LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 3

Chia sẻ: Doan Quang Vinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

126
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhắc lại: in short: a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of two units: (i) (ii) the optical amplifier converts pump energy into "coherent radiation" the optical resonator provides optical feedback which is mandatory for sustaining optical oscillation 27/09/2011 3 .Chương III: Phát xạ Laser Hai điều kiện để có dao động - Lượng tăng ích do khuếch đại phải lớn hơn mất mát trong hệ hồi tiếp để lượng tăng ích tổng cộng đủ đi được một vòng hồi tiếp. - Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2π để pha của...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 3

LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử
Chương III: Phát xạ laser
Chương III: Phát xạ Laser Nhắc lại: in short: a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of two units: (i) the optical amplifier converts pump energy into "coherent radiation" (ii) the optical resonator provides optical feedback which is mandatory for sustaining optical oscillation 27/09/2011 3
Chương III: Phát xạ Laser Hai điều kiện để có dao động - Lượng tăng ích do khuếch đại phải lớn hơn mất mát trong hệ hồi tiếp để lượng tăng ích tổng cộng đủ đi được một vòng hồi tiếp. - Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2π để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu. 27/09/2011 4
Chương III: Phát xạ Laser Vì khuếch đại và dịch pha là hàm của tần số nên: chỉ có một (hoặc một số) tần số thỏa mãn 2 điều kiện dao động (những tần số là tần số cộng hưởng của dao động). Tín hiệu ra hữu ích là một phần năng lượng lấy ra từ máy phát dao động. Do đó một máy phát dao động gồm: - một bộ phận khuếch đại với cơ chế bão hòa - một hệ hồi tiếp - một cơ chế lọc lựa tần số - một hệ thống lấy tín hiệu ra 27/09/2011 5
Chương III: Phát xạ laser III.1. Lý thuyết dao động Laser III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp a) Khuếch đại Laser (nhắc lại) Một máy khuếch đại laser là một máy khuếch đại kết hợp dải hẹp của ánh sáng. Khuếch đại đạt được bởi bức xạ cưỡng bức của hệ nguyên tử, phân tử trong khi đảo mật độ tích lũy đạt được. Khi mật độ dòng photon vào nhỏ: Khi mật độ dòng photon vào lớn, xảy ra bão hòa trong môi trường mở rộng đồng nhất Khi vạch phổ có dạng Lorentz, pha của tín hiệu khuếch đại dịch đi trên 1 đơn vị độ dài: 27/09/2011 7
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp b) Hồi tiếp và mất mát: buồng cộng hưởng quang học Hồi tiếp quang đạt được khi đặt một môi trường hoạt chất vào trong một buồng cộng hưởng quang học. Buồng cộng hưởng Fabry-Perot Pha bị dịch đi một lượng cân bằng với số sóng khi tín hiệu đi qua môi trường (3.1) 27/09/2011 8
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Các yếu tố không hoàn hảo của buồng cộng hưởng (gương, tự khuếch đại, và các thành phần quang học khác...) sẽ gây nên mất mát cường độ do tán xạ hoặc hấp thụ trong mỗi chu trình của ánh sáng trong buồng cộng hưởng. Cụ thể: + tín hiệu bị truyền qua gương (đặc biệt ở gương ra) MEDIUM + tán xạ và hấp thụ trên bề mặt gương + tán xạ và hấp thụ (do những hấp thụ kí sinh) trên bề mặt và trong môi trường khuếch đại + tán xạ và hấp thụ ở các thành phần quang học khác trong buồng cộng hưởng nội như diode quang học, etalon, fill lọc lưỡng chiết, thấu kính, các loại tinh thể khác. 27/09/2011 9
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Buồng cộng hưởng cung cấp hồi tiếp (buồng cộng hưởng nội) trở lại trường nhờ phản xạ ở bề mặt gương. Do đó laser là một máy phát dao động Mất mát không tránh được của trường bức xạ được bù bởi khuếch đại Nếu khuếch đại có thể bù được mất mát trong buồng cộng hưởng thì hệ bắt đầu dao động. Hồi tiếp quyết định sự dao động, do đó. • loại gương (plane, concave, convex) • khoảng cách giữa các gương • hướng của các gương liên quan đến nhau sẽ xác định tính chất của trường quang học gồm: • Năng lượng quang của laser • hình dạng chùm tia laser • hướng chùm tia laser • tần số, độ ổn định.... 27/09/2011 10
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp - Thông thường một gương có hệ số phản xạ thấp hơn (thường vài % truyền qua) được sử dụng để lấy tín hiệu ra từ laser. Tính chất của ánh sáng này (phân bố không gian, thời gian, phổ..) được xác định bởi hồi tiếp, hay nối cách khác xác định bởi tính chất của buồng cộng hưởng. MEDIUM R2 R1 output coupler 27/09/2011 11
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp • khuếch đại trong 1 chu trình Xét một chu trình trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot. - bắt đầu tại A. Tín hiệu đi ngang qua môi trường khuếch đại Giả thiết khuếch đại trong môi trường giữa 2 gương có thể được mô tả bởi hệ số khuếch đại γ - Đối với một tín hiệu truyền một lần qua môi trường có độ dài d, cường độ tại B lúc này: MEDIUM I B = GS ⋅ I A (3.2) d γd A B G =e S 27/09/2011 12
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp - phản xạ tại gương 2 trường quang học được phản xạ tại gương 2 có cường độ IC = R2 ⋅ I B = R2 ⋅ G S ⋅ I A (3.3) R2 là hệ số phản xạ (trong trường hợp này là hệ số phản xạ cường độ). Chú ý rằng nếu T là hệ số truyền qua của cường độ, một gương thực tế sẽ có R+T +ε = 1 C ở đây ε là các mất mát R2 R1 không phải do truyền qua MEDIUM của gương (tán xạ, hấp thụ). Thông thường T và ε được d tính chung vào mất mát trên A B gương. 27/09/2011 13
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp - tín hiệu lần thứ 2 đi qua khuếch đại, phản xạ một phần ở gương 1: cường độ quang học sau lần thứ 2 qua khuếch đại tại vị trí D là 2 (3.4) I D = G S ⋅ IC = R2 ⋅ G S ⋅ I A và sau khi phản xạ tại gương 1, nói cách khác là đi được 1 vòng trong buồng cộng hưởng 2 I A = R1 ⋅ I D = R1 ⋅ R2 ⋅ G S ⋅ I A (3.5) - hiển nhiên, khuếch đại tổng cộng: D C 2 2γd G= R1 ⋅ R2 ⋅ G S = R1 R2 e (3.6) d R2 R1 MEDIUM mô tả khuếch đại trong 1 chu trình của laser. d A B 27/09/2011 14
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Gọi hệ số mất mát tổng cộng của tín hiệu trong buồng cộng hưởng là αr. Tương tự tính toán cho khuếch đại sau một chu trình ta có: (3.7) Như vậy, hệ số mất mát trong 1 chu trình: (3.8) αs là tổng các mất mát do tán xạ và hấp thụ trong môi trường khuếch đại. αm1, αm2 là tổng mất mát trên gương 1 và 2, như vậy mất mát trên cả 2 gương: (3.9) 27/09/2011 15
2 I A = R1 ⋅ I D = R1 ⋅ R2 ⋅ G S ⋅ I A III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Sau một chu trình khuếch đại tổng cộng (bao gồm cả mất mát) ( γ −α s ) 2 d G =R1 R2 e (3.10) vì αr là mất mát tổng cộng của cường độ trường (hoặc mật độ dòng photon) trên một đơn vị độ dài buồng cộng hưởng, do đó αrc là mất mát của dòng photon trong thời gian 1s. (3.11) gọi là thời gian sống của photon 27/09/2011 16
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Cộng hưởng chỉ chấp nhận những tần số mà sau khi đi được 1 chu trình trong buồng cộng hưởng pha dịch đi một lượng là bội của 2π. Biên độ của hàm sóng tại P là Uo, sau khi đi được 1 chu trình trong buồng cộng hưởng biên độ lúc này là U1. Biên độ suy giảm 1 lượng mất mát do phản xạ ở 2 gương và hấp thụ trong môi trường (tương ứng với mất mát cường độ là |r2| với |r| < 1). Như vậy: U = Uo + U1 + U2 +... = Uo + hUo + h2 Uo + .... = Uo(1+ h + h2 +....) = Uo/(1-h) 27/09/2011 17
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Pha sau 1 chu trình dịch đi một lượng là bội của 2π (3.12) Cường độ của sóng có giá trị: (3.13) (3.14) 27/09/2011 18
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp trong đó (3.15) Trong trường hợp này cường độ của sóng là hàm điều hòa của pha với chu kì 2π, (3.14) có thể thay thế bằng: (3.16) trong đó νF = c/2d, I = Imax khi Giá trị cường độ nhỏ nhất (3.17) 27/09/2011 19
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp Khi F >>1, buồng cộng hưởng Fabry Perot được đặc trưng bởi 2 thông số: khoảng cách giữa các mode: (3.18) Độ rộng của mode (3.19) Lúc này (3.20) 27/09/2011 20