BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC
Giảng viên hướng dẫn: Hoàng Hữu Hòa Đề tài: I. Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer. II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. III. Chức năng của buồng cộng hưởng. IV. Phân loại buồng cộng hưởng. V. Các mode trong buồng cộng hưởng. VI. Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng. VII. Chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng. VIII.Kết luận. NỘI DUNG TRÌNH BÀY: Cấu tạo của Lazer gồm ba bộ phận chính: 1.Nguồn bơm. 2.Môi trường hoạt chất. 3.Buồng cộng hưởng Là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) Là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm). luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm). Là môi trường khuếch đại gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là ba mức năng lượng (hoặc bốn mức năng lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương. Là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương. Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt của Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt của chùm tia Lazer gồm có: chùm tia Lazer gồm có: Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm quang học). hợp bơm quang học). Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản cho một mode cơ bản Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của laser. laser. 1. Nguồn bơm: 1. Nguồn bơm: 2. Môi trường hoạt chất: 3. Buồng cộng hưởng: 3. Buồng cộng hưởng: II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. Buồng cộng hưởng cấu tạo chính gồm có hai gương quang học có hệ số phản xạ cao đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng trong không gian. Một trong hai gương là gương phản xạ toàn phần. Sau đây là cấu trúc chi tiết của gương quang học và buồng công hưởng quang học. 1. Gương quang học: Gương phản xạ được làm từ tấm kim loại hoặc thủy tinh được mạ một lớp vàng hoặc bạc có độ phản xạ cao. Tuy nhiên hệ số phản xạ của gương không có tính lọc lựa các bước sóng. Để có được hệ số phản xạ lọc lựa cao theo từng bước sóng nhất định ta phải sử dụng các tấm phản xạ cộng hưởng gọi tắt là gương Lazer. Gương Lazer được chế tạo rất đặc biệt . Nó được phun bởi nhiều lớp điện môi trong suốt, mỏng song song cách nhau bằng một lớp không khí lên đế. Tính chất phản xạ lọc lựa của gương Lazer được đặc trưng bởi các tham số đặc trưng của lớp điện môi như: số lớp, độ dày mỗi lớp, khoảng cách giữa các lớp,chiết suất của chất làm điện môi. Hiện tượng giao thoa xảy ra nhiều lần giữa các mặt phản xạ dẫn đến sự phụ thuộc của hệ số phản xạ của gương vào bước sóng bức xạ. Hệ số phản xạ cực đại của bước sóng của bức xạ quang trong chân không của gương bao gồm m bản mặt có độ dày bằng nhau, đặt cách nhau một khoảng bằng nhau, bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng, xác định bằng công thức: Trong đó m là số bản mặt hay số lớp điện môi, n là chiết suất của nó. Điều kiện chiều dày quang học bằng tức là: Để đảm bảo các tia sáng phản xạ trên các lớp giao thoa đồng pha với nhau. Khi các tia sáng phản xạ đồng pha thì tổng cường độ phản xạ trên toàn bộ các lớp sẽ là cực đại. N 1 >1 N 2 <1 N 3 =N 1 N 4 =N 2 N 5 =N 1 Thủy tinh Không khí N =1 4 λ 4 λ r 1 n 1 = r 1 n 2 = 2 2 ax 2 1 1 m m m n r n − = ÷ + II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. a. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào chiều dày của lớp điện môi. ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 4 sin 2 1 4sin 2 f r nDf R r nDf π π = − + Trong đó f là tần số bức xạ, D là độ dày của bản mặt, r là độ dày của lớp điện môi. Đối với từng Lazer nhất định thì hệ số phản xạ của nó đạt cực đại ở một bước sóng(tần số) nhất định. Còn với các bước sóng khác thì hệ số phản xạ sẽ nhỏ hơn. Dựa vào hai điều này mà ta chế tạo nên gương phản xạ toàn phần hay bán phần. Về nguyên tắc chúng ta cũng có thể chế tạo gương Lazer gồm nhiều mặt có độ dày khác nhau song điều này khó thực hiện được gây khó khăn trong thiết kế và gia công nên ít được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên nhằm để sử dụng cho Lazer có phân bố nghịch đảo không đều theo tiết diện ngang của hoạt chất hoặc cần lọc các MODE ngang thì người ta chế tạo gương Lazer có nhiều bản mặt có độ dày bằng nhau nhưng bán kính khác nhau. II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. b. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ theo tần số bức xạ : 2. Lăng kính: Trong nhiều trường hợp lăng kính phản xạ thay cho gương phản xạ toàn phần 100% của buồng cộng hưởng Lazer. Nhờ lăng kính này mà các tia phân kỳ nhỏ được phản xạ trở lại hoạt chất. Ngoài ra cũng nhờ lăng kính mà quá trình khuếch đại trong hoạt chất được phân bố đều. Nên lăng kính được sử dụng trong Lazer biến điệu xung. Đối với buồng cộng hưởng có tính lọc lựa ngoài việc thay cho gương ra lăng kính còn có tác dụng giống như cách tử nhiễu xạ nhằm lọc những bước sóng thích hợp. Hệ một lăng kính II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. Hệ hai lăng kính Hoạt chất Lăng kính 3. Khe chắn: Bức xạ Lazer phát ra có thể có rất nhiều sóng có tần số khác nhau. Tuy nhiên thông thường việc sử dụng Lazer ta chỉ sử dụng ở một vài sóng có tần số nhất định. Và để cho Lazer phát bức xạ đơn sắc ta có thể dùng 2 cách: Cách 1: Sử dụng Lazer có kích thước nhỏ. Cách 2: Dùng cách khe chắn. Dùng cách thứ nhất gặp khó khăn trong việc gia công, lắp ghép, khó chỉnh sửa và công suất bé nên trong thực tế ta thường sử dụng cách thứ hai đó là dùng khe chắn bằng cách tử nhiễu xạ. II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. 3. Khe chắn: Khe chắn cơ học thường dùng trong buồng cộng hưởng Lazer có công suất nhỏ. Đó là một lỗ tròn nhỏ trên mặt kim loại không trong suốt. Đối với Lazer có công suất lớn thường xảy ra sự phá hủy trên đường biên của lỗ chắn. Để tránh sự phá hủy này phần mặt biên của lỗ được gia công dưới dạng mặt cầu hoặc mặt vuông góc và được đánh bóng sao cho bức xạ phản xạ mạnh nhất ở vùng này. Tuy nhiên muốn có độ bền cao dưới tác dụng của bức xạ Lazer mạnh nên khe chắn được thay bằng thủy tinh hoặc thạch anh Khi đặt khe chắn trên trục của buồng cộng hưởng lọc lựa thì những tia có tần số phù hợp sẽ được đi qua khe chắn nhiều lần và đươch khuếch đại. Những tia nào không được đi qua sẽ bị phản xạ ra ngoài và không được khuếch đại. [...]... những nghiên cứu tổng quan về buồng cộng hưởng Lazer Qua đây ta thấy được những đặc điểm cở bản nhất của buồng cộng hưởng Lazer Dựa trên những đặc điểm này ta ứng dụng vào trong công nghệ gia công chế tạo Lazer để ứng vời tùng loại Lazer cụ thể ta có từng loại buồng cộng hưởng thích hợp nhằm đạt hiệu suất phát Lazer cao nhất Một loại buồng cộng hưởng khác là buồng cộng hưởng lọc lựa ứng dụng để thay... trong buồng cộng hưởng quang học, khi sóng điện từ truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng và phản xạ qua lại giữa hai gương cũng sẽ hình thành nên sóng dừng Chỉ những dao động điện từ nào mà một số nguyên lần nửa bước sóng của nó bằng chiều dài buồng cộng hưởng mới có thể tồn tại Về mặt toán học, ta viết là: L=n L=q λ 2 Như vậy sẽ có nhiều bước sóng λ thỏa mãn được điều kiện này, nghĩa là trong buồng. .. đơn sắc, kết hợp Do buồng cộng hưởng mở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Lazer Còn những sóng nào truyền với góc tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ bị thoát ra ngoài Vì vậy bức xạ hình thành ở của ra của buồng cộng hưởng có tính định... cũng không đổi do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp Nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp dao động khác nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp gần như đơn sắc Như vậy có thể nói rằng buồng cộng hưởng quang học có vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của bức xạ Lazer IV Phân loại buồng cộng hưởng: 1 Giao thoa kế Fabri-perot Đây là loại thông dụng... trên khoảng đúng bằng bán kính cong đó, do đó tiêu điểm của chúng trùng nhau Loại này có ưu điểm là: dễ chỉnh và tổn hao do nhiễu xạ ở trong buồng cộng hưởng coi như không đáng kể Chúng được sủ dụng nhiều trong Lazer khí IV Phân loại buồng cộng hưởng: 3 Buồng cộng hưởng gồm một gương phẳng và một gương cầu: Loại này được dùng trong các Lazer khí và một số Lazer rắn Ngoài ra để thu được các xung Lazer... phải được giải quyết theo cách khác Chính nhờ buồng cộng hưởng mà chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quảng đường đi của tia Cụ thể diễn ra như sau: 1 Thực hiện hồi tiếp dương: Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sánh Sóng sẽ được... bố năng lượng) của nó thay đổi theo phương ngang Khi sóng tới truyền đến gặp gương của buồng cộng hưởng thì một sóng phản xạ sẽ hình thành và chuyển động theo hướng ngược lại và chúng gặp nhau tạo nên sóng dừng Điều này chỉ đúng khi các sóng này là sóng cầu (Kích thướt của buồng cộng hưởng là hữu hạn nên buồng cộng hưởng không chỉ có sóng phẳng mà còn có sóng cầu) Theo tính toán, chỉ các sóng dừng có... vai trò quan trọng trong BCH quang học, nó cho phép giảm đi một cách đáng kể số mode ngang được kích thích trong BCH và chỉ giữ lại những mode ngang nào ứng với các tia sáng lan truyền gần như song song với trục của buồng cộng hưởng Chính điều này quyết định đến tính định hướng của bức xạ Lazer VI Hệ số phẩm chất của BCH quang học Để đánh giá chất lượng của BCH quang học theo quan điểm năng lượng,... phản xạ có độ phản xạ cao khoảng 95% quay mặt phản xạ vào nhau đặt song song với nhau Buồng cộng hưởng này đòi hỏi khắt khe về độ song song của hai gương vì thế rất khó chỉnh nhưng lại có được bức xạ có độ định hướng cao Loại này thường được sử dụng trong Lazer rắn và bán dẫn 2 Buồng cộng hưởng đồng tiêu: Buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng nhau và được phân bố trên khoảng đúng... trong buồng cộng hưởng sẽ đồng thời có các mode sóng dừng bước sóng khác nhauλ λ2 , , 1 … cùng tồn tại Độ chênh lệch tần số của các mode dọc liên tiếp nhau là: c ở đây c 2L là vận tốc ánh sáng V Các mode trong BCH: 2 MODE ngang: Trong khi xét mode dọc, ta xét các sóng mà phương truyền của nó nằm dọc theo trục của buồng cộng hưởng Nếu phương lan truyền của sóng tạo với trục của buồng cộng hưởng một góc . buồng cộng hưởng. III. Chức năng của buồng cộng hưởng. IV. Phân loại buồng cộng hưởng. V. Các mode trong buồng cộng hưởng. VI. Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng. VII. Chọn lọc mode trong buồng. 2. Môi trường hoạt chất: 3. Buồng cộng hưởng: 3. Buồng cộng hưởng: II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng. Buồng cộng hưởng cấu tạo chính gồm có hai gương quang học có hệ số phản xạ cao đặt đối. trường hợp bơm quang học) . hợp bơm quang học) . Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một