Đề tài Sơ lược laser và laser bước sóng thay đổi

Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- MỞ ĐẦU 1.Lí do chọn đề tài. Thế kỷ 21 là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các máy móc mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng. Muốn có như vậy thì chúng ta phải tạo ra một công nghệ cao, tiên tiến thì mới có thể đáp ứng được. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu và đã công bố những phát kiến quan trọng trong khoa học , trong đó đáng chú ý nhất là hai sáng kiến khoa học quan trọng nó đã ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay: Thứ nhất: Là sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của vi điện tử, công nghệ vi mô. Thứ hai: Sự phát minh ra Laser, mở ra một con đường mới cho các nhà khoa học sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến cả các lĩnh vực của đời sống. Laser một khái niệm có thể rất gần với tất cả mọi người. Hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này rồi. Ngày nay, Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm của thế kỉ XX, thời điểm này nước chúng ta vừa vực dậy sau chiến tranh, nên điều kiện tiếp cận với Laser còn rất nhiều hạn chế, mặt khác giá thành không hề nhỏ. Nhưng Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng hãy tìm hiểu kỉ hơn về nó? Laser là gì? Laser xuất hiện như thế nào? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Chúng có tính chất và ứng dụng như thế nào ? Cách điều chỉnh Laser như thế nào ? Với các câu hỏi này, mỗi người trong chúng ta, những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kỉ thuật, phải luôn luôn tìm tòi để trả lời nó. Để trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài : “Sơ lược Laser và Laser bước sóng thay đổi” Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 2. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của Laser ở các phương diện: Lịch sử ra đời, nguyên tắc cấu tạo, các tính chất, phân loại , ứng dụng và các kỉ thuật điều chỉnh laser. 3. Phương pháp nghiên cứu. * Tổng hợp và phân tích tài liệu * So sánh và khái quát hoá. 4. Giới thiệu đề tài. Đề tài chỉ tập chung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của Laser và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của Laser. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- NỘI DUNG 1.Lịch sử ra đời và phát triển của Laser. Laser là từ viết tắt của cụm từ trong tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation – nghĩa là Khuyếch đại ánh sang bằng bức xạ cưỡng bức. Người ta nhớ rằng vào năm 1916, Enstein đã nêu lên thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn song điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chum tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon phát ra sẽ có cùng một bước song”. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa ai chứng minh được trong thời gian đó, vì vậy nó bị lãng quên trong nhiều năm. Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes của trường ĐH Columbia của thành phố New York – Mỹ, đã chú ý đến sự khuếch đại của song cực ngắn(vi sóng). Và ông đã thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser là khuếch đại vi song bằng bức xạ cảm ứng, và ông đã thành công. Cũng vào thời điểm này, ở Liên Xô hai nhà bác học là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov cũng đã phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như đều cùng một dạng nguyên lý: Tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn hai mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất. Cả ba nhà khoa học nói trên đều nhận được giải Nobel vật lý năm 1964 về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết Laser – maser. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Ngày 12/05/1960 T.Maiman đã chính thức tạo ra Laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694micromet. Như vậy, giả thiết của Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được chứng minh. Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới đã nối dài con đường phát triển Laser ra thành nhiều loại khác nhau tuỳ theo các loại hoạt chất mà tạo ra các loại laser có các sắc màu lung linh huyền ảo. 2. Nguyên lý cấu tạo. Máy Laser gồm có : - Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser. - Nguồn nuôi - Hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất thì kéo theo đó là một photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có hai mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon bay tới, còn mặt kia cho một phần photon qua phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế, cường độ chum laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ váo hoạt chất để phân loại laser. 2.1. Cơ sở lý thuyết. Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở hai trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa(ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức thấp hơn và phát ra photon. Từ thời gian phát xạ của nguyên tử, Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới là phát xạ cưỡng bức. Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng trên một năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến. Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon được xem là song thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao động với tần số của ánh sáng tới, cùng pha( thoả mãn tính chất kết hợp) Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- nên làm khuếch đại cường độ của chùm ban đầu. Vẫn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Dưới điều kiện bình thường, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến. Một lý do khiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân huỷ của một electron từ một trạng thái kích thích với sự paths xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác. Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng hấp hơn, sao Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghich đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú. Miễn là số nguyên tử ở trạng thái cao nhiều hơn các mức ở trạng thái thấp, thì phát xạ cưỡng bức sẽ bị lấn át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, quá trình cứ tiếp diễn làm cho các dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản là: Hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp. Nhưng đối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ở mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không còn và laser ngừng hoạt động. Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là các cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó sẽ chuyển xuống mức laser trên. Như đã nói ở trên, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano giây, trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kich thích bởi các photon khác. Do vậy , mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn(trạng thái bền). Với thời gian sống trong trạng thái này các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần các yếu tố khác để khuếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánh sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tường tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. 2.2. Mô hình cấu tạo. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 3.Tính chất của laser. a.Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt: Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng 633nm có năng lượng hγ = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là: Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 10000 K bức xạ từ một diện tích ΔA = 1cm2 và cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ Δγ = 104 nm thì số phôton nhiệt tính theo công thức: So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều. b.Độ định phương của Laser là cao Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn. Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích A) Sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối: Giá trị góc khối rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ 2π.steradians. Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn. c. Độ đơn sắc. Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm tia bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công thức. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Với công suất phát P = 1mW, Ở vùng bước sóng đỏ sẽ có Đây là độ rộng rất bé. d.Tính kết hợp của Laser. Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp. Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian). Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không đổi trên khắp mặt sóng của nó. Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có như thế nào thì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn. Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một cách tự động. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí He-Ne được dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét. Hiện nay, phần lớn các Viện đo lường quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodine bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét. Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot, xuất hiện "chỗ lõm Lamb" (Lamb dip). Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó được thực nghiệm xác nhận lại. Trên côngtua của đường cong khuyếch đại (Gain line) xuất hiện một chỗ lõm. Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiều nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau. Giả sử bức xạ laser có tần số ω0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning). Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử có vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch. Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Khi ω = ω0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi. Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số. Vì độ rộng hốc nhỏ nên vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định tần số phát Laser. Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đã xác định tần số phát ở chỗ cực tiểu của hốc nói trên với độ chính xác 10-9 Ống Iodine được lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10 mW). Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bão hoà rất hẹp, laser được điều chỉnh và giữ cố định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát của thiết bị điện tử. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4.Ứng dụng của laser. a.Trong y học. Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước song ngắn nằm trong khoảng 193nm đến 10,6μm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục. b.Trong công nghiệp. Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường kính khoảng bằng bước song 10-4cm. Như vậy, laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10-8W/cm2. Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dung laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc độ cũng như độ chính xác rất cao. c.Trong khoa học kỉ thuật. *Trong thông tin liên lạc: Vì laser có tính chất là độ đơn sắc cao và tính kết hợp cao nên laser được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc. Sử dụng tia laser có những ưu điểm sau: So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin của tia laser lớn gấp bội ví dụ với sóng vô tuyến tần số sử dụng là 104 – 3.1011Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.104 lần. Do đó, các bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 – 0,8 m và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80.105 kênh truyền cùng một lúc và gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng cực ngắn. Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến. Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng lượng cần dung. Vì vậy, tia laser được sử dụng trong truyền tin trong vũ trụ. Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Và nếu sử dụng các bước sóng thích hợp có thể truyền tin ở các môi trường khác nhau như trong sương mù, ở dưới biển… * Trong nghiên cứu vũ trụ: Tia laser được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như: - Tia laser được sử dụng để xác định vị trí các vật thể trong vũ trụ. - Theo dõi các tàu vũ trụ và liên lạc với chúng. - Điều khiển các tàu vũ trụ. d. Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học: *Nghiên cứu về Quang học phi tuyến: Như chúng ta đã biết trong quang học cổ điển các nguồn sáng phát sóng là những nguồn không kết hợp và có cường độ nhỏ. Khi tương tác của ánh sáng với các môi trường vật chất, độ phân cực của môi trường chỉ là hàm tuyến tính của cường độ điện trường của sóng tới. P = E Ở đây, P là độ phân cực của môi trường.  là độ cảm điện của môi trường. E là cường độ điện trường Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực như sau: P = ...3 3 2 21 EEE   Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và chúng dẫn đến những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu Lê Văn Quân CH 18-Quang học ---------------------------------------------------------------------------------------------------- ứng quang phi tuyến. Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới là ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này. *Holography: Holography là tên thường gọi của chụp ảnh khối. Nguyên lí của holography được đề xuất năm 1948 nhưng do nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không thu được kết quả. Chỉ từ khi có laser, người ta đã sử dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lí và quang học kĩ thuật. + Holography là một phương pháp ghi hình như phương p