III.2.2. Phân bố phổ laser
Phân bố phổ của laser bao gồm cả hình dạng phổ của các nguyên tử trong môi trường khuếch đại (gồm cả mở rộng vạch đồng nhất và không đồng nhất) và mode của buồng cộng hưởng. Thể hiện trong 2 điều kiện dao
động: - điều kiện khuếch đại: thỏa mãn tất cả những tần số dao động nằm bên trong dải phổ có độ rộng B, tần số trung tâm trùng với tần số cộng hưởng của nguyên tử trong buồng cộng hưởng ν0 . - điều kiện pha: chỉ những mode có tần số trùng với mode của buồng cộng hưởng νq (giả thiết không có
27/09/2011 53
III.2.2. Phân bố phổ laser
Do đó chỉ một số giới hạn các tần số thỏa mãn cả 2 điều kiện (ν1 , ν2 , ....νM ), như vậy số lượng mode laser có thể, thỏa mãn điều kiện dao động:
F
BM M
ν
≈ (3.56)
νF = c/2d là khoảng cách gần đúng giữa các mode của buồng cộng hưởng. Tuy nhiên số lượng mode M phụ thuộc vào độ rộng vạch phổ tự nhiên của các nguyên tử. Độ rộng vạch phổ của nguyên tử tuân theo một cơ chế nở
rộng vạch. out c ST P Δ h Δ 2 ) ( 4π ν ν ν =
(giới hạn độ rộng vạch phổ của laser tuân theo công thức Schawlow- Townes: I Rsp ST π ν 4 = Δ Thực tế độ rộng vạch phổ lớn hơn nhiều do các yếu tố làm nở rộng vạch)
III.2.2. Phân bố phổ laser
a) Môi trường mở rộng đồng nhất – hiện tượng „giữ khuếch đại“
Ngay khi laser hoạt động (khuếch đại tín hiệu nhỏ lớn hơn mất mát), tất cả các mode bắt đầu phát triển với các mật độ dòng photon tương ứng (φ1 , φ2 , ... φM ). Những mode có tần số gần ν0 có tốc độ phát triển nhanh nhất và đạt được mật độ dòng photon lớn nhất. (3.57)
φs (νj ) là mật độ dòng photon bão hòa tương
Đến khi dòng mật độ photon lớn. Hệ số
27/09/2011 55
III.2.2. Phân bố phổ laser
Cuối cùng chỉ còn 1 mode ở tần số trung tâm (hoặc 2 mode trong trường hợp đối xứng) còn tồn tại khuếch đại cân bằng với mất mát (gain clamping).
Trong môi trường mở rộng đồng nhất lý tưởng laser hoạt động đơn mode nhờ hiện tượng bão hòa khuếch đại, tất cả các mode (trừ
mode trung tâm) bị giữ bên dưới ngưỡng)
Trong môi trường mở rộng đồng nhất thực tế, nhiễu của các cơ chế quang, của bơm... ảnh hưởng đến khuếch đại và mất mát, dẫn đến các mode lân cận với khuếch đại lớn nhất sẽ biểu hiện như mode „mạnh nhất“. Laser sẽ
có hiện tượng „nhảy mode“ (mode-hopping) giữa các mode này.
Sự chênh lệch khuếch đại giữa các mode lân cận mode trung tâm càng nhỏ thì khả năng „giữ khuếch đại“ càng thấp và hiện tượng „nhảy mode“ càng dễ xảy ra.
Để lựa chọn bước sóng, phải làm tăng mất mát ở tất cả các tần số trừ tần số trung tâm.
III.2.2. Phân bố phổ laser
a) Môi trường mở rộng không đồng nhất – hiện tượng hole-burning
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ trung bình là tập hợp hệ số khuếch đại của tất cả các nguyên tử có tính chất khác nhau trong môi trường.
27/09/2011 57 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
III.2.2. Phân bố phổ laser
Tương tự môi trường mở rộng đồng nhất, khi laser bắt đầu hoạt động thì các mode bắt đầu khuếch đại. Sau đó bị bão hòa và hiện tượng „giữ khuếch đại“ xảy ra.
Tuy nhiên vì môi trường mở rộng không
đồng nhất nên hiện tượng „giữ khuếch
đại“ xảy ra với mỗi mode là độc lập không
ảnh hưởng đến các mode khác. Dẫn đến hiện tượng hole-burning với độ rộng „lỗ“ là:
Laser dao động ở tất cả các mode thỏa mãn hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ lớn hơn mất mát.
Laser mở rộng không đồng nhất hoạt
động ở trạng thái đa mode
Để laser hoạt động đơn mode phải đưa 1 bộ phận lọc lựa tần số vào trong buồng cộng hưởng
Chương III: Phát xạ laser
III.1. Lý thuyết dao động Laser
III.2. Các đặc trưng của laser
III.2.1. Công suất phát laser
III.2.2. Phân bố phổ laser