Laser

 Laser bán dẫn: Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt trong buồng cộng hưởng. Thông thường, năng lượng này phải đi qua một chuỗi biến đổi mới chuyển sang dạng bức xạ cưỡng bức Ví dụ, ở các laser được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang động năng của các hạt tích điện trong trường phóng điện, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự phóng điện được kích thích để phát bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức xạ laser. Tuy nhiên, với laser bán dẫn lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang năng lượng bức xạ kết hợp. Sự chuyển hóa này xảy ra trong các laser diode bán dẫn dạng phun So với laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng. Đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhỏ Nguyên tắc hoạt động: sau khi nhờ kích thích trong trong bán dẫn đã có được sự nghịch đảo độ tích lũy thì sau một thời gian ngắn các điện tích các điện tử và lỗ trống sẽ chuyển động để tái hợp và bức xạ ra tia laser có cường độ lớn Như vậy so với các loại laser khác, nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn là tạo nênsự tái hợp điện tử - lỗ trống Laser bán dẫn có thể được kích thích bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy bên trong chúng - Phương pháp kích thích bằng điện trường: khi đặt một điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nên các điện tử và lỗ trống không cân bằng trong vùng dẫn cũng như trong vùng hóa trị do co sự thúc đẩy trực tiếp. Các điện tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống

docx14 trang | Chia sẻ: tuanhd28 | Ngày: 28/09/2015 | Lượt xem: 1425 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Laser, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Khái niệm Laser Laser là tên viết tắt của từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (nghĩa là khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích bởi bức xạ).Electrons tồn tại ở các tầng năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử.Các tầng năng lượng này có hình dạng như vòng tròn hay quỹ đạo, xung quanh hạt nhân Electrons ở bên ngoài sẽ có tầng năng lượng cao hơn những electrons ở phía trong.Khi có sự tác động hoá-lý ở bên ngoài ,các hạt electrons này cũng có thể nhảy tử tầng năng lượng thấp ,lên tầng năng lượng cao(bumped up to higher energy levels by the injection of energy),và ngược lại ,quá trình này đều sẽ tạo ra các tia sáng.Bước sóng và màu sắc của tia sáng phụ thuộc vào năng lương tạo ra ,cũng như thiết bị ,nguyên tố hoá học ta sử dụng. Tia laser hồng ngọc (ruby laser) được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960 ,bởi nhà vật lý Maiman tại Hughes Laboratory in Malibu ,California .Ruby là thành phần của oxit nhôm ,kết hợp với nguyên tử nhôm ,được đặt trong Chromium.Chromium hấp thụ tia sáng màng xanh lá cây và xanh lục ,để lại duy nhất tia sáng màu hồng. Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn. Nguyên lý hoạt động Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức của môi trường các nguyên tử, phân tử được Abert Einstein phát hiện năm 1917 Giả sử ra có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một mức gọi là mức cơ bản (mức 1) và mức kia gọi là mức kích thích. Mật độ cư trú trên các mức đó được xác định là (số nguyên tử trên một đơn vị thể tích) Theo định luật phân bố Boltzmann thì Khi một chùm ánh sáng, bao gồm các photon với năng lượng, có mật độ photon chiếu vào tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra: Quá trình phát xạ tự phát: là quá trình các nguyên tử ở mức năng lượng cao tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn (không do ánh sáng gây nên). Nếu xác suất phát xạ tự phát của photon trên một đơn vị thời gian (s) được kí hiệu là hoặc, còn và là xác suất tìm nguyên tử ở trạng thái m hoặc n, thì khi đó theo định luật Boltzmann, Pi được xác định như sau Sơ đồ tương tác giữa photon và nguyên tử hai mức năng lượng Trong đó, và là năng lượng tương ứng với mức 1, mức 2. Khi không có sự tác động của trường ánh sáng ngoài thì Với là hằng số (còn được gọi là hằng số Einstein). Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử và chỉ xác định được bằng thực nghiệm Quá trình hấp thụ: là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các nguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng photon của ánh sáng để nhảy lên mức kích thích. Xác suất hấp thụ trên một đơn vị thời gian được tính như sau Trong đó gọi là hệ số Einstein của chuyển dịch hấp thụ Ta có thể thấy xác suất chuyển dịch hấp thụ của nguyên tử hay phân tử lên mức trên sẽ tỉ lệ thuận với mật độ photon và xác suất chuyển dịch. Mật độ photon tương tác với môi trường các nguyên tử hay phân tử càng lớn thì khả năng chuyển dịch lên trạng thái trên của chúng càng lớn Quá trình phát xạ cưỡng bức: là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các nguyên tử nhảy từ mức kích thích xuống mức cơ bản do cưỡng bức bởi photon ánh sáng. Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản trên một đơn vị thời gian được xác định như sau Với là hệ số Einstein của chuyển dịch cưỡng bức Einstein đã chứng minh rằng, trong trạng thái cân bằng nhiệt động số photon bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau và tìm được quan hệ giữa các hệ số như sau Trong vùng quang học, tần số ánh sáng, ta tính được Đối với mỗi một loại nguyên tử có hệ số Einstein của phát xạ tự nhiên và đo được bằng thực nghiệm. Trong khi đó hệ số Einstein của hấp thụ và bức xạ cưỡng bức k những phụ thuộc vào bản chất nguyên tử mà còn phụ thuộc tỉ lệ nghịch với tần số của photon tương tác hay chênh lệch năng lượng giữa hai mức. Tức là quá trình phát xạ cưỡng bức và hấp thụ sẽ xảy ra mạnh hơn ở vùng năng lượng thấp, hay nói cách khác, nếu khoảng cách giữa hai mức năng lượng gần nhau thì xác suất hấp thụ và phát xạ sẽ lớn hơn (dễ xảy ra hơn) Để hiểu rõ hơn về quá trình bức xạ cưỡng bức và ý nghĩa của nó ta cấn phải nghiên cứu quá trình khuếch đại ánh sáng Hiện tượng khuếch đại Ta giả sử có một hệ các nguyên tử hay phân tử có hai mức năng lượng. Bằng một cách nào đó, số nguyên tử năng lượng ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng lượng thấp () – gọi là môi trường nghịch đảo mật độ. Trạng thái này được gọi là trạng thái “nhiệt độ âm”, vì theo phân bố Boltztmann với nhiệt độ dương số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, tức Khuếch đại dòng photon trong hệ nguyên tử có hai mức năng lượng Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm ánh sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức Khi đó một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức lên mức, đồng thời hai photon còn lại sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng thái chuyển về trạng thái và sinh ra thêm hai photon. Như vậy với 3 pho ton vào ta sẽ có 4 photon ra (số photon vào lớn hơn số photon ra 1 đơn vị) – đây chính là quá trình khuếch đại ánh sáng trong môi trường nghịch đảo mật độ cư trú Hệ số khuếch đại của môi trường được xác định bằng Trong đó, và lần lượt là năng lượng tín hiệu ra và năng lượng tín hiệu vào tương ứng. Môi trường nguyên tử, phân tử có gọi là môi trường khuếch đại. Trường hợp hệ số thì lúc này môi trường là môi trường hấp thụ chứ không phải là môi trường khuếch đại Cơ chế tạo ra laser Quá trình khuếch đại chỉ xảy ra một lần khi các photon đi ra khỏi môi trường nghịch đảo mật độ. Chúng ta cần phải tìm hiểu xem trong trường hợp nào thì quá trình này lặp đi lặp lại và xảy ra liên tục Muốn có quá trình khuếch đại liên tục các photon ánh sáng ta tìm cách tạo ra tín hiệu phản hồi ngược, tức là làm cách nào đó để một phần trong số các photon sau khi đi qua môi trường khuếch đại sẽ quay trở lại đóng vai trò tín hiệu vào Câu hỏi đặt ra là: Tín hiệu quang cần khuếch đại (tín hiệu vào) xuất hiện như thế nào trong máy phát laser Môi trường khuếch đại Môi trường khuếc đại (môi trường nghịch đảo mật độ cư trú) được đặt giữa hai gương phản xạ (gọi là buồng cộng hưởng quang học). Bước thứ nhất: một số nguyên tử thực hiện quá trình bức xạ tự nhiên từ mức laser trên () và phát ra photon theo nhiều hướng khác nhau. Trong số các photon đó có photon truyền theo phương vuông góc với gương phản xạ. Trong số các photon truyền vuông góc với hai gương, một số sẽ truyền qua gương (phụ thuộc vào hệ số truyền qua của gương) và một số sẽ quay trở lại môi trường (phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương). Chính photon này đóng vai trò tín hiệu quang ban đầu. Quá trình các photon quay lại môi trường khuếch đại chính là quá trình phản hồi quang học dương. Bước thứ hai: Photon này sẽ kích thích phát xạ cưỡng bức từ mức laser trên và một photon thứ hai sẽ được phát ra. Hai photon này sẽ truyền cùng pha với nhau và hướng tới gương thứ hai. Bước thứ ba: Hai photon sẽ quay lại môi trường và tiếp tục kích thích bức xạ cưỡng bức sinh ra 4 photon truyền tới gương thứ nhất. Từ gương thứ nhất một số photon thoát ra khỏi buồng cộng hưởng, do gương này chỉ phản xạ R%. Các photo được phản xạ lại sẽ tiếp tục hành trình qua lại trong môi trường và kích thích bức xạ cưỡng bức tiếp Điều cần chú ý rằng, khi đi qua môi trường và kích thích bức xạ cuỡng bức tiếp. Cần chú ý rằng, khi đi qua môi trường một số photon cũng bị hấp thụ để kích thích các nguyên tử từ mức Laser dưới () lên mức laser trên. Đồng thời sau một lần qua lại giữa hai gương của buồng cộng hưởng một số photon đi ra ngoài. Như vậy có xảy ra quá trình mất mát photon (hay mất mát năng lượng) trong mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng. Hệ số mất mát được tính như sau Trong đó, và lần lượt là năng lượng mất mát (bao gồm số photon bị mất mát do tán xạ trên biên môi trường và số photon đi ra ngoài buồng cộng hưởng) và năng lượng tích lũy (số photon tồn tại trong buồng cộng hưởng) Quá trình khuếch đại trong buồng cộng hưởng và phát photon ra ngoài (bức xạ laser) xảy ra liên tục khi và chỉ khi hệ số mất mát cân bằng với hệ số khuếch đại:. Nếu không cân bằng thì xảy ra trường hợp sau: Nếu hệ số mất mát lớn hơn hệ số khuếch đại, thì sau mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng, số photon tích lũy trong buồng cộng hưởng ngày càng giảm đi cho đến khi chúng không còn đủ dể kích thích cưỡng bức tiếp. Kết quả là quá trình khuếch đại bị dập tắt, số photon phát ra ngoài không còn Nếu hệ số khuếch đại lớn hơn so vói hệ số mất mát, thì sau mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng số photon tích lũy trong buồng cộng hưởng sẽ quá lớn và dẫn đến quá trình cưỡng bức sẽ cân bằng nhau, môi trường lúc này không còn là môi trường khuếch đại mà là môi trường bão hòa. Kết quả dẫn đến số photon ra khỏi buồng cộng hưởng không còn nữa – quá trình phát laser không còn nữa Để môi trường luôn luôn có nghịch đảo mật độ cư trú, một điều kiện cần ở đây là mật độ mức laser dưới rất nhỏ (có thể xem là bằng 0). Như vậy quá trình hấp thụ photon trực tiếp từ mức thấp lên mức laser cao không xảy ra. Muốn có một môi trường như vậy chúng ta cần chọn một số nguyên tử hay phân tử phù hợp, với mỗi cấu trúc ta có cơ chế bơm khác nhau Cơ chế bơm ba mức: Giả sử môi trường khuếch đại gồm các nguyên tử có cấu trúc nhiều mức năng lượng, sao cho trong đó có ít nhất ba mức năng lượng. Trong cấu trúc này thì, mức 1 là mức cơ bản, mức 3 là mức kích thích cao có thời gian sống ngắn và mức 2 là mức siêu bền có thời gian sống lớn hơn nhiều so với mức 3 Sơ đồ bơm ba mức Dịch chuyển không bức xạ Phát Laser + Quá trình thứ nhất: đưa vào môi trường một bức xạ điện từ có tần số trong vùng quang học (có thể dùng ánh sáng hoặc bằng kích thích bằng dòng điện...) có tần số Các photon sẽ tạo dịch chuyển các nguyên tử từ mức năng lượng lên mức năng lượng . Sau 1 thời gian nhất định sẽ hình thành trạng thái cân bằng về mật độ cư trú, tức là . Quá trình đưa các nguyên tử lên mức gọi là quá trình bơm. Trong thời gian nhất định, vì trạng thái 3 có thời gian sống rất ngắn nên xảy ra sự chuyển dời không bức xạ từ mứcxuống mức + Quá trình thứ hai: Tăng mật độ cư trú trên mức. Do thời gian sống của mức lớn hơn mức (hay nói mứclà mức siêu bền). Nên trong thời gian dịch chuyển dịch từxuốngthì không xảy ra chuyển dịch từ xuống , nếu có thì xác suất rất nhỏ. Nhờ đó mà mật độ cư trên mức càng ngày càng lớn, thay thế cho trạng thái bằng trạng thái . Tuy nhiên trong khoảng thời gian sống của mức , các nguyên tử vẫn tiếp tục chuyển lên làm cho ngày càng giảm đồng thời ngày càng tăng và kết quả là đạt được trạng thái . Lúc này, hệ các nguyên tử đã trở thành môi trường khuếch đại. + Quá trình thứ ba: giả sử ta đưa vào hệ các nguyên tử đang ở trạng thái sau quá trình thứ hai một tín hiệu quang học nhỏ (1 photon) có tần số Thì ngay tức thời, một số lớn các chuyển dịch cưỡng bức từ xuống mức và hấp thụ từ mức lên . Nhờ bức xạ cưỡng bức nên các photon được phát xạ kết hợp tạo ra một tín hiệu mạnh tần số (chùm các photon đồng pha). Tất nhiên còn có thể có bức xạ tự nhiên từ xuống. Nhưng tín hiệu này rất nhỏ và có thể xem như là tín hiệu nhiễu và có thể bỏ qua trong quá trình khuếch đại Ta thấy rằng, trong cơ chế bơm ba mức trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú chỉ xảy ra khi . Như vậy, cần phải có 1 bức xạ điện từ lớn (công suất bơm lớn) để đưa ít nhất một nửa nguyên tử ở mức lên . Cơ chế này hoàn toàn không hiệu quả so với cơ chế bơm bốn mức năng lượng sau đây Cơ chế bơm 4 mức năng lượng: Giả sử môi trường khuếch đại gồm các nguyên tử có cấu trúc nhiều mức năng lượng, sao cho trong đó có ít nhất bốn mức năng lượng. Trong cấu trúc này thì, mức 1 là mức cơ bản, mức 4 là mức kích thích cao có thời gian sống ngắn và mức 3 là mức siêu bền có thời gian sống lớn hơn nhiều so với mức 4. Mức 2 là mức kích thích gần mức cơ bản, có thời gian sống rất ngắn so với mức 3. Trong cơ chế 4 mức xảy ra bốn quá trình sau + Quá trình thứ nhất: giả sử có bức xạ điện từ (bức xạ quang học) có tần số đưa vào hệ các nguyên tử. Khi đó các nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng của các photon và chuyển lên trạng thái - quá trình bơm Dịch chuyển không bức xa Sơ đồ bơm bốn mức Dịch chuyển không bức xa + Quá trình thứ hai và thứ tư: là quá trình các nguyên tử chuyển dịch không bức xạ từ mức xuống (quá trình 2) và từ mức xuống (quá trình 4) + Quá trình thứ ba: giả sử ta đưa vào hệ các nguyên tử đang ở trạng thái sau quá trình thứ hai một tín hiệu quang học nhỏ (1 photon) có tần sốthì ngay lập tức một số lớn các chuyển dịch cưỡng bức từ xuống. Nhờ bức xạ cưỡng bức nên các photon được phát xạ thích hợp, tạo ra một tín hiệu mạnh tần số (chùm các photon đồng pha). Tất nhiên còn có bức xạ tự nhiên từxuốngnhưng tín hiệu này rất nhỏ và có thể xem như là tín hiệu nhiễu. Nhờ quá trình thứ tư (chuyển dịch không bức xạ) mà mật độ cư trú ở mức luôn luôn rất nhỏ và có thể bỏ qua. Ngoài ra thời gian gia sống của mức lớn hơn nhiều so với thời gian sống của mức và nên mật độ của mức luôn luôn lớn hơn mức khi có sự chuyển mức từ lên . Như vậy, trong cơ chế bơm 4 mức năng lượng trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra ngay sau khi mức có tích lũy, tức là khi . Với hoạt chất có cơ chế bơm bốn mức năng lượng ta không cần thời gian bơm lớn và cường độ bơm lớn. Điều kiện không cần thiết Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh 1) Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao,hạt khoáng ( thạch anh ) sẽ phát sáng ,do có sự kích thích và di chuyển của electrons từ tầng năng lượng thấp lên tầng năng lượng cao.(High-voltage electricity causes the quartz flash tube to emit an intense burst of light, exciting some of the atoms in the ruby crystal to higher energy levels. ) 2)Ở tầng năng lượng xác định ,thành phần nguyên tử phát sáng được gọi là photons.Các hạt photons này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử ,và bị kích thích bức xạ bởi những hạt photons từ những nguyên từ khác ,và được khuếch đại.(At a specific energy level, some atoms emit particles of light called photons. At first the photons are emitted in all directions. Photons from one atom stimulate emission of photons from other atoms and the light intensity is rapidly amplified. ) 3)Các hạt photons bị phản xạ ngược trở lại ,và đi theo một đường nhất định ra bên ngoài.Tiếp tục xảy ra quá trình khuếch đại ánh sáng phát xạ.(Mirrors at each end reflect the photons back and forth, continuing this process of stimulated emission and amplification 4)Hạt photons phản xạ ra ngoài nhờ có gương bạc tại một đầu của ống.Tia sáng tạo bởi quá trình khuếch đại ánh sáng phát xạ chính là tia laser.(The photons leave through the partially silvered mirror at one end. This is laser light) Có nhiều loại tia Laser khác nhau ,có thể ở dạng hỗ hợp khí He-Ne ,hay dạng chất lỏng(liquid dye lasers ), song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái rắn.(Solid-state lasers provide the highest output power of all laser types)” Cấu tạo chung của laser Một thiết bị laser nhất thiết phải có 3 thành phần chính bắt buộc sau Môi trường laser (thường gọi là môi trường hoạt chất): là môi trường khuếch đại gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là ba mức năng lượng (hoặc bốn mức năng lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú Môi trường kích thích là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất khác của tia laser. Có hàng trăm môi trường kích thích có thể làm được. Môi trường kích thích bị kích thích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ kích thích các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuyếch đại ánh sáng. Ví dụ về các loại laser: Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm. Sử dụng các dung môi như metan, etan,, thêm vào chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser Dạng khí, dùng argon, CO2, kryton, và hỗn hợp Heli-Neon. Các loại này sử dụng nguồn bơm là ắc quy. Dạng rắn, như tinh thể và gương. Chất rắn chủ đạo pha thêm các tạp chất như crôm, neodymium hay titan. Chất rắn chính thường là YAG (Ytri, nhôm và Garnet) YLF (Ytri, Liti, flo), sapphia (oxit nhôm), gương silica). Ví dụ: Nd: YAG, Ti: sapphia, Cr: sapphia (gọi là hồng ngọc), Cr: LiSAF, Er: YLF và Nd: glass. Sử dụng ánh sáng từ laser khác làm nguồn kích thích. Laser bán dẫn, trong đó sự chuyển động của hạt electron giữa vật chất với tầng điện tích khác nhau tạo ra hiệu ứng laser. Laser bán dẫn thường là gọn nhẹ, làm các thiết bị dùng cho đĩa hát Nguồn bơm: là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm) Nguồn bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Ví dụ bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường. Laser He-Ne dùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí Hêli Neon. Laser Nd: YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đèn nháy Xenon. Laser từ đôi nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng lượng. Buồng cộng hưởng: là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương. Gồm có 2 gương song song đặt xung quang gương. Ánh sáng từ trong môi trường, tạo ra từ sự kích thích, phản xạ bởi gương trở lại trong môi trường, vì thế các photon này tích tụ càng nhiều đến khi hàng trăm lần trước khi thoát ra ngoài. Trong các laser phức tạp, có từ 4 trở lên gương được tạo nên. Thiết kế và sắp xếp của gương là quyết định bước sóng và các ảnh hưởng khác đến hệ thống laser Ngoài ba bộ phận chính ra, trong cấu tạo của tia laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu việt của chùm tia laser như Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm quang học Diaphragma: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của laser Phân loại và ứng dụng Phân loại: có 4 loại laser chính Laser rắn: là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn. Chất rắn có thể là đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh có đưa vào các ion hoạt chất thuộc về các nhóm sau Các ion kim loại của các nhóm chuyển tiếp với lớp điện tử 3D Các ion đất hiếm với lớp diện tử 4f Các ion Actinic với lớp điện tử 5f Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dung rộng rãi, không những cho mục đích nghiên cứu mà còn dùng trong các ứng dụng. Hiện nay có nhiều loại laser rắn khác nhau nhưng phổ biến nhất vẫn là laser ruby YAG ND+3 Laser lỏng: Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu. Tính chất Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ. Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có. Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser. Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. Phân loại Laser chelate hữu cơ – đất hiếm Laser vô cơ oxydchloride – neodym – selen Laser màu (dye laser) Các loại laser đều được dùng bơm quang học kích thích bằng đèn xung hay bằng chính laser rắn dưới dạng xung. Trong ba loại laser trên thì laser màu có nhiều ứng dụng trong khoa học kĩ thuật nhất Laser khí: Sử dung hoạt chất là chất khí. Là loại laser phát chủ yếu trong chế dộ liên tục nên có nhiều ứng dụng trong kĩ thuật Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phân tử đã được nghiên cứu kĩ, có thể đạt công suất lớn, vùng bước sóng phát khá rộng Hầu hết các loại laser khí được kích thích nhờ sử dụng hiện tương phóng điện trong chất khí. Nhờ quá trình va chạm giữa điện tử với các nguyên tử hay phân tử khí mà năng lượng bơm được truyền cho các hoạt chất để rồi qua một số quá trình trung gian tạo nên được sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức hoạt động laser. Quá trình kích thích do va chạm này được chia làm hai loại chính: kích thích trực tiếp và sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích Một số loại laser khí Môi trường kích thích và loại Bước sóng Nguồn kích thích Ứng dụng và ghi chú Laser khí He-Ne 632.8 nm (543.5 nm, 593.9 nm, 611.8 nm, 1.1523 μm, 1.52 μm, 3.3913 μm) Cực phóng điện Giao thoa kế, holograph, quang phổ học, đọc mã vạch, cân chỉnh, miêu tả quang học. Laser khí ion Argon 488.0 nm, 514.5 nm, (351 nm, 465.8 nm, 472.7 nm, 528.7 nm) Cực phóng điện Chữa trị võng mạc bằng ánh sáng (cho người bệnh tiểu đường), in thạch bản, là nguồn kích thích các laser khác. Laser khí Ion Kryton 416 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm, 752.5 nm, 799.3 nm Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học, trình diễn ánh sáng. Laser khí ion Xenon Nhiều vạch từ cực tím đến hồng ngoại. Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học. Laser khí Nitơ 337.1 nm Cực phóng điện Là nguồn kích thích cho laser màu, đo độ ô nhiễm, nghiên cứu khoa học, Laser nitơ có khả năng hoạt động ở cường độ yếu. Laser H-F 2.7 đến 2.9 μm (H-F) 3.6 đến 4.2 μm (D-F) Phản ứng cháy ethylene và NF3 Dùng cho nghiên cứu vũ khí laser, dùng sóng phát ra liên tục và có tính công phá lớn. Laser (cuộn) hóa học Ôxy-Iốt 1.315 μm Phản ứng hóa học trong giữa Ô-xy và I-ốt, Vũ khí laser, nghiên cứu vật liệu và khoa học. Lasert thánkhí thể khí 10.6 μm, (9.4 μm) Phóng điện ngang (công suất cao) hay dọc (công suất thấp) Gia công vật liệu (cắt, hàn), phẫu thuật. Laser khí CO 2.6 đến 4 μm, 4.8 đến 8.3 μm Cực phóng điện Gia công vật liệu (chạm khắc, hàn), phổ học quang-âm. Excimer laser 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF) Excimer tái hợp nhờ phóng điện Quang thạch bản cực tím cho chế tạo link kiện bán dẫn, phẫu thuật laser, LASIK. Laser bán dẫn: Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt trong buồng cộng hưởng. Thông thường, năng lượng này phải đi qua một chuỗi biến đổi mới chuyển sang dạng bức xạ cưỡng bức Ví dụ, ở các laser được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang động năng của các hạt tích điện trong trường phóng điện, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự phóng điện được kích thích để phát bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức xạ laser. Tuy nhiên, với laser bán dẫn lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang năng lượng bức xạ kết hợp. Sự chuyển hóa này xảy ra trong các laser diode bán dẫn dạng phun So với laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng. Đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhỏ Nguyên tắc hoạt động: sau khi nhờ kích thích trong trong bán dẫn đã có được sự nghịch đảo độ tích lũy thì sau một thời gian ngắn các điện tích các điện tử và lỗ trống sẽ chuyển động để tái hợp và bức xạ ra tia laser có cường độ lớn Như vậy so với các loại laser khác, nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn là tạo nênsự tái hợp điện tử - lỗ trống Laser bán dẫn có thể được kích thích bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy bên trong chúng Phương pháp kích thích bằng điện trường: khi đặt một điện trường mạnh vào chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nên các điện tử và lỗ trống không cân bằng trong vùng dẫn cũng như trong vùng hóa trị do co sự thúc đẩy trực tiếp. Các điện tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống Phương pháp kích thích quang: phương pháp này khá phổ biến với chất bán dẫn có khả năng phát quang. Sự nghịch đảo độ tích lũy thu được nhờ các dịch chuyển gián tiếp và do đó đồng thời với bức xạ photon còn có bức xạ phonon Phương pháp dùng chùm điện tử kích thích Phương pháp phun các hạt tải không cân bằng qua lớp tiếp xúc p – n Ứng dụng tia laser

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docxlaser_236.docx
Tài liệu liên quan