Phân tích cơ chế lượng tử và so sánh hiệu suất phát Laser trong các hệ lượng tử khác nhau

76 28 0
  • Loading ...
1/76 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/04/2018, 21:20

1 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác A MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Vào năm cuối kỉ thứ XIX đầu kỷ thứ XX, với thành tựu khoa học kĩ thuật mà đỉnh cao phát minh lĩnh vực vật lí, hố học, cơng nghệ sinh học tích tụ điều kiện cho cách mạng khoa học kĩ thuật lần thứ II, cách mạng kĩ thuật – cơng nghệ Việc áp dụng cơng nghệ hồn toàn tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao lượng nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm dịch vụ, thúc đẩy phát triển mạnh mẽ sản xuất đại Một hai phát minh đóng góp to lớn cho phát triển ngành vật lí kỉ XX Laser Laser nguồn phát ánh sáng tầm quan trọng ngày cao ứng dụng đời sống, nguồn ánh sáng nhân tạo thu nhờ khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng Ánh sáng Laser nhiều tính chất đặc biệt, hẳn ánh sáng tự nhiên hay ánh sáng nhân tạo khác ứng dụng hữu ích nhiều lĩnh vực khoa học - kĩ thuật đời sống, đặc biệt lĩnh vực y học quân Laser trở thành thiết yếu công việc ngày thơng dụng đến mức mua cửa hàng tạp hóa Chúng ta nghe nhắc đến Laser dao Laser, máy in Laser, bút Laser trò chơi trẻ em Với ứng dụng rộng rãi Laser ngày việc tìm hiểu hoạt động, cấu tạo, chế máy phát lượng tử lượng Laser cần thiết Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát Laser nghiên cứu kĩ trình chế tạo đến chế tạo loại Laser cho hiệu suất lớn SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Là sinh viên học sư phạm ngành Toán – Lý, em muốn tìm hiểu sâu chế hoạt động hiệu suất máy phát lượng tử, em chọn đề tài “ Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác nhau” làm đề tài nghiên cứu khoa học khóa luận tốt nghiệp cho Mục đích nghiên cứu - Phân tích chế lượng tử hệ lượng tử khác - Xác định độ rộng vạch phát, tính chất chùm tia Laser - Phân tích hiệu suất phát Laser máy phát lượng tử Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài này, em đặt nhiệm vụ cụ thể là: - Nghiên cứu nắm vững lí thuyết Laser - Thu thập tài liệu (tiếng Việt tiếng Anh) - Tổng hợp, phân tích, so sánh, hệ thống hoá kiến thức máy phát lượng tử để từ đưa yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát laser hệ lượng tử khác sử dụng thực tế Đối tượng nghiên cứu - sở lí thuyết - Tổng quan Laser - Các loại Laser - Độ rộng vạch phát, tính chất chùm tia Laser - chế lượng tử hệ lượng tử khác - Hiệu suất phát Laser SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Phạm vi nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu lược sở lí thuyết, tổng quan, loại Laser, độ rộng vạch phát tính chất chùm tia Laser - Đề tài nghiên cứu kĩ chế lượng tử hệ lượng tử khác - Đề tài nghiên cứu kĩ hiệu suất phát Laser Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu giáo trình số sách tham khảo - Tổng hợp, xử lí, khái quát, phân tích tài liệu thu - Nghiên cứu lí thuyết, sở lí luận Cấu trúc đề tài Đề tài gồm phần: mở đầu, nội dung kết luận A MỞ ĐẦU B NỘI DUNG - Chương 1: sở lí thuyết - Chương 2: Máy phát lượng tử -Laser - Chương 3: Phân tích chế lượng tử hiệu suất phát Laser C KẾT LUẬN SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác B NỘI DUNG CHƯƠNG SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Q trình hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cưỡng theo quan điểm lượng tử Theo lí thuyết lượng tử: Các mức lượng tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên ngồi mức lượng cao electron phía Electron ngun tử khơng phân bố mà xếp theo lớp, lớp tối đa số electron định Mỗi lớp tương ứng với mức lượng riêng biệt Trạng thái ứng với lượng cực tiểu gọi trạng thái ổn định hay trạng thái hạt, trạng thái ứng với lượng nội hạt lớn trạng thái gọi trạng Hình 1: Mơ tả phát xạ tự phát (a) Phát xạ cững (b) hấp thụ (c) thái kích thích Số hạt tồn trạng thái đơn vị thể tích mơi trường gọi nồng độ trạng thái Nếu mơi trường vật chất nhiều hạt trạng thái bình thường trạng thái kích thích đồng thời tồn nhiều hạt Tập hợp tất nồng độ trạng thái môi trường gọi phân bố nồng độ theo trạng thái phân bố đặc trưng cho môi trường Trong điều kiện bình thường hạt trạng thái bình thường tuân theo phân bố Boltzomann Muốn tăng nồng độ trạng thái kích thích cần tác động bên ngồi vào mơi trường, ví dụ xạ, dòng điện, … môi trường chứa nhiều hạt trạng SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác thái kích thích gọi mơi trường kích thích Khi tác động vật lí từ mơi trường, ngun tử nhận lượng để thực chuyển dời trạng thái mức lượng khác Gọi chuyển dời chuyển dời hấp thụ xạ, lượng tử lượng hấp thụ xạ chuyển dời tuân theo hệ thức Einstein: hv  E2  E1 [5] Giả sử tập hợp hạt với hai mức lượng, mức gọi mức tương ứng lượng E1 , mức gọi mức tương ứng với lượng E2 , mật độ cư trú hai mức xác định N1  E1  E2 N2 Theo định luật phân bố Boltzomann thì: N1  N0e kT N2  N0e kT (với N0 mật độ cư trú hạt trạng thái bản, k số Boltzomann, T nhiệt độ hệ hạt) [5] Khi ta chiếu chùm ánh sáng gồm photon với lượng hv  E2  E1 (h số Planck, v tần số photon chiếu vào), mật độ photon  vào tập hợp hạt q trình sau xảy ra: 1.1.1 Quá trình hấp thụ Quá trình hấp thụ trình tác động trường ánh sáng ngồi, hạt mức nhận lượng photon ngồi để nhảy lên mức kích thích mức kích thích thấp lên mức kích Hình 2: Mơ tả q trình hấp thụ thích cao (hình 2) Sau hấp thụ photon, hạt chuyển lên trạng thái kích thích E2  E1 Năng lượng photon xác định hiệu lượng hai mức SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác dịch chuyển: hv  E2  E1 [2] Q trình hấp thụ mơ tả sau: A*  hv  A** A* hạt trạng thái kích thích thấp A** hạt trạng thái kích thích cao Giả sử thời điểm t = 0, mức E2 n2 (0) hạt, thời điểm t số hạt mức E2 n2 (t) Tốc độ thay đổi số hạt mức E2 tỉ lệ với số hạt n1 (t ) mức E1 với mật độ lượng điện trường từ  (v21 ) Đưa vào hệ số tỉ lệ B12 , ta viết: dn2 (t )  B12  (v21 )n1 (t ) (1) dt B12  (v21 ) mang ý nghĩa xác suất hấp thụ [2] Đại lượng  *  nhỏ hay B12  (v21 ) lớn tốc độ tích lũy hạt B12  (v21 ) vào mức E2 lớn Như vậy, trình hấp thụ phụ thuộc vào tác động bên ngồi Nếu mật độ photon lớn số hoạt động hấp thụ môi trường xảy mạnh 1.1.2 Quá trình phát xạ tự phát Các hạt trạng thái kích thích trạng thái khơng bền vững nên xu hướng trở trạng thái mà không cần tác động từ bên ngồi, chúng giải phóng lượng dư thừa (bằng chênh lệch hai mức lượng) Quá trình phát xạ tự phát q Hình 3: Mơ tả trình phát xạ tự phát trình hạt mức lượng cao tự nhảy xuống mức SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác lượng thấp mà khơng cần kích thích từ bên ngồi, đồng thời phát xạ lượng tử lượng (hình 3) Quá trình phát xạ tự phát mô tả sau: A**  A*  hv Tốc độ biến đổi số hạt mức E2 phát xạ tự phát thời điểm t tỉ lệ với số hạt n2 (t) mức [2] Hệ số tỉ lệ A21 phụ thuộc vào khả chuyển dời hai mức lượng gọi xác suất chuyển dời: dn2 (t )   A21n2 (t ) (2) dt Dấu (-) biểu thức chuyển dời tự nhiên làm giảm số hạt mức E2 Nghiệm (2) n2 (t )  n2 (0)e A t Sau khoảng thời 21 gian t    1 số hạt mức E2 là: n2 ( )  n2 (0) tức số hạt giảm e lần A21 e Nếu A21 lớn  nhỏ tốc độ biến đổi hạt hay tốc độ hạt thoát khỏi E2 lớn hay thời gian sống hạt E2 nhỏ Vì vậy,  ý nghĩa đặc trưng, gọi thời gian sống trạng thái kích thích Các chuyển dời tự phát ngẫu nhiên, phát xạ tự phát khơng tính chất kết hợp (photon phát truyền theo phương pha tùy ý) [5] 1.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng Hình 4: Mơ tả q trình phát xạ cưỡng SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Nếu nguyên tử trạng thái kích thích (sẵn sàng phát photon lượng    hv  hv ) bắt gặp photon lượng  ' bay lướt qua nó, ngun tử phát photon  Photon  lượng bay phương với photon  ' Ngồi ra, sóng điện từ ứng với photon  hoàn toàn pha dao động mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động sóng điện từ ứng với photon  ' [4] Khi photon thích hợp bay qua nguyên tử trạng thái kích thích tượng phát xạ cảm ứng xuất hai photon bay phương Hai photon bay qua hai nguyên tử trạng thái kích thích xuất bốn photon giống bay phương … Do đó, số photon tăng theo cấp số nhân (hình 4) Quá trình phát xạ cưỡng q trình tác động photon lượng E, nguyên tử mức kích thích bị cưỡng nhảy mức sớm hơn, với dịch chuyển phát photon lượng E tính chất giống hệt với photon cưỡng Hiện tượng mang tính chất khuếch đại theo phản ứng dây chyền: sinh 2, sinh 4, … Quá trình phát xạ cưỡng mô tả sau: A**  (hv)1  A* (hv)1  (hv)2 Với (hv)1 lượng photon cấp (hv)2 lượng photon thứ cấp Tốc độ thay đổi số hạt mức E2 tỉ lệ với số hạt n2 (t ) , với mật độ lượng trường điện từ  (v21 ) Đưa vào hệ số tỉ lệ B21 , ta viết: dn2 (t )   B21 (v21 )n2 (t ) (3) [4] dt SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác So sánh (3) với (2) ta thấy B21 (v21 ) xác suất q trình phát xạ cưỡng 1.1.4 Phương trình Einstein Do ba nguyên nhân: phát xạ tự phát, phát xạ cưỡng trình hấp thụ mà tốc độ thay đổi số hạt mức E2 là: dn2 (t )   A21n2 (t )  B21  (v21 )n2 (t )  B12  (v21 )n1 (t ) (4) dt Phương trình (4) gọi phương trình Einstein Ở trạng thái cân nhiệt động (bức xạ điện từ không thay đổi cường độ phổ), số hạt mức lượng không thay đổi theo thời gian nên: dn2 (t )   A21n2 (t )  B21 (v)21 n2 (t )  B12  (v21 )n1 (t ) = dt Biểu thức cho phép ta xác định mật độ lượng xạ điện từ  (v21 ) :  (v21 )  A21n2 (t ) A21  B12n1 (t )  B21n2 (t ) B n1 (t )  B 12 21 n2 (t ) Ở trạng thái cân nhiệt động, nguyên tử tuân theo phân bố Boltzomann:  ( E2  E1 )  hv21 n2 (t )  e kT  e kT n1 (t ) A Vì thế:  (v21 )  B12e 21 hv21 kT  B21 Mật độ lượng xạ điện từ  (v21 ) phải thỏa mãn điều kiện T   (v21 )   Điều thỏa mãn B12  B21 SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 10 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Thay kết ta có:  (v21 )  A21 B21 hv21 e kT  Biểu thức đồng với công thức phân bố mật độ lượng Plack Quang học, ta có:  (v21 )  8 v hv hv c3 e kT  Khi để số (21) mức E1, E2 Einstein rút biểu thức liên hệ hệ số Einstein sau: A21 8 v21  hv21 B21 c Như vậy, lí thuyết hấp thụ xạ Einstein phù hợp với quan điểm lượng tử Planck 1.2 Hiện tượng khuếch đại ánh sáng Với trình phát xạ cưỡng photon tăng theo cấp số nhân Muốn trì trình phát xạ cưỡng ta phải làm cho số nguyên tử trạng thái lượng cao nhiều số nguyên tử trạng thái lượng thấp Lúc phát xạ cưỡng lấn át ta thu dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu kích thích phát xạ nhiều photon hơn, photon sau kích thích phát xạ nhiều photon tiếp diễn [4] Kết dòng thác photon tăng lên với số lượng lớn ánh sáng khuếch đại Giả sử hệ nguyên tử, phân tử hai mức lượng với số nguyên tử nằm mức lượng cao lớn số nguyên tử nằm mức lượng SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 10 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 62 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác lượng xảy Laser ba mức bốn mức Trong thực tế nhiều dạng mát hệ cộng hưởng Các mát nguyên nhân là: mát chất lượng phản xạ gương; mát tượng nhiễu xạ gương; mát mát gương không song song với nhau; mát tán xạ ánh sáng môi trường không đồng Mỗi dạng mát xác định hệ số phẩm chất, độ phẩm chất cao lượng mát nhỏ - Ta xét mát chất lượng phản xạ gương (hiện tượng truyền qua hấp thụ gương): qúa trình dao động tắt dần phản xạ: Chùm sáng chiếu tới gương bị chia làm thành phần theo định luật Lamber–berr (như hình vẽ trên): - Một phần chùm sáng bị phản xạ lại môi trường cũ - Một phần chùm sáng truyền qua - Một phần bị hấp thụ gương Trong Laser ta cần chùm sáng phản xạ lại môi trường cũ để hồi tiếp dương, vậy, phần chùm sáng bị hấp thụ truyền qua làm giảm cường độ chùm sáng chiếu vào, gây mát trình phản xạ SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 62 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 63 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Cường độ ánh sáng đơn vị thời gian phản xạ  ct dI I c   I  I 0e L là: dt L  ct I  e L tốc độ tắt dần I0 Độ phẩm chất trường hợp là: Q  L c  t  ct I Suy ra:  e L  e Q1 I0  Phương trình biểu diễn dao động tắt dần trở thành: dI I  (7) dt px Q1 Xác định Q1: Nếu coi gương hoàn toàn giống nhau, hệ số phản xạ R, phần lượng Buồng cộng hưởng bị khoảng thời gian dt xác định: Giả sử sóng mang lượng E từ gương G1 đến gương G2 Tại gương G2, sóng phản xạ trở lại phần, phần tổn hao  E (1  R) Khoảng thời gian cần thiết để song hết quãng đường từ G1 đến G2 là: t  L Ln  ( n chiết xuất mơi trường hạt tính) v c SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 63 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 64 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Như sau khoảng thời gian  t song từ G1 đến G2, tiêu hao phần lượng  E (1  R) Vì vậy, đơn vị thời gian, song bị phần lượng là:  E (1  R)  E (1  R)c t  2 Ln Vì dao động buồng cộng hưởng tạo hai sóng phẳng lan truyền ngược chiều nhau, nên phần lượng mà dao động (một mode) đơn vị thời gian là:  E (1  R)c Ln Như vậy, khoảng thời gian  t , phương trình xác định tổn hao: dt   E (1  R)c (8) Lndt Mặt khác, coi mode buồng cộng hưởng dao động điện từ độc lập, phương trình dao động tắt dần: dE  So sánh (8) (9): Q1   Edt (9) Q1 Ln 2 Ln  c(1  R)  (1  R) Trong dãi song vô tuyến:   a,  : mát lớn - Mất mát tượng nhiễu xạ gương: SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 64 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 65 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Do kích thước hữu hạn gương nên chùm sáng chiếu tới biên gương bị phản xạ khỏi buồng cộng hưởng, mát gọi mát nhiễu xạ Cường độ ánh sáng đơn vị thời gian tượng nhiễu xạ là: dI  I  (10) [4] dI nx Q2 Chùm sóng song song với độ dài nhiễu xạ góc   đập lên phương A, phản xạ  Phần lượng bị nhiễu xạ qua hệ cộng hưởng tỉ số diện tích vành khun bề rộng x (x = diện tích gương: ) với 2 ax  L   (N số Fresnel)  a2 a2 N Như vậy, số Fresnel lớn mát nhiễu xạ nhỏ  Q2  a2 L - Các loại Laser khác độ phẩm chất khác nhau: Laser Ruby chiều dài 10cm, đường kính thỏi Ruby 1cm, hai gương phản xạ mặt đáy nó, với nhiệt độ phòng, = 6943Ao ta tìm N = Q = 625 Đối với Laser Ar, độ dài hệ cộng hưởng khoảng 50cm, đường kính ống phóng điện khoảng 2mm, độ dài sóng = 4880 Ao, N = Q = 20 Từ phương trình (7) (10), cường độ giảm tổng cộng là:  dI  I 1  I     với   dt Q Q1 Q2  Q1 Q2  Q Q phẩm chất buồng cộng hưởng, máy Laser tốt Q lớn SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 65 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 66 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Trong giai đoạn đầu, người ta sử dụng gương đế thủy tinh hay thạch anh lớp phản xạ mạ lên bạc nhơm vàng, hệ số phản xạ gương nằm vùng ánh sáng khả kiến thường không vượt 90 – 95% phần lượng tiêu hao bề mặt gương đạt tới – 10% Vì vậy, gương độ phẩm chất khơng cao Ngày nay, kĩ thuật Laser, phần lớn gương mạ nhôm, bạc vàng thay gương điện môi nhiều lớp hệ số phản xạ cao phần lượng tiêu hao hấp thụ bé, chịu xạ lượng lớn tuổi thọ cao Các gương đảm bảo độ phẩm chất buồng cộng hưởng cao [2] - Trở lại với nội dung “Ngưỡng phát Laser” trên: Xét buồng cộng hưởng laser hai gương M1 hệ số phản xạ R1 M2 hệ số phản xạ R2, khoảng cách hai gương L Gọi I0 cường độ chùm sáng đến M1 Cường độ tia sáng truyền tới M2 cường độ là: I1  I e  k  L đó:  hệ số khuếch đại k hệ số mát Cường độ chùm sáng sau phản xạ gương M2 lan truyền tới phản xạ gương M1 : I  I R1 R2e 2  k  L G khuếch đại chu trình tính cơng thức : G I2 I1  G  R1 R2 e 2   k  L SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 66 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 67 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Mà điều kiện ngưỡng cho hoạt động laser G=1, : R1R2e Suy : 2  th  k  L  th  k  1   ln   L  R1R2  với  th hệ số khuếch đại ngưỡng, giá trị mà vượt qua giá trị laser bắt đầu hoạt động Ta thấy hệ số khuếch đại ngưỡng  th phụ thuộc vào hệ số mát k: k lớn tức mát nhiều  th cao, dẫn đến tăng ngưỡng phát Laser làm cho hiệu suất Laser giảm f Một số yếu tố khác - Khi mức Laser phân bố cao so với mức bơm hiệu suất lượng tử thấp, đặc biệt Laser xạ dải sóng hồng ngoại Với Laser ngn tử lượng kích thích khoảng 18  20 eV lượng tử lượng xạ Laser nhỏ ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất lượng tử nhỏ Nếu dùng hệ nguyên tử để tạo xạ hồng ngoại, ví dụ   10,6 m hiệu suất lượng tử nhỏ cỡ vài phần nghìn Đối với Laser ion vậy, lượng tử lượng ion kích thích Laser ion cần khoảng 20 eV ion làm việc chế độ liên tục khoảng 35eV cho Laser ion làm việc chế độ xung, bơm chủ yếu va chạm trực tiếp điện tử với phân tử khí, hiệu suất nhỏ Để tăng hiệu suất Laser đặc biệt Laser cho xạ hồng ngoại người ta nghĩ đến việc dùng mức dao động phân tử mức nằm gần mức phân tử Tất nhiên lượng kích thích cần nhỏ hiệu suất lượng tử lt  hvlaser lớn ( hvb lượng bơm) hvb SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 67 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 68 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác - Khi thực chuyển mức yêu cầu mức Laser phải giải tỏa nhanh để tăng nghịch đảo nồng độ để tăng số hạt mức tiếp tục tham gia vào trình vận chuyển Laser Nếu giải tỏa chậm số lớn hạt bị kìm giữ khơng tham gia vào q trình trì nghịch đảo nồng độ hạn chế cơng suất Laser hay hiệu suất giảm - Sự kích thích khơng mang tính chọn lọc cao hiệu suất nhỏ Hiệu suất Laser CO2 10,6  m 40% xạ   9,6 m 45% Chính hiệu suất lượng tử cao khả kích thích chọn lọc mức gần bản, nên hiệu suất chung Laser khí CO2 lớn khoảng 30%  Tất yếu tố thật giới hạn hiệu suất tổng thể Laser 3.2.3 So sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác a Hệ lượng tử mức  Hệ mức với mức Laser mức trung gian: Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N1: dN1  13 N1   21 N   31 N3 dt Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N2: dN   21 N2   32 N3 dt SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 68 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 69 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N3: dN3  13 N1  ( 32   31 ) N3 dt với  thông lượng bơm Giải phương trình điều kiện dừng ta được:  21 ( 32   31 ) N  21 ( 31   32 )  ( 21   32 )13  3213 N2  N  21 ( 31   32 )  ( 21   32 )13 N1  Từ ta có: với N=N1+N2+N3  3213 N2  N1  21 ( 32   31 ) Phân tích: Ta thấy: + Mật độ cư trú N1 tỉ lệ nghịch với thông lượng bơm, tỉ lệ thuận với xác suất dịch chuyển xạ  21 ,  31 từ hai mức xuống + Mật độ cư trú N2 tỉ lệ thuận với xác suất dịch chuyển xạ  32 , tỉ lệ nghịch với xác suất dịch chuyển xạ  21 Muốn nghịch đảo mật độ cư trú xảy hai mức N2 phải lớn N1 hay  3213 N2   , đòi hỏi: thông lượng bơm phải lớn, N1  21 ( 32   31 ) xác suất dịch chuyển xạ từ mức xuống mức cao xác suất dịch chuyển xạ tự phát thấp Như vậy: yếu tố xạ tự phát  21 ,  31 ảnh hưởng hạn chế hiệu suất hệ Laser Trong q trình phát Laser hiệu ứng sinh nhiệt dịch chuyển tự phát từ mức xuống mức 1, từ mức xuống mức từ mức xuống mức 1, chuyển động sinh nhiệt ảnh hưởng đến hiệu suất phát Laser SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 69 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 70 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khácHệ mức với mức Laser mức cao nhất: Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N2 là: dN  N112  N3 32  N 2 21 dt Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N3 là: dN3  N113  N3 ( 32   31 ) dt Phương trình tốc độ biểu diễn mật độ cư trú N1 là: dN1   N113  N112  N 2 21  N3 31 dt Giải phương trình trạng thái dừng ta có: N3  N131  32   31     N1  12  32 13   32   31  N2    21 Sự nghịch đảo mật độ cư trú xảy khi: N3  2113  1 N  3112   32 (13  12 ) Phân tích: - Để tạo nghịch đảo mật độ cư trú hai mức 3, cần thông lượng bơm 13 lớn, xác suất dịch chuyển xạ tự phát  31 nhỏ Hệ ba mức dễ phát laser cần bơm lên mức tạo nghịch đảo mật độ Còn hệ với mức laser mức trung gian cần thời gian để hạt mức nên phát không liên tục nhiều yếu tố chi phối đến hiệu suất SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 70 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 71 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác b Hệ lượng tử mức Các phương trình tốc độ: dN dt dN dt dN dt dN1 dt  N114  N 4 43   N 3 32  N 4 43  N 3 32  N1 12   21 N  dN dN dN   dt dt dt Giải hệ phương trình trạng thái dừng ta rút được: N3  N2  14  32 N1 14   12  21 N1 N3  2114  1 N  32   12  14  Để N3 > N2 thông lượng bơm 14   32 12 , điều kiện gần  21   32 điều kiện thỏa mãn Vậy với hệ mức lượng dễ dàng tạo nghịch đảo mật độ ngưỡng bơm bé hệ mức Khi bơm không cần thời gian bơm lớn cường độ bơm sớm Trong trình phát Laser, dịch chuyển tự phát từ  1;  2;  3;  1;  2;  sinh nhiệt ảnh hưởng hạn chế đến hiệu suất phát Laser Tóm lại, hệ lượng tử ba mức số vấn đề hạn chế hiệu suất phát Laser Vấn đề trọng tâm xuất mức laser thấp mức bản, trạng thái bình thường đa số nguyên tử hay phân tử Để tạo SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 71 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 72 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác nghịch đảo dân cư, phần lớn electron trạng thái phải đưa lên mức lượng bị kích thích cao, đòi hỏi phải cung cấp đáng kể lượng từ bên Ngoài ra, nghịch đảo dân cư khó trì khoảng thời gian đáng kể, đó, Laser ba mức hoạt động theo kiểu xung không liên tục Đối với hệ lượng tử bốn mức lượng hay nhiều tránh số vấn đề đề cập trên, sử dụng phổ biến Cấu trúc mức lượng tương tự hệ ba mức, trừ vấn đề sau nguyên tử rơi từ mức cao xuống trạng thái cao siêu bền, chúng không rơi hết xuống trạng thái qua bước Do nghịch đảo dân cư không tạo trạng thái mức cao, nên số nguyên tử hay phân tử phải đưa lên đột ngột giảm xuống hệ lượng tử Trong hệ laser bốn mức điển hình, 2% số nguyên tử hay phân tử cư trú mức laser thấp (mức nằm trạng thái bản) cần kích thích đến 4% tổng số nguyên tử hay phân tử lên mức cao thu nghịch đảo dân cư cần thiết Một thuận lợi việc tách mức Laser thấp khỏi mức nguyên tử mức thấp tự động rơi xuống trạng thái Nếu mức Laser thấp thời gian sống ngắn nhiều so với mức cao nguyên tử phân hủy sang mức tốc độ đủ để tránh việc tích tụ mức laser thấp Nhiều Laser thiết kế ràng buộc hoạt động theo mode liên tục tạo chùm tia không đứt quãng SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 72 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 73 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác C KẾT LUẬN Nhằm đạt mục tiêu ban đầu, thời gian thực hiện, với nổ lực hướng dẫn tận tình giảng viên hướng dẫn, em thực đầy đủ nội dung nghiên cứu mục tiêu đặt Những vấn đề mà đề tài giải bao gồm: Tìm hiểu sở lí thuyết quang học phi tuyến Giới thiệu tổng quan, phân biệt loại Laser Tìm hiểu độ rộng vạch phát tính chất chùm tia Laser Phân tích chế lượng tử, từ tìm yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát Laser so sánh hiệu suất hệ lượng tử khác Đề tài thu số kết nêu trên, song đề tài chưa đưa cách tối ưu hóa tham số liên quan nhằm thu lượng xung laser cực đại độ rộng xung cực tiểu để tăng hiệu suất phát Laser Đây vấn đề cần quan tâm nghiên cứu để tạo điều kiện thuận lợi việc chế tạo loại Laser hiệu suất cao nội dung phát triển đề tài SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 73 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 74 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Đình Chiến - Đinh Văn Hoàng (2004), Vật lý laser ứng dụng, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Trần Đức Hân (chủ biên) – Nguyễn Minh Hiển (2005), sở kỹ thuật laser, Nxb Giáo dục [3] Đặng Thị Mai (1998), Quang học, Nxb Giáo dục [4] Nguyễn Trần Trác, Diệp Ngọc Anh (2004), Giáo trình Quang học, Trường ĐHSP Tp Hồ Chí Minh – Khoa Vật lí [5] Chin Lin Chen, Elements of optoelectronics and fiber optics [6] Một số trang Web: http://thuvienluanvan.com http://thuvienvatli.vn http://timtailieu.vn http://vi.wikipedia.org SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 74 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 75 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác MỤC LỤC A MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc đề tài B NỘI DUNG CHƯƠNG SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cưỡng theo quan điểm lượng tử 1.1.1 Quá trình hấp thụ 1.1.2 Quá trình phát xạ tự phát 1.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng 1.1.4 Phương trình Einstein 1.2 Hiện tượng khuếch đại ánh sáng 10 1.3 Sự nghịch đảo mật độ cư trú 11 CHƯƠNG 13 MÁY PHÁT LƯỢNG TỬ - LASER 13 2.1 Lịch sử nghiên cứu Laser 13 2.2 Cấu tạo máy phát lượng tử 17 2.2.1 Môi trường hoạt chất 18 2.2.2 Nguồn bơm 19 2.2.3 Buồng cộng hưởng 20 a Cấu tạo 20 b Chức 21 2.3 Nguyên lí hoạt động máy phát lượng tử 22 2.4 Ngưỡng phát Laser 23 2.5 Các loại Laser 24 2.5.1 Laser rắn 24 2.5.2 Laser khí 27 2.5.3 Laser lỏng 30 2.5.4 Laser bán dẫn 31 2.6 Các tính chất chùm tia Laser 34 2.6.1 Độ định hướng cao 34 2.6.2 Tính đơn sắc cao 34 2.6.3 Tính kết hợp 35 2.6.4 Tính chất thời gian chùm tia Laser 35 2.6.5 Cường độ chùm tia Laser mạnh 36 2.6.6 Công suất lớn 37 CHƯƠNG 38 SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 75 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag 76 of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác PHÂN TÍCH CHẾ LƯỢNG TỬ HIỆU SUẤT 38 PHÁT LASER 38 3.1 Phân tích chế lượng tử 38 3.1.1 Hệ nguyên tử làm việc với hai mức lượng 39 3.1.2 Hệ nguyên tử làm việc với ba mức lượng 40 3.1.3 Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức lượng 43 3.2 Hiệu suất phát Laser 46 3.2.1 Độ rộng vạch phát 46 3.2.2 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát Laser 50 3.2.3 So sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác 68 C KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 SVTH: Nguyễn Thị Thủy Tiên 76 Lớp: ĐHSP Toán – Lý K51 kho tai lieu -123doc-doc-luan an - luan an tien si -luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Pag ... “ Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác nhau làm đề tài nghiên cứu khoa học khóa luận tốt nghiệp cho Mục đích nghiên cứu - Phân tích chế lượng tử hệ lượng tử khác. .. of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác lượng thấp mà khơng cần kích thích từ bên ngồi, đồng thời phát xạ lượng tử lượng (hình 3) Q trình phát xạ tự phát mơ... of 128 Phân tích chế lượng tử so sánh hiệu suất phát Laser hệ lượng tử khác B NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cưỡng theo quan điểm lượng tử Theo
- Xem thêm -

Xem thêm: Phân tích cơ chế lượng tử và so sánh hiệu suất phát Laser trong các hệ lượng tử khác nhau, Phân tích cơ chế lượng tử và so sánh hiệu suất phát Laser trong các hệ lượng tử khác nhau

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay