Để phát Laser CO2, cần có quá trình phát xạ kích thích ánh sáng nhiều hơn l−ợng tổn hao do hấp thụ. Do vậy, cần nhiều nguyên tử ở mức 001 hơn mức 100. Tuy nhiên, các chất có phân bố nồng độ hạt bình thường thì mỗi nguyên tử ở bất kỳ nhiệt
độ hay trạng thái vật lý nào đều tồn tại ở trạng thái cơ bản là phổ biến và nồng độ hạt ở trạng thái năng l−ợng cao đều thấp hơn ở trạng thái năng l−ợng thấp. Vậy cần một quá trình nghịch đảo nồng độ để cho phép các nguyên tử tồn tại ở trạng thái năng l−ợng cao nhiều hơn. Laser chỉ có thể xuất hiện khi có hiện t−ợng phát xạ kích thích có nghĩa là khi tồn tại quá trình nghịch đảo nồng độ. Và một quá trình nghịch đảo nồng độ chỉ có thể đ−ợc kích hoạt thông qua kích thích bên ngoài.
Chỉ có các mức năng l−ợng mức cao có nồng độ lớn hơn trạng thái mức năng l−ợng thấp mới có khả năng dịch chuyển để sinh ra bức xạ tự phát và bức xạ kích thích.
Nh− đã khảo sát, điều kiện nghịch đảo nồng độ là: Ni >Nk .
Để khuếch đại Laser thì nồng độ hạt mức cao Ni phải lớn hơn nồng độ hạt mức thấp Nk. Điều này chỉ có thể thực hiện đ−ợc bằng cách nghịch đảo nồng độ vật chất ở
điều kiện bình th−ờng. Khi thực hiện điều này cần lựa chọn một dạng dịch chuyển năng l−ợng nào đó trong trạng thái kích thích đặc biệt của điện tử. Có rất nhiều phương pháp nghịch đảo nồng độ khác nhau như: Bơm quang học; Ion hoá; Phóng nguyên tử trung gian; Phản ứng hoá học; Dòng điện tử..
Tuy nhiên có thể chia thành hai loại chính: Bơm quang và bơm điện. Trong thực tế Laser khí không dễ dàng nhận thêm các hạt nh− trong tr−ờng hợp dùng bơm quang vì các dải thấp thụ của chúng nhỏ và thêm nữa tần số bức xạ của Laser khí th−ờng bằng với đèn bơm. Do đó bơm điện thường thích hợp đối với các Laser khí đặc biệt với Laser CO2. Quá trình bơm điện của một Laser khí đ−ợc thực hiện bằng cách cho phép một dòng điện có thể d−ới dạng liên tục, tần số điện từ hay d−ới dạng xung đi qua hỗn hợp khí. Nói chung dòng điện đi qua chất khí có thể đ−ợc cho qua dọc theo trục của Laser (gọi là phóng điện dọc) hoặc có thể đi ngang qua nó (gọi là phóng điện ngang). Trong các Laser phóng điện dọc, các điện cực th−ờng có cấu trúc vành khuyên, bề mặt catốt lớn hơn bề mặt anot để hạn chế hiện t−ợng giảm hệ số phẩm chất do các va chạm giữa các ion. Trong Laser phóng điện ngang, các điện cực đ−ợc kéo dài suốt cả chiều dài của vật liệu Laser. Các cấu trúc điện cực khác nhau đ−ợc sử dụng phụ thuộc vào kiểu Laser liên quan. Th−ờng thì các Laser phóng điện dọc chỉ
đ−ợc sử dụng cho các Laser phát xung liên tục trong khi đó các Laser phóng điện ngang sử dụng cho các loại Laser đ−ợc phát ra liên tục, xung và có tần số vô tuyến
điện. Do kích th−ớc chiều ngang của một Laser th−ờng nhỏ hơn nhiều so với chiều dọc, nên đối với cùng một hỗn hợp khí thì điện áp cần thiết đối với cấu hình phóng
điện ngang nhỏ hơn đối với cấu hình phóng điện dọc. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát về phương pháp bơm năng lượng tạo nghịch đảo nồng độ nhờ bức xạ điện từ trường ngoài. Phương pháp này được dùng cho những hệ thuộc sơ đồ 3 hoặc 4 mức năng l−ợng. Đây là cấu trúc hệ đặc tr−ng của phân tử CO2.
Xét hệ 3 mức năng l−ợng với E1 < E2 < E3 và nếu hệ chịu tác động của bức xạ điện tử có tần số ω13 =
h
1
3 E
E − thì hệ sẽ hấp thụ với dịch chuyển 1 → 3. Công suất của những dịch chuyển đó trong một đơn vị thể tích sẽ bằng:
Công suất hấp thụ: P13ht= ρ.B13N1hω31 Công suất kích thích: P31ht= ρ.B31N3hω31
Khi đó mức E3 sẽ đ−ợc tích luỹ và tích luỹ cho tới khi ch−a xuất hiện bão hoà, tức là khi N1 ch−a bằng N3.
Hình 1.13: Sơ đồ dịch chuyển 3 mức[1]
So sánh những hình 1.13a, 1.13b ta sẽ thấy khi E3–E2<E2–E1 nghịch đảo nồng
độ sẽ đ−ợc hình thành ở mức E3 và E2 Nồng độ N’3 của mức E3 trong trạng thái bão hoà lớn hơn nồng độ của mức E2 và E1 ⇒ bức xạ cảm ứng chỉ có thể xẩy ra ở dịch chuyÓn 3→2 víi tÇn sè ω32 =
h
2
3 E
E −
. Còn tr−ờng hợp (E3–E2)>(E2 –E1) thì ng−ợc lại, nghịch đảo nồng độ lại đ−ợc thực hiện ở 2 mức E2 và E1 và N2 >N’1 ⇒ bức xạ cảm ứng đ−ợc thực hiện ở tần số ω21 =
h
1
2 E
E −
. Gọi những dịch chuyển này là những dịch chuyển công tác.
Nh− vậy, trong các sơ đồ 3 mức để tạo nghịch đảo nồng độ, năng l−ợng bơm phải có tần số ứng với độ rộng của những mức 1 và 3 (hai mức biên). Nghịch đảo nồng độ mức giữa là E2 với một trong hai mức kia (E1 hoặc E3) tuỳ thuộc vào quan hệ giữa các dải năng l−ợng E2 –E1 với E3 – E2.
Chúng ta có thể xây dựng mối quan hệ giữa tần số bơm và tần số bức xạ. Muốn vậy hãy biểu diễn nồng độ ở mức E2, E3 là N2, N3 ở trạng thái cân bằng nhiệt động, qua nồng độ của mức E1 là N1.
N2 = N1. kT
E E
e
1 2−
− (1-15)
N3 = N1. kT
E E
e
1 3−
− (1-16)
Thông thường E2-E1<<kT và E3- E2<<kT, do đó những hàm mũ (1-15) và (1-16) có thể phân thành chuỗi, nếu chỉ lấy số hạng thứ nhất của chuỗi thì ta có:
f(E)
N1 N2 N’1=N’3 N3
E1 E2 E3 E (b) f(E)
N1 N’1=N’3 N2 N3
E1 E2 E3 E (a)
N2 ≈ N1. kT
E E
e
1 2−
− (1-17)
N3 ≈ N1.(1- kT
E E3 − 1
) (1-18)
ở trạng thái bão hoà của dịch chuyển 1→3, nồng độ của những mức E1 và E3 bằng nhau, tức:
N’1 = N’3 = 2
3
1 N
N +
(1-19)
Nếu thay thế (1-18) vào (1-19) ta đ−ợc:
N’1 = N’3 = 2
3
1 N
N +
= N1( 1- kT
E E
2
1 3−
) Nếu dịch chuyển công tác là 2→1 thì N2>N’1. Do đó:
N2 ≈ N1( 1- kT
E E2 − 1
)>N’1 (1-20)
Từ đó suy ra:
kT E E
2
1 3 −
> kT E E2 − 1
2
1
3 E
E −
>E2 - E1 (1-21)
Hay ω13>2ω21, tức tần số bơm phải lớn gấp đôi tần số bức xạ của máy phát Laser.
Kết luận trên chỉ đúng cho trường hợp khi chưa xét ảnh hưởng của những quá
trình tích thoát mạnh. Nếu quá trình tích thoát mạnh xẩy ra (hình 1.14) giữa các mức E3 và E2 thì thời gian sống của hạt ở mức E3 là τ3 sẽ rất nhỏ và thời gian sống của mức E2 là τ2 lại là rất lớn, mức E2 sẽ
đ−ợc tích luỹ mạnh và dịch chuyển công tác lại là 2→1. T−ơng tự, nghịch đảo nồng độ có thể có dịch chuyển 3→2 nếu giữa những mức E3 và E2 xảy ra tích thoát mạnh.
Trong Laser khí CO2, để nghịch
đảo nồng độ, người ta dùng hiệu ứng va chạm giữa nguyên tử hoặc phân tử
khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp (10-2ữ1mmHg) sẽ bị ion hoặc kích thích hoá. Tr−ờng hợp kích thích
Hình 1.14: Hiện t−ợng tích thoát mạnh [1]
f(E)
N1 N’1=N’3 N2 N3
E1 E2 E3 E (b)
hoá, khi đó những điện tử của nguyên tử hoặc phân tử nhận đ−ợc năng l−ợng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng l−ợng cao hơn. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng l−ợng làm sáng chất khí phóng điện nh− chúng ta đã thấy trong các đèn ổn áp có khí, đèn Thyatron, vv...
Trong các Laser khí chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hoá này sẽ tạo nên nghịch đảo nồng độ và cho bức xạ cảm ứng. Người ta có thể thực hiện phóng
điện hoặc bằng năng l−ợng cao tần hoặc bằng điện áp một chiều.