bài giảng laser và ứng dụng - chương iii phát xạ laser

LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử Chương III: Phát xạ laser 14/11/2013 3 Chương III: Phát xạ Laser Nhắc lại: LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (i)Khuếch đại quang: Biến đổi năng lượng bơm thành “bức xạ kết hợp" (ii)Buồng cộng hưởng: cung cấp hồi tiếp quang học để duy trì dao dộng 14/11/2013 4 Chương III: Phát xạ Laser Hai điều kiện để có dao động - Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2p để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu. - Lượng tăng ích do khuếch đại phải lớn hơn mất mát trong hệ hồi tiếp để lượng tăng ích tổng cộng đủ đi được một vòng hồi tiếp. 14/11/2013 5 Chương III: Phát xạ Laser Vì khuếch đại và dịch pha là hàm của tần số nên: chỉ có một (hoặc một số) tần số thỏa mãn 2 điều kiện dao động (những tần số là tần số cộng hưởng của dao động). Tín hiệu ra hữu ích là một phần năng lượng lấy ra từ máy phát dao động. Do đó một máy phát dao động gồm: - một bộ phận khuếch đại với cơ chế bão hòa - một hệ hồi tiếp - một cơ chế lọc lựa tần số - một hệ thống lấy tín hiệu ra Chương III: Phát xạ laser III.1. Lý thuyết dao động Laser III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp 14/11/2013 7 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp a) Khuếch đại Laser (nhắc lại) Một máy khuếch đại laser là một máy khuếch đại kết hợp dải hẹp của ánh sáng. Khuếch đại đạt được bởi bức xạ cưỡng bức của hệ nguyên tử, phân tử trong khi đảo mật độ tích lũy đạt được. Khi mật độ dòng photon vào nhỏ: Khi mật độ dòng photon vào lớn, xảy ra bão hòa trong môi trường mở rộng đồng nhất Khi vạch phổ có dạng Lorentz, pha của tín hiệu khuếch đại dịch đi trên 1 đơn vị độ dài: 14/11/2013 8 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp b) Hồi tiếp và mất mát: buồng cộng hưởng quang học Pha bị dịch đi một lượng cân bằng với số sóng khi tín hiệu đi qua môi trường Hồi tiếp quang đạt được khi đặt một môi trường hoạt chất vào trong một buồng cộng hưởng quang học. (3.1) Buồng cộng hưởng Fabry-Perot 14/11/2013 9 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp + tín hiệu bị truyền qua gương (đặc biệt ở gương ra) Các yếu tố không hoàn hảo của buồng cộng hưởng (gương, tự khuếch đại, và các thành phần quang học khác ) sẽ gây nên mất mát cường độ do tán xạ hoặc hấp thụ trong mỗi chu trình của ánh sáng trong buồng cộng hưởng. Cụ thể: MEDIUM + tán xạ và hấp thụ trên bề mặt gương + tán xạ và hấp thụ (do những hấp thụ kí sinh) trên bề mặt và trong môi trường khuếch đại + tán xạ và hấp thụ ở các thành phần quang học khác trong buồng cộng hưởng nội như diode quang học, etalon, fill lọc lưỡng chiết, thấu kính, các loại tinh thể khác. 14/11/2013 10 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Buồng cộng hưởng cung cấp hồi tiếp (buồng cộng hưởng nội) trở lại trường nhờ phản xạ ở bề mặt gương. Do đó laser là một máy phát dao động Mất mát không tránh được của trường bức xạ được bù bởi khuếch đại Nếu khuếch đại có thể bù được mất mát trong buồng cộng hưởng thì hệ bắt đầu dao động. Hồi tiếp quyết định sự dao động, do đó. sẽ xác định tính chất của trường quang học gồm: • loại gương (plane, concave, convex) • khoảng cách giữa các gương • hướng của các gương liên quan đến nhau • Năng lượng quang của laser • hình dạng chùm tia laser • hướng chùm tia laser • tần số, độ ổn định [...]... 1,0 0,5 0,0 -2 0 0 20 vert FF / degree 300 11° lat.FFrel 21.7° power / norm power / norm 400 0,5 200 100 0,0 -2 0 0 lat FF / degree 20 100 200 300 400 I /mA 14/11/2013 35 Chương III: Phát xạ laser III. 1 Lý thuyết dao động Laser III. 2 Các đặc trưng của laser III. 2.1 Công suất phát laser III. 2.1 Công suất phát laser a) Mật độ dòng photon nội - khi điều kiện khuếch đại và điều kiện pha thỏa mãn laser bắt... 250 0 14/11/2013 33 III. 2 Các đặc trưng của laser 782.0 0 -1 0 -2 0 L = 1500 m T = 25°C wavelength  / nm normalized power P / dBm Phân bố phổ P = 200mW 50 dBm -3 0 -4 0 781.5 T = 25°C L = 1500 m w = 3 m -7 0.00 -6 0.00 -5 0.00 -4 0.00 -3 0.00 781.0 -2 0.00 -1 0.00 dBm 780.5 -5 0 -6 0 781 782 wavelength  / nm 783 780.0 100 200 300 current I / mA 400 14/11/2013 34 III. 2 Các đặc trưng của laser Phân bố không... III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Khi F >>1, buồng cộng hưởng Fabry Perot được đặc trưng bởi 2 thông số: khoảng cách giữa các mode: (3.18) Độ rộng của mode (3.19) Lúc này (3.20) 14/11/2013 20 Chương III: Phát xạ laser III. 1 Lý thuyết dao động Laser III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp III. 1.2 Các điều kiện dao động laser III. 1.2 Các điều kiện dao động laser a) điều kiện khuếch đại: ngưỡng phát laser. .. hưởng lạnh“ nq bị dịch về phía tần số cộng hưởng no Độ dịch tỉ lệ với độ rộng mode của buồng cộng hưởng dn và tỉ lệ nghịch với độ bán rộng của phổ các nguyên tử Dn ‚ q dn 14/11/2013 31 Chương III: Phát xạ laser III. 1 Lý thuyết dao động Laser III. 2.1 Các đặc trưng của laser III. 2 Các đặc trưng của laser Đặc trưng công suất 2.5 L = 1.5 mm 200 40 2.0 150 1.5 100 1.0 50 0.5 0 0 50 100 150 200 250 current.. .III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp - Thông thường một gương có hệ số phản xạ thấp hơn (thường vài % truyền qua) được sử dụng để lấy tín hiệu ra từ laser Tính chất của ánh sáng này (phân bố không gian, thời gian, phổ ) được xác định bởi hồi tiếp, hay nối cách khác xác định bởi tính chất của buồng cộng hưởng MEDIUM R1 output coupler R2 14/11/2013 11 III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp... buồng cộng hưởng - Nếu 2(n)d nhỏ: Dịch pha do môi trường khuếch đại  c  n  n q  q   2d  (3.31) “cold resonator`` - Nếu không thể bỏ qua 2(n)d: giải (3.30) ta được một tần số n‘q dịch đi một đoạn so với nq về phía tần số trung tâm của các nguyên tử trong buồng cộng hưởng 14/11/2013 28 III. 1.2 Các điều kiện dao động laser ta có và Thay vào (3.30) ta được: (3.32) 14/11/2013 29 III. 1.2 Các điều... được phản xạ tại gương 2 có cường độ IC  R2  I B  R2  GS  I A (3.3) R2 là hệ số phản xạ (trong trường hợp này là hệ số phản xạ cường độ) Chú ý rằng nếu T là hệ số truyền qua của cường độ, một gương thực tế sẽ có RT   1 C ở đây  là các mất mát không phải do truyền qua của gương (tán xạ, hấp thụ) Thông thường T và  được tính chung vào mất mát trên gương R2 R1 MEDIUM A d B 14/11/2013 13 III. 1.1... Fabry-Perot - bắt đầu tại A Tín hiệu đi ngang qua môi trường khuếch đại Giả thiết khuếch đại trong môi trường giữa 2 gương có thể được mô tả bởi hệ số khuếch đại  - Đối với một tín hiệu truyền một lần qua môi trường có độ dài d, cường độ tại B lúc này: I B  GS  I A d G e MEDIUM (3.2) A d B S 14/11/2013 12 III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp • khuếch đại trong 1 chu trình (tiếp) - phản xạ tại... với dao động ở tần số trung tâm (3.26) 14/11/2013 23 III. 1.2 Các điều kiện dao động laser Với giả thiết Dn  1/2ptsp (3.27) Ngưỡng chênh lệch mật độ tích lũy là hàm của thời gian sống của photon và bước sóng Ngưỡng dao động của laser khó đạt được hơn ở bước sóng ngắn hơn 14/11/2013 24 III. 1.2 Các điều kiện dao động laser b) điều kiện pha: tần số laser – hiện tượng co tần số Độ dịch pha tổng cộng trong... III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp • khuếch đại trong 1 chu trình (tiếp) - tín hiệu lần thứ 2 đi qua khuếch đại, phản xạ một phần ở gương 1: cường độ quang học sau lần thứ 2 qua khuếch đại tại vị trí D là 2 I D  GS  IC  R2  GS  I A (3.4) và sau khi phản xạ tại gương 1, nói cách khác là đi được 1 vòng trong buồng cộng hưởng (3.5) 2 I A  R1  I D  R1  R2  GS  I A - hiển nhiên, khuếch đại . LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử Chương III: Phát xạ laser 14/11/2013 3 Chương III: Phát xạ Laser Nhắc lại: LASER (Light Amplification. Phát xạ laser III. 1. Lý thuyết dao động Laser III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp 14/11/2013 7 III. 1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp a) Khuếch đại Laser (nhắc lại) Một máy khuếch đại laser. máy phát dao động. Do đó một máy phát dao động gồm: - một bộ phận khuếch đại với cơ chế bão hòa - một hệ hồi tiếp - một cơ chế lọc lựa tần số - một hệ thống lấy tín hiệu ra Chương III: Phát