Chương 1 Phần tổng quan 1/ Từ LASER do đâu mà có và ý nghĩa của nó: LASER là từ ghép của 5 chữ cái đầu của nhóm từ: “ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. Vì vậy, bức xạ cảm ứng chính là chìa khóa hoạt động của LASER.1 Lịch sử phát minh LASER: Từ năm 1900, nhà bác học người Nga Popov đã thiết lập được trạm radio đầu tiên liên lạc giữa Grông-xtat với đảo Gôn-glăng. Lúc bấy giờ người ta chỉ phát được các sóng dai. Dan dẫn về sau, kỹ thuật sóng ngắn phát triển và người ta đã phát hiện rắng sóng ngấn có khả năng đi xa hơn.
Kỹ thuật điện tử càng phát triển và người ta nghiên cứu các bước sóng ngắn dẫn, cự ly truyền được càng xa. Và như một chiếc xe tải khổng 14, sóng cực ngắn xuất hiện, tuy nhiên sóng đưới 1 milimet làm cho các dụng cụ điện tử phải bó tay. Các nhà khoa học bất đầu nghĩ rằng muốn tìm được cách sẵn xuất các nguồn sóng ngấn thì phải có máy phát sóng có kích thước nhỏ. Và người ta đã nghĩ đến các loại máy phát sóng vô cùng nhỏ có sấn trong tự nhiên: đó là các nguyên tử, tuy nhiên chúng bức xạ hoàn toàn ngẫu nhiên, do đó phải tìm cách khống chế các bức xạ của chúng.
Vậy nghiên cứu rút ngấn bước sóng là con đường logic đưa đến phát minh ra LASER. Người ta có thể xem năm 1954 là năm sinh ra máy phát lượng tử còn gọi là MASER (trongđó M là Micro-wave), về sau được thay bằng LASER (trong đó L là Light). Trong năm này, hai nhà Vật lý Xô Viết là Basov và Prokhorov để nghị ứng dụng sự phát xạ cảm ứng của hệ lượng tử để sản sinh sóng điện từ dựa trên sự dịch chuyển của điện tử trên các mức năng lượng. Cùng lúc đó, nhà Vật lý người Mỹ là Townes cũng cho ra đời máy phát lượng tử và sóng điện từ dùng phân tử NH;.
Đó chính là công trình đầu tiên bắt đầu phát triển của điện tử lượng tử. Năm 1960, lần đầu tiên ở Mỹ Theodore Maiman ở công ty Hughes Aircraft đã chế tạo được máy phát tia sáng từ chất rấn Rubis (đó chính là LASER hồng ngọc). Năm 1961 nhà vật lý học Mỹ Atavan đã chế tạo ra máy phát LASER khí bằng hổn hợp khí Nêon-Hêlium. Năm 1962-1963 LASER bất đầu được sản xuất.
Năm 1963, giải Nobel Vật lý vé kỹ thuật LASER được trao cho Basov, Prokhorov và Townes. SV: HUỲNH THỊ PHƯỢNG -4- Trường ĐHSP Tp-HCM LARSER BAN DẪN & UNG DUNG Khoa Vật ly. EEE EERE EERE AOL EEO Lee ee ee ee ee ee Như vậy, LASER là một trong những phát minh lớn của thế kỹ XX. Vừa mới ra đời, LASER đã nhanh chóng có những ứng dụng cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng, công nghiệp, nghiên cứu khoa học, y hoc , thông tin,.
LASER trở thành niém kiêu hãnh của ngành Vật lý hiện đại.2 Sd lược máy năng lượng trong nguyên tử: Mỗi một electron của nguyên tử hay phân tử có các mức năng lượng bất liên tục như hình vẽ: E, E; mức kích thích E¿—————. E; eS mitc cơ bản Hình 1.1 Chúng ta xét 1 nguyên tử cô lập, giả sử chỉ có thể tổn tại một trong hai trạng thái năng lượng tương ứng là E; và E;. Năng lượng của bức xạ điện từ thể hiện dưới dạng lượngtử Ay, sự ảnh hưởng qua lại giữa bức xạ sóng điện từ và năng lượng chỉ xãy ra khi điểu kiện sau đây có được: hv=E, -E, (1.1) Sự dich chuyển của các electron giữa các mức năng lượng thường di kèm theo sự hấp thụ hay phát ra ánh sáng với độ dài sóng: c hc À m —=x= 1.2 v E,- E\| Vy Trong đó: - ©! vận tốc ánh sáng (3.10” m/s) - h: hằng số Planck (6,625x10TM joule.sec) - v: tin số ánh sáng (Hertz). SV: HUYNH THỊ PHƯỢNG -§- Trường DHSP Tp-HCM LARSER BAN DAN & UNG DUNG Khoa Vật ly.
EO OS EEE EE OS EEE EEE EEE EEE EEE EEE EE EEE OREO EEE mmeemmeeme=emeeeeme Dưới đây chúng ta sẽ xem xét ba loại dịch chuyển mức năng lượng của electron như hình 1.2 Trước Quá tình Sau (b) Eị Bức xạ tự phát : NS hy _—t SE; __* hy _ We g, Bie xã cưỡng bức SÔNG SS es|ee amt Vậtchất Bite xg Hinh 1.2 Tương tác của vệt chất với bite xạ trong các quá trình: (a) Hap thụ; (b)bức xạ tự phát;(c) Bức xạ cảm tứng.2 (a) cho thấy nguyên tử ban đầu ở trạng thái năng lượng thấp E; trong hai trạng thái năng lượng. Chúng ta cũng biết rằng nếu có một phổ bức xạ liên tục có mặt ở đó có năng lượng là : w=E,-E, tương tác với nguyên tử dang xét thi photon sẽ biến mất và nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn. Chúng ta gọi qúa trình quen thuộc này là sự hấp thụ.2 (b) nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và không có một bức xạ nào ở đó. Sau một khoảng thời gian sống trung bình nào đó, nguyên tử tự động rơi xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và qúa trình đó phát ra một photon có năng lượng hy, chúng ta thường gọi qúa trình này là sự bức xạ tự phát, vì nó không xãy ra đưới sự tác động của bên ngoài.
Anh sáng phát ra từ dây tóc phát nóng của bóng đèn điện thông thường chính là được phát ra bằng cách này. Thông thường thời gian sống trung bình của các nguyên tử bị kích thích trước khi xãy ra bức xạ tự phát vào cỡ 10%, tuy nhiên một số trạng thái có thời gian sống trung bình lâu hơn, cỡ 107s chúng ta gọi là trạng thái siêu bển, chúng đóng vai trò căn bản trong sự hoạt động của LASER. SV: HUYNH THỊ PHƯỢNG -6- Trường ĐHSP Tp-HCM LARSER BAN DAN & UNG DUNG Khoa Vat ly. tn nn nn a ns en nt te ren re re ne ee ee ee terre ee wre nn enn nnn ne ene Hình 1.2 (c) nguyên tử dang ở trạng thái năng lượng mức cao, nhưng bây giờ ở đó có mặt một phổ liên tục của bức xạ kích thích.
Cũng như trong sự hấp thụ photon có năng lượng Av (được cho bởi biểu thức Av=E,—E£,) sẽ tương tác với nguyên tử. Kết quả là nguyên tử sẽ chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra một photon, đây là bức xạ cảm ứng. Photon được phát xạ trong hình 1.2 (c ) hoàn toàn đồng nhất với photon kích thích, nó có cùng năng lượng, cùng tẩn số, cùng pha. Chúng ta có thể dễ dang hình dung một bức xạ cảm ứng như vậy sẽ kích thích một phản ứng dây chuyển các qúa trình tương ứng.
Anh sáng LASER được tạo ra bằng cách này gồm các bức xạ cảm ứng. Với một số lượng lớn các nguyên tử ở trạng thái cân bằng, ở một nhiệt độ T nào đó, ta có thể đặt câu hỏi có bao nhiêu nguyên tử ở mức năng lượng E, và bao nhiêu nguyên tử ở mức năng lượng E2? Boltzmann đã chứng tỏ rằng số n, các nguyên tử ở mức năng lượng E, được cho bởi biểu thức: L7 n,=Ce® (13) Trong đó C là một hằng số, Dé thấy điểu này là hợp lý, ta biết rằng kT là năng lượng chuyển động nhiệt trung bình của một nguyên tử ở nhiệt độ T, chúng ta thấy rằng nếu nhiệt độ càng cao, thì càng có nhiều nguyên tử (n„ càng lớn). Nếu chúng ta áp dụng phương trình (1.3) cho hai mức năng lượng của hình (1.2 ) và chia cho nhau,hằng số C sẽ bị triệt tiêu và ta âm được tỉ số của số lượng nguyên tử nạ ở mức năng lượng E¿ và số nguyên tử n¡ ở mức năng lượng E; như sau: % oF n, Hình (1.3 a) minh họa điều đó, vi E; > E; nên tỉ số sẽ luôn nhỏ hơn I, nghĩa là ở mức năng lượng cao luôn luôn có số nguyên tử ít hơn so với số nguyên tử ở mức năng lượng thấp. Diéu này lại cũng là hợp lý nếu độ cư trú của mức năng lượng chỉ được xác định bởi tác dụng của chuyển động nhiệt.
—*" _Ïl; seeesees E; ganeesesF, sẽ, E, (a) (b) Hinh 1.3 (a) Phân bổ cân bằng nhiệt của các nguyên từ giữa hai trang thái do chuyển động nhiệt. SV: HUYNH THỊ PHƯỢNG “Fe Trường ĐHSP Tp-HCM LARSER BAN DAN & UNG DẠNG Khoa Vat ly. (b) Độ cư tra ddo ngược nhận được nhờ các kỹ thuật đặc biệt gọi là bom quang học. Nếu như chúng ta chiếu tới tấp các photon có năng lượng (E¿ -E¡) đến các nguyên tử trong hình (1.3a), thì các photon sẽ biến mất do quá trình hấp thụ và sẽ được phát xạ do hai quá trình bức xạ.
Tuy nhiên, phần lớn sẽ là sự hấp thụ. Để tạo ra LASER, chúng ta cin phải phát ra các photon chứ không phải hấp thụ chúng. Như vậy, cách bố trí trên hình (1.3a) là không hoạt động được. Để phát ra tia LASER, chúng ta phải có bức xạ cảm ứng chiếm ưu thế.
Ta phải làm thế nào để số nguyên tử ở mức năng lượng cao, lớn hơn số nguyên tử ở mức năng lượng thấp như được cho trên hình (1. Sự đảo ngược độ cưtrú như thế không phù hợp với sự cần bằng nhiệt bình thường. Nguyên tắc hoạt động của LASER: Các nguyên tử khi nhận được năng lượng từ bên ngoài thì các electron trong nguyên tử sẽ nhảy lên các mức năng lượng cao hơn và sống tạm ở mức năng lượng mới này, sau đó các electron rơi trở vé mức năng lượng cũ và phát ra ánh sáng. * Kích thích.
Phát xa ngẩu nhiên, phát xạ kích thích: % Kích thích: Xét một bình chứa các nguyên tử khí cùng loại, một số ở mức năng lyượng E¡, một số ở mức năng lượng E;(E¿ > E;). Số hạt ở hai mức đó lần lượt là n; và nạ Một nguyên tử có mức năng lượng E; nếu nhận một photon có năng lượng Av đúng bằng: E,-E; = hy thì số nguyên tử hấp thụ photon này có năng lượng: E¿= E; + Av , có nghĩa là nguyên tử bị kích thích. Vậy số hạt từ mức năng lượng BE, lên B; trong khoảng thời gian t —> t + dt là: - dn = B; ø njdt (1.4) Với ø : mật độ bức xạ kích (năng lượng của số photon chiếu tới trong một đơn vị thời gian) và B là xác xuất hấp thụ. Ta nhận thấy dn;< 0 nên biểu thức (1.
Ea nạ E; a [] m kích thích Hình 1.4 SV: HUỲNH THỊ PHƯỢNG -&- Trường ĐHSP Tp-HCM LARSER BAN DAN & UNG DUNG Khoa Vật lý. Một hạt ở mức năng lượng E¿ ngẫu nhiên rơi trở vé mức E; (E¿ > E)) vì E¿ là mức năng lượng kém bén hơn E;.