Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng
cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser.
Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ
các gương sẽ hay là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hay là giao
thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn
toàn cùng pha, chũng sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sóng cũng
sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một
số nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh
trong hộp, sóng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp.
Nếu khoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng thêm
biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số
nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser.
Phương trình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sự khuếch đại
mạnh xảy ra trong hộp laser:
N x l = 2 x (chiều dài hộp)
trong đó N là một số nguyên, và l là bước sóng. Điều kiện cộng hưởng thật ra
không quan trọng vì những sự chuyển trạng thái laser thực tế trong hộp phân bổ
trong một phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cực
kì nhỏ so với chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung một quãng đường
truyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánh
sáng được khuếch đại. Cộng hưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguyên
(ví dụ 200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng rất gần nhau,
chúng rơi trong dải thông độ lợi của laser. Hình 7 minh họa một ví dụ điển hình,
trong đó một vài giá trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của laser,
vừa khít trong dải thông độ lợi.
Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi
Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau
ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng
qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế
hộp laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên
trong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi
chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau
trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế
hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng
của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một
nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng
cách cho trước.
Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai
đầu của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái
niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khó
được thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất
ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không
thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự
thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hay cả hai gương có bề
mặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hay bị
loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi
các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hay nếu ánh sáng không được
phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết
hợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại
phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, do
ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu
như không có ánh sáng nào bị thất thoát.
Trong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trong
việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong laser độ lợi cao, sự mất mát
mức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp
cộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng
lượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường laser, mặc dù chúng cho phép ánh
sáng thất thoát. Các gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn
các gương trong laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thể
truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng
hàng của các gương không có tính quyết định như trong laser độ lợi thấp, nơi mà
hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất
hiện ra ngoài.
Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode
dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một
nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của
chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định
bằng mode ngang của chùm. Những phân bố có khả năng trong cường độ chùm tia
được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một
chùm tia biểu hiện một, hai, hay hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các
rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ
mode ngang (Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m
và n là các số nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ
bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho mode E
và n cho mode M).
Một chùm laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về
phía ngoài rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và có cường
độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 8 minh họa một vài trong số nhiều
mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là
những laser được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hay nhiều
mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode
bậc nhất có thể thu được dễ dàng trong các laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền,
và là mode được ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ có thể tiến đến
một giá trị cực tiểu lí thuyết.
4htHPW5WGbCXJvl
