Laser và laser thay đổi bước sóng

- Muốn có như vậy thì chúng ta phải tạo ra một công nghệ cao, tiên tiến thì mới có thể đáp ứng được.
- Laser một khái niệm có thể rất gần với tất cả mọi người.
- Để trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài : “Sơ lược Laser và Laser bước sóng thay đổi”.
- Nội dung nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu.
- Đề tài chỉ tập chung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của Laser và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của Laser.
- Người ta nhớ rằng vào năm 1916, Enstein đã nêu lên thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn song điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chum tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon phát ra sẽ có cùng một bước song”.
- Cũng vào thời điểm này, ở Liên Xô hai nhà bác học là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov cũng đã phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như đều cùng một dạng nguyên lý: Tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn hai mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất..
- Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694micromet.
- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser.
- Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.
- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser.
- Mặt khác buồng cộng hưởng có hai mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon bay tới, còn mặt kia cho một phần photon qua phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn.
- Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở hai trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài.
- Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa(ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon.
- Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức thấp hơn và phát ra photon.
- Từ thời gian phát xạ của nguyên tử, Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới là phát xạ cưỡng bức..
- Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng trên một năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến.
- Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ.
- Vẫn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức.
- Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng.
- Dưới điều kiện bình thường, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến.
- Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác..
- Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng hấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ.
- Miễn là số nguyên tử ở trạng thái cao nhiều hơn các mức ở trạng thái thấp, thì phát xạ cưỡng bức sẽ bị lấn át và thu được dòng thác photon.
- Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, quá trình cứ tiếp diễn làm cho các dòng thác photon tăng lên.
- Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại.
- Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản là: Hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp.
- Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không còn và laser ngừng hoạt động..
- Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt.
- Ánh sáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn.
- Như đã nói ở trên, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát xạ tự phát.
- Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano giây, trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kich thích bởi các photon khác.
- Do vậy , mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn(trạng thái bền).
- Với thời gian sống trong trạng thái này các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức..
- Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánh sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tường tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng.
- a.Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt: Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng 633nm có năng lượng hγ = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:.
- Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực.
- Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích A).
- Chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối:.
- Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn.
- Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công thức..
- Ở vùng bước sóng đỏ sẽ có .
- Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian).
- Hiện nay, phần lớn các Viện đo lường quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodine bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét.
- Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiều nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau.
- Giả sử bức xạ laser có tần số ω0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning).
- Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử có vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch.
- Khi ω = ω0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi.
- Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước song ngắn nằm trong khoảng 193nm đến 10,6μm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục..
- Như vậy, laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10-8W/cm2.
- Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dung laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc độ cũng như độ chính xác rất cao..
- và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80.105 kênh truyền cùng một lúc và gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng cực ngắn.
- Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến.
- Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng lượng cần dung.
- Và nếu sử dụng các bước sóng thích hợp có thể truyền tin ở các môi trường khác nhau như trong sương mù, ở dưới biển.
- Trong nghiên cứu vũ trụ: Tia laser được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như.
- Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học: *Nghiên cứu về Quang học phi tuyến:.
- E là cường độ điện trường Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực như sau: P = Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và chúng dẫn đến những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu ứng quang phi tuyến.
- Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới là ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này.
- Chỉ từ khi có laser, người ta đã sử dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lí và quang học kĩ thuật..
- Đây là một đặc tính quan trọng của Holography để có thể có được nhiều bản sao chép của vật , dễ bảo quản và nhân lên.
- Do holography có hình khối nên nó có thể ghi lại tín hiệu từ các vật khác nhau trên các vùng khác nhau, nghĩa là có thể cùng một lúc giữ lại nhiều thông tin.
- Nếu người ta ghi lại một lượng thông tin lớn ở một yếu tố thể tích của holography thì nó có thể trở thành bộ nhớ tốt nhất cho máy tính.
- Khi sử dụng các loại ánh sáng khác nhau để ghi lại Holoraphy thì khi phục hồi bằng ánh sáng trắng ta có thể thấy được hình ảnh màu của vật.
- Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta có thể sả dụng mẫu để kiểm tra sản phẩm như lốp ô tô khi so sánh với một lốp chuẩn xem có sai hỏng gì không.
- Nhờ phương pháp này người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối của các sinh vật nhỏ khi chúng đang chuyển động hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi chúng đang chuyển động để có thể nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các vât trên theo những mục đích nghiên cứu khác nhau.
- *Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch: Do tia laser có tính chất là công suất cao, ở chế độ phát xung có thể đạt được công suất cỡ W nên khi bắn tia laser vào vật chất có thể tạo ra được plasma ở nhiệt độ cao.
- *Nghiên cứu sinh hóa hiện đại:.
- Tuy nhiên, do các đồng vị có năng lượng liên kết hóa học sai khác nhau ít nên chỉ có nhờ tia laser có độ đơn sắc cao mới dễ dàng phá hủy liên kết nào đó khi có sự tương tác cộng hưởng.
- Năng lượng bức xạ laser hf sẽ phá hủy chỉ liên kết nào tương ứng với năng lượng này mà không ảnh hưởng đến các loại dao động với tần số f1, f2, f3,…khác rất ít f.
- Cũng chính nhờ có laser mà các nhà khoa học còn có thể nghiên cứu được phản ứng ở trạng thái kích thích.Ngoài những ứng dụng trên laser còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa.
- 5.Laser bước sóng thay đổi.
- Thay đổi bước sóng bằng buồng cộng hưởng lọc lựa..
- Có ba loại buồng cộng hưởng lọc lựa chủ yếu, phụ thuộc vào linh kiện quang : buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính, buồng cộng hưởng kèm bản song song và buồng cộng hưởng sử dụng các cách tử.
- *Buồng cộng hưởng lăng kính..
- Buồng cộng hưởng này bao gồm một gương ra, một gương phản xạ 100% và một lăng kính đặt xen giữa hai gương.
- Các tia sáng khi đi qua buồng cộng hưởng sau khi đi qua lăng kính bị khúc xạ và vuông góc với gương quay 100% sẽ bị phản xạ theo lộ cũ.
- Vì vậy, bước sóng đó phát ra laser có bước sóng đã lựa chọn..
- Khi quay gương 100% sẽ thay đổi góc tạo bởi tia khúc xạ với mặt phẳng gương và các tia khác nhau với các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại và phát ra khỏi buồng cộng hưởng.
- *Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử..
- Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử(Littrov) được cấu tạo bởi một gương ra và một cách tử.
- Các tia sáng ứng với bước sóng λ nằm trong phổ phát xạ của hoạt chất sẽ đi tới cách tử.
- Trên cách tử các tia sáng ứng với các bước sóng nhau sẽ bị nhiễu xạ theo các góc khác nhau so với pháp tuyến của cách tử.Một số bước sóng đó nằm trong phổ phát xạ của hoạt chất sẽ bị nhiễu xạ theo góc trùng với góc tạo bởi trục quang của buồng cộng hưởng và được khuếch đại.
- Như vậy, các tia laser có bước khác nhau trong vùng phổ phát xạ của hoạt chất sẽ được lần lượt phát ra khỏi buồng cộng hưởng khi ta quay cách tử quanh trục của nó..
- Một tia sáng có bước sóng λ chiếu vào cách tử dưới góc α so với pháp tuyến của mặt cách tử thì sẽ bị phản xạ trên mặt cách tử và đi ra đổi hướng theo góc khác β.
- Đối với buồng cộng hưởng cách tử ta sử dụng trường hợp khi α = β, tức là khi tia tán xạ ngược chiều với tia tới.
- Như vậy trong trường hợp này phương trình trên trở thành : 2dsinα = mλ Như vậy với một cách tử có tham số đặc trưng d xác định, thì chỉ có bước sóng nào có bước sóng thoả mãn phương trình trên mới khuếch đại trong buồng cộng hưởng.
- Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ..
- Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi mật độ cư trú mức laser dưới..
- Đối với hoạt chất lỏng và rắn thì phân bố mật độ cư trú của các mức năng lượng tuân theo định luật Maxwell – Boltzmann.
- Trong đó : Ni, Ei là mật độ cư trú và năng lượng mức i, N0, và E0 là mật độ cư trú và năng lượng mức cơ bản, T là nhiệt độ tuyệt đối của môi trường.
- *Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi năng lượng vùng cấm.
- Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiết suất là một ứng dụng nhằm thay đổi bước sóng phát trong máy phát thông số quang học.
- c.Thay đổi bước sóng bằng hiệu ứng quang phi tuyến.
- Thay đổi bước sóng quang học bằng hiệu ứng quang học phi tuyến được đề suất khi laser ra đời.
- Khi độ cảm phụ thuộc vào cường độ điện trường, phương trình vật chất trên có thể viết lại như sau.
- Vậy, trong phần này chúng ta đã nghiên cứu về các phương pháp thay đổi bước sóng laser.
- Dựa vào các phương pháp này nhiều chùm laser có bước sóng khác nhau, hoặc thay đổi liên tục, hoặc không liên tục được thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng trong thực tế..
- 2.Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi và dụng – NXB ĐH QG Hà Nội