Chng NGUYấN Lí HOT NG CA NGUN SNG LASER 1.1 C s vt lý ca ngun sỏng laser 1.1.1Nguyờn lý bc x súng in t ỏnh sỏng nh sỏng phỏt in t dch chuyn t mc nng lng cao sang mc nng lng thp lp v nguyờn t Nu coi ỏnh sỏng cú tớnh cht ht thỡ cú th mụ t: E=h. -E: nng lng -h: hng s Plng 6,025.10 -34 -: tn s súng ỏnh sỏng Nu coi l súng: . = c -: l bc súng ỏnh sỏng -c: tc ỏnh sỏng Phổ Sóng Điện từ tổng quát Trong đó: sóng ánh sáng từ hồng ngoại đến tử ngoại sóng điện từ ngang phẳng Mô hinh mẫu nguyên tử Cu to lp in t nguyờn t 1s2 2s2 2p6 3s 3p 3d 10 4p 5s2 Vi: - 1,2,3: Ch s lp - s, p,d: th t phõn lp lp -6,10 s in t mi phõn lp 4d10 trng thỏi bỡnh thng s in t ca mt nguyờn t s lp y cỏc lp v t ngoi Cỏc in t lp v ngoi cú th dch chuyn lờn cỏc mc cao hn hoc ngc li gi l cỏc dch chuyn Cỏc dch chuyn hp th hoc phỏt x ỏnh sỏng gi l cỏc dch chuyn quang hc Mi trng thỏi dng ca nguyờn t hoc phõn t ( cũn gi l ht) tng ng vi mt giỏ tr nng lng nht nh - Nng lng cc tiu v n nh: trng thỏi c bn - Nng lng ln hn v khụng n nh: trng thỏi kớch thớch Khi cp cho cỏc ht nng lng, in t ca nú s chuyn t mc thp lờn mc cao, ú l quỏ trỡnh kớch thớch Ht trng thỏi kớch thớch cú thi gian tn ti rt ngn, s chuyn v trng thỏi n ớnh sau phỏt x ỏnh sỏng hoc nng lng c,nhit.Ht trng thỏi kớch thớch siờu bn ti hai hoc ba giõy, cũn thng thỡ ch khong 10-8 n 10-10 giõy 1.1.2 Mụ t vt lý súng ỏnh sỏng laser Bc x laser l súng in t cú tn s t 1017 ữ1011 Hz, ng vi bc súng = 1nm ữ 1mm Mi ht photon ỏnh sỏng l mt on súng in t cú tn s xỏc nh Khi súng lan truyn theo phng oz vi tc v thỡ biờn súng ti im z thi im t l : S = F(t - z/v) - F l hm mụ t dng súng (m dng c bn thng l sin hoc cos) tho phng trỡnh súng : Trng hp tng quỏt m súng lan truyn khụng gian: Khi mt ngun sỏng im t mt mụi trng ng tớnh v ng hng thỡ mt súng l cỏc mt cu ng tõm ta cú súng cu m phng truyn súng l cỏc ng xuyờn tõm vuụng gúc vi cỏc mt súng gi l tia súng Biu thc ca súng cu sin tớnh : S=acos[(t kr) + ] gi l s súng -a l biờn súng cu ti r =1 n v -:tn s súng -0 : pha ban u Khi rt xa ngun mt phn nh ca súng cu c coi l súng phng Súng phng cú cỏc tia súng song song v vuụng gúc vi mt súng, biờn súng khụng gim trờn ng truyn Vi ỏnh sỏng laser, súng cú th coi l súng phng Biu thc súng phng: S=acos[(t kz) + ]-le: ei= cos + isin Biu diờn theo z (a) (b) Hỡnh1 Mụ t súng cu v phng z Súng ỏnh sỏng l súng in t ngang phng : cú tớnh ng pha ca vộc t E v H v to vi v mt tam din thun Trng hp súng in t phng iu ho m vộc t E ca nú ch dao ng mt phng xỏc nh cha phng truyn v cũn H dao ng mt mt phng vuụng gúc vi E thỡ súng ú gi l phõn cc phng hay thng vi mt phng phõn cc trựng vi H Độ kết hợp không gian: Khỏi nim v kt hp khụng gian ny sinh kho sỏt hm 1,2 () ng vi trng hp tỏc dng tng h ca cỏc súng ỏnh sỏng xut phỏt t cỏc im khỏc ca tit din ngang ca chum tia v cú hiu quóng ng bng khụng kt hp khụng gian ph thuc rt nhiu vo cu trỳc mod ca tia laser Nu tia laser ch cú mod ngang thỡ giỏ tr tuyt i hm rt gn vớ d laser khớ cht lng cao Cỏc mod ngang ca laser HeNe lm vic ch liờn tc di kt hp ca mt s laser thụng dng: HeNe a mod HeNe n mod Ar nhiu mod Nd, NAT Thy tinh Neondin GnAs c.t= 20 cm 100.000 0.02 0.1 kt hp c bit rt quan trng s dng : -Giao thoa k: xỏc nh phm vi o bi di giao thoa -K thut Hologram vi c trng khụng gian ca cỏc tia 1.4.3- nh hng cao nh hng ca tia laser liờn quan n mod ngang v l hỡnh nh phõn b nng lng trờn tit din ngang ca chựm tia Hỡnh 1.13.Phõn b nng lng mod ngang Khi súng phng lan truyn di gúc i vi trc bung cng hng thỡ to thnh mod ngang tho món: Lcos = q / V tn s mod ngang q = cq/ 2L Khong cỏch gia hai mod ngang =q -q+1 = /2D Vi D l bỏn kớnh gng Ngi ta chia mod ngang thnh mt phng vuụng gúc m v n S mod ngang m,n thng khụng ln b trit tiờu thng ch vi mod vi TEM0,0 l mod c bn Vi gng vuụng ch s m c trng cho s ln thay i hng ca t trng dc theo trc x v n l theo hng trc y Khi laser lm vic ch nhiu mod thỡ gúc s ln hn mt mod ngang Khi cỏc gng b li hoc bi bn s lm cho laser chuyn sang mod ngang cao hn: gúc phõn k tia ph thuc s mod -x: s mod ngang -a: h s Khi ú gúc ca chựm gauss nú c gi l gii hn nhiu x v gúc ca tia tớnh c trờn gúc to bi tit din tht - Khi laser cú dng mod ngang TEM cũn gi l dng mod ngang gauss Cng ca nú tớnh t pha thc bỏn kớnh tớnh t tõm cng chựm ti tõm bỏn kớnh gauss: l bỏn kớnh ti tõm cng gim i e ln so vi Khi ú cụng sut Gúc ca chựm tia mod Gausse l nh nht Dng Gausse ca chựm tia s khụng i i qua cỏc mụi trng quang, cỏc mod khỏc thỡ khụng th nh vy gim mod ngang ngi ta dựng Diaphram trit tiờu nhiu x cỏc mod ngang bc cao hoc gim ng kớnh ng laser gim tht Hai phng phỏp ny u lm gim cụng sut tia laser Phng phỏp chn lc mod ngang l tng t ngt giỏ tr tn hao nhiu x ca cỏc mod bc cao nú c phõn b xa trc mod c bn Phng phỏp khỏc: dựng gng cu hoc qu cu phn x, gng cú h s phn x bin i 1.4,4-Kh nng t c mt cụng sut cao Có thể nói laser He-Ne 1mW có độ chói gấp hàng trăm lần ánh sáng mặt trời Thật khó tư ởng tượng điều Nếu so sánh lượng phát xạ ( W/cm2sr) đèn thuỷ ngân cao áp 250w/cm2sr, nguồn laser HeNe đạt 25.104 w/cm2sr Nguyên nhân: -Độ đơn sắc cao tạo lên khả hội tụ lớn -Độ định hướng cao( góc mở nhỏ) a- Phng phỏp hi t nh sỏng thng gúc m l (str) cũn ỏnh sỏng laser cú nh hng cao nờn cú th coi l mt chựm sỏng song song Khi s dng mt h quang hi t trờn mt din tớch rt nh ti tiờu im h quang ta s nhn c mt nng lng rt ln, cú th t c mt n 1012-1014 W/cm2 Gii hn gúc l s nhiu x trờn ng kớnh khu s : -d: ng kớnh khu s -k: i vi phõn b u l 1,22 v i vi phõn b Gausse l 2/ Gúc m ca mt s laser thụng dng: HeNe Ar CO2 Rubi GaAs Thu tinh Nd 0,2-1 0,5-1 1-10 1-10 20-500 0,5-10 gim gúc m ca tia laser ngi ta thng dựng h vụ tiờu Hỡnh 1.14 Hai dng h vụ tiờu Vỡ 1D1 = 2D2 , nu chn D1 < D2 thỡ > Vớ d: Laser HeNe cú =1.10-4 nu dựng h vụ tiờu cú D2 =10cm thỡ = 6.10-6 Nu gúc ban u ca tia c xỏc nh bi hiu ng nhiu x v nu khong cỏch n thu kớnh nh khụng ta nờn s m rng tia thỡ ng kớnh vt tiờu t: dht = f. -: gúc ca chựm tia -f tiờu c thu kớnh Vỡ f luụn ln hn nờn cú th t c vi bc súng Vớ d: chựm gauss 10mW vi = 10-4 rad c hi t vi thu kớnh khụng quang sai Khi ú trờn din tớch vt nhn c l: 10-8 cm2 v mt cụng sut nhn c 10-6 W/cm2 Ngun sỏng thng phi dựng n ngun c MW mi t c Chiu sõu hi t : Zht = d-ht. Nu dựng thu kớnh cú F nh thỡ tiờu t tt song li cú quang sai v khuyt tt nh hng Kho sỏt trờn õy ch ỳng ngun laser n mod v cú thu kinh cht lng cao khụng cú quang sai Hỡnh1 15 ng kớnh v sõu hi t b- Phng phỏp phỏt ch xung Kh nng t mt cụng sut cao vi ngun sang laser l s dng cỏc ngun sỏng lm vic ch phỏt xung t bng bm dang xung hoc c bit l ch phỏt xung ch iu bin h s phm cht Mt ngun laser cú cụng sut ch 1W, song nu phỏt ch xung cú di xung l 10-9s s cho biờn nng lng nh xung t 109W t chỏy tt c cỏc loi vt liu Hin nay, cỏc laser lm vic ch phỏt xung cc ngn c 10-15 s, theo nguyờn lý locking mod ang c ng dng ngy cng nhiu cụng ngh nh mt cụng sut nh xung rt cao v kh nng iu khin chớnh xỏc nng lng laser gia cụng