Sự phát quang và hấp thụ ánh sáng của vật chất

Ự Ủ Ấ Ậ Ấ Ụ S  PHÁT QUANG VÀ H P TH  ÁNH SÁNG C A V T CH T

ự ấ ụ ở ử S  h p th  photon b i phân t

Ổ Ấ Ổ

ượ ứ ủ ề ử ử , nguyên t trong giáo trình

Ạ Ụ PH  H P TH  và PH  PHÁT X   ng c a phân t Xem them v  các m c năng l ự ậ th c t p

Ỳ HU NH QUANG                                                          LÂN QUANG

LASER Ánh sáng thường

ồ ủ

ơ ắ :  có nhi u b ớ ố ề ng   ng   v i   vô   s

ượ

ườ

ọ ự ạ ở  Ánh sáng c a các ngu n sáng th ườ ng: ướ   c sóng  Không đ n s c ướ   ươ ứ c   các   b do   t ể ủ   ứ ể ng   có   th   c a chuy n   m c   năng   l ạ  ử ấ  c u thành môi tr phân t ng phát x  trên)  (xem hình minh h a s  phát x

ồ ề ấ

(cid:0) (cid:0) ỗ m i photon truy n đi có tính ch t sóng đi n t ượ ướ ặ ở

c đ c tr ng b i phase ử ừ ứ ế ệ ừ  . Hình dung theo  ượ   ng  m c năng l

 Các tia sáng không đ ng pha:  c sóng còn đ ư ấ

khác nhau t ể ứ ả ữ ố

ươ ươ ồ ề ư nghĩa là ngoài b ượ ng nh  sau, các phân t thuy t các m c năng l ờ ơ ứ kích thích nh y xu ng m c th p h n vào nh ng th i đi m khác nhau. ấ :   các   photon   phát   ra   theo   ph ẫ   ng   ng u ng   truy n   không   đ ng   nh t

 Ph

ự ậ ấ ượ ủ nhiên b t kìấ ừ ữ   T  nh ng tính ch t đó, s  t p trung năng l ng c a chùm sáng không có

Ánh sáng kì diệu

ượ c) ng ượ ạ ẽ c l ấ ữ i s  có nh ng tính ch t

ầ

ng

ượ ượ ữ   ng vào nh ng

ệ ữ ệ đi m nh ỏ à t o ra nh ng hi u qu  đ c bi

ồ ẳ ư ế ể ậ c chùm sáng nh  th  đ  t p trung năng l ả ặ ạ  Chùm sáng th n kì (kì v ng thu đ ọ ầ  Đ  đ n s c cao, g n nh  đ n s c ộ ơ ắ ư ơ ắ  Đ ng pha ồ  Đ ng h ướ ẳ ụ  M c đích thu đ ạ ề ướ Đ ng pha, đ ng h ủ t (phá h y)  ạ ướ ng            vs         Lo n pha, lo n h ng

ạ ế

ạ ả ứ Nguyên lý phát LASER ằ   Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ­ khu ch đ i ánh sáng b ng ự s  phát x  đ

c LASER

ử ứ ộ

ủ  b  kích thích c a các nguyên t ờ ệ ử ị ả ượ ứ ề ậ ứ ng. M c năng l trên m t m c năng   ề   ể ng này ph i là m c siêu b n đ  có th i gian t p trung nhi u

.

ề

ấ ả t c  các đi n t ứ ộ ạ ố

ượ ế

ự ạ ượ c kích thích (hay là s  phát x  c m  ng) ượ ể  Đ  thu đ ậ T p trung (giam) các đi n t ượ l ệ ử đi n t ứ c t p trung trên m c siêu b n nói trên Sau đó kích thích cho t ơ ồ đ ng lo t nh y xu ng m t m c khác th p h n  K t qu  c a quá trình trên là đ ng th i thu đ ể c: 1) các photon cùng  m t b ữ ộ ướ   c ị   ng xác đ nh. c t

ệ ử ượ ậ  đ ấ ờ c chuy n gi a 2 m c năng l ể ủ ồ ượ ừ ộ ướ  m t b ướ ệ ử ả ả ả ủ ạ sóng do phát x  có đ ồ 2) các photon đ ng pha do b ượ ứ ờ ồ  x y ra đ ng th i c chuy n c a các đi n t

ắ ầ ệ ề ệ

ể ườ

ả ế ề

ự ứ ớ ơ ở ườ ạ ọ ng  t o LASER (trong hình v  là “active medium” : không ph i môi ấ   ng siêu b n. Qua quá trình tìm ki m và ồ   ượ ng t o LASER. H ng c các môi tr

ả

ậ ượ ạ ộ ừ ẽ ng (trong hình v  “energy pump”) ho t đ ng không ng ng, th ườ   ng

ệ ng đi n ưở ượ ộ ầ ầ ộ ể

ng g m các t m g ướ ẳ ươ ng ph n x  (toàn ph n và m t ph n) đ ờ ạ ạ ấ ồ ả ế ộ ộ ố ề ượ c LASER ta c n m t s  đi u ki n b t bu c Đi u ki n đ  thu đ ẽ ạ 1 – Môi tr ượ ậ ườ ng v t ch t nào cũng có các m c năng l tr ự d  đoán d a trên c  s  khoa h c m i tìm ra đ ấ ầ ọ ng c (ruby) là v t ch t đ u tiên có kh  năng phát LASER ơ 2 – B m năng l là dùng năng l ộ 3 – B  quang c ng h ượ thu đ ồ c chùm LASER đ ng h ng đ ng th i khu ch đ i.

Ự Ả Ự ƯỢ C M T Đ  C  TRÚ và S  PHÁT X  C M  NG

S  Đ O NG ệ ậ ề ượ ụ ứ Ạ Ả Ứ ề

ề ử c a nhi u nguyên t

ỉ cùng lúc  ử

ượ ề ệ ử ủ ố  c a s  ít nguyên t ự ự ấ nhiên. T  nhiên là khi s  đi n t

ng siêu b n (thí d  m c E1 trên   ấ   ố ậ ộ ể  đây ta hi u là: trong m t kh i v t ch t ở ứ    m c năng ằ ở ứ    khác n m   m c ố ệ ử ở ứ    m c   ướ   ng  luôn có xu h m c cao theo nguyên lý đi n t

ệ ử ư ứ ể ố

Ậ Ộ Ư ứ ệ ử  trên m c năng l  Vi c t p trung nhi u đi n t Ở ự ờ ể  nhiên.  hình trên) đ  ch  là không t ệ ử ủ ỏ nh  (vi phân dV) nhi u đi n t ượ l ng cao E1, trong khi ch  có ít đi n t ơ ng E0 th p h n là không t năng l ơ ố ệ ử ở ứ ề ấ th p  nhi u h n s  đi n t ể ấ ề ứ chuy n v  m c th p nh t có th . Công th c th ng kê nh  sau  (cid:0) E/kT)

ự ả ấ ọ

 N(E cao) / N (E th p) = exp (­  Vi c t o ra tình tr ng N (E cao) >> N (E th p) đ

ậ

ượ c g i là s  đ o ng ằ ượ ệ ử ủ ệ ả ơ  c a các nguyên t

ố ượ ẩ ộ ượ ứ ượ ấ ấ ạ ự c th c hi n trong kĩ thu t LASER b ng b m năng l ượ ng ph n ánh s  b m đ y các đi n t ể ơ ả ng c  b n (s  l ậ   ượ c m t ng. Hình   ử ở      t tr i trong th  tích dV) lên m c năng ự ơ ng v

ề ệ ạ ộ ư ượ đ  c  trú, đ ơ ả nh b m năng l ứ m c năng l ượ l ng cao siêu b n

ượ ng đúng b ng chênh l ch b

ự ả

ả ồ ệ c m t đ  c  trú   khác nhau đang

ằ ượ c t o ra s  đ o ng ử  các nguyên t ấ ượ ế photon kích thích có năng l ầ  vào môi tr ượ ạ ườ ng đã đ ạ  các đi n t ạ ự nh y đ ng lo t ệ ử ở ứ ố ề ơ ướ   c ậ ộ ư à ở  ấ   ng th p h n (không nh t ng cao siêu b n xu ng m c năng l

ố ờ

 Khi nh y đ ng lo t xu ng nh  photon kích thích nh  th , các photon phát ra

ư ế ơ ổ ế ả ự ự ọ

ế ả ấ  Sau đ y chi u  ể chuy n ta c n kích ho t s   ượ ứ m c năng l ứ ơ ả ế t là m c c  b n). thi à ạ ồ ạ ả   ạ ượ đó là s  phát x  đ c kích thích hay còn g i ph  bi n h n là   s  phát x  c m ngứ . Sau khi phát x  c m  ng phát ra thì chính các photon c a nó đóng vai trò ủ ạ ả ứ   ố kích thích ti p các photon khác nh y xu ng.

ư

 V  c  b n b ng cách nh  trên ánh sáng LASER đ

ưở ấ ượ ạ ươ c t o ra. M t chi ti ả ế ụ ng g m có các t m g ộ t quan ạ ng  ph n x  có m c đích

ộ ộ ướ ế ạ ề ơ ả ằ ả ọ tr ng ph i có là h p c ng h ồ ạ t o chùm tia đ ng h ồ ng và khu ch đ i chùm tia

ộ ắ ồ

ả

ượ ồ sóng nói chung, g m c  sóng đi n t ổ b  sung cho nhau ch  không tri ậ ế ợ ng cao

ẳ ạ ị ứ  Ngoài ra do chùm tia LASER có đ nh đ ng h

ượ ấ ộ Tại sao chùm LASER có tính chất đốt nóng cao? ơ ồ ệ ượ  Do là m t chùm sáng đ n s c và đ ng pha, theo hi n t ng ch ng ch p các   ệ ừ à phát x  c m  ng có tính k t h p (ch ạ ả ứ ỉ    à s  t p trung năng l ự ậ ệ t tiêu nhau)  ấ   ộ ng t o thành m t chùm tia r t ỏà  m t đ  năng ậ ộ ướ ệ ng vào m t di n tích r t nh

ả ố m nhả às  t p trung năng l ượ l ự ậ à kh  năng đ t nóng ng cao