So sánh độ rộng vạch phổ của mộ số laser có cấu trúc buồng cộng hưởng khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  - ĐẶNG HỮU DANH SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER CÓ CẤU TRÚC BUỒNG CỘNG HƯỞNG KHÁC NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Vinh, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  ĐẶNG HỮU DANH SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER CÓ CẤU TRÚC BUỒNG CỘNG HƯỞNG KHÁC NHAU CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN PHÚ Vinh, 2015 LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Văn Phú - thầy giáo hướng dẫn, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên tác giả suốt trình hoàn thành luận văn Được học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh dự may mắn lớn lao tác giả Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy giáo, cô giáo giảng dạy cho tác giả thời gian vừa qua Đặc biệt tác giả xin cảm ơn Phòng đào tạo Sau đại học, khoa Vật lí Công nghệ, trường Đại học Vinh tạo điều kiện cho tác giả học tập nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp, Ban giám hiệu trường THPT Vũ Quang tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả suốt thời gian vừa qua Vinh, tháng năm 2015 Tác giả MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC 1.1 Cấu tạo chung máy phát laser 1.1.1 Hoạt chất 1.1.2 Buồng cộng hưởng .3 1.1.3 Bộ phận kích thích (bơm) .3 1.2 Buồng cộng hưởng quang học 1.2.1 Chức buồng cộng hưởng .4 1.2.2 Hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng 1.2.3 Các mode buồng cộng hưởng 10 1.3 Một số loại buồng cộng hưởng .16 1.3.1 Buồng cộng hưởng mở .16 1.3.2 Buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính 21 1.3.3 Buồng cộng hưởng kép .21 1.4 Các tính chất chùm tia laser .23 1.4.1 Cường độ tia laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt .23 1.4.2 Độ định hướng Laser cao .23 1.4.3 Độ đơn sắc cao 24 1.4.4 Tính chất không gian tia laser 25 1.4.5 Tính chất thời gian tia Laser 26 Kết luận chương 27 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN, SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER 28 2.1 Độ rộng vạch phổ 28 2.2 Công thức tính độ rộng vạch phổ 30 2.3 Tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ số loại laser 31 2.3.1 Độ rộng vạch phổ laser khí 31 2.3.2 Độ rộng vạch phổ laser rắn 34 2.3.3 Độ rộng vạch phổ laser bán dẫn 36 2.3.4 Độ rộng vạch phổ laser màu 37 Kết luận chung .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO .40 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng laser có bước phát triển to lớn Laser áp dụng nhiều ngành khoa học công nghệ, mà sử dụng nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho cộng đồng nhờ tính chất ưu việt Trong tính chất chùm laser, độ đơn sắc cao tính chất quan trọng nhất, định nghĩa qua độ rộng vạch phổ chùm tia laser Việc tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ laser đóng vai trò quan trọng nghiên cứu, giúp cho thực nghiệm định hướng ứng dụng cho lĩnh vực cụ thể Vì để góp phần tìm hiểu mặt vật lý ứng dụng trình này, chọn đề tài “So sánh độ rộng vạch phổ số laser có cấu trúc buồng cộng hưởng khác nhau” để nghiên cứu Bố cục luận văn phần mở đầu, kết luận chung tài liệu tham khảo, luận văn gồm hai chương có nội dung sau: Chương Tổng quan laser buồng cộng hưởng quang học Trong chương trình bày lịch sử hình thành phát triển laser, cấu tạo nguyên tắc hoạt động máy phát laser, giới thiệu số loại buồng cộng hưởng, tính chất chùm tia laser, khái niệm độ rộng vạch phổ Chương So sánh độ rộng vạch phổ số laser Trong chương dẫn công thức tính độ rộng vạch phổ, tìm phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng, từ so sánh độ rộng vạch phổ số laser khác Phần kết luận chung nêu số kết mà luận văn đạt CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC 1.1 Cấu tạo chung máy phát laser Laser hay gọi máy phát lượng tử vùng quang học, chữ viết tắt cụm từ tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Về mặt cấu tạo Laser gồm ba phận hoạt chất, buồng cộng hưởng phận kích thích (hay gọi nguồn bơm) 1.1.1 Hoạt chất Đây môi trường vật chất có khả khuếch đại ánh sáng qua Cho đến nhiều chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn, dùng làm hoạt chất Chúng ta phân loại sau: - Hoạt chất chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh pha trộn thêm ion nguyên tố : Sm +3 , Eu+3 , Nd+3 , Cr+3 , … Laser rắn điển hình laser Rubi có hoạt chất tinh thể Al 2O3 trộn thêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd+3 - Hoạt chất chất lỏng bao gồm chất Chelaste peperidin Eu(BA)4 hòa tan dung môi rượu ethol, methol có thêm nguyên tố Eu+3, Nd+3, … - Hoạt chất chất khí bao gồm: + Các khí đơn nguyên tử, như: ArI, XeI, NeI,… + Các ion khí đơn nguyên tử, như: ArII, KrII,… + Các khí phân tử, như: CO2 , CO , N2 , H2O , … + Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử, He - Ne, hay hỗn hợp khí phân tử CO2 – N2 – He , CO – N2 – H2O , … - Hoạt chất chất bán dẫn như: GaAs, PbS, PbTe, InGaAs, InGaAsP,… Hoạt chất loại phải chất phát quang [2] 1.1.2 Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng phận quan trọng máy phát laser Thành phần chủ yếu buồng cộng hưởng gương Một gương có hệ số phản xạ cao (cỡ 99,999%), gương có hệ số phản xạ thấp để tia laser thoát Một gương thay lăng kính hay cách tử (tùy theo yêu cầu) Hai gương phản xạ để xa hoạt chất hay gắn chặt với [2] Vai trò buồng cộng hưởng làm cho xạ (do hoạt chất phát ra) lại nhiều lần qua hoạt chất để khuếch đại lên, hay nói cách khác tạo phản hồi ngược dương cho môi trường khuếch đại hoạt chất [5] Ngoài ra, buồng cộng hưởng có tác dụng tạo dao động riêng (Mode) trường quang học, đồng thời định hướng cho chùm tia laser phát Trong mục 1.2 trình bày kỹ buồng cộng hưởng 1.1.3 Bộ phận kích thích (bơm) Đây phận cung cấp lượng để tạo nghịch đảo độ tích lũy hai mức lượng hoạt chất trì hoạt động laser Tùy theo laser khác mà có nhiều phương pháp kích thích khác nhau, để tạo môi trường khuếch đại cho laser Có thể phân loại: - Kích thích ánh sáng hay gọi bơm quang học, loại kích thích phổ biến Hoạt chất thu lượng bơm qua trình hấp thụ - Kích thích va chạm điện tử: lượng điện tử gia tốc điện trường truyền cho hệ nguyên tử hoạt chất nhờ trình va chạm - Kích thích dòng điện (chủ yếu cho laser khí, laser bán dẫn), kích thích phản ứng hóa học, kích thích khí động học, Tuy nhiên, loại laser áp dụng phương pháp kích thích, phụ thuộc vào chất hoạt chất [2] Cả ba phận tách rời cấu máy phát laser Hình 1.1 mô tả cấu trúc tổng quát máy phát laser 1 Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát máy phát laser Các gương phản xạ, Hoạt chất, Nguồn bơm Ngoài ba phận vừa nêu cấu tạo laser có thêm số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu việt chùm tia laser, như: hộp phản xạ – tập trung lượng bơm vào hoạt chất (dùng trường hợp bơm quang học) ; diaphragma – lọc mode ngang dùng để tập trung lượng buồng cộng hưởng cho mode bản; môi chất làm lạnh có tác dụng làm giảm nhiệt độ hoạt chất nhằm mục đích nâng cao độ ổn định công suất phát laser 1.2 Buồng cộng hưởng quang học 1.2.1 Chức buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng quang học có hai chức quan trọng thực trình hồi tiếp dương góp phần tạo xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp Như biết, môi trường hoạt tính đặt buồng cộng hưởng, có khả khuếch đại tín hiệu qua theo luật hàm mũ Buerger, độ khuếch đại không lớn chiều dài hoạt chất có hạn Để có khuếch đại lớn phải tăng kích thước hoạt chất lên nhiều lần Chẳng hạn, dùng hoạt chất khí CO có hệ số khuếch đại tương đối lớn số loại hoạt chất thông dụng, để có công suất 1W, cần phải sử dụng ống chứa khí dài 10 m, điều thực Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài hoạt chất giải cách đơn giản Trong buồng cộng hưởng, tia sáng phản xạ nhiều lần biện pháp làm tăng quãng đường tia Cụ thể trình xảy sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát nguyên tử buồng cộng hưởng xuất sóng ánh sáng Sóng khuếch đại lên dịch chuyển cưỡng qua lớp hoạt chất Khi tới mặt phản xạ, phần sóng ánh sáng bị tượng hấp thụ truyền qua, phần chủ yếu phản xạ trở lại tiếp tục khuếch đại lên đường tới mặt phản xạ Tại xảy trình tương tự vậy, sau nhiều lần phản xạ ta thu dòng xạ có cường độ lớn Khuếch đại lớn vô Nó bị giới hạn công suất nguồn bơm [3] 1 Hình 1.2 Sự hình thành hồi tiếp dương buồng cộng hưởng Các gương phản xạ, Đường truyền tia sáng Do buồng cộng hưởng hở nên sóng truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng qua hoạt chất nhiều lần khuếch đại lên Những sóng ánh sáng xác định công suất Laser Còn sóng 26 1.4.4.2 Tính chuẩn trực chùm tia Trong thực nghiệm người ta bố trí kính thấu kính thu chùm song song 1.4.4.3 Sự hội tụ chùm tia Với chùm sáng thông thường, ta hội tụ chùm tia vào điểm với đường kính nhỏ tuỳ ý gặp tượng nhiễu xạ Với chùm tia laser tập trung hội tụ điểm có diện tích cỡ λ2 1.4.5 Tính chất thời gian tia Laser Tính chất thể chế độ làm việc liên tục xung laser Hầu hết laser phát liên tục trừ laser Ruby hay laser thuỷ tinh iôn Ngoài ra, laser dễ dàng làm việc chế độ xung nhờ biện pháp kỹ thuật riêng Trong tính chất thời gian cần ý điểm sau: + Khi phát liên tục, theo thời gian laser có thăng giáng tần số nguyên nhân cấu laser, tác động ngoại cảnh với buồng cộng hưởng + Khi phát xung lượng hay công suất phát liên hệ với qua độ rộng xungnhờ công thức: Pc = E τ (1.34) Ở đây: Pc công suất đỉnh xung, E lượng xung, τ độ rộng xung Ngoài ra, công suất trung bình xung xác định công thức Pm = Eν R 27 với ν R tần số lặp lại xung, thông thường ν R nằm khoảng từ - 100Hz [2] Kết luận chương Trong chương trình bày lịch sử hình thành phát triển cấu tạo nguyên tắc hoạt động chung laser Chúng tìm hiểu cấu hình, cấu tạo chức số buồng cộng hưởng dùng cho loại laser Tính chất chùm xạ laser phụ thuộc vào thông số cấu trúc buồng cộng hưởng nghiên cứu kỹ chương 28 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN, SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER 2.1 Độ rộng vạch phổ Như trình bày chương trình bơm vượt ngưỡng, xạ laser phát Nếu trình chọn lọc mode buồng cộng hưởng xuất nhiều mode trục dọc mode xiên Số lượng mode buồng cộng hưởng lên đến hàng ngàn, chí hàng vạn tùy thuộc cấu hình buồng cộng hưởng chất môi trường hoạt Chẳng hạn số mode buồng cộng hưởng tương đối lớn mô hình 2.1 laser kết thực nghiệm cho laser Đường bao vạch phổ khuếch đại laser Cường độ Cường độ He-Ne hình 2.2 Tần số Cường độ Tần số Phổ laser số Hình 2.1 Các mode trục dọc BCH đường baoTầnvạch phổ mode laser [9] 29 Hệ số Khuếch đại Khoảng cách mode liên tiếp BCH Các mode laser Công suất đầu Ngưỡng phát laser Phân cực 00 Phân cực 900 Tần số Chiều dài BCH Hình 2.2 Số mode buồng cộng hưởng lựa chọn mode buồng cộng hưởng laser He-Ne [9] Điều dẫn đến cần thiết phải có trình chọn lọc mode laser phát với chế khác Mặt khác với xạ laser định ảnh hưởng nhiễu hay trình vật lý khác xẩy thân laser gây trình mở rộng phổ xạ laser Theo định nghĩa, độ rộng vạch phổ khoảng cách tần số hai điểm công tua vạch phổ mà cường độ vạch phổ 1/2 giá trị cực đại (hình 2.3) I I0 ∆ν ν0 Hình 2.3 Độ rộng vạch phổ ν 30 Độ đơn sắc chùm tia đặc trưng độ rộng vạch ∆ν chùm tính đơn sắc tia laser làm cho có ứng dụng tuyệt đối sống, khoa học công nghệ Nghiên cứu cách tính toán độ rộng vạch phổ, so sánh độ rộng vạch phổ laser khác nội dung chủ yếu chương 2.2 Công thức tính độ rộng vạch phổ Giả sử ta có chùm tia laser bao gồm photon có bước sóng Khi chùm tia laser kết hợp hoàn toàn Tuy nhiên, ta biết chùm tia laser phát sóng đơn sắc có bước sóng xác định mà chùm sóng có tần số nằm khoảng v đến ν + ∆ν p định Khi theo định nghĩa thời gian kết hợp sóng là: ∆t ≈ ∆ν p (2.1) đoạn đường kết hợp tính theo công thức: ∆L = c.∆t = c ∆ν p (2.2) Như theo (2.1) (2.2) thấy độ rộng phổ chùm tia laser nhỏ (càng đơn sắc) thời gian kết hợp cao quãng đường kết hợp lớn Như ta nói chùm tia laser có tính kết hợp cao, không nói kết hợp hoàn toàn Rõ ràng độ đơn sắc chùm tia laser lớn tính kết hợp cao, thời gian quãng đường kết hợp lớn Giả sử chùm tia laser phát tổng giao thoa N L mode dọc có cường độ nhau, khoảng cách phổ từ mode thứ đến mode thứ NL ( N L − 1) ∆ν 31 Độ rộng phổ chùm tia tính 1/2 cường độ đỉnh nên ta lấy gần đúng: ∆ν p = ( N L − 1) ∆ν ∆ν khoảng cách tần số, ∆ν p độ rộng phổ chùm tia Như sau áp dụng công thức (2.1) (2.2) ta có: ∆L = c 4L = ∆ν p N L − (2.3) Từ ta có công thức tính độ rộng chùm laser: ⇒ ∆ν p = ( N L − 1) c 4L (2.4) Trong đó: L chiều dài buồng cộng hưởng; c vận tốc ánh sáng chân không NL số mode laser phát tính theo công thức: NL = FWHM ∆ν với FWHM độ rộng công tua khuếch đại laser Theo công thức (2.3) (2.4) ta thấy rằng, laser phát mode dọc, tức độ đơn sắc hoàn toàn, độ dài kết hợp vô Nếu NL > độ đơn sắc giảm Độ dài kết hợp sóng ánh sáng lớn độ đơn sắc cao Đây lí ta phải nghiên cứu nâng cao tính đơn sắc chùm tia laser 2.3 Tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ số loại laser 2.3.1 Độ rộng vạch phổ laser khí 32 Xét Laser khí hoạt chất He-Ne [9] có chiều dài buồng cộng hưởng L = 14cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1, phát bước sóng λ = 632,8nm với công suất phát 1mW Áp dụng công thức N = 2nL λ ta có số mode trục dọc buồng cộng hưởng là: 2nL 2.1.14.10−2 N= = = 442477 λ 632,8.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp: c 3.10 ∆ν = = = 1,071GHz 2nL 2.1.14.10 − Độ rộng công tua khuếch đại laser He-Ne xác định theo kết thực nghiệm [9] : FWHM = 1,5 GHz Như tính số mode laser phát trường hợp : NL = FWHM = 1,4 ∆ν Vì số mode laser phát số thập phân nên ta lấy NL= Áp dụng công thức (2.4) ta tính độ rộng vạch phổ: ∆ν p N L − 1) c ( − 1) 3.108 ( = = ≈ 5,36.108 Hz = 536MHz 4L 4.14.10 −2 ∆νp = 536 MHz (2.5) Kết hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm laser He-Ne công bố [9] - Tương tự vậy, ta xét laser khí He-Ne có chiều dài buồng cộng hưởng L = 20cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1, phát bước sóng λ = 632,8nm với công suất phát 2mW Áp dụng công thức N = mode trục dọc buồng cộng hưởng là: 2nL ta có số λ 33 2nL 2.1.20.10 −2 = = 632111 λ 632,8.10−9 N= Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : ∆ν = c 3.108 = 750.106 Hz = 0, 75GHz = −2 2nL 2.1.20.10 Vậy số mode laser phát NL = FWHM = ∆ν Độ rộng phổ laser trường hợp là: ∆ν p = ( N L − 1) c ( − 1) 3.108 4L = 4.20.10 −2 = 3, 75.108 Hz = 375MHz ∆νp = 375 MHz (2.6) - Còn laser khí He-Ne có chiều dài buồng cộng hưởng L = 40cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1, phát bước sóng λ = 632,8nm với công suất phát 3mW Áp dụng công thức N = 2nL ta có số mode trục dọc có λ thể buồng cộng hưởng là: 2nL 2.1.40.10−2 N= = = 1264222 λ 632,8.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : c 3.108 ∆ν = = = 375.106 Hz = 0,375GHz −2 2nL 2.1.40.10 Vậy số mode laser phát : NL = Vậy ta có: FWHM = ∆ν 34 ∆ν p N L − 1) c ( − 1) 3.108 ( = = 4L 4.40.10 −2 = 562,5.106 Hz = 562,5MHz ∆νp = 562,5 MHz (2.7) - Với laser khí He-Ne có chiều dài buồng cộng hưởng L = 80cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1, phát bước sóng λ = 632,8nm với công suất phát 5mW Áp dụng công thức N = 2nL ta có số mode trục dọc λ buồng cộng hưởng là: N= 2nL 2.1.80.10−2 = = 2528445 λ 632,8.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : ∆ν = c 3.108 = = 187,5.106 Hz = 0,1875GHz −2 2nL 2.1.80.10 Độ rộng phổ đường cong khuếch đại laser He-Ne xác định theo kết thực nghiệm [9] : FWHM = 1,5 GHz Số mode laser phát : NL = FWHM =8 ∆ν Độ rộng vạch phổ laser trường hợp này: ∆ν p = ( N L − 1) c ( − 1) 3.108 4L = 4.80.10 −2 = 656, 25.106 Hz = 656, 25MHz ∆νp = 656 MHz (2.8) 2.3.2 Độ rộng vạch phổ laser rắn Xét laser rắn điển hình Nd: YAG có chiều dài buồng cộng hưởng L = 3cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1,76 phát bước sóng λ = 1064,1nm với công suất phát 360W 35 Áp dụng công thức N = 2nL λ ta có số mode trục dọc buồng cộng hưởng là: N= 2nL 2.1, 76.3.10 −2 = = 9962 λ 10600.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : ∆ν = c 3.108 = = 2,84.109 Hz = 2,84GHz −2 2nL 2.1, 76.3.10 Độ rộng phổ đường cong khuếch đại laser Nd: YAG xác định theo kết thực nghiệm [9] FWHM = 1,2.1011 Hz Vậy số mode laser phát NL = FWHM = 42 ∆ν Vậy theo công thức (2.4) ta tính được: ∆ν p N L − 1) c ( 42 − 1) 3.108 ( = = = 1, 025.1011 Hz 4L 4.3.10−2 ∆νp = 102,5GHz (2.9) Trường hợp laser rắn laser Ruby có chiều dài buồng cộng hưởng L = 3cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1,76 phát bước sóng λ = 694,3nm với công suất phát 200W Áp dụng công thức N = 2nL ta có số λ mode trục dọc có buồng cộng hưởng là: 2nL 2.1,76.3.10−2 N= = = 9962 λ 10600.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : c 3.108 ∆ν = = = 2,84.109 Hz = 2,84GHz 2nL 2.1, 76.3.10 −2 Độ rộng phổ đường cong khuếch đại laser Ruby xác định theo kết thực nghiệm [9] : FWHM = 3.1011 Hz Vậy số mode laser phát 36 FWHM = 105 ∆ν NL = Vậy theo công thức (2.4) ta tính độ rộng vạch phổ laser Ruby trường hợp là: ∆ν p N L − 1) c ( 105 − 1) 3.108 ( = = = 2, 6.1011 Hz 4L 4.3.10−2 ∆νp = 260 GHz (2.10) 2.3.3 Độ rộng vạch phổ laser bán dẫn Xét laser bán dẫn sử dụng hoạt chất InGaAsP có chiều dài buồng cộng hưởng L = 400µm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 3,5 phát bước sóng 1300nm Áp dụng công thức N = 2nL λ ta có số mode trục dọc buồng cộng hưởng là: N= 2.3,6.400.10 −6 2nL = λ 1300.10 −9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : ∆ν = c = 107.109Hz 2nL Độ rộng phổ đường cong khuếch đại laser InGaAsP xác định theo kết thực nghiệm [11] : FWHM = 1,2THz Vậy số mode laser phát FWHM 1,2.1012 NL = = = 11 ∆ν 107.109 Vậy theo công thức (2.4) ta tính độ rộng vạch phổ laser bán dẫn trường hợp là: ∆ν p = ( N L − 1).c = (11 − 1).3.108 4L ∆νp = 1875 GHz 4.400.10 −6 = 1,875.1012 Hz (2.11) 37 2.3.4 Độ rộng vạch phổ laser màu Đối với laser màu (Rh6-G) có chiều dài buồng cộng hưởng L = 10cm, môi trường hoạt chất có chiết suất n = 1,34, phát bước sóng 577nm Áp dụng công thức N = 2nL ta có số mode trục dọc có buồng cộng λ hưởng là: 2nL 2.1,34.10.10−2 N= = = 464471 λ 577.10−9 Khoảng cách tần số hai mode liên tiếp : ∆ν = c 3.108 = = 1,119.109 Hz −2 2nL 2.1,34.10.10 Độ rộng phổ đường cong khuếch đại laser màu (Rh6-G) xác định theo kết thực nghiệm [9]: FWHM = 5.10 13 Hz Vậy số mode laser phát NL = FWHM = 44682 ∆ν Theo công thức (2.4) ta tính độ rộng vạch phổ laser màu hoạt chất Rh6-G là: ∆ν p N L − 1) c ( 44682 − 1) 3.108 ( = = = 3,35.1013 Hz 4L 4.10.10−2 ∆νp = 3,35.1013 Hz (2.12) Độ rộng vạch phổ tia laser phụ thuộc vào cấu trúc buồng cộng hưởng (khoảng cách hai gương L), chất chất làm môi trường hoạt laser bước sóng phát laser Trong loại laser thông dụng, laser khí nói chung có độ rộng vạch phổ bé (cỡ 536.106Hz với hoạt chất He-Ne), laser màu có độ rộng vạch phổ lớn (335.1011Hz với chất màu Rh6-G) Các kết tính toán mà 38 thu cho loại laser khác phù hợp với công bố thực nghiệm độ rộng vạch phổ [6-9] Kết luận chương II Trong chương tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán độ rộng vạch phổ số laser thông thường Các kết tính toán cho thấy độ rộng vạch phổ tia laser phụ thuộc vào cấu trúc buồng cộng hưởng (khoảng cách hai gương L), chất chất làm môi trường hoạt laser bước sóng phát laser Trong loại laser thông dụng, laser khí nói chung có độ rộng vạch phổ bé (cỡ 536.106Hz với hoạt chất He-Ne), laser màu có độ rộng vạch phổ lớn (335.1011Hz với chất màu Rh6-G) Các kết tính toán mà thu cho loại laser khác phù hợp với công bố thực nghiệm độ rộng vạch phổ [6-9] 39 Kết luận chung Trong luận văn này, tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát vấn đề sau: - Đã tìm hiểu cấu trúc laser, phân loại laser loại buồng cộng hưởng với cấu trúc khác - Đã tính toán độ rộng vạch phổ số laser thông thường Các kết tính toán cho thấy loại laser thông dụng, laser khí nói chung có độ rộng vạch phổ bé (cỡ 536.106Hz với hoạt chất He-Ne), laser màu có độ rộng vạch phổ lớn (335.1011Hz với chất màu Rh6-G) Các kết tính toán mà thu cho loại laser khác phù hợp với công bố thực nghiệm độ rộng vạch phổ [6-9] 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An (2002), Vật liệu linh kiện quang tử ứng dụng thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2005), Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Trần Đức Hân - Nguyễn Minh Hiển (2005), Cơ sở kỹ thuật laser NXB Giáo dục [4] Nguyễn Đại Hưng (2004), Vật lý kỹ thuật laser, NXB ĐHQG Hà Nội [5] Hồ Quang Quý (chủ biên), Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi Ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [6] Hồ Quang Quý (2006), Laser rắn, công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [7] Subhash Chandra Singh, Haibo Zeng, Chunlei Guo, and Weiping Cai (2012), Lasers: Fundamentals, Types, and Operations, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA [8] Orizio Svelto (2010), Principles of Lasers, Springer [9] E K A, Advanced Physics Laboratory, Physics 3081, 4051, The He-Ne laser and optical resonators [10] William T Silfvast (2003), Lasers, University of Central Florida Orlando, Florida [11] Larry A Coldren, Scott W Corzine, Milan L Mashanovitch (2012), Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, Library of Congress Cataloging in Publication data printed in the United States of America [...]... cũng như cấu tạo và nguyên tắc hoạt động chung của laser Chúng tôi cũng đã tìm hiểu cấu hình, cấu tạo và chức năng chính của một số buồng cộng hưởng dùng cho các loại laser Tính chất của chùm bức xạ laser phụ thuộc vào các thông số cấu trúc buồng cộng hưởng và được nghiên cứu kỹ hơn ở trong chương tiếp theo 28 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN, SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER 2.1 Độ rộng vạch phổ Như chúng... mà ở đó cường độ vạch phổ bằng 1/2 giá trị cực đại của nó (hình 2.3) I I0 ∆ν ν0 Hình 2.3 Độ rộng vạch phổ ν 30 Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch ∆ν của chùm và tính đơn sắc của tia laser làm cho nó có những ứng dụng tuyệt đối trong cuộc sống, trong khoa học và công nghệ Nghiên cứu cách tính toán độ rộng vạch phổ, so sánh độ rộng vạch phổ của các laser khác nhau là những nội... sẽ khác nhau Chỉ có những mode dọc nào mà tần số riêng của chúng trong cả hai phần của buồng cộng hưởng trùng nhau mới là những mode chung của buồng cộng hưởng Kết quả là phổ dao động của buồng cộng hưởng ghép thưa đi rất nhiều so với phổ dao động của buồng cộng hưởng bình thường 23 Hiệu suất của phương pháp chọn lọc mode dọc này tăng lên khi ta tăng số gương phản xạ đặt trong buồng cộng hưởng Tính... tia sáng lan truyền gần như song song với trục của buồng cộng hưởng Chính điều này sẽ quyết định tính định hướng của bức xạ laser 1.3 Một số loại buồng cộng hưởng 1.3.1 Buồng cộng hưởng mở Buồng cộng hưởng chỉ được giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu, còn các mặt khác đều để hở gọi là buồng cộng hưởng mở Buồng cộng hưởng với gương có kích thước lớn vô hạn Xét buồng cộng hưởng trình bày như hình vẽ... trong buồng cộng hưởng laser He-Ne [9] Điều này dẫn đến sự cần thiết phải có các quá trình chọn lọc mode laser phát với các cơ chế khác nhau Mặt khác với một bức xạ laser nhất định ảnh hưởng của nhiễu hay các quá trình vật lý khác xẩy ra trong chính bản thân laser gây ra quá trình mở rộng phổ của bức xạ laser Theo định nghĩa, độ rộng vạch phổ là khoảng cách tần số giữa hai điểm trên công tua vạch phổ. .. laser Đường bao vạch phổ khuếch đại của laser Cường độ Cường độ He-Ne như hình 2.2 Tần số Cường độ Tần số Phổ laser ra số Hình 2.1 Các mode trục dọc trong BCH và đường baoTầnvạch phổ các mode laser ra [9] 29 Hệ số Khuếch đại Khoảng cách giữa 2 mode liên tiếp trong BCH Các mode laser Công suất đầu ra Ngưỡng phát laser Phân cực 00 Phân cực 900 Tần số Chiều dài BCH Hình 2.2 Số mode trong buồng cộng hưởng. .. xạ trong một góc khối: ∆Ω = ( ∆θ ) = d 2 / λ 2 ≈ A / λ 2 2 (1.29) Giá trị góc khối này nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn ánh sáng nhiệt cỡ 2π Độ định hướng cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn 1.4.3 Độ đơn sắc cao Độ đơn sắc của một chùm tia được định nghĩa là độ rộng vạch phổ của chùm Khi độ rộng của vạch phổ của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc... số phẩm chất của buồng cộng hưởng đối với một vài dạng tổn hao khác Trường hợp hai gương song song nhau, nhưng các phôton chuyển động lệch với trục của buồng cộng hưởng một góc θ rất nhỏ thì hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng sẽ được xác định bởi: Q= nLω L  c 1 − R + θ ÷ D  (1.8) Khi θ rất nhỏ thì Q sẽ giảm không đáng kể Đối với trường hợp tổn hao qua các bề mặt bên của buồng cộng hưởng: n 2 ω2... đơn sắc hoàn toàn, thì độ dài kết hợp là vô cùng Nếu NL > 1 độ đơn sắc giảm đi Độ dài kết hợp của một sóng ánh sáng càng lớn khi độ đơn sắc của nó cao Đây chính là lí do tại sao ta phải nghiên cứu nâng cao tính đơn sắc của chùm tia laser 2.3 Tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ của một số loại laser 2.3.1 Độ rộng vạch phổ của laser khí ... kính của gương (hai gương có bán kính như nhau) và đỉnh của gương này nằm ở tâm của gương kia, hai tiêu điểm nằm trùng nhau Hình 1.7 Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu được sử dụng phổ cập hiện nay do có một số ưu điểm riêng sau: - Dễ dàng điều chỉnh để thu được các mode trục dọc - Mất mát năng lượng ít - Khối lượng của hoạt chất sử dụng có thể ít hơn so vớ cấu hình khác của ... laser, khái niệm độ rộng vạch phổ Chương So sánh độ rộng vạch phổ số laser Trong chương dẫn công thức tính độ rộng vạch phổ, tìm phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng, từ so. .. TOÁN, SO SÁNH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ CỦA MỘT SỐ LASER 28 2.1 Độ rộng vạch phổ 28 2.2 Công thức tính độ rộng vạch phổ 30 2.3 Tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ số loại laser. .. loại laser 31 2.3.1 Độ rộng vạch phổ laser khí 31 2.3.2 Độ rộng vạch phổ laser rắn 34 2.3.3 Độ rộng vạch phổ laser bán dẫn 36 2.3.4 Độ rộng vạch phổ laser màu 37 Kết