Nguyên lý hoạt động của Laserdựa trên hai hiện tượng:
- Hiện tượng phát xạ kích thích: tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân. Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại.
- Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh khi lan truyền trong laser: quá trình chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được. Như vậy, số sóng ánh sáng (có bước sóng khác nhau) do laser Fabry-Perot phát xạ bị giới hạn, làm giảm độ rộng phổ laser so với LED.
3.3.2. Hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Hốc cộng hưởng Fabry-Perot được tạo ra bằng cách mài bóng và song song hai cạnh của lớp tích cực tạo thành hai gương phản xạ có hệ số phản xạ R1 và R2 (<100%) (hình 3.18.a). Hốc cộng hưởng quang này, giống như một bộ dao động hơn là một bộ khuếch đại do quá trình hồi tiếp dương xảy ra khi sóng ánh sáng phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ đặt ở hai đầu hốc cộng hưởng. Khi tín hiệu quang được phản xạ nhiều lần, khuếch đại quang xảy ra trong hốc cộnghưởng.
Hình 3.18. Hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Một sóng ánh sáng phát xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốccộng hưởng khi thỏa điều kiện về pha của sóng ánh sáng. Khi đó, sóng ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng (hình 3.18.c).
Hay nói cách khác là xảy ra cộng hưởng của sóng ánh sáng. Các sóng đứng này chỉ tồn tại tại các tần số màkhoảng cáchgiữa hai mặt phản xạ bằng bội số của nữa bước sóng [3]:
L = q.(2n/λ) (3.11)
Trong đó, λ là bước sóng ánh sáng, n làchiết suất của lớp tích cực, q là số nguyên (q = 1,2,3, …). Hay nói cách khác, sóng ánh sáng có thể tồn tại và khuếch đại được trong hốc cộng hưởngcủa laser Fabry-Perot có bước sóng:
λ = q.(2n/L) (3.12)
Các bước sóng này không liên tục nhau và được xác định bởi số nguyên q. Mỗi một bước sóng này tạo nên một mode sóng do laser phát ra với khoảng cách giữa hai mode sóng kề nhau:
Δλ = 2n/L (3.13)
3.3.3. Độ khuếch đại quang
Xét một sóng ánh sáng phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng như hình 3.19.
Hình 3.19. Công suất của ánh sáng khi lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot
Trong quá trình lan truyền trong hốc cộng hưởng, năng lượng của sóng ánh sáng chịunhững ảnh hưởng như sau:
- Suy hao xảy ra trong hốc cộng hưởng do hiện tượng hấp thụ photon, hiện tưởng tán xạ ánh sáng …, được biểu diễn bởihệsố suy hao α
- Độ lợi trong hốc cộng hưởng do hiện tượng phát xạ kích thích, được biểu diễn bởi hệ số khuếch đại g
- Suy hao xảy ra tại hai mặt phản xạ có hệ số phản xạ R1 và R2 (R1, R2 < 1) Nếu gọi P(0) là cộng suất của ánh sáng tại mặt phản xạ R1 thì cộng suất thu được sau khi
lan truyền được một chu kỳ trong hốc cộng hưởng (lan truyền dọc theo hốc cộng hưởng, phản xạtại mặt phản xạ R2, truyền ngược về và phản xạ tạimặt phản xạ R1) là:
P’(0) = R1.R2.P(2L) = P(0).R1.R2.e(g-α).2L (3.14) Điều kiện để một sóng ánh sáng được khuếch đại trong hốc cộng hưởng là: độ lợi khuếch đại phải lớn hơn tổng các suy hao khi sóng ánh sáng thực hiện một chu kỳ phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Nói cách khác, cộng suất ánh sáng xét tại một điểm nào đó trong hốc cộnghưởng sau khi ánh sáng thực hiện mộtchu kỳ phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng phải lớn công suất ánh sáng trước khi truyền.
P’(0) ≥ P(0) (3.15)
→R1.R2.e(g-α).2L≥ 1 (3.16)
→g ≥ α + (1/2L).ln(1/R1.R2) (3.17)
Nhưvậy, điềukiện để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình lan truyền và phản xạ qualại giữa hai hốc cộng hưởng là độ lợi do phát xạ kích thích phải lớn hơn so với độ suy hao do hấp thụ. Điều này có nghĩa là, số photon được tạo ra do phát xạ kích thích (và phát xạtự phát)phảinhiều hơn số photon bịhấp thụ:
Nspontaneous + Nstimulated > Nabsorption (3.18) Trong đó, Nabsorption là số photon bị hấp thụ, Nspontaneous và Nstimulated là số photon được tạo ra do các hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Điều kiện (3.17) có thể đạt được khi số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2 (nằm ở vùng dẫn), phải nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp N1 (nằm ở vùng hóa trị). Điều kiện này được gọi là trạng thái nghịch đảo mật độ (population inversion) vì ở điều kiện bình thường (ở trạng thái cân bằng về nhiệt), mật độ củacác điện tử tại các mức năng lượng khác nhauđược phân bố theo hàm phân bố Boltzmann (số điện tửở trạng thái năng lượng thấp N1 luôn cao hơn so với số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2). Do vậy, để có thể đạt được trạng thái nghịch đảo mật độ cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài đủ lớn để làm tăng số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Quá trình này được gọi làquá trình “bơm” (pumping). Tùy theo loại vật liệu chế tạo nguồn quang hay khuếch đại quang, có nhiều phương pháp bơm khác nhau như dùng ánh sáng, trường sóng vô tuyến tần số cao, dòngđiện …Đối với laser bán dẫn, nguồn bơm này được cung cấp dưới dạng dòng điện. Dòng điện cung cấp cho laser càng lớn thì số điện tử ở vùng dẫn càng nhiều. Dòng điện tối thiểu để đạt được trạng thái nghịch đảonồng độ, điều kiện để có thể xảy ra quá trình khuếchđại ánh sáng, được gọi là dòng ngưỡng. Giá trị của dòng ngưỡng
phụ thuộc vào tính chất khuếch đại và suy hao của vật liệu bán dẫn và cấu trúc của hốc cộng hưởng.
3.3.4. Đặc tính phổ của Laser Fabry-Perot
Phổ của Laser Fabry-Perot là tổng hợp của phổ độ lợi khuếch đại của quá trình phát xạ kích thích xảy ra trong lớp tích cực của laser (phụthuộc vàoloại vật liệu chế tạo nguồn quang như phổ của LED) và đặc tính chọn lọc tần sốcủa hốc cộng hưởng.