Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 1

Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức nănglượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng: Kỹ thuật laser trong chế tạo cơ khí - chương 1Chương 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser.1.1.1 Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng. Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức nănglượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử.Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt thì có thể mô tả: E=h.υ -E: năng lượng -h: hằng số Plăng 6,025.10-34 -υ: tần số sóng ánh sángNếu coi là sóng: λ.υ = c -λ: là bước sóng ánh sáng -c: vận tốc ánh sángMặc đù ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng hạt, song trong các tương tác củaánh sáng với các môi trường vật chất khác thường thể hiện tính chất sóng nhiềuhơn, còn tính chất hạt chỉ có ý nghĩa khi mô tả tính lượng tử gián đoạn của vậtchất vi mô ánh sáng. Cấu tạo lớp vỏ điện tử của nguyên tử: 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s2 4d10 Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp - s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp -6,10.. số điện tử trong mỗi phân lớp Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp vỏtừ trong ra ngoài. Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể chuyển lên các mức cao hơnhoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển. Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạánh sáng được gọi là các dịch chuyển quang học. 1 Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử - còn gọi là hạt, tương ứng vớimột giá trị năng lượng nhất định.- Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản- Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích thíchKhi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức thấp lên mứccao, đó là quá trình kích thích.Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ chuyển về trạng tháiổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ,nhiệt. Hạt ở trạng thái kíchthích siêu bền tới hai hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây.1.1.2. Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser. Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 1012 ÷1014 Hz, ứng với bước sóng λ =0,4 ÷ 3 µm. Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số υ xác định. Sóngánh sáng truyền trong các môi trường dẫn quang và chân không chính là sự lantruyền của sóng điện từ. Khi sóng ánh sáng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên độ sóng tạiđiểm z ở thời điểm t là : S = F(t - z/v) - F là hàm mô tả dạng sóng dạng cơ bản thường là sin hoặc cos, thoả mãnphương trình sóng :Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian: Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng tính và đẳng hướngthì mặt sóng là các mặt cầu đồng tâm. Khi đó có sóng cầu mà phương truyềnsóng là các đường xuyên tâm vuông góc với các mặt sóng gọi là tia sóng. 2 Biểu thức của sóng cầu sin tính : gọi là số sóng. - -a : biên độ sóng cầu tại r =1 đơn vị. -ω: tần số sóng. -ϕ0 : pha ban đầu. z z λ λ (a) (b) Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳngKhi ở rất xa nguồn, một phần nhỏ của sóng cầu được coi là sóng phẳng. Sóngphẳng có các tia sóng song song và vuông góc với mặt sóng, biên độ sóng khônggiảm trên đường truyền. Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng phẳng. Biểu thức sóng phẳng: ϕ ei = cosϕ + isinϕ Biểu diên theo Ơ-le: Hiệu pha hai mặt sóng tại hai điểm z1 và z2 3 ϕ1= ωt –kz1 + ϕ0 ϕ2= ωt –kz2 + ϕ0 ∆ϕ = ϕ2 -ϕ1 =k∆ z =Như vậy, nếu các mặt sóng cách nhau một số nguyên lần bước sóng: ∆ z =m λvới m= 1,2… thì hiệu pha là 2π khi đó cac mặt sóng là đồng pha. Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng và có tính đồng pha của 2 véc tơ Evà H , tạo với v một tam diện thuận . Hình1. 2 Mô tả sóng điện từ ngang phẳng- ánh sáng Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó chỉ dao động trongmặt phẳng xác định chứa phương truyền v còn H dao động trong một mặt phẳngvuông góc với E thì sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳngphân cực trùng với H. Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong không gian thì cóthể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey . khi đó đỉnh của E vẽ nên trong khônggian một hình elíp gọi là phân cực elíp. Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn.Ánh sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn.Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại hai sóng phân cực cùng phươngdao động thì sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng phương dao độngnếu hai sóng thành phần ...