LASER VÀ

ỨNG DỤNG
TS. Nguyễn Thanh Phương
Bộ

môn Quang học và

Quang điện tử
Chương III:

Phát xạ

laser
27/09/2011 3
Chương III: Phát xạ

Laser
Nhắc lại:
in short: a LASER (Light Amplification

by

Stimulated

Emission of Radiation)
consists

of two

units:


which

is

mandatory
for

sustaining

optical

oscillation
27/09/2011 4
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 của2π

để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu.
27/09/2011 5
Chương III: Phát xạ


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 8
III.1.1 Khuếch đại quang và

hồi tiếp
b) Hồi tiếp và mất mát: buồng cộng hưởng quang học
Pha bị dịch đi một lượng cân bằng với số sóng khi tín hiệu đi qua môi
trường
Hồi tiếp quang đạt được khi đặt một môi trường hoạt chất vào trong một
buồng cộng hưởng quang học.
(3.1)
Buồng cộng hưởng Fabry-Perot
27/09/2011 9
III.1.1 Khuếch đại quang và

hồi tiếp
+ tín hiệu bị truyền qua

gương
(đặc biệt ở gương ra)
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


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 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

1
output
coupler
27/09/2011 12
•khuếch đại trong 1 chu trình
Xét một chu trình trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot.
III.1.1 Khuếch đại quang và

hồi tiếp
MEDIUM
-bắt đầu tại

A. Tín hiệu đi ngang qua môi trường khuếch đại
A
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:
B
B
SA
IGI=⋅
d
e
S
G
γ

tính chung vào mất mát trên
gương.
trường quang học được phản xạ tại gương 2 có cường độ
C
R
2
22
B
CSA
I
RI RGI
=
⋅=⋅⋅
R
2

là hệ số phản xạ (trong trường hợp này là hệ số phản xạ
cường độ).
(3.3)
27/09/2011 14
MEDIUM
A
-

tín hiệu lần thứ 2 đi qua khuếch đại, phản xạ một phần ở gương 1:
B
d
C
R
2

2
12
S
GRRG=⋅⋅
mô tả khuếch đại trong 1
chu trình

của laser.
(3.6)
d
eRR
γ
2
21
=
27/09/2011 15
Gọi hệ

số

mất mát tổng cộng của tín hiệu trong buồng cộng hưởng là

α
r
.
Tương tự

tính toán cho khuếch đại sau một chu trình ta có:
III.1.1 Khuếch đại quang và


(3.9)
27/09/2011 16
Sau một chu trình khuếch đại tổng cộng (bao gồm cả mất mát)
III.1.1 Khuếch đại quang và

hồi tiếp
2
112
D
ASA
I
RI RRG I
=
⋅=⋅⋅⋅
d
s
eRRG
2)(
21
αγ
−
=
(3.10)
vì
α
r
là

mất mát tổng cộng của cường độ


o
+ U
1
+ U
2
+ = U
o
+ hU
o
+ h
2
U
o
+ = U
o
(1+ h + h
2
+ ) = U
o
/(1-h)
27/09/2011 18
III.1.1 Khuếch đại quang và

hồi tiếp
Pha sau 1 chu trình dịch đi một lượng là bội của 2π
(3.12)
(3.13)
Cường độ của sóng có giá trị:
(3.14)
27/09/2011 19


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
27/09/2011 22
III.1.2. Các điều kiện dao động laser
a) điều kiện khuếch đại: ngưỡng phát laser
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ phải lớn hơn hệ số mất mát tổng cộng:
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.
(3.21)
ta đã biết:
Do đó:

hay
ro
N
α
ν
σ
>)(
to
NN >

o

) = 2/πΔν. 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).
27/09/2011 24
III.1.2. Các điều kiện dao động laser
Với giả thiết
Δν = 1/2π
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
ngắn hơn.
(3.27)
27/09/2011 28
III.1.2. Các điều kiện dao động laser
b) điều kiện pha: tần số laser –

hiện tượng co tần số
Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của2π
-Nếu không thể bỏ qua 2ϕ(ν)d: giải (3.30) ta được một tần số

ν
‘
q

νν
(3.31)

Trích đoạn III.3.1 Các phương pháp tạo laser xung III.3.4 Khóa mode dọc

---