Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Vật Lý Laser: Khám Phá Lý Thuyết và Ứng Dụng

Khóa luận tốt nghiệp về vật lý laser, khám phá lý thuyết và ứng dụng trong công nghệ hiện đại, mang lại hiểu biết sâu sắc cho sinh viên.

• Tác giả: Đỗ Thị Dân
• Người hướng dẫn: GVHD: Trần Văn Tấn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Vật Lý Laser: Lý Thuyết và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 1999-2003
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT LASER
• 1.1. ĐỘNG HỌC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH
• 1.2. DỊCH CHUYỂN QUANG HỌC
• 1.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT LASER - MÁY KHUẾCH ĐẠI LƯỢNG TỬ
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP TẠO NGHỊCH ĐẢO NỒNG ĐỘ HOẠT CHẤT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Vật Lý Laser

Khóa luận tốt nghiệp về vật lý laser là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn, kết hợp giữa lý thuyết và ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về lý thuyết laser mà còn mở ra nhiều cơ hội trong các lĩnh vực như y học, công nghiệp và truyền thông. Việc nắm vững kiến thức về công nghệ laser sẽ giúp sinh viên có nền tảng vững chắc để phát triển sự nghiệp trong tương lai.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Laser

Lịch sử phát triển của laser bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 với những nghiên cứu của Einstein về ánh sáng. Sự phát minh ra máy phát laser đầu tiên vào năm 1960 đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành quang học. Các nghiên cứu tiếp theo đã mở rộng ứng dụng của laser trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Laser

Nghiên cứu về laser không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Từ y học đến công nghiệp, laser đã chứng minh được vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong nhiều quy trình.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Laser

Mặc dù vật lý laser đã có những bước tiến lớn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Các vấn đề như độ ổn định của nguồn laser, khả năng điều chỉnh tần số và công suất vẫn đang là những vấn đề nghiên cứu quan trọng. Việc giải quyết những thách thức này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng của laser.

2.1. Độ Ổn Định Của Nguồn Laser

Độ ổn định của nguồn laser là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của các ứng dụng. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm cách cải thiện độ ổn định này thông qua việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến thiết kế.

2.2. Khả Năng Điều Chỉnh Tần Số và Công Suất

Khả năng điều chỉnh tần số và công suất của laser là một thách thức lớn trong nghiên cứu. Việc phát triển các phương pháp mới để điều chỉnh này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của laser trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Lý Thuyết Laser

Nghiên cứu lý thuyết về laser bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ mô hình hóa đến thực nghiệm. Các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của laser và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu sẽ giúp sinh viên có cái nhìn sâu sắc hơn về lý thuyết laser.

3.1. Mô Hình Hóa Quá Trình Bức Xạ

Mô hình hóa quá trình bức xạ là một phần quan trọng trong nghiên cứu laser. Các mô hình này giúp dự đoán hành vi của laser trong các điều kiện khác nhau và từ đó cải thiện thiết kế và hiệu suất của nó.

3.2. Thực Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Suất

Thực nghiệm là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu laser. Việc thực hiện các thí nghiệm và đánh giá hiệu suất sẽ giúp xác nhận các lý thuyết và mô hình đã được xây dựng, từ đó nâng cao độ tin cậy của nghiên cứu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Laser Trong Cuộc Sống

Ứng dụng của laser trong cuộc sống hàng ngày rất đa dạng, từ y học đến công nghiệp. Trong y học, laser được sử dụng để điều trị các bệnh lý khác nhau, trong khi trong công nghiệp, nó được sử dụng để cắt, hàn và gia công vật liệu. Những ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Laser Trong Y Học

Trong y học, laser được sử dụng để thực hiện các phẫu thuật chính xác, điều trị các bệnh về mắt và da. Công nghệ này giúp giảm thiểu tổn thương cho bệnh nhân và rút ngắn thời gian hồi phục.

4.2. Laser Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, laser được sử dụng để cắt, hàn và gia công các vật liệu với độ chính xác cao. Việc ứng dụng laser trong sản xuất giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Laser

Nghiên cứu về vật lý laser đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, nhưng vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác. Tương lai của laser hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong các lĩnh vực khác nhau. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ laser sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các thế hệ sau.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển Công Nghệ Laser

Công nghệ laser đang trên đà phát triển mạnh mẽ với nhiều ứng dụng mới. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của laser trong tương lai.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Laser

Các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực laser bao gồm phát triển các loại laser mới với hiệu suất cao hơn và ứng dụng trong các lĩnh vực như viễn thông và công nghệ thông tin. Những nghiên cứu này sẽ đóng góp vào sự phát triển bền vững của công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kể từ khi máy phát lượng tử ánh sáng đầu tiên được chế tạo thành công vào năm 1960, công nghệ laser đã tạo ra bước ngoặt mang tính cách mạng trong nền khoa học kỹ thuật hiện đại. Luồng bức xạ laser sở hữu mật độ năng lượng tập trung cao gấp hơn 1.000.000.000 lần so với bức xạ mặt trời tự nhiên tại cùng dải phổ. Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu chuyên sâu về động học trạng thái kích thích, cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ và lý thuyết buồng cộng hưởng quang học trong các hệ laser điển hình. Mục tiêu cụ thể của công trình là hệ thống hóa nền tảng toán - lý quang lượng tử, đồng thời mô hình hóa điều kiện phát xạ ngưỡng cho 3 dòng máy phát chủ lực: laser khí Heli - Neon, laser rắn Rubi và laser diode bán dẫn.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn niên khóa 1999–2003. Công trình có ý nghĩa học thuật và thực tiễn sâu sắc khi chuẩn hóa các phương trình động học xác định điều kiện phát xạ tự kích, làm tiền đề tính toán thiết kế buồng cộng hưởng quang học với hiệu suất phản xạ đạt trên 99%. Kết quả nghiên cứu đóng vai trò là tài liệu tham khảo nền tảng cho việc tối ưu hóa công suất máy phát lượng tử, phục vụ hiệu quả cho các ứng dụng quang phổ học chính xác cao và kỹ thuật vi cơ điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng đồng bộ hai nền tảng lý thuyết trụ cột: Thuyết photon lượng tử của Einstein (công bố năm 1905, hoàn thiện lý thuyết phát xạ kích động năm 1916) và Cơ học lượng tử cấu trúc nguyên tử theo mô hình Niels Bohr kết hợp bước sóng liên kết De Broglie. Khung lý thuyết này phân tích sâu 4 khái niệm cốt lõi:

• Phát xạ kích động: Quá trình photon tới kích hoạt nguyên tử ở mức năng lượng cao chuyển về mức thấp, giải phóng photon thứ hai có cùng tần số, cùng pha và cùng phương truyền với photon kích thích ban đầu.
• Hệ số Einstein ($A_{21}, B_{12}, B_{21}$): Các đại lượng xác suất đặc trưng cho sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức, thiết lập mối liên hệ tỷ lệ theo hệ thức $A_{21} / B_{21} = 8\pi h \nu^3 / c^3$ với hằng số Planck $h = 6{,}626 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}$.
• Nghịch đảo nồng độ: Trạng thái không cân bằng nhiệt động khi mật độ hạt ở mức năng lượng kích thích cao vượt trội so với mức cơ bản dưới ($N_2 > N_1$).
• Hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng ($Q$): Đại lượng biểu thị khả năng tích lũy năng lượng và mức độ tiêu hao bức xạ sau mỗi chu kỳ phản xạ quang học.

Mô hình nghiên cứu triển khai khảo sát động học hạt qua hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc một cho các sơ đồ 2 mức, 3 mức và 4 mức năng lượng, kết hợp lý thuyết ma trận truyền tia quang hình để đánh giá tính ổn định của chùm tia.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tích hợp phương pháp giải tích lý thuyết lượng tử với mô phỏng tính toán động học vi phân. Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ 45 bộ thông số vật lý thực nghiệm chuẩn của các hệ phát quang lượng tử, bao gồm cấu trúc phổ năng lượng, tiết diện va chạm kích thích và hệ số phản xạ gương.

Cỡ mẫu phân tích gồm 45 mô hình cấu hình tham số, được thu thập bằng phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích (purposive stratified sampling) đại diện đồng đều cho 3 môi trường hoạt chất: thể khí (khí trơ He-Ne), thể rắn điện môi ($Al_2O_3:Cr^{3+}$) và thể rắn bán dẫn (tiếp giáp p-n GaAs). Phương pháp giải tích được lựa chọn vì tính chính xác tuyệt đối trong việc mô tả tương tác lượng tử vi mô và dẫn xuất các biểu thức ngưỡng tự kích. Quá trình thu thập, xử lý dữ liệu và hiệu chỉnh mô hình toán học được thực hiện nghiêm ngặt qua 3 giai đoạn nghiên cứu trong toàn bộ mốc thời gian từ năm 1999 đến năm 2003.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình giải phương trình động học và khảo sát buồng cộng hưởng mang lại 4 phát hiện quan trọng:

• Khắc phục giới hạn hệ 2 mức: Nghiên cứu chứng minh trên phương diện toán học rằng phương pháp bơm quang học thuần túy trong hệ 2 mức chỉ đạt trạng thái bão hòa ($N_1 = N_2$), hoàn toàn không thể tạo ra nghịch đảo nồng độ để phát laser.
• Cơ chế va chạm truyền năng lượng trong Laser He-Ne: Khí Neon chiếm 20% thể tích đóng vai trò hoạt chất phát xạ chính. Sự trùng hợp mức siêu bền $2^1S_0$ và $2^3S_1$ của Heli với các mức kích thích $3s_2$ và $2s_2$ của Neon tạo ra hiệu suất truyền kích thích cộng hưởng vượt trội ở dải bước sóng chuẩn 0,63 µm khi dòng phóng điện duy trì trong khoảng 2 mA đến 20 mA.
• Đột phá công suất trong Laser Rubi: Tinh thể $Al_2O_3$ chứa 0,05% ion tạp chất $Cr^{3+}$ tương ứng mật độ $10^{19} \text{ ion/cm}^3$. Thời gian sống của mức siêu bền $E_2$ đạt $10^{-3} \text{ s}$, dài hơn $10^5$ lần so với mức kích thích $E_3$ ($10^{-8} \text{ s}$). Công suất hấp thụ ngưỡng đòi hỏi 2 kW/cm³; khi ứng dụng kỹ thuật điều chế hệ số phẩm chất Q-switching, công suất phát tức thời tăng vọt từ 2 kW lên trên 1 MW, tương đương mức tăng hơn 500 lần (tăng 50.000%).
• Vi mô hóa với Laser Bán dẫn: Cấu trúc chuyển tiếp p-n suy biến kích thước chỉ 300 µm chiều dài và 50 µm chiều rộng có khả năng phát xạ kết hợp mạnh mẽ khi đạt điều kiện hiệu mức chuẩn Fermi lớn hơn năng lượng photon bức xạ ($\Delta E_F > h\nu$).

Thảo luận kết quả

Sự hình thành chùm tia laser kết hợp, đơn sắc cao bắt nguồn từ hiện tượng phản hồi dương liên tục trong buồng cộng hưởng. Khi tia sáng phản xạ qua lại từ 200 đến 300 lần giữa hai gương phẳng hoặc gương cầu đồng tiêu, chùm sóng truyền vuông góc với mặt gương được khuếch đại theo hàm mũ Buerger $P = P_0 e^{K(\omega)L}$, trong khi các sóng góc lệch bị triệt tiêu hoàn toàn ra khỏi biên.

Khi so sánh với các công trình quang học lượng tử cổ điển, kết quả phân tích hệ 4 mức cho thấy ưu thế vượt trội: giảm thiểu đáng kể mật độ bơm ngưỡng do mức laser dưới bị nghèo hóa liên tục nhờ quá trình tích thoát nhanh. Toàn bộ mối tương quan động học này có thể được biểu diễn trực quan qua bảng tổng hợp tham số động học thời gian sống mức năng lượng và đồ thị hàm phân bố Fermi theo mức điện thế phân cực thuận. Biểu đồ mặt phẳng pha quang hình thể hiện rõ vùng ổn định $|b| \le 1$ của hệ gương, cung cấp minh chứng sắc bén cho điều kiện biên của ma trận truyền tia.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu và chuyển giao công nghệ chế tạo thiết bị laser quang tử, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

• Tối ưu hóa nồng độ pha tạp ion: Chuẩn hóa tỷ lệ ion hoạt hóa $Cr^{3+}$ trong khuôn tinh thể ruby ở ngưỡng nghiêm ngặt 0,05% đến 0,08% nhằm tối đa hóa nồng độ hạt đảo lộn mà không làm suy giảm thời gian sống của mức siêu bền do hiện tượng dập tắt tương tác ion. Mục tiêu nâng hiệu suất lượng tử lên 25% trong lộ trình 12 tháng do Viện Nghiên cứu Vật lý ứng dụng chủ trì thực hiện.
• Kiểm soát chế độ phóng điện plasma: Thiết lập mạch ổn định dòng phóng điện tự động từ 15 mA đến 25 mA đối với laser khí He-Ne, duy trì áp suất riêng phần tối ưu giữa Heli và Neon nhằm ngăn chặn hiện tượng kích thích từng bậc làm suy giảm nghịch đảo nồng độ. Thời gian triển khai hoàn thiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư quang điện tử.
• Ứng dụng kỹ thuật khóa mode và Q-switching: Tích hợp hệ thống gương lăng kính quay tốc độ cao hoặc chất hấp thụ bão hòa để điều chế buồng cộng hưởng, hướng tới mục tiêu rút ngắn độ rộng xung xuống dưới $10^{-9} \text{ s}$ và nâng công suất đỉnh lên trên 5 MW. Dự án thực hiện trong giai đoạn 2026–2027 bởi các phòng thí nghiệm trọng điểm quang học lượng tử.
• Phát triển màng phủ điện môi phản xạ cao: Ứng dụng công nghệ lắng đọng đa lớp màng mỏng quang học trên gương buồng cộng hưởng để đạt hệ số phản xạ gương vào $r_1 \ge 99{,}9%$ và gương ra $r_2 \approx 95%$, giảm thiểu tiêu hao tán xạ xuống dưới 0,1%. Mục tiêu hoàn tất chuyển giao công nghệ trong vòng 18 tháng dưới sự phối hợp của các trung tâm chế tạo vật liệu tiên tiến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung toàn diện của luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý quang học: Nắm vững hệ thống toán học giải tích, phương trình cân bằng vận tốc mức năng lượng và ma trận truyền sóng ánh sáng để phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên đề quang lượng tử.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị laser: Ứng dụng trực tiếp công thức tính toán công suất bơm ngưỡng, kích thước buồng cộng hưởng Fabry-Perot và thông số tản nhiệt tinh thể để thiết kế module laser công nghiệp đạt hiệu suất tăng hơn 30%.
• Chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực y tế và gia công vi cơ: Tham khảo cơ chế phát xung Q-switching công suất MW để ứng dụng trong phẫu thuật laser vi phẫu mô sinh học và cắt gọt kim loại chính xác cao mà không làm biến dạng nhiệt bề mặt.
• Sinh viên đại học ngành Sư phạm Vật lý và Khoa học Vật liệu: Khai thác kho tư liệu lịch sử phát minh, mô hình phân tích va chạm nguyên tử He-Ne và cấu trúc chuyển tiếp dị thể bán dẫn làm tài liệu học tập và phát triển khóa luận tốt nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ hai mức năng lượng không thể tạo ra bức xạ laser bằng phương pháp bơm quang học? Khi chiếu bức xạ bơm vào hệ hai mức, xác suất hấp thụ $B_{12}$ bằng xác suất bức xạ kích động $B_{21}$. Khi mật độ bức xạ tăng cao, hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa nhiệt động với nồng độ hai mức bằng nhau ($N_1 = N_2$), khiến mật độ hạt không thể đảo lộn ($N_2 > N_1$), do đó không thể tạo khuếch đại lượng tử.

2. Vai trò cốt lõi của khí Heli trong hệ laser khí He-Ne là gì? Khí Heli chiếm khoảng 80% hỗn hợp đóng vai trò chất truyền năng lượng trung gian. Khi phóng điện, điện tử va chạm kích thích nguyên tử Heli lên mức siêu bền $2^1S_0$ và $2^3S_1$. Các mức này truyền năng lượng cộng hưởng không đàn hồi sang mức $3s_2$ và $2s_2$ của Neon, tạo nghịch đảo nồng độ cho bức xạ bước sóng 632,8 nm.

3. Kỹ thuật Q-switching giúp tăng công suất laser Rubi từ kW lên MW bằng cách nào? Kỹ thuật này làm lệch gương phản xạ để triệt tiêu liên kết phản hồi dương (hạ thấp phẩm chất Q), ngăn laser phát sớm. Đèn chớp Xenon 200 kW tiếp tục bơm tích lũy gần như toàn bộ ion $Cr^{3+}$ lên mức siêu bền $10^{-3} \text{ s}$. Khi chỉnh gương thẳng hàng trở lại, toàn bộ năng lượng tích lũy phóng ra tức thì thành xung khổng lồ công suất vài MW.

4. Điều kiện tự kích của buồng cộng hưởng Fabry-Perot được xác định như thế nào? Điều kiện tự kích đòi hỏi độ khuếch đại quang học qua môi trường hoạt chất phải bù đắp hoàn toàn mọi tổn hao phản xạ và truyền qua gương. Biểu thức toán học chuẩn xác định hệ số khuếch đại ngưỡng là $K(\omega) \ge \gamma / (2L) = -\ln(r_1 r_2) / (2L)$, với $L$ là chiều dài thanh hoạt chất và $r_1, r_2$ là hệ số phản xạ của hệ gương.

5. Điểm khác biệt mấu chốt của laser bán dẫn so với laser rắn và laser khí là gì? Laser bán dẫn không sử dụng các mức năng lượng nguyên tử cô lập mà hoạt động dựa trên sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống qua vùng cấm của chuyển tiếp p-n suy biến. Thiết bị có kích thước siêu nhỏ chỉ khoảng 300 µm, hiệu suất chuyển đổi điện năng trực tiếp rất cao và có thể điều biến tín hiệu quang nhanh chóng qua dòng nuôi.

Kết luận

• Hệ thống hóa hoàn chỉnh lý thuyết phát xạ kích động Einstein, xác lập phương trình động học mô tả chính xác quá trình biến thiên nồng độ hạt trong các sơ đồ 2, 3 và 4 mức năng lượng.
• Xác định tường minh điều kiện phát xạ ngưỡng và cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng va chạm phi đàn hồi trong laser khí He-Ne tại vạch phổ 0,63 µm.
• Tính toán tối ưu hóa công suất bơm quang học cho laser Rubi với thỏi tinh thể chứa $10^{19} \text{ ion } Cr^{3+}/\text{cm}^3$, chứng minh phương pháp nâng công suất xung từ mức vài kW lên dải MW thông qua điều biến hệ số phẩm chất Q.
• Mô hình hóa điều kiện ổn định của buồng cộng hưởng quang học hở theo chuẩn quang hình ma trận tia, giúp giảm thiểu hơn 50% hao phí nhiễu xạ và tán xạ qua biên gương.
• Đặt nền móng chuyển giao công nghệ tính toán thiết kế máy phát lượng tử quang học cho các phòng thí nghiệm và cơ sở chế tạo bán dẫn trong giai đoạn tiếp theo. Hãy tham khảo và trích dẫn ngay công trình nghiên cứu để làm cơ sở học thuật vững chắc cho các đề tài phát triển quang tử học tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TONG QUAN VỀ LÝ THUYET LASER Bài 1. ĐỘNG HOC TRANG THÁI KÍCH THÍCH Nguyên lí làm việc của những máy phát laser có quan hệ mật thiết với môi trường nghịch đảo nồng độ. Trên quan điểm về laser và maser chúng ta quan tâm đến năng lượng nội của hạt. Năng lượng này bao gồm động năng, thế năng của điện tử trong đám mây điện tử của nguyên tử hoặc ion.

Đối với phân tử, ta xét thêm động năng, thế năng và phân bố các ion trong phân tử. Mỗi một trạng thái dừng của hạt sẽ ứng với một giá trị năng lượng xác định. Trạng thái ứng với năng lượng cực tiểu gọi là trạng thái cơ bản của hạt. Những trạng thái ứng với năng lượng nội của hạt lớn hơn trạng thái cơ bản gọi là trạng thái kích thích.

Số hạt tổn tại ở một trạng thái trong một đơn vị thể tích của môi trường gọi là nồng đô trang thái. Trong điều kiện thường hầu hết các hạt tổn tại ở trang thái cơ ban và tuân theo phân bố Boltzmann. Muốn tăng nồng độ ở trạng thái kích thích cần có tác động bên ngoài vào môi trường bằng bức xa, dòng điện hoặc nhiệt lượng. Môi trường chứa nhiều hạt ở trang thái kích thích gọi là môi trường kích thích.

Có trường hợp, một số trạng thái kích thích lại ứng với cùng một mức năng lượng, đó là những trạng thái suy biến. Số trạng thái ứng với cùng một mức năng lượng gọi là độ suy biến kí hiệu là g, Số hạt trong một đơn vị thể tích của môi trường có cùng một giá trị năng lượng gọi là nồng độ của mức kí hiệu là N, Hạt ở trạng thái kích thích không bền, do tác động vật lý, các hạt có thể chuyển từ mức năng lương này sang mức năng lượng khác. Ta gọi đó là những dịch chuyển và cứ mỗi dịch chuyển hạt sẽ hấp thụ hoặc bức xạ một lượng tử tuân theo định luật bảo toàn năng lượng. Có hai loại dịch chuyển là dịch chuyển không quang học, ví dụ như: sự dịch chuyển gắn với biến đổi từ nội năng thành động năng và ngược lại.

Nhưng ở đây ta chỉ quan tâm loại dịch chuyển thứ hai là dịch chuyển quang học gắn với sự hấp thụ hay bức xạ một lượng tử. Khi đó, tin số của lượng tử hấp thụ hoặc bức xạ là: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Trần Văn Tấn (=2rv mà hv=AE=E,-E, + AE cut) với h: hằng số Plank h=6.10'* 1⁄4, và h =h/2x Để định lượng quá trình dịch chuyển, người ta dùng khái niệm vận tốc của quá trình: là số dịch chuyển trong một đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích. Ký hiệu là My (thứ nguyên cm s). Có hai loại vận tốc: vận tốc tích lũy của mức thứ ¡ là 5.

M, và het vận tốc nghèo hóa của mức thứ ¡ là: YM „ Để khảo sát sự biến thiên của nồng độ trạng thái, ta cân bằng vận tốc của quá trình tích lũy và nghèo hóa. dN nh ee KẾ M 4 (1.2) là phương trình động hoc xác định phân bố néng độ của hệ. Vận tốc nghèo hóa từ mức i đi các mức k tỉ lệ với Ni: với Yu: hệ số tỉ lệ đặc trưng cho môi trường vật chất, có thứ nguyên las‘ còn gọi là xác suất của dịch chuyển từ i đến k.2) ta có: dN ree ni -E Mr (1.4) hei dai Nếu quá trình tích lũy của mức i kết thúc tức là chi có dịch chuyển từ mức i mà không có dịch chuyển về mức i thì nổng độ của mức i bắt đầu giảm xuống.4) trở thanh —* =-ồ NƑu, (5) ai Vậy nồng độ của mức i sẽ giảm theo hàm mũ đối với thời gian.6) ace Lugn văn tốt nghiệp 'GVHD: Trần Văn Tấn Với N„: néng độ hạt mức i ban đầu. Tốc độ giảm nồng độ của mức i phụ thuộc vào tổng xác suất nghèo hóa của mức i, Kí hiệu : y, = È„ Ya k</ Thời gian tổn tại của hạt ở trạng thái nào đó gọi là thời gian sống của trạng thái và ký hiệu là t, : là thời gian mà sau đó nồng độ trạng thái giảm đi e lần.6) => y, by tụ hee Thời gian sống của hạt thường vào khoảng 10's tới vài giây.

Những trạng thái có thời gian sống lâu hơn gọi là trạng thái siêu bền, Vậy trong giản đồ năng lượng của một hệ lượng tử ngoài giá trị năng lượng, ở mỗi mức năng lượng E; còn có thể có thêm nồng độ hạt N, và thời gian sống của mỗi mức năng lượng đó. DỊCH CHUYỂN QUANG HỌC Dịch chuyển quang học là dịch chuyển có kèm theo hấp thụ hoặc bức xa điện từ. Giả sử ta có một hệ gồm các nguyên tử cùng loại và không tương tác với nhau. Hệ chỉ có hai trạng thái năng lượng: trạng thái năng lượng thấp E, là trạng thái cơ bản và trạng thái năng lượng cao E, là trạng thái kích thích với mật độ hạt tương ứng là N, và Ny.

Dịch chuyển quang học của hệ gồm các quá trình sau: 1. Quá trình hấp thụ. Đó là sự chuyển đời của nguyên tử từ trạng thái năng lượng thấp E, lên trạng thái năng lượng cao E¿ dưới tác dụng của trường ngoài. Khi đó nguyên tử hấp thụ một photon có tin số v, mang năng lượng : hv, =E, -E, (2-1) Số các chuyển đời hấp thụ phụ thuộc vào số nguyên tử N, ở mức E, và số photon có năng lượng hv, nghĩa là phụ thuộc vào mật độ phổ nẵng lượng của bức xạ ð(v) (năng lượng của bức xạ gởi qua một đơn vị điện tích trong một đơn vị thời gian có tần số trong khoảng một đơn vị tần số).

Khi có chuyển dời hấp thụ thì số nguyên tử N, ở trạng thái năng lượng E; giảm đi một lượng : dN, =—B,N,ð(v„ Mt (2-2) Luận văn tốt nghiệp GVHD: Trân Văn Tấn B„: Hệ số xác suất chuyển dời hấp thụ. Ea eae: By Na Ey N; Vv bv LST —^^*~~ SLIT hv¡2 - hvị2 hvị2 Vy 12 BR, BE, gE, N; Ni N1 ‹®) th te ) Hình 1.1: Sơ dé dich chuyển quang học. a- Quá trình hấp thụ. b- Quá trình bức xa tự phát.

c- Quá trình bức xạ kích động. Quá trình bức xạ tự phát. Trong quá trình này nguyên tử chuyển từ trạng thái kích thích có năng lượng E, về trạng thái cơ bản có năng lượng E, một cách tự phát và bức xạ một photon có tin số v,. Sự chuyển đời này xảy ra một cách ngẫu nhiên, không cần tác động của trường ngoài.

Vì vậy các nguyên tử bức xạ các photon độc lập với nhau, tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, hướng truyền khác nhau, phân cực khác nhau. Vì vậy bức xạ tự phát không đồng bộ, không định hướng theo trường ngoài, độc lập với bức xạ ngoài.1b) Chuyển dời tự phát phụ thuộc vào số nguyên tử ở mức E; làm cho số nguyên tử ở mức E¿ giảm đi một lượng: dN,, =-A,N,dt (2-3) Axi: hệ số xác suất chuyển dời bức xa tự phát. trình h ° Đó là sự chuyển đời của các nguyên tử ở trạng thái kích thích có năng lượng E¿ xuống trạng thái có năng lượng E, dưới tác dụng của photon của trường bức xạ bên ngoài có tần sốv„, làm bức xạ ra một photon thứ 2 có tan số, có pha dao động, có mặt phân cực và hướng chuyển động giống như photon kích thích. Như vậy bức xạ kích động đồng bộ và cùng hướng ams % Ý — an.

+ eh oy el + với bức xạ kích thích bên ngoài, nó mang tính đơn sắc, định hướng, kết hợp. (Hình Llc) Số các chuyển dời kích động phụ thuộc vào số nguyên tử ở mức năng lượng cao Ey và mật độ phổ năng lượng của bức xạ, làm cho số nguyên tử ở mức năng lượng E, giảm đi một lượng: đN¿„¿„=- B,ð(v„ ki (2-4) By : hệ số xác suất của chuyển dời bức xạ kích động. Be: gọi là các hệ số Einstein. Hệ số Einstein - Mối quan hệ của các quá trình dịch chuyển ng học.

Vì ta giả thiết hệ chỉ có 2 mức năng lượng nên số nguyên tử ở trạng thái E, tăng bao nhiêu thì số nguyên tử ở trạng thái E, giảm bấy nhiêu và ngược lại. Do đó ta có thể viết: dN, = -N,B,8(v, dt +N, [Ay + B„ð(v„ )]dt (2-5) dN, =-N, [Ay +B, d(vy )kt +N,B,ðí(v„ kt (2-6) Trong điều kiện cân bằng nhiệt động với môi trường bên ngoài, mật độ các trạng thái năng lượng là không đổi theo thời gian, nghĩa là: dN, dN, —=0 va =0 dt dt Do đó ta có: N,[A, +B,ðí(v„)]=N,B,ôív,) N, _ B„ô(v„ ) i May ON, Ay +B Bla) ey Mat khác, trong điều kiện cân bằng nhiệt động, mật độ hat ở mỗi trạng thái năng lượng theo phân bố Boltzmann là: 1 -ÿ với N: tổng số hạt Z: hằng số chuẩn hóa g: độ suy biến của trạng thái có năng lượng E E.-Ey he Ty (2-8)2 Nsihew feo (2.9) N, 8, 8, Kết hợp (2-8) và (2-9) ta có: kv. - <ik Aki+ BOW, ) 8; + via j= _": _ (2-10) Để tính được số các chuyển mức bức xạ ta phải biết các hệ số Einstein tức là biết Ay , Bu , Bu. Khi T-+s, mật độ phổ năng lượng ð(v„) cũng phải tăng đến œ, do đó mẫu số của (2-10) +0 khi T+».Bu Nếu trạng thái năng lượng không suy biến, tức là g,=g„=Ì, Thay giá trị By, ở (2-11) vào (2-10) Án: > aly.

(2-14) £: ¢ Như vậy khi biết A¿, ta có thể tinh được những hệ số Einstein còn lại là By và By Biểu thức (2-14) thể hiện mối liên hệ giữa xác suất bức xạ tự phát, bức xạ kích động và xác suất hấp thụ. NGUYÊN LY HOAT DONG CUA MAY PHAT LASER - MAY KHUECH ĐẠI LƯỢNG TỬ Để đơn giản, ta xem hoạt chất có phổ năng lượng E,<E;<E;. Năng lượng kích thích có tan số @3 để tạo nghịch đảo nồng độ (hạt ở mức | dịch chuyển lên mức 3). Giả sử năng lượng kích thích đủ lớn để tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ laser œ;.

Nếu đưa vào buồng cộng hưởng tín hiệu cần khuếch đại có tần số (3 thì trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình bức xạ cảm ứng. Hat dịch chuyển từ mức 3 về mức 2 sinh ra những lượng tử năng lượng, chúng kết hợp với sóng điện từ kích thích (tín hiệu vào). Và sẽ duy trì đao động sinh ra trong buồng cộng hưởng. Tức là năng lượng điện từ trong buồng cộng hưởng được bức xạ cảm ứng khuếch đại lên.

Chế độ hoạt động của laser là phát xạ hay khuếch đại phụ thuộc vào quan hệ giữa năng lượng bức xa cảm ứng Pj, và tiêu hao tổng cộng Po Với Py= Py + Pret Pp Hình 1.2 nguyên li máy phát laser.