bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 8

-Laser viết tắt của “light amplification by stimulated emission”, nghĩa là KĐ ánh sáng nhờ phát xạ kích thích. -Phần tử trung tâm của laser khí là một ống khí (gần giống với đèn khí) là nơi mà sự phát xạ kích thích và khuyếch đại ánh sáng xảy ra. - Ống khí áp suất thấp được kích thích để phát xạ nhờ cao áp dc hoặc nguồn thế RF. Có một số dạng điển hình: a) dc current flow, điển hình như đèn Low-power helium-neon laser có thế tạo hồ quang 7000V và thế hoạt động 1800V; dòng hoat...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 8 Chương 8: LASER KHÍ -Laser viết tắt của “light amplification by stimulated emission”, nghĩalà KĐ ánh sáng nhờ phát xạ kích thích. -Phần tử trung tâm của laser khí là một ống khí (gần giống với đèn khí)là nơi mà sự phát xạ kích thích và khuyếch đại ánh sáng xảy ra. - Ống khí áp suất thấp được kích thích để phát xạ nhờ cao áp dc hoặc nguồn thế RF. Có một số dạng điển hình: a) dc current flow, điển hình như đèn Low-power helium-neon laser cóthế tạo hồ quang 7000V và thế hoạt động 1800V; dòng hoat động 5mA;bức xạ công suất 3mW với công suất vào 9W. b) RF capacitive coupled current flow, các nguyên tử bị kick thích bởiđiện hoặc từ trường biến tiên nhanh ở tần số RF (20_30 kHz). Điện ápRF nhỏ hơn nhiều so với điên áp dc, nhưng dòng lại cao hơn nhiều. c) RF inductive coupling - Các phần tử quang trọng khác là các gương phản xạ đặt ở hai đầucủa ống khí kích thích. Một trong hai gương được thiết kế cho phép mộtphần ánh sáng phát xạ được truyền qua và coi như là đầu ra của laser.Các tia phản xạ gây ra quá trình khuếch đại bức xạ đã được kích thíchdo các nguyên tử hấp thụ photon hν. - Laser khí có thể chứa hai hoặc nhiều loại khí, điện trường áp đặt sẽkích thích một trong các loại khí này. Va chạm của khí kích thích vớikhí khác dẫn đến trạng thái kích thích và phát xạ. Chẳng hạn laserhelium-neon: + Quá trình phóng điện làm cho các điện tử của nguyên tử heliumchuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái nữa bền. + Qua quá trình va chạm, các nguyên tử helium kích thích tiếp tụclàm cho các nguyên tử neon bị kích thích. + Khi quá trình dẫn điện được xác lập, đa số các nhuyên tử khí sẽ ởdạng nửa bền: điều kiện này được gọi là đảo lộn mật độ “populationinversion”(vì với khí không bị kích thích, đa số nguyên tử ở trạng tháinền). + Các điện tử của các nguyên tử neon bị kich thích có thể tạo ra cácchuyển mức khác nhau và bức xạ năng lượng với các bước sóng khácnhau. + Bức xạ từ các nguyên tử neon ở 1 bước sóng xác định sẽ được tăng cường nhờphản xạ từ các gương và nhờ đó bức xạ ở bước sóng này sẽ chiếm ưu thế. + Hoạt động liên tục của laser sẽ đạt được khi các gương phản xạ ởhai đầu ống tạo thành 1 hốc cộng hưởng, có tác dụng giữ hầu hết photonđể tạo ra quá trình đa phản xạ trong ống, qua đó tăng xác suất va chạmcủa photon với nguyên tử neon. §3.2 CÁC NGUYÊN LÝ LASER TỔNG QUÁT Hiện tượng laser xảy ra do sự tương tác của hai hệ thống: - Hệ nguyên tử có chuyển mức năng lượng của điện tử làm phát sinh photon. - Hốc cộng hưởng tạo bởi các gương đầu cuối . a) Tương tác giữa bức xạ với hệ nguyên tử - 1 photon sẽ phát sinh khi 1điện tử chuyển từ 1 mức năng lượngcao xuống 1 mức năng lượng thấp hơn: hf = E2 - E1 - Trong thực tế có sự mở rộng vạch phổ do 2 quá trình sau: + Homogeneous broadening: đặctrưng cho tất cả các nguyên tửtrong hệ, là hàm của thời gian sống hữu hạn của trạng thái bức xạ τ, nếuquá trình này là duy nhất khi laser làm việc, thì phân bố vạch bức xạđược cho bởi : A(ω) = K/[( ω – ω0)2 + (1/τ)2] A(ω): biên độ bức xạ tại tần số ω K: hệ số tỷ lệ ω0 = 2π(E2 – E1)/h + Inhomogeneous broadening: vạch phổ bị mở rộng do các hiệu ứng nguyêntử riêng biệt. Trong tinh thể các nguyên tử khác nhau có thể có các chuyểnmức năng lượng khác nhau ít do các nguyên tử lân cận. Các nguyên tửtrong khí chuyển động theo các hướng khác nhau với các vận tốc khácnhau, do đó gây ra các dịch chuyển Doppler khác nhau lên tần số: f = f0 + νf0/c, với f0 = (E2 – E1)/h ν thành phần vận tốc theo phương người quan sát Độ rộng bán phổ gây bởi hiệu ứng Doppler là: ∆f = 2f0(KT/M)1/2, với K = const. = 165,8 x 10-15 (amu/K), T: nhiệt độ củahốc, M: khối lượng nguyên tử tính theo amu. * Quá trình này chiếm ưu thế với laser khí; laser Helium-neon có độ rộng bán phổ ≈ 1.1 x 109 Hz đến 1.4 x 109 Hz * Phổ của laser thực có thể bị ảnh hưởng do tổn hao phảnxạ bởi gương và tán xạ không khí ...