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ va chạm.
Quá trình này diễn ra khá phức tạp.
1.2.7 Đặc điểm của Laser
- Tính đơn sắc: trong buồng cộng hưởng chỉ có một số ánh sáng có bước sóng
phù hợp mới được khuếch đại lên, các ánh sáng có bước sóng còn lại sẽ bị dập tắt.
Do đó, laser phát ra chỉ gồm những ánh sáng có bước sóng gần nhau và được coi là đơn
sắc.
- Tính kết hợp: bức xạ cảm ứng phát ra photon có pha, tần số giống nhau
và giống trường điện từ kích thích nên bức xạ laser là kết hợp.
- Tính định hướng và cường độ cao: trong buồng cộng hưởng chỉ những
dao động dọc theo trục của buồng cộng hưởng mới được giữ lại và khuếch đại lên.
Nên bức xạ laser phát ra có cường độ cao và định hướng.
- Tính phân cực: các photon phát ra do bức xạ cảm ứng có tần số, pha dao
động, mặt phẳng dao động điện từ giống hệt nhau và giống với trường điện từ kích
thích nên bức xạ Laser có tính phân cực.
1.3 Ứng dụng của laser
Sự ra đời của laser đã nhanh chóng ứng dụng rộng khắp trong nhiều lĩnh vực
như: quang học ứng dụng, điện tử, cơ khí, công nghệ thông tin, y học, công nghiệp,
quân sự, giải trí…Laser phát huy hiệu quả tốt nhất trong công nghiệp và lĩnh vực
nghiên cứu, laser ứng dụng trong quang phổ học cho phép thăm dò các đặc tính của

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

4

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm

Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

vật chất, ta có thể tìm các thiết bị phát laser trong các đầu đọc đĩa CD, DVD, các dòng
máy PC và các bộ game console….

CHƯƠNG II
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA LASER
2.1 Sự hình thành ánh sáng laser
2.1.1 Mức năng lượng. Các loại bức xạ. Các hệ số Einstein
2.1.1.1 Mức năng lượng
Trong điện tử học cổ điển, khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở động
năng của điện tử (đèn điện tử, clistron, manhetron…). Trong điện tử học lượng tử,
khuếch đại và phát sóng điện từ dựa trên cơ sở biến đổi nội năng của nguyên tử, phân
tử, ion…
Theo thuyết lượng tử, nội năng của hạt là lượng tử có nghĩa là giá trị năng
lượng của hạt là xác định và gián đoạn theo từng mức (hay gọi là trạng thái năng lượng
của hạt) gồm mức cơ bản và mức kích thích.
Khi hạt chuyển dời từ một mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì
dẫn đến nội năng của hạt bị biến đổi một lượng bằng hiệu năng lượng của hai mức
năng lượng đó. Khi hạt dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn thì hạt sẽ hấp thụ
năng lượng, ngược lại khi dịch chuyển xuống mức thấp hơn thì hạt sẽ truyền
năng lượng. Những dịch chuyển như vậy có thể xảy ra bức xạ hay hấp thụ lượng tử.
2.1.1.2 Bức xạ của ánh sáng kích thích
Theo định đề II (định đề về cơ chế hấp thụ và cơ chế bức xạ của nguyên tử) của
thuyết Bo thì nguyên tử chỉ hấp thụ hay phát xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ,
khi đó nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác (tức là ứng với sự
chuyển electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác). Nguyên tử ở trạng thái dừng có
năng lượng thấp nhất và electron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất, đây

chính là trạng thái cơ bản. Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng
thái dừng có năng lượng cao hơn và các electron chuyển động trên các quỹ đạo xa hạt
nhân hơn. Đó chính là trạng thái kích thích.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

5

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

E4
E3
E2

Các trạng thái
kích thích

E1

hf1 = E1 − E0
E0

Trạng thái cơ
bản

Hình 2.1: Sơ đồ các mức năng lượng
2.1.1.3 Sự hấp thụ
Nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái cơ bản, là trạng thái có năng lượng
thấp nhất. Muốn cho nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là mức năng
lượng kích thích thì phải cung cấp cho nó một năng lượng đủ lớn để lên tới mức đó.
Sự hấp thụ photon chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng cộng thêm đúng bằng độ tăng
năng lượng tới một trong các giá trị được phép.
E2

Sự hấp thụ

hf
E1

Hình 2.2: Sự hấp thụ
2.1.1.4 Sự bức xạ
* Bức xạ tự phát
Khi nguyên tử đạt đến trạng thái kích thích, nó chỉ tồn tại trong khoảng thời
gian rất ngắn (khoảng 10−8 s đối với sự chuyển trong miền khả kiến), rồi chuyển xuống
mức năng lượng thấp hơn, đồng thời năng lượng bức xạ dưới dạng sóng điện từ (tức là
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

6

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

1 photon). Sự chuyển này không bị bất kỳ một ngoại lực nào gây ra gọi là bức xạ tự
phát.
Tần số của bức xạ tự phát và các mức năng lượng đầu và cuối liên hệ với nhau bởi

định luật Planck.
hf = E2 − E1 (2.1)

Với h = 6,625.10−34 Js : hằng số Planck

Ánh sáng có được do bức xạ tự phát là ánh sáng không định hướng, không đơn sắc ,
không kết hợp.

E2
hf

E1

Hình 2.3 Sơ đồ bức xạ tự phát
* Bức xạ cảm ứng
Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Albert Einstein đã chúng minh
được rằng ngoài hiện tượng phát xạ tự phát còn có phát xạ do cảm ứng.
Nếu một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng
lượng ε = hf ,bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó, thì
lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay
cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra sóng điện từ ứng với photon ε hoàn toàn cùng
pha với sóng điện từ có photon ε’(Hình: a)
Nếu có một photon ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích
thì số photon này sẽ tăng lên.(Hình: b)
Nguyên tắc phát quang của laser được dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

7

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

a)

b)

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình bức xạ cảm ứng

2.1.1.5 Các hệ số Einstein
Khi khảo sát các hạt trong điện tử trường, dưới tác dụng của điện từ trường thì
có thể xảy ra ba quá trình là bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng và hấp thụ.
Gọi ρv : là mật độ năng lượng trường điện từ.
∞

Mật độ năng lượng toàn phần của trường điện từ là: ρ = ∫ ρv (v )dv
0
tp
là xác suất dịch chuyển tự phát một hạt từ mức m xuống mức n và bức xạ
Gọi dwmn
tp

photon hv = Em − En trong khoảng thời gian dt: dwmn
= Amn dt

Hệ số tỉ lệ Amn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện
từ.
dwmn là xác suất dịch chuyển cảm ứng từ mức m xuống mức n và bức xạ photon hv

trong khoảng thời gian dt dưới tác dụng của trường điện từ.
dwmn = Amn ρ v dt

Hệ số tỉ lệ Bmn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện
từ.
dwnm là xác suất dịch chuyển cảm ứng từ mức n lên mức m và hấp thụ photon hv trong

khoảng thời gian dt dưới tác dụng của trường điện từ.
dwnm = Bnm ρv dt
Bmn không phụ thuộc vào thời gian và mật độ phổ năng lượng trường điện từ.

Từ các phương trình trên, xác suất bức xạ tự phát, bức xạ cảm ứng trong một đơn vị
thời gian là:
tp

dwmn
= Amn
dt

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

8

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp
dwmn
= Bmn ρ v
dt
dwnm
= Bnm ρ v
dt

Để khảo sát hệ thức giữa Amn , Bmn , Bnm Einstein đã khảo sát tập hợp hạt ở trạng
thái cân bằng khi nhiệt độ T không đổi.

- Gọi N m , N n lần lượt là số hạt của các mức n và m trong một cm3 hệ hạt. Đối
với hệ không suy biến thì N m , N n gọi là mật độ năng lượng m và n.
Với V là thể tích hệ thì:
Số photon bức xạ tự phát trong thời gian dt là: N mVdWmntp = N mVAmn dt
Số photon bức xạ cảm ứng trong thời gian dt là: N mVdWmn = N mVBmn dt
Số photon hấp thụ trong thời gian dt là: N nVdWnm = N nVBnm dt
Trong trạng thái cân bằng nhiệt: N m ( Amn + Bmn ρv ) = N n Bnm ρv
Theo phân bố Boltzman thì số hạt ở mức năng lượng thứ i trong 1 cm3 của hệ hạt thì:
Ni =

Ng~i

∑

− Ei

.e KT

N là tổng số hạt trong tất cả các mức trong 1 cm3 (mật độ hạt)
− wi

∑ = ∑ g~ie KT là tổng số thống kê.
i

g~i trọng số thống kê của mức i. Để đơn giản ta chỉ xét hệ không suy biến ( g~i =1)

Suy ra số hạt ở mức m trong 1 cm3 là: N m =
Số hạt ở mức n trong 1 cm là: N n =
3

Từ đó ta được: ( Amn + Bmn ρv )e

− Em
KT

N

∑

.e

= Bnm ρ v e

N

∑

− Em

.e KT

−W n
KT

− En
KT

Khi T → ∞ , mật độ phổ năng lượng rất lớn nên Bmn ρv >> Amn và e
Nên Bmn ρv = Bnm ρv ⇒ Bmn = Bnm
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

⇒ ρv =

Amn
.
Bmn

9

1
e

E m −E
KT

n

⇒ ρv =
−1

− Ei
KT

→1

Amn
.
Bmn

1
e

hv
KT

−1

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

Amn
ta áp dụng công thức Relay khi tần số hv<Bmn

Để xác định
ρv =

8πv 2
KT
c3

Vì với hv<e

hv
KT

−1 ~ 1+

⇒ ρv =
⇒

Amn
Bmn

hv
−1
KT
KT
hv

Amn 8πhv 3
=
Bmn
c3

Mối liên hệ giữa 3 hệ số Einstein đã được xác định. Do đó để mô tả quá trình bức xạ
tự phát, bức xạ cảm ứng và bức xạ hấp thụ ta chỉ cần xác định một trong ba hệ số
8πv 2
Từ các kết quả trên ta có biểu thức Planck phổ năng lượng bức xạ: ρv = 3
c

hv
e

hv
KT

−1

2.1.2 Cấu trúc hệ thống của tia laser
2.1.2.1 Nguồn năng lượng
- Nguồn năng lượng hay còn gọi là nguồn bơm là nguồn cung cấp năng lượng
cho hệ thống laser. Quá trình kích thích nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên mức trên
của laser gọi là quá trình bơm. Có 2 phương pháp bơm chủ yếu là bơm quang học và
bơm điện.
- Phương pháp bơm quang học sử dụng quang năng từ nguồn bơm để kích thích
môi trường hoạt tính. Để đưa quang năng vào môi trường hoạt tính người ta sử dụng
những hệ quang học đặc biệt.
Bức xạ nguồn ánh sáng của bơm quang học có công suất lớn được môi trường

hoạt tính hấp thụ và do đó nguyên tử của môi trường chuyển lên mức trên. Phương
pháp này thuận lợi với laser rắn và laser lỏng, do phổ hấp thụ của thể rắn và thể lỏng
rất rộng, phù hợp với phổ bức xạ của nguồn bơm thông thường là phổ đám. Vì vậy
những đám này sẽ được hấp thụ một phần lớn năng lượng bức xạ nguồn bơm. Ngày
nay các nguồn bơm quang học phổ biến là các đèn khí trơ Kr, Xe, Ar,...
- Bơm điện được thực hiện trực tiếp bằng sự phóng điện. Đặc biệt thuận lợi đối
với laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí vạch quang phổ hấp thụ rất hẹp nên

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

10

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

không thể dùng phương pháp bơm quang học. Laser bán dẫn có thể làm việc hiệu quả
với phương pháp bơm quang học mặc dù bơm điện có nhiều thuận lợi hơn.
Một đặc trưng quan trọng là khi cho laser hoạt động khi bơm thì sẽ có xuất hiện
các ngưỡng rất rõ. Từ một nguồn bơm khi chúng ta cung cấp năng lượng cho môi
trường hoạt tính, ngay lập tức sẽ xuất hiện bức xạ tự phát, và lúc đầu vì chưa tạo được
sự phân bố mật độ đảo lộn nên sẽ gây mất mát lớn cho bức xạ. Khi công suất bơm tiếp
tục tăng lên thì những mất mát này sẽ được bù lại bởi khuếch đại là hệ số của bức xạ
cưỡng bức, lúc này dao động laser lập tức xảy ra. Vì mật độ bức xạ tăng nhanh nên
phân bố mật độ đảo lộn giảm đi rất nhanh. Dao động sẽ ngừng nếu nguồn bơm không
cung cấp đủ công suất bơm để duy trì cho sự phân bố ở mức laser trên đạt trị số yêu
cầu.

Ví dụ các nguồn bơm bao gồm ống phóng điện, đèn chớp, đèn hồ quang, ánh
sáng từ laser khác. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào
môi trường hoạt tính là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà
năng lượng truyền vào trong môi trường. Laser He-Ne dùng ống phóng điện trong hỗn
hợp khí Hêli Neon. Laser Nd:YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đèn chớp Xenon. Laser
hai nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng lượng.
2.1.2.2 Môi trường hoạt tính
Môi trường hoạt tính là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất
khác của tia laser. Môi trường hoạt tính bị kích thích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích
thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ cảm ứng các hạt photon, dẫn
đến hiện tượng khuếch đại ánh sáng.
2.1.2.3 Hệ thống cộng hưởng quang học
Gương hay hệ thống gương tạo nên hệ thống cộng hưởng quang học. Các chùm
tia laser có những đặc điểm chung nhất định. Nhưng cũng khác nhau ở độ rộng vạch
phổ, sự phân kỳ, sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này
phụ thuộc vào việc thiết kế laser (hệ cộng hưởng quang học). Trong giai đoạn đầu
phát triển người ta thường dùng gương phản xạ có đế được làm bằng thủy tinh và lớp
phản xạ được làm bằng bạc hoặc nhôm…Các chất liệu này có hệ số hấp thụ rất lớn
(5%-10%) nên công suất tổn hao rất lớn. Hệ số phản xạ của các gương này ở vùng ánh
sáng khả kiến thông thường không vượt quá 90%-95%.
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

11

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

Nếu sử dụng chúng để làm gương phản xạ sẽ làm giảm phẩm chất của buồng
cộng hưởng. Để giảm công suất tổn hao và tăng phẩm chất của buồng cộng hưởng
người ta dùng gương điện môi nhiều lớp. Gương này có nhiều ưu điểm là tính chọn
lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tổn hao do hấp thụ rất nhỏ. Gương điện
môi nhiều lớp cũng có đế được làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh. Người ta dùng
phương pháp bốc bay chân không để phủ lên lần lượt các lớp kế tiếp nhau của hai chất
điện môi trong suốt có chiết suất n1 và n2 và chiều dày quang học bằng ¼ bước sóng
bức xạ nhằm thõa mãn điều kiện tạo ra sóng kết hợp: n1h1 = n2 h2 = .... = λ / 4
Trong đó h1 và h2 là chiều dày quang học của các lớp phủ. Hệ số phản xạ gương tăng
theo số lớp điện môi được phủ.
2.1.3 Độ rộng và đường bao vạch phổ
Các mức năng lượng của hạt ngay khi không có tác động bên ngoài thì các mức
cũng có độ rộng nhất định. Độ rộng của mức năng lượng Ei có thể xác định bằng
nguyên lý bất định Heisenberg và sẽ phụ thuộc vào thời gian sống của hạt ở trạng thái
đó, tức là: ∆Ei .τ i ≥ h
- Độ rộng của các mức năng lượng ở trạng thái nào đó sẽ phụ thuộc vào thời
gian sống của hạt ở trạng thái đó.
- Độ rộng của các mức năng lượng sẽ càng lớn nếu thời gian sống của trạng thái
càng nhỏ. Những mức siêu bền có thời gian sống 10−2 → 10−3 s sẽ có độ rộng nhỏ, còn
những mức kích thích thông thường có thời gian sống 10−8 → 10−9 s nên độ rộng của
các mức năng lượng ∆E sẽ khá lớn. Như vậy, chính do có sự nghèo hóa mức năng
lượng, mà ngay đối với những nguyên tử ở trạng thái cơ bản, những vạch phổ bức xạ
và hấp thụ của chúng cũng có độ rộng nhất định. Ở hình 2.5, ta thấy độ rộng không
xác định về tần số giữa hai mức năng lượng bị nghèo hóa được xác định bởi độ rộng
của các mức năng lượng và: ∆ωki =

1
(∆Ei − ∆Ek ) (2.2)
h

- Độ rộng vạch phổ của nguyên tử riêng lẽ và không bị kích thích gọi là độ rộng
tự nhiên của vạch phổ.
∆Ei

ωik

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

12

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

Hinh 2.5: Sự bất định tần số bức xạ
Dựa vào đồ thị năng lượng của hệ, ta có thể xác định một cách định tính cường độ và
độ rộng của vạch phổ. Ví dụ ở hình 2.6, giản đồ có 3 trạng thái của nguyên tử. Mức
ứng với trạng thái cơ bản nên độ rộng ∆Ei = 0 . Giả sử xác suất dịch chuyển từ
2 → 1 rất lớn ( γ 21 rất lớn), khi đó thời gian sống mức 2 là τ 2 =

1

γ 21

rất nhỏ, do đó ∆E2

sẽ rất rộng, còn mức 3 lại có ∆E3 rất nhỏ. Khi đó phổ sơ đồ 3 mức đó sẽ gồm có 3
vạch với tần số ω32 , ω21 , ω31 , vạch 2 → 1 có cường độ lớn nhất vì xác định dịch
chuyển 2 → 1 lớn. Vạch 2 → 1 cũng khá rộng vì độ nghèo hóa của mức 2 lớn. Cường
độ của 2 vạch 3 → 2 và vạch 3 → 1 nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhưng
độ rộng vạch bức xạ của chúng lại khác nhau. Độ nghèo hóa tổng hợp của mức 2 và
mức 3 lớn hơn nhiều so với mức 3 và mức 1.

Mức 3
Mức 2

Mức 1

Hình 2.6: Phổ bức xạ

Đường bao vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phương pháp cơ học lượng
tử, nhưng kết quả cũng trùng với kết quả khi khảo sát một dao động tử điều hòa cổ
điển nhưng tính toán đơn giản hơn rất nhiều. Có thể dùng một lưỡng cực điều hòa biên
độ suy giảm theo hàm mũ để thay thế cho dịch chuyển lượng tử, tức là:
 Ae −αt . cos(ω0t ) Khi 0 ≤ t < ∞
f (t ) = 
Khi − ∞ < t < 0
0
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

13

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

Áp dụng cặp biến đổi Fourier ta có:
∞

1
g ′(ω ) =
Ae −αt e jωt dt =
2π ∫0

−A
2π ( jω − α )

(2.3)

Nhưng g (ω ) = g ′(ω + ω0 ) + g ′(ω − ω0 ) nên :
1
2

g (ω ) =

1
2

−A
2 2π ( jω − α )

(2.4)

Cường độ phổ sẽ được xác định bởi :
J (ω ) =

2

π

g (ω )g * (ω ) = J 0

Trong đó :

α2
(ω − ω0 )2 + α 2

(2.5)

g * (ω ) là liên hiệp phức của g (ω )

J (ω ) là cường độ ở trung tâm vạch phổ

ω0 là tần số dao động của lưỡng cực

Biểu thức (2.5) có đường biểu diễn là đường cong cộng hưởng đối xứng có cực đại ở
ω0 . Độ rộng của vạch là khoảng tần số ∆ω L trong giới hạn đó cường độ bằng nửa

cường độ cực đại, như vậy ∆ω L = 2α . Nếu khảo sát vấn đề này bằng phương pháp cơ
học lượng tử ta cũng có kết quả tương tự và độ rộng của vạch phổ thì xác định bằng
biểu thức (2.2). Dạng đường bao đó gọi là dạng tự nhiên hay dạng Lorentz
J (ω )

ω1
ω0

Hình 2.7: Đường bao Lorentz
- Trong thực tế, những vạch phổ thường rộng hơn rất nhiều so với vạch phổ tự
nhiên, vì có nhiều tác động làm mở rộng vạch phổ mà khi tính toán ta chưa xét đến.
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

14

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

- Trước hết phải kể đến tương tác của các hạt với nhau, và đây là nguyên nhân
rất quan trọng. Chính tương tác giữa các hạt (từ trường hợp khí hiếm) sẽ quyết định độ
rộng thực của vach phổ. Trường hợp đơn giản nhất, tương tác giữa các hạt sẽ làm
giảm thời gian sống của các hạt. Dạng của vạch phổ khi đó sẽ giữ nguyên như vạch

phổ tự nhiên nhưng độ rộng thì tăng lên do thời gian sống giảm….người ta gọi là mở
rộng đồng nhất. Ngoài ra do mở rộng do hiệu ứng Doppler, loại mở rộng này chủ yếu
là do môi trường khí loãng hay trong chân không. Ta biết rằng các hạt khí không bao
giờ đứng yên, chúng luôn luôn chuyển động hỗn loạn mà trong môi trường laser thì
những hạt đó lại là những nguồn bức xạ. Nếu bức xạ do máy phát di động phát ra sẽ
được thu bằng một máy thu cố định thì tần số sẽ phụ thuộc vào vận tốc và chiều
chuyển động của máy phát. Hiện tượng Doppler này có thể mô tả bằng sơ đồ đơn giản
dưới đây :

Hình 2.8: Hiệu ứng Doppler
Giả sử máy phát đặt tại A, máy thu đặt tại B và chúng cách nhau một khoảng L.
Nếu máy phát không di động và phát ra tín hiệu chuẩn đơn sắc có tần số ω (chu kỳ τ ),
bất kì giá trị pha nào của tín hiệu do máy phát phát ra cũng được máy thu thu lại sau
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

15

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

một khoảng thời gian giống nhau: ∆t =

L
. Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong môi
C

trường. Do đó tần số của tín hiệu mà máy thu thu được đúng bằng tần số mà máy phát
phát ra. Nếu bây giờ máy phát mà chuyển động tương đối với máy thu với vận tốc v
thì sau chu kỳ τ khoảng cách giữa máy thu và máy phát đã thay đổi đi một đoạn
v.τ . cosθ . Trong đó, θ là góc giữa phương chuyển động của máy phát với trục nối

giữa máy phát và máy thu. Giả sử, ϕ = 0 của tín hiệu do máy phát phát ra lúc t = 0 và
tại điểm A, thì máy thu sẽ được ϕ = 0 , tại thời điểm t1 =

L
. Còn pha ϕ = 2π thì máy
C

phát phát ra lúc t2 = τ (tại điểm A′ ) nhưng máy thu lại thu được pha đó vào thời điểm
t3 và: t3 = t2 + ∆t ′ = τ +

L′
C

(2.6)

Trong đó: L′ = L − vτ . cosθ
Do đó: t3 = τ +

1
(L − v.τ . cosθ )
C

Như vậy, chu kỳ của tín hiệu mà máy thu thu được sẽ không phải τ mà là τ ′ với
τ ′ = t3 − t1 = τ +



τ ′ = τ 1 −

1
(L − vτ cosθ ) − L
C
C

v

cos θ 
C


(2.7)

(2.8)

Và tần số tương ứng là:
ω′ =

2π
v


= ω 1 + cosθ 
′
τ
 C


(2.9)

2.2 Đặc điểm của tia laser
Mặc dù laser có bản chất là sóng điện từ nhưng do nguồn phát tia laser khác hẳn so
với nguồn phát của ánh sáng thông thường nên tia laser có những đặc điểm đặc biệt
khác với ánh sáng thông thường.

2.2.1 Tính đơn sắc
Là một đặc trưng khác biệt giữa nó với các bức xạ thông thường khác. Đây là
tính chất đặc biệt nhất mà không có nguồn sáng nào có.
- Đối với ánh sáng thông thường chủ yếu được hình thành do quá trình bức xạ
tự phát nên các phôton sẽ có các bước sóng khác nhau lan truyền theo các phương

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

16

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm


Đề tài “Tìm hiểu về laser”

Luận văn tốt nghiệp

khác nhau với các pha ban đầu khác nhau, do đó chúng không bao giờ là ánh sáng đơn
sắc.
Độ đơn sắc của một chùm tia được định nghĩa là độ rộng vạch phổ của chùm.
Khi độ rộng của vạch phổ của chùm bằng không 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 được xác định bằng công thức:

∆v =

1
4hv0 ( ) 2

τc

P

× 2π

(2.10)

∆ν

ν

ν0

Trong đó:
v0 : là tâm tần số phát

P : công suất phát của bức xạ
τ c :thời gian sống của phôton trong buồng cộng hưởng

h : hằng số Planck
Ví dụ: với laser công suất phát P = 10-3 W, 1/τc ~ 1MHz, ở vùng bước sóng đó có
∆ν~ 5.10-3 Hz. Đây là độ rộng rất bé.
2.2.2 Tính định hướng cao (tính chất song song)
Tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng
ngàn km mà không bị tán xạ.
Do cấu tạo đặc biệt của buồng cộng hưởng quang học nên chùm bức xạ laser
khi ra khỏi buồng cộng hưởng chủ yếu lan truyền theo phương của quang học.
Để đặc trưng cho độ song song người ta xác định góc phân kì của nó. Do tính
chất song song nên mật độ công suất hầu như không thay đổi trong quá trình lan
truyền nếu ta bỏ qua sự hấp thụ của chùm bức xạ laser trong không khí, điều đó cho

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

17

SVTH: Nguyễn Thị Hồng Đậm