Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 1 - TS. Nguyễn Thành Đông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 1 - Nguyên lý hoạt động của nguồn sáng Laser" được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Cơ sở vật lý của nguồn Laser; Phát xạ kích thích sóng ánh sáng Laser; Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn sáng Laser; Tính chất của tia Laser. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 1 - TS. Nguyễn Thành Đông

Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Cơ khí Cơ Khí Chính xác và Quang học KỸ THUẬT LASER TRONG CHẾ TẠO CƠ KHÍ Chương 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER Giáo viên : TS. Nguyễn Thành Đông Email: dong.nguyenthanh@hust.edu.vn
Nội dung  Cơ sở vật lý của nguồn Laser  Phát xạ kích thích sóng ánh sáng Laser  Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn sáng Laser  Tính chất của tia Laser 05/04/2022 2
1. Cơ sở vật lý của nguồn Laser 1.1 Nguyên 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 : E=h.  E: năng lượng  h: hằng số Plăng 6,025.10 -34  : tần số sóng ánh sáng  Nếu coi là sóng: . = c  : là bước sóng ánh sáng  c: vận tốc ánh sáng 3.10 8 m/s 05/04/2022 3
Phổ của sóng điện từ tổng quát Trong đó: sóng ánh sáng từ hồng ngoại đến tử ngoại là sóng điện từ ngang phẳng 05/04/2022 4
Mô hình mẫu nguyên tử Bao gồm hạt nhân và các electron xung quanh 05/04/2022 5
Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4p6 5s2 4d10… Với:  1,2,3…: Chỉ số lớp  s, p,d…: thứ tự phân lớp trong lớp  2,6,10… số điện tử trong mỗi phân lớp  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.. 05/04/2022 6
Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử (tiếp) 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. 05/04/2022 7
1.2 Mô tả vật lý sóng ánh sáng Laser Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số khá lớn từ 1012 ÷1014 Hz ứng với bước sóng  = 0,4 ÷ 3 µm Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số  xác định. Sóng ánh sáng lan truyền trong các môi trường dẫn quang và chân không chính là sóng điện từ lan truyền. 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 :  2 S 1  2 S  z 2 v 2 t 2 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 05/04/2022 8
Mô tả vật lý sóng ánh sáng Laser 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 : gọi là số sóng a là biên độ sóng cầu tại r =1 đơn vị. :tần số sóng 0 : pha ban đầu 05/04/2022 9
Mô tả vật lý sóng ánh sáng Laser 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: Biểu diễn theo Ơ-le: ei= cos + isin 05/04/2022 10
Mô hình sóng cầu và sóng phẳng Hình1.1 Mô hình a) Sóng cầu b) sóng phẳng 05/04/2022 11
Sóng ánh sáng 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. 05/04/2022 12
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. 05/04/2022 13
Sự phân cực ánh sáng 05/04/2022 14
Giao thoa ánh sáng 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 = a1cos(t+ 1) 1= –kz + 10 E2 = a2cos(t+ 2) 1= –kz + 20 Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để xác định biểu đồ pha = (-kz+ 0) của sóng tổng hợp E = acos(t+) có kết quả: tan  = a1 sin 10  a2 sin 20 a1 cos 10  a2 cos 20 05/04/2022 15
Hiện tượng giao thoa xảy ra -nếu kz = const thì 10 - 20= 1 - 2 = 0 thì A sẽ lớn nhất - nếu 10 - 20= 1 - 2 = π thì A sẽ nhỏ nhất 05/04/2022 16
Hiện tượng giao thoa xảy ra -nếu kz = const thì 10 - 20= 1 - 2 = 0 thì A sẽ lớn nhất - nếu 10 - 20= 1 - 2 = π thì A sẽ nhỏ nhất 05/04/2022 17
Cường độ sáng  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 với cho đơn giản: 05/04/2022 18
Cường độ sáng (tiếp)  Biểu diễn dưới dạng phức :  Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ: 05/04/2022 19
Sự khác biệt giữa sóng ánh sáng và sóng radio Sóng ánh sáng Sóng radio Dịch chuyển mức Chuyển động có Nguồn phát năng lượng điện gia tốc của điện tử tử Thu lượng tử Thu liên tục và E=h và Năng Năng lượng tỉ lệ lượng tỉ lệ với Nguồn thu bình phương biên với diện tích biên độ sóng độ sóng 05/04/2022 20