1
Chuyªn ®Ò 6
VËt lý Laser vµ kh n¨ng øng dông
C¬ së ®éng häc cña Laser
§1: CÊu t¹o cña mét m¸y ph¸t Laser
Laser hay cßn gäi lµ mét m¸y ph¸t lîng tö vïng quang häc. Laser lµ tªn viÕt
t¾t mµ c¸c tõ tiÕng Anh: Light Amplification by Stimulated Emssion of Radiation cã
nghÜa lµ sù khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng nhê bøc x¹ c¶m øng.
Khi chóng ta thùc hiÖn ®îc mét sù ph¶n håi cho m«i trêng khuÕch ®¹i ¸nh
s¸ng th× ta sÏ ®îc mét m¸y ph¸t gäi lµ m¸y ph¸t lîng tö ¸nh s¸ng.
Laser gåm cã ba bé phËn chÝnh lµ: ho¹t chÊt, buång céng hëng vµ bé phËn
kÝch thÝch hay nguån b¬m.
1.1. Ho¹t chÊt
§©y lµ c¸c m«i trêng vËt chÊt cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng ®i qua nã.
Cho ®Õn nay nhiÒu chÊt khÝ, r¾n, láng, b¸n dÉn v.v… ®· ®îc dïng lµm ho¹t chÊt
Laser. Chóng ta cã thÓ t¹m ph©n lo¹i nh sau:
- Ho¹t chÊt lµ chÊt khÝ bao gåm:
+ C¸c khÝ ®¬n nguyªn tö nh ArI, XeI, NeI…
+ C¸c ion khÝ ®¬n nguyªn tö nh: ArII, KrII…
+ C¸c khÝ ph©n tö nh Co2, CO, N2, H2O,…
+ C¸c hçn hîp khÝ ®¬n nguyªn tö nh He-Ne, hay hçn hîp khÝ ph©n tö nh
CO2-N2-He, CO-N2-H2O,…
- Ho¹t chÊt lµ chÊt r¾n bao gåm d¹ng tinh thÓ hay thñy tinh (glass) ®îc pha
trén thªm c¸c ion nguyªn tè hiÕm nh: Sm+3, Nd+3, Cr+3 v.v… Laser r¾n ®iÓn h×nh lµ
Laser Ruby cã ho¹t chÊt lµ tinh thÓ Al2O3 trén thªm ion Cr+3 hay Laser YAG cã ho¹t
chÊt lµ Y3Al5O12 trén thªm ion Nd+3 v.v…
- Ho¹t chÊt lµ chÊt b¸n dÉn nh GaAs, PbS, PbTe… VÒ c¬ b¶n nh÷ng ho¹t
chÊt nµy ph¶i lµ nh÷ng chÊt ph¸t quang.
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
2
- Ho¹t chÊt lµ chÊt láng bao gåm c¸c chÊt Chelaste nh peperidin Eu (BA)4
hßa tan trong dung m«i rîu ethanol+methol vµ cã thªm Ýt ion nguyªn tè hiÕm Eu+3,
Nd3… Ho¹t chÊt còng cã thÓ lµ c¸c chÊt mµu h÷u cã nh R«®amin B (RhB),
R«®amin 6G (Rh6G), Cumarin…
1.2. Buång céng hëng
Thµnh phÇn chñ yÕu lµ hai g¬ng ph¶n x¹. Mét g¬ng cã hÖ sè phn x¹ rÊt
cao cì 99,999% cßn mét g¬ng cã hÖ sè ph¶n x¹ thÊp h¬n ®Ó tia Laser tho¸t ra
ngoµi. Mét trong c¸c g¬ng cã thÓ thay ®îc b»ng l¨ng kÝnh, c¸ch tö tïy theo yªu
cÇu. Vai trß chÝnh cña buång céng hëng lµ lµm cho bøc x¹ do ho¹t chÊt ph¸t ra cã
thÓ ®i l¹i nhiÒu lÇn qua ho¹t chÊt ®Ó ®îc khuÕch ®¹i lªn. Hai g¬ng ph¶n x¹ cã thÓ
®Ó xa ho¹t chÊt hay g¾n chÆt víi nã. Buång céng hëng cã thÓ cã hai hay nhiÒu
g¬ng, lµ céng hëng tuyÕn tÝnh hay céng hëng vßng tïy theo ®êng ®i cña tia
s¸ng trong céng hëng lµ d¹ng th¼ng (hoÆc gÊp khóc) hay lµ ®êng vßng khÐp kÝn
1.3. Bé phËn kÝch thÝch hay nguån b¬m
§©y lµ bé phËn cung cÊp n¨ng lîng ®Ó t¹o ®îc sù nghÞch ®¶o ®é tÝch lòy
trong hai møc n¨ng lîng nµo ®ã cña ho¹t chÊt vµ duy tr× sù ho¹t ®éng cña Laser.
Tïy theo c¸c lo¹i Laser kh¸c nhau mµ cã nhiÒu ph¬ng ph¸p kÝch thÝch kh¸c nhau.
Nãi chung cã thÓ ph©n lo¹i:
- KÝch thÝch b»ng ¸nh ¸ng h¸y gäi lµ b¬m quang häc, ®©y lµ lo¹i kÝch thÝch
phæ biÕn. Ho¹t chÊt thu n¨ng lîng b¬m qua qu¸ tr×nh hÊp thô.
- KÝch thÝch b»ng va ch¹m ®iÖn tö: n¨ng lîng ®iÖn tö ®îc gia tèc trong ®iÖn
trêng ®îc truyÒn cho c¸c hÖ nguyªn tö ho¹t chÊt nhê qu¸ tr×nh va ch¹m. Sù truyÒn
n¨ng lîng kÝch thÝch nµy sang d¹ng n¨ng lîng bøc x¹ cña tia Laser thêng x¶y ra
phøc t¹p tïy theo lo¹i Laser.
C¶ ba bé phËn kÓ trªn kh«ng thÓ t¸ch rêi vµ lµ c¬ cÊu chÝnh cña mét m¸y ph¸t
Laser. M« h×nh tæng qu¸t cña mét m¸y Laser xem h×nh 1.
H×nh 1
1. C¸c g¬ng ph¶n x¹, 2. Ho¹t chÊt, 3. Bé phËn kÝch thÝch
2
3
1
1
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
3
§2: Lý thuyÕt cña A. Einstein vÒ bøc x¹ c¶m øng
N¨m 1917 A. Einstein ®· ph¸t triÓn quan ®iÓm lîng tö vÒ ¸nh s¸ng cña
M. Planck ®a ra lý thuyÕt vÒ bøc x¹ cm øng mµ nã lµ c¬ së cho ho¹t ®éng
cña Laser.
Chóng ta kh¶o s¸t t¬ng t¸c cña bøc x¹ ®iÖn tõ cã tÇn sè 21 víi mét hÖ
nguyªn tö (khèi chÊt) gi¶ thiÕt chØ cã hai møc n¨ng lîng lµ E1 vµ E2.
Møc E1 lµ møc c¬ b¶n cßn E2 lµ møc kÝch thÝch. Theo lý thuyÕt cña Einstein
cã thÓ x¶y ra c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹ vµ hÊp thô nh sau:
2.1. Bøc x¹ tù nhiªn
Trong khèi chÊt ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch, c¸c
nguyªn tö ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch lµ tr¹ng th¸i kh«ng
bÒn v÷ng. Do ®ã c¸c nguyªn tö ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch
thêng “tù nhiªn” trë vÒ tr¹ng th¸i c¬ b¶n kh«ng cÇn
mét t¸c ®éng nµo tõ bªn ngoµi. Khi chuyÓn dêi nh
vËy mçi nguyªn tö ph¸t x¹ mét Ph«t«n vµ qu¸ tr×nh ph¸t x¹ nh vËy gäi lµ qu¸ tr×nh
ph¸t x¹ tù nhiªn. Gi÷a nh÷ng cÆp møc n¨ng lîng kh¸c nhau kh¶ n¨ng x¶y ra ph¸t
x¹ tù nhiªn lµ kh¸c nhau. Kh¶ n¨ng nµy ®îc ®Æc trng b»ng x¸c suÊt chuyÓn dêi
®îc x©y dùng tõ lý luËn sau:
XÐt mét ®¬n vÞ thÓ tÝch khèi chÊt. Gi¶ sö ë thêi ®iÓm t=0, møc E2 cã n2(o)
nguyªn tö (h¹t), cßn ë thêi ®iÓm t sè nguyªn tö ë møc E2 lµ n2(t). Tèc ®é biÕn ®æi sè
h¹t ë møc E2 do ph¸t x¹ tù nhiªn ë thêi ®iÓm t sÏ tû lÖ víi sè h¹t n2(t) ë møc nµy. HÖ
sè tû lÖ A21 phô thuéc vµo kh¶ n¨ng chuyÓn dêi gi÷a hai møc ®ã ®îc gäi lµ x¸c suÊt
chuyÓn dêi:
)(
)(
221
2tnA
dt
tdn
tn
(1)
DÊu (-) trong biÓu thøc trªn chØ ra r»ng chuyÓn dêi tù nhiªn nµy lµm gi¶m sè
h¹t ë møc E2. NghiÖm cña (1) lµ:
tA
eontn 21
)()( 22
(2)
E
2
E
1
h
21
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
4
Sau mét kho¶ng thêi gian
21
1
A
t
sè h¹t ë møc E2 lµ: )(
1
)( 22 on
e
n
tøc lµ
sè h¹t gi¶m ®i e lÇn.
NÕu A21 lµ lín th× nhá vµ tèc ®é biÕn ®æi h¹t hay tèc ®é h¹t tho¸t khái E2 cµng
lín hay thêi gian sèng cña h¹t ë E2 cµng nhá. V× vËy cã ý nghÜa lµ thêi gian ®Æc
trng, gäi lµ thêi gian sèng cña tr¹ng th¸i kÝch thÝch 2. Th«ng thêng vµo cì 10-8s.
2.2. Bøc x¹ c¶m øng
NÕu khèi chÊt võa nãi trªn n»m trong trêng ®iÖn tõ gåm c¸c Ph«t«n cã tÇn sè
21 tháa m·n ®¼ng thøc:
h21=E2-E1
Th× díi t¸c dông cña trêng ®iÖn tõ nµy sè nguyªn tö (h¹t) ë møc E2 còng
gi¶m ®i. C¸c nguyªn tö sÏ chuyÓn tõ møc E2 vÒ møc E1. ChuyÓn dêi trong trêng
hîp nµy kh«ng mang tÝnh chÊt tù ph¸t mµ do t¸c dông cña trêng ®iÖn tõ ngoµi. V×
vËy ta gäi lµ hiÖn tîng bøc x¹ c¶m øng.
Tèc ®é thay ®æi sè h¹t ë møc E2 nµy sÏ tû lÖ víi sè h¹t n2(t), víi mËt ®é n¨ng
lîng cña trêng ®iÖn tõ (21). §a vµo hÖ sè tû lÖ B21 ta cã thÓ viÕt:
)()(
)(
22121
2tnB
tdn
(3)
So s¸nh (3) víi (1) ta thÊy (21)B21 chÝnh lµ x¸c suÊt cña qu¸ tr×nh bøc x¹
c¶m øng.
Sù bøc x¹ c¶m øng cã c¸c ®Æc ®iÓm quan träng sau:
* Bøc x¹ cã tÇn sè b»ng tÇn sè cña bøc x¹ kÝch thÝch.
* Ph¬ng ph©n cùc cña bøc x¹ c¶m øng vµ cña bøc x¹ kÝch thÝch trïng nhau.
2.3. HÊp thô c¶m øng
C¸c nguyªn tö ë møc n¨ng lîng E1 cã thÓ hÊp thô Ph«t«n h21 cña trêng
ngoµi ®Ó chuyÓn lªn møc n¨ng lîng E2. ChuyÓn dêi nh vËy gäi lµ hÊp thô c¶m
øng. Tèc ®é thay ®æi sè h¹t ë møc E2 b©y giê tû lÖ víi sè h¹t n1(t) ë møc E1, víi mËt
®é n¨ng lîng cña trêng ®iÖn tõ (21). §a vµo hÖ sè tû lÖ B12 ta cã thÓ viÕt
)()(
)(
12112
2tnB
tdn
(4)
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
5
V× hÊp thô c¶m øng lµm cho sè h¹t ë møc E2 t¨ng lªn nªn trong biÓu thøc (4)
kh«ng cã dÊu (-) ë vÕ ph¶i. Còng t¬ng tù nh trªn (21)B12 mang ý nghÜa x¸c suÊt
hÊp thô c¶m øng.
§¹i lîng
1221
*
)(
1
B
nhá hay (21)B12 lín th× tèc ®é tÝch lòy h¹t vµo møc
E2 sÏ lín.
2.4. Ph¬ng tr×nh Einstein
Do c¶ ba nguyªn nh©n ®· nãi trªn (lµ bøc x¹ tù nhiªn, bøc x¹ c¶m øng vµ hÊp
thô c¶m øng) mµ tèc ®é thay ®æi sè h¹t ë møc E2 lµ:
)()()()()(
)(
1211222121221
2tnBtnBtnA
dt
tdn
(5)
Ph¬ng tr×nh (5) gäi lµ ph¬ng tr×nh Einstein. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt
®éng (bøc x¹ ®iÖn tõ kh«ng thay ®æi cêng ®é vµ phæ), sè h¹t ë c¸c møc n¨ng lîng
kh«ng thay ®æi theo thêi gian nªn:
)()()()()(0
)(
1211222121221
2tnBtnBtnA
tdn
(6)
BiÓu thøc (6) cho phÐp ta x¸c ®Þnh mËt ®é n¨ng lîng bøc x¹ ®iÖn tõ (21):
21
2
1
12
21
221112
221
21
)(
)(
)()(
)(
)(
B
tn
tn
B
A
tnBtnB
tnA
ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng, c¸c nguyªn tö tu©n theo ph©n bè B«ndman
KT
hV
KT
EE
ee
tn
tn 2112
)(
)(
1
2
(7)
VÞ thÕ:
2112
21
21 21
)(
BeB
A
KT
hV
MËt ®é n¨ng lîng bøc x¹ nhiÖn ®iÖn tõ (21) ph¶i tháa m·n ®iÒu kiÖn khi
T -> th× (21) -> (T -> th× KT
h
e
21
-> 1) . §iÒu kiÖn nµy chØ cã thÓ tháa m·n
khi: B12=B21
Thay kÕt qu¶ nµy vµo ta cã:
1
)( 21
21
21
21
KT
h
e
B
A
(8)
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.