Buồng cộng hưởng lazer

XENIME QUANG PHỔHỌC
BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC
Giảng viên hướng dẫn:
Hoàng Hữu Hòa
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Hân
Đề tài:
Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer.
Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
Chức năng của buồng cộng hưởng.
Phân loại buồng cộng hưởng.
Các mode trong buồng cộng hưởng.
Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng.
Chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng.
Kết luận.
NỘI DUNG TRÌNH BÀY:
I. Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer:
Cấu tạo của Lazer gồm ba bộ phận chính:
Nguồn bơm.
Môi trường hoạt chất.
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.
I. Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer:
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.
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.
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
a. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào chiều dày của lớp điện môi.
Trong đó f là tần số bức xạ, D là độ dày của bản mặt, r là độ 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.
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.
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.
III. Chức năng của BCH:
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.
III. Chức năng của BCH:
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.
III. Chức năng của BCH:
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:
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.
III. Chức năng của BCH:
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:
1. MODE dọc:
Khi một sóng cơ học lan truyền dọc theo một sợi dây và đến gặp một bức tường rồi phản xạ lại gặp sóng ban đầu truyền tới thì trên sợi dây sẽ hình thành một sóng dừng. Mối liên hệ giữa bước sóng và chiều dài sợi dây là:
Tương tự, trong buồng cộng hưởng quang học, khi sóng điện từ truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng và phản xạ qua lại giữa hai gương cũng sẽ hình thành nên sóng dừng. Chỉ những dao động điện từ nào mà một số nguyên lần nửa bước sóng của nó bằng chiều dài buồng cộng hưởng mới có thể tồn tại. Về mặt toán học, ta viết là:
V. Các mode trong BCH:
V. Các mode trong BCH:
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:
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:
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
Vì vậy tính trung bình trong một đơn vị thời gian sóng bị mất một phần năng lượng là:
Vì mỗi dao động trong BCH được tạo bởi hai sóng phẳng lan truyền theo hai hướng ngược chiều nhau nên phần năng lượng mà một mode mất đi trong một đơn vị thời gian là:
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
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:
E 0 là năng lượng dự trữ ban đầu.
Tức là hệ số phẩm chất có giá trị rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với BCH cao tần
Tuy nhiên, trên thực tế ngoài tổn hao do phản xạ ra còn có rất nhiều nguyên nhân khác làm giảm hệ số phẩm chất của BCH quang học. Do nhiễu xạ gây bởi kích thước hữu hạn của các gương, sự không song song của các gương, độ nhám của các gương ...
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
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.
1. Chọn lọc mode ngang.
Trong quá trình chọn lọc mode ngang việc khử các dao động không cần thiết được thực hiện bằng cách tăng đột ngột giá trị tổn hao do nhiễu xạ. Để làm được điều này ta đưa vào BCH một màn chắn thích hợp. Hiện nay màn chắn thường được sử dụng là thấu kính hội tụ.
Chọn lọc mode xiên dùng màn chắn và hai thấu kính
VII. 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
b)
Chọn lọc mode với BCH kép a) sơ đồ; b)Phổ dao động
VII. Chọn lọc mode.
BCH kép được tạo bởi ba gương phẳng G1,G2,G3,khoảng cách giữa hai gương G1,G2 là L1. Trong phần này BCH sẽ hình thành các mode dọc với hiệu tần số được xác định bằng công thức:
Trong phần còn lại của BCH được hình thành các mode dọc với hiệu tần số được xác định:
Như vậy nếu chon L1,L2 khác nhau thì hiệu tần số của hai mode dọc cách nhau ở hai phần của BCH sẽ khác nhau.
VII. Chọn lọc mode.
VII. Chọn lọc mode.
Chỉ có những mode dọc nào mà tần số riêng của chúng trong cả hai phần của BCH trùng nhau thì mới là mode chung của BCH. Kết quả là phổ dao động của BCH kép giảm đi rất nhiều so với phổ dao động của mode bình thường.
Hiệu suất của phương phương pháp chọn lọc mode này tăng lên khi ta tăng số gương phản xạ đặt trong BCH. Tính chất này được sử dụng rộng rãi trong các Lazer rắn mà ở đó ta dùng hỗn hợp hai hoặc nhiều tấm gương phẳng đặt song song làm một mặt phản xạ còn mặt kia là một gương điếc.
VIII. Kết luận:
Trên đây là những nghiên cứu tổng quan về buồng cộng hưởng Lazer. Qua đây ta thấy được những đặc điểm cở bản nhất của buồng cộng hưởng Lazer. Dựa trên những đặc điểm này ta ứng dụng vào trong công nghệ gia công chế tạo Lazer để ứng vời tùng loại Lazer cụ thể ta có từng loại buồng cộng hưởng thích hợp nhằm đạt hiệu suất phát Lazer cao nhất.
Một loại buồng cộng hưởng khác là buồng cộng hưởng lọc lựa ứng dụng để thay đổi bước sóng và nâng cao độ đơn sắc của chùm tia Lazer nhưng do giới han của đề tài nên chưa được nghiên cứu trong đề tài này.
KẾT THÚC
CẢM ƠN THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ QUAN TÂM THEO DÕI