bơm khuếch đại laser

I HC QUC GIA TP.H CHÍ MINH I HC KHOA HC T NHIÊN KHOA KHOA HC VT LIU B MÔN VT LIU NANO & MÀNG MNG  Hu 1019248 u  1019237 Trn Ngc Ánh  1019215 Đề tài: I LASER SEMINAR PHOTONICS ng CÁN B NG DN: ThS. Ngô H TP H CHÍ MINH  2013 2 MC LC Trang ph bìa 1 Mc lc 2 I. GII THIU V KHUI LASER 3 II. LÝ THUYT V KHUI LASER 6 1. Mng ca h ng t. Bc x t phát và bc xã kích thích 6 1.1 Bc x t phát 8 1.2 Bc x kích thích 8 2. ng m o ln. 9 3.  . 11 3.1 H s  11 3.2   14 3.3  14 4. S tr pha 15 III. I LASER 18 1. P 18 1.1  trong h không có bc x khui 20 1.2  trong h có bc x khui 22 2. Cu to ca mt máy phát laser 24 2.1 ng hot cht (gain medium) 25 2.2 Bung cng 26 2.3 B ph 26 3. Nguyên lý phát bc x laser 26 4.  i laser 28 4.1  n mc 28 4.2  c 32 IV. BÀI TP ÁP DNG 35 3 I. GII THIU V KHUI LASER A coherent optical amplifier là mt b khung pha, là mt thit b  ca mt di quang duy trì các pha ca nó. Nu ánh sáng vào là khch c thì sáng ra vn s c vi tn s i. B u ra s   u vào trong khi pha v   i mng c nh. c li b khung pha (incoherent optical amplifier) làm  ca sóng quang hc mà không duy trì pha ca nó. Khi quang liên tc có vai trò quan trng trong mt s ng dng. Ví d bao gm nhng ng dng ca xung quang hc yng si quang dài và to xun u cho các ng dng ca tia laser. a nó quan trng trong vic hiu các nguyên tc ho bn ca khi quang. Nguyên t c khi ánh sáng liên tc là ánh sáng khi phi phát khích thích bc x hay còn gi là laser. Kích thích phát x là mt photon ri khi m to ra nguyên t c chuyi t m ng th phát x mu, là mt photon có cùng tn s phân cu hai nguyên kích thích phát x thêm hai photon và tip tc kích thích phán x  n gi c nhng tính chu. Kt qu c khui liên tc. Bi vì kích thích phát x xy ra ch ng photon gn bng nguyên t chuyn tipc hn ch  di tn s nh b rng di nguyên t. Khui laser có mt khác vi khn. Khun da trên nhng thit b mà có nhi nh n hay áp th dn n t n mví d n t và l trng trong trasisng ng ciu chnh khun t s dng các mch cng 4 ng (ví d t dn và cun cm) hoc hp c gii hn mi trong dòng thì tn s n. c li nguyên t, phân t và trng thái rn khui laser da trên s khác bit các mc phép c chn các tn s chính .trên thc t nhng cng t  la chn các tn s ho    rng di ca thit b. B c ng quang  cung cu chnh các tn s ph. c truyn qua vt cht trong trng thái cân bng nhit b suy gim là bi vì s hp th m ln các nguyên t trong mng thp là ph bin  kích thích phát x bi m nguyên t thp trên mng cao. Mt thành phn thit y c s khui laser là s xut hin ln các nguyên t trên mi mc thây là trng thái không cân bng c  chi c yêu cu ngu ng ph c các nguyên t  mng cao. Mn n t và mn t nhng tên gc hiu rng hot ngmng laser. Nhng tính chng ca quang hc hay khun t liên tc trình bày trong hình I.0-2 (a). Nó là mt h thn tính  ca tín hin vào c nh, khu  th hình sin sóng ra có tn s ging có biên  l. S ng là tn s i bên trong khu rng di quang. 5 Hình I.0-1: Khuếch đại laser. Nguồn năng lượng bên ngoài (pump) kích thích hoạt động của dải quang (thể hiện ở sự thu các nguyên tử ),làm cho mật độ nguyên tử bị đảo ngược. Photon tương tác với nguyên tử khi kích thích bức xạ nhiều hơn so với sự hấp thụ thì dải quang hoạt động như khuếch đại đồng pha (coherent amplifier). Hình I.0-2: (a) Khuếch đại tuyến tính lí tưởng . Làm tăng biên độ của sóng tới (tần số nằm bên trong dải) bởi hệ số tăng không đổi ,pha thay đổi tuyến tính . (b) Khuếch đại thực là loại khuếch đại có độ tăng và pha thay đổi theo phương trình của tần số , được làm rõ khi sóng vào có giá tri lớn thì sóng ra sẽ được bão hòa và khuếch đại ở đầu ra là không tuyến tính. 6 B khu i không ph thuc vào tn s trong hình I.0-2 (b) nh theo b khui hàm chuyn. Khi khch  ln, thì khi c bão hòa, mt dng ca trng thái không tuyn tính là u ra  l vu vàoc bão hòa, u hòa các thành phu ra. B khui vì vy có th có nhng tính cht sau : -  . - . - i pha. - Ngun. - Không tuy. - Tp âm. o lun mt s tính ch trên. Trong phn II nói v lí thuyt khc xây d i, ph , s i pha. C hong ca ngu c m c nói trong phn III. II. LÝ THUYT KHUCH I LASER 1. Mng ca h ng t. Bc x t phát và bc xã kích thích n t c n, khun t d  cn t n t n t hng t, khui n t d bii na ngyên t, phân t 7 T ng t ta bit rng , na hng t , tc là có th có mt lot giá tr n mà trong vt lý gi là trng hay mng . Mng thp nht (na ht nh nhc gi là mn. Các mc còn li ng vi nc gi là mc kích thích. i ta nói: ht chuyn t mt mng này sang mng         a ht bi i m ng bng hi  ng ca hai m. Khi chuyn lên m ht s hp th ng, còn chuyn xung mc tht s ng. Nhng dch chuy xy ra vi bc x hay hp th ng t bc x n t. Theo Einstein , nu h  trng thái cân bng nhing vng xung quang thì có th xy ra 3 loi chuyn di gia các mng là hp th ,bc x t phát và bc x kích thích (cm ng). Hình II.1.1 Minh họa các quá trình hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích (theo thứ tự từ trái sang phải ). 8 1.1. Bức xạ tự phát Hãy gi thuyt rng ht có hai trng thái (mng vi giá tr n 1 W và 2 W ,  2 W > 1 W , tc là mng (2) nm c (1). Nu h m dch chuyn xung mng thng thi bc x ng t hv = 2 W - 1 W ngay c khi không có tác dng cn t bên ngoài. Bc x i là bc x t phát. Khi dch chuyn t phát ,các ht khác nhau s bc x ng thc lp nhau, vì vy pha ca photon bc x không liên quan vi nhau nng truyn ca photon bc x và phân cc cu mang u nhiên, còn tn s ca nó s ng trong khonh bi h thc b vy bc x t ng, không phân cc. 1.2. Bức xạ kích thích Dch chuyn ca ht t mng cao xung mng thp s xy ra ng cn t bên ngoài, tn t có kh t bc x ng t ca ht. Bc x b c gi là bc x kích thích (hay bc x cm ng). Bc x kích thích có nhng tính chc bit quan trng: tn s, phân cng truyng t ca nó và cn t ngoài là trùng nhau. Hình II.1-2 Các dịch chuyển hấp thụ, bức xạ và bức xạ cảm ứng và các hệ số đặc trưng cho xác suất chuyển dịch. 9 Ngoài bc x t phát và bc x cm ng, h ht có th hp th cng. Ht  mng thi tác dng cn t ngoài có th lên m ng thi hp th ng t hv = 2 W - 1 W ng hi ta gi là hp th cng, n là hp th. 2. ng m o ln Nu mng hot tính có hai mng 1 E và 2 E ta có th kích thích mt s nguyên t chuyn t trng thái có mng 1 E sang mng 2 E , kt qu là 1 N s gim và 2 N n. Tuy nhiên, khi 2 N t xy ra quá trình phát x  chuyn t trng thái kích thích v tr 2 N gim. Cui cùng h s t ti trng thái cân bng mà không th tng 21 NN , hay h ng t vi hai mng 1 E và 2 E không th tng có m o ln.  to m o lni ta tng ho t s có 3 (hoc 4) mng 1 E , 2 E và 3 E sao cho thi gian sng nguyên t  mc 3 E rt nh so vi thi gian sng  mc 2 E . Bc honi ta kích thích các nguyn t chuyn t trng 1 E lên mng 3 E . Vì thi gian sng ca nguyên t  mc 3 E nh u Hình II.2-1 Sơ đồ và các dịch chuyển đối với hệ hai mức 10 so vi thi gian sng  mc 2 E nên nguyên t nhanh chóng chuyn v mc 2 E . Kt qu c trng thái m o ln vi 21 NN . Hình II.2-2 Sơ đồ và dịch chuyển trong hệ lượng tử 3 mức (trái) và 4 mức (trái). M     c ph  ng z vi tn s v ,  ng   (z) Re ( )exp( 2 )E z j vt   ,   2 ( ) ( ) / 2I z E z   , m dòng photon ( ) ( ) /z I z hv (dòng photon trên m din tích ) s i các nguyên t ng, cung cp các nguyên t cng có hai mng các m ng khác  gn nhau có mng photon là hv . S các nguyên t trên m th tích  mng thp và cao lt có giá tr ng là 1 N và 2 N . c khui vi h s  ()v  (trên m chiu dài ) và tri qua mt s i pha ()v  (trên m chiu dài ). Chúng ta s tho lun  nh biu hin trong ()v  và ()v  . Khi ()v    ng vi quá trình khui , ()v  ng vi quá trình suy gim. [...]... lorentzian cộng hưởng khuếch đại laser 4 Sự trễ pha Sự khuếch đại và lan truyền phụ thuộc vào tần số Độ trễ pha ảnh hưởng bởi sự khuếch đại laser có thể định nghĩa bằng cách xem xét sự ảnh hưởng của giới hạn vật chất của điện trường với ánh sáng hơn là cường độ hay mật độ photon Hệ số lệch pha φ( ) ( sự trễ pha trên một đơn vị độ dài của môi trường khuếch đại) liên quan tới hệ số khuếch đại γ( ) bằng chuyển... lineshape III BƠM KHUẾCH ĐẠI LASER Sử dụng ngoại lực để cung cấp năng lượng cho khuếch đại tín hiệu vào Bơm cung cấp năng lượng thông qua bộ truyền động để kích thích electron trong nguyên tử, từ nguyên tử có trạng thái thất tới nguyên tử có trạng thái cao Để làm được điều này bơm cần phải cung cấp một lượng N = N2 – N1>0 Tuy nhiên, bộ truyền động của bơm thường dùng sự phụ thuộc vào mức năng lượng bơm có... trường cân bằng nhiệt vì vậy không thể cung cấp cho bộ khuếch đại laser 3.2 Độ tăng Trong tương tác có tổng chiều dài là d (Trong hình II.3-1),tổng hệ số tăng khuếch đại laser G(v) được xác định theo tỉ số của mật độ thông lượng photon ở đầu ra trên cho mật độ thông lượng photon ở đầu vào G(v) = Ф(d) / Ф(0) do đó: G(v)  exp[ (v)d ] (7) Độ tăng khuếch đại 3.3 Băng thông Tùy thuộc vào hệ số tăng  (v) dựa... bức xạ khuếch đại (bức xạ cộng hưởng với chuyển tiếp 2 1) 19 1.1 Phương trình tốc độ trong hệ không có bức xạ khuếch đại Phương trình tăng mật độ điện tử của mức 1 và 2 phát sinh từ bơm và phân ra là: (17) (18) Hình III.1-2 Năng lượng mức 1 và 2 xung quanh mức năng lượng cao hơn và thấp hơn với sự có mặt của bơm Hình III.1-3 Mức năng lượng 1 & 2 và thời gian phân rã của chúng Với sự có mặt của bơm, mật... tạo nên chùm laser phát ra Hình III.3-4 Chùm laser phát ra 4 Sơ đồ bơ khuếch đại laser Chúng ta tiến hành kiểm tra cụ thể sơ đồ bơm bốn cấp và ba cấp được sử dụng để đạt được một mật độ đảo lộn Các mục đích của các cách sắp xếp này là làm cho việc sử dụng một quá trình kích thích làm tăng số lượng của các nguyên tử tích luỹ ở mức 2 trong khi giảm số lượng tích luỹ ở mức độ 1 4.1 Sơ đồ bơm bốn mức Trong... N0  N atsp W / (1  2tsp W) 3 Năng ượng bơ rong h thống bơ ba ức và bốn mức a Xác định tần suất bơm chuyển tiếp W cần thiết để đạt được chênh lệch mật độ điện tử bằng 0 trong một bộ khuếch đại laser ba mức va bốn mức b Nếu tần suất bơm chuyển tiếp W = 2/tsp trong hệ bơm ba mức, và W = 1/2tsp trong hệ bơm bốn mức, chứng minh N0 = Na/3 Lời giải : 1 Ta có c N2 E  E1 hv  exp( 2 )  exp( ), với v ... N=N0 như mong đợi Bởi vì s là dương, sự chênh lệch mật độ điện tử dưới điều kiện trạng thái ổn định nếu có bức xạ khuếch đại luôn là một giá trị tuyệt đối nhỏ hơn trường hợp không có bức xạ khuếch đại, |N| ≤ |N0| Nếu bức xạ đó đủ yếu thì lấy N sWi 1, chúng ta có thể N0 Vì bức xạ khuếch đại trở nên mạnh hơn, Wi tăng lên nên cuối cùng N  0 bất kể tín hiệu ban đầu của N0, được minh hoạ trong hình III.1-5... chất phát ra có thể truyền qua môi trường họat chất nhiều lần để bức xạ này được khuếch đại nhiều lần 2.3 Bộ phận kích thích hay bơm Bơm cung cấp năng lượng để tạo sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của môi trường họat chất và duy trì sự họat động của laser Bao gồm:  Kích thích bằng ánh sáng – bơm quang học  Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong... chạm 3 Nguyên lí phát bức xạ Laser Chúng ta chỉ tiến hành quá trình phát ra bức xạ laser khi có đủ các điều kiện:  Cần có một môi trường hoạt tính  Dùng các phương pháp bơm để làm cho môi trường đó trở thành môi trường có mật độ đảo lộn  Cần dùng một cơ cấu để khuếch đại bức xạ phát ra Cơ cấu này gọi là buồng cộng hưởng 26 Hình III.3-1 Buồng cộng hưởng của máy phát Laser Ruby Ở đây chúng ta xem... Và nó thỏa mãn phương trình: (12) Sự tăng khuếch đại có thể được xem như tuyến tính với biến là E(z) và ΔE(z)/Δz Hàm truyền qua có dạng như sau: (13) Vì sự tăng khuếch đại là một hệ vật lý nên nó có hệ quả Nhưng phần thực và ảo của hàm truyền qua của hệ thống tuyến tính liên quan tới chuyển dổi Hilbert theo đó φ( ) là sự biến đổi của γ( ) do đó hàm khuếch đại lệch pha phụ thuộc vào hệ số tăng của nó . tính . (b) Khuếch đại thực là loại khuếch đại có độ tăng và pha thay đổi theo phương trình của tần số , được làm rõ khi sóng vào có giá tri lớn thì sóng ra sẽ được bão hòa và khuếch đại ở đầu. bức xạ nhiều hơn so với sự hấp thụ thì dải quang hoạt động như khuếch đại đồng pha (coherent amplifier). Hình I.0-2: (a) Khuếch đại tuyến tính lí tưởng . Làm tăng biên độ của sóng tới (tần. dạng đường lorentzian cộng hưởng khuếch đại laser. 4. S tr pha. S khui và lan truyn ph thuc vào tn s tr pha ng bi s khui laser có th ng cách