BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC

BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC

Giảng viên hướng dẫn: Hoàng Hữu Hòa

Đề tài:

I Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer.

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

III Chức năng của buồng cộng hưởng.

IV Phân loại buồng cộng hưởng.

V Các mode trong buồng cộng hưởng.

VI Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng.

VII Chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng.

VIII.Kết luận.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY:

Cấu tạo của Lazer gồm ba bộ phận chính:1.Nguồn bơm.

2.Môi trường hoạt chất

3.Buồng cộng hưởng

Là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử)

luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm)

Là môi trường khuếch đại gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là ba mức năng lượng (hoặc bốn mức năng lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú.

Là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương.

Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt của chùm tia Lazer gồm có:

Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm quang học).

Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một mode cơ bản

Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của laser.

1 Nguồn bơm:

2 Môi trường hoạt chất:

3 Buồng cộng hưởng:

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

Buồng cộng hưởng cấu tạo chính gồm có hai gương quang học có hệ số phản xạ cao đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng trong không gian Một trong hai gương là gương phản xạ toàn phần Sau đây là cấu trúc chi tiết của gương quang học

và buồng công hưởng quang học

1. Gương quang học:

Gương phản xạ được làm từ tấm kim loại hoặc thủy tinh được mạ một lớp vàng hoặc bạc có độ phản xạ cao Tuy nhiên hệ số phản xạ của gương không có tính lọc lựa các bước sóng Để có được hệ số phản xạ lọc lựa cao theo từng bước sóng nhất định ta phải sử dụng các tấm phản xạ cộng hưởng gọi tắt là gương Lazer

Gương Lazer được chế tạo rất đặc biệt Nó được phun bởi nhiều lớp điện môi trong suốt, mỏng song song cách nhau bằng một lớp không khí lên đế Tính chất phản xạ lọc lựa của gương Lazer được đặc trưng bởi các tham số đặc trưng của lớp điện môi như: số lớp, độ dày mỗi lớp, khoảng cách giữa các lớp,chiết suất của chất làm điện môi Hiện tượng giao thoa xảy ra nhiều lần giữa các mặt phản xạ dẫn đến

sự phụ thuộc của hệ số phản xạ của gương vào bước sóng bức xạ

Hệ số phản xạ cực đại của bước sóng của bức xạ quang trong chân không

của gương bao gồm m bản mặt có độ dày bằng nhau, đặt cách nhau một

khoảng bằng nhau, bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng, xác định bằng công thức:

Trong đó m là số bản mặt hay số lớp điện môi, n là chiết suất của nó Điều kiện chiều dày quang học bằng tức là:

Để đảm bảo các tia sáng phản xạ trên các lớp giao thoa đồng pha với nhau Khi các tia sáng phản xạ đồng pha thì tổng cường độ phản xạ trên toàn bộ các lớp sẽ là cực đại.

11

m

n r

n

 − 

= + ÷

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

a Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào chiều dày của lớp điện môi

Đối với từng Lazer nhất định thì hệ số phản xạ của nó đạt cực đại ở một

bước sóng(tần số) nhất định Còn với các bước sóng khác thì hệ số phản xạ

sẽ nhỏ hơn.

Dựa vào hai điều này mà ta chế tạo nên gương phản xạ toàn phần hay bán phần Về nguyên tắc chúng ta cũng có thể chế tạo gương Lazer gồm nhiều mặt có độ dày khác nhau song điều này khó thực hiện được gây khó khăn trong thiết kế và gia công nên ít được sử dụng trong thực tế Tuy nhiên nhằm

để sử dụng cho Lazer có phân bố nghịch đảo không đều theo tiết diện ngang của hoạt chất hoặc cần lọc các MODE ngang thì người ta chế tạo gương

Lazer có nhiều bản mặt có độ dày bằng nhau nhưng bán kính khác nhau.

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

b Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ theo tần số bức xạ :

2 Lăng kính:

Trong nhiều trường hợp lăng kính phản xạ thay cho gương phản xạ toàn phần 100% của buồng cộng hưởng Lazer Nhờ lăng kính này mà các tia phân kỳ nhỏ được phản xạ trở lại hoạt chất Ngoài ra cũng nhờ lăng kính mà quá trình khuếch đại trong hoạt chất được phân bố đều Nên lăng kính được sử dụng trong Lazer biến điệu xung Đối với buồng cộng hưởng có tính lọc lựa ngoài việc thay cho gương ra lăng kính còn

có tác dụng giống như cách tử nhiễu xạ nhằm lọc những bước sóng thích hợp

Hệ một lăng kính

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

Hệ hai lăng kính

3 Khe chắn:

Bức xạ Lazer phát ra có thể có rất nhiều sóng có tần số khác nhau Tuy nhiên thông thường việc sử dụng Lazer ta chỉ sử dụng ở một vài sóng có tần số nhất định Và để cho Lazer phát bức xạ đơn sắc ta có thể dùng 2 cách:

Cách 1: Sử dụng Lazer có kích thước nhỏ

Cách 2: Dùng cách khe chắn

Dùng cách thứ nhất gặp khó khăn trong việc gia công, lắp ghép, khó chỉnh sửa

và công suất bé nên trong thực tế ta thường sử dụng cách thứ hai đó là dùng khe chắn bằng cách tử nhiễu xạ

II Cấu tạo của buồng cộng hưởng.

3 Khe chắn:

Khe chắn cơ học thường dùng trong buồng cộng hưởng Lazer có công suất nhỏ Đó

là một lỗ tròn nhỏ trên mặt kim loại không trong suốt

Đối với Lazer có công suất lớn thường xảy ra sự phá hủy trên đường biên của lỗ chắn Để tránh sự phá hủy này phần mặt biên của lỗ được gia công dưới dạng mặt cầu hoặc mặt vuông góc và được đánh bóng sao cho bức xạ phản xạ mạnh nhất ở vùng này Tuy nhiên muốn có độ bền cao dưới tác dụng của bức xạ Lazer mạnh nên khe chắn được thay bằng thủy tinh hoặc thạch anh

Khi đặt khe chắn trên trục của buồng cộng hưởng lọc lựa thì những tia có tần số phù hợp sẽ được đi qua khe chắn nhiều lần và đươch khuếch đại Những tia nào không được đi qua sẽ bị phản xạ ra ngoài và không được khuếch đại

1. Thực hiện hồi tiếp dương:

Môi trường hoạt chất đặt trong buồng cộng hưởng tuy có khả năng khuếch đại tín

hiệu đi qua nó theo quy luật hàm mũ nhưng độ khuếch đại này không lớn do chiều dài của buồng công hưởng có hạn Chẳng hạn nếu dùng CO2 có hệ số khuếch đại

tương đối lớn trong các hoạt chất thông thường thì để có được công suất 1 Wat cần phải sử dụng một ống chứa khí dài khoảng 10 4m điều này là không thể thực hiện

đươc Vì vậy chiều dài của hoạt chất phải được giải quyết theo cách khác Chính nhờ buồng cộng hưởng mà chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản

Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện

pháp tăng quảng đường đi của tia Cụ thể diễn ra như sau:

Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sánh Sóng sẽ được khuếch đại lên do dịch chuyển cưỡng bức khi

nó đi qua lớp hoạt chất Khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia Tại đây xảy ra quá trình tương tự và

cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ rất lớn

Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sánh Sóng sẽ được khuếch đại lên do dịch chuyển cưỡng bức khi

nó đi qua lớp hoạt chất Khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sang có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia Tại đây xảy ra quá trình tương tự và

cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ rất lớn

1. Thực hiện hồi tiếp dương:

Sự hình thành hồi tiếp dương trong BCH

Khuếch đại không thể lớn vô cùng được nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm

Do buồng cộng hưởng mở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Lazer Còn những sóng nào truyền với góc tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ bị thoát ra ngoài

Vì vậy bức xạ hình thành ở của ra của buồng cộng hưởng có tính định hướng rất cao Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương pha của sóng ánh sánh luôn bảo toàn và quan hệ giữa các pha đó cũng không đổi do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp Nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp dao động khác nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp gần như đơn sắc Như vậy có thể nói rằng buồng cộng hưởng quang học có vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của bức xạ Lazer

2 Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp

Đây là loại thông dụng nhất và đơn giản nhất gồm hai gương phẳng bán phản xạ

có độ phản xạ cao

khoảng 95% quay mặt phản xạ vào nhau đặt song song với nhau

Buồng cộng hưởng này đòi hỏi khắt khe về độ song song của hai gương vì thế rất

khó chỉnh nhưng lại có được bức xạ có độ định hướng cao Loại này thường được

sử dụng trong Lazer rắn và bán dẫn

IV Phân loại buồng cộng hưởng:

1. Giao thoa kế Fabri-perot

Buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng nhau và được phân

bố trên khoảng đúng bằng bán kính cong đó, do đó tiêu điểm của chúng trùng nhau

Loại này có ưu điểm là: dễ chỉnh và tổn hao do nhiễu xạ ở trong buồng cộng

hưởng coi như không đáng kể Chúng được sủ dụng nhiều trong Lazer khí

2 Buồng cộng hưởng đồng tiêu:

3 Buồng cộng hưởng gồm một gương phẳng và một gương cầu:

Loại này được dùng trong các Lazer khí và một số Lazer rắn

Ngoài ra để thu được các xung Lazer có độ rộng xung nhỏ và có công suất lớn thì ta thay một trong 2 gương hoặc cả hai gương bằng lăng kính quay với vận tốc lớn

IV Phân loại buồng cộng hưởng:

Mặc dù cấu tạo của buồng cộng hưởng tương đối đơn giản nhưng quá trình xảy ra trong đó lại tương đối phức tạp Trước hết ta xét sự hình thành các dao động riêng của buồng cộng hưởng: trong kỹ thuật Lazer các dao động riêng được gọi là các mode Trong gần đúng bậc nhất các mode có thể coi như kết quả giao thoa của các sóng phẳng lan truyền theo hướng ngược chiều nhau giữa hai gương phản xạ Mỗi một mode được đặc trưng bởi cấu hình tương ứng của trường trên bề mặt các

gương và số nửa bước sóng được sắp xếp giữa hai gương tức là trên trục của buồng cộng hưởng Các mode dọc được hình thành bởi sóng phẳng lan truyền ngược chiều nhau Như vậy mỗi mode là một sóng đứng.

V Các mode trong BCH:

λ

q

L =

Như vậy sẽ có nhiều bước sóng thỏa mãn được điều kiện này, nghĩa là trong

buồng cộng hưởng sẽ đồng thời có các mode sóng dừng bước sóng khác nhau , ,

… cùng tồn tại Độ chênh lệch tần số của các mode dọc liên tiếp nhau là: ở đây c

2 MODE ngang:

Trong khi xét mode dọc, ta xét các sóng mà phương truyền của nó nằm dọc theo trục của buồng cộng hưởng Nếu phương lan truyền của sóng tạo với trục của buồng cộng hưởng một góc khá nhỏ thì sóng dừng cũng được hình thành Các sóng dừng được hình thành trong trường hợp này được gọi là các mode ngang vì phân bố trường (hoặc phân bố năng lượng) của nó thay đổi theo phương ngang

Khi sóng tới truyền đến gặp gương của buồng cộng hưởng thì một sóng phản xạ sẽ hình thành và chuyển động theo hướng ngược lại và chúng gặp nhau tạo nên sóng dừng Điều này chỉ đúng khi các sóng này là sóng cầu (Kích thướt của buồng cộng hưởng là hữu hạn nên buồng cộng hưởng không chỉ có sóng phẳng mà còn có sóng cầu) Theo tính toán, chỉ các sóng dừng có bước sóng thõa mãn hệ thức sau đây mới tồn tại:

)1(

2

4

+++

= q m n

L

λ

Ở đây q là số thứ tự mode dọc, còn m và n là số thứ tự mode ngang

Độ chênh lệch tần số giữa hai mode ngang lân cận nhau nhỏ hơn nhiều so với các mode dọc

Tóm lai trong buồng cộng hưởng kín Ngoài các mode dọc thuần túy đặc trương bởi m=n=0 và q#0, trong BCH tồn tại các mode ngang hình thành bởi các sóng phẳng lan truyền dưới một góc tương đối nhỏ so với trục của BCH Khác với mode dọc phân bố trường của các mode ngang không phải là đồng nhất mà mang tính tuần hoàn theo không gian giảm dần về 0 ở mép gương Như vậy trong BCH có 2 loại mode khác nhau: các mode dọc chỉ phân biệt nhau bởi tần số phát,các mode ngang phân biệt nhau bằng sự phân bố biên độ và pha trên bề mặt gương.

Nếu bây giờ bỏ đi các mặt dẫn bên thì sẽ thu được BCH hở và khi đó xuất hiện yếu tố mới ảnh hưởng đến quá tình vật lý xảy ra trong gương là: tổn hao nhiễu xạ trên các gương.Tuy nhiên do góc khá nhỏ so với trục của BCH nên tổn hao do nhiễu xạ coi

như không đáng kể Vì khi m,n nhỏ thì và trường của tất cả các dao động hầu như chỉ tập trong ở trung tâm của gương và giảm dần về mép gương

Như vậy,trong buồng cộng hưởng kín có thể tồn tại các mode ngang với các giá trị m,n lớn Trong buồng cộng hưởng hở các dao dộng không xuất hiện được do tổn hao

là rất lớn mà chúng phải chịu trên mép gương Các tổn hao đóng vai trò quan trọng trong BCH quang học, nó cho phép giảm đi một cách đáng kể số mode ngang được kích thích trong BCH và chỉ giữ lại những mode ngang nào ứng với các tia sáng lan truyền gần như song song với trục của buồng cộng hưởng Chính điều này quyết

định đến tính định hướng của bức xạ Lazer

V Các mode trong BCH:

Để đánh giá chất lượng của BCH quang học theo quan điểm năng lượng, người ta sử dụng khái niệm hệ số phẩm chất Hệ số phẩm chất được xác định theo công thức:

Với Ed là năng lượng dự trữ trong BCH

P0 là năng lượng trung bình bị tiêu hao trong một giây

Theo công thức này ta thấy hệ số phẩm chất tỷ lệ nghịch với tổn hao trong BCH Các tổn hao trong buồng cộng hưởng trước hết được xác định bởi chất lượng phản xạ của các gương Nếu coi các gưong là hoàn toàn giống nhau và có cùng hệ số phản xạ r thì phần năng lượng trong BCH giảm đi trong khoảng thời gian dt do hiện tượng truyền qua và hấp thụ được xác định như sau:

Khoảng thời gian để sóng đi từ gương này đến gương khác là: L Ln

Như vậy cứ sau khoảng thời gian thì sóng đi đựơc một lần từ gương này tới

gương kia và bị tiêu hao một lượng năng lượng là: ∆ t

(1 ) 2

Mặt khác nếu coi các mode của BCH như các dao động điện từ độc lập mỗi dao động điện từ này được đặc trưng bởi một tần số cộng hưởng và tốc

độ tán xạ năng lượng có thể biểu diễn qua hệ số phẩm chất Q như sau:

0.

t Q

E E e

ω

−

=

E 0 là năng lượng dự trữ ban đầu.

Lấy vi phân ta được : dE E dt

VII Chọn lọc mode.

Trong BCH quang học thông thường có một số lượng rất lớn các mode dọc và các mode ngang được kích thích đồng thời Do đó khi làm việc Lazer sẽ bức xạ ra một tập hợp các tần số rất gần nhau nằm trong phạm vi của đường bao của vạch phổ phát quang của hoạt chất Mỗi mode tương ứng với mỗi tần số xác định và phân bố trừng trên bề mặt gương Chế độ đa mode của Lazer sẽ làm giảm tính kết hợp và đơn sắc của bức xạ, làm mở rộng và giản độ định hướng của chùm tia bức xạ Để sử dụng được Lazer trong kỹ thuật và trong thông tin việc đầu tiên là phải triệt tiêu được những dao động không cần thiết và tập trung năng lượng bức xạ cho một vài mode nhất định tạo điều kiện cho Lazer hoạt động ở chế độ đơn mode Qúa trình này gọi là chọn lọc mode

2 Chọn lọc mode dọc.

• Để chọn lọc mode dọc ta có thể sử dụng một trong số các phương páp sau:

• Thay đổi chiều dài của BCH

• Đưa vào BCH mẫu chuẩn Fbri- Perot hoặc tấm phẳng song song

• Dùng gương phản xạ có hệ số truyền qua thay đổi dọc theo tiết diện

• Dùng gương phản xạ Bragg tạo hồi tiếp chọn lọc tần số

Số mode dọc trong BCH được xác định bởi độ rộng phổ phát quang của hoạt chất và độ dài của BCH Do đó về nguyên tắc cứ rút ngắn độ dài của BCH ta có thể giảm dần tần

số dọc Tuy nhiên cách này ít được sử dụng vì nó rút ngắn BCH làm giảm chiều dài của hoạt chất dẫn đến giảm hiệu suất của Lazer

Phương pháp thông dụng nhất dùng để chon lọc mode dọc là dùng phương pháp BCH kép