Vật lí Laser - Buồng cộng hưởng và độ phẩm chất của buồng cộng hưởng 2

Buồng cộng hưởng – Đo phẩm chất buồng cộng hưởng Trang -0- TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHTN TP.HCM KHOA VẬT LÝ BỘ MƠN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Seminar Vật Lý Laser: BUỒNG CỘNG HƯỞNG ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG CỘNG HƯỞNG Giáo viên hướng dẫn: TS. Phan Bách Thắng Học viên thực hiện: Nguyễn Đỗ Mi nh Quân Lý Ngọc Thủy Tiên TP.HCM, Tháng 1 n ăm 2010 Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -1- MC LC I. BUNG CNG HNG 2 1. Kh nng khuch i súng in t khi i qua mụi tr ng hot tớnh 2 2. Nguyờn lý liờn kt hi tip dng tng khuch i 2 3. Bung cng hng l gỡ? 2 4. Vỡ sao bung cng hng quang hc l bung cng hng 2 5. Cu to ca bung cng h ng quang hc 2 6. Chc nng ca bung cng h ng quang hc 2 6.1. Thc hin hi tip dng 2 6.2. To ra bc x nh hng, n sc, kt hp 3 7. Phõn loi bung cng hng theo cu to 3 8. Yờu cu k thut i vi cỏc loi g ng laser 4 II. PHM CHT BUNG CNG HNG 5 1. phm cht l gỡ? 5 2 .Cỏc dng mt mỏt nng lng 5 3. Xỏc nh phm cht: 6 3.1. phm cht trong quỏ tr ỡnh phn x 6 3.2. Mt mỏt do hin tng nhiu x trờn gng 7 TI LIU THAM KHO 10 Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -2- I. BUNG CNG HNG 1. Kh nng khuch i súng in t khi i qua mụi tr ng hot tớnh Gi s súng in t gi n sc cú cng truyn trong mụi tr ng hot tớnh dc theo trc Z. S bin i c ng dc theo trc Z l d = Gdz vi G l h s khuch i c xỏc nh theo cụng thc: G() = mn () ( n n m m N g g N ) nu suy bin v G() = mn () (N m N n ) nu khụng suy bin Nh vy nu to ra c mt o ln thỡ G >0 Ngoi ra khi truyn qua mụi trng hot tớnh thỡ mt phn cng súng in t s b mt mỏt do nhiu nguy ờn nhõn. Vỡ vy s bin i cng dc theo trc Z l d = (G G n )dz,hay = o exp{(G-G n )z}; vi G n l h s mt mỏt Nh vy cng súng trong mụi tr ng hot tớnh tng, khụng nhng cn h s khuch i lng t ln hn khụng m phi ln hn h s mt mỏt trogn mụi tr ng hot tớnh 2. Nguyờn lý liờn kt hi tip dng tng khuch i Mt phn tớn hiu khuch i c quay v mụi trng hot tớnh v mt ln na i qua mụi trng hot tớnh li c khuch i. Do khuch i súng in t s tng nhiu hn so vi khi i qua mụi trng ú mt ln. Nu khuch i v t mc mt mỏt ton phn thỡ thỡ t nú s phỏt súng in t thnh lp liờn kt hi tip dng ngi ta ch to ra bung cng h ng 3. Bung cng hng l gỡ? Bung cng hng l mt trong nhng b phn quan trng ca mỏy phỏt l ng t (laser). Nú dựng thc hin liờn kt hi tip dng v to ra bc x nh hng, n sc, kt hp. Bung cng hng gm cỏc mt phn x v mụi trng hot tớnh 4. Vỡ sao bung cng hng quang hc l bung cng hng Vi k thut hin nay khụng th ch to ra bung cng h ng vi kớch thc c bc súng dói quang hc Nu gi s cú th to ra bung cng h ng vi kớch thc nh th thỡ bung cng khụng cú ý ngha v mt nng lng vỡ kớch thc quỏ ca h khụng to ra cụng sut bc x cn thit. Ngoi ra khi s dng bung cng h ng h cú th m bo tớnh lc la v gim mt mỏt nng lng do phn x 5. Cu to ca bung cng h ng quang hc Thụng thng bung cng hng l mt h gm hai mt t i din nhau, gia hai mt ny l mụi trng hot tớnh. Thụng th ng mt trong hai g ng ch lm nhim v phn x ỏnh sỏng, gng cũn li va phn x mt phn ỏnh sỏng truyn v o nú va cho mt phn ỏnh sỏng truyn qua 6. Chc nng ca bung cng h ng quang hc 6.1. Thc hin hi tip dng Nh ta ó bit mụi trng hot tớnh t trong bung cng h ng tuy cú kh nng khuc h i tớn hiu i qua nú theo quy lut = o exp{(G-G n )z} nhng khuch i ny khụng ln vỡ chiu di z l cú hn. cú c cng khuch i tớn hiu ln phi tng kớch thc mụi trng hot tớnh lờn nhiu ln. Buồng cộng hưởng – Đo phẩm chất buồng cộng hưởng Trang -3- Ví dụ như đối với hoạt chất CO 2 là một trong những hoạt chất có hệ số khuếch đại t ương đối lớn, thì để đạt được cơng suất bức xạ l à 1W thì cần phải sử dụng một ống chứa khí d ài 10 4 m.Từ ví dụ trên ta thấy muốn tăng chiều d ài của hoạt chất phải đ ược giải quyết bằng cách khác. Chính nh ờ buồng cộng hưởng mà việc thay đổi chiều d ài hoạt chất trở nên đơn giản bằng cách cho bức xạ phản xạ nhiều lần tr ên các gương phản xạ. Khi cho sóng ánh sáng đi qua ho ạt chất của buồng cộng h ưởng tín hiệu sẽ được khuếch đại lên, khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sáng sẽ bị hất thụ hoặc truyền qua nh ưng phần lớn sóng ánh sáng sẽ phản xạ trở lại v à được khuếch đại lên khi đi qua mơi trư ờng hoạt tính đến mặt phản xạ c òn lại. Tại đây cũng xảy ra q tr ình tương tự và cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu đ ược bức xạ có cường độ lớn. 6.2. Tạo ra bức xạ định h ướng, đơn sắc, kết hợp Do cấu tạo buồng cộng hưởng là hở nên những sóng ánh sáng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sau nhiều lần phản xạ đ ược cộng hưởng lên nhiều lần. Những sóng ánh sáng này sẽ xác định cơng suất ra của laser. Còn những sóng ánh sáng lan truyền d ưới những góc lệch tương đối lớn so với trục của buồng cộng h ưởng sẽ bị thốt ra ngo ài sau nhiều lần phản xạ. Vì vậy bức xạ được hình thành ở buồng cộng hưởng sẽ có tính định hướng rất cao Trong nhiều lần phản xạ giữa hai g ương, pha của sóng ánh sáng ln bảo to àn và quan hệ về pha của các sóng đó cũng khơng đổi, do đó bức xạ ra mang tính kết hợp Cuối cùng nhờ buồng cộng hưởng có thể thực hiện đ ược các phương pháp chọn lọc để thu được bức xạ có dãi phổ rất hẹp gần như đơn sắc 7. Phân loại buồng cộng hưởng theo cấu tạo Phân loại theo đường đi của tia sáng: Đường kia sáng hở ( zic zắc hở): Buồng cộng hưởng phẳng: hai gương phản xạ là hai gương phẳng, cho bức xạ có độ định hướng cao Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu: Hai gương cầu có cùng bán kính và chung tiêu đi ểm Ngồi ra còn có các lo ại buồng : gương liền trong laser bán dẫn, một g ương phẳng và một gương cầu, gương phẳng và lăng kính quay Đường đi tia sáng kín : các g ương phản xạ được đặt sao cho đường đi tia sáng là kín Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -4- 8. Yờu cu k thut i vi cỏc loi g ng laser Yờu cu c bn ca cỏc gng laser l phi m bo sao cho h s phn x cho phộp l ln nht v phn nng lng tiờu hao do hp th trờn cỏc b mt l nh nht. Trong giai on u phỏt trin ca k thut laser ng i ta s dng cỏc g ng cú l thu tinh hay thch anh v lp phn x c ma lờn ú bc, nhụm hoc vng, h s phn x ca cỏc gng ny vựng ỏnh sỏng kh kin thng khụng vt quỏ 90- 95% v phn nng lng tiờu hao trờn b mt gng cú th t ti 5 -10%. Vỡ vy cỏc gng ny cú phm cht khụng cao. Ngy nay trong k thut laser phn ln gng m nhụm, bc, vng c thay bi gng in mụi nhiu lp. Nú cú cỏc c tớnh ni bt: cỏc g ng cú h s phn x cao v phn nng lng tiờu hao do hp th l rt bộ, chu c bc x nng lng ln v tui th ca cỏc gng ny cao. V ỡ th nú m bo c phm cht ca bung cng h ng rt cao. Yờu cu v dy quang hc ca cỏc lp in mụi cụng sut phn x tng hp v h s phn x ln l n 1 . h 1 = n 2 . h 2 = n 3 . h 3 = n n . h n = 4 H s phn x v tớnh chn lc ca gng cũn ph thuc vo s lp in mụi. Vớ d s ph thuc ny i vi gng c ch to ZnS v MgF 2 Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -5- Cỏc gng c ci to t 3-7 lp l cỏc gng bỏn trong su t, khi gng t 15 lp in mụi tr lờn thỡ t c h s phn x rt cao (R> 99%) Ngoi ra cỏc loi gng trong h cng hng cng ũi hi sai s v bng phng ca b mt gng khụng vt quỏ giỏ tr cho phộp l R R 2 )1( Ngoi ra mt thụng s k thut ca cỏc gng cn c chỳ ý l giỏ tr mt cụng sut ti hn m gng cú th chu c. õy l mt vi s liu c xỏc nh qua thc nghim: i vi h gm mt g ng phn x hon ton, mt gng bỏn trong su t thỡ h s phn x tho món: i vi laser lm vic theo s 3 mc i vi laser lm vic theo s 4 mc II. PHM CHT BUNG CNG H NG 1. phm cht l gỡ? Mt c trng quan trng ca BCH l phm cht. phm cht xỏc nh mt nng lng bc x trong h. phm cht c ng cao khi nng l ng mt mỏt cng nh. 2 .Cỏc dng mt mỏt nng lng: Trờn thc t vỡ cú nhiu dng mt mỏt trong h cng h ng. Cỏc mt mỏt ú do nhiu nguyờn nhõn: - Mt mỏt bi cht lng phn x ca gng - Mt mỏt bi nhin tng nhiu x trờn gng - Mt mỏt do cỏc gng khụng song song nhau - Mt mỏt do s lch ca cỏc photon khi di chuyn trong bung cng h ng Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -6- Mi dng mt mỏt c xỏc nh bi mt phm cht Trong BCH h, nhiu x úng mt vai tr ũ: nú lm gim s mode dao ng so vi h cng hng kớn. Mt khỏc trong quỏ t rỡnh di chuyn, nng lng súng cũn b mt mỏt do hin tng truyn qua v hin tng hp th bi gng. Do ú, nng l ng mt mỏt trong 2 quỏ trỡnh ny l r t quan trng. 3. Xỏc nh phm cht: 3.1. phm cht trong quỏ tr ỡnh phn x: - Ta xột mt mỏt do cht lng phn x ca gng (hin tng truyn qua v hp th trong gng): Chựm sỏng chiu ti mt gng thỡ s chia ra lm 3 thnh phn theo nh lut Lamber - beer (nh hỡnh v): + Mt phn chựm sỏng s b phn x li mụ i trng c + Mt phn chựm sỏng s truyn qua + Mt phn b hp th bi g ng Trong Laser ta cn chựm sỏng phn x li mụi trng c to hi tip d ng, nh vy, phn chựm sỏng b hp th v truyn qua s lm gim cng chựm sỏng chiu vo, gõy ra mt mỏt trong quỏ trỡnh phn x. Cng ỏnh sỏng mt i trong mt n v thi gian do s phn x n y l: dI/ dt px = -Ic/L Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -7- < => I = I 0 exp( c.t/ L) Vi I/I 0 = exp( c.t/ L): tc tt dn. phm cht trong tr ng hp ny l: Q 1 = L/c Suy ra: I/I 0 = exp( c.t/ L) = exp (- t./Q 1 ) => Phng trỡnh biu din dao ng tt dn tr th nh: dI / dt px = -I/Q 1 Xỏc nh Q 1 : - Nu coi cỏc gng l hon ton gi ng nhau, v cú h s phn x l R, thỡ phn nng lng ca BCH b mt i trong khong thi gia n dt c xỏc nh: Gi s súng mang nng l ng E /2 i t gng G 1 n gng G 2 . Ti gng G 2 , súng ny c phn x tr li mt phn, c ũn mt phn tn hao bng E(1-R) /2. - Khong thi gian cn thit súng i ht qu óng ng t G 1 n G 2 l: t = L/ v = L n / c (n l chit sut ca mụi trng hot tớnh) Nh vy sau mi khong thi gian t thỡ súng i c mt ln t G 1 n G 2 , v tiờu hao phn nng lng bng E (1-R) /2. Vỡ vy, trong mt n v thi gian, súng b mt mt phn nng l ng l: E(1-R) /2 t = -E ( 1-R) c/ 2 L n Vỡ mi dao ng trong BCH c to bi hai súng phng lan truyn ng c chiu nhau, nờn phn nng lng m mt dao ng( mt mode) mt i trong mt n v thi gian l: -E ( 1-R)c/ Ln Nh vy trong c khong thi gian t, phng thỡnh xỏc nh tn hao : dE =-E ( 1-R)c/ Ln dt. (1) Mt khỏc, nu coi cỏc mode ca BCH nh cỏc dao ng in t c lp, th ỡ phng trỡnh dao ng tt dn : dE = -Edt /Q 1 (2) So sỏnh: (1) v (2): Q 1 = Ln/c(1-R)= 2Ln / (1-R) - Trong dói súng vụ tuy n : a, 1 (57 ): mt mỏt ln Do ú h cng hng h ch ng dng cho súng ngn. Vớ d nh i vi = 1.10 -2 , L = 0,3 m, = 1m, Q 1 =2.10 8 3.2. Mt mỏt do hin tng nhiu x trờn gng: Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -8- Do kớch thc hu hn ca gng nờn cỏc chựm sỏng khi chiu ti biờn gng s b phn x v i ra khi BCH. Mt mỏt n y gi l mt mỏt do nhiu x. Cng ỏnh sỏng mt i trong mt n v thi gian do hin tng nhiu x ny l:dI/ dt nx = -I /Q 2 () Chựm súng song song v i di p lờn gng A, phn x v nhiu x trong gúc /a. Phn nng lng b mt do nhiu x sau mt ln bc x i qua h cng h ng s bng t s din tớch vnh khuyờn cú b rng x (x= . L) vi din tớch gng: 2ax/ a 2 =L/ a 2 = 1/N ( N: s Fresnel) Nh vy, s Fresnel cng ln thỡ mt mỏt do nhiu x c ng nh Q 2 = a 2 / L - Cỏc loi laser khỏc nhau s cú phm cht khỏc nhau: Laser Ruby cú chiu di 10 cm, ng kớnh ca thi Ruby l 1cm, hai gng phn x ca nú l 2 mt ỏy ca nú, vi nhit ph ũng = 6943 thỡ ta tỡm c N = Q 2 =625 i vi laser khớ Ar, d i h cng hng khong 50cm, ng kớnh trong ng phúng in khong 2mm, d i súng = 4880 , thỡ N = Q 2 20 T phng trỡnh () v (**), cng gim tng cng l : A B 2 a x L Buong coọng hửụỷng ẹo phaồm chaỏt buong coọng hửụỷng Trang -9- dI/dt = -I( 1/ Q 1 + 1/ Q 2 ) = -I /Q vi 1/ Q = 1/Q 1 + 1/Q 2 Q l phm cht ca bung cng h ng Mt mỏy laser cng tt s cú Q cng ln. [...]...TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Vật Lý Laser, Nguyễn Hữu Chí – Trần Tuấn, NXB ĐHQG.TPHCM 2 Giáo Trình Quang Học, Nguyễn Trần Trác – Diệp Ngọc Anh, NXB ĐHSP.TPHCM 3 Cơ Sở Kỹ Thuật Laser, Trần Đức Hân – Nguyễn Minh Hiển, NXB Giáo Dục 4 Bài giảng Vật Lý Laser Lớp Cao Học Vật Lý Ứng Dụng K19, Thầy TS Phan Bách Thắng Trang -1 0- . Buồng cộng hưởng – Đo phẩm chất buồng cộng hưởng Trang -0 - TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHTN TP.HCM KHOA VẬT LÝ BỘ MƠN VẬT LÝ ỨNG DỤNG Seminar Vật Lý Laser: BUỒNG CỘNG HƯỞNG ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG CỘNG HƯỞNG Giáo. = o exp{(G-G n )z} nhng khuch i ny khụng ln vỡ chiu di z l cú hn. cú c cng khuch i tớn hiu ln phi tng kớch thc mụi trng hot tớnh lờn nhiu ln. Buồng cộng hưởng – Đo phẩm chất buồng cộng hưởng Trang -3 - Ví. : dE = -Edt /Q 1 (2) So sỏnh: (1) v (2) : Q 1 = Ln/c(1-R)= 2Ln / (1-R) - Trong dói súng vụ tuy n : a, 1 (57 ): mt mỏt ln Do ú h cng hng h ch ng dng cho súng ngn. Vớ d nh i vi = 1.10 -2 , L