LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 3 docx

LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử Chương III: Phát xạ laser 27/09/2011 3 Chương III: Phát xạ Laser Nhắc lại: in short: a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of two units: (i) the optical amplifier converts pump energy into "coherent radiation" (ii) the optical resonator provides optical feedback which is mandatory for sustaining optical oscillation 27/09/2011 4 Chương III: Phát xạ Laser Hai điều kiện để có dao động - 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. - Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của2π để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu. 27/09/2011 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 27/09/2011 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: 27/09/2011 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 27/09/2011 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. 27/09/2011 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 [...]... % 250 0 27/09/2011 33 III.2 Các đặc trưng của laser 782.0 0 -1 0 -2 0 -3 0 L = 1500 μm T = 25°C wavelength λ / nm normalized power P / dBm Phân bố phổ P = 200mW 50 dBm -4 0 -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 0 781.5 T = 25°C L = 1500 μm w = 3 μm 781 782 wavelength λ / nm 7 83 780.0 100 200 30 0 current I / mA 400 27/09/2011 34 III.2 Các đặc trưng của laser Phân bố không... của 2π (3. 30) Dịch pha do buồng cộng hưởng - Nếu 2ϕ(ν)d nhỏ: Dịch pha do môi trường khuếch đại ⎛ c ⎞ ν = ν q = q⎜ ⎟ ⎝ 2d ⎠ (3. 31) “cold resonator`` - Nếu không thể bỏ qua 2ϕ(ν)d: giải (3. 30) ta được một tần số ν‘q dịch đi một đoạn so với νq về phía tần số trung tâm của các nguyên tử trong buồng cộng hưởng 27/09/2011 28 III.1.2 Các điều kiện dao động laser ta có và Thay vào (3. 30) ta được: (3. 32) 27/09/2011... 1,0 0,5 0,0 -2 0 0 20 vert FF / degree 30 0 11° 0,5 lat.FFrel 21.7° power / norm power / norm 400 200 100 0,0 -2 0 0 lat FF / degree 20 100 200 30 0 400 I /mA 27/09/2011 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... điều kiện dao động laser Biến đổi ta có Khi νq (3. 33) thì số hạng thứ 2 rất nhỏ do đó ta có thể thay ν bằng (3. 34) Tần số của laser được biểu diễn như là hàm của tần số của „buồng cộng hưởng lạnh“ ở điều kiện trạng thái dừng (lượng tăng ích cân bằng với mất mát) δν là độ rộng mode của „buồng cộng hưởng lạnh“ 27/09/2011 30 III.1.2 Các điều kiện dao động laser khi đó (3. 34) có dạng: (3. 35) Tần số của „buồng... 2π, (3. 14) có thể thay thế bằng: (3. 16) trong đó νF = c/2d, I = Imax khi Giá trị cường độ nhỏ nhất (3. 17) 27/09/2011 19 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) 27/09/2011 20 Chương III: Phát xạ laser III.1 Lý thuyết dao động Laser III.1.1 Khuếch đại quang và hồi... mode của buồng cộng hưởng δν và tỉ lệ nghịch với độ bán rộng của phổ các nguyên tử Δν ‚ q δν 27/09/2011 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 I / mA 30 0 35 0 400 0.0 voltage U / V power P / mW 30 20 10 conversion efficiency... hấp thụ trong môi trường (tương ứng với mất mát cường độ là |r2| với |r| < 1) Như vậy: U = Uo + U1 + U2 + = Uo + hUo + h2 Uo + = Uo(1+ h + h2 + ) = Uo/(1-h) 27/09/2011 17 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Pha sau 1 chu trình dịch đi một lượng là bội của 2π (3. 12) Cường độ của sóng có giá trị: (3. 13) (3. 14) 27/09/2011 18 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp trong đó (3. 15) Trong trường hợp này cường... ngưỡng Nt đối với dao động ở tần số trung tâm (3. 26) 27/09/2011 23 III.1.2 Các điều kiện dao động laser Với giả thiết Δν = 1/2πtsp (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 27/09/2011 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... dòng photon lớn: γ 0 (ν ) = αr 1 + φ / φ s (ν ) Từ đó mật độ dòng photon nội được tính: (3. 36) 27/09/2011 38 III.2.1 Công suất phát laser Ta có γ 0 (ν ) = N 0σ (ν ) và α r = N tσ (ν ) ⎧ ⎛ N0 ⎞ − 1 ⎟, N 0 > N t ⎪φ s (ν )⎜ ⎜N ⎟ φ=⎨ ⎝ t ⎠ ⎪ 0, N0 ≤ Nt ⎩ (3. 37) là mật độ dòng photon nội ở trạng thái cân bằng 27/09/2011 39 ... = R2 ⋅ G S ⋅ 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 +ε = 1 C ở đây ε là các mất mát không phải do truyền qua của gương (tán xạ, hấp thụ) Thông thường T và ε được tính chung vào mất mát trên gương R2 R1 MEDIUM A d B 27/09/2011 13 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp - tín hiệu lần thứ . LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử Chương III: Phát xạ laser 27/09/2011 3 Chương III: Phát xạ Laser Nhắc lại: in short: a LASER (Light. 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 Pha sau 1 chu trình dịch đi một lượng là bội của 2π (3. 12) (3. 13) Cường độ của sóng có giá trị: (3. 14) 27/09/2011 19 III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp trong