TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
---oOo---

TÌM HIỂU LASER HE-NE
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Ngành : Vật Lý

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Thuỷ
Giáo viên phản biện

Lê Văn Nhạn

Sinh viên thực hiện
Lưu Quốc Thanh
MSSV 1000140
Lớp: SP Lý Khóa 26

Cần Thơ - 2004


LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, em đã gặp không ít
khó khăn và thiếu sót. Nhưng nhờ sự giúp đỡ của quý Thầy Cô trong bộ
môn Vật Lý – Khoa Sư Phạm và các bạn sinh viên. Đặc biệt là sự chỉ
bảo của cô Nguyễn Thị Thu Thuỷ và thầy Lê Văn Nhạn đã giúp em
hoàn thành đề tài của mình. Em xin chân thành cảm ơn!

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù đã có nhiều cố gắng
nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự đóng góp ý
kiến của quý Thầy Cô và các bạn.

Sinh viên thực hiện

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu Lưu
họcQuốc
tập Thanh
và nghiên cứu


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................... 1
1.1 Hoàn cảnh thực tế............................................................................. 1
1.2. Mục đích của đề tài ......................................................................... 1
1.3. Giới hạn đề tài.................................................................................. 1
2. Các giả thuyết của đề tài ......................................................................... 1
3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 1
4. Các bước thực hiện .................................................................................. 1
Chương 1. Cơ sở vật lý laser............................................................................... 2
1.Bức xạ kích thích....................................................................................... 2
2.Cấu tạo một laser ...................................................................................... 6
2.1.Môi trường hoạt tính........................................................................ 6
2.2.Buồng cộng hưởng quang học ......................................................... 7
2.3.Nguồn bơm ...................................................................................... 11
3.Các tính chất của ánh sáng laser ........................................................... 11
3.1. Tính công suất lớn ......................................................................... 11

3.2. Định phương cao............................................................................ 11
3.3. Tính đơn sắc .................................................................................. 12
kết hợp
13 cứu
Trung tâm3.4.Tính
Học liệu
ĐH...................................................................................
Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên
3.5. Biến đổi bước sóng......................................................................... 14
Chương 2. Laser khí He-Ne ............................................................................. 16
1. Laser khí ................................................................................................. 16
1.1 Đặc điểm chung của laser khí........................................................ 16
1.2 Các loại laser khí điển hình ........................................................... 17
1.3 Cấu tạo laser khí............................................................................. 18
2. Laser khí He-Ne ....................................................................................... 22
2.1 Lịch sử phát minh.......................................................................... 22
2.2 Sơ đồ trạng thái của He và Ne...................................................... 22
2.3 Cơ chế thành lập môi trường nghịch đảo nồng độ.................... 25
2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất đầu ra của laser He-Ne... 27
2.4.1 Dòng phóng điện ................................................................... 28
2.4.1 Áp suất khí............................................................................. 29
2.4.1 Áp suất riêng phần của hổn hợp khí ................................... 30
2.4.5. Hình dạng tiết diện ống phóng điện ................................... 31
Chương 3 Khảo sát một laser He- Ne công suất nhỏ...................................... 32
1. Môi trường hoạt tính và các mức năng lượng....................................... 32
2. Sự khống chế những vạch laser không cần thiết................................... 33
3. Tỉ lệ áp suất............................................................................................... 34
4. Tối ưu hoá ống phóng điện...................................................................... 34
5. Đặc trưng dòng điện trong sự phóng điện trong chất khí.................... 35



6. Ống phóng điện ........................................................................................ 37
7. Cơ chế hư hỏng thường gặp của ống laser He-Ne................................. 39
8. Các đầu ra laser He-Ne khác .................................................................. 39
Chương 4 Ứng dụng .......................................................................................... 40
1. Chụp ảnh nổi........................................................................................... 40
2. Đo khoảng cách và định vị..................................................................... 41
3. Con quay Laser....................................................................................... 42
4. Ứng dụng laser trong y học ................................................................... 42
5. Những ứng dụng của laser vào thực tế của Việt Nam ........................ 43
5.1 Liệu pháp laser He-Ne nội mạch ..................................................... 44
5.2 Sử dụng laser điều trị bệnh phong và cai nghiện ma tuý ............. 45
5.3 .Dùng Laser He-Ne trị bệnh viêm quanh khớp vai ..................... 46
Kếtluận............................................................................................................…48
Phụ lục1 .............................................................................................................. 49
phụ lục 2 ............................................................................................................. 51

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
1.1 Hoàn cảnh thực tế:
Thế kỷ 20 là thế kỷ phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, có
những điều mà trước đây chưa ai nghĩ đến thì nay đã trở thành hiện thực. Một
trong những điều ấy chính là Laser (Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation ). Ngày nay, Laser phổ biến đến mức dù ở đâu, nơi nào
ta cũng nghe nhắc đến; tuy nhiên không phải ai cũng hiểu về nó. Laser có
nhiều loại tuỳ thuộc vào môi trường phát Laser là chất rắn, lỏng, khí, hay bán
dẫn mà nó được gọi tên tương ứng. Nếu để ý chúng ta sẽ thấy có một loại

Laser rất phổ biến đó là Laser He-Ne. Điều này làm cho nhiều người quan tâm
phải thắc mắc: Tại sao Laser He-Ne lại phổ biến? Tại sao hình ảnh chụp bằng
phép toàn ảnh lại sống động hơn so với cách thông thường ? Tại sao có thể
dùng ánh sáng Laser He- Ne làm “kim châm cứu” ? Tại sao có thể dùng Laser
He-Ne để cai nghiện ma tuý? Việc sử dụng chúng có nguy hại gì không ?...
Đây là những vấn đề mà những người quan tâm đến Laser cần trang bị cho
mình. Là một giáo viên vật lý thì cũng cần phải nắm rõ được những vấn đề
trên. Vì vậy, tôi chọn đề tài “ Tìm hiểu Laser He-Ne”
1.2 Mục đích của đề tài:
Mục đích của đề tài là tìm hiểu Laser He-Ne, một loại Laser được sử
dụng phổ biến và tìm hiểu được những ứng dụng của Laser này. Thông qua
tài, Cần
trang bị
cho @
mình
những
thức
bảnnghiên
về ngànhcứu
Trung việc
tâmnghiên
Học cứu
liệuđềĐH
Thơ
Tài
liệukiến
học
tậpcơvà
Laser nói chung, Laser He-Ne nói riêng.
1.3 Giới hạn đề tài:

Do thời gian nghiên cứu có hạn, sự hiểu biết của bản thân còn hạn chế
nên tôi chỉ nêu lên những vấn đề cơ bản nhất của Laser, nguyên tắc cấu tạo sự
hoạt động của Laser He-Ne và các ứng dụng dễ thấy nhất của nó. Không đi sâu
tìm hiểu ngành điện tử - lượng tử.
2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI:
• Ánh sáng Laser khác ánh thông thường.
• Laser He-Ne phát ra ánh sáng đỏ và có công suất nhỏ.
• Laser He-Ne được ứng dụng rộng rãi.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
- Nghiên cứu lý thuyết: Lý thuyết về cơ sở vật lý Laser;
Cơ sở kỹ thuật Laser
- Tìm hiểu các ứng dụng Laser.
4. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀTÀI:
• Bước 1: Nhận đề tài
• Bước 2: Lập kế hoạch thực hiện, xác định mục tiêu của đề và dự
kiến các công việc sẽ làm.
• Bước 3: Tìm tài liệu.
• Bước 4: Trao đổi với giáo viện hướng dẫn, viết đề tài.


• Bước 5: Viết báo cáo.
• Bước 6: Báo cáo

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu


CHƯƠNG 1

CƠ SỞ VẬT LÝ LASER
So với những tiến bộ vượt bậc của vật lý hạt nhân, vật lý vô tuyến và

vật lý bán dẫn, cho đến những năm 50, bốn mươi năm sau khi Einstein giới thiệu
khái niệm bức xạ kích thích, Laser đã phát triển vô cùng mạnh mẽ. Laser không
những làm trẻ hóa ngành quang học đã phát triển lâu đời mà còn ảnh hưởng rất sâu
sắc đến nhiều ngành và khoa học kỹ thuật khác. Laser là một trong những thành
tựu vĩ đại của khoa học kỹ thuật của thế kỷ này.
1. BỨC XẠ KÍCH THÍCH:
Ánh sáng thông thường xung quanh chúng ta như ánh sáng mặt trời,
ánh sáng đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt … đều do các nguyên tử bị kích thích phát
ra photon. Các nguyên tử phát ra ánh sáng một cách hỗn loạn, các bức sóng phát ra
không cố định, pha của chúng thay đổi. Đó là ánh sáng không đơn sắc, không kết
hợp.
Năng lượng của nguyên tử là gián đoạn, những mức năng lượng này
của nguyên tử quyết định tần số của ánh sáng phát ra hay ánh sáng hấp thụ. Xác
suất các hạt phân bố ở trạng thái có mức năng lượng E tuân theo phân bố
Boltzmann: e-E/kT.
Trong đó: E: là năng lượng của trạng thái.
k: hằng số Boltzmann.
nhiệt độ.
Trung tâm Học liệu ĐHT:Cần
Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Lý thuyết về sự hấp thụ và bức xạ của Einstein
Xét môi trường vật chất có mật độ nguyên tử là N và mỗi nguyên tử
trong môi trường chỉ có hai trạng thái lượng tử. Trạng thái ứng với mức năng
lượng cơ bản là E1 và trạng thái kích thích E2
Lý thuyết nhiệt động lực cho thấy:
- Khi nhiệt độ của hệ là 00K thì tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái cơ
bản.
- Khi nhiệt độ của hệ T> 00K, do chuyển động nhiệt mà các electron va
chạm không đàn hồi với nhau làm cho nội năng của nó tăng. Do đó, một số
electron bị kích thích lên trạng thái kích thích E2

Giả sử rằng các mức năng lượng không suy biến và hệ ở trạng thái cân
bằng thống kê. Và mật độ hạt ở mức E1và E2 là N1 và N2.Theo phân bố Boltzmann
ở điều kiện cân bằng:
N1 = g1exp(-E1/ kT)
N2 = g2exp(-E2/kT)
→N2/N1=g2/g1exp[-(E2-E1)/kT]
k hằng số Boltzmann k= 1,38.10-23J/ 0K,
g1 và g2 là trọng số thống kê ở mức E1 và E2.
Ở trạng thái cân bằng có nhiệt độ T> 00K số nguyên tử ở trạng thái kích
thích sẽ thấp hơn số nguyên tử ở mức cơ bản.
Sự phát xạ tự nhiên


Ở trạng thái kích thích E2, thời gian sống của electron thường rất ngắn
nên chúng tự phát quay về trạng thái cơ bản có năng lượng E1 dù không có tác
nhân kích thích nào từ bên ngoài.
Khi về trạng thái cơ bản, năng lượng sẽ được trả lại môi trường dưới
dạng bức xạ điện từ. Quá trình này gọi là bức xạ tự nhiên
E2-E1= hν21
Quá trình chuyển mức được đặc trưng bằng xác suất chuyển mức tự
phát A21 được định nghĩa như sau:
Ở thời điểm ban đầu (t=0) mật độ nguyên tử ở mức kích thích N2(0)
Ở thời điểm t, mức kích thích có mật độ nguyên tử N2(t). Độ biến thiên
mật độ ở mức kích thích do chuyển mức tự phát là:
(dN2/dt)TP= - A21N2
Dấu trừ cho thấy số hạt ở mức N2 giảm.
N 2 (t)
dN 2 1
dN2/N2= -A21.dt → ∫
= -A21.dt

N 2 ∫0
N 2 (0)
Lấy tích phân theo điều kiện ban đầu, ta có:
N2 (t) = N2(0). exp (-A21t)
Đưa vào khái niệm thời gian sống ở mức kích thích:
τ = 1/A21→N2 (t) = N2(0). exp (-t/τ)
Thông thường có thể đo được A21= 108 thì τ =1/A21 = 10-8s.
Trung tâm Học
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Sự hấp thụ
Nếu dùng năng lượng bên ngoài có giá trị tần số bằng ν21 để kích thích
nguyên tử thì electron trong nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng
thái kích thích. Vậy số electron chuyển dời lên mức E2 tỉ lệ với xác suất chuyển
dời từ E1 lên E2 là B12. Đồng thời nó cũng tỉ lệ với mật độ điện từ kích thích Uν12
và mật độ nguyên tử ở mức E1:
(dN2/dt)HT= Uν12B12.N1
Biểu thức trên chứng tỏ mật độ nguyên tử N2 tăng.
Bức xạ cảm ứng
Khi dùng một photon có giá trị bằng tần số ν12 đến kích thích điện tử
đang ở mức năng lượng E2 thì điện tử dễ dàng chuyển về mức cơ bản và phát xạ ra
thêm một photon có tần số đúng bằng tần số của photon kích thích ν21. Quá trình
này gọi là bức xạ cảm ứng.
Đặc điểm của bức xạ cảm ứng:
- Tần số của bức xạ cảm ứng bằng tần số của photon kích thích.
- Phương phân cực của photon phát xạ trùng với phương phân cực của
sóng điện từ kích thích.
- Xác suất chuyển dời từ mức kích thích xuống mức cơ bản là:
(dN2/dt)CU= - Uν12.B12N2
Phương trình Einstein viết cho sự hấp thụ và phát xạ, trong điều kiện có
sự ổn định của mật độ N2 là:



dN2/dt= (dN2/dt)TP+(dN2/dt)HT+(dN2/dt)CU=0
hay là :
A21N2 + Uν12(B21N2 – B12N1) = 0
Phương trình này gọi là phương trình Einstein.
Với các hệ số A21, B12, B21 là các hệ số Einstein. Từ phương trình trên
ta tính được:
A 21
Uν12 =
N
B12 N 1 − B 21

(

)

2

thay phương trình

N2 g2
 E −E  g
 hν 
=
exp − 2 1  = 2 exp − 21  vào ta
N1 g1
kT  g1

 kT 


có:
A 21

[B

Uν12 =

g2
12 g
1

(

exp −

hν 21
kT

)− B ]
21

Đây là phương trình giúp ta xác định mối quan hệ của các hệ số
Einstein. Khi T tiến đến vô cùng thì Uν12 cũng tiến đến vô cùng và lúc đó thì:
A 21
→∞
Uν12 = g
2
B
B

12
21
g

(

)

1

Trung tâm Học
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Vì hệ chỉ có hai mức năng lượng, giả sử các mức này không suy biến
nên
g1= g2 nên hệ trên được thoả mãn khi:
B21= B12= B
Chú ý rằng khi T khá lớn thì hν21<< kT. Khai triển Taylor của hàm
exp( −

hν 21
kT

) ta tính được:
Uν21=

A 21

[ (

B 21 exp


hν
− kT21

)−1]

=

8πhν 321
c

2

[exp(

1

hν
− kT21

)−1]

Biểu thức trên gọi là công thức Planck.
Từ đó ta có thể rút ra mối quan hệ của các hệ số Einstein
A c3
B21= 21 3 = B12
8πhν 21


Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu


Hình 1. Các quá trình dịch chuyển quang học
(a) Quá trình hấp thụ ánh sáng;(b) Quá trình bức xạ tự phát;(c) Quá
trình bức xạ cưỡng bức
Như vậy, năng lượng tích luỹ trong nguyên tử sẽ được cung cấp trở lại
môi trường bức xạ ở dạng một photon có năng lượng hν. Theo tính lưỡng nguyên
trong cơ lượng tử thì các photon mang năng lượng hν cũng là sóng điện từ có tần
số ν. Nghĩa là photon có năng lượng hν đã làm cho nguyên tử ở trạng thái kích
thích phát ra một photon giống hệt nó còn photon ban đầu chỉ đóng vai trò như là
một chất xúc tác (hình c). Quá trình này gọi là quá trình kết hợp.


2. CẤU TẠO LASER:

Hình 2. Cấu tạo một laser
Một thiết bị laser nhất thiết phải gồm ba thành phần chính như sau:
* Môi trường Laser (thường gọi là môi trường hoạt tính).
* Nguồn năng lượng phát xạ rất mạnh thường gọi là nguồn bơm vì qua
đó, năng lượng được “bơm” vào môi trường Laser.
* Thiết bị phản hồi cho phép “mồi” dao động gây ra sự phát xạ trong môi
trường Laser.
1.Môi trường hoạt tính:
Môi trường hoạt tính có thể là chất khí vì nó có cấu trúc các mức năng
lượng đơn giản. Ví dụ như các Laser khí He, Ne, CO2…Cũng có thể chọn chất
lỏng như các dung dịch sơn, chất hữu cơ hoặc chất rắn như thủy tinh, chất bán
Trung
dẫn,tâm
hồngHọc
ngọc,liệu
… ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hồng ngọc Rubi là hợp chất AL2O3 chuas 0,03 đến 0,05% tạp chất Br.
Trong thực tế người ta thường dùng các hoạt chất làm việc ở chế độ ba mức năng
lượng (hình vẽ)

E3

mức bơm trên
dịch chuyển không bức
xạ

E2
dịch chuyển
bơm
E1

mức laser trên
dịch chuyển laser
trạng thái cơ bản

Hình 3:Môi trường hoạt tính 3 mức năng lượng
Các electron của nguyên tử được kích thích bởi một chùm bức xạ mạnh
có tần số υ31 nên nó sẽ chuyển mức từ cơ bản E1lên E3 :


E3- E1= hυ31
Thời gian sống ở mức 3 là khá nhỏ nên nó có thể phát xạ tự nhiên về các
mức thấp hơn. Nếu ta có A32 >A31 thì nó sẽ chuyển từ mức 3 về mức 1. Và nếu A32
>A21, thì phần lớn electron sẽ ở lại toàn bộ mức 2. Mức 2 lúc đó gọi là mức siêu
bền.
Đến một thời điểm nào đó N2 >N1, ta nói hệ đã đạt trạng thái mật độ đảo

lộn. Khi đó với tác dụng của vài photôn kích thích ban đầu đẩy các electron từ
mức 2 về mức 1 thì sẽ có quá trình nhân số photôn xảy ra và các photon bức xạ
được tạo ra liên tục với tần số υ21
E2-E1= hυ21
Tần số bức xạ υ31 có tác dụng đẩy các electron lên mức 3 gọi là bức xạ
bơm.
Đối với các Laser khí thông thường ta có:
T32= 1/A32 =10-7s
T21= 1/A21 =10-3s
Trong môi trường này phải đợi cho đến khi có hơn 50% nguyên tử ở
trạng thái trên thì mới xảy ra sự phân bố đảo. Do vậy, để cho thuận tiện hơn, người
ta dùng cấu trúc bốn mức:
E4

mức bơm trên

dịch chuyển không bức xạ

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
E3
dịch chuyển bơm

E2

mức laser trên
dịch chuyển laser
mức laser dưới
dịch chuyển không bức xạ

E1


trạng thái cơ bản

Hình 4. sơ đồ laser bốn mức năng lượng.
Ở môi trường này thì không chỉ mức bơm trên mà cả mức laser dưới
dều có thời gian tồn tại ngắn và nó luôn luôn được làm trống ngay. Trên thực tế,
mức laser dưới luôn luôn trống nên môi trường nghịch đảo nồng độ được hình
thành ngay ở hệ bốn mức khi hệ được bơm.
2.Buồng cộng hưởng:
Buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ đặt đối diện nhau. Một gương
phản xạ hoàn toàn và một gương phản xạ một phần. Buồng cộng hưởng có hai
chức năng:


- Thực hiện hồi tiếp dương: Giả sử một dịch chuyển tự phát làm xuất
hiện một sóng ánh sáng trong buồng cộng hưởng, sóng được khuếch đại lên do các
dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua môi trường hoạt tính. Khi tới mặt phản xạ
một phần ánh sáng bị mất đi do hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần lớn được
phản xạ trở lại và khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng
xảy ra quá trình tương tự. Nhờ vậy, bức xạ ta thu được có cường độ lớn.
- Tạo ra bức xạ định hướng đơn sắc, kết hợp:
Do buồng cộng hưởng hở nên sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng
hưởng sẽ đi qua môi trường hoạt tính nhiều lần và được khuếch đại lên. Những
sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Laser. Còn những sóng lan truyền với
một góc lệch tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau vài lần phản
xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy, bức xạ Laser có tính định hướng cao. Trong quá trình
phản xạ nhiều lần của hai gương pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ
pha giữa các sóng không đổi nên sóng là kết hợp. Mặt khác nhờ buồng cộng
hưởng có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc các dao động khác nhau để thu
được các bức xạ trong dãy phổ hẹp gần như đơn sắc. Do đó buồng cộng hưởng có

vai trò quyết định trong việc hình thành tính chất cơ bản của bức xạ Laser.
Buồng cộng hưởng có nhiều dạng. Đơn giản nhất là hai gương phẳng
đặt song song gọi là hệ Fabri- Perot. Nó cho bức xạ định hướng cao nhưng lại khó
điều chỉnh. Do vậy, người ta thường dùng các gương Parabol hoặc gương cầu.
Thông dụng nhất là buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng
Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
nhau, đặt cách nhau một khoảng bằng bán kính của hai gương gọi là buồng cộng
hưởng đồng tiêu. Ưu điểm là dễ chỉnh và rất ít tổn hao do nhiễu xạ. Các gương lúc
đầu làm bằng thủy tinh hoặc thạch anh có phủ bạc, nhôm hoặc vàng. Hệ số phản
xạ trong vùng khả kiến từ 90-95%. Hiện nay, người ta dùng gương điện môi nhiều
lớp có tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, tiêu hao nhỏ. (hình vẽ)
Chất dùng để phủ gương thường là ZnS, Na3AlP6, MgF…
Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng :
Q=2πν

Ed
P0

Ed:Năng lượng dự trữ trong buồng cộng hưởng
P0: Năng lượng trunh bình tiêu hao trong 1s
Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng càng cao thì tiêu hao càng nhỏ.
Nếu chỉ tính tiêu hao do phản xạ:
Q= 2πL/λ(1-R)


với R: hệ số phản xạ
Ví dụ : VớI L= 10cm, λ= 0,6µm, R=0,9 thì Q= 1,2. 107 tức là hệ số
phẩm chất có giá trị rất cao.
Tiêu hao chủ yếu là do nhiễu xạ và sự không song song của các gương

Nếu tiêu hao do nhiễu xạ:
Q=2πL/λ(1-R+ λL2 )
2D
Với D:Kích thước gương
Do một trong hai gương lệch góc β thì
Q= ω n
c

2 LD
β

Ví dụ: Nếu L= 10cm,D=1cm,λ=1µm, Q= 107 thì β=10-3
Ngoài ra còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất của buồng
cộngtâm
hưởng
như liệu
tổn hao
do Cần
tán xạ,Thơ
do bề @
mặt Tài
của buồng
cộng hưởng
Trung
Học
ĐH
liệu học
tập và nghiên cứu
Nên hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng được tính
1

1
=∑
Qc
Q
i i
Nếu nhìn theo góc độ sóng, thì do có sự chồng chất của các sóng mà
giữa các gương sẽ xuất hiện một sóng đứng có cường độï ngày càng gia tăng
Nếu khoảng cách giữa các gương bằng một số nguyên lần nửa bước
sóng thì trong buồng cộng hưởng sẽ xuất hiện nhiều bụng sóng (khoảng cách giữa
hai gương thường từ vài centimet đến vài mét). Người ta gọi các sóng đứng khác
nhau là các mode của buồng cộng hưởng. Vì môi trường laser bên trong buồng
cộng hưởng chỉ có thể bức xạ ánh sáng nằm trong miền phổ đặc trưng cho dịch
chuyển tương ứng nên phổ của bức xạ laser được đặc trưng bởi một dãy các vạch
nằm rất gần nhau (các mode dọc của buồng cộng hưởng). Các mode trong miền
bức xạ sẽ được tạo ra với cường độ lớn nhất và cường độ này sẽ giảm gần như
dựng đứng ở hai phía biên của miền này.
Bởi vì khi laser bắt đầu hoạt động thì những mode mạnh nhất ở gần cực
đại sẽ xuất hiện trước tiên và làm cho sự phân bố dư thừa giảm đi rất nhanh. Do
vậy các mode yếu hơn sẽ không còn nữa.


Trong buồng cộng hưởng quang học không chỉ hình thành các dạng
sóng dao động song song với mặt gương mà cả các sóng tạo một góc nhỏ so với
đường thẳng góc với gương. Do đó mỗi mode dọc còn có thêm một sự phân bố
cường độ theo phương ngang gọi là các “mode ngang”.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 4. Các mode của buồng cộng hưởng
Hình vẽ cho thấy các phân bố này có cấu trúc rất phức tạp. Với rất

nhiều ứng dụng thì mode cơ bản (TEM00) – có phân bố cường dộ ngang đối xứng
dưới dạng đường cong Gauss – có nhiều khả năng về mặt thực nghiệm: Một mặt
trong số các mode ngang chỉ tạo ra duy nhất mode này mặt khác cũng giới hạn số
mode dọc trong dao động.
Cần chú ý rằng để quan sát và sử dụng được bức xạ laser ngoài
buồng cộng hưởng thì một trong hai gương phải có độ truyền qua ít nhất vài phần
trăm.


Hình 5. Một vài dạng buồng công hưởng
2.3. Nguồn bơm:
Quá trình kích thích nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên mức trên của
laser gọi là quá trình bơm. Có hai phương pháp bơm chủ yếu là bơm quang học và
bơm điện. Với bơm quang học, bức xạ của nguồn ánh sáng công suất lớn được
môi trường hoạt tính hấp thụ và do đó nguyên tử của môi trường chuyển lên mức
trên. Phương pháp này thuận lợi đối với các laser rắn và lỏng. Phổ hấp thụ của thể
rắn và thể lỏng thường rất rộng, phù hợp với phổ bức xa ïcủa nguồng bơm thông
thường là phổ đám. Vì vậy những đám này sẽ hấp thụ một phần lớn năng lượng
bức xạ nguồn bơm. Bơm điện được thực hiện trực tiếp bằng sự phóng điện. Đặc
biệt thuận lợi đối với laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí nói chung vạch
phổ hấp thụ rất hẹp nên không dùng bơm quang học được. Ngược lại, laser bán
Trung
liệuhiệu
ĐHquả
Cần
@quang
Tài liệu
họcdùtập
dẫn tâm
có thểHọc

làm việc
hơn Thơ
với bơm
học mặc
bơmvà
điệnnghiên
có nhiềucứu
thuận lợi hơn.
Một đặc trưng quan trọng khi cho laser hoạt động là khi bơm phải
chú ý là sẽ có xuất hiện các ngưỡng rất rõ. Từ một nguồn bơm khi chúng ta cung
cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính, ngay lập tức sẽ xuất hiện bức xạ tự phát
và tất nhiên lúc đầu gây mất mát rất lớn cho bức xạ vì chưa tồn tại được sự phân
bố đảo. Khi công suất bơm tiếp tục được tăng lên, những mất mát này sẽ được bù
lại bởi khuếch đại là hệ quả của bức xạ cưỡng bức và ở chính điểm này dao động
laser ngay lập tức xảy ra. Vì mật độ bức xạ gia tăng như thác lũ nên phân bố đảo
giảm đi rất nhanh. Dao động sẽ ngừng nếu nguồn bơm không tiếp tục cung ứng đủ
công suất bơm để duy trì cho sự cư trú ở mức laser trên đạt trị số yêu cầu. Nhờ
những tiến bộ của công nghệ các nhà khoa học đã chế tạo được những nguồn bơm
có công suất lớn và có phương pháp hữu hiệu để duy trì dao động liên tục hoặc tạo
ra các xung có thời gian xác định.
3. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LASER:
3.1.Tính công suất lớn:
Với laser khí He-Ne, có công suất 1 mW, bước sóng 0,6328 µm thì số
photon do laser phát ra trong 1 giây là:
−3
NL= Pc = 10−19 = 1016
h λ 10


Với nguồn nhiệt cở 10000K bức xạ từ một diện tích ∆A = 1 cm2 và

cùng phát sóng trong vùng thấy được với độ rộng ∆ν= 1000A0 (lấy λ= 6000A0) thì
số photon nhiệt là:
N = ∆A∆ν ≈ 1012
N

hc
k
e λT

−1
Do có công suất lớn như vậy, nên nó được ứng dụng trong nhiều ngành
như: Chế tạo máy, công nghệ ôtô (hàn, cắt, …), trong y học Laser là con dao mổ
thần kỳ, trong nghiên cứu nhiệt hạch có điều khiển trong phòng thí nghiệm…
3.2.Định phương cao
Tính định phương cao tức là chùm sáng rất song song, mức độ tập
trung của ánh sáng cao
Với chùm Laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng công hưởng với
gương có đường kính d (Tức là có diện tích A= πd2/4)
Góc nhiểu xạ: ∆ θ= λ/d
Chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối: ∆Ω = (∆θ)2= λ2/d2 ≈ λ2/A
Giá trị góc khối ∆Ω này rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn
nhiệt cở 2π Steradians
Tính chất này được sử dụng trong kỹ thuật trắc địa, xác định chính xác
vị trí các vật thể, thiên thể trong vũ trụ, điều khiển các con tàu vũ trụ…
3.3.Tính đơn sắc:
- Ánhliệu
sángĐH
đơn Cần
sắc là Thơ
ánh sáng

bước
sóng
xáctập
định.và
Màu
của ánhcứu
Trung tâm Học
@cóTài
liệu
học
nghiên
sáng phụ thuộc vào bước sóng λ (hay tần số γ=c/λ ). Ta chỉ có thể tạo ra ánh sáng
có bước sóng λ- ∆λ đến λ+∆λ, ∆λ càng bé thì ánh sáng càng đơn sắc.
- Bước sóng của ánh nhìn thấy từ 400 đến 700 nm gồm: Đỏ, cam, vàng,
lục, lam, chàm, tím. Ánh sáng đỏ từ 622- 760 nm.
- ∆λLaser ≈10-8nm. Vì vậy, ánh sáng Laser có tính đơn sắc cực tốt. Chùm
tia Laser màu đỏ, λ = 632,8 nm, tính đơn sắc của nó cao hơn nguồn sáng bình
thường tới 10 nghìn lần.
Độ đơn sắc: Được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm, có thể xác
định bằng công thức
2

4hν 0  τ1 
 c  2π
∆ν =
P
Với ν0: Tần số phát, P: công suất phát của bức xạ.
h: hằng số Planck.
τc : thời gian sống của photon trong buồng cộng hưởng .
Đối với Laser công suất phát P= 10-3W, ≈ 1MHz ở vùng bước sóng đỏ

sẽ có ∆ν∼5.10-3 Hz. Đây là độ rộng rất bé.


Hình 6. Mối liên hệ giữa tần số và biên độ của ánh sáng laser
Ngoài ra, để độ đơn sắc cao đòi hỏi tần số phải ổn định (độ sạch của
phổ): Ta có
−3
T0= ∆ν = 5.10 15 = 10 −17
ν 0 0.5.10
Muốnliệu
có sựĐH
ổn định
số, buồng
cộngliệu
hưởng
phảitập
rất ổn
độ dàicứu
Trung tâm Học
CầntầnThơ
@ Tài
học
vàđịnh,
nghiên
của nó phải thay đổi rất ích, thoả mãn hệ thức:
∆d = ∆ν
ν0
d
với ∆d: độ thay đổi của độ dài cộng hưởng d.
Úng dụng: trong nghiên cứu hoá sinh hiện nay, thước đo chiều dài

chuẩn với độ sai số rất nhỏ.
3.4. 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).
Định nghĩa:
Sóng có tính kết hợp không gian khi ở 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, nếu pha là gống với pha mà
sóng có được sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c (với khoảng
cách L tuỳ ý) thì sóng được xem là có tính kết hợp thời gian
a. Tính kết hợp thời gian:
Tính chất thời gian của Laser biểu hiện cụ thể trong chế độ làm việc
liên tục hay xung của Laser. Khi phát xung, năng lượng và công suất phát liên hệ
với nhau qua độ rộng xung (thời khoảng xung) theo công thức :Pc= E
τ


Pc: Công suất đỉnh xung
E: Năng lượng xung
τ: Độ rộng xung
Công suất trung bình của xung được xác định bằng công thức:
Pm=EνR
νR: Nhịp lặp lại của xung. νR= 1 ÷100 Hz.
Tính kết hợp thời gian còn liên hệ chặt chẻ đến độ đơn sắc của sóng
được biểu hiện qua hệ thức bất định Heisenberg:
τ∗ ∆νc ≥ 1
4π
với τc: Thời gian kết hợp, ∆νc: Độ rộng vạch phổ của bức xạ
Ngoài ra người ta còn sử dụng khái niệm độ dài kết hợp: Lc=c.τc
b. Tính kết hợp không gian:

Thể hiện ở 3 điểm:
- Sự ổn định của mode ngang (dạng dao động ngang)
Biên độ và pha của sóng có giá trị không đổi trong mặt tiết diện ngang
của buồng cộng hưởng sau quá trình truyền sóng đi và về giữa hai gương phản xạ.
Với buồng cộng hưởng có gương cầu, sóng có dạng hình Gauss. Do đó
ở bất kì điểm nào trong buồng cộng hưởng sự phân bố cường độ cũng là dạng
Gauss
2

2r
− ĐH
Trung tâm Học
liệu
2 Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
I (r) =I0 e W (z )
với : I0: Cường độ trên trục của buồng cộng hưởng.
W(z): Bán kính vòng tròn ở đó cường độ giảm một thừa số e2 so với I0.
Tính chất không gian còn biểu hiện ở chổ chùm tia Laser ló ra sẽ giữ
nguyên tính chất phân bố Gauss khi trong buồng cộng hưởng chúng là phân bố
Gauss.
- Tính chuẩn trực của chùm tia (đặc trưng tính chất không gian của
chùm tia Laser ). Tính chất này quy định bởi hiện tượng nhiễu xạ và góc nhiễu xạ
θ được xác định bởi: ∆θ= d/λ.
Người ta có thể thay đổi độ chuẩn trực θ theo yêu cầu ứng dụng bằng
cách sử dụng các kính với cách bố trí “đồng tiêu”. Góc chuẩn trực liên hệ theo
công thức θ1d1=θ2d2.
với: θ1,θ2:Góc nhiễu xạ
d1, d2: Đường kính.
Sự xê dịch một trong hai thấu kính có thể thu được chùm song song với
góc θ1,2 hầu như bằng 0.

-Sự hội tụ của chùm tia: (thể hiện tính chất không gian)
Đối với Laser, chùm tia có thể được tập trung hội tụ tại một điểm có
diện tích cở λ2.


Với Laser He-Ne công suất 2mW, dùng thêm thấu kính có thể hội tụ
chùm tia trong một diện tích 18-8cm, và sẽ đạt được mật độ công suất cở 200 KW/
cm2.
Vì mật độ tập trung ánh sáng là rất lớn nên nhiệt độ tại điểm hội tụ có
thể đạt đến 6000 - 8000 0K. Ở nhiệt độ như thế, các chất rắn và chất lỏng đều bị
chảy hoặc hóa hơi trong một thời gian ngắn
Hình ảnh giao thoa rõ ràng là thước đo tính kết hợp không gian của các
nguồn sáng.
c. Độ kết hợp:
Độ nét hay chói của hình ảnh giao thoa cho biết về tính kết hợp không
gian hay thời gian của sóng. Từ lý thuyết giao thoa sóng ta có độ kết hợp (độ
tương phản) của vân giao thoa là:
I
−I
VP= max min
I max + I min
0≤ Vp≤1
Khi Vp=1: Sự tương phản là cực đại và ta có tính kết hợp thời gian và
không gian hoàn toàn.
Khi Vp =0: Không có tương phản giữa các vân do Imax-Imin=0, trong
trường hợp này không có hiện tượng giao thoa và sóng hoàn toàn không kết hợp.
Khi 0< Vp <1: Sóng kết hợp một phần.
Tính chất này được dùng trong phép chụp ảnh giao thoa, truyền tải
Trung
tâm

Học
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
thông tin lớn gấp bội lần sóng vô tuyến, thông tin liên lạc vũ trụ…
3.5. Biến đổi bước sóng:
Mỗi laser đều có khả năng điều chỉnh tần số trong một miền nhất định
dù rất nhỏ. Người ta thực hiện điều đó bằng cách đưa một yếu tố chọn lọc tần số
vào buồng cộng hưởng và xác định các mode trong miền phát xạ của môi trường
laser bằng cách thay đổi chiều dài của buồng cộng hưởng. Riêng laser màu, có thể
cho phép ta thay đổi liên tục bước sóng trong một miền tương đối rộng khi dùng
một chất màu laser thích hợp làm môi trường laser. Ta có thể tạo ra bức xạ laser
trong toàn bộ miền phổ từ tử ngoại đến hồng ngoại gần.
Tóm tắt chương 1: Để tạo được một máy phát laser chúng ta cần
phải tạo ra được sự bức xạ cưỡng bức trong môi trường laser. Để làm được điều
này, môi trường hoạt tính phải có ít nhất là ba mức năng lượng, nguồn bơm để tạo
sự phân bố đảo. Đồng thời, bức xạ phải được khuếch đại bởi buồng cộng hưởng.
Như vậy, ta có thể nói laser là sự khuếch đại lượng photon ánh sáng của một môi
trường nào đó bằng cách dùng ánh sáng kích thích có cùng tần số với tần số của
photon bức xạ từ môi trường đó. Nhờ vậy, ánh sáng laser có tính đơn sắc, kết hợp
rất tốt, định phương rất cao và có công suất rất lớn.


CHƯƠNG 2

LASER KHÍ HE-NE
1. LASER KHÍ:
1.1. Đặc điểm chung của laser khí:
Laser khí là một máy phát lượng tử quang học mà môi trường hoạt
tính nằm trong pha khí. Nó có thể là khí nguyên tử, hỗn hợp hay ở dạng plasma
khí phóng điện. Những điểm khác nhau chủ yếu của laser khí với các loại laser
khác là:

a) Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của nguyên
tử, ion hay phân tử khí cô lập. Trong những điều kiện ấy, sự tương tác giữa các hạt
trong môi trường là cực tiểu. Vì vậy vạch phổ của các mức năng lượng này có độ
rộng rất hẹp (10-7-10-6 µm). Tính chất đó cho phép chúng ta nói trước được rằng có
vô số sơ đồ dịch chuyển mức năng lượng trong các khí khác nhau để thành lập môi
trường nghịch đảo nồng độ.
b) Môi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn. Mật độ khí nhỏ
nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu nên góc loe của chùm tia rất nhỏ.
Điều này cho phép ta dùng khoảng cách hai gương phản xạ lớn. Vì vậy, laser khí
có chùm bức xạ định hướng cao và độ đơn sắc lớn. Với laser khí nếu dùng hai
gương phẳng song song và không dùng đến một thiết bị phụ nào thì góc loe đã đạt
dưới một phút.
c) Trong
nghịch
thường
hiện bằngcứu
Trung tâm Học
liệulaser
ĐHkhí,
Cần
Thơđảo@nồng
Tàiđộliệu
họcđược
tập thực
và nghiên
phóng điện trong chất khí ở ngay trong ống laser.
d) Laser khí có nhược điểm là mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt
trong thể rắn. Vì vậy với một centimét khối khí không thể nhận đủ lượng nguyên
tử kích thích để bức xạ như ở thể rắn. Do đó laser khí thường có kích thước lớn.



Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

1.2. Các loại laser khí điển hình:
Laser khí có thể được chia làm ba loại:
Laser nguyên tử, laser ion và laser phân tử nói chung là khác nhau ở
cơ chế thành lập môi trường nghịch đảo nồng độ và độ dài sóng phát ra. Dãy bước
sóng khác nhau là do phổ năng lượng của nguyên tử trung hòa, ion và phân tử là
khác nhau.
Đối với nguyên tử trung hoà: năng lượng ion hóa wi=5~15eV. Còn
hiệu số năng lượng giữa mức trên và mức dưới của laser cỡ ∆ε ∼0,141,0 eV. Giá
trị ∆ε này tương ứng với độ dài sóng λ nằm trong vùng hồng ngoại. Như vậy laser
nguyên tử khí chủ yếu là nguồn bức xạ hồng ngoại.
Laser ion: khí bị ion hóa mạnh hầu như không còn nguyên tử trung
hòa. Năng lượng ion hóa 2-3 bậc wi=12-25eV. Còn ∆ε ~ 2-5eV. Điều này có nghĩa
là laser ion chủ yếu là nguồn bức xạ ánh sáng trong vùng thấy được và tử ngoại.
Laser phân tử: năng lượng phân ly không lớn wi≈2-3eV, dịch chuyển
giữa các mức làm việc tương ứng với độ dài sóng từ 10 – 150µm tức là vùng hồng
ngoại và vùng gần mm.


Như vậy laser khí là một nguồn bức xạ có độ dài sóng trong một dãy
khá rộng: từ bức xạ tử ngoại (gần 2000Ao) đến vùng gần mm (0,4mm).
Trong dãy sóng đó, laser khí các loại có thể phát đến vài trăm tần số
khác nhau.
Bảng 1: Một số loại laser khí điển hình:
Độ dài sóng Chế độ làm Đặc điểm
việc
(µm)
Phân tử H2

0,116
Xung
Độ dài sóng nhỏ nhất nằm trong
vùng tử ngoại chân không. Dòng rất
0,160
Xung
lớn, công suất phát rất lớn.
+++
0,2358
Ion Ne
Xung
Độ dài sóng nhỏ, dòng phóng điện
++
lớn. Còn phát những bước sóng khác
Ion Ne
0,3324
công suất xung rất lớn, cần nguồn
Phân tử N2
0,3371
điện cao thế.
++
Ion Ar
0,4480
Liên tục
Công suất lớn trong vùng phổ xanh.
0,5145
Công suất lớn trong vùng phổ xanh
lá cây.
++
Ion Kr

0,5682
Xung
Công suất lớn trong vùng phổ vàng.
Trung
tâm Học
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài
học bình
tập trong
và nghiên
Nguyên
tử 0,6328
Côngliệu
suất trung
miền phổcứu
He-Ne
đỏ. Được ứng dụng rộng rãi.
1,528
Laser hồng ngoại công suất nhỏ.
Nguyên
tử 2,061
Môi trường hoạt tính có hệ số
Xe
khuếch đại lớn.
Phân
tử 10,6
Liên tục và Hệ số tác dụng có ích cao và công
CO2+N2+He
xung
suất rất cao.
Phân tử H2O 27,9

Xung
Công suất cao trong miền hồng
ngoại
118,6
Một trong số rất ít laser trong vùng
hồng ngoại xa.
Phân tử HCN 337
Liên tục
Một trong số rất ít laser trong vùng
hồng ngoại xa.
Laser

1.3. Cấu tạo laser khí:
Bộ phận chủ yếu của một laser khí là ống phóng điện chứa khí (hình
vẽ). Ống (bằng thuỷ tinh hay thạch anh) có đường kính cở vài milimet đến vài
decimet và độ dài từ vài cetimet đến vài met. Bên trong ống được gắn hai điện cực
để tạo môi trường phasma khí phóng điện (nếu kích thích laser bằng phóng điện
cao tần thì các điện cực được đặt bên ngoài).


Trong ống phóng điện, Cathode có thể là catod oxit hoặc Cathode
kim loại có nhiệm vụ phát xạ điện tử, ống phóng điện phát xạ Cathode được chế
tạo theo công nghệ chế tạo điện tử chân không. Tức là bơm tới chân không cao rồi
mới nạp khí vào. Chính khí này là môi trường hoạt tính.
Hai đầu ống phóng điện được gắn kín bằng hai bản song song với độ
dày 3 – 5 milimet và lệch so với trục ống một góc bằng góc Brewster. Với cửa sổ
đó, bức xạ phân cực thẳng trong mặt phẳng tới sẽ không bị mất mát do phản xạ và
triệt tiêu những bức xạ có phân cực vuông góc với mặt phẳng tới.
Ống phóng khí thường được đặt giữa hai gương laser tức là được đặt
trong buồng cộng hưởng quang học gương laser cần được chỉnh thật song song với

nhau. Người ta thường đặt gương trong những giá gương và nhờ giá gương này
mà người ta có thể điều chỉnh gương đến độ song song cần thiết.
Có hai cách bố trí gương hoặc đặt gương trong ống phóng khí tức là gương
đặt trong môi trường khí, giá đỡ gương khi đó là ống silfon hoặc đặt gương ở
ngoài ống phóng khí. Cấu trúc kiểu gương ngoài có nhiều ưu điểm vì hệ thống
điều chỉnh gương đơn giản, không cần đòi hỏi đảm bảo độ kín chân không. Khi đó
ống phóng Laser sẽ có độ bền cao hơn vì nó không gắn với những linh kiện bằng
kim loại của giá đỡ gương, do kim loại dễ tác dụng với khí làm giảm chất lượng
khí. Chế tạo ống phóng cũng đơn giản hơn vì không phải hàn nối giữa thuỷ tinh
với kim loại. Độ bền của gương lớn hơn nhiều so với trường hợp gương đặt trong
ống. Vì mặt gương không bị ion bắn phá, mặt khác, trong chân không cao, những
lớp tâm
phủ ở Học
mặt gương
thểCần
bị bong
ra. Ngoài
ra có
thểhọc
dể dàng
riêng rẽcứu
Trung
liệu có
ĐH
Thơ
@ Tài
liệu
tậpthay
vàthế
nghiên

gương và ống phóng khi chúng bị hỏng, đồng thời có thể dể dàng đặt vào trong
buồng cộng hưởng những linh kiện điều chế hoặc lựa chọn những dịch chuyển bức
xạ cần thiết. Chính vì những ưu điểm kể trên mà hiện nay các Laser khí chủ yếu
được chế tạo theo kiểu gương ngoài.
Tuy vậy, trong thực tế gặp nhiều khó khăn trong chế tạo chủ yếu là tiêu hao
ở hai đầu ống phóng điện, bởi vì ở hai đầu ống, ngoài việc phải bảo đảm chất
lượng bề mặt cao, còn phải bảo đảm tiêu hao nhỏ. Đầu ống phóng thường được
gắn những tấm thuỷ tinh phẳng song song. Tiêu hao cơ bản là do phản xạ từ hai
mặt phẳng của tấm thuỷ tinh đó. Như chúng ta đã biết, hệ số phản xạ từ bề mặt
phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau phụ thuộc vào góc tới, chiết
suất và dạng phân cực của tia sáng.
Nếu tia sáng đập vuông góc vào tấm phẳng có hai mặt song song nhau thì
tiêu hao sẽ chỉ phụ thuộc vào chiết suất của tấm phẳng đó và được tính theo công
thức:
2
α = 200 n -1
n +1
Trong đó: α Hệ số suy giảm (%)
n: chiết suất của tấm phẳng.
Sự phụ thuộc α = f(n) được biểu diễn trên hình vẽ:

( )


α%

12

10


8

6
1

1,5

2

n

Hình 8. Sự phụ thuộc của α vào chiết suất môi trường.
Với những giá trị thường gặp của chiết suất, ta thấy tiêu hao ở tấm phẳng
khá lớn từ 7-43 %. Tiêu hao lớn sẽ làm giảm hệ số phẩm chất của buồng cộng
hưởng và sẽ hạn chế sự tự kích phần lớn những dịch chuyển trong chất khí.
Để giải quyết vấn đề trên ta làm như sau:
Ta biết rằng bất kỳ bức xạ có dạng phân cực nào cũng có thể coi như xếp
chồng của hai bức xạ phân cực phẳng vuông góc nhau. Nếu pha của hai bức xạ
thành
phầnHọc
này trùng
nhau Cần
thì tổng
của chúng
sẽ liệu
là bứchọc
xạ phân
Nếucứu
Trung
tâm

liệu ĐH
Thơ
@ Tài
tậpcực
vàphẳng.
nghiên
những bức xạ thành phần lệch nhau một góc không đổi thì bức xạ tổng sẽ là bức
xạ phân cực elíp. Bức xạ tự nhiên cũng có thể coi như xếp chồng của hai bức xạ
phân cực vuông góc nhau.
Khi bức xạ chiếu vuông góc vào tấm phẳng đặt ở đầu ống phóng khí thì
tính phân cực không giữ vai trò quan trọng. Nhưng nếu bức xạ đập vào tấm phẳng
theo một góc tới nào đó thì phản xạ từ tấm phẳng lại sẽ phụ thuộc rất nhiều vào
chiều của mặt phân cực của bức xạ tới. Hệ số phản xạ của bức xạ phân cực phẳng
sẽ lớn nhất khi mặt phẳng phân cực vuông góc với mặt tới và hệ số phản xạ sẽ phụ
thuộc vào góc tới theo luật
2
 sin (i -i') 
r⊥ = 
 sin (i + i') 
i: góc tới; i’: góc khúc xạ
Còn nếu mặt phân cực của bức xạ trùng với mặt phẳng tới thì hệ số phản xạ
cực tiểu và
2
 tg (i -i') 
r// = 
 tg (i + i')