Giáo trình môn quang điện tử - chương 8

LASER Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là mộ t chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. Nguồn nuôi là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình môn quang điện tử - chương 8 Chương 8: LASER Chương 8 LASERGiới thiệu chung Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡngbức. Laser được phỏng theo maser ( Microwave Amplication by StimulatedEmission of Radiation-Sự khuếch đại sóng viba do Sự phát xạ cưỡng bức ),một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánhsáng. Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H. Townes và sinh viên tốtnghiệp J.P. Gorđơn và H.J. Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó khôngtạo ra tia sóng một cách liên tục. Nikolay Gennadiyevich Basov và AleksandrMikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô Viết đã làm việc độc lập trên lĩnhvực lượng tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùngnhiều hơn 2 mức năng lượng. Hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục màkhông cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường. Năm 1964, CharlesTownes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobelvật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc t ạo ra máy daođộng và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.8.1 Các phần tử của quang laser Hình 8.1. Các phần tử của quang laser (1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) (2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) (3) gương phản xạ toàn phần (4) gương bán mạ (5) tia laser 1 Chương 8: LASER Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là mộ t chất đặc biệt có khảnăng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Tính chấtcủa laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất đểphân loại laser. Nguồn nuôi là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Bao gồmcực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác. Việc lựachọn loại nguồn nuôi nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thíchlà loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượngtruyền vào trong môi trường. Ví dụ: Laser He-Ne dùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí Heli Neon.Laser Nd:YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đèn nháy Xenon. Môi trường kích thích là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tínhchất 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 đồngđều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức các hạt photon, dẫnđến hiện tượng khuếch đại ánh sáng. Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laserthạch anh. Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anhdi chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao tạo nên trạng tháiđảo nghịch mật độ của electron. Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu n hiên xuống mứcnăng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon. Các hạt photonnày sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, và phải các nguyên tửkhác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm cácphoton cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dâychuyền khuếch đại dòng ánh sáng. Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ cácgương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng. Một số photon ra ngoài nhờ cógương phản xạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.8.2 Nguyên tắc hoạt động laser8.2.1 Sự phát xạ cưỡng bức Ta đã biết rằng sự phát xạ bởi các hạt (nguyên tử, phân tử, ion) trongcác nguồn sáng thông thường là các quá trình xảy ra một cách tự phát, hoàntoàn ngẫu nhiên. Khi nhận được một năng 1ượng thích hợp, hạt sẽ từ trạngthái bền nhảy lên trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn. Sau mộtthời gian, hạt sẽ rơi trở về trạng thái bền và phóng thích năng lượng (đã hấpthụ) dưới dạng ánh sáng, nghĩa là phát ra photon. Năm 1917, khi nghiên cứu quá trình tương tác giữa ánh sáng và vậtchất, Einstein cho rằng : Không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiênnhư trên mà còn có thể phát xạ do tác động của bên ngoài. Khi ta chiếu vào hệ 2 Chương 8: LASERmột bức xạ, thì các hạt đang ở mức năng lượng kích thích E2 sẽ rơi trở vềtrạng thái căn bản E1 và phát ra bức xạ : Đó 1à hiện tượng bức xạ kích thíchđộng (hay bức xạ cảm ứng, bức xạ cưỡng bức). Đây là cơ sở hoạt động củamáy Laser. Các hạt thay đổi giữa hai mức năng lượng E1 (căn bản) và E2 (kíchthích). Khi ta kích thích bằng quang tử (photon) có năng lượng. ...