buong cong huong lazer

Chẳng hạn nếu dùng CO 2 có hệ số khuếch đại tương đối lớn trong các hoạt chất thông thường thì để có được công suất 1 Wat cần phải sử dụng một ống chứa khí dài khoảng 10 4 m điều nà[r]

(1)

Giảng viên hướng dẫn: Hoàng Hữu Hòa

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hân

(2)

I Giới thiệu chung cấu tạo Lazer. II Cấu tạo buồng cộng hưởng.

III Chức buồng cộng hưởng. IV Phân loại buồng cộng hưởng.

V Các mode buồng cộng hưởng.

VI Hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng. VII.Chọn lọc mode buồng cộng hưởng. VIII.Kết luận.

(3)

Cấu tạo Lazer gồm ba phận chính: 1.Nguồn bơm

(4)

Là nguồn lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) Là nguồn lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) luôn trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ lượng bơm)

luôn trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ lượng bơm)

Là môi trường khuếch đại gồm nhiều nguyên tử phân tử có cấu trúc lượng cho tìm ba mức lượng (hoặc bốn mức lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú.

Là phận đảm bảo trình phản hồi ngược quang học dương.Là phận đảm bảo trình phản hồi ngược quang học dương.

Ngồi cịn có thêm số phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt

chùm tia Lazer gồm có:

Hộp phản xạ: tập trung lượng bơm vào hoạt chất (dùng trường

hợp bơm quang học).

Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung lượng buồng cộng hưởng

cho mode bản

Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định

laser.

1 Nguồn bơm:

Môi trường hoạt chất:

3 Buồng cộng hưởng:

(5)

II Cấu tạo buồng cộng hưởng.

Buồng cộng hưởng cấu tạo gồm có hai gương quang học có hệ số phản xạ cao đặt đối diện cách khoảng không gian Một hai gương gương phản xạ toàn phần Sau cấu trúc chi tiết gương quang học buồng công hưởng quang học

1 Gương quang học:

Gương phản xạ làm từ kim loại thủy tinh mạ lớp vàng bạc có độ phản xạ cao Tuy nhiên hệ số phản xạ gương khơng có tính lọc lựa bước sóng Để có hệ số phản xạ lọc lựa cao theo bước sóng định ta phải sử dụng phản xạ cộng hưởng gọi tắt gương Lazer

(6)

Hệ số phản xạ cực đại bước sóng của xạ quang chân không của gương bao gồm m mặt có độ dày nhau, đặt cách

khoảng nhau, số lẻ lần phần tư bước sóng, xác định cơng thức:

Trong m số mặt hay số lớp điện môi, n chiết suất Điều kiện chiều dày quang học tức là:

Để đảm bảo tia sáng phản xạ lớp giao thoa đồng pha với Khi tia sáng phản xạ đồng pha tổng cường độ phản xạ toàn các lớp cực đại.

N1>1 N2<1 N3=N1 N4=N2 N5=N1

Thủy tinh

Khơng khí N =1

4



4

 r 1 n 1 = r 1 n 2=

2 ax 1 m m m n r n        

(7)

 

   

2

2 2

4 sin 2

1 4sin 2

f r nDf R r nDf     

Trong f tần số xạ, D độ dày mặt, r độ dày lớp điện môi.

Đối với Lazer định hệ số phản xạ đạt cực đại bước sóng(tần số) định Cịn với bước sóng khác hệ số phản xạ sẽ nhỏ hơn.

Dựa vào hai điều mà ta chế tạo nên gương phản xạ toàn phần hay bán phần Về nguyên tắc chế tạo gương Lazer gồm nhiều mặt có độ dày khác song điều khó thực gây khó khăn trong thiết kế gia cơng nên sử dụng thực tế Tuy nhiên nhằm để sử dụng cho Lazer có phân bố nghịch đảo không theo tiết diện ngang của hoạt chất cần lọc MODE ngang người ta chế tạo gương

Lazer có nhiều mặt có độ dày bán kính khác nhau.

(8)

2 Lăng kính:

Trong nhiều trường hợp lăng kính phản xạ thay cho gương phản xạ toàn phần 100% buồng cộng hưởng Lazer Nhờ lăng kính mà tia phân kỳ nhỏ phản xạ trở lại hoạt chất Ngoài nhờ lăng kính mà q trình khuếch đại hoạt chất phân bố Nên lăng kính sử dụng Lazer biến điệu xung Đối với buồng cộng hưởng có tính lọc lựa ngồi việc thay cho gương lăng kính cịn có tác dụng giống cách tử nhiễu xạ nhằm lọc bước sóng thích hợp

Hệ lăng kính

Hệ hai lăng kính

(9)

3 Khe chắn:

Bức xạ Lazer phát có nhiều sóng có tần số khác Tuy nhiên thông thường việc sử dụng Lazer ta sử dụng vài sóng có tần số định Và Lazer phát xạ đơn sắc ta dùng cách:

Cách 1: Sử dụng Lazer có kích thước nhỏ Cách 2: Dùng cách khe chắn

Dùng cách thứ gặp khó khăn việc gia cơng, lắp ghép, khó chỉnh sửa cơng suất bé nên thực tế ta thường sử dụng cách thứ hai dùng khe chắn cách tử nhiễu xạ

(10)

3 Khe chắn:

Khe chắn học thường dùng buồng cộng hưởng Lazer có cơng suất nhỏ Đó lỗ trịn nhỏ mặt kim loại khơng suốt

Đối với Lazer có cơng suất lớn thường xảy phá hủy đường biên lỗ chắn Để tránh phá hủy phần mặt biên lỗ gia công dạng mặt cầu mặt vng góc đánh bóng cho xạ phản xạ mạnh vùng Tuy nhiên muốn có độ bền cao tác dụng xạ Lazer mạnh nên khe chắn thay thủy tinh thạch anh

(11)

1 Thực hồi tiếp dương:

Môi trường hoạt chất đặt buồng cộng hưởng có khả khuếch đại tín hiệu qua theo quy luật hàm mũ độ khuếch đại không lớn chiều dài buồng cơng hưởng có hạn Chẳng hạn dùng CO2 có hệ số khuếch đại tương đối lớn hoạt chất thơng thường để có cơng suất Wat cần phải sử dụng ống chứa khí dài khoảng 10 4m điều khơng thể thực đươc Vì chiều dài hoạt chất phải giải theo cách khác Chính nhờ buồng cộng hưởng mà chiều dài hoạt chất giải cách đơn giản Trong buồng cộng hưởng tia sáng phản xạ nhiều lần biện pháp tăng quảng đường tia Cụ thể diễn sau:

(12)

Giả sử dịch chuyển tự phát nguyên tử buồng cộng hưởng xuất sóng ánh sánh Sóng khuếch đại lên dịch chuyển cưỡng qua lớp hoạt chất Khi tới mặt phản xạ phần sóng ánh sang bị tượng hấp thụ truyền qua, phần chủ yếu phản xạ trở lại khuếch đại lên đường tới mặt phản xạ Tại xảy trình tương tự sau nhiều lần phản xạ thu dịng xạ có cường độ lớn

1 Thực hồi tiếp dương:

Sự hình thành hồi tiếp dương BCH

(13)

Do buồng cộng hưởng mở nên sóng truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng qua hoạt chất nhiều lần khuếch đại lên Những sóng ánh sáng xác định cơng suất Lazer Cịn sóng truyền với góc tương đối lớn so với trục buồng cộng hưởng sau vài lần phản xạ bị ngồi Vì xạ hình thành buồng cộng hưởng có tính định hướng cao Trong trình phản xạ nhiều lần hai gương pha sóng ánh sánh ln bảo tồn quan hệ pha khơng đổi xạ xạ kết hợp Nhờ có buồng cộng hưởng thực phương pháp dao động khác để thu xạ dải phổ hẹp gần đơn sắc Như nói buồng cộng hưởng quang học có vai trị định việc hình thành tính chất xạ Lazer

(14)

Đây loại thông dụng đơn giản gồm hai gương phẳng bán phản xạ có độ phản xạ cao

khoảng 95% quay mặt phản xạ vào đặt song song với

Buồng cộng hưởng đòi hỏi khắt khe độ song song hai gương khó chỉnh lại có xạ có độ định hướng cao Loại thường sử dụng Lazer rắn bán dẫn

IV Phân loại buồng cộng hưởng:

(15)

Buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong phân bố khoảng bán kính cong đó, tiêu điểm chúng trùng

Loại có ưu điểm là: dễ chỉnh tổn hao nhiễu xạ buồng cộng hưởng coi không đáng kể Chúng sủ dụng nhiều Lazer khí

(16)

3 Buồng cộng hưởng gồm gương phẳng gương cầu:

Loại dùng Lazer khí số Lazer rắn

Ngồi để thu xung Lazer có độ rộng xung nhỏ có cơng suất lớn ta thay gương hai gương lăng kính quay với vận tốc lớn

(17)

Mặc dù cấu tạo buồng cộng hưởng tương đối đơn giản trình xảy lại tương đối phức tạp Trước hết ta xét hình thành dao động riêng buồng cộng hưởng: kỹ thuật Lazer các dao động riêng gọi mode Trong gần bậc mode coi kết giao thoa sóng phẳng lan truyền theo hướng ngược chiều hai gương phản xạ Mỗi mode được đặc trưng cấu hình tương ứng trường bề mặt

gương số nửa bước sóng xếp hai gương tức trục của buồng cộng hưởng Các mode dọc hình thành sóng phẳng lan truyền ngược chiều Như mode sóng đứng.

(18)

1 MODE dọc:

Khi sóng học lan truyền dọc theo sợi dây đến gặp tường phản xạ lại gặp sóng ban đầu truyền tới sợi dây hình thành sóng dừng Mối liên hệ bước sóng chiều dài sợi dây là:

2



n

L  n số nguyên

Tương tự, buồng cộng hưởng quang học, sóng điện từ truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng phản xạ qua lại hai gương hình thành nên sóng dừng Chỉ dao động điện từ mà số nguyên lần nửa bước sóng chiều dài buồng cộng hưởng tồn Về mặt tốn học, ta viết là:

2 

q

L 

Như có nhiều bước sóng thỏa mãn điều kiện này, nghĩa buồng cộng hưởng đồng thời có mode sóng dừng bước sóng khác , , … tồn Độ chênh lệch tần số mode dọc liên tiếp là: c vận tốc ánh sáng



1

 2 L

c

2

(19)

V Các mode BCH:

2 MODE ngang:

Trong xét mode dọc, ta xét sóng mà phương truyền nằm dọc theo trục buồng cộng hưởng Nếu phương lan truyền sóng tạo với trục buồng cộng hưởng góc nhỏ sóng dừng hình thành Các sóng dừng hình thành trường hợp gọi mode ngang phân bố trường (hoặc phân bố lượng) thay đổi theo phương ngang

Khi sóng tới truyền đến gặp gương buồng cộng hưởng sóng phản xạ hình thành chuyển động theo hướng ngược lại chúng gặp tạo nên sóng dừng Điều sóng sóng cầu (Kích thướt buồng cộng hưởng hữu hạn nên buồng cộng hưởng khơng có sóng phẳng mà cịn có sóng cầu) Theo tính tốn, sóng dừng có bước sóng thõa mãn hệ thức sau tồn tại: ) (   

 q m n

L



Ở q số thứ tự mode dọc, m n số thứ tự mode ngang

(20)

Tóm lai buồng cộng hưởng kín Ngồi mode dọc túy đặc trương m=n=0 q#0, BCH tồn mode ngang hình thành sóng phẳng lan truyền góc tương đối nhỏ so với trục BCH Khác với mode dọc phân bố trường mode ngang khơng phải đồng mà mang tính tuần hồn theo khơng gian giảm dần mép gương Như BCH có loại mode khác nhau: mode dọc phân biệt tần số phát,các mode ngang phân biệt phân bố biên độ pha bề mặt gương

Nếu bỏ mặt dẫn bên thu BCH hở xuất yếu tố ảnh hưởng đến tình vật lý xảy gương là: tổn hao nhiễu xạ gương.Tuy nhiên góc nhỏ so với trục BCH nên tổn hao nhiễu xạ coi khơng đáng kể Vì m,n nhỏ trường tất dao động tập trung tâm gương giảm dần mép gương

Như vậy,trong buồng cộng hưởng kín tồn mode ngang với giá trị m,n lớn Trong buồng cộng hưởng hở dao dộng không xuất tổn hao lớn mà chúng phải chịu mép gương Các tổn hao đóng vai trị quan trọng BCH quang học, cho phép giảm cách đáng kể số mode ngang kích thích BCH giữ lại mode ngang ứng với tia sáng lan truyền gần song song với trục buồng cộng hưởng Chính điều định đến tính định hướng xạ Lazer

(21)

Để đánh giá chất lượng BCH quang học theo quan điểm lượng, người ta sử dụng khái niệm hệ số phẩm chất Hệ số phẩm chất xác định theo công thức:

0 2 Ed

Q f p

 

Với Ed lượng dự trữ BCH

P0 lượng trung bình bị tiêu hao giây

Theo công thức ta thấy hệ số phẩm chất tỷ lệ nghịch với tổn hao BCH Các tổn hao buồng cộng hưởng trước hết xác định chất lượng phản xạ gương Nếu coi gưong hồn tồn giống có hệ số phản xạ r phần lượng BCH giảm khoảng thời gian dt tượng truyền qua hấp thụ xác định sau:

Khoảng thời gian để sóng từ gương đến gương khác là: t L Ln

f c

   VI Hệ số phẩm chất BCH quang học.

(1 ) 2

E

r

 

Giả sử sóng phẳng mang lượng từ gương G1 đến gương G2 Tại gương G2 sóng phản xạ phần Tổn hao lượng :2

(22)

Như sau khoảng thời gian sóng đựơc lần từ gương tới gương bị tiêu hao lượng lượng là:t

(1 ) 2

E

R

 

Vì tính trung bình đơn vị thời gian sóng bị phần lượng là:

(1 ) (1 )

2 2

E E R C

R

t Ln



  



Vì dao động BCH tạo hai sóng phẳng lan truyền theo hai hướng ngược chiều nên phần lượng mà mode đơn vị thời

gian là: E(1 R C)

Ln

 

Để tính cho khoảng thời gian ta có phương trình xác định tổn hao:t

(1 ) c

dE E R dt

Ln

 

(23)

Mặt khác coi mode BCH dao động điện từ độc lập mỗi dao động điện từ đặc trưng tần số cộng hưởng tốc độ tán xạ lượng biểu diễn qua hệ số phẩm chất Q sau:

0.

t Q

E E e   

E 0 lượng dự trữ ban đầu.

Lấy vi phân ta : dE E dt

Q





So Sánh hai biểu thức ta được: Q c(1L nR) 2(1LnR)



 

 

Ví dụ L= 10cm ,  0, 6.106m ,R=0,9 n=1.5 ta có Q=1,5.107

Tức hệ số phẩm chất có giá trị lớn, lớn nhiều so với BCH cao tần

Tuy nhiên, thực tế tổn hao phản xạ cịn có nhiều ngun nhân khác làm giảm hệ số phẩm chất BCH quang học Do nhiễu xạ gây kích thước hữu hạn gương, không song song gương, độ nhám gương

(24)

VII Chọn lọc mode.

(25)

1 Chọn lọc mode ngang.

Trong trình chọn lọc mode ngang việc khử dao động không cần thiết thực cách tăng đột ngột giá trị tổn hao nhiễu xạ Để làm điều ta đưa vào BCH chắn thích hợp Hiện chắn thường sử dụng thấu kính hội tụ

Chọn lọc mode xiên dùng chắn hai thấu kính

(26)

2 Chọn lọc mode dọc.

• Để chọn lọc mode dọc ta sử dụng số phương páp sau: • Thay đổi chiều dài BCH

• Đưa vào BCH mẫu chuẩn Fbri- Perot phẳng song song • Dùng gương phản xạ có hệ số truyền qua thay đổi dọc theo tiết diện • Dùng gương phản xạ Bragg tạo hồi tiếp chọn lọc tần số

Số mode dọc BCH xác định độ rộng phổ phát quang hoạt chất độ dài BCH Do nguyên tắc rút ngắn độ dài BCH ta giảm dần tần số dọc Tuy nhiên cách sử dụng rút ngắn BCH làm giảm chiều dài hoạt chất dẫn đến giảm hiệu suất Lazer

Phương pháp thông dụng dùng để chon lọc mode dọc dùng phương pháp BCH kép

G1

G2 G3

L1 L2

a) b)

Chọn lọc mode với BCH kép a) sơ đồ; b)Phổ dao động

(27)

BCH kép tạo ba gương phẳng G1,G2,G3,khoảng cách hai gương G1,G2 L1 Trong phần BCH hình thành mode dọc với hiệu tần số xác định công thức:

12

1

2 c f

L

 

Trong phần lại BCH hình thành mode dọc với hiệu tần số được xác định:

23

2

2 c f

L

 

Như chon L1,L2 khác hiệu tần số hai mode dọc cách nhau hai phần BCH khác nhau.

(28)

VII Chọn lọc mode.

Chỉ có mode dọc mà tần số riêng chúng hai phần BCH trùng mode chung BCH Kết phổ dao động BCH kép giảm nhiều so với phổ dao động mode bình thường

(29)

VIII Kết luận:

Trên nghiên cứu tổng quan buồng cộng hưởng Lazer Qua ta thấy đặc điểm cở buồng cộng hưởng Lazer Dựa đặc điểm ta ứng dụng vào công nghệ gia công chế tạo Lazer để ứng vời tùng loại Lazer cụ thể ta có loại buồng cộng hưởng thích hợp nhằm đạt hiệu suất phát Lazer cao

(30)

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	1,48 MB