Laser siêu ngắn cơ chế phát xạ sóng hài

thành của luận văn, em xin chân thành cảm ơn đến: _ Thầy Lê Văn Hoàng đã nhiệt tình hướng dẫn , giúp đỡ , đóng góp ý kiến , hỗ trợ tài liệu tham khảo cũng như ủng hộ em trong các ý tưởng mới , tận tình sửa chữa những sai sót giúp em hoàn thành tốt luận văn này . _ Thầy Nguyễn Ngọc Ty đã hỗ trợ trong quá trình sử dụng các phần mềm tin học mới, giúp đỡ , đóng góp ý kiến và những lời khuyên chân thành cho luận văn của em . _ Các anh chị trong khoa Vật Lý và bạn sinh viên cùng khóa đã ủng hộ, động viên và hỗ trợ về tin học cho luận văn của em. _ Gia đình , người thân đã động viên tinh thần giúp em hoàn thành tốt luận văn. TP HCM, ngày 27/04/2009 Sinh viên Phạm Thị Tuyết Mai Luận Văn Tốt Nghiệp MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu suất của những thiết bị Laser rất thấp - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng Laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Các ứng dụng của Laser cĩ thể dễ dàng được tìm thấy trong đời sống hàng ngày, từ máy đọc đĩa CD, máy quét mã vạch ở siêu thị, máy in Laser trong các văn phịng, … đến phẫu thuật bằng Laser trong y khoa hoặc những ứng dụng trong thơng tin liên lạc, quân sự và nghiên cứu khoa học[4]. Cùng với sự phát triển nhanh chĩng của khoa học – kỹ thuật, kỹ thuật Laser cũng đã cĩ những bước phát triển đáng kể. Đặc biệt, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra được những xung Laser siêu ngắn với thời gian của mỗi xung chỉ vài femto giây (1fs = 10-15s)[7]. Thành tựu này đã mở đường cho một loạt các ứng dụng kỳ diệu mà trước nay chưa từng đạt được. Sử dụng một xung Laser siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sĩng hài bậc cao của phân tử, các nhà khoa học cĩ thể thu được những thơng tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử. Thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài “Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sĩng hài”, tác giả mong muốn trang bị cho mình những kiến thức cơ bản về Laser[3] và cơ chế phát xạ sĩng hài, làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Hướng vào mục tiêu đĩ, luận văn được trình bày với ba mảng nội dung chính như sau:  Phần 1: Tổng quan về Laser.  Phần 2: Laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sĩng hài.  Phần 3: Sĩng hài do phân tử HCN tương tác với Laser. Luận văn được trình bày sao cho những bạn đọc cĩ kiến thức vật lý đại cương cĩ thể hiểu được. Mục tiêu này địi hỏi tác giả phải viết bằng ngơn ngữ phổ Luận Văn Tốt Nghiệp thơng, dễ hiểu, hạn chế dùng cơng thức tốn học khi chưa thật sự cần thiết, tăng cường minh họa bằng hình ảnh. Với yêu cầu về nội dung và hình thức trình bày như trên, tác giả thực hiện luận văn với những nội dung chính như sau: Phần 1 trình bày những kiến thức cơ bản về Laser bao gồm lịch sử phát minh Laser, đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, các loại Laser, ứng dụng của Laser[12]. Cĩ nhà khoa học đã nhận định rằng: trong vịng hai thế kỷ trở lại đây, những phát minh khoa học quan trọng đều là những phát minh do sự tình cờ. Sự phát minh ra Laser cũng là một trong những phát minh như vậy. Khi hai nhà khoa học Townes và Schawlow nghiên cứu chế tạo một cơng cụ để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, khơng ai nghĩ rằng sẽ chế tạo được một thiết bị đã cách mạng hĩa nhiều lĩnh vực trong đời sống, từ cơng nghệ thơng tin đến y khoa, từ dân sự đến quân sự, … Để người đọc cĩ cái nhìn tổng quát trước khi nghiên cứu chi tiết về Laser, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Laser[3], các đặc điểm của Laser như tính định hướng, độ tụ cao, đơn sắc[1],…cĩ minh họa bằng hình ảnh hoạt động của Laser ruby, Laser khí He-Ne, Laser bán dẫn,… Về cơ bản, nguyên tắc hoạt động của Laser khá đơn giản, tuy nhiên để nghiên cứu chi tiết hơn về Laser thì cần phải cĩ những khái niệm cơ bản dùng cho Laser, mà quan trọng nhất là khái niệm sự bức xạ cưỡng bức[2] và sự đảo lộn mật độ cư trú. Các khái niệm này được trình bày ở mục 1.1.4. Tiếp theo, tác giả lần lượt trình bày chi tiết về ba bộ phận chính của Laser, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của chúng. Đầu tiên là buồng cộng hưởng quang học. Đây là một bộ phận quan trọng của Laser, cĩ tác dụng khuếch đại bức xạ điện từ đến cường độ đủ mạnh để thốt ra ngồi thành chùm sáng Laser, và cũng chính nĩ tạo cho Laser những tính chất đặc biệt như tính định hướng và tính đơn sắc rất cao. Một bộ phận quan trọng khác của Laser là nguồn năng lượng bức xạ để kích thích các nguyên tử của hoạt chất khi Laser hoạt động, nĩi cách khác là tạo mơi trường hoạt tính cho Laser. Với mỗi loại Laser sẽ cĩ một cách tạo mơi trường hoạt Luận Văn Tốt Nghiệp tính riêng. Ở đây tác giả giới thiệu hai phương pháp, đĩ là phương pháp bơm năng lượng thường dùng cho Laser rắn và phương pháp phĩng điện thường dùng trong Laser khí. Cuối cùng, tác giả trình bày về mơi trường hoạt tính của Laser. Thơng thường Laser được phân loại theo mơi trường hoạt tính của chúng, ví dụ như Laser rắn, Laser khí, Laser bán dẫn, … Ngồi ra cịn một cách phân loại khác mà trong luận văn khơng đề cập đến, đĩ là cách phân loại dựa theo tác dụng sinh học của Laser đối với con người. Trong cách phân loại này, Laser được chia thành 4 loại từ I đến IV tùy theo tác dụng và sự nguy hiểm của chúng đối với cơ thể người. Cách phân loại này thường được dùng trong các mơi trường làm việc tiếp xúc với bức xạ Laser, cịn thơng thường, người ta vẫn dùng cách phân loại theo mơi trường hoạt tính. Trong mục này đề cập đến các loại Laser quan trọng và được sử dụng phổ biến là Laser rắn, Laser khí và Laser bán dẫn; đồng thời giới thiệu một số Laser thơng dụng như Laser Nd:YAG, Laser CO2, Laser He-Ne,… Phần 2 và phần 3 trình bày hai nội dung chính của luận văn. Nội dung của phần 2 chủ yếu xoay quanh sự phát sĩng hài bậc cao – HHG, vì đĩ là cơ chế tạo ra các xung Laser siêu ngắn[7]. Thực ra, cĩ nhiều cơ chế để tạo ra các xung Laser siêu ngắn, nhưng trong khuơn khổ của một luận văn tốt nghiệp đại học, tác giả chỉ tập trung trình bày một cơ chế quan trọng nhất, đĩ là HHG. Chúng tơi trình bày sơ lược về lịch sử ra đời cũng như nguyên tắc hoạt động của Laser, tương tác phi tuyến của phân tử với Laser, tức là phân tử tương tác khác nhau đối với trường Laser cĩ cường độ khác nhau. Cĩ thể nĩi ngắn gọn về tương tác giữa nguyên tử - phân tử với Laser[8] như sau: Khi trường Laser yếu so với trường tương tác Coloumb của nguyên tử thì Laser chỉ khuấy nhiễu trạng thái của các nguyên tử và sự ion hố chỉ xảy ra theo cơ chế hấp thụ đa photon để chuyển lên trạng thái kích thích. Cịn khi cường độ Laser mạnh hơn trường tương tác Coloumb trong nguyên tử (khoảng 1014W/cm2 ) thì sự ion hĩa xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức các electron sẽ xuyên hầm qua rào thế tạo bởi thế Coloumb của nguyên tử và thế năng của Laser để sang Luận Văn Tốt Nghiệp trạng thái kế tiếp. Đồng thời chúng tơi trình bày khá rõ ràng quá trình phát xạ sĩng hài bậc cao dựa trên mơ hình Lewenstein[7]. Mơ hình Lewenstein cĩ thể tĩm tắt gồm 3 bước: sự ion hĩa xuyên hầm dưới tác dụng của trường Laser siêu ngắn, các electron tự do ở lớp ngồi cùng (HOMO) được gia tốc trong điện trường của Laser và cuối cùng các electron tái va chạm với ion mẹ của nĩ bức xạ các photon năng lượng cao. Nguyên nhân Lewenstein chỉ cho HOMO tương tác với Laser vì các electron ở lớp ngồi liên kết rất yếu với hạt nhân, do đĩ chịu tác dụng của trường Coloumb yếu hơn các electron bên trong gần hạt nhân, vì vậy trường Laser dễ tác động lên các electron ở lớp ngồi nhất. Chúng tơi đã sử dụng Source code do nhĩm nghiên cứu của TSKH Lê Văn Hồng viết trên phần mềm FORTRAN để tính tốn sĩng hài do Laser tương tác với HOMO phân tử dựa trên mơ hình Lewenstein. Từ đĩ chúng tơi đã sử dụng các số liệu thu được vẽ sự phụ thuộc của sĩng hài và các bậc khác nhau, trong luận văn này chúng tơi sử dụng phần mềm Origin 7.5 để vẽ các số liệu dạng cột. Trong phần 3, tác giả tiến hành cho phân tử HCN tương tác với Laser dựa trên mẫu 3 bước Lewenstien. Bằng cách thay đổi các gĩc định hướng[11] giữa phân tử HCN và Laser, chúng tơi phát hiện sĩng hài thay đổi khi gĩc định phương thay đổi. Tiếp theo chúng tơi dựa vào tín hiệu sĩng hài thu được khi cho Laser tương tác với HCN và đồng phân của nĩ HNC, chúng tơi đi đến kết luận cĩ thể sử dụng tín hiệu sĩng hài để phát hiện được đồng phân của HCN cũng như trạng thái chuyển tiếp của chúng. Trong tương lai, chúng tơi sẽ cố gắng ứng dụng phương pháp này cho các phân tử phức tạp hơn và theo dõi các kết quả thực nghiệm từ các nhà khoa học nhằm tiếp thu một cách trọn vẹn phương pháp này. Trong quá trình làm luận văn, chúng tơi đã nâng cao thêm được kĩ năng tìm kiếm các tài liệu trên internet cũng như khả năng đọc các tài liệu khoa học bằng tiếng nước ngồi. Bên cạnh đĩ, chúng tơi cịn tiếp xúc thêm được các chương trình phần mềm mới như GAUSSIAN, GAUSSVIEW, ORIGIN 7.5 … và rèn luyện thêm kĩ năng máy tính. Luận Văn Tốt Nghiệp Trong khuơn khổ của luận văn này chỉ cĩ thể trình bày những nét chính của vấn đề. Tuy vậy, tác giả vẫn mong rằng các bạn đã cĩ được một cái nhìn khái quát và những kiến thức sơ bộ về lĩnh vực này để cĩ thể nghiên cứu tiếp trong tương lai. Tác giả rất mong nhận được sự gĩp ý xây dựng của các bạn để luận văn được hồn thiện hơn. Hy vọng luận văn này sẽ là một tài liệu hữu ích cho các bạn trong việc học tập và nghiên cứu Vật lý. Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2009 Tác giả Luận Văn Tốt Nghiệp Chương 1-Tổng quan về Laser 1.1. Gĩc nhìn lịch sử Ngày nay, người ta cĩ thể sửa đổi, thăm dị, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là Laser [12]. Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bĩng đèn nĩng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phĩng năng lượng thừa của chúng. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thơng thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà khơng cần cĩ sự can thiệp từ bên ngồi. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nĩ cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng Laser khiến cho kĩ thuật Laser trở thành một cơng cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viễn thơng, giải trí, sản xuất và y khoa. Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển Laser với việc nhận thấy cĩ khả năng cĩ hai loại phát xạ. Trong một bài báo cơng bố năm 1917, ơng là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà Vật Lý cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta mới bắt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ. Luận Văn Tốt Nghiệp Năm 1958 cĩ thể coi là năm đánh dấu sự phát minh ra Laser, với sự ra mắt của bài báo khoa học cĩ tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của Arthur L.Schawlow – khi đĩ là một nhà nghiên cứu của phịng thí nghiệm Bell, và Charles H. Townes – khi đĩ là một cố vấn của phịng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp chí Physical Review của Hội Vật lý Mỹ. Tại ĐH Columbia, Townes nghiên cứu về khả năng sử dụng bức xạ cảm ứng để nghiên cứu phổ học phân tử. Chính cơng trình này đã dẫn đến sự phát minh ra maser và sau đĩ là Laser. Townes biết rằng, khi bước sĩng của bức xạ vơ tuyến giảm dần thì tương tác giữa nĩ với nguyên tử càng mạnh, làm cho nĩ trở thành một cơng cụ trắc phổ hữu hiệu hơn. Tuy nhiên, trình độ kỹ thuật lúc bấy giờ chưa cho phép chế tạo một thiết bị đủ nhỏ để phát ra bước sĩng như mong muốn. Townes nảy ra ý tưởng vượt qua hạn chế kỹ thuật này bằng cách sử dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1951, Townes đề nghị một sinh viên mới tốt nghiệp là James P. Gordon cùng hợp tác với ơng, và thuê H.L. Zeiger làm phụ tá. Cũng trong năm ấy, Schawlow chia tay Townes, rời ĐH Columbia để nhận cơng việc nghiên cứu tại phịng thí nghiệm Bell. Townes quyết định thí nghiệm với NH3, là chất hấp thụ và tương tác rất mạnh với bức xạ. Tuy nhiên, ý tưởng về maser của Townes khơng được nhiều nhà khoa học khác lúc bấy giờ ủng hộ. Một số người gọi điện đến phịng thí nghiệm nơi nhĩm của Townes đã làm việc trong 2 năm để chế tạo thiết bị maser để khuyên Townes nên dừng ngay cơng việc vơ nghĩa và hao tốn tiền của nhà nước (khi đĩ nhĩm của Townes đã sử dụng hết 30.000 USD trong tổng số tiền được cấp). Townes nĩi: “Họ khơng ủng hộ chúng tơi, nhưng chúng tơi đã lặng lẽ làm việc và cuối cùng cũng đã thành cơng”. Năm 1953, Townes, Gordon và Zeiger cơng bố một thiết bị mà Townes gọi là MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), nghĩa là Luận Văn Tốt Nghiệp sự khuếch đại sĩng vơ tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký bản quyền sáng chế tại ĐH Columbia. Thành tựu bước đầu này vẫn khơng xua tan được sự hồi nghi của các nhà khoa học đương thời. Nhiều người chế nhạo nhĩm của Townes và gọi thiết bị MASER là “Means of Acquiring Sponsor for Expensive Research”, tạm dịch là “cách thức để nhận được sự tài trợ cho một nghiên cứu tốn kém”. Sau khi chế tạo maser, Townes lại nhận thấy rằng vùng sĩng ánh sáng hồng ngoại và khả kiến cĩ thể giúp cho việc nghiên cứu phổ học hiệu quả hơn là vùng sĩng vơ tuyến do maser phát ra. Do đĩ, ơng tiếp tục nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của maser cho vùng sĩng hồng ngoại và khả kiến nhằm chế tạo một thiết bị giống như maser, nhưng phát ra các bước sĩng ở vùng hồng ngoại và khả kiến. Năm 1956 khi cịn đang ở ĐH Columbia, Townes chuyển sang làm Cố vấn cho phịng thí nghiệm Bell. Ơng vừa làm cơng việc của một cố vấn vừa suy nghĩ về việc kích thích sự phát xạ ánh sáng. Tại phịng thí nghiệm Bell, ơng gặp lại Schawlow. Thật tình cờ là cả hai ơng đều đang suy nghĩ về khả năng mở rộng nguyên lý của maser từ vùng sĩng vơ tuyến ra vùng các bước sĩng ngắn hơn, như vùng hồng ngoại và khả kiến. Hai nhà khoa học đã từng hợp tác với nhau trong quá khứ và năm 1955 đã cùng viết cuốn sách “Phổ học vơ tuyến”, nay lại gặp nhau tại phịng thí nghiệm Bell. Họ tiếp tục hợp tác với nhau và chính sự hợp tác này đã dẫn đến sự ra đời của Laser vài năm sau đĩ. Schawlow đưa ra ý tưởng đặt ở mỗi đầu của buồng cộng hưởng một tấm gương để phản xạ ánh sáng qua lại nhằm làm tăng sự bức xạ cưỡng bức. Ơng nghĩ rằng cĩ thể tạo ra ánh sáng khuếch đại chỉ cĩ duy nhất một tần số bằng cách điều chỉnh hướng của các gương phản xạ này. Schawlow thảo luận với Townes về khả năng này và cả hai ơng đều rất hứng thú với nĩ. Mùa thu năm 1957, họ bắt đầu thử nghiệm ý tưởng của mình. Sau 8 tháng làm việc, sự hợp tác của hai ơng đã đạt được kết quả. Năm 1958, hai ơng viết bài báo “Các maser quang học và hồng ngoại” trình bày về cơng trình Luận Văn Tốt Nghiệp của họ đăng trên tạp chí Physical Review số tháng 12-1958, khẳng định rằng nguyên lý của maser cĩ thể được mở rộng cho những vùng khác của quang phổ, và gọi thiết bị đĩ là Laser, dù cho họ vẫn chưa chế tạo được một Laser thực sự. Các nhà khoa học khác theo chân ơng chế tạo maser thành cơng, và một lượng đáng kể các nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sĩng ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của Laser được phát triển cũng khoảng thời gian đĩ, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phịng thí nghiệm Bell) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Gould đi thẳng tới việc đăng kí bằng sáng chế chứ khơng cơng bố ý tưởng của mình, và mặc dù ơng được cơng nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ơng mới nhận được một vài bằng sáng chế. Hai năm sau (1960), Schawlow vàTownes nhận được bằng sáng chế cho phát minh ra Laser. Việc cơng bố cơng trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ Laser hoạt động được. Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phịng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được cơng nhận là Laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh cĩ bước sĩng 694 nm, trong một chùm hẹp cĩ mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều Laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ cĩ hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Vẫn cĩ sự bất đồng về người xứng đáng được cơng nhận cho khái niệm Laser. Hai người Xơ Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser và laser. Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ơng về Laser. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xơ và Hayashi và Panish của Phịng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển Laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phịng, sử dụng cấu trúc đa kết nối. Luận Văn Tốt Nghiệp Mặc dù Laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ bản cĩ thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay Laser cĩ mặt trên thị trường cịn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo hướng tạo ra Laser trong vùng phổ tia X. Các Laser thực tế được sử dụng hiện nay cĩ cơng suất phát từ dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn. Hình 1 cho thấy một số loại Laser điển hình, cĩ kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng rãi. Các phịng thí nghiệm thuộc quân đội và phịng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị Laser chiếm cả một tịa nhà, trong khi những Laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thước bằng một hạt cát. Hình 1: Một số loại Laser Luận Văn Tốt Nghiệp I.2. Nguyên tắc hoạt động Laser là một thiết bị dùng để tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh [3]. Nĩ kích thích các nguyên tử để chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc biệt. Một Laser gồm cĩ 3 bộ phận chính: - Một mơi trường hoạt tính – là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chất rắn (gọi chung là hoạt chất). Nĩ là chất liệu để tạo ra ánh sáng Laser. - Một nguồn năng lượng phát xạ mạnh – cịn gọi là nguồn bơm – thường là một đèn ống quấn quanh hoạt chất để “bơm” năng lượng vào hoạt chất. - Một buồng cộng hưởng – là một hệ gương đặt ở hai đầu khối hoạt chất để tạo liên kết phản hồi dương trong dãy tần số khả kiến. Bình thường, các nguyên tử của khối chất ở trạng thái cơ bản, cĩ năng lượng thấp nhất [12]. Khi Laser hoạt động, nguồn bơm cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của khối chất này để đưa chúng lên trạng thái kích thích. Để Laser cĩ thể hoạt động được thì các nguyên tử phải được kích thích đến trạng thái cĩ năng lượng gấp 2 – 3 lần năng lượng của mức cơ bản. Sau đĩ các nguyên tử trở về trạng thái cơ bản và phát ra các photon cĩ năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa mức kích thích và mức cơ bản. Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo ra trong mơi trường Laser thường cĩ một bước sĩng, nhưng được trích ra cĩ hiệu quả từ mơi trường bằng một số cơ chế bao gồm sự khuếch đại. Cơng việc này được hồn thành trong một hộp cộng hưởng, nĩ phản xạ một số ánh sáng phát xạ trở lại mơi trường Laser, và qua nhiều lần tương tác, hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Ví dụ, sau sự phát xạ cưỡng bức ban đầu, hai photon cĩ cùng năng lượng và cùng pha mỗi hạt cĩ thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồi thì sẽ phát ra nhiều photon hơn cĩ cùng năng lượng và cùng pha. Số photon được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanh chĩng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách mà ánh sáng truyền trong mơi trường Laser. Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 2. Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp Laser Hình 2 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đường truyền tăng lên trong hộp cộng hưởng do các gương đặt ở hai đầu mang lại. Hình 2a cho thấy sự bắt đầu của phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình 2b đến hình 2g khi nĩ bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp. Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạ một phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 2b, d và f). Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 2h), hộp bão hịa bức xạ cưỡng bức. Mức độ khuếch đại thu được trong một Laser, biểu diễn bằng thuật ngữ độ lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà một photon cĩ thể tạo ra khi nĩ truyền đi một khoảng cách cho trước. Ví dụ, độ lợi 1,5 /cm nghĩa là một photon sinh ra thêm 1,5 photon nữa trên mỗi cm mà nĩ truyền đi. Hệ số khuếch đại này tăng lên theo chiều dài đường truyền của hộp Laser. Độ lợi thực tế phức tạp hơn nhiều, và ngồi những nhân tố khác, nĩ phụ thuộc vào những dao động trong sự phân bố dân cư giữa các mức năng lượng Laser cao và thấp. Điều quan trọng là lượng khuếch đại tăng rõ rệt với khoảng cách truyền trong mơi trường Laser. Luận Văn Tốt Nghiệp Trong Laser cĩ hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ống chứa đầy khí, ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của mơi trường Laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng bức hơn ánh sáng truyền vuơng gĩc với trục của hộp cộng hưởng. Do đĩ, sự phát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi khơng dùng gương để giới hạn đường truyền của nĩ theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp Laser cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại do đường truyền qua mơi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm tập trung cao (một đặc trưng quan trọng của Laser), do chỉ cĩ những photon truyền song song với thành hộp là bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi là dao động tử, và nĩ cần thiết, vì đa số vật liệu Laser cĩ độ lợi rất thấp và sự khuếch đại đầy đủ chỉ cĩ thể thu được với đường truyền dài qua mơi trường. Đa số Laser hiện nay được thiết kế cĩ các gương ở cả hai đầu của hộp cộng hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong mơi trường Laser. Cường độ phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nĩ đạt tới mức cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ gần như tồn bộ ánh sáng tới, cịn gương kia (gương ra) phản xạ một số ánh sáng và truyền một phần ra ngồi dưới dạng chùm Laser. Trong một Laser cĩ độ lợi thấp, gương ra được chọn sao cho chỉ truyền một phần nhỏ ánh sáng ra ngồi (cĩ lẽ chỉ vài phần trăm) và phản xạ đa phần ánh sáng trở lại hộp. Ở trạng thái cân bằng, cơng suất Laser ở trong hộp cao hơn bên ngồi, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyền qua gương ra. Bằng cách làm tăng hệ số truyền của gương ra, sự chênh lệch cơng suất giữa bên trong và bên ngồi hộp cĩ thể được làm giảm xuống. Tuy nhiên, chỉ cần gương ra phản xạ một số phần ánh sáng trở lại hộp, cơng suất ở bên trong vẫn cao hơn bên ngồi trong chùm tia xuất hiện. Luận Văn Tốt Nghiệp Một nhận thức sai lầm về Laser là ý tưởng cho rằng tất cả ánh sáng phát xạ bị phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nĩ đạt tới giới hạn, rồi thì một số “thốt ra” ngồi qua gương ra dưới dạng chùm tia. Trong thực tế, gương ra luơn luơn truyền một phần khơng đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần cịn lại trở vào hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép Laser đạt tới trạng thái cân bằng, với các mức cơng suất Laser cả bên trong lẫn bên ngồi đều trở nên khơng đổi. Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp Laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ Laser. Phụ thuộc vào bước sĩng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sĩng phản xạ từ các gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xĩa bỏ hoạt động Laser. Vì các sĩng trong hộp là kết hợp hồn tồn cùng pha, chũng sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sĩng cũng sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một số nguyên lần bước sĩng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hồn chỉnh trong hộp, sĩng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp. Nếu khoảng cách đĩ là một bội số nguyên của bước sĩng, thì các sĩng sẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp khơng chính xác là bội số nguyên của bước sĩng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động Laser. Điều kiện cộng hưởng thật ra khơng quan trọng vì những sự chuyển trạng thái Laser thực tế trong hộp phân bổ trong một phạm vi bước sĩng, gọi là dải thơng độ lợi. Bước sĩng của ánh sáng cực kì nhỏ so với chiều dài của một hộp Laser điển hình, và nĩi chung một quãng đường truyền hồn chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sĩng ánh sáng được khuếch đại. Cộng hưởng cĩ thể xảy ra ở mỗi số gia bước sĩng nguyên (ví dụ 200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sĩng tương ứng rất gần nhau, chúng rơi trong dải thơng độ lợi của Laser. Hình 3 minh họa một ví dụ điển hình, trong đĩ một vài giá Luận Văn Tốt Nghiệp trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của Laser, vừa khít trong dải thơng độ lợi. Hình 3. Mode cộng hưởng hộp và dải thơng độ lợi Các chùm Laser cĩ những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hộp Laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngồi hộp. Mặc dù Laser cĩ thể tạo ra một đốm sáng khơng đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới Laser tăng lên Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai đầu của hộp cộng hưởng Laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nĩ cĩ thể rất khĩ được thực hiện. Nếu hai gương khơng thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho Laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự khơng thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả cĩ thể là sự thất thốt đáng kể ánh sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương cĩ bề mặt cầu, thì sự thất thốt ánh sáng do sự khơng thẳng hàng cĩ thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, Luận Văn Tốt Nghiệp ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương khơng chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng khơng được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Cĩ một số biến tấu thiết kế sử dụng kết hợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luơn luơn hội tụ trở lại phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này cĩ tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu như khơng cĩ ánh sáng nào bị thất thốt. Trong mơi trường Laser cĩ độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trong việc tối đa hĩa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong Laser độ lợi cao, sự mất mát mức thấp từ các mặt của hộp khơng cĩ tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởng khơng bền cĩ thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng lượng từ một thể tích lớn hơn trong mơi trường Laser, mặc dù chúng cho phép ánh sáng thất thốt. Các gương trong Laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn các gương trong Laser cĩ độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ cĩ thể truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đĩ, sự sắp thẳng hàng của các gương khơng cĩ tính quyết định như trong Laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện ra ngồi. Chiều dài hộp Laser và bước sĩng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, cịn thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm. Những phân bố cĩ khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ khơng ở các rìa ngồi. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang (Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đĩ m và n là các số nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ Luận Văn Tốt Nghiệp bằng khơng, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuơng gĩc nhau (m cho mode E và n cho mode M). Một chùm Laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về phía ngồi rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và cĩ cường độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 4 minh họa một vài trong số nhiều mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số Laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là những Laser được thiết kế cho cơng suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode bậc nhất cĩ thể thu được dễ._. dàng trong các Laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền, và là mode được ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ cĩ thể tiến đến một giá trị cực tiểu lí thuyết. Hình 4. Mode ngang của chùm Laser Nhiễu xạ đĩng một vai trị quan trọng trong việc xác định kích thước của đốm Laser cĩ thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia trong hộp cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đĩ phân kì ở một số gĩc phụ thuộc vào thiết kế hộp cộng hưởng, kích thước của lỗ hở ra, và gây ra các hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia. Sự nhiễu xạ thường được mơ tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia, hình thành nên các vịng nhiễu xạ (gọi là vịng Airy) bao quanh chùm tia khi sĩng ánh sáng truyền qua một lỗ nhỏ. Hiện tượng nhiễu xạ này đặt ra giới hạn về đường Luận Văn Tốt Nghiệp kính tối thiểu của đốm sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với Laser, chùm trải rộng từ gương ra cĩ thể được xem là qua một lỗ nhỏ, và hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia do gương gây ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thước đốm sáng của chùm. Đối với các chùm mode TEM(00), nhiễu xạ thường là nhân tố giới hạn sự phân kì của chùm. Nếu chùm tia Laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đường kính thích hợp trong phương trình trên là đường kính của thành phần cuối mà chùm tia truyền qua. Hằng số trong phương trình phụ thuộc vào sự phân bố cường độ trong chùm, và cĩ giá trị rất gần thống nhất với nhau. Mối quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân kì chùm tia tăng theo bước sĩng, và giảm khi đường kính chùm (hoặc thấu kính ra) tăng. Nĩi cách khác, đường kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều và càng trải rộng ra theo khoảng cách so với chùm lớn. Giá trị của độ phân kì chùm tia đối với một Laser cho trước cĩ thể cĩ ý nghĩa thực hành rất lớn. Laser helium-neon và Laser bán dẫn trở thành những cơng cụ chuẩn trong lĩnh vực trắc địa. Người ta gởi một xung Laser nhanh tới một gương phản xạ gĩc đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung Laser phản xạ lại cĩ thể được đo chính xác để thu được khoảng cách tới nơi đặt Laser. Trên những khoảng cách ngắn thơng thường, độ phân kì chùm tia khơng phải là vấn đề quan trọng, những đối với những phép đo khoảng cách xa, sự phân kì quá mức cĩ thể làm giảm cường độ chùm tia phản xạ, và cản trở việc đo đạc. Các nhà du hành người Mĩ trên sứ mệnh Apollo 11 và Apollo 14 đã đặt một cái gương phản xạ gĩc trên Mặt Trăng, nĩ sẽ phản xạ ánh sáng từ một Laser ruby xung cơng suất lớn đặt tại đài quan sát MacDonald, ở Texas. Mặc dù chùm tia trải ra trong bán kính 3km trên bề mặt Mặt Trăng, ánh sáng phản xạ vẫn cĩ cường độ đủ mạnh để thu nhận được trên Trái Đất. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến đài quan sát Texas được đo với độ chính xác 15cm trong thí nghiệm này, nhưng kể từ thập niên 1980, những tiến bộ kĩ thuật đã tăng độ chính xác lên dưới 2cm. Những cố gắng hiện nay đang được thực hiện sử dụng các kính thiên văn Luận Văn Tốt Nghiệp cơng suất lớn để truyền và nhận các xung ánh sáng từ một vài gương phản xạ đặt trên Mặt Trăng để làm giảm hơn nữa sai số đo, cĩ thể chỉ khoảng 1mm. Do cơ chế tạo ra hoạt động Laser liên quan tới việc làm tăng số nguyên tử hay phân tử lên trạng thái kích thích cao nhằm tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết, nên hiển nhiên một số dạng năng lượng phải được đưa vào hệ Laser. Các photon cĩ thể được áp dụng để cung cấp năng lượng cần thiết trong một quá trình gọi là bơm quang học. Bằng cách chiếu sáng vật liệu Laser với ánh sáng cĩ bước sĩng thích hợp, nguyên tử hay phân tử phát xạ cĩ thể được đưa lên mức năng lượng cao, từ đĩ nĩ rơi xuống mức siêu bền, và rồi bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng. Thật may mắn, trong đa số Laser, ánh sáng dùng để bơm khơng nhất thiết phải cĩ bước sĩng đặc biệt, chủ yếu do Laser cĩ thể cĩ nhiều mức cao cĩ thể phân hủy hồn tồn xuống mức siêu bền. Do đĩ, một nguồn ánh sáng khơng đắt tiền phát ra một ngưỡng rộng bước sĩng, như đèn nĩng sáng hay đèn flash, thường cĩ thể được dùng làm bơm quang học cho Laser. Một nhân tố quan trọng giới hạn hiệu suất Laser là photon của ánh sáng bơm phải cĩ năng lượng cao (hay cĩ bước sĩng ngắn hơn) so với ánh sáng Laser. 1.3. Đặc trưng của ánh sáng Laser 1.3.1. Ánh sáng Laser cĩ độ đơn sắc cao Ánh sáng từ các vạch chọn lọc trong ống phĩng điện qua chất khí cĩ thể cĩ các bước sĩng trong vùng phổ nhìn thấy với độ chính xác khoảng 1/106. Trong khi đĩ, độ đơn sắc của ánh sáng Laser lớn hơn gấp nhiều lần, cỡ 1/1015 [1]. 1.3.2. Ánh sáng Laser cĩ độ kết hợp cao Đồn sĩng của ánh sáng Laser cĩ thể dài tới vài trăm kilomet. Điều này cĩ nghĩa là các vân giao thoa cĩ thể tạo thành khi chồng chất hai chùm sáng riêng biệt Luận Văn Tốt Nghiệp cĩ hiệu quang lộ cỡ khoảng cách nĩi trên. Chiều dài kết hợp tương ứng đối với ánh sáng từ đèn tungsen hoặc từ ống phĩng điện qua chất khí chỉ cỡ nhỏ hơn 1 mét [1]. 1.3.3. Ánh sáng Laser cĩ tính định hướng cao Chùm sáng Laser khơng cịn cĩ tính song song chỉ do cĩ các hiệu ứng nhiễu xạ, được quyết định bởi bước sĩng của ánh sáng và khẩu độ lối ra. Ánh sáng từ các nguồn khác cĩ thể được tạo thành chùm gần nhu song song nhờ thấu kính qua gương, nhưng độ phân kì của chùm lớn hơn nhiều so với tia Laser. Bởi vì, mỗi một điểm trên đèn tungsen, chẳng hạn, đều tạo ra một chùm sáng riêng của nĩ, do đĩ độ phân kì gĩc của tia hợp thành sẽ được xác định-khơng phải nhờ sự nhiễu xạ-mà bởi kích thước của dây tĩc đèn. I.3.4. Ánh sáng Laser cĩ thể làm hội tụ và độ tụ cao Tính chất này gắn liền với tính song song của chùm Laser. Cũng như ánh sáng tới từ một ngơi sao, kích thước của chấm hội tụ đối với chùm tia Laser chỉ bị giới hạn bởi sự nhiễu xạ chứ khơng bởi kích thước của nguồn. Mật độ năng thơng đối với chùm tia Laser cỡ 1016 W/cm2 là hồn tồn cĩ thể. Trái lại, một ngọn lửa đèn xì chỉ cĩ mật độ năng thơng cỡ 103 W/cm2. Hình 4: Laser cĩ khả năng hội tụ và độ tụ cao Luận Văn Tốt Nghiệp 1.4. Cơ sở lý thuyết của việc chế tạo Laser 1.4.1. Sự hấp thụ và bức xạ năng lượng của hệ lượng tử [3] Từ Laser viết tắt của cụm từ Tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation cĩ nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. Vì vậy, khơng cĩ gì ngạc nhiên khi bức xạ cảm ứng chính là chìa khĩa cho sự hoạt động của Laser. Einstien đã đưa ra khái niệm này vào năm 1913; mặc dù thế giới phải đợi tới 1960 mới được nhìn thấy một Laser hoạt động, nhưng cơ sở để phát triển nĩ đã được đặt vào thời điểm rất sớm đĩ. Chúng ta hãy xét một nguyên tử duy nhất, cơ lập cĩ thể tồn tại chỉ ở một trong hai trạng thái, cĩ năng lượng tương ứng là En, Em. Dưới đây, chúng ta xét ba cách cĩ thể làm cho nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang trạng thái kia giữa hai trạng thái đĩ. Hình 5. Quá trình hấp thụ và phát xạ Luận Văn Tốt Nghiệp - Sự hấp thụ: Hình (a) dưới đây cho thấy một nguyên tử ban đầu ở trạng thái thấp hơn trong hai trạng thái, cĩ năng lượng En. chúng ta sẽ giả thiết cĩ một phổ bức xạ liên tục cĩ mặt ở đĩ. Nếu một photon cĩ năng lượng: mh E En   tương tác với nguyên tử đang xét, thì photon sẽ biến mất và nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn. Chúng ta gọi quá trình này là sự hấp thụ. - Bức xạ tự phát: Trong hình (b), nguyên tử ở trạng thái cao hơn và khơng cĩ một bức xạ nào cĩ mặt ở đĩ. Sau khoảng thời gian trung bình  nào đĩ, nguyên tử tự động chuyển sang trạng thái cĩ mức năng lượng thấp hơn và trong quá trình đĩ phát ra một photon cĩ năng lượng là h. Chúng ta gọi quá trình này là bức xạ tự phát vì nĩ khơng xảy ra dưới tác động của bên ngồi nào. Ánh sáng từ dây tĩc nĩng sáng của bĩng đèn điện thơng thường chính là được phát ra bằng cách này. Thơng thường, thời gian sống trung bình của các nguyên tử bị kích thích trước khi bức xạ tự phát vào cỡ 10-8s. Tuy nhiên, cĩ một số trạng thái thời gian sống trung bình lâu hơn cỡ 10-3s. Chúng ta gọi các trạng thái này là siêu bền, chúng đĩng vai trị căn bản trong sự hoạt động của Laser. Hình 6. Sự hấp thụ và bức xạ năng lượng Sự bức xạ ánh sáng photon Luận Văn Tốt Nghiệp - Bức xạ cảm ứng: Khi nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao như trường hợp bức xạ tự phát, nhưng bên cạnh đĩ cịn cĩ một phổ liên tục của bức xạ. Cũng như trong sự hấp thụ, photon cĩ năng lượng m nh E E   sẽ tương tác với nguyên tử. Kết quả là, nguyên tử sẽ di chuyển xuống trạng thái cĩ năng lượng thấp hơn, nhưng bây giờ cĩ hai photon thay vì chỉ cĩ một photon như trước kia. Photon được phát xạ hồn tồn đồng nhất với photon kích thích. Nĩ cĩ cùng năng lượng, cùng hướng, cùng pha và cùng phân cực. chúng ta cĩ thể dễ dàng hình dung: một sự kiện bức xạ cảm ứng như vậy cĩ thể sẽ kích thích một phản ứng dây chuyền các quá trình tương tự. Ánh sáng Laser chính là được tạo ra bằng cách này. 1.4.2. Sự đảo lộn mật độ cư trú – Nhiệt độ âm Vấn 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, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, khơng thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử cĩ xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một bước sĩng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn cĩ lẽ là 1017. Nĩi cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến. h Em En En Em h h Bức xạ Bức xạ Vật chất Vật chất Bức xạ cưỡng bức Luận Văn Tốt Nghiệp Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khĩ thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện cĩ khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đĩ và tự phát. Ánh sáng phát xạ cĩ thể dễ dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số cĩ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ khơng gây ra phát xạ. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ cĩ khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng khơng đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học). Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức cĩ thể lấn át là phải cĩ số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ cĩ khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nĩ được gọi là sự đảo lộn mật độ cư trú. Miễn là cĩ nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dịng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đĩ lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là dịng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự đảo lộn mật độ cư trú chấm dứt (dân cư ở trạng thái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại là quá trình chủ yếu. Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các nhà Vật Lý tin rằng bất cứ điều kiện nào khơng phải ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đều khơng bền và khơng thể được duy trì liên tục. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới xem xét đến các phương pháp tạo ra sự đảo lộn mật độ cư trú cần thiết để duy trì phát xạ cưỡng bức. Các nguyên tử và phân tử cĩ thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số sự chuyển trạng thái cĩ khả năng xảy ra hơn so với một số sự chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái cĩ thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng lượng nào. Luận Văn Tốt Nghiệp [4]Yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động Laser, là ít nhất phải cĩ một trạng thái năng lượng cao hơn cĩ dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự đảo lộn mật độ cư trú cĩ thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc là tạo ra dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạng thái năng lượng cao, hoặc là làm giảm số nguyên tử, phân tử ở một trạng thái năng lượng thấp. Cũng cĩ thể chọn một hệ khơng bền ở mức năng lượng thấp, nhưng đối với hoạt động Laser liên tục, phải chú ý vừa làm tăng số nguyên tử, phân tử ở mức cao vừa làm giảm số nguyên tử, phân tử ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ khơng cịn và hoạt động Laser dừng lại. Phương pháp thơng dụng nhất tạo ra sự đảo lộn mật độ cư trú trong mơi trường Laser là bơm năng lượng cho hệ để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao. Cách cấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy động mơi trường khơng đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học) để tạo ra sự đảo lộn mật độ cư trú, do nhiệt chỉ làm tăng năng lượng trung bình của các hạt, chứ khơng làm tăng số loại trạng thái kích thích tương đối so với trạng thái thấp. Tỉ số của số nguyên tử ở hai mức năng lượng (1 và 2) dưới trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được cho bởi phương trình sau: m n-(E -E )kTm n N = e N trong đĩ Nm và Nn tương ứng là số nguyên tử ở mức m và mức n, Em và En là năng lượng của hai mức, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ kelvin. Như đã được chỉ rõ trong phương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, Nn chỉ cĩ thể lớn Nm nếu như nhiệt độ là một số âm. Trước khi nghiên cứu mơ tả hoạt động maser và Laser được cơng bố, các nhà vật lí thường xem sự nghịch đảo dân cư là nhiệt độ âm, đĩ là từ chỉ những điều kiện khơng ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học khơng được mong đợi là sẽ được duy trì liên tục. Luận Văn Tốt Nghiệp Để tạo ra sự đảo lộn mật độ cư trú cần thiết cho hoạt động Laser, các nguyên tử hay phân tử phải bị kích thích cĩ chọn lọc lên những mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dịng điện là cơ chế kích thích được chọn của đa số Laser. Ánh sáng hoặc các electron cĩ thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao được chọn, và sự truyền năng lượng khơng địi hỏi đưa các electron trực tiếp lên mức năng lượng cao nào đĩ của sự chuyển trạng thái Laser. Một số phương pháp khác cĩ thể phức tạp hơn, nhưng chúng thường tạo ra hoạt động Laser tốt hơn. Một phương pháp thường được sử dụng là kích thích nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao hơn cần thiết, sau đĩ nĩ sẽ rơi xuống mức Laser cao. Hình 7. Biểu đồ năng lượng Laser ba mức và bốn mức Xét một hệ cĩ 2 mức năng lượng E1, E2 với E1 < E2, mật độ hạt ở các mức này lần lượt là N1, N2. Ở trạng thái cân bằng nhiệt, ta cĩ N1 > N2. Khi chiếu bức xạ cĩ tần số 212 1E Eh  thì một số hạt ở mức E1 hấp thụ năng lượng chuyển lên mức E2, đồng thời một số hạt chuyển từ mức E2 về mức E1 do sự bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức. Vì số hạt ở mức E1 lớn hơn số hạt ở mức E2 nên xác suất để photon của điện từ trường ngồi gặp hạt ở mức E1 lớn hơn xác suất để photon gặp hạt ở mức E2. Luận Văn Tốt Nghiệp Nĩi cách khác, quá trình hấp thụ xảy ra mạnh hơn quá trình bức xạ. Kết quả là làm cho số hạt ở mức E1 giảm dần (ta nĩi mức E1 bị nghèo hĩa) cịn số hạt ở mức E2 tăng dần (ta nĩi mức E2 được làm giàu). Quá trình này diễn ra cho đến khi số hạt ở hai mức là bằng nhau, tức là quá trình hấp thụ bằng quá trình bức xạ. Khi đĩ, hệ hấp thụ bao nhiêu lượng tử thì cũng bức xạ bấy nhiêu lượng tử. Ta nĩi hệ trở nên trong suốt đối với tần số 12 và trạng thái như vậy gọi là trạng thái bão hịa dịch chuyển. Như vậy, với hệ cĩ 2 mức năng lượng, ta khơng cĩ cách nào tạo được mơi trường mật độ đảo lộn bằng phương pháp bơm năng lượng. Với hệ cĩ 3 mức năng lượng E1 < E2 < E3, khi chịu tác dụng của bức xạ điện từ cĩ tần số 313 1E Eh  thì hạt ở mức E1 sẽ hấp thụ năng lượng để chuyển lên mức E3 làm cho mức E1 bị nghèo hĩa và mức E3 được làm giàu. Nếu E3 – E2 < E2 – E1 thì sự đảo lộn mật độ sẽ được hình thành ở mức E2 và E3, nghĩa là mật độ ở mức E3 cao hơn mật độ ở mức E2. Khi đĩ, bức xạ cảm ứng sẽ xảy ra giữa mức E3 và E2 với tần số 3 232 h E E  . Nếu E3 – E2 > E2 – E1 thì sự đảo lộn mật độ được hình thành ở mức E2 và E1, nghĩa là N2 > N1. Khi đĩ bức xạ cảm ứng sẽ xảy ra giữa mức E2 và E1 với tần số 2 1 12 E E h   . Như vậy, với hệ 3 mức cĩ thể thiết lập được sự đảo lộn mật độ bằng phương pháp bơm năng lượng với bức xạ bơm cĩ tần số 13. Sự đảo lộn này cĩ thể được thành lập ở mức E3 và E2 hay ở mức E2 và E1 tùy thuộc vào quan hệ giữa các độ rộng năng lượng E3 – E2 và E2 – E1. Luận Văn Tốt Nghiệp Bây giờ ta xác định tần số bơm cần thiết để tạo sự đảo lộn mật độ đối với hệ 3 mức. Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ hạt ở các mức E1, E2, E3 lần lượt là N1, N2, N3 liên hệ với nhau theo các biểu thức: 2 1 2 1 expN N kT     E E  3 1 3 1 expN N kT      E E Vì E2 – E1 << kT, E3 – E2 << kT nên ta cĩ thể lấy gần đúng: 2 1 2 1 1N N kT     E E  3 1 3 1 1N N kT      E E Khi sự dịch chuyển giữa các mức E1 và E3 đạt đến bão hịa thì ta cĩ: 1 3 3 1 1 3 1' ' 12 2 N N N kT        N N E E  Nếu sự bức xạ cưỡng bức xảy ra giữa mức E2 và mức E1 thì ta phải cĩ N2> N1’, nghĩa là:          3 12 1 1 1 3 1 2 1 N 1- > N 1- kT 2kT E - E E - E > 2kT kT E - EE - E 13 212h h  hay 13 > 221 Vậy, với hệ 3 mức thì để tạo được mơi trường mật độ đảo lộn bằng phương pháp bơm năng lượng, tần số của bức xạ bơm phải lớn hơn gấp đơi tần số bức xạ cảm ứng. Với hệ 4 mức, tần số bơm chỉ cần lớn hơn tần số bức xạ hoặc thậm chí trong một vài trường hợp, tần số bơm cĩ thể nhỏ hơn tần số bức xạ. Luận Văn Tốt Nghiệp ln m n n m E ET Nk N      Như đã nĩi tới ở phần trước, lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử trải qua ở một trạng thái kích thích là yếu tố quyết định trong việc xác định xem nĩ sẽ bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dịng thác photon, hay là sẽ mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường cĩ thời gian sống chỉ vài nano giây trước khi chúng giải phĩng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát, một khoảng thời gian khơng đủ lâu để cĩ thể chịu sự kích thích bởi một photon khác. Do đĩ, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động Laser là mức năng lượng cao phải cĩ thời gian sống lâu hơn. Các trạng thái như vậy thật sự tồn tại trong những chất nhất định, và thường được gọi là trạng thái siêu bền. Thời gian sống trung bình trước khi phát xạ tự phát xảy ra đối với trạng thái siêu bền là vào bậc micro giây đến mili giây, một khoảng thời gian khá dài ở thế giới nguyên tử. Với thời gian sống lâu này, các nguyên tử và phân tử bị kích thích cĩ thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hoạt động Laser chỉ xảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự phân hủy của nĩ, duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ở mức thấp. Thời gian sống của phát xạ tự phát càng lâu thì nguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng dụng Laser. Ta cĩ thể xác định nhiệt độ: - Nếu 1n mN N thì T > 0. Vậy, trong trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ hạt ở trạng thái cơ bản lớn hơn mật độ hạt ở trạng thái kích thích. Khi đĩ, T chính là nhiệt độ tuyệt đối mà ta vẫn thường dùng trong nhiệt động học. - Nếu 1n mN N thì T = +. - Nếu 1n mN N thì T < 0: trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ đã bị phá vỡ. Hạt sẽ dịch chuyển từ mức thấp lên mức cao đến khi đảo lộn hồn tồn. Hệ ở trạng thái khơng cân bằng, cĩ nhiệt độ âm. Sự đảo lộn mật độ cư trú đã được thiết lập Luận Văn Tốt Nghiệp Thuật ngữ “nhiệt độ âm” và “mật độ đảo lộn” là tương đương nhau và cùng biểu diễn một nội dung: mật độ mức trên lớn hơn mật độ mức dưới.. 1.4.3. Đặc điểm của nhiệt độ âm - Trước hết, cần nhấn mạnh rằng nhiệt độ âm hồn tồn khác với khái niệm nhiệt độ thơng thường. Ví dụ: thỏi ruby trong Laser ruby đang hoạt động cĩ nhiệt độ khoảng 300K (nhiệt độ phịng) nhưng đồng thời trạng thái nhiệt độ âm đã được thiết lập trong thỏi ruby. - Trạng thái ứng với nhiệt độ âm cĩ năng lượng cao hơn trạng thái ứng với nhiệt độ dương, vì khi ở trạng thái ứng với nhiệt độ âm thì hệ cĩ nhiều hạt ở mức năng lượng cao hơn. - Chỉ cĩ thể thiết lập được nhiệt độ âm đối với hệ cĩ một số hữu hạn mức năng lượng, vì nếu số mức là vơ hạn thì cần phải tốn một năng lượng vơ cùng lớn để đưa các hạt của hệ lên mức kích thích. Tĩm lại: nếu tạo được sự đảo lộn mật độ cư trú trong một mơi trường thì mơi trường đĩ cĩ khả năng khuếch đại bức xạ điện từ đi qua nĩ. 1.5. Phân loại Laser 1.5.1. Laser rắn 1.5.1.1. Đặc điểm chung Laser rắn là máy phát lượng tử quang học mà mơi trường hoạt tính của nĩ làm bằng tinh thể hay chất cách điện vơ định hình [3]. Mơi trường hoạt tính của nĩ gồm hai thành phần: - Vật liệu cơ bản của mơi trường (khuơn đúc) là tinh thể hay chất vơ định hình như Al2O3, CaF2, thủy tinh Ba,…dùng chứa chất tạp ion cĩ tính hoạt hĩa. Luận Văn Tốt Nghiệp - Chất tạp ion cĩ tính hoạt hĩa, chủ yếu là các ion thuộc nhĩm nguyên tố hiếm như: Sm2+, Dy2+, .. và Cr3+, U3+. Hàm lượng ion hoạt hĩa trong mơi trường hoạt tính thường rất nhỏ. Tăng hàm lượng ion hĩa lên sẽ làm tăng nồng độ hạt, làm tăng cơng suất nhưng sẽ làm giảm thời gian sống của các mức làm việc của ion hoạt hĩa. Vì vậy, hàm lượng tối ưu của chúng trên dưới 1%. Khi nghiên cứu Laser rắn, cần chú ý những đặc tính sau: - Nồng độ ion hĩa trong mơi trường rắn lớn hơn rất nhiều trong mơi trường khí. Vì vậy, mật độ mức năng lượng trong Laser rắn đặc biệt lớn, đồng thời, mơi trường hoạt tính chất rắn phải được đặc trưng bằng hệ số khuếch đại lớn. - Chất rắn cĩ tính chất đồng tính quang học rất kém so với mơi trường khí. Điều đĩ dẫn đến sự mất mát trong thể tích do tán xạ, hạ thấp độ phẩm chất của hệ cộng hưởng khi mơi trường hoạt tính dài. - Sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn làm cho các mức năng lượng của hạt cĩ độ rộng lớn. Vạch bức xạ tự phát (huỳnh quang) và vạch phát chồng lên nhau trong một dãy phổ rộng. - Khả năng thành lập sự đảo lộn trong Laser rắn, về nguyên tắc khác với Laser khí và Laser bán dẫn, nĩ khơng liên quan đến dịng điện chạy qua chất rắn cách điện mà phải dùng bơm quang học. Bộ phận chủ yếu của Laser rắn là thỏi rắn hoạt tính bằng tinh thể cĩ dạng hình trụ hay lập phương. Mặt phản xạ thường được chế tạo trực tiếp trên hai đáy của thỏi. Để một đáy cĩ độ phản xạ tốt, thỉnh thoảng được dùng hiện tượng phản xạ tồn phần. Muốn vậy, gĩc  phải thỏa điều kiện: 12 arccos n       (n: chiết suất của mơi trường hoạt tính) Luận Văn Tốt Nghiệp 1.5.1.2. Phương pháp tạo mơi trường mật độ đảo lộn Sự đảo lộn mật độ cư trú trong Laser rắn được thực hiện bằng phương pháp bơm năng lượng quang học, tức là dùng nguồn bức xạ ngồi chiếu vào mơi trường hoạt tính. Các hạt của mơi trường này hấp thụ bức xạ bơm và chuyển lên trạng thái kích thích, tạo nên sự đảo lộn mật độ cư trú. Để sự đảo lộn mật độ đủ lớn để tạo nên bức xạ cảm ứng thì nguồn bơm phải cĩ cường độ lớn, khoảng vài chục W/cm2 đối với hệ 3 mức. Hệ thống bơm quang học thường gồm một đèn bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất. Với Laser rắn làm việc ở chế độ xung, người ta thường dùng đèn xung Xenon. Cịn với Laser rắn làm việc ở chế độ liên tục, người ta dùng đèn hơi thủy ngân phĩng điện hồ quang hoặc đèn Xenon cơng suất lớn. Ngồi ra cịn dùng đèn dây tĩc cĩ hơi Iot để tăng tuổi thọ của đèn. Cũng cĩ thể sử dụng ánh sáng Mặt trời hội tụ vào thanh hoạt chất để “bơm” năng lượng cho nĩ. 1.5.1.3. Laser ruby Máy phát quang học lượng tử đầu tiên là máy mà chất hoạt tính được chế tạo bằng tinh thể Ruby năm 1960. Vì tính chất vật lý và cơ học của mình, Ruby là một trong những vật liệu Laser tốt nhất. Ruby là một tinh thể rắn. Phần cơ bản của nĩ là chất cách điện. Nĩ chỉ trở thành Ruby khi một phần nhỏ nguyên tử Al trong tinh thể được thay bằng ion Cr3+. Hàm lượng nguyên tử Cr trong tinh thể khơng lớn (0,05%), thường khoảng 1019 nguyên tử Cr trong 1 cm3. Màu sắc của Ruby được quy định bởi sự phân bố của mức năng lượng nguyên tử Cr trong tinh thể. Độ dài sĩng bức xạ tương ứng với chuyển mức giữa: E2, E1: ánh sáng đỏ. E3, E1: ánh sáng xanh lục. E4, E1: ánh sáng xanh da trời. Hình 8. Laser Ruby Luận Văn Tốt Nghiệp 1.5.2. Laser khí 1.5.2.1. Đặc điểm chung Laser khí là máy phát lượng tử quang học mà mơi trường hoạt tính nằm trong pha khí. Nĩ cĩ thể là khí nguyên chất hỗn hợp ở dưới dạng plasma khí phĩng điện. Những khác nhau chủ yếu giữa Laser khí với các loại Laser khác là: - Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của các nguyên tử, ion hay phân tử cơ lập. Trong những điều kiện ấy, vạch phổ của các mức năng lượng cĩ độ rộng rất hẹp (10-7 – 10-6m), cĩ vơ số sơ đồ dịch chuyển mức năng lượng để tạo mơi trường mật độ đảo lộn. - Mơi trường khí cĩ tính chất quang học đồng tính lớn. Mật độ khí nhỏ nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu. Điều đĩ cho phép chúng ta dùng khoảng cách giữa hai gương phản xạ lớn. Vì vậy, Laser khí cĩ chùm bức xạ định hướng cao và độ đơn sắc lớn. - Laser khí cĩ nhược điểm là: mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong thể rắn. Vì vậy, với 1cm3 khơng thể nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để bức xạ ánh sáng như ở thể rắn. Do đĩ, Laser khí cĩ kích thước lớn. Cĩ thể chia Laser khí thành 3 loại: Laser nguyên tử, Laser ion, Laser phân tử. Chúng khác nhau do cơ chế thành lập, mật độ đảo lộn và do độ dài sĩng phát. Dãy bước sĩng phát khác nhau là do phổ năng lượng của nguyên tử trung hịa, phân tử, ion khác nhau. 1.5.2.2. Phương pháp tạo mơi trường mật độ đảo lộn Để tạo mơi trường mật độ đảo lộn trong Laser khí, người ta thực hiện phĩng điện qua chất khí để tạo ra các ion và các electron tự do. Một điện trường mạnh được đặt vào chất khí để gia tốc cho các ion và các electron này. Các hạt mang điện chuyển động nhanh va chạm với các nguyên tử hoặc phân tử khác của chất khí làm Luận Văn Tốt Nghiệp cho các nguyên tử hoặc phân tử này bị mất electron và trở thành ion hoặc bị kích thích. Các ion mới được tạo thành tiếp tục tham gia vào quá trình kích thích các nguyên tử, phân tử khí khác; cịn các nguyên tử bị kích thích sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn (mức kích thích). Chính các nguyên tử bị kích thích này tạo thành sự đảo lộn mật độ trong chất khí và cho bức xạ cưỡng bức. Đối với các khí đơn chất, sự kích thích bằng va chạm điện tử được mơ tả bởi quá trình: e* + A  A* + e, trong đĩ: A và A* là nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, e* là electron chuyển động nhanh. Quá trình như vậy gọi là va chạm khơng đàn hồi loại 1, là loại va chạm mà động năng của hạt này chuyển thành thế năng của hạt kia để chuyển hạt kia từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Đối với các khí gồm hai thành phần (ký hiệu là A và B) thì việc kích thích các nguyên tử được thực hiện bằng va chạm khơng đàn hồi loại 2, là loại va chạm mà thế năng của hạt ở trạng thái kích thích cĩ thể chuyển thành động năng hoặc thế năng của hạt kia: A + B* = A* + B  E (E là độ biến thiên nội năng của hệ). Khi va chạm, năng lượng kích thích của nguyên tử B* sẽ được truyền sang nguyên tử A từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. 1.5.2.3. Laser He-Ne Laser khí đầu tiên phát minh vào cuối năm 1960 là Laser nguyên tử gồm hai khí He và Ne với tỉ lệ 80%-20%, trong đĩ Ne là mơi trường “phát tia Laser”. Sự đảo ngược độ cư trú cần thiết được tạo ra nhờ sự va chạm của các nguyên tử He và Ne. Việc bơm ở đây được thực hiện bằng cách cho phĩng điện qua hỗn hợp khí He-Ne. Các elctron và ion trong quá trình phĩng điện này thường xuyên va chạm với các nguyên tử He làm cho nĩ chuyển lên mức E3. Luận Văn Tốt Nghiệp Mức E3 trong He (=20,61 eV) rất gần mức E2 trong Ne (=20,66 eV). Vì vậy, khi nguyên tử He ở trạng thái siêu bền và nguyên tử Ne ở trạng thái cơ bản va chạm với nhau, năng lượng kích thích của nguyên tử He cĩ thể thường xuyên được truyền cho nguyên tử Ne. Theo cách đĩ, mức E2 trên hình cĩ thể trở nên cĩ độ cư trú cao hơn nhiều so với mức E1. Sự đảo ngược độ cư trú này được duy trì vì tính siêu bền của mức E3 đảm bảo sự cung cấp thường xuyên các nguyên tử Ne ở mức E2 và các nguyên tử ở mức E1 phân rã rất nhanh về trạng thái cơ bản E0. Bức xạ cảm ứng từ mức E2 về mức E1 hồn tồn chiếm ưu thế và ánh sáng Laser màu đỏ với bước sĩng 632,8 nm được phát ra. Hình 9. Laser khí He-Ne 1.5.3. Laser bán dẫn 1.5.3.1. Đặc điểm chung Những Laser bán dẫn đầu tiên được chế tạo vào năm 1962, dựa trên nguyên tắc phun dịng tải điện qua lớp tiếp xúc p-n của GaAs. Ngày nay, người ta đã dùng nhiều vật liệu khác và thêm nhiều phương pháp kích thích Laser bán dẫn khác: bơm quang học, kích thích bằng chùm điện tử nhanh… Đặc tính của Laser bán dẫn là kích thước rất nhỏ, hệ số tác dụng cĩ ích rất lớn và cĩ khả năng tạo dãy sĩng phát tùy ý khá rộng nhưng bậc đơn sắc và độ định hướng kém, cơng suất phát thường phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. Tùy thuộc vào thành phần hợp kim của chất bán dẫn ba thành phần, độ dài sĩng phát và nhiệt độ làm việc của Laser bán dẫn cĩ thể biến đổi. Laser bán dẫn hoạt động theo kiểu rất khác, nhưng cũng dựa trên dịng điện để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Trong những dụng cụ này, sự đảo lộn được tạo ra giữa các hạt mang điện (electron và cặp electron-lỗ trống) trong mặt phẳng tiếp giáp giữa các vùng chất Luận Văn Tốt Nghiệp bán dẫn khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng trong Laser bán dẫn tập trung trong mặt p._.