LASER VÀ ỨNG DỤNG
TS. Nguyễn Thanh Phương
Bộ môn Quang học và Quang điện tử

Chương III: Phát xạ laser
14/11/2013 3
Chương III: Phát xạ Laser
Nhắc lại:
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
(i)Khuếch đại quang: Biến đổi năng lượng bơm thành “bức xạ kết hợp"
(ii)Buồng cộng hưởng: cung cấp hồi tiếp quang học để duy trì dao dộng
14/11/2013 4
Chương III: Phát xạ Laser
Hai điều kiện để có dao động
- Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2p
để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu.
- 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.
14/11/2013 5
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
Chương III: Phát xạ laser
III.1. Lý thuyết dao động Laser

+ 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.
14/11/2013 10
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.

sẽ xác định tính chất của trường quang học gồm:
• loại gương (plane, concave, convex)
• khoảng cách giữa các gương
• hướng của các gương liên quan đến nhau
• Năng lượng quang của laser
• hình dạng chùm tia laser
• hướng chùm tia laser
• tần số, độ ổn định
14/11/2013 11
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp

G


(3.2)
d
14/11/2013 13
- phản xạ tại gương 2
MEDIUM
A B
d
R
1
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp
Chú ý rằng nếu T là hệ số truyền qua của cường độ, một gương
thực tế sẽ có
1RT

  
ở đây

là các mất mát
không phải do truyền qua
của gương (tán xạ, hấp thụ).
Thông thường T và

được
tính chung vào mất mát trên
gương.
trường quang học được phản xạ tại gương 2 có cường độ
C

(3.4)
R
1
và sau khi phản xạ tại gương 1, nói cách khác là đi được 1 vòng
trong buồng cộng hưởng
2
1 1 2
D
A S A
I R I R R G I     
(3.5)
- hiển nhiên, khuếch đại tổng cộng:
2
12S
G R R G  
mô tả khuếch đại trong 1
chu trình của laser.
(3.6)
d
eRR

2
21

• khuếch đại trong 1 chu trình (tiếp)
14/11/2013 15
Gọi hệ số mất mát tổng cộng của tín hiệu trong buồng cộng hưởng là

r
.



(3.10)
vì

r
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

r
c

là mất mát
của dòng photon trong thời gian 1s.
(3.11)
gọi là thời gian sống của photon
(3.9)
• khuếch đại trong 1 chu trình (tiếp)
14/11/2013 17
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 2p.
Biên độ của hàm sóng tại P là U
o
, sau khi đi được 1 chu trình trong buồng
cộng hưởng biên độ lúc này là U
1
. 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 |r

(3.14)
14/11/2013 19
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp
trong đó
Trong trường hợp này cường độ của sóng là hàm điều hòa của pha với chu
kì 2p, (3.14) có thể thay thế bằng:
(3.15)
(3.16)
trong đó
n
F
= c/2d, I = I
max
khi

(3.17)
Giá trị cường độ nhỏ nhất
14/11/2013 20
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:
Độ rộng của mode
(3.18)
(3.19)
Lúc này
(3.20)
Chương III: Phát xạ laser
III.1. Lý thuyết dao động Laser
III.1.1. Khuếch đại quang và hồi tiếp
III.1.2. Các điều kiện dao động laser


r
bằng thời gian sống của photon
thay thế biểu thức tính (n) ta được:
N
t
là hàm của tần số, N
t
nhỏ nhất khi g(n) lớn nhất tại n = n
o
.
(3.24)
Nếu hàm hình dạng phổ có dạng Lorentz thì g(n
o
) = 2/pDn. Lúc này ngưỡng
N
t
đối với dao động ở tần số trung tâm
(3.26)
Ngưỡng của chênh lệch mật độ tích lũy: tỉ lệ thuận với mất mát tổng cộng
trong buồng cộng hưởng (tỉ lệ nghịch với thời gian sống của photon).
14/11/2013 24
III.1.2. Các điều kiện dao động laser
Với giả thiết
Dn  1/2p
t
sp

Ngưỡng chênh lệch mật độ tích lũy là hàm của thời gian sống của photon
và bước sóng. Ngưỡng dao động của laser khó đạt được hơn ở bước sóng

c
q
q
2
nn
(3.31)