I. Khái ni m Laserệ
Laser là tên vi t t t c a t “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” ế ắ ủ ừ
(nghĩa là khu ch đi ánh sáng phát x kích thích b i b c x ).Electrons t n t i các t ng ế ạ ạ ở ứ ạ ồ ạ ở ầ
năng l ng riêng bi t trong m t nguyên t .Các t ng năng l ng này có hình d ng nh ượ ệ ộ ử ầ ượ ạ ư
vòng tròn hay qu đo, xung quanh h t nhânỹ ạ ạ
Electrons bên ngoài s có t ng năng l ng cao h n nh ng electrons phía trong.Khiở ẽ ầ ượ ơ ữ ở
có s tác đng hoá-lý bên ngoài ,các h t electrons này cũng có th nh y t t ng năng ự ộ ở ạ ể ả ử ầ
l ng th p ,lên t ng năng l ng cao(bumped up to higher energy levels by the injection ofượ ấ ầ ượ
energy),và ng c l i ,quá trình này đu s t o ra các tia sáng.B c sóng và màu s c c a ượ ạ ề ẽ ạ ướ ắ ủ
tia sáng ph thu c vào năng l ng t o ra ,cũng nh thi t b ,nguyên t hoá h c ta s ụ ộ ươ ạ ư ế ị ố ọ ử
d ng.ụ
Tia laser h ng ng c (ruby laser) đc t o ra l n đu tiên vào năm 1960 ,b i nhà v t lýồ ọ ượ ạ ầ ầ ở ậ
Maiman t i Hughes Laboratory in Malibu ,California .Ruby là thành ph n c a oxit nhôm ạ ầ ủ
,k t h p v i nguyên t nhôm ,đc đt trong Chromium.Chromium h p th tia sáng ế ợ ớ ử ượ ặ ấ ụ
màng xanh lá cây và xanh l c ,đ l i duy nh t tia sáng màu h ng.ụ ể ạ ấ ồ
Có nhi u lo i laser khác nhau, có th d ng h n h p khí, ví d ề ạ ể ở ạ ỗ ợ ụ He-Ne, hay d ng ch t ạ ấ
l ng, song có đ b c x l n nh t v n là tia laser t o b i các thành ph n t tr ng thái ỏ ộ ứ ạ ớ ấ ẫ ạ ở ầ ừ ạ
ch t r n.ấ ắ
II. Nguyên lý ho t đng ạ ộ
1. Quá trình h p th , phát x t nhiên và phát x c ng b cấ ụ ạ ự ạ ưỡ ứ
Quá trình h p th , phát x t nhiên và phát x c ng b c c a môi tr ng các nguyên ấ ụ ạ ự ạ ưỡ ứ ủ ườ
t , phân t đc Abert Einstein phát hi n năm 1917ử ử ượ ệ
Gi s ra có m t t p h p các nguyên t ho c phân t v i hai m c năng l ng, trong đó ả ử ộ ậ ợ ử ặ ử ớ ứ ượ
m t m c g i là m c c b n (m c 1) và m c kia g i là m c kích thích. M t đ c trú trênộ ứ ọ ứ ơ ả ứ ứ ọ ứ ậ ộ ư
các m c đó đc xác đnh là ứ ượ ị (s nguyên t trên m t đn v th tích)ố ử ộ ơ ị ể
Theo đnh lu t phân b Boltzmann thìị ậ ố
Khi m t chùm ánh sáng, bao g m các photon v i năng l ng, có m t đ photon chi u vàoộ ồ ớ ượ ậ ộ ế
t p h p các nguyên t đó thì các quá trình sau đây s x y ra:ậ ợ ử ẽ ả
a. Quá trình phát x t phátạ ự : là quá trình các nguyên t m c năng l ng cao t nh y ử ở ứ ượ ự ả
xu ng m c năng l ng th p h n (không do ánh sáng gây nên). N u xác su t phát x t ố ứ ượ ấ ơ ế ấ ạ ự
phát c a photon trên m t đn v th i gian (s) đc kí hi u là ủ ộ ơ ị ờ ượ ệ ho c, còn và là xác su t tìmặ ấ
nguyên t tr ng thái m ho c n, thì khi đó theo đnh lu t Boltzmann, Pử ở ạ ặ ị ậ i đc xác đnh ượ ị
nh sauư
Trong đó, và là năng l ng t ng ng v i m c 1, m c 2. Khi không có s tác đng ượ ươ ứ ớ ứ ứ ự ộ
c a tr ng ánh sáng ngoài thìủ ườ
V i là h ng s (còn đc g i là h ng s Einstein). H s này ph thu c vào b n ớ ằ ố ượ ọ ằ ố ệ ố ụ ộ ả
ch t c a các nguyên t và ch xác đnh đc b ng th c nghi mấ ủ ử ỉ ị ượ ằ ự ệ
b. Quá trình h p th :ấ ụ là quá trình khi có tác đng c a tr ng ánh sáng ngoài, các nguyên t ộ ủ ườ ử
m c c b n nh n năng l ng photon c a ánh sáng đ nh y lên m c kích thích. Xác ở ứ ơ ả ậ ượ ủ ể ả ứ
su t h p th trên m t đn v th i gian đc tính nh sauấ ấ ụ ộ ơ ị ờ ượ ư
Trong đó g i là h s Einstein c a chuy n d ch h p thọ ệ ố ủ ể ị ấ ụ
Ta có th th y xác su t chuy n d ch h p th c a nguyên t hay phân t lên m c trên ể ấ ấ ể ị ấ ụ ủ ử ử ứ
s t l thu n v i m t đ photon và xác su t chuy n d ch. M t đ photon t ng tác v i ẽ ỉ ệ ậ ớ ậ ộ ấ ể ị ậ ộ ươ ớ
môi tr ng các nguyên t hay phân t càng l n thì kh năng chuy n d ch lên tr ng thái ườ ử ử ớ ả ể ị ạ
trên c a chúng càng l nủ ớ
c. Quá trình phát x c ng b c:ạ ưỡ ứ là quá trình khi có tác đng c a tr ng ánh sáng ngoài, các ộ ủ ườ
nguyên t nh y t m c kích thích xu ng m c c b n do c ng b c b i photon ánh sáng.ử ả ừ ứ ố ứ ơ ả ưỡ ứ ở
Xác su t s nguyên t nh y xu ng m c c b n trên m t đn v th i gian đc xác đnh ấ ố ử ả ố ứ ơ ả ộ ơ ị ờ ượ ị
nh sauư
V i là h s Einstein c a chuy n d ch c ng b cớ ệ ố ủ ể ị ưỡ ứ
Einstein đã ch ng minh r ng, trong tr ng thái cân b ng nhi t đng s photon b h p ứ ằ ạ ằ ệ ộ ố ị ấ
th và s photon đc phát x b ng nhau và tìm đc quan h gi a các h s nh sauụ ố ượ ạ ằ ượ ệ ữ ệ ố ư
Trong vùng quang h c, t n s ánh sáng, ta tính đcọ ầ ố ượ
Đi v i m i m t lo i nguyên t có h s Einstein c a phát x t nhiên và đo đc ố ớ ỗ ộ ạ ử ệ ố ủ ạ ự ượ
b ng th c nghi m. Trong khi đó h s Einstein c a h p th và b c x c ng b c k ằ ự ệ ệ ố ủ ấ ụ ứ ạ ưỡ ứ
nh ng ph thu c vào b n ch t nguyên t mà còn ph thu c t l ngh ch v i t n s c a ữ ụ ộ ả ấ ử ụ ộ ỉ ệ ị ớ ầ ố ủ
photon t ng tác hay chênh l ch năng l ng gi a hai m c. T c là quá trình phát x c ngươ ệ ượ ữ ứ ứ ạ ưỡ
b c và h p th s x y ra m nh h n vùng năng l ng th p, hay nói cách khác, n u ứ ấ ụ ẽ ả ạ ơ ở ượ ấ ế
kho ng cách gi a hai m c năng l ng g n nhau thì xác su t h p th và phát x s l n ả ữ ứ ượ ầ ấ ấ ụ ạ ẽ ớ
h n (d x y ra h n)ơ ễ ả ơ
Đ hi u rõ h n v quá trình b c x c ng b c và ý nghĩa c a nó ta c n ph i nghiên ể ể ơ ề ứ ạ ưỡ ứ ủ ấ ả
c u quá trình khu ch đi ánh sángứ ế ạ
2. Hi n t ng khu ch điệ ượ ế ạ
Ta gi s có m t h các nguyên t hay phân t có hai m c năng l ng. B ng m t ả ử ộ ệ ử ử ứ ượ ằ ộ
cách nào đó, s nguyên t năng l ng m c năng l ng cao l n h n s nguyên t n m ố ử ượ ở ứ ượ ớ ơ ố ử ằ ở
m c năng l ng th p () – g i là môi tr ng ngh ch đo m t đ. Tr ng thái này đc g i là ứ ượ ấ ọ ườ ị ả ậ ộ ạ ượ ọ
tr ng thái ạ“nhi t đ âm”ệ ộ , vì theo phân b Boltztmann v i nhi t đ d ng s nguyên t ố ớ ệ ộ ươ ố ử ở
tr ng thái năng l ng th p bao gi cũng l n h n s nguyên t tr ng thái năng l ng cao, ạ ượ ấ ờ ớ ơ ố ử ở ạ ượ
t c ứ
N u ta chi u vào môi tr ng này m t chùm ánh sáng v i 3 photon có năng l ng tuân theo ế ế ườ ộ ớ ượ
h th cệ ứ
Khi đó m t photon b h p th và làm cho m t nguyên t t m c lên m c, đng th i ộ ị ấ ụ ộ ử ừ ứ ứ ồ ờ
hai photon còn l i s kích thích c ng b c làm cho hai nguyên t đang tr ng thái chuy n ạ ẽ ưỡ ứ ử ở ạ ể
v tr ng thái và sinh ra thêm hai photon. Nh v y v i 3 pho ton vào ta s có 4 photon ra (s ề ạ ư ậ ớ ẽ ố
photon vào l n h n s photon ra 1 đn v ) – đây chính là quá trình khu ch đi ánh sáng trong ớ ơ ố ơ ị ế ạ
môi tr ng ngh ch đo m t đ c trúườ ị ả ậ ộ ư
H s khu ch đi c a môi tr ng đc xác đnh b ngệ ố ế ạ ủ ườ ượ ị ằ
Trong đó, và l n l t là năng l ng tín hi u ra và năng l ng tín hi u vào t ng ng.ầ ượ ượ ệ ượ ệ ươ ứ
Môi tr ng nguyên t , phân t có g i là môi tr ng khu ch đi. Tr ng h p h s thì lúc ườ ử ử ọ ườ ế ạ ườ ợ ệ ố
này môi tr ng là môi tr ng h p th ch không ph i là môi tr ng khu ch điườ ườ ấ ụ ứ ả ườ ế ạ
3. C ch t o ra laserơ ế ạ
Quá trình khu ch đi ch x y ra m t l n khi các photon đi ra kh i môi tr ng ngh ch ế ạ ỉ ả ộ ầ ỏ ườ ị
đo m t đ. Chúng ta c n ph i tìm hi u xem trong tr ng h p nào thì quá trình này l p đi ả ậ ộ ầ ả ể ườ ợ ặ
l p l i và x y ra liên t cặ ạ ả ụ
Mu n có quá trình khu ch đi liên t c các photon ánh sáng ta tìm cách t o ra tín hi u ố ế ạ ụ ạ ệ
ph n h i ng c, t c là làm cách nào đó đ m t ph n trong s các photon sau khi đi qua môi ả ồ ượ ứ ể ộ ầ ố
tr ng khu ch đi s quay tr l i đóng vai trò tín hi u vàoườ ế ạ ẽ ở ạ ệ
Câu h i đt ra là: Tín hi u quang c n khu ch đi (tín hi u vào) xu t hi n nh th ỏ ặ ệ ầ ế ạ ệ ấ ệ ư ế
nào trong máy phát laser
Môi tr ng khu c đi (môi tr ng ngh ch đo m t đ c trú) đc đt gi a hai g ng ườ ế ạ ườ ị ả ậ ộ ư ượ ặ ữ ươ
ph n x (g i là bu ng c ng h ng quang h c).ả ạ ọ ồ ộ ưở ọ
- B c th nh t: m t s nguyên t th c hi n quá trình b c x t nhiên t m c laser trên ()ướ ứ ấ ộ ố ử ự ệ ứ ạ ự ừ ứ
và phát ra photon theo nhi u h ng khác nhau. Trong s các photon đó có photon truy n ề ướ ố ề
theo ph ng vuông góc v i g ng ph n x . Trong s các photon truy n vuông góc v i ươ ớ ươ ả ạ ố ề ớ
hai g ng, m t s s truy n qua g ng (ph thu c vào h s truy n qua c a g ng) và ươ ộ ố ẽ ề ươ ụ ộ ệ ố ề ủ ươ
m t s s quay tr l i môi tr ng (ph thu c vào h s ph n x c a g ng). Chính ộ ố ẽ ở ạ ườ ụ ộ ệ ố ả ạ ủ ươ
photon này đóng vai trò tín hi u quang ban đu. Quá trình các photon quay l i môi tr ng ệ ầ ạ ườ
khu ch đi chính là quá trình ph n h i quang h c d ng.ế ạ ả ồ ọ ươ
- B c th hai: Photon này s kích thích phát x c ng b c t m c laser trên và m t ướ ứ ẽ ạ ưỡ ứ ừ ứ ộ
photon th hai s đc phát ra. Hai photon này s truy n cùng pha v i nhau và h ng t iứ ẽ ượ ẽ ề ớ ướ ớ
g ng th hai.ươ ứ
- B c th ba: Hai photon s quay l i môi tr ng và ti p t c kích thích b c x c ng b cướ ứ ẽ ạ ườ ế ụ ứ ạ ưỡ ứ
sinh ra 4 photon truy n t i g ng th nh t. T g ng th nh t m t s photon thoát ra ề ớ ươ ứ ấ ừ ươ ứ ấ ộ ố
kh i bu ng c ng h ng, do g ng này ch ph n x R%. Các photo đc ph n x l i s ỏ ồ ộ ưở ươ ỉ ả ạ ượ ả ạ ạ ẽ
ti p t c hành trình qua l i trong môi tr ng và kích thích b c x c ng b c ti pế ụ ạ ườ ứ ạ ưỡ ứ ế
Đi u c n chú ý r ng, khi đi qua môi tr ng và kích thích b c x cu ng b c ti p. C n chú ý ề ầ ằ ườ ứ ạ ỡ ứ ế ầ
r ng, khi đi qua môi tr ng m t s photon cũng b h p th đ kích thích các nguyên t t ằ ườ ộ ố ị ấ ụ ể ử ừ
m c Laser d i () lên m c laser trên. Đng th i sau m t l n qua l i gi a hai g ng c a ứ ướ ứ ồ ờ ộ ầ ạ ữ ươ ủ
bu ng c ng h ng m t s photon đi ra ngoài. Nh v y có x y ra quá trình m t mát photon ồ ộ ưở ộ ố ư ậ ả ấ
(hay m t mát năng l ng) trong m i l n qua l i bu ng c ng h ng. H s m t mát đc ấ ượ ỗ ầ ạ ồ ộ ưở ệ ố ấ ượ
tính nh sauư
Trong đó, và l n l t là năng l ng m t mát (bao g m s photon b m t mát do tán x trên ầ ượ ượ ấ ồ ố ị ấ ạ
biên môi tr ng và s photon đi ra ngoài bu ng c ng h ng) và năng l ng tích lũy (s photon t n ườ ố ồ ộ ưở ượ ố ồ
t i trong bu ng c ng h ng) ạ ồ ộ ưở
Quá trình khu ch đi trong bu ng c ng h ng và phát photon ra ngoài (b c x laser) x y ra ế ạ ồ ộ ưở ứ ạ ả
liên t c khi và ch khi h s m t mát cân b ng v i h s khu ch đi:. N u không cân b ng thì x y ụ ỉ ệ ố ấ ằ ớ ệ ố ế ạ ế ằ ả
ra tr ng h p sau:ườ ợ
- N u h s m t mát l n h n h s khu ch đi, thì sau m i l n qua l i bu ng c ng ế ệ ố ấ ớ ơ ệ ố ế ạ ỗ ầ ạ ồ ộ
h ng, s photon tích lũy trong bu ng c ng h ng ngày càng gi m đi cho đn khi chúng ưở ố ồ ộ ưở ả ế
không còn đ d kích thích c ng b c ti p. K t qu là quá trình khu ch đi b d p t t, ủ ể ưỡ ứ ế ế ả ế ạ ị ậ ắ
s photon phát ra ngoài không cònố
- N u h s khu ch đi l n h n so vói h s m t mát, thì sau m i l n qua l i bu ng ế ệ ố ế ạ ớ ơ ệ ố ấ ỗ ầ ạ ồ
c ng h ng s photon tích lũy trong bu ng c ng h ng s quá l n và d n đn quá trình ộ ưở ố ồ ộ ưở ẽ ớ ẫ ế