Nguyên lý laser

Chia sẻ: Sad Xfile | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

740
lượt xem 151
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

NGUYÊN LÝ 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. 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 thì có thể mô tả:CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BẰNG LASER 7.1 Các đặc điểm quá trình gia công vật liệu bằng laser. Các nguồn nhiệt cổ điển: Khí đốt axetilen, hồ quang điện hồ quang plasma và dòng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nguyên lý laser

Chương 1. NGUYÊN LÝ 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. 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 thì có thể mô tả: E=h.υ -E: năng lượng -h: hằng số Plăng 6,025.10 -34 -υ : tần số sóng ánh sáng Nếu coi là sóng: λ .υ = c -λ : là bước sóng ánh sáng -c: vận tốc ánh sáng
P hæ c ña S ãng §iÖn tõ tæ ng q u¸t Trong ®ã: s ãng ¸nh s ¸ng tõ hång ngo¹i ®Õn tö n go¹i lµ s ãng ®iÖn tõ ngang ph¼ng
M« hinh mÉu ng uyªn tö
Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s2 4d10 Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp - s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp -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..
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.
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 λ = 1nm ÷ 1mm. Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số υ 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 (mà dạng cơ bản thường là sin hoặc cos) thoả mãn phương trình sóng : Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian:
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 : S=acos[(ωt – kr) + ϕ0 ] gọi là số sóng -a là biên độ sóng cầu tại r =1 đơn vị. -ω:tần số sóng -ϕ0 : pha ban đầu
• 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[(ωt – kz) + ϕ0 Ơ Biểu diên theo ] -le: eiϕ= cosϕ + isinϕ
z z λ λ (a) (b) Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳng
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.
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.
• 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 = a cos(ωt+ ϕ01) • E2 = a cos(ωt+ ϕ02) • • Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để xác định pha ϕ và biên độ A của sin Acos(ωt+ϕ) : sóng tổa1 sinợp + a2E =ϕ ng h ϕ 10 20 A2 =2a2 + 2acos(ϕ01 - ϕ02) a1 cosϕ10 + a2 cosϕ20 tg ϕ =
Hiện tượng giao thoa xảy ra: -nếu ϕ10 -ϕ20= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a A -nếu ϕ10 -ϕ20 = π thì A sẽ nhỏ nhất A = 0 = =
Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật đô năng lượng sóng được tính theo biểu thức sau: S= v.ω Khi tính theo cường độ sáng (hay độ rọi) - µ & ε 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:
Biểu diễn dưới dạng phức : Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ:
S ù kh¸c biÖt c ña s ãng ®iÖn tõ ¸nh s ¸ng v µ s ãng ®iÖn tõ ra®i« S ãng ¸nh s ¸ng S ãng Radio Nguån DÞch chuyÓn møc p h¸t ChuyÓn ® éng cã n¨ng lîng ®iÖn tö gia tèc cña ®iÖn tö Thu lîng tö E= ν h Nguån vµ Thu liªn tôc vµ thu N¨ng lîng tØ lÖ víi N¨ng lîng tØ lÖ b× ph¬ biªn nh ng víi diÖn tÝch biªn ® sãng é ® sãng é
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 = hν = 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 có hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”. Mức laser trên Mức laser dưới