Bài giảng Quang điện tử

Bài giảng 
Quang điện tử 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 1 
Chƣơng 1 
CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 
1.1 Ánh sáng 
1.1.1. Tính chất vật lý của ánh sáng 
 Bằng phương pháp toán học, Macxoen đã chứng minh rằng điện từ 
trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng tại một điểm 
sinh ra sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng đó được gọi là 
sóng điện từ. 
Người ta nói rằng điện tích dao động đã bức xạ ra sóng điện từ. Nếu xét 
theo một phương truyền Ox, sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện 
dao động theo phương thẳng đứng và thành phần từ dao động theo phương 
nằm ngang. 
Hình 1.1. Sóng điện từ lan truyền trong không gian 
Tần số sóng điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của 
nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không. 
Năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số. 
Ngày nay, người ta đã biết rằng sóng điện từ có đầy đủ các tính chất như 
sóng cơ học, nhưng sóng cơ học, truyền đi trong những môi trường đàn hồi, 
còn sóng điện từ thì tự nó truyền đi mà không cần nhờ đến sự biến dạng của 
một môi trường đàn hồi nào cả, vì vậy nó truyền được cả trong chân không. 
Ánh sáng khả kiến dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm 
trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 
nm đến 700 nm). 
"Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ 
tím. "Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. 
Ánh sáng có quang phổ trải đều từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng, ánh sáng 
có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc". 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 2 
Hình 1.2. Phân loại Sóng điện từ 
Ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng nhìn thấy được chiếm một phần rất 
nhỏ trong phổ sóng điện từ. 
1.1.2. Bƣớc sóng và màu sắc ánh sáng 
 Đo bước sóng của những ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng phương 
pháp giao thoa, người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hoàn 
toàn xác định. Chẳng hạn: 
 ánh sáng màu đỏ ở đầu của dải màu liên tục có bước sóng: . 
 ánh sáng màu tím ở cuối của dải màu liên tục có bước sóng: 
 Ánh sáng vàng do đèn hơi natri phát ra có bước sóng: . 
Như vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định. 
Màu ứng với ánh sáng đó gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ. 
Thực ra, những ánh sáng đơn sắc có bước sóng lân cận nhau thì gần 
như có cùng một màu. Vì vậy, người ta đã phân định ra trong quang phổ liên 
tục những vùng màu khác nhau: 
 Vùng đỏ có bước sóng từ: 
 Vùng da cam và vàng có bước sóng từ: (Vùng da 
cam và Vùng vàng) 
 Vùng lục có bước sóng từ: 
 Vùng lam - chàm có bước sóng từ: (Vùng lam-
chàm) 
 Vùng tím có bước sóng từ: 
Ngoài các màu đơn sắc, còn có các màu không đơn sắc, là hỗn hợp của 
nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau. 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 3 
Hình 1.3. màu sắc và bước sóng của ánh sáng 
1. Tia hồng ngoại 
 Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy dược có bước sóng 
lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ . Tia hồng ngoại có bản chất là 
sóng điện từ. Tia hồng ngoại do các vật bị nung nóng phát ra. 
 Vật có nhiệt độ thấp chỉ phát ra được các tia hồng ngoại. Chẳng hạn 
như thân thể người ở nhiệt độ chỉ phát ra các tia hồng ngoại trong đó 
mạnh nhất là các tia có bước sóng ở vùng . 
 Vật có nhiệt độ bắt đầu phát ra ánh sáng màu đỏ tối nhưng mạnh 
nhất vẫn là các tia hồng ngoại ở vùng bước sóng . 
Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng 50% năng lượng của chùm sáng là 
thuộc về các tia hồng ngoại. Nguồn phát tia hồng ngoại thường dùng là các 
bóng đèn có dây tóc bằng vonfram nóng sáng công suất từ 250W đến 1000W. 
Nhiệt độ dây tóc bóng đèn đó vào khoảng . 
Tác dụng nổi vật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt. Ngoài ra, tia 
hồng ngoại cũng có tác dụng lên một loại kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh 
hồng ngoại. Nếu chụp ảnh các đám mây bằng kính ảnh hồng ngoại thì ảnh các 
đám mây sẽ nổi lên rất rõ rệt. Đó là các đám mây chứa hơi nước ít hay nhiều 
sẽ hấp thụ các tia hồng ngoại yếu hay mạnh rất khác nhau. 
Ứng dụng quan trọng nhất của các tia hồng ngoại là dùng để sấy hoặc 
sưởi. Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để sấy khô các sản 
phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh v.v) hoặc các hoa quả như chuối, nho 
v.v Trong y học, người ta dùng đèn hồng ngoại để sưởi ấm ngoài da cho 
máu lưu thông được tốt. 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 4 
2. Tia tử ngoại 
 Tia tử ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn 
hơn bước sóng của ánh sáng tím . 
 Tia tử ngoại có bản chất là sóng điện từ. 
Mặt Trời là một nguồn phát tia tử ngoại rất mạnh. Khoảng 9% công 
suất của chùm ánh sáng mặt trời là thuộc về các tia tử ngoại. Các hồ quang 
điện cũng là những nguồn phát tia tử ngoại mạnh. Trong các bệnh viện và 
phòng thí nghiệm, người ta dùng các đèn thuỷ ngân làm nguồn phát các tia tử 
ngoại. Ngoài ra những vật nung nóng trên cũng phát ra tia tử ngoại rất 
mạnh. 
Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước v.v hấp thụ rất mạnh. Thạch anh thì 
gần như trong suốt đối với các tia tử ngoại có bước sóng nằm trong vùng từ 
 ( gọi là vùng tử ngoại gần ). 
Tia tử ngoại có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh. Nó có thể làm cho một 
số chất phát quang. Nó có tác dụng iôn hoá không khí. Ngoài ra, nó còn có tác 
dụng gây ra một số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp v.v 
Tia tử ngoại có một số tác dụng sinh học. 
Trong công nghiệp, người ta sử dụng tia tử ngoại để phát hiện các vết 
nứt nhỏ, vết xước trên bề mặt các sản phẩm tiện. Muốn vậy, người ta xoa trên 
bề mặt sản phẩm một lớp bột phát quang rất mịn. Bột sẽ chui vào các khe nứt, 
vết xước. Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, các vết đó sẽ sáng lên. 
 Trong y học, người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương. 
3. Tia X 
 Năm 1895, nhà bác học Rơn-ghen (Roentgen), người Đức, nhận thấy 
rằng khi cho dòng tia catốt trong ống tia catốt đập vào một miếng kim loại có 
nguyên tử lượng lớn như bạch kim hoặc vonfram thì từ đó sẽ phát ra một bức 
xạ không nhìn thấy được. Bức xạ này đi xuyên qua thành thuỷ tinh ra ngoài và 
có thể làm phát quang một số chất hoặc làm đen phim ảnh. Người ta gọi bức 
xạ này là tia X 
Khi mới được phát hiện, người ta tưởng lầm tia X là một dòng hạt nào 
đó. Tuy nhiên, khi cho tia X đi qua điện trường và từ trường mạnh thì nó 
không bị lệch đường. Như vậy, tia X không mang điện. Tia X là một loại sóng 
điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại. Bước sóng của tia 
X nằm trong khoảng từ (tia X mềm). 
Tia X có những tính chất và công dụng sau 
Tính chất nổi bật của tia X là khả năng đâm xuyên. Nó truyền qua được 
những vật chắn sáng thông thường như giấy, bìa, gỗ. Nó đi qua kim loại khó 
khăn hơn. Kim loại có khối lượng riêng càng lớn thì khả năng cản tia X của 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 5 
nó càng mạnh. Chẳng hạn, tia X xuyên qua dễ dàng một tấm nhôm dầy vài 
cm, nhưng lại bị lớp chì dầy vài mm cản lại. Vì vậy, chì được dùng làm các 
màn chắn bảo vệ trong kĩ thuật kỹ thuậtRơnghen. 
Nhờ khả năng đâm xuyên mạnh mà tia X được dùng trong y học để 
chiếu điện, chụp điện, trong công nghiệp để dò các lỗ hổng khuyết tật nằm 
bên trong các sản phẩm đúc. 
Tia X có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh, nên nó được dùng để chụp 
điện. 
Tia X có tác dụng làm phát quang một số chất. Màn huỳnh quang dùng 
trong việc chiếu điện là màn có phủ một lớp platinocyanua bary. Lớp này phát 
quang màu xanh lục dưới tác dụng của tia X. 
Tia X có khả năng ion hoá các chất khi. Người ta lợi dụng đặc điểm này 
để làm các máy đo liều lượng tia X. 
Tia X có tác dụng sinh lý. Nó có thể huỷ hoại tế bào, giết vi khuẩn. Vì 
thế tia X dùng để chữa những ung thư nông, gần ngoài da. 
Hình 1.4. Ứng dụng sóng điện từ. 
1.1.3. Các hiện tƣợng quang hình học 
 Ánh sáng nói riêng, các bức xạ điện từ nói chung dù ở bất kỳ tần số 
nào đều có tốc độ truyền như nhau trong môi trường chân không: 299 792,5 
km/s # 300 000 km/s 
Tuy nhiên, ở trong môi trường khác tốc độ truyền ánh sáng sẽ thay đổi 
 Môi trường chân không và không khí : 300 000 km/s 
 Môi trường nước : 225 000 km/s 
 Thuỷ tinh : 200 000 km/s 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 6 
1. Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng 
Hình 1.5. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 
Khúc xạ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua 
mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Mở rộng ra, đây 
là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ, khi lan truyền trong môi 
trường không đồng nhất 
2. Hiện tƣợng tán sắc 
Hình 1.6. Hiện tượng tán sắc 
Ánh sáng trắng là tổng hợp của rất nhiều tia sáng, mỗi tia sáng tương 
ứng với các độ dài sóng điện từ khác nhau và có màu sắc khác nhau. Tia sáng 
có sóng điện từ ngắn càng dễ bị khúc xạ. Như vậy có nghĩa là ánh sáng xanh 
dễ bị khúc xạ hơn so với ánh sáng đỏ 
 Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và 
tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ (như màu sắc của cầu vồng). Lăng 
kính thường được làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy là hình tam giác. 
 Tia sáng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một 
môi trường khác (như tthuỷtinh trong lăng kính), nó sẽ bị chậm lại, và giống 
như kết quả, nó sẽ hoặc bị cong (khúc xạ) hoặc bị phản xạ hoặc đồng thời xảy 
ra cả hai hiện tượng trên. Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc tại điểm mà 
tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là góc tới, và góc tạo ra ở đầu bên 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 7 
kia, qua quá trình khúc xạ được gọi là góc ló. Tương tự, tia sáng đi vào trong 
lăng kính được gọi là tia tới và tia sáng đi ra ngoài lăng kính được gọi là tia ló. 
Các lăng kính phản xạ được sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ như các 
ống nhòm, vì, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, chúng dễ dàng được sử 
dụng hơn là các gương. Các lăng kính tán sắc được sử dụng để chia ánh sáng 
thành các thành phần quang phổ màu, bởi vì độ khúc xạ của chúng phụ thuộc 
vào bước sóng của tia sáng (hiện tượng tán sắc); khi một tia sáng trắng đi vào 
trong lăng kính, nó có một góc tới xác định, trải qua quá trình khúc xạ, và 
phản xạ bên trong lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, 
và vì vậy, màu sắc của tia sáng ló sẽ khác nhau. Ánh sáng màu xanh có bước 
sóng nhỏ hơn ánh sáng màu đỏ và vì vậy nó cong hơn so với ánh sáng màu 
đỏ. Cũng có loại lăng kính phân cực, nó có thể chia ánh sáng thành các thành 
phần phân cực khác nhau. 
1.1.4. Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng 
Nguyên tử gồm: 
Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm: 
 Proton (p), mp =1,672. 10
-27
 kg, tích điện dương + 1,602. 10-19 C. 
 Nơtron(n), mn = 1,675. 10
-27
 kg, không mang điện . 
Hạt nhân của các nguyên tố đều bền (trừ các nguyên tố phóng xạ). 
Electron(e) ,me = 9,1. 10
-31
 kg , tích điện âm - 1,602. 10-19 C. 
Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = điện tích 
hạt nhân = số e. 
1. Hiện tƣợng quang điện 
Ánh sáng là một sóng điện từ lan truyền trong chân không với vận tốc c 
= 3.10
8m/s, được đặc trưng bằng bước sóng l hay tần số dao động ν = c/l 
Thuyết sóng của ánh sáng giải thích được những hiện tượng liên quan 
với sự truyền sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng không giải thích được 
những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua 
môi trường vật chất. 
Năm 1900, M.Planck đưa ra giả thuyết: “ Năng lượng của ánh sáng 
không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là 
lượng tử. Một lượng tử của ánh sáng (photon) có năng lượng là E=hν 
Trong đó 
 E là năng lượng của photon 
 ν : tần số bức xạ 
 h = 6,626 .10-34 J.s - hằng số Planck. 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 8 
Năm 1905, Anhstanh đã dựa vào thuyết lượng tử đã giải thích thỏa 
đáng hiện tượng quang điện. Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim 
loại kiềm trong chân không khi bị, khi bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron; 
năng lượng của các electron đó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng 
chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng. 
Anhstanh cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với 
năng lượng hν sẽ truyền năng lượng cho kim loại. Một phần năng lượng E0 
được dùng để làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại và phần còn lại sẽ 
trở thành động năng của electron 
Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây ra hiện 
tượng quang điện. 
Sử dụng công thức trên ta có thể tính được vận tốc của electron bật ra 
trong hiện tượng quang điện. 
2. Mô hình nguyên tử Bohr 
Trong nguyên tử mỗi electron quay xung quanh nhân chỉ theo những 
quỹ đạo tròn đồng tâm có bán kính xác định. 
Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định của electron. Quỹ 
đạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất, quỹ đạo càng xa nhân 
ứng với mức năng lượng càng cao. 
Khi e chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ 
hoặc giải phóng năng lượng. Khi e chuyển từ quỹ đạo có mức năng lượng 
thấp sang mức năng lượng cao hơn thì nó hấp thụ năng lượng. Khi electron 
chuyển từ một mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn thì xảy ra 
sự phát xạ năng lượng. Năng lượng của bức xạ hấp thụ hoặc giải phóng là 
Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. 
Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của 
electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao 
hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên 
ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy tử mức năng lượng thấp lên mức 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 9 
năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể tạo ra hay hấp thụ các 
photon. Tập hợp các photon này tạo ra ánh sáng. 
1.7. Minh hoạ tượng trưng 1 photon 
Bước sóng ( màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng 
lượng giữa các mức. 
3. Lƣỡng tính sóng hạt của các hạt vi mô 
Mô hình trên đều không giải thích được 1 số vấn đề thực nghiệm đặt ra. 
Nguyên nhân là do: 
- Không đề cập đến tính chất sóng của electron 
- Do đó coi quỹ đạo chuyển động của electron trong nguyên tử là quỹ 
đạo tròn có bán kính xác định. 
Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie đã đưa ra giả 
thuyết: mọi hạt vật chất chuyển động đều có thể coi là quá trình sóng được 
đặc trưng bằng bước sóng l và tuân theo hệ thức 
Trong đó 
 m - Khối lượng của hạt, kg 
 v - Vận tốc chuyển động của hạt , m/s 
 h - Hằng số Planck, h= 6,63.10-34 J.s 
Đối với hạt vĩ mô: m khá lớn (h =const) l khá nhỏ -> tính chất sóng 
có thể bỏ qua. 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 10 
Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const) l khá khá lớn -> không thể bỏ 
qua tính chất sóng. 
Ví dụ : Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển động V= 30m/s thì 
l của hạt là? 
Giải: 
Áp dụng hệ thức Louis De Broglie 
l của hạt vô cùng nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng của hạt. 
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 
 11 
4. Nguyên lý bất định Heisenberg 
Không thể xác định đồng thời chính xác cả toạ độ và vận tốc của hạt, do 
đó không thể vẽ được chính xác quỹ đạo chuyễn động của hạt. 
Đây là hệ thức bất định Heisenberg 
Trong đó 
 Δx Độ bất định (sai số) về toạ độ theo phương x 
 Δvx Độ bất định (sai số) về vận tốc theo phương x 
 ... ng 8: LASER 
 8 
Hình 8.5. mode dọc (longitudinal modes) 
Trong thực tế chỉ có những chuyển mức năng lượng với thời gian sống 
tương đối lớn mới có thể tạo ra các vạch phổ có thể sử dụng được. 
Năng lượng laser khả dụng nhận được khi độ lợi của hốc được điều 
chỉnh để chọn 1 trong các vạch laser khả dĩ. 
Sự Phát xạ đồng thời này được gọi là longitudinal modes. 
Ngoài ra, hốc laser có thể tạo ra một số mode không gian hay TEM modes 
(mode ngang Tranverse Electric Magnetic). Các mode này hình thành do các 
tia hơi lệch so với trục chính. 
Trong thực tế, mode mong muốn là TEM00, là tia đơn với phân bố 
năng lượng theo phân bố Gauss. 
Hình 8.6. mode ngang 
8.2.8. Điều khiển Laser 
Công suất bức xạ, bước sóng, dòng hoạt động và thời gian sử dụng của 
Laser đều thay đổi theo nhiệt độ, do đó cần có các vòng điều khiển điện và 
điều khiển nhiệt. 
+ Vòng điều khiển điện: 
Chương 8: LASER 
 9 
 Chống các xung dòng và thế phá huỷ. 
 Điều chế dòng laser 
 Điều chỉnh dòng ngưỡng 
+ Vòng điều khiển nhiệt: 
 Tiếp xúc nhiệt với vỏ laser. 
 Thường chứa linh kiện bơm nhiệt bán dẫn gọi là thermoelectric 
cooler hoặc Peltier device có tác dụng thu nhiệt (bơm nhiệt từ laser ra vỏ 
ngoài của đầu laser). 
- Bơm nhiệt điện: dùng điện tử chuyển nhiệt lượng từ mặt hấp thụ nhiệt 
ra mặt truyền nhiệt thông qua dãy các bán dẫn BiTe (Bismuth Telluride) loại 
N và P ghép luân phiên với kim loại tiếp xúc với các mặt truyền nhiệt và mặt 
hấp thụ nhiệt. 
8.3 . Các kiểu laser 
Hình 8.7. Các loại laser thông dụng 
8.3.1. 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. 
Chương 8: LASER 
 10 
+ Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion 
chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng. 
+ Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 
890nm thuộc phổ hồng ngoại gần. ( trình bày kỹ ở phần 8.4. ) 
8.3.2. 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. 
Môi trường 
kích thích 
và loại 
Bước sóng 
Nguồn kích 
thích 
Ứng dụng và ghi chú 
Laser khí 
He-Ne 
632.8 nm (543.5 
nm, 593.9 nm, 
611.8 nm, 1.1523 
μm, 1.52 μm, 
3.3913 μm) 
Cực phóng 
điện 
Giao thoa kế, holograph, 
quang phổ học, đọc mã vạch, 
cân chỉnh, miêu tả quang học. 
Laser khí 
ion Argon 
488.0 nm, 514.5 
nm, (351 nm, 
465.8 nm, 472.7 
nm, 528.7 nm) 
Cực phóng 
điện 
Chữa trị võng mạc bằng ánh 
sáng (cho người bệnh tiểu 
đường), in thạch bản, là nguồn 
kích thích các laser khác. 
Laser khí 
Ion Kryton 
416 nm, 530.9 nm, 
568.2 nm, 647.1 
nm, 676.4 nm, 
752.5 nm, 799.3 
nm 
Cực phóng 
điện 
Nghiên cứu khoa học, trình 
diễn ánh sáng. 
Laser khí 
ion Xenon 
Nhiều vạch từ cực 
tím đến hồng 
ngoại. 
Cực phóng 
điện 
Nghiên cứu khoa học. 
Laser khí 
Nitơ 
337.1 nm 
Cực phóng 
điện 
Là nguồn kích thích cho laser 
màu, đo độ ô nhiễm, nghiên 
cứu khoa học, Laser nitơ có 
khả năng hoạt động ở cường 
độ yếu. 
Laser H-F 
2.7 đến 2.9 μm (H-
F) 3.6 đến 4.2 μm 
(D-F) 
Phản ứng 
cháy 
ethylene và 
Dùng cho nghiên cứu vũ khí 
laser, dùng sóng phát ra liên 
tục và có tính công phá lớn. 
Chương 8: LASER 
 11 
NF3 
Laser 
hoá học 
 Ôxy-Iốt 
1.315 μm 
Phản ứng 
hoá học 
trong giữa 
Ô-xy và I-
ốt, 
Vũ khí laser, nghiên cứu vật 
liệu và khoa học. 
 Laser khí 
CO2 
10.6 μm, (9.4 μm) 
Phóng điện 
ngang 
(công suất 
cao) hay 
dọc (công 
suất thấp) 
Gia công vật liệu (cắt, hàn), 
phẫu thuật. 
Laser khí 
CO 
2.6 đến 4 μm, 4.8 
đến 8.3 μm 
Cực phóng 
điện 
Gia công vật liệu (chạm khắc, 
hàn), phổ học quang-âm. 
Excimer 
laser 
193 nm (ArF), 248 
nm (KrF), 308 nm 
(XeCl), 353 nm 
(XeF) 
Excimer tái 
hợp nhờ 
phóng điện 
Quang thạch bản cực tím cho 
chế tạo link kiện bán dẫn, 
phẫu thuật laser, LASIK. 
Hình 8.8. Bảng mô tả các loại laser khí 
8.3.3. Laser chất lỏng 
Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu. 
 Tính chất: 
+ Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó 
khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ. 
+ Tính đơn sắc rất 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. 
+ Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát 
xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung 
năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. 
8.4 . Laser Diode (LD) 
Hình 8.9. Diode laser bán dẫn 
Chương 8: LASER 
 12 
Một loại laser có cấu tạo tương tự như một diod. Nó có môi trường kích 
thích là chất bán dẫn. Diod laser hoạt động gần giống với diod phát quang. Nó 
cũng được gọi là đèn diode nội xạ và được viết tắt là LD hay ILD. 
Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện 
và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ 
thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là "bán dẫn" nghĩa là có thể 
dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn 
điện. 
8.4.1. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn 
Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết 
vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức 
năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các 
nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị 
phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính. 
Hình 8.10. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn 
8.4.2. Cấu trúc năng lượng điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán 
dẫn 
Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng 
Fermi nằm ở vùng trống năng lượng. 
 Vùng hoá trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo 
thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và 
không linh động. 
 Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là 
vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ 
là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại 
trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. 
Chương 8: LASER 
 13 
 Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hoá trị và vùng 
dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng 
cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng 
cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị gọi 
là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tuỳ theo độ 
rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. 
Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có 
thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau: 
 Kim loại có vùng dẫn và vùng hhoátrị phủ lên nhau (không có vùng 
cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn 
dẫn điện. 
 Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ 
tuyệt đối (0 K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử 
tồn tại ở vùng hoá trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt 
độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt kB.T (với k là hằng số 
Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên 
điện tử vẫn ở vùng hoá trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số 
điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy 
lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật 
độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán 
dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một 
cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ 
như sau: 
Tk
E
RR
B
g
2
exp0 
Ta có: 
 R0 là hằng số, 
ΔEg là độ rộng vùng cấm. 
Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích 
năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu 
năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. 
Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn 
dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn). 
8.4.3. Bán dẫn pha tạp 
Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tử thuộc nhóm III, dẫn 
điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ positive, nghĩa là dương). 
Chất bán dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tử thuộc nhóm V, các nguyên tử 
này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với 
nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Có thể giải thích một cách đơn giản 
về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, 
sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến 
Chương 8: LASER 
 14 
cho điện tử dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển 
xuống vùng hoá trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với 
hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. 
8.4.4. Các đặc tính phổ của diode laser 
Trong diode Laser chỉ có một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định 
mới có thể lan truyền được trong Buồng Cộng Hưởng. Điều kiện để truyền lan 
ánh sáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau. 
 Như vậy Laser chỉ khuếch đại những bước sóng λ0 thoả mãn điều kiện 
(n, N các số tự nhiên) 
N
nL2
0  
Mỗi bước sóng đó được gọi là mode dọc, hay đơn giản là mode. Tập 
hợp đỉnh của các mode này sẽ tạo thành đường bao phổ bức xạ của diode 
Laser. 
Ta sẽ tìm được khoảng cách về mặt tần số giữa hai mode liên tiếp nhau. 
L
c
f
2
Phổ bức xạ của Laser phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện định thiên. Khi 
Laser hoạt động ở chế độ dưới ngưỡng, bức xạ tự phát chiếm ưu thế và do đó 
độ rộng vạch phổ giống với LED. Tuy nhiên, nếu diode Laser hoạt động ở chế 
độ lớn hơn chế độ ngưỡng thì độ vạch phổ sẽ giảm xuống. Vạch phổ hẹp lại 
do tác động của buồng cộng hưởng và khuếch đại theo hàm mũ những mode 
đạt tới mức ngưỡng, đồng thời bỏ qua tất cả các mode khác. 
Hình 8.11. 
 a) Các mode trong Laser bán dẫn; 
Chương 8: LASER 
 15 
b) Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động dưới mức ngưỡng; 
c) Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng; 
d) Phổ bức xạ. 
 Khi diode Laser hoạt động dưới mức ngưỡng thì tất cả các mode truyền 
dẫn được khuếch đại như nhau. Nếu tăng dòng điện phân cực diode lên thì hệ 
số khuếch đại tăng. Tuy nhiên mode có bước sóng gần với bước sóng hoạt 
động danh định hơn cả sẽ được khuếch đại nhiều nhất. Hiện tượng này được 
biểu diễn như hình trên. Như vậy có thể thấy rằng, khi diode Laser hoạt động 
trên mức ngưỡng thì độ rộng vạch phổ sẽ hẹp đáng kể so với LED. 
 Bên cạnh các mode dọc, còn có các mode ngang và các mode bên 
(lateral mode). Các mode này có xu hướng làm cho các chùm tia ra phân kì 
mạnh, kết quả là việc ghép nối với sợi quang sẽ kém hiệu quả. Trạng thái lý 
tưởng chỉ có một trong các mode ngang cơ bản và mode bên của nó tồn tại 
(điều này sẽ làm cho chùm sáng ra song song và có đường kính ngang nhỏ). 
 Với hầu hết các diode Laser, vùng hoạt tính đều có bề dày nhỏ hơn 1 
m 
8.4.5. Sự biến thiên công suất quang theo dòng điều khiển 
Ta nhận thấy rằng với diode Laser hoạt động trên mức ngưỡng, công 
suất ra tỉ lệ trực tiếp với dòng điện chênh lệch so với mức ngưỡng. Trong thực 
tế, diode Laser hoạt động trên mức ngưỡng không thể hiện quan hệ tuyến tính 
hoàn toàn giữa lượng ánh sáng ra và dòng điện định thiên. Điều này có 
nguyên nhân từ hiện tượng mode-hopping. 
Hình 8.12. Sự biến thiên công suất quang theo dòng điều khiển. 
 Biểu diễn sự biến thiên của công suất ra theo dòng điện diode đối với 
một diode Laser phát quang ở bước sóng 850nm. Hình vẽ này cho thấy, ở trên 
điểm ngưỡng diode Laser mới hoạt động như một Laser. Ta cũng biết rằng 
Chương 8: LASER 
 16 
công suất ra sẽ bão hoà khi dòng điện đủ lớn. Bởi vì do dòng điện có cường 
độ cao làm nóng diode, điều này làm giảm hiệu suất nghịch đảo. 
8.4.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của Laser 
 Lắp đặt và thử nghiệm 
 Các xung điện từ phát sinh bên ngoài trong thời gian ngắn 
 Mức dòng 
 Nhiệt độ 
 Mức bức xạ cực đại 
 Sự già hoá linh kiện 
8.5 . Các ứng dụng của laser 
Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp 
để tìm kiếm các ứng dụng". Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng 
ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện 
đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong 
các phản ứng hợp nhất hạt nhân... Laser được cho là một trong những phát 
minh ảnh hưởng nhất trong tthế kỷ20. 
Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, 
kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ 
sáng cực kỳ cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của 
tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi 
giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với laser dùng ánh sáng. Tính chất 
này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của 
DVD. Cũng là điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung 
cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ 
thuật cắt bằng laser. Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, 
phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, 
trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông. Trong 
thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất 
khó. 
Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác. 
Tia từ laser thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao). Độ chuẩn trực 
tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ. Tuy nhiên, tia laser có độ 
phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng. Một tia laser được tạo từ laser He-
Ne, nếu chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, sẽ tạo nên một hình tròn đường kính 
khoảng 1 dặm (1,6 kilômét). Một vài laser, đặc biệt là với laser bán dẫn, có 
với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao. Tuy 
nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia chuẩn trục bằng các thấu 
kính hội tụ. Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn 
trực bằng các thiết bị quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất 
Chương 8: LASER 
 17 
nhiều tia laser. Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong 
các thiết bị dẫn sóng như sợi tthuỷtinh. Laser cường độ cao cũng tạo nên các 
hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính.