Các ứng dụng gia công tinh - Chương 1: Nguyên lý hoạt động của nguồn sáng laser

Chương 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGUỒN SÁNG LASER 1.1 Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser. 1.1.1Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ánh sáng. Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử. Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt thì có thể mô tả: E=h. -E: năng lượng -h: hằng số Plăng 6,025.10 -34 -: tần số sóng ánh sáng Nếu coi là sóng: . = c -: là bước sóng ánh sáng -c: vận tốc ánh sáng Phæ cña Sãng §iÖn tõ tæng qu¸tTrong ®ã: sãng ¸nh s¸ng tõ hång ngo¹i ®Õn tö ngo¹i lµ sãng ®iÖn tõ ngang ph¼ng Cấu tạo lớp điện tử nguyên tử 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p 6 3d 10 4p 6 5s2 4d10 Với: - 1,2,3: Chỉ số lớp - s, p,d: thứ tự phân lớp trong lớp -6,10.. số điện tử trong mỗi phân lớp Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp vỏ từ trong ra ngoài. Các điện tử ở lớp vỏ ngoài có thể dịch chuyển lên các mức cao hơn hoặc ngược lại gọi là các dịch chuyển. Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng gọi là các dịch chuyển quang học.. Mỗi trạng thái dừng của nguyên tử hoặc phân tử ( còn gọi là hạt) tương ứng với một giá trị năng lượng nhất định - Năng lượng cực tiểu và ổn định: trạng thái cơ bản - Năng lượng lớn hơn và không ổn định: trạng thái kích thích Khi cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao, đó là quá trình kích thích. Hạt ở trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất ngắn, sẽ chuyển về trạng thái ổn đính sau khi phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ,nhiệt.Hạt ở trạng thái kích thích siêu bền tới hai hoặc ba giây, còn thường thì chỉ khoảng 10-8 đến 10-10 giây. 1.1.2. Mô tả vật lý sóng ánh sáng laser. Bức xạ laser là sóng điện từ có tần số từ 1017 ÷1011 Hz, ứng với bước sóng  = 1nm ÷ 1mm. Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số  xác định. Khi sóng lan truyền theo phương oz với vận tốc v thì biên độ sóng tại điểm z ở thời điểm t là : S = F(t - z/v) - F là hàm mô tả dạng sóng (mà dạng cơ bản thường là sin hoặc cos) thoả mãn phương trình sóng : Trường hợp tổng quát mà sóng lan truyền trong không gian: Khi một nguồn sáng điểm đặt trong một môi trường đồng tính và đẳng hướng thì mặt sóng là các mặt cầu đồng tâm ta có sóng cầu mà phương truyền sóng là các đường xuyên tâm vuông góc với các mặt sóng gọi là tia sóng. Biểu thức của sóng cầu sin tính : - gọi là số sóng -a là biên độ sóng cầu tại r =1 đơn vị. -:tần số sóng -0 : pha ban đầu S=acos[(t – kr) + 0 ] Khi ở rất xa nguồn một phần nhỏ của sóng cầu được coi là sóng phẳng. Sóng phẳng có các tia sóng song song và vuông góc với mặt sóng, biên độ sóng không giảm trên đường truyền . Với ánh sáng laser, sóng có thể coi là sóng phẳng. Biểu thức sóng phẳng: Biểu diên theo Ơ-le: ei= cos + isin S=acos[(t – kz) + 0 ] Hình1. 1 Mô tả sóng cầu và phẳng Sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng : có tính đồng pha của 2 véc tơ E và H và tạo với v một tam diện thuận . Trường hợp sóng điện từ phẳng điều hoà mà véc tơ E của nó chỉ dao động trong mặt phẳng xác định chứa phương truyền v còn H dao động trong một mặt phẳng vuông góc với E thì sóng đó gọi là phân cực phẳng hay thẳng với mặt phẳng phân cực trùng với H. Sự phân cực ánh sáng Trong trường hợp véc tơ E vẽ nên các đường phức tạp trong không gian thì có thể phân véc tơ E thành 2 phần Ex và Ey . khi đó đỉnh của E vẽ nên trong không gian một hình elíp gọi là phân cực elíp. Khi Ex=Ey ta có ánh sáng phân cực tròn .Ánh sáng tự nhiên có thể coi là phân cực tròn. Nếu trên đường truyền sóng đồng thời tồn tại hai sóng phân cực cùng phương dao động thì sóng tổng hợp cũng là phân cực phẳng có cùng phương dao động nếu hai sóng thành phần có cùng tần số thì tại điểm z đã cho ta có biểu thức: E1 = a cos(t+ 01) E2 = a cos(t+ 02) Ta có thể dùng phương pháp giải tích hoặc véc tơ quay để xác định pha  và biên độ A của sóng tổng hợp E = Acos(t+) : tg  = A2 =2a2 + 2acos(01 - 02) Hiện tượng giao thoa xảy ra: -nếu 10 -20= 0 thì A sẽ lớn nhất A = 2a A -nếu 10 -20 =  thì A sẽ nhỏ nhất A = 0 = = Khi ánh sáng lan truyền trong không gian thì mật đô năng lượng sóng được tính theo biểu thức sau: S= v. Khi tính theo cường độ sáng (hay độ rọi) - µ &  là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường truyền sóng. Thường trong các tính toán về năng lượng sóng người ta chỉ tính với cho đơn giản: Biểu diễn dưới dạng phức : Vận tốc lan truyền sóng trong môi trường bất kỳ:  Sù kh¸c biÖt cña sãng ®iÖn tõ ¸nh s¸ng vµ sãng ®iÖn tõ ra®i« Nguån ph¸t Sãng ¸nh s¸ng DÞch chuyÓn møc n¨ng l­îng ®iÖn tö Thu l­îng tö E=h vµ N¨ng l­îng tØ lÖ víi b×nh ph­¬ng biªn ®é sãng Sãng Radio ChuyÓn ®éng cã gia tèc cña ®iÖn tö Thu liªn tôc vµ N¨ng l­îng tØ lÖ víi diÖn tÝch biªn ®é sãng Nguån thu 1.2 Phát xạ kích thích sóng ánh sáng laser. 1.2.1 Nguyên lý phát xạ kích thích Anhxtanh Các hạt khi hấp thụ năng lượng sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ. Khi ở trạng thái kích thích, sau một thời gian tồn tại rất ngắn sẽ chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát xạ ra một phô tôn có mức năng lượng: E = h = Ei - Ek -Ei : mức năng lượng trên -Ek : mức năng lượng dưới Gọi là quá trình phát xạ tự nhiên Trong điều kiện tự nhiên quá trình hâp thụ và phát xạ tự nhiên là hai quá trình thuận nghịch. Năm 1928 Anhxtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích. Theo Anhxtanh: “ Nếu photon tác động lên điện tử có hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép có hiệu năng lượng tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích”. Mức laser trên Mức laser dưới Mô tả các quá trình hấp thụ và phát xạ trong tự nhiên Trạng thái bị kích thích Trạng thái chưa ổn định Năng lượng Quá trình phát xạ tự nhiên Trạng thái ổn định Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ kÝch thÝch Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích: -Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích phải phù hợp với phô tôn. Đây là điều kiện của quá trình phát xạ kích thích. -Phô tôn phát ra trong quá trình kích thích có cùng tần số, biên độ, pha, hướng và trạng thái phân cực như phô tôn kích thích.Phô tôn kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên trạng thái ban đầu. Phát xạ kích thích đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động của nguồn phát ánh sáng laser . Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser. §Æc tÝnh cña bøc x¹ kÝch thÝch Cùng biên độ Cùng tần số - Cùng hướng - Đồng pha - Cùng phân cực -Đơn sắc -Kết hợp -Độ tập trung (định hướng) -Khả năng đạt mật độ cao §Æc tÝnh cña Tia LASER 1.2.2 Điều kiện phát xạ bức xạ laser thành chùm tia laser. Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền trong hướng z, và môi chất laser có mức năng lượng Ni, Nk thoả mãn điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo định luật Bowger: I(z) = I(0) e -z Hệ số hấp thụ: = (c2 /4f2)( ln2/ )1/2 ( Nk/ f) -: thời gian sống của vật chất trong môi trường -Nk :Số hạt ở mức k -C: tốc độ ánh sáng trong môi trường đó -f vàf: tần số và độ rộng phổ của ánh sáng hấp thụ Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích: I(z)= I(0)e gz g: hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại: g= (c2 /4f2) ( ln2/ )]1/2 ( Ni/ f) Quá trình hấp thụ và bức xạ là quá trình thuận nghịch Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất: I(z) = I(0) exp [(c2 /4f2) ( ln2/ )1/2 ( 1/ f)( Ni- Nk)z ] Nếu Ni > N­k thì I(z) tăng, ngược lại Ni Nk : gọi là nghịch đảo mật độ tích luỹ. Nghịch đảo độ tích luỹ là trạng thái không bình thường: Nếu vật chât nằm ở nhiệt độ T của môi trường cân bằng nhiệt thì phân bố mật độ các hạt theo luật Bonzerman: N2 / N1 = exp [-(Ei – Ek) / kT ] Với k là hằng số Bonzerman và luôn có Ni >Nk bằng quá trình bơm kích thích. Khi sử dụng buồng cộng hưởng để tạo ra tia laser Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng đường z mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ lớn.Tuy nhiên kích thước của của môi trường laser bị hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật , vì vậy cần phải sử dụng một hệ 2 gương đạt song song đối xứng với nhau tạo nên một buồng cộng hưởng để tăng lộ trình của tia laser đi qua môi chất laser. Các mất mát khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt hai gương có hệ số phản xạ R1 và R2 nhỏ hơn 100% và sự không đồng nhất của môi trường laser làm giảm cường độ trên khoảng L cách giữa hai gương được xác định bởi hệ số -z. Cường độ bức xạ laser sau khi đi qua hai gương và môi chất laser: I(z) = I(0) R1 R2 exp [-2 L(c2 /4f2) ( ln2/ )1/2 ( 1/ f) ( Ni- Nk)z ] Để đảm bảo khuếch đại ánh sáng cần thiết hệ số này phải lớn hơn 1; logarit 2 về ta có: (Ni- Nk)> (c2 /4f2)( ln2/ )1/2( 1/ f)( 2 L – 0,5ln R1R2 ) Đây là điều kiện ngưỡng xác định độ nghịch đảo tối thiểu để hiệu ứng laser xuất hiện trên môi chất đã chọn với một buồng cộng hưởng. Cấu tạo cơ bản của laser 1- M«i chÊt Laser 2- Nguồn nuôi 3 & 4- Gương phản xạ toàn phần và Gương bán mạ 5- Tia laser 1.3 Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser. +M«i chÊt Laser: Tuỳ loại hoạt chất khác nhau mà  môi trường hoạt chất khác nhau : +Bộ cộng hưởng :Khuyếch đại bức xạ laser +Bơm Laser: Cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser ®Ó t¹o nghÞch ®¶o møc n¨ng l­îng 3 thµnh phÇn chính cña mét nguån Laser 1.3.1 Môi chất laser: Môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser. Nó cần có các hiệu mức năng lượng tương ứng có khả năng dịch chuyển lượng tử cho phép ứng với tần số laser cần phát. Hiện nay, có khoảng trên 1000 chất có thể sử dụng làm môi chất laser. Ví dụ: -Laser Rubi AlO2 có môi chất laser là Cr++ -Laser CO2 là khí CO2 , -Laser HeNe là Ne… Các dạng môi chất laser Dạng rắn Dạng khí Môi chất laser Có nhiều phương pháp để phân loại laser dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi chất laser có thể chia là 3 loại: Laser rắn (laser hồng ngoc, laser bán dẫn) Laser lỏng Laser khí (HeNe, CO2,..), trong đó: laser rắn là có độ bức xạ cao nhất. Để phát xạ tia laser, môi chất laser cần phải được kích thích đạt độ nghịch đảo cần thiết để trở thành môi trường nghịch đảo Tuỳ theo các loại môi chất laser có các dạng tạo độ nghịch đảo: 2, 3,4 mức song phổ biến dùng loại 3 và 4 mức Hình1. 4 Sơ đồ các loại mức Laser 1) Môi chất Laser chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:* YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz.* Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm * Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Loai GaAsAl có bước sóng 620-680nm 2) Môi chất Laser chất khí:* He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW. Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.* CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ. * ¤ xy-iot bước sóng 1.315 μm; Nguồn kích thích là phản ứng hóa học trong giữa çxy vµ iot; Ứng dụng trong lĩnh vực Vò khÝ laser ,nghiên cứu vật liệu và khoa học 3) Môi chấtLaser chất lỏng:Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm. Sử dụng các dung môi như metan, etan,, thêm vào chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser 1.3.2 Bơm laser Nguồn bơm là phần cung cấp n¨ng l­îng cho hệ thống laser. Ví dụ bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường lín nhÊt Laser He-Nedùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí Heli-Neon. Laser Nd: YAG dùng ánh sáng hội tô tõ ®Ìn phãng ®iÖn ngoµi Quá trình bơm Bơm: là khái niệm chỉ chung các bộ phận thực hiện việc cấp năng lượng để kích thích các phần tử của môi chất laser nên trạng thái kích thích để tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ. Phương thức thực hiện bơm phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại môi chất laser. Có mấy dạng chính sau: Qu¸ trinh b¬m kÝch thÝch tuú thuéc vµo lo¹i hÖ, cã thÓ thùc hiÖn b»ng nhiÒu c¸ch: ph­¬ng ph¸p kÝch thÝch quang häc (b¬m quang häc) vµ ph­¬ng ph¸p kÝch thÝch b»ng ®iÖn tö (b¬m ®iÖn tö). + Bơm quang học thực hiện dịch chuyển điện tử lên mức cao bằng hấp thụ ánh sáng như trong laser Rubi dùng đèn phóng điện chớp sáng Các đèn thường dùng là đèn khí Xenon, Argon, He…. phổ đèn thường rộng hơn dải phổ hấp thụ của laser do dòng điện tử trong đèn đi qua khí. dạng bơm kiểu xung thường dùng cho các laser rắn Kích thích bằng điện tử: dòng tử năng lượng cao va chạm với nguyên tử kích thích nó chuyển lên mức năng lượng cao. Kích thích bằng điện tử trực tiếp với laser dạng bán dẫn người ta có thể cấp trực tiếp dòng điện tử vào lớp chuyển tiếp p-n hiệu quả cao sẽ tạo ra laser có công suất mạnh Kích thích bằng cấp điện tử qua nguồn một chiều trong laser bán dẫn trong các hạt dẫn cơ bản ion (+) và e (-) + Kích thích điện tử: trong laser khí sự va chạm điện tử nhanh với các nguyên tử ở áp suất thấp (10-2 ÷ 1 tor) làm các phân tử và nguyên tử kích thích. Thường các chất khí co dạng 4 mức năng lượngvậy quá trình kích thích phải tạo tích luỹ mức trên đủ lớn và sự suy thoái mức dưới đủ nhanh. Tuy nhiên do phổ vận tốc điện tử lớn nên quá trính tích luỹ mức dưới thường sảy ra nhanh hơn, khó tạo ra nghịch đảo tích luỹ N2 >N1 Để khắc phục thường dùng phương pháp truyền năng lượng cộng hưởng: sử dụng một phần khí có cùng mức năng lượng kích thích nhưng có phổ hấp thụ rộng hơn ví dụ trong laser HeNe thì He là nguyên tử truyền năng lượng cộng hưởng cho Ne, + Phân rã nguyên tử: dùng môi chất là các hợp chất phân tử. Khi phân rã thành các nguyên tử, phân tử, hoặc va chạm hoặc ánh sáng mạnh chuyển thành trạng thái kích thích , ví dụ : CF3I chiếu sáng mạnh___.> CF3 + I+ + Trong laser khí động học: phun khí qua miệng hẹp tạo biến dạng phân tủ khí. 1.3.3 Buồng cộng hưởng laser Chức năng: gồm 2 chức năng chính Thực hiện hồi tiếp dương Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc và kết hợp Buồng cộng hưởng là 2 gương đặt ở hai đầu buồng chứa môi trường hoạt chất. Hai gương có tác dụng làm cho tia sáng phản xạ đi lại với quãng đường quang học dài hơn. Các tia có phương song song với trục buồng cộng hưởng được khuếch đại mạnh hơn nhờ hồi tiếp dương. Do là buồng cộng hưởng mở nên các tia có góc với trục quang đủ lớn sẽ đi ra ngoài buồng công hưởng sau một số lần phản xạ. Buång céng h­ëng quang häc Fabry-Perot lµ hai hÖ g­¬ng ph¼ng ®Æt song song, trong ®ã mét g­¬ng phản x¹ toµn phÇn, mét g­¬ng b¸n phản x¹ Trong buång céng h­ëng chïm s¸ng sau nhiÒu lÇn phản x¹ ®­îc khuÕch ®¹i lªn vµ ®­îc truyÒn ra ngoµi mét phÇn qua g­¬ng b¸n phản x¹ Nguyªn lÝ buång céng h­ëng Fabry-Perot Các sóng ánh sáng lan truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng đi qua môi trường hoạt chất nhiều nhất và được khuếch đại mạnh nhất. Nó sẽ quyết định công suất phát thực của laser và có tính định hướng rất cao. Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà vẫn bảo toàn pha, đồng thời các sóng bức xạ kích thích có tần số pha, tính phân cực giống ánh sáng kích thích nên bức xạ ra là bức xạ kết hợp. Nhờ hốc cộng hưởng có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc dao động khác nhau để thu được một bức xạ trong một giải phổ rất hẹp, gần như hoàn toàn đơn sắc. Có thể nói rằng: hốc cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của tia laser f0 f môi chất f b) f c) Khoảng cách giữa các tần số cộng hưởng: f q +1 -fq = c/ 2L flaser Tần số cộng hưởng:fq = q ( c /2L ) Các bước sóng cộng hưởng L = q λ/2 L: khoảng cách giữa hai gương q là một số nguyên được gọi là bậc mode λ: bước sóng của các mode được phép Khoảng cách các mod  q+1 -  q = 2/2L Các loại buồng cộng hưởng thẳng Buồng cộng hưởng vòng LASER HeNe nguồn Gương Môi chất Nguån kÝch thÝch: t¹o nªn tr¹ng th¸i nghÞch ®¶o mËt ®é electron. Gi¶i phãng h¹t photon. Ph¶n øng d©y chuyÒn ¸nh s¸ng ®­îc t¹o ra. C¸c g­¬ng ph¶n x¹ lµm t¨ng hiÖu suÊt khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng Mét sè photon tho¸t ra ngoµi h×nh thµnh chïm tia laser. Quá trình hình thành tia laser 1 2 3 4 1.4 Tính chất của tia Laser Tia laser khác biệt ánh sáng thường: - Độ đơn sắc cao: Chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có. - Độ kết hợp cao về không gian và thời gian:Cã chiÒu dµi kÕt hîp ®Õn hµng tr¨m Km - Độ định hướng cao: Góc mở đến vài mrad - Có khả năng hội tụ cao : đạt được mật độ công suất lớn *§Õn 10 14 W/cm2, ®èt ch¸y tÊt c¶ c¸c vËt liÖu 1.4.1 §é ®¬n s¾c cao Các thông số của phổ bức xạ của một số laser thông dụng. Độ rộng đường phổ phát xạ của bức xạ laser chịu ảnh hưởng của điều kiện làm việc của môi chất laser. Độ rộng vạch phổ của tia laser phụ thuộc vào tình trạng của buồng cộng hưởng. Độ rộng phát xạ của môi chất laser phụ thuộc vào thời gian sống i của hạt ở trạng thái kích thích và có thể xác định bằng nguyên lý Haisenberg . Như vậy độ rộng của các mức năng lượng sẽ càng lớn nếu tuổi thọ của trạng thái càng nhỏ. Më réng Lorent. Trong nguyên tử: -Các mức siêu bền có i = 23 giây nên độ rộng phổ nhỏ -Các mức kích thích thường có  = 10-8  10-9J nên lớn Do sự suy biến mức năng lượng đó ngay khi nguyên tử đứng im không bị tác động từ bên ngoài thì các vạch phổ hấp thụ hay bức xạ của chúng cũng tồn tại một độ rộng nhất định. Phổ phát xạ phụ thuộc vào mức suy biến Ei và Ek của các lớp năng lượng trong vỏ nguyên tử:  = 1/ h ( Ei -Ek ) Độ rộng vạch phổ của nguyên tử riêng rẽ và không bị kích thích gọi là độ rộng tự nhiên của vạch phổ hay dạng Lôrent, còn gọi là mở rộng đồng nhất. Më réng doppler. Phổ phát xạ phụ thuộc vào chuyển động nhiệt của các hạt theo hiệu ứng Đốp le. Trong laser khí, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn với các vận tốc khác nhau. Phổ phát xạ bị mở rộng:  = 20 (2kTln2/M) ½ / c -0: tần số ở trung tâm vạch phổ - M: khối lượng phân tử hoặc nguyên tử -T: nhiệt độ tuyệt đối Do đó, bức xạ đơn sắc của hạt bất kỳ được biểu diễn bằng phổ có độ rộng nhất định xác đinh bằng hiệu ứng Dốp-le sự mở rộng đó gọi là mở rộng không đồng nhất. Nh­ vËy tÇn sè sãng biÕn thiªn phô thuéc vµo vËn tèc dÞch chuyªn cña c¸c phÇn tö, nªn b­íc sãng tia laser còng biÕn ®æi Do më réng Doppler phô thuộc vµo vËn tèc dÞch chuyÓn cña ph©n tö nªn nã phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ khèi l­îng ph©n tö cña m«i chÊt laser . Do ®ã gi¶i ph¸p ®Ó t¨ng ®é ®¬n s¾c ta sÏ lµm gi¶m nhiÖt ®é cña c¸c phÇn tö (vÝ dô sö dông laser nguéi), Để tạo laser đơn mod, Dùng phổ biến phương pháp dùng buồng cộng hưởng ngắn. Khi đó khoảng cách mod là c/2L đủ lớn lớn và buồng cộng hưởng chỉ cộng hưởng với một mod chính. Phương pháp có nhược điểm là hạn chế công suất bức xạ do rút ngắn buồng môi chất laser. Phương pháp dùng buồng cộng hưởng kép, Laser làm việc trên tần số của buồng cộng hưởng ngắn nằm trong phổ là mod chung cho cả hai buồng L1 và L2 . Dùng buồng cộng hưởng kép cho phép đạt được công suất lớn, song đòi hỏi việc đặt gương và độ ổn định cao. L1 L2 Sự biến đổi tần số do sự biến đổi chiều dài buồng cộng hưởng vì dãn nở nhiệt Biện pháp: - Dùng vật liệu có hệ số dãn nở thấp như hợp kim Invar - Điều khiển nhiệt độ, ổn định nhiệt các chi tiết cơ khí và dùng chân không - Với laser khí: ổn định nguồn cấp để duy trì hệ số chiết suất không thay đổi. Có thể tạo ra các laser 1 mod đạt độ rộng xấp xỉ 1KHz trong những khoảng thời gian ngắn. -Khi ổn định thời gian dài: người ta sử dụng cơ cấu servo với laser hai tần Laser 1 mod có công suất ra cực tiểu địa phương là võng Lemba. Khi tần số laser nằm ở tâm đường phổ, Hệ gương được điều khiển bởi cơ cấu sensơ áp điện. Sự ổn định tần số đạt được đến 20Hz trong thời gian ngắn. Sự trôi tần số không quá vài chục Hz trong khoảng thời gian 1 giây. Laser HeNe một mod công nghiệp đạt 2KHz, sự ổn định nhiệt đến 1MHz và sự ổn định tần số dễ dàng đến 10-9. 1.4.2-§é kÕt hîp cao §Æc tr­ng quang häc næi bËt cña laser so víi c¸c nguån s¸ng kh¸c lµ ®å kÕt hîp. Cã thÓ coi laser thùc sù lµ nguån kÕt hîp ®Çu tiªn mét cach chÝnh x¸c. C¸c nguån s¸ng kh¸c ngay nh­ mÆt trßi hoÆc c¸c ®Ìn khÝ phãng diÖn chØ thùc sù kÕt hîp tõng phÇn Nguyªn nh©n: Theo nguyªn lý c¬ b¶n t¹o nguån laser th× c¸c photon ®­îc thªm vµo bøc x¹ kÝch thÝch sÏ cã cïng tÊn sè, cïng pha vµ cïng h­íng bay( ph©n cùc) khi ¸nh s¸ng ®­îc khuyÕch ®¹i trong buång laser. Nªn tia laser khi ®ã ®­îc t¹o nªn vµ ph¸t x¹ cã ®é kÕt hîp c¶ kh«ng gian vµ thêi gian. Về mặt toán học độ kết hợp được đặc trưng bởi một hàm toán học phức: 1,2 () -xác định khả năng kết hợp giữa hai sóng ánh sáng ở 2 điểm P1 và P2 trong các thời điểm khác nhau t và t + . -Như vậy 1,2 () có cả thành phần không gian và thời gian. -Giá trị của nó nằm trong khoảng 0 1 , giá trị 0 ứng với độ không kết hợp hoàn toàn còn 1 sự kết hợp hoàn toàn Hàm tìm bằng thực nghiệm khi cho 2 chùm tia tách từ một nguồn giao thoa laser. - độ chói cực đại của vân giao thoa - độ chói cực tiểu của vân giao thoa Ý nghĩa cơ bản khi phân tích giao thoa là khái niệm pha sóng .Sóng ánh sáng ở tại một điểm được xác định bởi véc tơ bán kính r: -E0(r,t): biên độ -(r,t): Pha -: tần số góc Biên độ E0(r,t) ít thay đổi và sự thay đổi chính trong tia laser là pha. Nếu pha  không đồng nhất thì giá trị gần bằng 0. Khoảng thời gian t mà giá trị của các pha biến động, không đổi được gọi là thời gian kết hợp, nó liên quan đến độ rộng đường phổ bức xạ của laser. Hoặc độ dài kết hợp Với m là số bậc giao thoa. Sự tồn tại các mod dọc trong laser làm mở rộng đường phổ của laser và làm giảm độ dài kết hợp của nó. Quan hệ giữa độ chói và hiệu hành trình tia chuẩn và tia đo: B = [ sin ( NL /2d ) /N sin (L /2d)] -B: độ chói -N: số mod dọc -L: hiệu quãng đường hai tia - d: dài buồng cộng hưởng của laser (tính theo mét) Hình1. 12 Ảnh hưởng của số mod dọc đến cường độ giao thoa §é kÕt hîp kh«ng gian: Khái niệm về độ kết hợp không gian nảy sinh khi khảo sát hàm 1,2 () ứng với trường hợp tác dụng tương hỗ của các sóng ánh sáng xuất phát từ các điểm khác nhau của tiết diện ngang của chum tia và có hiệu quãng đường bằng không . Độ kết hợp không gian phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc mod của tia laser. Nếu trong tia laser chỉ có 1 mod ngang thì giá trị tuyệt đối hàm rất gần 1 ví dụ laser khí chất lượng cao. Các mod ngang của laser HeNe làm việc ở chế độ liên tục. Độ dài kết hợp của một số laser thông dụng: Độ kết hợp đặc biệt rất quan trọng khi sử dụng ở: -Giao thoa kế: xác định phạm vi đo bởi độ dài giao thoa. -Kĩ thuật Hologram với đặc trưng không gian của các tia. 1.4.3-Độ định hướng cao Độ định hướng của tia laser liên quan đến mod ngang và là hình ảnh phân bố năng lượng trên tiết diện ngang của chùm tia. Hình 1.13.Phân bố năng lượng trong mod ngang Khi sóng phẳng lan truyền dưới góc  đối với trục buồng cộng hưởng thì tạo thành mod ngang thoả mãn: Lcos = q / 2 Và tần số mod ngang q = cq/ 2L  Khoảng cách giữa hai mod ngang  =q -q+1 = /2D Với D là bán kính gương Người ta chia mod ngang thành 2 mặt phẳng vuông góc m và n. Số mod ngang m,n thường không lớn do bị triệt tiêu thường chỉ vài mod với TEM0,0 là mod cơ bản . Với gương vuông chỉ số m đặc trưng cho số lần thay đổi hướng của từ trường dọc theo trục x và n là theo hướng trục y. Khi laser làm việc ở chế độ nhiều mod thì góc ra sẽ lớn hơn một mod ngang Khi các gương bị lỗi hoặc bụi bẩn sẽ làm cho laser chuyển sang mod ngang cao hơn: góc phân kỳ tia phụ thuộc số mod -x: số mod ngang -a: hệ số Khi đó góc ra của chùm gauss nó được gọi là giới hạn nhiễu xạ và góc của tia tính được trên góc tạo bởi tiết diện thắt ­0. Khi laser có dạng mod ngang TEM còn gọi là dạng mod ngang gauss. Cường độ của nó tính từ pha ra thực. bán kính tính từ tâm - cường độ chùm tại tâm - bán kính gauss: là bán kính tại tâm cường độ giảm đi e lần so với Khi đó công suất Góc ra của chùm tia ở mod Gausse là nhỏ nhất. Dạng Gausse của chùm tia sẽ không đổi khi đi qua các môi trường quang, trong khi các mod khác thì không thể như vậy. Để giảm mod ngang người ta dùng Diaphram để triệt tiêu nhiễu xạ các mod ngang bậc cao hoặc giảm đường kính ống laser để giảm độ thắt 0 . Hai phương pháp này đều làm giảm công suất tia laser. Phương pháp chọn lọc mod ngang là tăng đột ngột giá trị tổn hao do nhiễu xạ của các mod bậc cao do nó được phân bố xa trục ở mod cơ bản. Phương pháp khác: dùng gương cầu hoặc quả cầu phản xạ, gương có hệ số phản xạ biến đổi. 1.4,4-Khả năng đạt được mật độ công suất cao Cã thÓ nãi r»ng mét laser He-Ne 1mW cã ®é chãi gÊp hµng tr¨m lÇn ¸nh s¸ng mÆt trêi. ThËt khã t­ëng t­îng ®iÒu ®ã. Nguyªn nh©n: -§é ®¬n s¾c cao t¹o lªn kh¶ n¨ng héi tô lín. -§é ®Þnh h­íng cao( gãc më nhá). NÕu so s¸nh vÒ n¨ng l­îng ph¸t x¹ ( W/cm2sr) th× mét ®Ìn thuû ng©n cao ¸p lµ 250w/cm2sr, cßn nguån laser HeNe trªn ®¹t ®­îc 25.104 w/cm2sr a- Phương pháp hội tụ Ánh sáng thường góc mở là 4 (str). còn ánh sáng laser có độ định hướng cao nên có thể coi