ở phần trớc chúng ta thấy laser có thể hoạt động ở chế độ phát liên tục
hay xung tuỳ theo hàm bơm không hay có phụ thuộc thời gian. Trong cả hai chế độ này laser có thể phát đơn mode hoặc đa mode.
Có thể nói là tất cả laser đều có xu hớng phát đa mode, do chỗ khoảng cách giữa các mode thờng nhỏ hơn (hoặc nhỏ hơn rất nhiều) độ rộng của cộng tua đờng cong khuếch đại.
Chúng ta biết rằng dịch chuyển bức xạ của các hệ nguyên tử trong hoạt chất đều tạo nên 1 đờng cong nào đó có công tua nhất định hoặc là có dạng hàm Lorentz đợc gọi là mở rộng đồng nhất hoặc là dạng hàm Gauss gọi là mở rộng không đồng nhất. Cả hai độ mở rộng này đều rất lớn hơn khoảng cách mode và do đó đều dẫn đến sự phát đa mode của laser.
- 39 -WP3 WP3 WP2 WP1 Wp3 > Wp2 > Wp1 -1 0 +1
Hình.2.7. Dạng xung đợc làm đồng bộ trong các trờng hợp: xung cao ứng với số mode bằng 9 và xung thấp ứng với số mode bằng 9.
Trớc đây ngời ta thờng cho rằng ở các laser có mở rộng đồng nhất thì luôn luôn chỉ phát 1 mode. Lập luận xuất phát ở chỗ trong công tua của đờng cong khuếch đại ( xem hình vẽ trên) luôn có mode ở tâm vạch có cờng độ lớn hay hệ số khuếch đại lớn nhất, khi tăng bơm, dạng đờng cong không thay đổi và mode ở tâm luôn có hệ số khuếch đại lớn hơn và khi nó vợt mất mát có trong BCH mode ở tâm này sẽ đợc phát và do đó laser làm việc ở chế độ đơn mode 1 cách dễ dàng và hoàn toàn là tất yếu đối với một chế độ bơm nhất định. Sự thực, thực nghiệm cho thấy với laser mở rộng đồng nhất vẫn thu đợc nhiều mode phát ở một chế độ bơm nào đó. Nguyên nhân đợc hiểu nh sau: nếu ta thừa nhận rằng đối với mỗi 1 mode trong hoạt chất laser đều có một hình ảnh sóng dừng (do hiện tợng giao thoa) riêng của nó thì khi có hai mode, mode 1 là mode ở tâm, mode 2, mode ở bên, hình ảnh dừng sẽ nh ở hình vẽ sau:
Do các mode có hình ảnh sóng dừng nên tại các chễ cực đại sóng dừng trờng của mode sẽ tơng tác với hoạt chất và làm giảm độ tích luỹ ở những chỗ cực đại. Tuy nhiên tại các điểm cực tiểu của sóng dừng hiệu độ tích lũy không bị giảm do hoạt chất không tơng tác với trờng mode nh ở các điểm 0, 01; 02 trên
hình. Kết quả là tại 0, 01 trờng mode có thể tơng tác với hoạt chất để làm giảm
hiệu độ tích luỹ và dẫn tới kết quả là ngoài mode 1 đợc phát, mode 2 cũng sẽ đ- ợc phát. Tơng tự có thể giải thích với các mode khác.
Với laser có mở rộng không đồng nhất sự phát đa mode là đơng nhiên.
- 40 -
Hình.2.12. Hình ảnh sóng dừng trong môi trường hoạt chất.
. . .Mode 1 Mode 2 Mode 1 Mode 2 O O 1 O2
Hốc tàn số Đường cong Gauss
-1 0 +1 λ
Hình.2.13.
Thực vậy, trong trờng hợp này mỗi nhóm nguyên tử trong hoạt chất sẽ đ- ợc bức xạ với vạch có công tua đờng cong khuếch đại với tâm nằm ở các điểm khác nhau theo thang tần số hay bớc sóng (Hình.2.9). Ngay nếu giả thiết độ rộng đồng nhất của các nhóm nguyên tử này là nh nhau thì chúng vẫn tạo nên những hốc trong đờng cong tần số của đờng cong khuếch đại chung ( đờng chấm chấm ở hình có dạng hàm Gauss). Khi bơm đạt đến một giá trị tới hạn, mode ở tâm vạch phát khi wp tăng hơn giá trị bơm tới hạn vừa nói (wp > wp0) thì mode ở tâm vẫn có hệ số khuếch đại không đổi (điểm cắt nhau của 2 đờng cong liền nét) nhng các hệ số khuếch đại đối với các mode khác (-1; +1) tăng và mode này có thể đợc phát. Giải thích tơng tự đối với sự phát các mode khác.
Vậy có thể tóm tắt nguyên nhân laser phát đa mode là ở laser có mở rộng đồng nhất nguyên nhân là do hốc không gian, còn ở laser có mở rộng không đồng nhất là do sự tạo hốc tần số.
Tạo ra sự phát đơn mode của laser. Để laser phát đơn mode ngời ta phải dùng những phơng pháp kỹ thuật riêng đa thêm vào BCH, dới đây nêu về nguyên tắc một số phơng pháp thông dụng.
- Dùng màn chắn đặt ở gần dơng ra. Khẩu độ màn chắn đợc chọn sao cho số Fresnel tơng ứng với nó là nhỏ nhất. Trong trờng hợp này chỉ các mode gần trục hay các mode trục dọc đợc phát và có thể thu đợc phát đơn mode.
- Khi laser đợc điều chỉnh chỉ để phát các mode trục dọc, nếu muốn trục phát chỉ một mode trục dọc thì cần rút ngắn độ dài BCH tức mở rộng khoảng
cách giữa hai mode liên tiếp (∆ω=πLc: kết quả chỉ có 1 mode đợc khuếch đại
và phát. Với laser khi phơng pháp này dễ làm nhng lại vấp đợc điểm công suất nhỏ vì hệ số khuếch đại nhỏ.
* Phơng pháp sử dụng mẫu Fabry -Perot - phơng pháp này là dùng cho các loại laser với độ dài BCH bất kỳ.
Ngời ta đặt mẫu nghiêng 1 góc θ với trục của BCH (Hình.2.14) độ dài
của mẫu d cũng nh góc đặt nghiêng θ phải đợc chọn sao cho các tia đợc phản xạ
liên tiếp trong mẫu giao thoa triệt tiêu nhau chỉ để cho một loại tia theo phơng trục đi qua mẫu.
Bỏ qua tính toán và lý luận, điều kiện trên đợc xác định nh sau:
kd cosθ = nπ , (m = 1,2,3) (2.25) Nếu chú ý k = c v πη = λ π 2 2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với η- chiết suất môi trờng tạo mẫu Fabry-Perot thì bớc sóng có mất mát
nhỏ nhất (tức có thể phát) sẽ đợc xác định bằng biểu thức: - 42 - d θ Hình.2.14. Hoạt chất Gương phản xạ Gương phản xạ
v =2ndnccosθ n là số nguyên dơng. Còn khoảng cách giữa 2 mode sẽ là:
θ = ∆ cos 2nd C v
Khi chọn d đủ nhỏ thì ∆v sẽ lớn và có thể dễ dàng thu đợc một mode
phát.
* Phơng pháp sử dụng giao thoa kế phản xạ Fok – Smith:
Giao thoa kế đợc tạo nên bởi ba gơng phản xạ với các hệ số phản xạ
khác nhau (Hình.2.15). Ta chọn khoảng cách d1+ d2 thế nào để không có chùm
tia phản xạ I’ (I’ = 0). Từ điều kiện cực tiểu giao của chùm tia phản xạ liên tiếp
ta có điều kiện
K(d1 + d2) = 2nπ (2.26)
Khoảng cách giữa 2 mode liên tiếp theo (2.26) sẽ là:
v ∆ = 2 ( ) 2 1 d d n C + (2.27)
Với (d1+ d2) thích hợp ta cũng thu đợc laser phát đơn mode. Những phơng pháp vừa kể ở trên áp dụng đợc cho cả chế đọ phát liên tục hay phát xung của laser. I ’ R1 = 50% R3 = 100% R2 = 100% d1 d3 Hình.2.15.
Phần kết luận
Trên đây là những kết quả nghiên cứu bớc đầu về cơ chế hoạt động của laser dựa theo lý thuyết bán cổ điển. Để nghiên cứu đầy đủ và chính xác hơn thì chúng ta cần sử dụng lý thuyết lợng tử. Tuy nhiên, kết quả mà lý thuyết bán cổ điển rút ra cũng khá phù hợp các kết quả thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu ở đây đã đáp ứng đợc yêu cầu đặt ra cho đề tài.
Thứ nhất, đề tài đã làm sáng tỏ cơ sở động học của laser, cấu trúc cơ bản của một máy phát laser. Sự phụ thuộc của ngỡng phát vào hệ số phẩm chất của buồng cộng hởng.
Thứ hai, đề tài đã trình bày đợc chế độ hoạt động liên tục của laser dựa trên việc phân tích và giải phơng trình động học thông qua khảo sát tốc độ thay đổi nghịch đảo độ c trú, tốc độ thay đổi số photon. Đối với chế độ hoạt động không dừng, việc giải gần đúng bằng giải tích phơng trình động học chỉ thực hiện đợc trong trờng hợp sự thay đổi nghịch đảo độ c trú xảy ra chậm và xung bơm dạng bậc. Những trờng hợp khác thì các phơng trình động học nhìn chung chỉ giải đợc bằng máy tính điện tử mà ở đây đề tài cha đề cập tới.
Thứ ba, trong kỹ thuật tạo laser xung ngắn, đề tài đã trình bày hai phơng pháp thông dụng: biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hởng mà đồng bộ mode. Qua đó thảo luận, tính toán và vẽ đợc dạng xung ngắn với sự phụ thuộc cờng độ đỉnh xung vào số mode đợc làm đồng bộ.
Tài liệu tham khảo
[1]. Đinh Văn Hoàng- Trịnh Đình Chiến: Vật lý laser và ứng dụng.
NXB ĐHQG HN 1999.
[2]. Đinh Văn Hoàng: Cấu trúc phổ nguyên tử. NXB ĐH-THCN-1971.
[3]. Trần Đức Hân- Nguyễn Minh Hiển: Cơ sở kỹ thuật laser. NXB GD-
2001.
[4]. Ngụy Hữu Tâm: Những ứng dụng mới nhất của laser. NXB KHKT- HN 2003.
[5]. Hồ Quang Quý: Vật lý laser- Bài giảng chuyên đề cao học. Vinh-
2003.
[6]. Mai Văn Lu: Các cơ sở động học của laser- Luận văn thạc sỹ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[7]. Trần Bá Chữ: Laser và quang phi tuyến- NXB ĐHQG-HN 2002.