Chương IH Sơ lược lý thuyết đo vận tốc ánh sáng. Tắm quan trọng của việc đo vận tốc ánh sắng. Các phương pháp đo vận tốc ánh Sang. Vận tốc truyền của ánh sáng trong chân không .++vc<+s<Se‡ 31 Chương IV.
Đo vận tốc ánh sáng bằng xung phản xạ cực ngắn I. Cấu tạo dụng cụ đo vận tốc ánh SANg. Nguyên tắc do vận tốc ánh sáng. — Chú ý an toàn trong thí nghiệm.
Các bước tiến hành thí nghiệm. -—- Kết quả thínghiệm.iSSiieeeseirriiirmieree 45 Trong lịch sử hình thành và phát triển của loài người, lúc nào con người cũng không bao giờ thỏa mãn với chính mình, con người luôn tìm kiếm những cái mới để thỏa mãn nhu cầu của họ. Chính vì vậy, việc phát minh ra Laser cũng bắt nguồn từ sự cố gắng của các nhà khoa học, họ muốn tim cách sản xuất các luéng sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắng càng tốt. Như chúng ta đã biết trong kỷ thuật vô tuyến, người ta đã biết rằng muốn tạo ra các luồng sóng vô tuyến có bước sóng càng ngắn thì phải có máy phát sóng vô tuyến có kích thước càng nhỏ.
Nhưng các nhà khoa học lại đứng trước vấn để khó khăn là: không thể tạo ra các máy có kích thước quá nhỏ, thế thì các nhà khoa học làm sao? Họ đã nghỉ tới một máy phát vô cùng nhỏ có sẩn trong tự nhiên đó là các nguyên tử, phân tử. vì chúng ta biết ánh sáng là loại sóng điện từ có bước sóng ngấn phát ra bởi các nguyên tử, phân tử. Nhưng làm thế nào để các máy phát tí hon này hoạt động theo ý mình, vì sự phát sóng của chúng là hoàn toàn ngẫu nhiên, tự khát không kiểm soát được. Các nguyên tử, phân tử trong cùng 1 nguồn sáng phát ra ánh sáng theo tất cả mọi phương, với vô số bước sóng khác nhau.
Các sóng được phát ra không có liên hệ gì với nhau về biên độ, pha. Một nguồn phát sóng như thế thì không có lợi gì cho ta trong kỷ thuật vô tuyến. Trong quá trình tìm tòi, nghiên cứu thì các nhà khoa học đã giải quyết được vấn để này, nghĩa là họ đã điểu khiển được các bức xạ phát ra bởi các nguyên tử, phân tử, từ đó đưa đến việc phát minh ra Laser: light amplification by stimulated Emission of Radiation and Maser; Microwave. Đầu tiên nguyên tắc phát xa kích động của | bức xa hay hiện tượng khuếch đại ánh sáng được Einstein đưa ra từ 1917 khi mà ông lập bảng thống kê năng lượng trong sự phát xạ của | vật đen được khảo sát bởi W.
Wien và Max Planck. Đến 1950 thì Chales Townes ở Viện ĐH Columbia (Masyland) đã bắt đầu khảo sát lý thuyết về Maser; cùng lúc này A. Kastler (ĐH Sư phạm Paris) đã nghĩ ra kỷ thuật "Bơm quang học” với sự cộng tác. dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045) của F.
Bitter ở Mit (1948) va J, Brossel nghiên cứu sự cộng tác dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045) của F. Biter ở Mit (1948) và J. Brossel nghiên cứu sự cộng tác dụng hàm thụ của Tolansky ở Manchester (1045) của F. Bitter ở Mit (1948) va J.
Brossel nghiên cứu trong khoảng thời gian 1945 — 1951, kỷ thuật “Bom quang học" có thé dùng trong việc chế tạo laser mà ta không để cập ở đây. Đến nam 1954 thì Tonnes đã thực hiện được maser dau tiên cùng Đến năm 1958 thì Jonnes mới đặt vấn để thực hiện maser quang học, tức là laser (sóng hồng ngoại, tử ngoại, ánh sáng khả kiến). Và đến 1960 thì Maiman, là kỹ sư công ty Hughes Aircraft thực hiện được laser d4ut iên, thành công này vang đôi khấp năm châu. II, SỰ PHÁT XA CUA LASER Như đã nói ở trên, thì sự phát xạ của các hạt (phân tử, nguyên tử) trong các nguồn sóng thông thường là các quá trình xảy ra | cách tự phát, hoàn toàn ngẫu nhiên.
Khi 1 hạt nào đó nhận được năng lượng thích hợp, hạt sé từ trạng thái bền, sẽ nhảy lên trạng thái kích thích có mức nang lượng cao hơn, nhưng sau một thời gian hạt sẽ trở vé trạng thái đầu, nghĩa là phát ra photon. Nhưng đó không phải là cơ sở hoạt động của máy laser. Vào 1917 Einstein cho ring: không những các hạt phát xạ | cách ngẫu nhiên như ở trên mà còn có thể phát xạ do sự tác dụng động bên ngoài. Giả sử khi ta chiếu vào | bức xạ thích hợp thì các hat, giả sử ở mức E¿ sẽ nhảy về E, và phát ra | bức xạ đó chính là bức xạ kích động và máy laser hoạt động trên cơ sở này.
Bây giờ ta xét một trường hợp đơn giản: Một hệ chứa các hạt cùng loại, một số lớn các hạt ở mức năng lượng E; và 1 số nhỏ ở mức E; (Ez > E)), số hạt ở 2 mức đó theo thứ tụ là nạ và np. Một hạt của E; nếu nhận một photon có năng lượng hf thì nó sẽ nghiệm đúng: E; -E; = hf: lị: hằng số planck ; h = 6,625.10”” J/s f: tần số bức xa thi hạt ở mức E; có thể hấp thụ photon đó, hạt đó sẽ có nang lượng: E; + hf= Ea, tức là nó nhảy lên Ep, ta nói hạt đó đã bị kích thích và hiện tượng hấp thụ là hậu quả của hiện tượng kích thích. Như vậy số hạt từ mức E; nhảy lên E trong khoảng thời gian từ thời điểm t đến thời điểm t' = t+ dt là: - dn, =Bn,sdt(l) B >0: xác suất hấp thu Còn số hạt ngẫu nhiên rơi trở về mức E trong khoảng thời gian trên là: - dn; = An;dt (2); A: Xác suất phát xạ ngẫu nhiễn Do ở sức E; kém bến vững hơn E; nên tuổi thọ của hạt sẽ kém bền, thời gian mà hat ở E; khoảng từ 10” -> 10”(s) Từ (2) => Ủa „ - Adt => log * =- At. =>n;=noe”" nz nọ Ta đạt A = ` : t= đời sống trung bình của 1 hạt ở trang thái kích thích.
Bây giờ nếu như | hạt ở E; nhận được | photon hf, nang lượng của nó là E; + hf, hạt này không thể tiếp tục ở đó nữa dù chưa hết thời gian t. Mà nó cũng không thể lên mức cao hơn vì ta giả sử nó có 2 mức, do đó nó phải rớt xuống E; , nó sẽ trả lại photon hf mà nó đã hấp thụ khi tiến từ E, -> E;, đó là phát xạ kích động. Số hạt phát xạ kích động trong khoảng thời gian dt là: - dng” = Bn;sdt (3) (Giả sử xác suất hấp thụ B bằng xác suất phát xạ kích động A) + Các photon gây kích động và phát xạ do kích động là những photon đồng pha và đồng hướng. + Khi hệ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học tức số hạt ở mức E; không thay đổi, vậy số hạt đến mức E; phải bằng số hạt rời khỏi E¿ trong cùng | khoảng thời gian: => -dn, = -dn; - da; => Bn¡sdt = An;dt + Bn;sdt => *„—5_ <1 (A350) ny A +Bs - Nghĩa là số hạt ở mức kích thích E; (có năng lượng cao hơn) bao giờ cũng ít hơn số hạt ở mức nang lượng cơ bản E; (nang lượng thấp hơn).10”` (3/46) : hằng số Boltzman BS _ war.
A l => A+Bs BỊ Mà theo Planck: s = ait x aT 3 = 3 => gB. A 8xhf 8xh Vậy phát xạ kích động tăng theo bậc ba độ dài sóng. Như ta nói ở phần trên, nếu như | photon hf gặp một hạt ở trang thái kích thích và làm hat nay rơi vé mức cơ bản, thi photon được phóng thích cũng là hf và nó hoàn toàn giống photon kích động về hướng đi, bước sóng, sóng, pha, tính phân cực. Kết quả của sự kích động là một photon tới I hạt ta được 2 photon phát xa, 2 photon này gặp 2 hạt kích thích E; khác kết quả ta được 4 photon phat xạ cùng pha, cùng hướng và cứ như thế mãi.
Kết quả là ta đã khuếch đại được ánh sáng tăng lên rất nhanh. Nhưng nếu hf gặp 1 nguyên tử E, thì chỉ có hấp thụ chứ không phat xạ. Như thế muốn có phát xạ kích động thì n; > n; hay nạ -n; > 0 đó là sự đảo ngược dân số, môi trường như thế gọi là “môi trường hoạt tinh”. Tuy nhiên trạng thái này là trạng thái hoan toàn nhân tạo, tổn tại khoảng 10 (s) rồi din dan 2 dân số lại trở lại cân bằng (n; < n; ) lúc đó muốn có khuếch đại lại phải nghịch đảo dân số nữa.
Còn theo Javan, Bennett, Herriot (1962), sự nghịch đảo dân số giữa các mức nang lượng của Neon được thực hiện qua cơ chế chuyển năng lượng từ những nguyên tử He ở mức kích thích giời ẩn Ey sang những nguyên tử Ne ở mức cơ bản E,, do sự va chạm giữa các nguyên tử He và Ne: He + Ne -> Ne + He Điều kiện n; -n, > 0 là 1 điểu kiện cẩn có, chưa phải là điểu kiện đủ. Thật vậy, phải kể những sự mất năng lượng ra ngoài bình, do đó muốn có được một chùm laser có đặc tính định hướng cao thì riêng môi trường hoạt tính thì chưa đủ, ta can phải có thêm | bộ phận để tăng cường độ ánh sáng và định hướng chùm laser khi nó ra khỏi máy. Ta xét trường hợp đơn giản, bộ phận cộng hưởng gồm 2 gương M,,M; bố trí ở 2 đầu máy. Các photon có phương di chuyển thẳng góc với 2 gương sẻ dội đi, đội lai nhiều lần trong môi trường hoạt tính, trong quá trình di chuyển như thế các photon đập vào các hạt ở trạng thái kích thích, làm phóng thích các photon khác.
Các photon này lại phản chiếu qua lại gữa 2 gương, lại đập vào các hạt kích thích khác và làm bật ra thêm các photon mới nữa, cứ như thế cường độ ánh sáng tăng lên rất mạnh. Còn các photon nào không di chuyển thẳng góc với 2 gương thì sau | hồi đi chuyển, chỉ bị lọt ra khỏi máy. Như vậy trong cấu tạo của máy laser, có thể có | phẩn năng lượng sẽ bị mất đi do sự phản chiếu trên gương và do sự nhiễu xạ làm lệch hướng đi của các photon, đo đó ta chỉ thực hiện được hiện tượng khuếch đại cường độ ánh sáng nếu công suất P sinh ra do sự phát xạ kích động lớn hơn công suất P* mất đi: P»>PFP' với p= 2 =" nf dts dt _ : số photon phát ra trong 1 đơn vị thời gian do sự phát xạ kích động. dt dt dt => P = (nạ -n;).