Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh Nguyễn văn thìn Thiết kế và lắp đặt hệ laser màu mini bơm bằng laser rắn Luận văn thạc sĩ vật lý CHUYêN NGàNH: quang học Mã Số: 62.44.11.01 Ngi hng dn khoa hc PGS.TS.NGT. INH XUN KHOA Vinh - 2010 LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận văn này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS.NGƯT. Đinh Xuân Khoa, người đã định hướng và chỉ dẫn tận tình cho tác giả trong suốt thời gian học tập và viết luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Huy Công, TS. Nguyễn Huy Bằng, PGS.TS. Hồ Quang Quý, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý và khoa Sau Đại học Trường Đại học Vinh, cùng các thầy cô giáo khác đã giảng dạy và đã có những giúp đỡ, chỉ dẫn cụ thể cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, đó là tất cả để cho tác giả có được những bước đầu nghiên cứu khoa học. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Sở GD&ĐT Nghệ An, trường THPT Quỳnh Lưu 3, cùng các đồng nghiệp đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân yêu đã luôn động viên và chia sẽ vui buồn cùng tác giả trong suốt thời gian học tập. Vinh, ngày 25 tháng 11 năm 2010 Tác giả Nguyễn Văn Thìn MỤC LỤC Trang Mở đầu 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LASER 3 1.1. Cơ sở lý thuyết laser . 3 1.1.1. Hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức 3 1.1.2. Môi trường đảo lộn độ cư trú và điều kiện làm việc của laser 5 1.1.3. Các chế độ làm việc của laser 6 1.1.4. Cấu tạo máy phát laser . 10 1.2. Các loại laser . 12 1.2.1. Laser rắn . 12 1.2.2. Laser bán dẫn . 14 1.2.3. Laser khí . 16 1.2.4. Laser màu . 17 Kết luận chương 1 . 19 Chương 2: LASER MÀU 20 2.1. Chất màu . 20 2.1.1. Cấu trúc của chất màu . 20 2.1.2. Cấu trúc năng lượng và các dịch chuyển quang học 21 2.1.3. Đặc trưng của quang phổ chất màu 23 2.2. Laser màu 24 2.2.1. Điều kiện và nguyên tắc hoạt động 24 2.2.2. Các loại buồng cộng hưởng đơn giản . 27 2.2.3. Các cấu hình bơm 30 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ phát xạ của laser màu . 32 Kết luận chương 2 . 35 Chương 3. THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ LASER MÀU BƠM BẰNG LASER RẮN . 36 3.1. Thiết kế 36 3.1.1. Sơ đồ quang học của hệ laser 36 3.1.2. Đặc trưng của nguồn bơm . 36 3.1.3. Buồng cộng hưởng . 38 3.1.4. Hệ chứa và luân chuyển chất màu 40 3.2. Lắp đặt và điều chỉnh . 41 3.2.1. Lắp đặt 41 3.2.2. Điều chỉnh 42 3.3. Đo đạc 43 3.3.1. Các thông số kỹ thuật . 43 3.3.2. Đo các thông số của chùm laser 44 Kết luận chương 3 . 45 KẾT LUẬN CHUNG 46 Tài liệu tham khảo . 47 Phụ lục . 48 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Laser là một trong những phát minh vĩ đại của loài người trong thế kỷ XX, đây là một phát minh mà rất nhiều nhà khoa học đương thời thực sự quan tâm nghiên cứu nhằm hoàn thiện và phát triển nó để phục vụ nhu cầu của loài người. Sau 50 năm phát triển, đã có nhiều loại laser ra đời. Ngày nay, công nghệ chế tạo laser ngày càng hiện đại, kinh tế và có nhiều bước tiến mới[6]. Laser màu (Dye laser) với hoạt chất là các chất màu hữu cơ, nó mang đầy đủ các tính chất của nguồn sáng laser bình thường như tính đơn sắc, tính kết hợp, tính định hướng và mật độ phổ năng lượng cao. Ngoài ra laser màu còn là một trong những laser thay đổi được bước sóng trong một vùng phổ rộng, mỗi chất màu cho phép phát laser trên băng rộng đến khoảng vài ba trăm Å, vì hàng trăm chất màu có khả năng phát laser nên laser màu có thể phát ở bất kỳ bước sóng nào khoảng từ 320nm đến 1200nm, laser màu có thể hoạt động ở chế độ xung hoặc liên tục. Các nhà khoa học vật lý đã nghiên cứu và xây dựng thành công nhiều hệ laser màu khác nhau hoạt động trên hàng trăm chất màu hữu cơ khác nhau, trong đó có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, đặc biệt là buồng cộng hưởng lọc lựa để điều chỉnh bước sóng phát cho laser màu. Laser màu hiện nay được nghiên cứu nhiều nhằm chế tạo phục vụ con người trong nhiều lĩnh vực mà đặc biệt là trong các lĩnh vực như: Quang học và quang phổ, quân sự, y học, giải trí, công nghệ thông tin,…[2]. Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo laser nói chung và laser màu nói riêng luôn luôn là nhu cầu thực tiễn có tính khoa học ứng dụng cao. Ở Việt Nam laser màu bắt đầu được nghiên cứu từ cuối những năm 70 và kết quả thu được là rất khả quan, xây dựng những hệ laser màu bơm bằng các laser khác như (laser Nitơ, laser Nd:YAG, .) là hoàn toàn có thể tiến hành được trong điều kiện nước ta hiện nay. Vì vậy, luận văn thạc sĩ này chúng tôi lựa chọn đề tài “Thiết kế và lắp đặt hệ laser màu mini bơm bằng laser rắn” nhằm vận dụng lý thuyết về xây dựng một hệ laser để lắp đặt được một hệ laser màu bơm bằng laser rắn ở phòng thí nghiệm ở Trường Đại học Vinh. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương. Chương 1. Nội dung của chương này chúng tôi trình bày về cơ sở lý thuyết laser, chúng tôi tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của laser nói chung, đồng thời tìm hiểu sơ lược về các loại laser. Chương 2. Trong chương này chúng tôi tìm hiểu về tổng quan chất màu và laser màu. Nội dung chủ yếu tìm hiểu về cấu trúc năng lượng của chất màu, quang phổ của chất màu, các cấu trúc buồng cộng hưởng đơn giản dùng phù hợp cho laser màu và các cấu hình bơm cho laser màu, những yếu tố ảnh hưởng đến phổ phát xạ của laser màu. Nội dung của hai chương đầu là cơ sở lý thuyết để thiết kế và lắp ráp một hệ laser màu. Chương 3. Nội dung của chương này chúng tôi trình bày thiết kế và lắp đặt một hệ laser màu có kích thước nhỏ, chiều dài buồng cộng hưởng khoảng từ 6cm đến 10cm. Trình bày nguyên tắc điều chỉnh để hệ laser hoạt động. Đo đạc thực nghiệm các thông số phát của laser. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các hệ laser và laser màu. - Chế tạo, lắp ráp được laser màu có buồng cộng hưởng đơn giản. - Đo đạc năng lượng phát và vùng bước sóng của laser màu thu được 3. Nội dung nghiên cứu - Cơ sở laser và các loại laser. - Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser màu. - Lắp ráp, điều chỉnh, đo các thông số của hệ laser màu có buồng cộng hưởng đơn giản. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết (các tài liệu là sách, các bài báo khoa học, luận văn liên quan đến nội dung của đề tài luận văn). - Thực nghiệm (lắp ráp, điều chỉnh, đo đạc). - So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1. Cơ sở lý thuyết laser 1.1.1. Hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức Chúng ta xét một tập hợp các nguyên tử, giả sử rằng nguyên tử có hai trạng thái năng lượng là trạng thái cơ bản 1 và trạng thái kích thích 2 tương ứng các mức năng lượng 1 E và 2 E , mật độ cư trú trên các mức đó là 1 N và 2 N . Theo định luận phân bố Boltzmann ta có: 1 2 1 0 2 0 E E kT kT N N e N N e − − = > = (1.1) Theo Einstein, khi chiếu một chùm photon có năng lượng 2 1 h E E ν = − vào tập hợp các nguyên tử nói trên thì sẽ có các quá trình sau xảy ra: Quá trình hấp thụ: Bình thường nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản E 1 , nếu nguyên tử nhận năng lượng của một photon có độ lớn 2 1 h E E ν = − từ một photon chiếu tới thì nguyên tử nhảy lên trạng thái E 2 có mức năng lượng cao hơn, kết quả là có sự truyền năng lượng bức xạ từ photon cho nguyên tử. Xác suất hấp thụ trên một đơn vị thời gian được tính: 12 ht dP B dt ρ = (1.2) Trong đó 12 B gọi là hệ số Einstein của chuyển dịch hấp thụ. Xác suất chuyển dịch hấp thụ của nguyên tử tỉ lệ thuận với mật độ photon, nói một cách khác là mật độ photon tương tác càng lớn thì khả năng dịch chuyển lên trạng thái trên của các nguyên tử càng cao. 21 hv E 1 E 2 Hình 1.1 Nguyên tử hấp thụ năng lượng và chuyển lên mức năng lượng cao hơn. B 12 Quá trình phát xạ tự phát: Nguyên tử khi ở trạng thái bị kích thích E 2 thì không bền, nó sẽ có xu hướng tự bức xạ một photon có năng lượng 2 1 h E E ν = − và trở về trạng thái cơ bản E 1 , photon bức xạ theo phương bất kỳ và với một pha ngẫu nhiên. Xác suất dịch chuyển tự phát được tính: 21 tp dP A dt = (1.3) Trong đó 21 A là hệ số Einstein của dịch chuyển tự phát. Quá trình phát xạ cưỡng bức: Einstein cho rằng, ngoài phát xạ tự phát nói trên thì khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các nguyên tử đang có xu hướng chuyển từ mức năng lượng E 2 về mức năng lượng E 1 sẽ bị cưỡng bức đồng loạt phát xạ photon và chuyển mức năng lượng từ E 2 về mức năng lượng E 1 bởi photon ánh sáng kích thích. Xác suất dịch chuyển cưỡng bức được xác định như sau. 21 cb dP B dt ρ = (1.4) Trong đó 21 B là hệ số Einstein của chuyển dịch cưỡng bức[6]. Loại phát xạ cưỡng bức này có hai tính chất rất quan trọng sau đây: 21 hv E 1 E 2 Hình 1.2 Nguyên tử tự động chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát xạ năng lượng. A 12 21 hv E 1 E 2 Hình 1.3 Nguyên tử phát xạ cưỡng bức dưới tác động của trường ngoài. B 21 21 hv 21 hv - Photon được bức xạ theo phương của photon kích thích. - Véc tơ sóng kết hợp cùng pha với véc tơ sóng kích thích. Theo Einstein thì trong trạng thái cân bằng nhiệt động số photon bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau và tìm ra được mối quan hệ: 3 21 21 12 3 8 A c B B h π ν ≈ = (1.5) 1.1.2. Môi trường đảo lộn độ cư trú và điều kiện làm việc của laser Để một laser hoạt động chúng ta cần có môi trường tạo được sự đảo lộn độ cư trú, hay còn gọi là môi trường khuếch đại. Môi trường khuếch đại có mật độ cư trú trên mức kích thích lớn hơn trên mức cơ bản, nghĩa là N 2 >N 1 . Trong điều kiện nhiệt độ bình thường, mật độ cư trú trên mức cơ bản luôn lớn hơn trên mức kích thích, nghĩa là N 1 >N 2 . Để tạo được trạng thái đảo lộn độ cư trú người ta sử dụng cách cung cấp cho nguyên tử năng lượng ngoài (gọi là bơm), các nguyên tử khi hấp thụ được năng lượng của trường ngoài sẽ từ trạng thái cơ bản chuyển lên trạng thái kích thích và ở lại đó một thời gian, khi đó chúng ta thu được môi trường đảo lộn mật độ cư trú. Ta giả sử môi trường hoạt chất là đồng nhất và xét ánh sáng đi qua một lớp mỏng dx của môi trường. Để đơn giản ta coi nguyên tử trong hoạt chất chỉ hai mức năng lượng là E 1 và E 2 , chúng ta chỉ xét tác dụng của các bức xạ theo phương Ox vuông góc với hai gương, các bức xạ theo phương khác không được tăng cường nên có thể bỏ qua. Sự biến thiên công suất khi đi qua lớp hoạt chất có độ dày dx là dP được tính: ' dP P P= − dx x=0 x=L x Hình 1.4 Sự khuếch đại ánh sáng qua môi trường hoạt.