Quay lại

Thứ Tư, 13 tháng 10, 2010

Bước sóng chuẩn Laser


Laser, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ XX. Đến nay với những tính chất đặc trưng ưu việt của nó, laser ngày càng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, công nghệ. Sử dụng bước sóng chuẩn laser ổn định tần số làm chuẩn đo lường đơn vị độ dài mét là một trong những ứng dụng của laser.
Tính chất đặc trưng của tia Laser
Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt
So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt:
Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng l » 633nm có năng lượng  hn = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:
 
Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000oK bức xạ từ một diện tích DA = 1cm2 và cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ Dn = 104 nm thì số phôton nhiệt tính theo công thức:
 
So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều.
Độ định phương của Laser là cao
Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn.
Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích
 sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ.
chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối:
Giá trị góc khối  rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ 2p steradians.
Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn.     
Độ đơn sắc (monochromaticity)
Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm tia bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công thức.

Với công suất phát P = 1mW, 
ở vùng bước sóng đỏ sẽ có 
Đây là độ rộng rất bé.
 
Tính kết hợp của Laser (Coherence of laser beam).
Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp. Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian).
Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không đổi trên khắp mặt sóng của nó.
Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có  như thế nào thì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn.
Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một cách tự động.
Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí He-Ne được dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét. Hiện nay, phần lớn các Viện đo lường quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodine bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét.
Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot, xuất hiện "chỗ lõm Lamb" (Lamb dip). Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó được thực nghiệm xác nhận lại. Trên côngtua của đường cong khuyếch đại (Gain line) xuất hiện một chỗ lõm.
 
 
Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiều nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau. Giả sử bức xạ laser có tần số w  ¹ w0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning). Hoàn toàn tương tự với  với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử có  vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch. Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser.

 
Khi w  =  w0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi.
Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số. Vì độ rộng hốc nhỏ nên vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định tần số phát Laser. Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đã xác định tần số phát ở chỗ cực tiểu của hốc nói trên với độ chính xác 10-9
 
  Ống Iodine được lắp  bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10 mW).  Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bão hoà rất hẹp, laser được điều chỉnh và giữ cố định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát của thiết bị điện tử.
 














Phản ứng: