Tài liệu Laser

Tài liệu Laser cung cấp cho các bạn những khái niệm về laser, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của tia laser. Đây là tài liệu hữu ích cho những bạn chuyên ngành Vật lý và những bạn quan tâm tới lĩnh vực này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu LaserI. KháiniệmLaser Laserlàtênviếttắtcủatừ“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation” (nghĩalàkhuếchđạiánhsángphátxạkíchthíchbởibứcxạ).Electronstồntạiởcáctầng nănglượngriêngbiệttrongmộtnguyêntử.Cáctầngnănglượngnàycóhìnhdạngnhư vòngtrònhayquỹđạo,xungquanhhạtnhân Electronsởbênngoàisẽcótầngnănglượngcaohơnnhữngelectronsởphíatrong.Khi cósựtácđộnghoálýởbênngoài,cáchạtelectronsnàycũngcóthểnhảytửtầngnăng lượngthấp,lêntầngnănglượngcao(bumpeduptohigherenergylevelsbytheinjectionof energy),vàngượclại,quátrìnhnàyđềusẽtạoracáctiasáng.Bướcsóngvàmàusắccủa tiasángphụthuộcvàonănglươngtạora,cũngnhưthiếtbị,nguyêntốhoáhọctasử dụng. Tialaserhồngngọc(rubylaser)đượctạoralầnđầutiênvàonăm1960,bởinhàvậtlý MaimantạiHughesLaboratoryinMalibu,California.Rubylàthànhphầncủaoxitnhôm ,kếthợpvớinguyêntửnhôm,đượcđặttrongChromium.Chromiumhấpthụtiasáng màngxanhlácâyvàxanhlục,đểlạiduynhấttiasángmàuhồng. Cónhiềuloạilaserkhácnhau,cóthểởdạnghỗnhợpkhí,vídụHeNe,haydạngchất lỏng,songcóđộbứcxạlớnnhấtvẫnlàtialasertạobởicácthànhphầntừtrạngthái chấtrắn.II. Nguyênlýhoạtđộng1. Quátrìnhhấpthụ,phátxạtựnhiênvàphátxạcưỡngbức Quátrìnhhấpthụ,phátxạtựnhiênvàphátxạcưỡngbứccủamôitrườngcácnguyên tử,phântửđượcAbertEinsteinpháthiệnnăm1917 Giảsửracómộttậphợpcácnguyêntửhoặcphântửvớihaimứcnănglượng,trongđó mộtmứcgọilàmứccơbản(mức1)vàmứckiagọilàmứckíchthích.Mậtđộcưtrútrên cácmứcđóđượcxácđịnhlà(sốnguyêntửtrênmộtđơnvịthểtích) TheođịnhluậtphânbốBoltzmannthì Khimộtchùmánhsáng,baogồmcácphotonvớinănglượng,cómậtđộphotonchiếuvào tậphợpcácnguyêntửđóthìcácquátrìnhsauđâysẽxảyra:a. Quátrìnhphátxạtựphát:làquátrìnhcácnguyêntửởmứcnănglượngcaotựnhảy xuốngmứcnănglượngthấphơn(khôngdoánhsánggâynên).Nếuxácsuấtphátxạtự phátcủaphotontrênmộtđơnvịthờigian(s)đượckíhiệulàhoặc,cònvàlàxácsuấttìm nguyêntửởtrạngtháimhoặcn,thìkhiđótheođịnhluậtBoltzmann,Piđượcxácđịnh nhưsau Trongđó,vàlànănglượngtươngứngvớimức1,mức2.Khikhôngcósựtácđộng củatrườngánhsángngoàithì Vớilàhằngsố(cònđượcgọilàhằngsốEinstein).Hệsốnàyphụthuộcvàobảnchấtcủacácnguyêntửvàchỉxácđịnhđượcbằngthựcnghiệmb. Quátrìnhhấpthụ:làquátrìnhkhicótácđộngcủatrườngánhsángngoài,cácnguyêntử ởmứccơbảnnhậnnănglượngphotoncủaánhsángđểnhảylênmứckíchthích.Xác suấthấpthụtrênmộtđơnvịthờigianđượctínhnhưsau TrongđógọilàhệsốEinsteincủachuyểndịchhấpthụ Tacóthểthấyxácsuấtchuyểndịchhấpthụcủanguyêntửhayphântửlênmứctrên sẽtỉlệthuậnvớimậtđộphotonvàxácsuấtchuyểndịch.Mậtđộphotontươngtácvới môitrườngcácnguyêntửhayphântửcànglớnthìkhảnăngchuyểndịchlêntrạngthái trêncủachúngcànglớn c. Quátrìnhphátxạcưỡngbức:làquátrìnhkhicótácđộngcủatrườngánhsángngoài,các nguyêntửnhảytừmứckíchthíchxuốngmứccơbảndocưỡngbứcbởiphotonánhsáng. Xácsuấtsốnguyêntửnhảyxuốngmứccơbảntrênmộtđơnvịthờigianđượcxácđịnh nhưsau VớilàhệsốEinsteincủachuyểndịchcưỡngbức Einsteinđãchứngminhrằng,trongtrạngtháicânbằngnhiệtđộngsốphotonbịhấp thụvàsốphotonđượcphátxạbằngnhauvàtìmđượcquanhệgiữacáchệsốnhưsau Trongvùngquanghọc,tầnsốánhsáng,tatínhđược ĐốivớimỗimộtloạinguyêntửcóhệsốEinsteincủaphátxạtựnhiênvàđođược bằngthựcnghiệm.TrongkhiđóhệsốEinsteincủahấpthụvàbứcxạcưỡngbứck nhữngphụthuộcvàobảnchấtnguyêntửmàcònphụthuộctỉlệnghịchvớitầnsốcủa photontươngtáchaychênhlệchnănglượnggiữahaimức.Tứclàquátrìnhphátxạcưỡng bứcvàhấpthụsẽxảyramạnhhơnởvùngnănglượngthấp,haynóicáchkhác,nếu khoảngcáchgiữahaimứcnănglượnggầnnhauthìxácsuấthấpthụvàphátxạsẽlớn hơn(dễxảyrahơn) Đểhiểurõhơnvềquátrìnhbứcxạcưỡngbứcvàýnghĩacủanótacấnphảinghiên cứuquátrìnhkhuếchđạiánhsáng2. Hiệntượngkhuếchđại Tagiảsửcómộthệcácnguyêntửhayphântửcóhaimứcnănglượng.Bằngmột cáchnàođó,sốnguyêntửnănglượngởmứcnănglượngcaolớnhơnsốnguyêntửnằmở mứcnănglượngthấp()–gọilàmôitrườngnghịchđảomậtđộ.Trạngtháinàyđượcgọilà ...