Nghiên cứu hoạt động của laser he ne và một số ứng dụng trong thí nghiệm dạy học vật lý trường trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN ĐÌNH NHÂN

NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA LASER He-Ne VÀ
MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM DẠY
HỌC VẬT LÝ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Nghệ An - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN ĐÌNH NHÂN

NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA LASER He-Ne VÀ
MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM DẠY
HỌC VẬT LÝ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8.44.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. NGUYỄN VĂN PHÚ

Nghệ An - 2018


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp thạc si ̃ được hoàn thành tại Trường Đại học Vinh. Để
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc
tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Phú đã
giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hồn
thành luận văn.
Tơi cũng xin phép được cảm ơn các thầy cô đã tham gia giảng dạy, đào
tạo tại lớp Quang học 24, cảm ơn các thầy cơ ngành Vật lý, phịng đào tạo sau
đại học, ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi
trong q trình học tập, nghiên cứu tại cơ sở đào tạo.
Tôi bày tỏ lòng biế t ơn tới gia đình, ba ̣n bè, đồ ng nghiêp̣ và các anh chi ̣
ho ̣c viên lớp Cao ho ̣c 24 – chuyên ngành Quang ho ̣c ta ̣i Trường Đa ̣i ho ̣c Vinh đã
đô ̣ng viên, giúp đỡ tôi trong quá trình ho ̣c tâ ̣p.
Xin chân thành cảm ơn!
Nghê ̣ An, tháng 08 năm 2018
Tác giả luận văn

Trầ n Đin
̀ h Nhân


ii

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU........................................................................... v
MỞ ĐẦ U ................................................................................................................................................ 1
1. Lý do chọ n đề tà i ................................................................................................................... 1
2. Mụ c đích nghiên cứu ........................................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 1
4. Nhiệ m vụ nghiên cứu .......................................................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu đề tài ..................................................................................... 2

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LASER KHÍ VÀ LASER He-Ne ................. 3
1.1. Tỏ ng quan về laser khí.................................................................................................... 3
1.2. Laser He-Ne ...................................................................................................................... 14
1.3. Kế t luạ n chương I ........................................................................................................... 17

CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA LASER He-Ne TRONG THÍ NGHIỆM
DẠY HỌC VẬT LÝ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ..................... 18
2.1. Đo bước só ng củ a laser He-Ne ................................................................................. 18
2.2. Đo công suá t củ a laser He-Ne ................................................................................... 29
2.3. Tìm hiể u thí nghiệ m giao thoa kế Michelson và thí nghiệ m giao thoa
kế Mach-Zehnder .................................................................................................................... 34
2.4. Kế t luạ n chương II ......................................................................................................... 36

KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 39


iii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình vẽ

TT

Trang

1.1

Cấ u ta ̣o cơ bản của laser khí

4

1.2

Các mức năng lươ ̣ng của laser khí

7

1.3

Sơ đồ hoa ̣t đô ̣ng ba mức năng lượng của laser khí

10

1.4

Khảo sát nghich
̣ đảo đơ ̣ tích lũy giữa các miề n

13

1.5

Cấ u ta ̣o laser He-Ne

16

1.6

Sơ đồ nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của laser He-Ne
Ảnh chu ̣p máy phát Laser He-Ne 632,8nm (Carlsbad,

17

2.1

California 92011 USA)

19

2.2

Ảnh chu ̣p quang phổ kế

19

2.3

Ảnh chu ̣p kế t quả phổ khi kế t nố i máy tính có cài phầ n mề m
Thorlabs OSA với phổ kế

21

2.4

Ảnh chu ̣p khe Young

22

2.5

Ảnh chu ̣p màn quan sát

22

2.6

Ảnh chu ̣p thước că ̣p

23

2.7

Thí nghiê ̣m đo bước sóng laser He-Ne bằ ng khe Young
Cách tử được sử dụng trong thí nghiệm

24
27

2.10

Thí nghiê ̣m đo bước sóng laser He-Ne bằ ng cách tử
Ảnh chu ̣p máy phát laser He-Ne

2.11

Ảnh chu ̣p đầ u đo công suấ t

30

2.12

Máy đo công suấ t (Light Power Meter, Model LLM_2, hañ g
Lambda)

31

2.8
2.9

27
30

32

2.14

Thí nghiê ̣m xác đinh
̣ công suấ t laser He-Ne
Ảnh chu ̣p kế t quả đo cơng ś t ở lầ n đo đầ u tiên

2.15

Thí nghiệm với giao thoa kế Michelson

35

2.16

Thí nghiệm với giao thoa kế Mach-Zehnder

36

2.13

32


iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Tên bảng

Bảng
2.1

Bảng số liê ̣u thu đươ ̣c về sự phu ̣ thuô ̣c của cường đô ̣
vào bước sóng của ánh sáng laser

Trang
20

Bảng số liêụ thu đươ ̣c về khoảng cách từ khe Young
2.2

đế n màn quan sát (D), khoảng cách của 6 vân sáng

25

liên tiế p (L) và sai số của từng phép đo (đơn vi:̣ mm)
Bảng số liê ̣u thu đươ ̣c về khoảng cách từ cách tử đế n
2.3

màn quan sát (D), khoảng vân (i) và sai số của từng

28

phép đo (đơn vi:̣ mm)
Thông số kỹ thuật về bước sóng và công suấ t tố i đa
2.4

của máy Light Power Meter, Model LLM-2, hañ g

31

Lambda
2.5

Bảng số liêụ thu đươ ̣c giá tri ̣công suấ t sau 5 lầ n đo

33

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Đại lượng

Diễn giải

N

Đô ̣ tích lũy nguyên tử.

N0

Đô ̣ tích lũy nguyên tử ở trạng thái cơ bản.

Ni

Đô ̣ tích lũy nguyên tử ở trạng thái i.

N1b

Đô ̣ tích lũy nguyên tử khí b ở mức 1.

N 2a

Đô ̣ tích lũy nguyên tử khí a ở mức 2.

E

Năng lươ ̣ng của hệ.

E0

Năng lươ ̣ng của mức cơ bản.

Ei

Năng lươ ̣ng của mức i.



Thời gian số ng của hệ.

i

Thời gian số ng của hạt trên mức i.



Hệ số tích thốt.


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do cho ̣n đề tài
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một
trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỉ XX. Tháng 2 năm

1960, Maiman đã chế tạo ra laser Rubi, laser đầu tiên trên thế giới và 4 tháng
sau tức tháng 6 năm 1960, Javan đã chế tạo ra laser khí He-Ne. Cho tới nay hầu
hết các loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn,… trải hầu hết các dải sóng đều đã được
chế tạo mang tính cơng nghiệp và chứng tỏ vai trị của mình trong sự phát triển
của khoa học kĩ thuật cũng như trong các ứng dụng ở nhiều ngành khác nhau
của nền kinh tế quốc gia.
Nhằm tìm hiểu về vật lý và công nghệ của một loại laser cụ thể, chúng tôi
đã chọn đề tài “Nghiên cứu hoạt động của laser He-Ne và mô ̣t số ứng du ̣ng
trong thí nghiêm
̣ da ̣y ho ̣c vật lý trường trung ho ̣c phổ thông” để làm đề tài
trong luận văn này.
2. Mu ̣c đích nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về laser khí và laser He-Ne
Tiến hành một số thí nghiệm vật lý với laser He-Ne.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng:
Laser He-Ne.
Phạm vi:
Những kiến thức cơ bản của laser về laser khí, laser He-Ne.
Ứng dụng của laser He-Ne trong thí nghiê ̣m da ̣y ho ̣c trung ho ̣c phổ thông.
4. Nhiêm
̣ vu ̣ nghiên cứu
Nghiên cứu đặc điểm, cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng của laser
khí nói chung và laser He-Ne.
Tiến hành các thí nghiệm vật lý với laser He-Ne.


2

5. Phương pháp nghiên cứu đề tài

Tổng hợp và phân tích
Tiến hành thực nghiệm


3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LASER KHÍ VÀ LASER He-Ne
1.1. Tổ ng quan về laser khí
1.1.1. Cấu ta ̣o cơ bản của máy phát laser
Cấu tạo cơ bản của máy phát laser gồm ba bộ phận chính như mơ tả trên
hình 1.1 gồm mơi trường hoạt chất, nguồn bơm và buồng cộng hưởng
a) Môi trường hoạt chất: Đây là môi trường vâ ̣t chấ t có khả năng khuế ch
đa ̣i ánh sáng đi qua nó. Môi trường hoạt chất có thể là các chất khí, lỏng hay rắn.
b) Ng̀ n bơm (bô ̣ phâ ̣n kích thích): Đây là bô ̣ phâ ̣n cung cấ p năng lươ ̣ng
để ta ̣o đươ ̣c sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy trong hai mức năng lươ ̣ng nào đó của hoa ̣t
chấ t và duy trì sự hoa ̣t đô ̣ng của laser. Tùy theo các loa ̣i laser khác nhau mà có
nhiề u phương pháp kić h thích khác nhau. Nói chung có thể phân loa ̣i:
+ Kích thić h bằ ng ánh sáng hay go ̣i là bơm quang ho ̣c, đây là loa ̣i kích
thích phổ biế n. Hoa ̣t chấ t thu năng lươ ̣ng bơm qua quá trình hấ p thu ̣.
+ Kích thić h bằ ng va cha ̣m điê ̣n tử: năng lươ ̣ng điêṇ tử đươ ̣c gia tố c trong
điêṇ trường đươ ̣c truyề n cho các hê ̣ nguyên tử hoa ̣t chấ t nhờ quá triǹ h va cha ̣m.
Sự truyề n năng lươ ̣ng kích thić h này sang da ̣ng năng lươ ̣ng bức xa ̣ của tia laser
thường xảy ra phức ta ̣p tùy theo loa ̣i laser. [1, tr11]
c) Buồ ng cô ̣ng hưởng: là bô ̣ phâ ̣n dùng để khuế ch đa ̣i các tia sáng laser
trước khi đi ra khỏi máy phát. Thành phầ n chủ yế u là hai gương phản xa ̣, mô ̣t
gương có hê ̣ số phản xa ̣ rấ t cao cỡ 99,999% (coi là phản xa ̣ toàn phầ n) còn mô ̣t
gương có hê ̣ số phản xa ̣ thấ p hơn để tia laser thoát ra ngoài (gương bán ma ̣). Mô ̣t
trong các gương có thể đươ ̣c thay bằ ng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầ u. Vai
trò chính của buồ ng cô ̣ng hưởng là làm cho bức xa ̣ do hoa ̣t chấ t phát ra có thể đi

la ̣i nhiề u lầ n qua hoa ̣t chấ t để đươ ̣c khuế ch đa ̣i lên. Hai gương phản xa ̣ có thể để
xa hoa ̣t chấ t hay gắ n chă ̣t với nó.


4

Hình 1.1: Cấ u tạo cơ bản của máy phát laser
1.1.2. Đặc điể m và tính chấ t chung của laser khí
Laser khí là những laser mà sử du ̣ng hoa ̣t chấ t là chấ t khí. Chấ t khí ở đây
có thể bao gồ m những chấ t khí tồ n ta ̣i ở nhiê ̣t đô ̣ thường và cũng có thể là những
chấ t hơi do vâ ̣t chấ t đươ ̣c nung nóng bố c hơi, ví du ̣ hơi kim loa ̣i.
So với các loa ̣i laser khác, laser khí có các ưu điểm nổi bật như dễ chế ta ̣o,
ít bi ̣ hư hỏng do quá trình nóng lên trong lúc hoa ̣t đô ̣ng, vùng bước sóng phát
khá rô ̣ng từ vùng tử ngoa ̣i đế n vùng hồ ng ngoa ̣i, có thể đa ̣t công suấ t phát lớn
mà không cầ n phương pháp biế n điêụ đô ̣ phẩ m chấ t (Q switching).
Trong laser khí, mơi trường hoạt chấ t bao gồ m [1, tr10]:
+ Các khí đơn nguyên tử như: ArI, XeI, NeI,…
+ Các ion khí đơn nguyên tử như: ArII, KrII,…
+ Các phân tử khí như CO2, CO, N2 , H2O,…
+ Các hỗn hơ ̣p khí đơn nguyên tử như He-Ne, hay hỗn hơ ̣p khí phân tử
như CO2-N2-He, CO-N2-H2O,…
Nghich
̣ đảo nồ ng đô ̣ trong laser khí thường đươ ̣c hiǹ h thành ở những
tra ̣ng thái kích thích của nguyên tử hoă ̣c phân tử. Như vâ ̣y mô ̣t đă ̣c điể m rấ t dễ
thấ y ở đây là đô ̣ ha ̣t của chấ t khí nhỏ, và do đó nồ ng đô ̣ ha ̣t kić h thić h la ̣i càng
nhỏ, vì thế tương tác của các ha ̣t trong môi trường khí sẽ rấ t yế u và có thể chúng
ta sẽ có những va ̣ch bức xa ̣ và va ̣ch hấ p thu ̣ khá hep.
̣
Mô ̣t đă ̣c điể m quan tro ̣ng khác của laser khí là đô ̣ đồ ng nhấ t quang ho ̣c rấ t

5

cao, do đó góc mở của tia laser khí sẽ rấ t nhỏ. Với laser khí nế u dùng hai gương
phẳ ng song song và không cầ n dùng mô ̣t thiế t bi ̣ phu ̣ nào thì góc mở đa ̣t đươ ̣c
dưới mô ̣t phút.
Trong laser khí, nghich
̣ đảo nồ ng đô ̣ thường đươ ̣c thực hiêṇ bằ ng phóng
điêṇ chấ t khí ở ngay trong ố ng laser. [4, tr 175]
1.1.3. Quá trin
̀ h kích thích trong laser khí
Hầ u hế t các loa ̣i khí đươ ̣c kích thích nhờ sử du ̣ng hiêṇ tươ ̣ng phóng điêṇ
trong chấ t khí. Nhờ quá trin
̀ h va cha ̣m giữa điê ̣n tử với các nguyên tử hay phân
tử khí mà năng lươ ̣ng bơm đươ ̣c truyề n cho các hê ̣ nguyên tử hoa ̣t chấ t, để rồ i
qua mô ̣t số quá trình trung gian ta ̣o nên đươ ̣c sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy trong hai
mức hoa ̣t đô ̣ng laser. Quá trình kích thích do va cha ̣m này đươ ̣c phân biêṭ hai
loa ̣i chiń h: kić h thích trực tiế p và sự truyề n cô ̣ng hưởng kích thích.
+ Kích thích trực tiế p: khi có mô ̣t chùm điê ̣n tử đươ ̣c gia tố c va cha ̣m với
hê ̣ nguyên tử khí trong buồ ng cô ̣ng hưởng, thì nhờ quá triǹ h va cha ̣m loa ̣i 1 (va
cha ̣m không đàn hồ i loa ̣i 1) năng lươ ̣ng đươ ̣c chuyể n đô ̣ng của điêṇ tử sẽ truyề n
cho hê ̣ nguyên tử để đưa chúng lên các tra ̣ng thái kích thích. Tiế t diêṇ hiê ̣u du ̣ng
của va cha ̣m càng lớn càng dễ dàng chuyể n các hê ̣ nguyên tử lên tra ̣ng thái kích
thích. Đa ̣i lươ ̣ng tiế t diêṇ hiê ̣u du ̣ng có thứ nguyên diêṇ tích và giữ vai trò như
xác suấ t dich
̣ chuyể n. Lý thuyế t đã chứng minh rằ ng trong gầ n đúng bâ ̣c nhấ t,
giá tri ̣ của tiế t diêṇ hiê ̣u du ̣ng tỷ lê ̣ với biǹ h phương yế u tố ma trâ ̣n của mômen
lưỡng cực điên,
̣ do đó các nguyên lý cho ̣n lo ̣c trong gầ n đúng lưỡng cực điêṇ sẽ

là chung cho cả quá trình dich
̣ chuyể n quang (dich
̣ chuyể n do hấ p thu ̣ hay bức
xa ̣ photon) lẫn dich
̣ chuyể n do va cha ̣m. Tuy nhiên, do tiế t diêṇ hiêụ du ̣ng không
thuầ n túy tỷ lê ̣ thuâ ̣n với cường đô ̣ bức xa ̣ rút ra từ dich
̣ chuyể n lưỡng cực điên,
̣
nên bằ ng va cha ̣m với điê ̣n tử, các hê ̣ nguyên tử có thể trực tiế p chuyể n sang các
mức “không liên kế t quang” với các mức ban đầ u, ví du ̣ các hê ̣ nguyên tử có thể
đươ ̣c chuyể n từ các mức cơ bản sang các mức siêu bề n gầ n đó nhờ va cha ̣m với


6

điêṇ tử. Loa ̣i kích thić h này đươ ̣c go ̣i là kích thích trực tiế p. Nó rấ t phù hơ ̣p với
quá trình va cha ̣m giữa điê ̣n tử và các nguyên tử.
Đố i với sự va cha ̣m với các điêṇ tử và các phân tử thì sự kích thích trực
tiế p có ít nhiề u khác biêṭ và phức ta ̣p hơn. Nguyên nhân là do các phân tử có cấ u
trúc mức năng lươ ̣ng phức ta ̣p. Chúng ta có thể tiế p thu năng lươ ̣ng bên ngoài
bằ ng nhiề u con đường khác nhau, và do đó quá triǹ h kích thích cũng thay đổ i rấ t
nhiề u từ phân tử này đế n phân tử khác. Phép tiń h lý thuyế t đã chứng tỏ rằ ng, tiế t
diêṇ hiê ̣u du ̣ng va cha ̣m trực tiế p giữa điêṇ tử và phân tử là nhỏ trong quá triǹ h
làm thay đổ i các mức năng lươ ̣ng dao đô ̣ng và quay của phân tử. Chính vì thế ,
để có đươ ̣c sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy giữa các mức dao đô ̣ng của phân tử, người
ta phải dùng va cha ̣m điêṇ tử để chuyể n phân tử từ tra ̣ng thái điêṇ tử cơ bản sang
tra ̣ng thái kích thích, rồ i sau đó nhờ sự biế n đổ i năng lươ ̣ng xảy ra theo nguyên
lý Franck-Condon mà ta ̣o nên đươ ̣c sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy như ở các laser

khí phân tử CO2, N2 v.v... [1, tr129]
+ Sự truyề n cô ̣ng hưởng năng lươ ̣ng kić h thích: quá triǹ h truyề n cô ̣ng
hưởng năng lươ ̣ng kić h thích là quá trình đươ ̣c sử du ̣ng phổ biế n đố i với nhiề u
laser khí mà hoa ̣t chấ t bao gồ m ít nhấ t hai loa ̣i khí. Chúng ta haỹ xét hoa ̣t chấ t
khí bao gồ m hai hê ̣ nguyên tử A và B. Nế u hê ̣ nguyên tử A nhờ va cha ̣m điê ̣n tử
chuyể n sang tra ̣ng thái kích thić h A* thì khi va cha ̣m với hê ̣ nguyên tử B nó sẽ
truyề n năng lươ ̣ng kić h thích để đưa hê ̣ nguyên tử B từ tra ̣ng thái cơ bản sang
tra ̣ng thái kích thích B* theo sơ đồ
A* + B = A + B* ± ∆E

(1.2)

Khi ∆E = 0 (∆E là khoảng cách năng lươ ̣ng giữa hai mức kích thích của
hê ̣ nguyên tử), xác suấ t truyề n năng lươ ̣ng kić h thích lớn nhấ t. Đó là sự truyề n
cô ̣ng hưởng năng lươ ̣ng kích thích. Tiế t diê ̣n hiêụ du ̣ng của quá trình kích thích
cô ̣ng hưởng, theo tính toán, vào cỡ 10-15 cm2, nế u giả thiế t ∆E ≈ kT. Như vâ ̣y, ở
áp suấ t thấ p sự truyề n năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng có thể xảy ra với năng lươ ̣ng
phóng điê ̣n nằ m trong khoảng từ 0,025 đế n 0,05 eV, tức là từ 200 đế n 400 cm-1.


7

Đố i với hỗn hơ ̣p khí phân tử hoă ̣c nguyên tử và phân tử quá trình truyề n
năng lươ ̣ng kích thích có thể phức ta ̣p hơn. Phản ứng va cha ̣m xảy ra theo sơ đồ
sau:
A* + (BC) → A + (BC)* ± ∆E1
(BC)* → B* + C* ± ∆E2

(1.3)
(1.4)

Thực nghiê ̣m cho thấ y quá trình xảy ra ở (1.4) do sự chuyể n từ (1.3) sang
(1.4) rấ t nhanh. [1, tr 130]
1.1.5. Sư ̣ nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy (mâ ̣t đô ̣ cư trú) trong laser khí
- Với khí đơn nguyên tử: Ở trong các loa ̣i laser này có thể xảy ra quá triǹ h
kích thích trực tiế p. Giả sử chúng ta tìm sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy giữa hai mức i
và f theo hin
̀ h 1.2.

Hình 1.2: Các mức năng lượng của laser khí [1, tr131]
Mức cơ bản có đô ̣ tích lũy N0, còn các mức trên có đô ̣ tích lũy kí hiê ̣u là
Ni và Nf. Trong điề u kiêṇ có cân bằ ng nhiê ̣t đô ̣ng sự phân bố các hê ̣ nguyên tử
tuân theo đinh
̣ luâ ̣t Boltzmann, nghiã là có hê ̣ thức
Ni = N 0e

−

E1 − E0
kT

(1.5)

Ở đây Ei, E0 năng lươ ̣ng ở mức i và mức cơ bản. Nế u lấ y năng lươ ̣ng ở
mức cơ bản làm chuẩ n hay gố c tru ̣c năng lươ ̣ng (E0 = 0) thì công thức (1.5)
đươ ̣c viế t dưới da ̣ng
Ni = N 0e

−

Ei
kT

(1.6)


8

Tương tự có đố i với Nf.
Nế u kí hiêụ thời gian số ng do va cha ̣m ở các mức i, cơ bản là θi0 và θ0i thì
xác suấ t dich
̣ chuyể n do va cha ̣m từ mức dưới sẽ tỷ lê ̣ thuâ ̣n với đô ̣ tích lũy ở
mức trên, và xác suấ t dich
̣ chuyể n do va cha ̣m từ mức trên sẽ tỷ lê ̣ thuâ ̣n với đô ̣
tích lũy ở mức dưới, nghiã là
1

 0i

~ Ni và

1

i 0

~ N0

(1.7)

Sử du ̣ng (1.7) và (1.6) ta có
i 0 =  0i e

−

Ei
kT

(1.8)

Công thức (1.8) là mố i quan hê ̣ về thời gian số ng do va cha ̣m đố i với các
mức trong quá trình dich
̣ chuyể n do va cha ̣m sinh ra.
Để xác đinh
̣ đô ̣ tích lũy ở mỗi mức năng lươ ̣ng, chúng ta cầ n xét đế n các
quá trình làm tăng đô ̣ tích lũy và quá trình làm giảm đô ̣ tích lũy. Với mức i
+ Quá trin
̀ h làm tăng đô ̣ tích lũy chủ yế u là do va cha ̣m điêṇ tử, chuyể n hê ̣
nguyên tử từ mức cơ bản lên mức i và đươ ̣c xác đinh
̣ bằ ng đa ̣i lươ ̣ng

N0

 0i

.

+ Quá trình làm giảm đô ̣ tích lũy gồ m hai phầ n, phầ n do bức xa ̣ tự phát
Ni

i

và phầ n do va cha ̣m
Ni

i

+

Ni

i 0

. Quá trình đó đươ ̣c xác đinh
̣ bằ ng đa ̣i lươ ̣ng

Ni

i 0

Trong điề u kiêṇ cân bằ ng luôn có
N0

 0i

=

Ni

i

+

Ni

(1.9)

i 0

Ở đây ta xét hai trường hơ ̣p sau:
+ Khi sự phân bố chủ yế u do va cha ̣m thì
(1.9) trở thành

1

i 0

≫

1

i

hay θi0 ≪ τi .Công thức


9

N0

 0i



Ni

(1.10)

i 0

Và
− i
N i i 0
=
= e kT
N 0  0i
E

(1.11)

Tương tự đố i với N f
N i i 0  0 f
=
N f  f 0  0i

Từ đó

. Điề u kiêṇ Ni > Nf dẫn tới

i 0 0 f
1
 f 0  0i

+ Khi đô ̣ tích lũy ở mức trên i biế n đổ i chủ yế u do bức xa ̣ tự phát, thì τi ≪
θi0 công thức (1.9) trở thành
N0

 0i



Ni

(1.12)

i

Từ đây
Ni = N0

i
 0i

(1.13)

Sử du ̣ng (1.7) vào (1.13) ta có
 −
Ni = N0 i e kT
i 0

Ei

(1.14)

e

Rõ ràng đô ̣ tích lũy Ni theo (1.14) nhỏ hơn nhiề u so với (1.11). Người ta
nói rằ ng tỷ số

i
biể u hiêṇ sự sai lêch
̣ của phân bố đô ̣ tích lũy so với phân bố
i 0

cân bằ ng nhiêṭ đô ̣ng do hiê ̣n tươ ̣ng va cha ̣m.
Bằ ng lý luâ ̣n tương tự với mức f, ta có đô ̣ tích lũy Nf xác đinh
̣ bằ ng công
thức sau
 f − kT
N f = N0
e
f0

Ef

(1.15)

e

Điề u kiêṇ nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy giữa hai mức i và f đòi hỏi Ni > Nf hay
Ni  i  f 0 −
=
e
N f  f i 0

Ei − E f
kTe

1

(1.16)


10

Điề u kiê ̣n (1.16) sẽ thỏa mañ tùy thuô ̣c viê ̣c cho ̣n các đa ̣i lươ ̣ng τi, τf, θf0,
θi0 đố i với các mức xác đinh
̣ i và f trong hê ̣ nguyên tử.
- Với hỗn hơ ̣p khí: Các laser làm viê ̣c trên cơ sở hai hay ba khí (như HeNe, CO2-N2-He v.v…) có cơ chế ít nhiề u khác biêṭ so với các laser khí đơn
nguyên tử hay ion. Trong các laser này, hoa ̣t chấ t khí đươ ̣c chuyể n lên tra ̣ng thái
kích thích chủ yế u nhờ quá trình va cha ̣m cô ̣ng hưởng. Khi chấ t khí phu ̣ b nhờ
va cha ̣m điê ̣n tử chuyể n lên tra ̣ng thái kić h thích 3 thì khi va cha ̣m với cô ̣ng
hưởng với chấ t khí chin
́ h a, có mức năng lươ ̣ng kích thích 3 rấ t gầ n mức kích
thích của khí b, năng lươ ̣ng kić h thích sẽ đươ ̣c truyề n từ khí b cho khí a và các
hê ̣ nguyên tử khí a sẽ đươ ̣c chuyể n lên tra ̣ng thái kích thích 3. Tiế t diêṇ của quá
trình va cha ̣m cô ̣ng hưởng này càng lớn khi hiêụ năng lươ ̣ng ∆E giữa hai mức
kích thích của hai khí càng bé. Theo tính toán nế u ∆E > 800 cm-1 thì va cha ̣m

cô ̣ng hưởng không xảy ra. Sơ đồ hoạt động của một hỗn hợp hai khí a, b với va
chạm cộng hưởng được trình bày ở hình 1.3 [1, tr 135].
Để tìm điề u kiêṇ nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy, chúng ta dựa vào viê ̣c thành lâ ̣p
các phương trin
̀ h tố c đô ̣ ở các mức hoa ̣t đơ ̣ng laser trong khí cơ bản (hình 1.3a).

Hình 1.3: Sơ đồ hoạt động ba mức năng lượng của laser khí [1, 135]
Với sơ đờ hoa ̣t đơ ̣ng ba mức năng lươ ̣ng như trên hình 1.3, đô ̣ tích lũy ở
mức 3 và 2 của khí a đươ ̣c ký hiêụ là N 3a và N 2a , còn ở khí b có các đô ̣ tích lũy là


11

N1b , N 3b .

Khi ký hiê ̣u xác suấ t chuyể n dời do va cha ̣m với điêṇ tử là

va cha ̣m cô ̣ng hưởng là
i nào đó do va cha ̣m là

1

 ab
1

i

hay

1

 ba

1

 ik

, xác suấ t

; xác suấ t làm giảm đô ̣ tích lũy của mô ̣t mức

; còn xác suấ t bức xa ̣ tự phát là

1

i

v.v… thì đố i với hê ̣

hai khí ta có hê ̣ phương trin
̀ h tố c đô ̣ sau [1, tr 136] :
1
1
dN3a
1 
1 1
= N1a  +  − N3a  +
+ 
dt





3 
ba 
ab
 13
 3

(1.17)

 1
dN 2a N1a
1 
1 
a  1
=
+ N3a  +
 − N2  + 
dt
12
 21  21 
 32 32 

(1.18)

Điề u kiêṇ nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy đòi hỏi
N 3a  N 2a

(1.19)
 dN a



Ta sẽ xác đinh
̣ điề u kiê ̣n (1.19) trong tra ̣ng thái dừng  i = 0  . Sử du ̣ng
 dt

các hê ̣ thức
 ba N1b
1
1
~ b do  ab ~ b và  ab ~ b
 ab N 3
N3
N1

Và

E −E
−
31
= e kT
13
3

1

Do giả thiế t các điêṇ tử tuân theo phân bố Maxwell. [1, tr 136]
Điề u kiêṇ (1.19) chỉ thỏa mañ khi bấ t đẳ ng thức sau đươ ̣c thỏa mañ :
 1
E − E2  31 31 
1
1 

exp 3
+  − 1 +  21  +
− 



kT   3  3 
13 
 32 32  21 

 ba
1
Nb
1
1 
 E 
1 − 1b exp  − 2  +  21  −
−

N3
 kT 
 21  32 32 

(1.20)

Bấ t đẳ ng thức (1.20) tùy thuô ̣c dấ u của tử số và mẫu số ở vế phải bấ t
phương trình (1.20), và dấ u của chúng tùy thuô ̣c sự thay đổ i của hai đa ̣i lươ ̣ng
sau


12

y=

1
1 
 31
và x = 21  − 
3
 21  32 

Thực tế , nế u lưu ý rằ ng xác suấ t dich
̣ chuyể n do va cha ̣m giữa hai mức
3↔2 nhỏ hơn rấ t nhiề u xác suấ t dich
̣ chuyể n do bức xa ̣ tự phát hay cảm ứng, tức
1

 32

≪

1

 32

và xem

 31
 1 thì gầ n đúng có thể viế t (1.20) dưới da ̣ng
3

E − E2 

exp 3
1 + y  − 1 − x

13 
kT 

N1b
 ba
 E 
1 − b exp  − 2  + x
N3
 kT 

(1.21)

Mẫu số ở vế phải của (1.21) bằ ng không khí
x0 =

N1b
 E

exp  − 2
b
N3
 kT


 −1


(1.22)

Tử số ở vế phải của (1.21) bằ ng không khí
y0 =

E3 − E2
kT
E3 − E2
exp
kT

x + 1 − exp

(1.23)

Theo (1.22) mẫu số dương khi x > x0 và mẫu số âm khi x < x0. Theo
(1.23) do y0 phu ̣ thuô ̣c x theo da ̣ng y0 = ax + b với hê ̣ số a > 0, nên tử số dương
khi y > y0 và âm khi y < y0.
Do các đa ̣i lươ ̣ng xác suấ t luôn luôn dương, nên bấ t đẳ ng thức (1.21) chỉ
có đươ ̣c khi đa ̣i lươ ̣ng ở vế phải của nó là dương. Các giá tri ̣ của x và y nằ m
trong hình ga ̣ch chéo ở hiǹ h 1.4 thỏa mañ yêu cầ u vừa nêu. Có thể thấ y

+ Ở miề n a ta không nhâ ̣n đươ ̣c nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy bằ ng va cha ̣m
cô ̣ng hưởng cũng như va cha ̣m loa ̣i 1 với điê ̣n tử.
+ Ở miề n b hoàn toàn thu đươ ̣c nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy ở khí a nhờ sự có
mă ̣t của khí b.
+ Ở miề n c không thu đươ ̣c nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy, tuy nhiên có thể thu
đươ ̣c đô ̣ tích lũy ở khí a khi không có mă ̣t khí b nhờ va cha ̣m loa ̣i 1.


13

+ Ở miề n d sự nghich
̣ đảo đô ̣ tích lũy có thể xảy ra trong khí a và với sự
có mă ̣t của khí b nhờ va cha ̣m cô ̣ng hưởng.

Hình 1.4: Khảo sát nghi ̣ch đảo độ tích lũy giữa các miề n [1, 138]
1.1.6. Phân loa ̣i laser khí
Tùy theo môi trường hoa ̣t tính của laser khí, đế n nay ta có thể phân laser
khí thành 5 loa ̣i sau:
Loa ̣i laser khí đơn nguyên tử với môi trường hoa ̣t tính là các khí hiế m
NeI, ArI hoă ̣c nguyên tử nhóm Halogene như OI, NI… Đă ̣c điể m chung của loa ̣i
laser này là có thể kích thić h ở dòng phóng điê ̣n thấ p và hầ u hế t làm viê ̣c ở chế
đô ̣ liên tu ̣c. Khi dùng hỗn hơ ̣p các khí đơn nguyên tử người ta có thể làm tăng
hiêụ suấ t do tâ ̣n du ̣ng đươ ̣c sự truyề n năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng, điể n hình ở loa ̣i
này là laser He-Ne.
Laser khí ion có môi trường hoa ̣t tính là các khí như: ArII, ArIII, KrIII,
OIII, OIV, HgII,… Đă ̣c điể m chung của loa ̣i laser này là dùng dòng phóng điêṇ
cao hàng chu ̣c ampe, có công suấ t phát lớn đế n hàng chu ̣c oát ở chế đô ̣ liên tu ̣c,

dễ dàng cho bước sóng nằ m ở vùng nhìn thấ y đươ ̣c và tử ngoa ̣i chân không,


14

trong khi các laser khí nguyên tử cho bước sóng phát vùng hồ ng ngoa ̣i và dài
hơn nữa.
Laser khí phân tử có môi trường hoa ̣t tính là các chấ t khí hoa ̣t đô ̣ng ở áp
suấ t thường như: N2, H2O, CO, CO2,… hay hỗn hơ ̣p của chúng. Phầ n lớn các
laser này có bức xa ̣ ở vùng hồ ng ngoa ̣i xa và thuô ̣c về dich
̣ chuyể n giữa các mức
dao đô ̣ng của phân tử. Chúng có thể cho công suấ t cao không chỉ ở da ̣ng xung,
mà còn cả ở da ̣ng liên tu ̣c. Khi có dich
̣ chuyể n giữa các mức điê ̣n tử của phân tử,
người ta có thể thu đươ ̣c bức xa ̣ ở vùng tử ngoa ̣i.
Laser hơi kim loa ̣i là laser làm viê ̣c ở pha khí sau khi cho kim loa ̣i bố c
hơi. Loa ̣i laser này cho công suấ t phát lớn và thường phát ở vùng nhìn thấ y đươ ̣c
hoă ̣c tử ngoa ̣i xa.
Laser excimer là loa ̣i laser khí phân tử có dich
̣ chuyể n giữa các mức điê ̣n
tử dao đô ̣ng và chủ yế u cho bức xa ̣ vùng tử ngoa ̣i và tử ngoa ̣i chân không làm
viêc̣ ở áp suấ t cao. [1, tr 141]
1.2. Laser He-Ne
1.2.1. Lich
̣ sử ra đời laser He-Ne
Laser He-Ne là laser khí đươ ̣c phát minh đầ u tiên vào cuố i năm 1960 bởi
Ali Javan, Bennett và Herriott ta ̣i Bell Telephone Laboratories. Là mô ̣t trong
những loa ̣i laser khí đươ ̣c ứng du ̣ng rô ̣ng raĩ nhấ t hiê ̣n nay trong nhiề u liñ h vực
như y ho ̣c, quân sự, công nghiêp,…
và đươ ̣c sử du ̣ng phổ biến trong các phòng

̣
thí nghiê ̣m về quang ho ̣c. Hiê ̣n nay laser He-Ne đươ ̣c sản xuấ t với qui mô công
nghiê ̣p.
1.2.2. Đă ̣c điể m laser He-Ne
Là loại laser có mơi trường hoạt tính là khí He-Ne.
Sự phát laser xảy ra trên các mức năng lươ ̣ng của Ne, cịn He thêm vào là
tác nhân truyền kích thích cộng hưởng trong q trình bơm.


15

So với laser rắn thì độ rộng các mức năng lượng của laser khí là khá nhỏ
nên ta phải dùng bơm điện thay vì bơm quang học như laser rắn. Vì vậy, có thể
kích thích laser khí hoạt động ở dịng phóng điện thấp.
Vùng bước sóng phát của laser He-Ne khá rộng từ tử ngoại đến hồng
ngoại.
1.2.3. Cấ u ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng laser He-Ne
a) Cấ u ta ̣o laser He-Ne gồm các bộ phâ ̣n chủ yếu sau:
+ Hoạt chất khí He-Ne
+ Buồng cộng hưởng gồm một gương phản xạ toàn phần và một gương
bán phản xạ.
+ Nguồn bơm điện
b) Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng laser He-Ne: Laser He-Ne hoa ̣t đô ̣ng trên cơ sở
truyề n năng lươ ̣ng kić h thích cô ̣ng hưởng giữa nguyên tử He và Ne. Khi có mô ̣t
chùm điê ̣n tử đươ ̣c gia tố c va cha ̣m với hê ̣ nguyên tử He, nhờ quá triǹ h va cha ̣m
trực tiế p, các nguyên tử He từ tra ̣ng thái cơ bản 11S đươ ̣c chuyể n lên các tra ̣ng
thái siêu bề n 21S và 23S. Do hai tra ̣ng thái siêu bề n của He này nằ m rấ t gầ n với
các mức kích thích 5s và 4s của nguyên tử Ne nên nhờ va cha ̣m không đàn hồ i
có sự truyề n cô ̣ng hưởng năng lươ ̣ng kích thích từ nguyên tử He sang nguyên tử
Ne để đưa nguyên tử Ne từ mức cơ bản lên tra ̣ng thái năng lươ ̣ng cao hơn. Như

vâ ̣y He chỉ đóng vai trò là chấ t đê ̣m truyề n năng lươ ̣ng kích thích cho Ne, còn
quá trình nghich
̣ đảo mâ ̣t đô ̣ cư trú là xảy ra ở nguyên tử Ne.
Việc duy trì bơm điêṇ sẽ xảy ra nghich
̣ đảo mâ ̣t đô ̣ cư trú giữa các mức
5s, 4s với 4p và 3p của nguyên tử Ne. Các nguyên tử Ne ở tra ̣ng thái 3p do va
cha ̣m với thành bình và xảy ra dich
̣ chuyể n không bức xa ̣ xuố ng mức năng
lươ ̣ng cơ bản. Kế t quả ta thu đươ ̣c các bước sóng của các chuyể n dich
̣ sau:
5s → 4p cho laser bước sóng λ = 3391nm (Hồ ng ngoa ̣i)
5s → 3p cho laser bước sóng λ = 632,8nm (Ánh sáng đỏ)
4s → 3p cho laser bước sóng λ = 1152nm (Hồ ng ngoa ̣i)


16

Ta thấ y, laser He-Ne dao đô ̣ng trên nhiề u bước sóng, phổ biế n nhấ t là ở
bước sóng λ = 632,8nm (đỏ), các bước sóng khác bao gồ m λ = 543nm (xanh) và
các tia hồ ng ngoa ̣i ở bước sóng λ = 1152nm và λ = 3391nm. Laser He-Ne dao
đô ̣ng ở bước sóng λ = 1152nm là laser khí đầ u tiên và là laser CW đầ u tiên đươ ̣c
sử du ̣ng.

Hình 1.5: Cấ u tạo laser He-Ne
Dich
̣ chuyể n từ 5s → 4p (λ = 3391nm) có hê ̣ số khuế ch đa ̣i lớn nhấ t, có
thế đa ̣t tới 20(dB/m), do đó để nhâ ̣n đươ ̣c bức xa ̣ này có thể dùng gương phủ
kim loa ̣i. Đă ̣c biê ̣t bức xa ̣ này có thể tồ n ta ̣i khi các tham số phóng điê ̣n biế n đổ i
trong pha ̣m vi khá rô ̣ng. Bức xa ̣ dich
̣ chuyể n 4s → 3p (λ = 1152nm) so với dich

̣
chuyể n 5s → 4p (λ = 3391nm) thì khó kích thích hơn nhiề u. Hê ̣ số khuế ch đa ̣i ở
dich
̣ chuyể n 4s → 3p tương đớ i nhỏ chỉ cỡ 10÷12(%/m) do đó nhấ t thiế t phải


17

dùng gương phủ bằ ng chấ t điê ̣n môi và phủ nhiề u lớp. Khó thực hiêṇ hơn cả là
bức xa ̣ ở dich
̣ chuyể n 5s → 3p (λ = 632,8nm). Hê ̣ số khuế ch đa ̣i ở đây khá nhỏ
4÷6(%/m). Nhưng vì bức xa ̣ này cho ánh sáng đỏ, ứng với pha ̣m vi có đô ̣ nha ̣y
lớn nhấ t của các máy thu dùng photodiode do đó laser He-Ne đươ ̣c dùng rô ̣ng
raĩ ở bước sóng này. [2, tr 158]

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser He-Ne
1.3. Kế t luâ ̣n chương I
Trong chương này chúng tôi đã trình tở ng quan về laser khí nói chung và
laser He-Ne nói riêng về khái niệm, cấu tạo cơ bản, đặc điểm, tính chất chung
của laser khí; nguyên lí hoa ̣t đô ̣ng và đô ̣ng ho ̣c của laser He-Ne.
Các kiế n thức mà chúng tôi đã trình bày ở chương I chính là cơ sở lý
thuyế t cho các nghiên cứu ở chương II.


18

CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦ A LASER He-Ne TRONG THÍ NGHIỆM
DẠY HỌC VẬT LÝ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
Laser He-Ne có nhiều ưu điể m như đô ̣ đơn sắ c và đô ̣ đinh
̣ hướng cao,

hoa ̣t đô ̣ng ở công suấ t thấ p và phát ra ánh sáng màu đỏ ở bước sóng 632,8 nm.
Với những ưu điể m nở i bâ ̣t trên laser He-Ne có nhiều ứng dụng trong đời sống,
đặc biệt đươ ̣c sử du ̣ng phổ biến trong thí nghiê ̣m da ̣y ho ̣c vật lý bậc trung ho ̣c
phổ thông, giúp nâng cao quá trình da ̣y và ho ̣c của giáo viên và ho ̣c sinh. Trong
chương này, chúng tôi đưa ra mô ̣t số ứng du ̣ng của laser He-Ne trong thí nghiê ̣m
da ̣y ho ̣c vật lý trường trung ho ̣c phổ thông thông qua các bài thí nghiệm như: đo
bước sóng, đo cơng ś t của laser He-Ne; tìm hiể u về vai trò của laser He-Ne
trong giao thoa kế Michelson và giao thoa kế Mach-Zehnder.
2.1. Đo bước sóng của laser He-Ne
2.1.1. Sự phụ thuộc của cường độ vào bước sóng laser phát
• Mu ̣c đích thí nghiêm
̣
- Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ vào bước sóng laser He-Ne bằ ng
phở kế .
- So sánh kế t quả bước sóng đo đươ ̣c với bước sóng ánh sáng ghi trên
du ̣ng cu ̣.
• Du ̣ng cu ̣ thí nghiêm
̣
- Máy phát laser He-Ne 632,8nm (Carlsbad, California 92011 USA):
Dùng để phát ra ánh sáng laser có bước sóng 632,8nm (hình 2.1).
- Quang phở kế : Là thiế t bi ̣ hoa ̣t đô ̣ng dựa trên phân tích quang phổ của
ánh sáng, dùng để xác đinh
̣ phân bố cường đô ̣ ánh sáng theo bước sóng của ánh
sáng (va ̣ch phổ ). Trong quang phổ kế thì phầ n cơ bản nhấ t là dẫn chùm ánh sáng
tới khố i khúc xa ̣ để phân tích ánh sáng theo bước sóng, rồ i tới đầ u dò để xác
đinh
̣ cường đô ̣ sáng ta ̣i mỡi bước sóng (hình 2.2).